DZ201PLC控制的恒壓供水系統(tǒng),dz201plc,控制,節(jié)制,供水系統(tǒng) 長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 1 -長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院自動化專業(yè)畢 業(yè) 設 計 論 文PLC 控制的恒壓供水系統(tǒng)The Constant Pressure Water Supply Based On PLC Control學生姓名：商文宇指導教師：王霆2005年6月長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 2 -目 錄摘 要 .........................................................................................................................................- 4 -Abstract...........................................................................................................................................- 5 -第一章 緒論 .....................................................................................................................................- 6 -1.1 課題的意義及應用背景 ...............................................................................................- 6 -1.2 本文研究的內(nèi)容 ...........................................................................................................- 8 -第二章 恒壓供水原理及系統(tǒng)的技術指標 .....................................................................................- 9 -2.1 任務 ...............................................................................................................................- 9 -2.2 系統(tǒng)技術指標 ................................................................................................................- 9 -2.3 系統(tǒng)的組成和基本工作原理 .......................................................................................- 9 -2.4 主要元器件選型 .........................................................................................................- 10 -第三章 硬件的基本原理及其應用 ...............................................................................................- 11 -3.1 PLC可編程控制器(FXOS— 20MR) ...............................................................................- 11 -3.1.1 可編程控制器的特點 ..................................................................................- 11 -3.1.2 可編程控制器的工作原理與應用 ..............................................................- 12 -3.2 變頻器的原理與特性(CIMRG7) .................................................................................- 17 -3.2.1變頻器簡介 ......................................................................................................- 17 -3.2.2變頻與變壓(VVVF)原理 ..................................................................................- 18 -3.2.3變頻調(diào)速的基本原理 ......................................................................................- 18 -3.2.4變頻調(diào)速的升速和啟動 ..................................................................................- 19 -3.2.5變頻調(diào)速的降速和制動 ..................................................................................- 20 -3.2.6變頻后的電動機的機械特性: ........................................................................- 20 -3.2.7水泵類平方律負載的機械特性 ......................................................................- 21 -3.2.8 V/F控制的概念: ............................................................................................- 21 -3.2.9矢量控制的概述 ..............................................................................................- 22 -3.2.10 CIMRG7的特性及其應用 ..............................................................................- 23 -3.3 壓力傳感器介紹及應用 ..............................................................................................- 33 -3.4 PID調(diào)節(jié)儀 ...................................................................................................................- 34 -長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 3 -3.4.1 PID調(diào)節(jié)原理 ..................................................................................................- 34 -3.4.2 PID參數(shù)設置 ..................................................................................................