PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)程序,plc,控制,節(jié)制,變頻,調速,供水系統(tǒng),程序 恒壓供水的控制與節(jié)能的探索 摘要:在簡要分析國內外給水系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎上,介紹了系統(tǒng)的組成,提出了以變頻調速為核心所構成的全自動給水系統(tǒng)控制方式,并以實例詳細分析了該系統(tǒng)的組成、工作原理以及在控制與節(jié)能方面所表現(xiàn)出的優(yōu)越性.文中根據(jù)作者的實際使用經驗,簡要闡述了該系統(tǒng)在應用中應注意的一些問題。 關鍵詞: 變頻調速;恒壓供水。PID調節(jié)器中圖法? ? 一、引　　言 目前,我國居民小區(qū)與高層建筑的生活供水,普遍采用工頻方式.它存在著能耗大,噪音高,水源存在二次污染等諸多問題.而用變頻調速控制的給水裝置是一種較為理想的模式.進入90年代中后期,隨著變頻調速技術的不斷發(fā)展與完善,基于該項技術的全自動恒壓給水方式已在發(fā)達國家得到廣泛的應用,且日趨成熟.近幾年來,作者在變頻調速給水控制系統(tǒng)的設計與施工方面做了些實際工作,積累了一些經驗,并形成了對于一些問題的看法.水泵節(jié)能原理變頻調速系統(tǒng)之所以得到推廣,一個很重要的原因就是它有較好的節(jié)能效果. 一臺水泵的實際揚程與電源頻率的平方成正比.因而通過變頻器改變水泵電機的供電頻率,就可控制水泵的供水壓力.恒壓供水自動控制變頻恒壓供水原理框圖如圖1所示. 為給定的壓力值, 為壓力傳感器從管道上所測得的實際壓力值,PID調節(jié)器通過對兩者的誤差運算,并經過控制變頻器的頻率輸出,從而使管道的壓力始終保持在設定值上。 該系統(tǒng)能自動檢測用戶的瞬時水壓,據(jù)此調節(jié)給水量的多少及電機的運行狀況.還可根據(jù)所需的給水壓力設定控制壓力值,讓設備始終處于恒壓狀態(tài),從負載電機的特性可知,所配電機的軸功率與其轉速的三次方成正比,即 .例如,當變頻器輸出頻率為35Hz(最高設定為50Hz),也就是實際轉速為額定轉速的70%時,調速器的用電量為0.343,約占額定的35%.也就是說,水泵總處于恒壓變流量匹配方式的工作狀態(tài),從而消除了超壓和回流的無功損耗.恒速與變頻調速軸功率變化曲線如圖2所示,比較可知,變頻調速方式節(jié)能效果最為明顯。 二、實例分析： 恒壓供水是通過變頻調速來調節(jié)水的流量從而達到恒壓的目的,它最終控制的目標是水壓.控制對象具有非線性、滯后特性.PID調節(jié)器性能的好壞,在很大程度上決定了恒壓供水的質量.當系統(tǒng)在啟動與停止階段,或壓力設定值大幅度變化時,由于在短時間內存在很大的偏差,因而無論PID調節(jié)器的控制算法采用增量式還是位置式,其積分項將取蓄水池、水泵組(1M,2M)及相關輔配件構成.本系統(tǒng)的核心是變頻調速控制柜,它通過壓力傳感器對管網(wǎng)壓力進行實時監(jiān)測,并轉換為電信號提供給變頻器進行運算,通過變頻器、可編程控制器PLC與繼電器陣列的共同控制,構成了完善的全自動變頻調速給水系統(tǒng)。 變頻器的品種繁多,如三菱、富士、三肯及ABB等型號.一般常選用泵類、風機專用系列.以三菱FR-A140E為例,它除了一般品牌所具有的功能外,還有如下特點:內部采用IPM智能功率模塊,使電機的噪音減至最低;變頻器與工頻電源之間可進行切換,用戶只需通過PLC輸入啟動、停止及自動切換指令,就可方便地通過接觸器的互鎖動作來切換不同的水泵,而不需要像以往那樣自行設計繁瑣的控制程序,這是該變頻器所特有的功能之一;內置的瞬時停電再啟動與再試啟動功能,在無人看管的情況下,即使變頻器停機后也可自行啟動,完全實現(xiàn)了以自動化方式的運行.本系統(tǒng)中的PID調節(jié)器可用變頻器內置式值很大,這就會存在偏差調節(jié).在消除偏差調節(jié)的過程中,必然導致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調和長時間的振蕩,同時還會產生嚴重的積分飽和現(xiàn)象,從而影響了設備的正常運行.要把這種影響降至最低,就應在控制算法中采用積分分離的PID控制方式,以達到預期效果.經這樣處理后,可大大縮短系統(tǒng)達到穩(wěn)定的過渡過程時間.系統(tǒng)中配備兩臺11kW水泵(1M為主泵,2M為備用泵)供600余戶居民用水.兩臺泵同時工作時提供最大高峰流量,單臺則滿足小流量和夜間供水.另外,所有水泵均能以變頻方式運行,即可以循環(huán)方式軟啟動,這樣能減小對電網(wǎng)和管網(wǎng)的沖擊.值得注意的是,兩泵在變頻與工頻之間切換時,僅有程序互鎖是不夠的,輸出必須采用機械聯(lián)鎖接觸器,這樣可避免兩個接觸器瞬間同時閉合的情況,以免造成電源的瞬間短路。 變頻調速系統(tǒng)的主回路原理圖,壓力傳感器P實時監(jiān)測水壓信號的大小,信號經PID處理,輸入至變頻器.小流量時,水泵電機1M運轉(1KM1吸合),并通過反饋通道不斷調整其轉速,以保持壓力的恒定;在大流量的情況下,經壓力比較電路通過PLC發(fā)出“變頻/工頻切換”與“運行聯(lián)鎖”指令,機械聯(lián)鎖接觸器(2KM(2KM1+2KM2)中的2KM2、接觸器3KM得電.這時,電機2M以變頻方式啟動,1M則切換至工頻全速運行.這樣,本系統(tǒng)能始終將用水量維持在一個恒定的壓力上.前述小區(qū)建成初期,供水采用工頻方式,因能耗大,可靠性差,住戶反映強烈.改用變頻供水后,裝機總容量較原設備減小25%,實際綜合節(jié)電指標接近30%,效果顯著。 三、應用中的幾個問題 在大多數(shù)情況下,現(xiàn)場的使用環(huán)境較為惡劣.變頻器雖然本身具有很強的保護功能,如欠壓、過壓、過流、電流限幅選擇整定、過載、過熱、缺相、短路及斷水保護功能等,但仍應做到防患于未然.經使用發(fā)現(xiàn),三菱、富士兩種品牌,由于在設計和制造中充分考慮了各種惡劣的運行環(huán)境.在同樣條件下的可靠性和使用壽命較某些品牌高.湖北鄂西山區(qū)某小城市,平均海拔1200m,常年大部分時間濕度偏高(80%左右),二氧化硫污染嚴重,某廠生產的一套變頻供水設備,因未考慮上述因素,以至于不到一年的時間,設備的有關部件嚴重腐蝕.而我們在同一地區(qū)設計、安裝的同類產品,因充分考慮了各種不同的情況,在設備與元件的選型上,采用了船用標準.經兩年多的使用,運行良好,經受了各種嚴峻的考驗.在實際使用中發(fā)現(xiàn),變頻器本身就是一個強大的干擾發(fā)生源,往往會影響設備的正常運行.特別是水泵低轉速運轉時,變頻器上顯示的頻率與實際運行頻率不符.干擾的傳播途徑一般有兩種:線路串擾和空間輻射干擾.根據(jù)現(xiàn)場的實際情況可采取相應的措施予以解決.例如,對可編程控制器的電源端增加濾波與吸收回路,PID調節(jié)器單元的輸入輸出一定要有可靠屏蔽,將變頻器、電機上的接地端子牢固地與接地樁子相連,控制線與動力線要留有一定的距離,以增強抗電磁干擾的能力.只有這樣,才能使系統(tǒng)在高溫、潮濕、霉菌、強干擾等嚴酷的條件下保持長期穩(wěn)定的工作狀態(tài)。 四、結束語 以變頻調速為核心的供水方式,節(jié)水、節(jié)電效果明顯,可廣泛適用于20～10000戶居民生活區(qū)、高層建筑、賓館、飯店、消防或小區(qū)加壓供水,也是中小型自來水廠給水的理想設施.其供水質量高,經濟效益明顯,社會效益巨大,隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,它一定會在我國逐步得到應用與推廣。 五、參考文獻 張萬忠,王民權.《一種新型變頻恒壓供水泵站的設計方案》.電氣時代,1999(10):22～232　 劉迎春.《傳感器原理設計與應用.》北京:國防科技大學出版社,1989.59～623　 呂光大.《建筑電氣安裝工程手冊》.北京:水利電力出版社,1995.222～2244　 給排水自動化工程編寫組.給排水自動化工程.北京:水利電力出版社,1997.301～312 - 7 - 信息與電子工程 系畢業(yè)設計 (論文) 1．本課題所涉及的問題在國內(外)的現(xiàn)狀綜述 隨著社會經濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質量，經濟、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年。我國人均日生活用水量(包括城市公共設施等非生產用水)由175.7升增加到241.1升，增長了37.2％，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國的666個城市中有330個不同程度缺水，其中嚴重缺水的達108個；在32個百萬人口以上的特大城市中，有30個城市長期受缺水的困擾，特別是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經濟損失達2300億元；同時給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會中的一種隱患。 在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設備的維護管理費用。在生產成本中占有很大的比例：水泵電機作為一種高耗能通用機械，其耗電量占全國總耗電量的21％以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調控方式雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看。很不經濟。近年來，電機調速技術的應用，為水泵電機的節(jié)能開辟了一個新途徑。它可以通過調節(jié)電動機的轉速來適應水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進行設備管理與維護，對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經濟效益具有極其重要的意義。 2．設計(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法 本課題要解決的問題: 本課采用和變頻調速技術研制控制變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時不間斷按預先設定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產。通過該項目的研制和應用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產成本，減少設備維護，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產調度管理水平，減輕工人勞動強度，有效的提高了生產率。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的應用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價值。 （1）由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調控方式雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看。所以我們采用變頻調速控制水泵用來改善水泵的能量浪費問題。 （2）S7-200控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調速方式自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，自動調節(jié)水泵電機轉速，改變以往“先啟后?！狈绞剑顾畨浩椒€(wěn)過渡。采用硬件/軟件備用及時鐘控制功能，使各泵進行輪休，延長設備的機械使用壽命。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運行，保證不間斷供水。因此要設置好各泵的啟動方式及順序。 （3）變頻轉工頻開關切換時間T 設置Ｔ是為了確保在加泵時，泵由變頻轉為工頻的過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網(wǎng)產生的沖擊，所以在允許范圍內Ｔ必須盡可能的小。 （4）上下限頻率持續(xù)時間TH和TL 變頻器運行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，系統(tǒng)以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據(jù)來判斷是否加泵（減泵），這個判斷的時間就是TH（TL）。如果設定值過大，系統(tǒng)就不能迅速的對管網(wǎng)用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網(wǎng)用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質量。所以要設置好上下限頻率持續(xù)時間。 （5）對常用的調速方式進行分析，并決定選用的調速方式 調速方式的大致分類： 1、變級對數(shù)調速，2、變頻調速。 變頻調速又可以分為： Ⅰ、交--直--交變頻器，Ⅱ、交--交變頻器。 因為交—交變頻調速方式比較適用于低速度，大功率的電機，因此我們在本次設計中選用交—直—交方式的變頻調速。 3．本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路 3.1調速控制節(jié)能分析 水泵的設計負荷是按最不利條件下最大時流量及相應揚程設定的。但實際運行中水泵每天只有很短的最大時流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個工況點，需要根據(jù)實際情況進行控制。通常采用的方法有閥門控制和調速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達到控制流量的目的，因而浪費了能量：而電動機調速控制可以通過改變水泵電動機的轉速來變更水泵的工況點，使其流量與楊程適應管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達到節(jié)能效果。 由流體力學可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速與出水流量Q成正比：管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率與轉速的三次方成正比，即： ； 圖1-1 ； ； ； 式中k,k1,k2,k3為比例常數(shù)。 當系統(tǒng)出水流量減小時，通過變頻調速裝置將供水水泵轉速調小，則水泵的輸出功率將隨轉速的變化而減小。變頻調速節(jié)能原理田如圖1-1所示。圖中曲線1、2、3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線4為水泵轉速為n1時的運行特性曲線，曲線5為水泵轉速為n2時的運行特性曲線。水泵原來的工作點為曲線3和曲線4的交點A，此時出水流量為Q1，管網(wǎng)壓力為H1，水泵轉速為n1。當系統(tǒng)的出水流量減小到Q2，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1。曲線1和曲線4的交點B為運行工作點。此時管網(wǎng)壓力為H2，水泵的輸出功率正比于H2×Q2。由于H2>H1，高出的壓力能量被浪費了，同時過高的壓力對管網(wǎng)和設備還可能造成危害。如采用變頻調速裝置，將此時水泵的轉速調至n2，曲線5和曲線2的交點C為水泵的運行工作點。調速后管網(wǎng)的壓力仍保持為H1，出水流量為口Q2，水泵的輸出功率正比于H1×Q2。從圖中可見，陰影部分正比于浪費的功率輸出。例如，當Q2為Q1的80%時，通過調速將n2調為n1的80％，則水泵的輸出功率P2為P1的51.2％。如不采用調速控制，48.8％的能量將被浪費?？梢娮冾l調速的經濟效益十分可觀。 3.2常用的調速方式 水泵多配用交流異步電機拖動，當電機轉速降低時，既可節(jié)約能量，經濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式： 式中： ：異步電動機的同步轉速 ：異步電動機轉子的轉速 ：電動機的磁極對數(shù) ：電源頻率，電動機定子電壓頻率 ：轉速差： 因此改變電動機極對數(shù)、改變轉速差及改變電源頻率都可以改變轉速。 3.21變級對數(shù)調速 在電源頻率—定的情況下，電動機的同步轉速與極對數(shù)成反比，改變電動機極對數(shù)，就可以改變轉速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數(shù)以電動機一相繞組 為例，電流方向都是一致的，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對數(shù)。如果使=1，2，3等，就可以得到=3000，1500，1000等不同的同步轉速，從而得到不同的轉子轉速。這種調控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有極調速，而且級差比較大，只適用于特定轉速的生產機器。 3.22變頻調速 變頻調速是將電網(wǎng)交流電經過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調的交流電，然后供給電動機，使其可在變速的情況下運行。改變電動機定子頻率可以平滑地調節(jié)同步轉速，相應地也就改變轉子轉速，而轉差率可保持不變或很小。但對電動機來說，定子頻率改變后，其運行影響，如果電壓不變，頻率增加時，磁通減少，電動機轉矩下降，嚴重時會使電機堵轉：頻率增減少，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實用上，要求調頻的同時，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉矩不變。實現(xiàn)調頻調壓的電路有兩種：交--直--交變頻器。交--交變頻器。 (1)交--直--交變頻器 它是由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓，定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{的直流電：可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調的交流電：濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。 在交--直--交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。 近年來，由于電力電子器件和微機控制技術的發(fā)展，脈沖寬度調制型(簡稱)變頻器技術獲得了飛速的發(fā)展。交頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。 (2)交--交變頻器 它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過交頻電路同時調節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調的交流電輸出。 交--交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好。但調速范圍小，控制線路復雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。 變頻技術對水泵電動機進行調速，以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術。 由于交—交變頻調速方式比較適用于低速度，大功率的電機，因此我們在本次設計中選用交—直—交方式的變頻調速。 4．完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實驗設備或實驗環(huán)境條件、某類市場調研、計算機輔助設計條件等等)及解決的辦法 工具書 [1]、黃云龍.可編程控制器教程，北京:科學出版社,2003. [2]、袁任光.可編程控制器選用手冊,北京:機械工業(yè)出版社,2002. [3]、陳宇.可編程控制器基礎及編程技巧,廣州:華南理工大學出版社,1999. [4]、李景學、金廣業(yè).可編程控制器應用系統(tǒng)設計方法,北京:電子工業(yè)出版社,1995. [5]、黃立培、張學編.變頻器應用技術及電動機調速,人民郵電出版社,1999. [6]、黃大雷、吳庚申.可編程控制器及其應用，人民交通出版社 1993. [7]、洱洪濤 .可編程序控制器（）原理及應用,中國水利水電出版社 1999. [8]、韓焱青.控制變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，武漢化工學院學報 2000年04期 [9]、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網(wǎng)站有關S7-200、變頻器、低壓電器、自動化軟件的查詢，下載step—7編程軟件，學習相關的應用實例。 實驗室 浙江工業(yè)大學浙西分校信電系過控實驗室 設備與環(huán)境 1.S7-200一臺 2.三菱S500變頻器一臺 3.計算機一臺 4.西門子的STEP 7-MicroWIN V4.0編程環(huán)境 5．設計(論文)完成進度計劃 （1）第01周至第03周：查閱相關網(wǎng)站及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集有關S7-200、變頻器、低壓電器、Siemens Step7 編程軟件的資料。 （2）第04周至第04周：根據(jù)設計任務書的要求，完成畢業(yè)設計（論文）開題報告。 （3）第05周至第12周：根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定的供水流量、壓力和電機參數(shù)，進行變頻器、S7-200模擬量擴展單元、壓力傳感器等的選型，設計恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)，設定變頻器特性，編制程序，通過軟件設計具有定時換泵和系統(tǒng)聲、光報警等多種保護功能，進行仿真試驗，并分析仿真結果。 （4）第13周至第15周：整理相關資料，完成畢業(yè)設計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文； （5）第16周：畢業(yè)設計（論文）小組答辯； （6）第17周：答辯。 6．指導教師審閱意見 指導教師(簽字)：　　　　　　 年 月 日 7．教研室主任意見 教研室主任(簽字)：　　　　　 系(簽章) 年 月 日 說明： 1. 本報告必須由承擔畢業(yè)設計(論文)課題任務的學生在接到“畢業(yè)設計(論文)任務書”、正式開始做畢業(yè)設計(論文)的第2周或第3周末之前獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。 2.每個畢業(yè)設計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導教師、教研室主任審查學生能否承擔該畢業(yè)設計(論文)課題任務的依據(jù)，并接受學校的抽查。 - 7 - 浙江工業(yè)大學浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設計（文獻綜述） 文獻綜述 摘 要：傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設費用高、管理維護復雜困難、供水質量低下等缺點和不足。為了解決這些問題，本文采用控制技術和變頻調速技術相結合的方法來研究恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了兩個獨立的閉環(huán)控制子系統(tǒng)。設計好的系統(tǒng)每天24小時不間斷按預先設定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產。 通過該項目的研制和應用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產成本，減少設備維護，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產調度管理水平，減輕工人勞動強度，有效的提高了生產率。 關鍵字：恒壓供水，控制，變頻器， 一、 引言 隨著社會經濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質量，經濟、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年。我國人均日生活用水量(包括城市公共設施等非生產用水)由175.7升增加到241.1升，增長了37.2％，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國的666個城市中有330個不同程度缺水，其中嚴重缺水的達108個；在32個百萬人口以上的特大城市中，有30個城市長期受缺水的困擾，特別是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經濟損失達2300億元；同時給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會中的一種隱患。 在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設備的維護管理費用。在生產成本中占有很大的比例：水泵電機作為一種高耗能通用機械，其耗電量占全國總耗電量的21％以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調控方式雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看。很不經濟。近年來，電機調速技術的應用，為水泵電機的節(jié)能開辟了一個新途徑。它可以通過調節(jié)電動機的轉速來適應水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進行設備管理與維護，對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經濟效益具有極其重要的意義。 二、恒壓供水技術的發(fā)展現(xiàn)狀 本課采用和變頻調速技術研制控制變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時不間斷按預先設定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產。通過該項目的研制和應用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產成本，減少設備維護，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產調度管理水平，減輕工人勞動強度，有效的提高了生產率。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的應用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價值。 1、 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀 進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，使得各種類型的所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。 是一門綜合技術，其發(fā)展與微電子技術和計算機技術密切相關。隨著可編程序控制器應用領域的不斷擴大，它本身也在不斷發(fā)展。目前主要朝小型化和大型化兩個方向發(fā)展。 2、變頻調速技術在恒壓供水技術中的發(fā)展狀況 近年來，交流調速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調速技術。變頻調速是交流調速的基礎和主干內容。上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。但長期以來，交流電的頻率卻一直固定而不能受人為控制。變頻調速技術的出現(xiàn)使頻率變成可以利用的資源。 隨著科學技術的進步，人民生活正趨向于高標準、高質量和現(xiàn)代化。在居民生活用水供水系統(tǒng)中，由于高層建筑越來越高，采用傳統(tǒng)設備不能滿足高層建筑高水壓、大流量的快速供水需求。另外，在現(xiàn)代供水需求中，供水量是隨機變化的，如果采用傳統(tǒng)供水方式，難以保證供水的實時性，且能量浪費嚴重。隨著交流電機變頻調速技術的日臻完善，變頻調速恒壓供水方式可以很好地克服傳統(tǒng)供水方法的缺點，成為一種很有發(fā)展前途的供水方式。 3、模糊控制理論在恒壓供水系統(tǒng)中的應用[6、8、9、12] 在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，利用模糊控制的相關理論，把系統(tǒng)輸入的壓力、流量等傳感器信號以及系統(tǒng)的輸出變量進行了模糊化處理，然后結合根據(jù)操作經驗等制成的控制規(guī)則表，經過模糊推理，得到了系統(tǒng)控制的模糊控制表。在實時控制過程中，系統(tǒng)通過查找模糊控制表把實時采集的壓力等輸入信號轉化成輸出，然后通過模糊決策得到輸出的清晰量，最后系統(tǒng)根據(jù)該清晰量進行電機變頻控制，完成了恒壓控制的模糊控制過程。 三、變頻調速的節(jié)能、調速原理 1、水泵工況點的確定以及變化[2、7] 水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。如圖3-1、3-2、3-3所示。 圖3-1 水泵工作點的確定 圖3-2水泵工況點的變化 圖3-3 水泵變速恒壓工況 圖3-4變頻調速恒壓供水水泵工況調節(jié)圖 2、 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調節(jié)過程 交流電動機的轉速n與電源頻率f具有如下關系： （3-1） 式3-1中：—極對數(shù),—轉差率 因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率來改變電機的轉速改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況目的。見圖3-4。當管網(wǎng)負載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機的轉速從降低到。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉速,可使供水泵流量、揚程和軸功率以相應規(guī)律改變。 　　　 （3-2） 　　　　　（3-3） 　　 （3-4） 或 （3-5） 式3-5是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。 3、變頻調速恒壓供水系統(tǒng)調速范圍的確定 考察水泵的效率曲線，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40以上，也就是說轉速下降在20%以內，在此范圍內，電動機的負載率在50%-100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 四、系統(tǒng)的方案設計與工作過程 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)構成：系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機的起動、運行與調速，采用循環(huán)使用的方式運行。未接工控計算機，壓力傳感器采樣水壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給控制器, 控制器根據(jù)這兩個信號經運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。 