- 36 -3.4.3 PID設定值的調(diào)整 ..........................................................................................- 37 -第四章 軟件設計 ...........................................................................................................................- 38 -4.1 PLC應用的開發(fā)步驟 ....................................................................................................- 39 -4.2 PLC程序 .......................................................................................................................- 40 -4.2.1基本步驟 ..........................................................................................................- 40 -4.2.2 程序中使用的繼電器 ....................................................................................- 40 -4.2.3程序流程 ..........................................................................................................- 43 -4.3 PLC程序的運行和模擬調(diào)試 ..............................................................................- 48 -第五章．現(xiàn)場調(diào)試和小結 .............................................................................................................- 48 -5.1 硬件功能性調(diào)試以及注意事項 ..................................................................................- 48 -5.2 系統(tǒng)總體調(diào)試 ..............................................................................................................- 49 -5.3 小結 ..............................................................................................................................- 50 -致 謝 .............................................................................................................................................- 51 -參考文獻 .........................................................................................................................................- 52 -長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 4 -摘 要本文主要針對當前供水系統(tǒng)中存在的自動化程度不高、能耗嚴重、可靠性低的缺點加以研究，開發(fā)出一種新型的并在這三個方面都有所提高的 PLC 控制的恒壓供水系統(tǒng)。全文共分為五章。第一章闡明了恒壓供水系統(tǒng)的應用背景、選題意義及主要研究內(nèi)容。第二章對本系統(tǒng)的總體方案進行了介紹，其中包括系統(tǒng)的工藝要求，系統(tǒng)的組成和基本工作原理以及主要元器件的選型。第三章著重寫控制系統(tǒng)的硬件部分的基本原理。第四章介紹了系統(tǒng)的軟件開發(fā)工作，對 PLC 程序做了詳細描述并介紹了過程控制中占據(jù)重要地位的 PID 調(diào)節(jié)原理及參數(shù)設置依據(jù)，方法。第五章是項目調(diào)試和小結部分，給出了調(diào)試結果。本論文綜合運用了可編程控制器（PLC） 、變頻器、PID 調(diào)節(jié)儀、傳感器等現(xiàn)代工業(yè)控制常用的控制部件及其相關程序設計方法。所做的研究對同類系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有一定的參考價值。關鍵詞：可編程序控制器 變頻器 PID長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 5 -AbstractIn the thesis, the disadvantages and problems need to be resolved of current supporting water system are briefly analyzed, and a new system, which has great advance in automation, reliability and saving energy, is studied and described.This thesis consists of five chapters．Chapter one clarifies the application background and significance of the supporting water system and main contents of research. Chapter two introduces the overall project of the new auto－control system, including craft demand, constitution, work principle and the selection of the main electrical devices．Chapter three emphasizes the principle of the software and hardware part in control system. Chapter four, we analyze the exploitation of control system, specifying on PLC programmer and introduces the principle, parameter installation of PID control. The last chapter is the conclusion of the whole research and presents some debug result.The research collectively utilized some modern control devices, such as PLC, frequency conversion device, sensor, and their program control method, all of these are of some reference value to the study of relative control system. [KEY WORDS]： PLC Frequency conversion PID長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 6 -第一章 緒論1.1 課題的意義及應用背景在我國，節(jié)電節(jié)水的潛力非常大。