圖5-1 恒壓供水系統(tǒng)方案圖 五、設計總結及展望 S7-200控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計是比較完備的，但是并非沒有有待改進之處，例如該系統(tǒng)設計為４組泵，它的可擴充性就沒有再設計中被充分考慮到，如果遇到大型水廠，需要更多泵組，那么該設計就基本沒有用武之地，需要重新設計，又如，該系統(tǒng)的保護功能并不完整，系統(tǒng)應該設置２組變頻器，防止其中一組出錯時造成事故，這樣也可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，連續(xù)工作時間，減少故障損失。 展望未來，以后的恒壓供水系統(tǒng)設計應該改進我上述不足之處，以提高整體系統(tǒng)的性能。降低錯誤率。 參考文獻 [1] 宋序彤.我國城市供水發(fā)展有關問題分析[J].城鎮(zhèn)供水.2001, 2: 22～27. 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In order to solve these problems, this paper combines control technology and transducer technology to research constant pressure water supply system. Two independent sub-systems are irrespectively built with water place sensor and pressure sensor. The finished system can fulfill constantly supplying water to city day and night according to the water pressure given to assure the continuously produce. With the research and use of this project, we can save large sum of precious water、electrical source, and decrease the produce price, reduce device management and lessen repair price. Moreover, this system also can improve the lever of produce and management, lighten the work’s strength, and increase the productivity. Key Words: constant water supply system, control transducer, 目 錄 第1章 緒論 1 1.1 采用恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義[1、2、7、9] 1 1.2 恒壓供水的特點 1 1.2.1 恒壓供水方式討論 1 1.2.2 恒壓供水的實現(xiàn) 2 1.3 現(xiàn)行高樓供水的模式[19] 2 1.3.1 恒速泵供水 2 1.3.2 高位水箱供水 2 1.3.3 氣壓罐供水 3 1.4 畢業(yè)設計的主要任務 3 第2章 變頻調速恒壓供水分析 4 2.1 變頻恒壓供水的工藝調節(jié)過程介紹[6] 4 2.2 調速系統(tǒng)的構建[25-29] 4 2.2.1 調速原理 4 2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的組成 5 2.2.3 調節(jié)系統(tǒng)的計算方法[12、13] 5 2.2.4 變頻恒壓供水頻率變化分析 7 2.3 節(jié)能分析[3] 8 2.3.1 水泵的基本參數(shù)和特性[14-18，36，37] 8 2.3.2 水泵調速運行的節(jié)能原理 11 第3章 恒壓供水系統(tǒng) 13 3.1 系統(tǒng)概述[31] 13 3.2 控制系統(tǒng)的組成 13 3.2.1 供水系統(tǒng)的組成 13 3.2.2 系統(tǒng)功能說明 13 3.3 恒壓供水系統(tǒng)的機理及調速泵的調速原理 14 3.3.1 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 14 3.3.2 調速泵系統(tǒng)構成 14 3.4 變頻器[6] 14 3.4.1 變頻器輸入輸出接口 14 3.4.2 變頻器外圍設備的選擇及保養(yǎng) 15 3.5 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的特點 16 第4章 可編程控制器PLC 17 4.1 的定義[20-22] 17 4.2 的發(fā)展階段及發(fā)展方向 17 4.3 的特點與應用領域 18 4.3.1 可編程序控制器的特點 18 4.3.2 可編程序控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較 19 4.3.3 可編程序控制器的應用領域 19 4.3.4 在現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)應用中所面臨的問題 20 4.4 我國常用的性能比較研究 20 4.4.1 的一般結構 20 4.4.2 基本工作原理 22 4.5 我國常用的性能特點 23 4.5.1 SIMATIC S7系列 [24] 23 4.5.2 S7-200系列可編程序控制器 23 4.5.3 控制系統(tǒng)設計內容 24 4.5.4 控制系統(tǒng)設計步驟 24 4.5.5 控制系統(tǒng)的硬件設計 25 4.6 控制系統(tǒng)的軟件設計 26 4.6.1 軟件設計概述 26 4.6.2 軟件設計 27 4.6.3 程序設計的常用方法 28 4.6.4 程序設計步驟 29 第5章 PLC控制系統(tǒng)的設計 31 5.1 概述 31 5.2 輸入輸出分配 31 5.2.1 輸入口 31 5.2.2 輸出口 31 5.2.3 輔助觸點 31 5.3 控制系統(tǒng)功能介紹 32 5.4 恒壓供水系統(tǒng)的流程圖 33 5.5 控制系統(tǒng)的可靠性及應用程序設計 34 5.5.1 程序的優(yōu)化設計 34 5.5.2 應用程序的設計 35 5.5.3 故障檢測程序的設計 37 第6章 系統(tǒng)調試 38 6.1 變頻器關鍵參數(shù)的設定 38 6.2 的調試 38 致 謝 43 附錄 PLC程序 44 46 第1章 緒論 1.1 采用恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義[1、2、7、9] 隨著社會經濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。我國中小城市水廠尤其是老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機組的控制主要依賴值班人員的手工操作?？刂七^程繁瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時做出恰當?shù)姆磻?。為了保證供水，機組通常處于超壓狀態(tài)運行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，曝損也十分嚴重[7]。本文從我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀出發(fā)，設計了一套基于的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)。 1.2 恒壓供水的特點 恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機空轉，造成電能的浪費。 1.2.1 恒壓供水方式討論 水泵多配用交流異步電機拖動，當電機轉速降低時，既可節(jié)約能量，經濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式： （1-1） 式中： ：異步電動機的同步轉速 ：異步電動機轉子的轉速 ：電動機的磁極對數(shù) ：電源頻率，電動機定子電壓頻率 ：轉速差： （1-2） 因此改變，電動機極對數(shù)、改變轉速差及改變電源頻率都可以改變轉速。 ①變級對數(shù)調速 在電源頻率—定的情況下，電動機的同步轉速與極對數(shù)成反比，改變電動機極對數(shù)，就可以改變轉速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數(shù)以電動機一相繞組為例，電流方向都是一致的，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對數(shù)。如果使等，就可以得到等不同的同步轉速，從而得到不同的轉子轉速。這種調控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有極調速，而且級差比較大，只適用于特定轉速的生產機器。 ②變頻調速 變頻凋速是將電網(wǎng)交流電經過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調的交流電，然后供給電動機，使其可在變速的情況下運行。改變電動機定子頻率可以平滑地調節(jié)同步轉速，相應地也就改變轉子轉速，而轉差率可保持不變或很小。但對電動機來說，定子頻率改變后，其運行影響，如果電壓不變，頻率增加時，磁通減少，電動機轉矩下降，嚴重時會使電機堵轉：頻率增減少，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實用上，要求調頻的同時，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉矩不變。實現(xiàn)調頻調壓的電路有兩種：交--直--交變頻器。交--交變頻器。 ? 交--直--交變頻器 它是由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓，定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{的直流電：可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調的交流電：濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。 在交--直--交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。 近年來，由于電力電子器件和微機控制技術的發(fā)展，脈沖寬度調制型(簡稱)變頻器技術獲得了飛速的發(fā)展。PWM交頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。 ? 交--交變頻器 它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過交頻電路同時調節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調的交流電輸出。 交--交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好。但調速范圍小，控制線路復雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。 變頻技術對水泵電動機進行調速，以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術。 1.2.2 恒壓供水的實現(xiàn) 恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機空轉，造成電能的浪費。 而變頻調速是指靠改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率來改變電機的轉速改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況目的。 1.3 現(xiàn)行高樓供水的模式[19] 1.3.1 恒速泵供水 恒速運行時，一般采用節(jié)流調節(jié)，這種方式的缺點是效率低、能耗大。也就是依靠閥門來控制供水量。 1.3.2 高位水箱供水 采用電流及電壓的相位大小等變化特性對高位水箱泵組進行控制。供水系統(tǒng)利用高位水箱及地下水池的水位變化來自動啟閉水泵，以向各水箱供水。改供水方式可控性差。 1.3.3 氣壓罐供水 氣壓供水設備是利用壓縮空氣的漲力將水送往用水點的通用供水設備。氣壓供水整套設備高壓密封，沒有外部污染，內部不長青苔。并且供水壓力可以根據(jù)需要很方便地在控制器上進行調整，不象高位水箱當放置的高度確定后，水壓就已確定，無法調整。但是氣壓供水能耗大，且控制水壓能力有限，不如水泵供水的壓力控制。 1.4 畢業(yè)設計的主要任務 隨著變頻調速技術的發(fā)展，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，變頻恒壓供水已廣泛應用于廠礦企業(yè)及生活、消防等供水系統(tǒng)。 S7-200控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調速方式自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，自動調節(jié)水泵電機轉速，改變以往“先啟后?！狈绞剑顾畨浩椒€(wěn)過渡。采用硬件/軟件備用及時鐘控制功能，使各泵進行輪休，延長設備的機械使用壽命。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運行，保證不間斷供水。 第2章 變頻調速恒壓供水分析 2.1 變頻恒壓供水的工藝調節(jié)過程介紹[6] 泵組的切換開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩者同時有效時硬件優(yōu)先），1＃泵變頻啟動，轉速從開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達，而此時水壓還在下限值，延時一段時間（由內部時間繼電器控制，目的是避免由于干擾而引起誤動作）后，1＃泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由滑停至，2＃泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3＃、4＃泵；若開始時1＃泵備用，則直接啟2＃變頻，轉速從０開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達，而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2＃泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由滑停至，3＃泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4＃泵；若1＃、2＃泵都備用，則直接啟3＃變頻，具體泵的切換過程與上述類同。 同樣，如水壓在上限值，若３臺泵（假設為1＃、2＃和3＃）運行時，3＃泵變頻運行降到 ，此時水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使1＃泵停止，3＃泵變頻器頻率從 迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使2＃泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管網(wǎng)對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡。以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節(jié)。這種切換的方式，理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設備的使用壽命。而我們這次的設計的系統(tǒng)中，要求直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調節(jié)，只要參數(shù)設置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現(xiàn)象，提高供水品質。 2.2 調速系統(tǒng)的構建[25-29] 2.2.1 調速原理 異步電動機定子三相對稱繞組空間相隔120°，當通以三相對稱電流時，產生旋轉磁場，旋轉磁場的轉速，即同步轉速為： （2-1） 異步電動機的轉差率為： （2-2） （2-3） 式中： ：定子繞組電源頻率 ：磁場極對數(shù) ：轉差率 ：同步轉速() ：異步電動機轉速() 2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的組成 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖2-1所示，它主要是由（包括一塊模擬量擴展模塊）、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及若干臺水泵等組成。通過控制柜面板上的按鈕、轉換開關和指示燈來控制系統(tǒng)的運行。 圖2-1 供水系統(tǒng)組成 2.2.3 調節(jié)系統(tǒng)的計算方法[12、13] 算法： 內設定了一個算法，所有泵的自動切換，變頻器的工作全部依賴這個。 原理 算法控制原則基于以下公式： （2-4） 輸出 = 比例項 + 積分項 + 微分項 式中： ：作為時間函數(shù)的回路輸出 ： 回路增益 ： 回路錯誤（設定值和進程變量之間的差別） ：回路輸出的初始值 為了在數(shù)字計算機中運行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為錯誤值的定期樣本，并隨后計算輸出。數(shù)字計算機運算以下列相應的公式為基礎： （2-5） 輸出 = 比例項 + 積分項 + 微分項 式中： ：采樣時間的回路輸出計算值 ：回路增益 ： 采樣時間的回路錯誤值 ： 回路錯誤的前一個數(shù)值（在采樣時間） ： 積分項的比例常數(shù) ： 微分項的比例常數(shù) ： 微分項的比例常數(shù) 在該公式中，積分項被顯示為全部錯誤項的函數(shù)，從第一個樣本至當前樣本。微分項是當前樣本和前一個樣本的函數(shù)，而比例項僅是當前樣本的函數(shù)。在數(shù)字計算機中，既不可能也沒有必要存儲所有的錯誤項樣本。 因為從第一個樣本開始，每次對錯誤采樣時數(shù)字計算機都必須計算輸出值，因此僅需存儲前一個錯誤值和前一個積分項數(shù)值。由于數(shù)字計算機計算結果的重復性，可在任何采樣時間對公式進行簡化。簡化后的公式為： （2-6） 輸出=比例項 + 積分項 + 微分項 式中： ： 采樣時間的回路輸出計算值 ： 回路增益 ： 采樣時間的回路錯誤值 ： 回路錯誤的前一個數(shù)值（采樣時間） ： 積分項的比例常數(shù) ： 積分項的前一個數(shù)值（采樣時間） ： 微分項的比例常數(shù) 計算回路輸出值時，使用對上述簡化公式的修改格式。修改后的公式為： （2-7） 輸出=比例項+積分項+微分項 式中： ： 采樣時間的回路輸出計算值 ： 采樣時間的回路輸出比例項數(shù)值 ： 采樣時間的回路輸出積分項數(shù)值 ： 采樣時間的回路輸出微分項數(shù)值 比例項 比例項是增益和錯誤（）的乘積，其中增益控制輸出計算的敏感度，錯誤是在某一特定采樣時間設定值（）和進程變量（）之間的差。采用的計算比例項的公式為： （2-8） 式中： ： 采樣時間的回路輸出比例項數(shù)值 ： 回路增益 ： 采樣時間的設定值數(shù)值 ： 采樣時間的進程變量數(shù)值 積分項 積分項MI在時間上與錯誤（）和成比例。采用的積分項公式為： （2-9） 式中： ： 采樣時間的回路輸出積分項數(shù)值 ： 回路增益 ： 回路采樣時間 ： 積分時間（亦稱為積分時間或復原） ： 采樣時間的設定值數(shù)值 ： 采樣時間的進程變量數(shù)值 ： 采樣時間的積分項數(shù)值（亦稱為積分和或偏差） 積分和或偏差（）是積分項所有先前數(shù)值的運行和。每次計算后，根據(jù)的數(shù)值更新偏差，該數(shù)值可能被調節(jié)或截取（詳情請參閱"變量和范圍"一節(jié)）。偏差的初始值通常被設為第一次回路輸出計算之前的輸出值。其他幾個常數(shù)也是積分項的一部分，例如增益、采樣時間（即回路重新計算輸出值的循環(huán)時間）以及積分時間或復原（即用于控制積分項對輸出計算影響的時間）。 微分項 微分項與錯誤變化成比例。計算微分項的公式為： （2-10） 為了避免步驟改變或由于對設定值變化求導帶來的輸出變化，對該公式進行修改，假定設定值為常數(shù) 。如下所示，會導致計算進程變量的變化，而不計算錯誤的變化： （2-11） 或者 （2-12） ： 采樣時間的回路輸出微分項數(shù)值 ： 回路增益 ： 回路采樣時間 ： 回路微分階段（亦稱為微分時間或速率） ： 采樣時間的設定值數(shù)值 ： 采樣時間的設定值數(shù)值 ： 采樣時間的進程變量數(shù)值 ： 采樣時間的進程變量數(shù)值 必須保存進程變量，而不必保存錯誤，用于下一次微分項計算。第一次采樣時，數(shù)值被初始化，等于。 變頻恒壓供水頻率變化分析 交流電機的轉速與電源頻率的關系如下： （2-13） 式中：是級對數(shù)，是轉差率 因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率來改變電機的轉速。改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況目的。 圖2-2 變頻調速的水泵特性曲線 2.3 節(jié)能分析[3] 2.3.1 水泵的基本參數(shù)和特性[14-18，36，37] 水泵工作參數(shù)共有六個，即:流量、揚程、功率、效率、轉速及允許吸上真空高度或氣穴余量。在六個參數(shù)中，流量、揚程和轉速是基本參數(shù)，只要其中一個發(fā)生變化，其余參數(shù)都會按照一定的規(guī)律發(fā)生相應的變化。 1.流量 水泵流量是指水泵在單位時間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質量流量兩種。 2.揚程 水泵揚程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質量液體的總能量，可以由水泵進水口、出水口斷面上的單位總能量，的差值表示，其單位以計。水泵揚程可用下式表示為 （2-14） 式中：Z1, Z2——分別為真空表測壓點、壓力表零位點至基準面的垂直距離，低于基準面時取負值()。 式中： ——分別為真空表、壓力表讀數(shù) ()。 為水泵進，出水口斷面的流速水頭()。 3.功率 水泵功率有以下兩種，有效功率和軸功率。 有效功率為泵內液體實際所獲得的凈功率()，可以根據(jù)流量和揚程來計算。 （2-15） 式中： 為液體的比重（） 為液體的流量（） 為水泵的揚程（）。 軸功率是水泵在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即由動力機傳給水泵軸上的功率()。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功功率。 （2-16） 式中： ： 水泵效率（%） 4.效率 有效功率與軸功率的比值為效率。 （2-17） 水泵效率標志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內功率損失的大小，是一項重要的技術經濟指標。它由泵內水力效率、機械效率及容積效率等三個局部效率組成。 (1) 機械損失與機械效率 機械損失包括軸與軸承的磨擦損失、軸與填料函的磨擦損失以及葉輪在水中旋轉時引起的損失即輪盤損失。水泵克服了機械損失之后，把剩下的功率傳給所抽的水，這部分功率叫做水功率。 （2-18） 式中： ： 流過葉輪的全部流量 ： 漏損量 ： 水泵理論揚程 機械損失的大小用機械效率表示 （2-19） (2)容積損失與容積效率 在流過葉輪的全部流量中，除了出水量外，另有一部分流量，經過減漏環(huán)的間隙或軸流泵葉輪外緣與泵殼的間隙流回進水側，以及經過填料函滲出泵外，流量帶走的功率為 （2-20） 剩余的功率為： （2-21） 容積損失可用容積效率，表示 （2-22） 各式帶入上式后的： （2-23） (2) 水力損失與水力效率 水泵吸入室、葉槽、壓出室中的磨擦阻力、旋渦及撞擊等引起的水力損失，可用水力效率表示 （2-24） 用乘以上式右端可的： （2-25） 由上式可見水泵效率，是三個局部效率的乘積。要提高水泵效率，必須盡量減少機械磨擦和漏水量，并力求改善過流部分的設計和提高制造、裝配質量。 5.轉速 轉速是指葉輪每分鐘的轉數(shù)。水泵銘牌上所標明的額定轉速是設計工況時的轉速，當轉速改變后，水泵工作性能也隨著改變。 6.允許吸上真空高度或臨界氣穴余量 二者是表征水泵吸水性能曲線或氣穴性能的參數(shù)，它們是確定水泵安裝高度和評述水泵發(fā)生氣穴與氣蝕問題的主要參數(shù)。 工況點調節(jié)方法： 在選擇和使用水泵的實踐中，常常會出現(xiàn)確定的工作點偏離水泵設計工作點較遠，以至引起水泵裝置效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴重的氣穴現(xiàn)象，這就必須采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。這種方法叫做水泵工況的調節(jié)?，F(xiàn)將常用的幾種調節(jié)方法分述如下。 1.車削調節(jié) 沿外徑車小離心泵的葉輪，可以改變水泵的性能曲線，從而擴大水泵的使用范圍，這種方法稱為車削調節(jié)。離心泵葉輪車削不能超出某一范圍，否則原來的構造被破壞，使葉片末端變粗，使葉輪和泵殼之間間隙過大，增加回流損失，以致水利效率降低。因而使用單位一般不采用這種調節(jié)方法來改變水泵工作點。 2.變角調節(jié) 通過改變葉片安裝角，使水泵性能曲線改變的方法成為水泵工況的變角調節(jié)，它適用于葉片安放角可以改變的軸流泵及混流泵，并不適合離心泵，因此這里不作詳述。 3.節(jié)流調節(jié) 對于出水管路中裝有閘閥的水泵裝置來說，當把閘閥關小時，由于在管路中增加了一個局部阻力，則管路性能曲線變陡，于是，其工作點就沿著水泵的H—Q曲線朝著流量減小的方向移動。閘閥關得越小，附加阻力越大，流量就變得越小。這種通過關小閘閥來改變水泵工作點位置的方法，稱為節(jié)流調節(jié)。 4.變速調節(jié) 變速調節(jié)是通過改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況以擴大水泵使用范圍的目的。變速調節(jié)就是對水泵相似理論的應用。 2.3.2 水泵調速運行的節(jié)能原理 水泵的設計負荷是按最不利條件下最大時流量及相應揚程設定的。但實際運行中水泵每天只有很短的最大時流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個工況點，需要根據(jù)實際情況進行控制。通常采用的方法有閥門控制和調速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達到控制流量的目的，因而浪費了能量：而電動機調速控制可以通過改變水泵電動機的轉速來變更水泵的工況點，使其流量與楊程適應管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達到節(jié)能效果。 圖2-2 變頻調速節(jié)能原理 由流體力學可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率P與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速與出水流量Q成正比：管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率P與轉速的三次方成正比，即： （2-26） （2-27） （2-28） （2-29） 上面各式中為比例常數(shù)。 當系統(tǒng)出水流量減小時，通過變頻調速裝置將供水水泵轉速調小，則水泵的輸出功率將隨轉速的變化而減小。變頻調速節(jié)能原理田如圖2-2所示。圖中曲線1、2、3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線4為水泵轉速為時的運行特性曲線，曲線5為水泵轉速為時的運行特性曲線。水泵原來的工作點為曲線3和曲線4的交點，此時出水流量為，管網(wǎng)壓力為，水泵轉速為。當系統(tǒng)的出水流量減小到，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1。曲線1和曲線4的交點為運行工作點。此時管網(wǎng)壓力為，水泵的輸出功率正比于。由于，高出的壓力能量被浪費了，同時過高的壓力對管網(wǎng)和設備還可能造成危害。如采用變頻調速裝置，將此時水泵的轉速調至，曲線5和曲線2的交點為水泵的運行工作點。調速后管網(wǎng)的壓力仍保持為，出水流量為口，水泵的輸出功率正比于。從圖中可見，陰影部分正比于浪費的功率輸出。例如，當為的80%時，通過調速將調為的80％，則水泵的輸出功率為的51. 2％。如不采用調速控制，48.8％的能量將被浪費?？梢娮冾l調速的經濟效益十分可觀。 第3章 恒壓供水系統(tǒng) 3.1 系統(tǒng)概述[31] 恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機空轉，造成電能的浪費。 為實現(xiàn)上述目標，本系統(tǒng)利用和數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)給定壓力信號和反饋壓力信號，通過控制算法控制變頻器調節(jié)水泵轉速，從而達到控制管網(wǎng)水壓的目的。 3.2 控制系統(tǒng)的組成 3.2.1 供水系統(tǒng)的組成 圖3-1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖 3.2.2 系統(tǒng)功能說明 本系統(tǒng)主要可以分為手動和自動兩大塊，手動狀態(tài)下又可分為強制關閉和強制工頻自動運行時能進行調節(jié)，進行加泵，減泵，在手動狀態(tài)下也能進行自動運行，能通過運算及加，減泵控制水壓，防止出現(xiàn)超壓，欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。 3.3 恒壓供水系統(tǒng)的機理及調速泵的調速原理 3.3.1 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 1.當處于手動狀態(tài)下： 在手動狀態(tài)下會先檢測是否有強制工頻或強制關閉的泵，如果有則在開始運行時就先把被強制的泵按要求運行或停止，如果處于手動檔但又沒有指定任何一臺泵的工作狀態(tài)則按自動狀態(tài)運行。當有泵處于強制狀態(tài)時，各泵對應的輔助觸點會被置1，其余泵如果按自動運行狀態(tài)到一定時間（加泵或減泵），需要用到被強制的泵時會因輔助觸點的狀態(tài)自動跳過被強制的泵，而繼續(xù)使再下一個泵工作或停止。 2. 當處于自動運行狀態(tài)下： 在自動運行狀態(tài)下，是不會檢測有無被強制的泵。因此，此時要注意使用安全。 3.啟動泵： 按1，2，3，4的順序依次變頻啟動4個泵，當泵運行與一段時間（具體時間由實驗的出，暫定為1分鐘）后算法所得結果依然不滿足水壓要求會增加下一個泵。（如所有泵已經工作則啟動報警，提示全泵組工作，但依然欠壓。此時可按取消報警停止報警） 4.停止泵： 停泵時并非按4，3，2，1的順序停止，因為如果這樣停會使泵的啟動與停止過于頻繁對泵組的損耗太大。因此在這里當算法的出結果需要減泵時會直接關斷處于變頻運行泵前面的，離變頻運行的泵最近的，沒有被強制的泵。（如果所有泵全部處于關閉，只有一個泵處于變頻運行狀態(tài)則停止該泵并發(fā)出超壓報警，此時可按取消報警來取消報警） 3.3.2 調速泵系統(tǒng)構成 由四臺泵構成，無主次之分，使各泵對壓力更為平均。因為變頻器設計有停止特定泵的功能，所以檢修時也更為方便。 3.4 變頻器[6] 3.4.1 變頻器輸入輸出接口 下圖為兩相220V電壓下的接線圖 圖3-3 變頻器兩相220V電壓接線圖 下圖為三相380V電壓下的接線圖： 圖3-2 變頻器三相380V電壓接線圖 3.4.2 變頻器外圍設備的選擇及保養(yǎng) 1、冷卻風扇 為冷卻主回路半導體元件等發(fā)熱零件而使用的冷卻風扇軸承的壽命為1-3.5萬小時。因此，在連續(xù)運行的裝置中，通常2-3年為一個周期，應更換冷卻風扇。 此外，在檢查時發(fā)現(xiàn)異常聲音，異常振動時，冷卻風扇必須立即更換。 2、平波電容 在主回路直流部分作為平滑用使用大容量的鋁電解電容，在控制回路使用了穩(wěn)定控制電源的鋁電解電容，由于脈動電流等等的影響其特性會變差。這受周圍環(huán)境和使用條件的影響很大，在通常的空調環(huán)境下使用時，約10年更換一次。 電容的惡化經過一定時期會急速地加快，因此，檢查周期最少為一年(接近壽命的希望在半年以下)檢查一次。 檢查時外觀的判斷基準 ①外殼的狀態(tài):外殼的側面，底面是否膨脹 ②封口板的狀態(tài):顯眼的彎曲，極端的裂痕 ③是否有其它、外觀、包裝裂痕、變色和漏出液體等等，定量地當電容器到了額定容量85%下時，就應更換電容。 3.5 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的特點 1、滯后性 供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。 2、非線性 用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。 3、多變性 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)。而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。 4、時變性 在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。 第4章 可編程控制器PLC 4.1 的定義[20-22] 可編程控制器((Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應用而設計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術的發(fā)展，這種裝置的功能已經大大的超過了邏輯控制的范圍。因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。但是為了避免與個人計算機(Personal Computer )的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱。 為了使生產和發(fā)展標準化，國際電工委(IEC)先后頒布了標準草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通過對它的定義: “可編程控制器是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計的[1,6]。 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動能力。但可編程控制器產品并不針對某一具體工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設計編制。 4.2 的發(fā)展階段及發(fā)展方向 1、的發(fā)展階段 雖然問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通迅技術的不斷進步，也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程大致可分為三個階段[17]： (1)早期的（60年代末～70年代中期) 早期的一般稱為可編程邏輯控制器。這時的多少有點繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。早期的的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復使用等。其中特有的編程語言—梯形圖一直沿用至今。 (2)中期的(70年代中期～80年代中、后期) 在70年代，微處理器的出現(xiàn)使發(fā)生了巨大變化。美國、日本、德國等一些廠家先后開始采用微處理器作為的中央處理單元()。這樣，使得功能大大增強。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程模塊、各種特殊功能模塊，使得應用范圍得以擴大。 (3)近期的(80年代中、后期至今) 進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，使得各種類型的所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。 2、的發(fā)展方向 是一門綜合技術，其發(fā)展與微電子技術和計算機技術密切相關。隨著可編程序控制器應用領域的不斷擴大，它本身也在不斷發(fā)展。目前主要朝兩個方向發(fā)展[4、5]。 (1)小型化方向發(fā)展 目前的小型大都局限在開關量的輸入輸出，而且和1/O部件組裝在一個箱體內，今后的小型也將增加模擬量的處理功能，而且也將有靈活的組態(tài)特性，并且能與其它機型連用。 小型的基本特點是價格低廉、經濟可靠，適用于回路或設備的單機控制，便于“機電儀”一體化。但免不了要犧牲一些用戶使用的方便性。既要簡單經濟，又要不斷增強功能和使用的方便性是小型的發(fā)展方向。 (2)大型化方向發(fā)展 主要包含以下幾個方面: ①功能不斷加強:不僅具有邏輯運算、計數(shù)、定時等基本功能，還具數(shù)值運算、模擬調節(jié)、監(jiān)控、記錄、顯示、與計算機接口、通訊等功能。 ②網(wǎng)絡功能是發(fā)展的一個重要特征。各種個人計算機，圖形工作站、小型機等都可以作為的監(jiān)控主機或工作站，這些裝置的結合能夠提供屏幕顯示、數(shù)據(jù)采集、記錄保持、回路面板顯示等功能。大量的聯(lián)網(wǎng)及不同廠家生產的兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能輕易地實現(xiàn)。 ③應用范圍不斷擴大:不僅能進行一般的邏輯控制，還能進行中斷控制、智能控制、過程控制為、遠程控制等。 ④用于過程控制的往往對存貯器容量及速度要求較高，為此，開發(fā)了高速模擬量輸入模塊，專用獨立的控制器，多路轉換器等，使得數(shù)字技術和模擬量技術在可編程序控制器中得到統(tǒng)一。 ⑤編程軟件的多樣化和高級化:采用多種編程語言，有面向順序語言和面向過程控制系統(tǒng)的流程圖語言;還有與計算機兼容的高級語言，如BASIC, C及匯編語一言;另外還有專用的高級語言，例如三菱的MELSAP采用編譯的方法將語句變?yōu)樘菪螆D程序;也有采用布爾邏輯語言的。也將具有數(shù)據(jù)庫，并可實現(xiàn)整 用網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)庫共享。還將不斷發(fā)展自適應控制和專家系統(tǒng)。 ⑥構成形式的分散化和集散化:與I/0口分散，本身也可分散，分散的可以連用，這樣可將集中控制存在的“危險集中”化為“危險分散”。分散的與上位機結合構成集散系統(tǒng)，分散地進行控制，這就便于構成多層分布式控制，以實現(xiàn)整個工廠或企業(yè)的自動化控制和管理。 4.3 的特點與應用領域 4.3.1 可編程序控制器的特點 可編程序控制器的特點主要包括以下幾個方面[9], 1、 編程方法簡單易學 中配備了易于接受和掌握的梯形圖語言。梯形圖語言的電路符號和表達方式與繼電器電路原理圖相當接近，只用的20多條開關量邏輯控制指令就可以實現(xiàn)繼電器的功能。 2、 硬件配套齊全，用戶使用方便 配有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶不必自己設計和制作硬件裝置。的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。 3、 通用性強，適應性強 由于的系列化和模塊化，硬件配置相當靈活，可以組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng)。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速的適應工藝條件的變化。 4、 可靠性高，抗干擾能力強 用軟件取代了繼電器系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障的大量觸電和接線。除此之外，還采取了一系列抗干擾.提高可靠性的措施。 5、 系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少 用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，使控制柜的設計、安裝、接線工作量大大減少。 現(xiàn)代可編程序控制器在控制領域越來越受到人們的重視，并得到廣泛的應用，過去許多采用微型算計機、單板/單片計算機和集散控制系統(tǒng)的場合己逐漸被可編程序控制器及其網(wǎng)絡控制系統(tǒng)所取代，這是和自身的優(yōu)點分不開的。 4.3.2 可編程序控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較 與繼電器均可用于開關量邏輯控制。的梯形圖與繼電器的電路圖對邏輯關系的表達方式相同，它們所用的很多電路元件符號相似，梯形圖中的有的編程元件也稱為繼電器，如:輸入繼電器、輸出繼電器等。 1、 工作原理 繼電器控制系統(tǒng)的控制功能是用硬件繼電器實現(xiàn)的，而的控制功能主要是用軟件編程來實現(xiàn)的[5]。 2、 功能 采用了計算機技術，具有順序控制、定時、計數(shù)、運動控制、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)控制和通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。繼電器控制也可實現(xiàn)順序控制，但其功能有限。 3、 可靠性、可維護性與靈活性 繼電器系統(tǒng)的可靠性差，復雜的繼電器系統(tǒng)，其故障診斷與排除比較困難，繼電器系統(tǒng)的控制功能被固定在系統(tǒng)線路中，功能單一，不易修改，靈活性較差。 控制系統(tǒng)的功能是用軟件來實現(xiàn)，可靠性高，故障率極低，并且很容易診斷和排除故障，控制系統(tǒng)的柔性很強，僅需修改梯形圖就可改變其控制功能。 4.3.3 可編程序控制器的應用領域 隨著的性能價格比的不斷提高，過去許多采用專用計算機或繼電器控制的場合，都可使用來代替。的應用范圍不斷擴大，主要有以下幾個方面: 1、 開關量邏輯控制 這是最廣泛的應用。邏輯控制是用取代傳統(tǒng)繼電器和順序控制器，實現(xiàn)單機或自動化生產線控制。的輸入/輸出信號都是開關量信號，這種控制與繼電器控制非常接近，常作為繼電器控制的替代方式。 2、 運動控制 運動控制是指通過配用生產廠家提供的單軸或多軸等位置控制模塊、高速計數(shù)模塊等來控制步進電機和伺服電機，從而使運動部件能以適當?shù)乃俣然蚣铀俣葘崿F(xiàn)平滑的直線運動或圓周運動。 3、 閉環(huán)過程控制 通過配用AID, D/A轉換模塊及智能模塊實現(xiàn)對生產過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進行閉環(huán)調節(jié)控制，使這些物理參數(shù)保持在設定值上。 4、 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)代具有數(shù)學運算、數(shù)據(jù)傳送、轉換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。 5、 通信 的通信包括之間的通信、和其它智能設備的通信。隨著計算機控制技術的發(fā)展，現(xiàn)代的可以實現(xiàn)工廠自動化通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。 4.3.4 在現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)應用中所面臨的問題 在現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)中，應用越來越普及，的種類、生產廠家也越來越多，但目前缺少對它們應用環(huán)境，性能指標的對比研究?？刂葡到y(tǒng)的設計方法很多，但對其缺少系統(tǒng)的、完整的介紹。特別是系統(tǒng)的抗干擾、防雷的措施，有待系統(tǒng)的研究。隨著網(wǎng)絡控制技術的發(fā)展，現(xiàn)在對其網(wǎng)絡技術的研究就顯得尤為重要。 4.4 我國常用的性能比較研究 4.4.1 的一般結構 用可編程控制器實施控制，其實質是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換予以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換和物理實現(xiàn)可以說是實施控制的兩個基本點，而輸入輸出變換實際上就是信息處理。物理實現(xiàn)要求的輸入應當排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場，而輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求系統(tǒng)電路專門設計。根據(jù)實施控制的基本點的分析，采用了典型的計算機結構，主要是,RAM,ROM和專門設計的輸入輸出接口電路等組成[10，11]。如圖4.1所示。 輸 入 接 口 存儲器 中 央處理單元 數(shù)據(jù)存儲器 輸出接口 編程 單元 圖4.1 PLC的一般結構 1、中央處理機 中央處理機是的大腦，它由中央處理器()組成。 中央處理器()一般由控制電路、運算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一塊芯片上。通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲單元、輸入輸出()接口電路相連接。 2、存儲器 存儲器是具有記憶功能的半導體電路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。 系統(tǒng)程序是用來控制和完成各種功能的程序，這些程序是由制造廠家用相應的指令系統(tǒng)編寫的，并固化到ROM中。 用戶程序存儲器用來存放由編程器或計算機輸入的用戶程序。用戶程序是指使用者根據(jù)現(xiàn)場的生產過程和工藝要求編寫的控制程序，可以通過編程器或計算機修改或增刪。 3、輸入接口電路 現(xiàn)場輸入接口電路一般有光電耦合電路和微電腦輸入接口電路組成。 (1)光耦合電路:由于輸入和輸出端是靠光信號耦合的，在電氣上是完全隔離的，因此輸出的信號不會反饋到輸入端，也不會產生地線干擾或其它串擾。同時，由于發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內阻一般較高，根據(jù)分壓原理可知，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小。正是由于在現(xiàn)場信號的輸入環(huán)節(jié)采用了光電禍合，因而增強了抗干擾能力。 (2)微電腦輸入接口電路:它一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請求邏輯電路構成，這些電路集成在一個芯片上。現(xiàn)場的輸入信號通過光電耦合送到數(shù)據(jù)寄存器，然后通過數(shù)據(jù)總線送給。 4、輸出接口電路 一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。 微電腦輸出接口電路:一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請求電路集成而成。通過數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。 功率放大電路:是為了適應工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號加以放大。一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。 除了上面介紹的幾個主要部件外，還配有和各種外圍設備的接口，均用插座引出到外殼上，可配接編程器、計算機、打印機、錄音機以及A/D .D/A串行通信模塊等，可以方便地用電纜進行連接。 4.4.2 基本工作原理 雖然具有微機的許多優(yōu)點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。如常見的鍵盤掃描方式或掃描方式，有鍵按下或動作則轉入相應的子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。則采用循環(huán)掃描工作方式，在中，用戶程序按先后順序存放，從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結束符后又返回第一條。如此周而復始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應的控制信號。這個工作過程分為五個階段:自診斷，與編程器等的通信，輸入采樣，用戶程序的執(zhí)行，輸出刷新[7]。其工作過程框圖如圖4.2所示。 自診斷 與編程器計算機等通信 讀入現(xiàn)場信號 執(zhí)行用戶程序 結果輸出 圖4.2 PLC的工作過程 1、每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內容為部分、存儲器、等，發(fā)現(xiàn)異常停機顯示出錯。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 2、檢查是否有與編程器和計算機的通信請求，若有則進行相應處理，如接收編程器送來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進行顯示。如果有與計算機等的通信請求，也在這段時間完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送任務。 3、的中央處理器對各個輸入端進行掃描，將輸入的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這是輸入采樣階段。 4、中央處理器將指令逐條調出并執(zhí)行，以對輸入和原輸出狀態(tài)(這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù))進行“處理”，即按程序對數(shù)據(jù)進行邏輯、算術運算，再將正確的結果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就是程序執(zhí)行階段。 5、當所有的指令執(zhí)行完畢時，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉換成被控設備能接收的電壓或電流信號，以驅動被控設備，這就是輸出刷新階段。 經過這五個階段的工作過程，稱為一個掃描周期，完成一個掃描周期后，又重新執(zhí)行上述過程，掃描周而復始地進行，掃描周期是的重要指標之一，在不考慮第二個因素(與編程器等通信)時，掃描周期T見公式： T=(讀入一點時間輸入點數(shù))+(運算速度程序步數(shù)) 十(輸出一點時間輸出點數(shù))十故障診斷時間 顯然掃描時間主要取決于程序的長短，一般每秒鐘可掃描數(shù)十次以上，這對于工業(yè)設備通常沒什么影響。但對控制要求嚴格，響應速度要求快的系統(tǒng)，就應該精確地計算響應的時間，細心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少掃描周期造成的不良影響。 與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制是按并行方式工作的，也就是說是按同時執(zhí)行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個繼電器同時動作，而是以反復掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說是以串行方式工作的[l9]。這種串行工作方式可以避免繼電控制的觸點競爭和時序失配的問題。 總之，采用循環(huán)掃描的工作方式也是區(qū)別于微機的最大特點，使用者應特別注意：在的程序中，前面邏輯行的執(zhí)行結果在本次掃描過程中，影響后面邏輯行的執(zhí)行結果；而后面邏輯行的執(zhí)行結果在本次掃描中不影響前面邏輯行的結果。 4.5 我國常用的性能特點 4.5.1 SIMATIC S7系列 [24] SIMATIC S7系列適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200/300/400系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。因此S7系列具有極高的性能/價格比。 4.5.2 S7-200系列可編程序控制器 SIMATIC 57-200系列適用于各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜的控制功能，尤其在集散自動化系統(tǒng)中更能充分發(fā)揮其強大的功能。其主要特點為[2]： 1、豐富的指令集; 2、豐富的內置集成功能; 3、實時特性; 4、強勁的通訊能力; 5、豐富的擴展模塊。 S7-300系列可編程序控制器 S7-300是一種模塊化的小型系統(tǒng)，其優(yōu)越的性能價格比，使之成為中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)理想