據(jù)有關國際組織發(fā)表的資料顯示:中國的單位國民經(jīng)濟總產(chǎn)值所消耗的電是美國、德國等的 4 倍左右，消耗的水是他們的 2 倍左右。我國的大量用電設備中，風機和泵類電機的耗電量占全國發(fā)電量的 50%左右,若推廣新型電機調(diào)速技術,可節(jié)電 40%左右,即可以節(jié)約全國發(fā)電量的 1/5.由于我國人均占有水、電資源相對于別國又少很多,因此,在我國一方面水電供應緊張,而另一方面,水電的浪費又十分驚人.節(jié)電節(jié)水,不僅潛力巨大,而且意義深遠近十年來，變頻技術的應用在我國有很大的發(fā)展，并取得了良好的效果。可以說，變頻技術已為大多數(shù)用戶所接受。但是，不能不指出，我國在變頻技術的應用方面，與發(fā)達國家的水平尚有很大差距。目前，我國在用的交流電動機使用變頻調(diào)速運行的僅 6%左右，而工業(yè)發(fā)達國家已達 60% ~ 70%；日本在風機、水泵上變頻調(diào)速的采用率已達 10%，而我國還不足 0.01%；在日本，空調(diào)器的 70%采用了變頻調(diào)速，而我國才剛剛起步。從這個現(xiàn)實出發(fā)，變頻技術尚有很大的發(fā)展空間，我們應該鍥而不舍地做好推廣應用工作。變頻控制技術的進步不僅僅是異步電動機結構簡單、堅固、易于維護等優(yōu)點，更主要的是采用變頻調(diào)速技術的異步電動機的機械特性達到了直流電動機調(diào)壓調(diào)速的特性。由于計算機技術的介入，使得變頻器具有豐富的功能和方便好用的特點，因此人們才有可能按照實際要求，自行構成一個適用和可靠的調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從 90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻調(diào)速恒壓供水設備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要有：(1)帶 PID 回路調(diào)節(jié)器和/或可編程序控制器(PLC)的控制系統(tǒng)　　在該系統(tǒng)中，變頻器的作用是為電動機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓可控。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓；壓力設定單元為系統(tǒng)長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 7 -提供滿足用戶需要的水壓期望值；壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID 控制程序的計算，輸給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入 PID 回路調(diào)節(jié)器，由后者進行運算后，輸給變頻器一個轉速控制信號?！∮捎谧冾l器的轉速控制信號是由可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊 PWM 調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個 PID 回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設備中，PID 控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環(huán)節(jié)?！　?2)新型變頻調(diào)速供水設備　　針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)供水設備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新產(chǎn)品，如華為的 TD2100，施耐德公司的 Altivar58 泵切換卡，SANKEN 的SAMCO-I 系列，ABB 公司的 ACS600、ACS400 系列，富士公司的 G11S/P11S 系列等。這些產(chǎn)品將 PID 調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于 PID 運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存儲容量的要求和對 PID 算法的編程，而且 PID 參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑、穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略高一點，但功能卻強很多，所以采用帶有內(nèi)置 PID 功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設備，降低了設備成本，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了安裝調(diào)試時間。在滿足工藝要求的情況下應優(yōu)先采用。　　　　(3)供水專用變頻器　　　　供水專用變頻器是將普通變頻器和 PLC 控制器集成在一起，是集供水管控一體化的系統(tǒng)，內(nèi)置供水專用 PID 調(diào)節(jié)器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的 PID 調(diào)節(jié)器輸入口，而壓力設定既可使用變頻器的鍵盤設定，也可采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設定多段壓力運行，以適應供水壓力的需要。也可設定指定日供水壓力。面長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 8 -板可以直接顯示壓力反饋值(MPa)?！　∠到y(tǒng)供水有兩種基本運行方式：變頻泵固定方式和變頻泵循環(huán)方式。變頻泵固定方式最多可以控制 7 臺泵，可選擇“先開先關”和“先開后關”(適用泵容量不同場合)兩種水泵關閉順序；變頻泵循環(huán)方式最多可以控制 4 臺泵，系統(tǒng)以“先開先關”的順序關泵。 供水系統(tǒng)采用變頻供水技術可改善供水水質(zhì)，且自動化程度高，又是國家節(jié)能推廣技術，但若選擇使用不當，又會造成電能"浪費 "，因此設計人員在方案確定之前應根據(jù)用水性質(zhì)、用水特點、用水規(guī)模、設備投資等因素綜合考慮，在保證可靠供水前提下，充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能潛力1.2 本文研究的內(nèi)容 本文設計了一個以可編程控制器(PLC)為控制核心，CIMRG7 系列變頻器為執(zhí)行元件，采用 PID 調(diào)節(jié)儀控制水泵電機轉速，即可調(diào)節(jié)出口管網(wǎng)壓力，使之達到用戶期望的恒定壓力的系統(tǒng)。其中主要內(nèi)容包括恒壓供水原理，PLC 原理，變頻調(diào)速原理，通過設置幾個主要器件 I/O 參數(shù)，實現(xiàn) PLC，變頻器，壓力傳感器之間的通訊、控制功能。長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 9 -第二章 恒壓供水原理及系統(tǒng)的技術指標2.1 任務用 PLC，變頻器，PID 調(diào)節(jié)儀，壓力傳感器及低壓部件組成 PLC 控制變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)，并使系統(tǒng)達到工藝要求的性能指標。2.2 系統(tǒng)技術指標 出口管網(wǎng)壓力：恒定在 400KPa（4 公斤）左右，可調(diào)水泵運行時間：全天候長期運行2.3 系統(tǒng)的組成和基本工作原理系統(tǒng)由水泵機組、變頻器，控制柜（內(nèi)含 PID 控制器、PLC 低壓電器和變頻器） 、壓力傳感器、管路系統(tǒng)等構成。系統(tǒng)控制 75KW 水泵 3 臺，系統(tǒng)控制組成框圖如下：基本工作原理： 輸入電路由傳感器及其壓力變送器組成，它輸出標準的 4-20mA 電流，并將其送給 PID 調(diào)節(jié)儀，經(jīng)過其 PID 算法的運算，輸出作為變頻器的的輸入來控制電機的轉速，以來達到恒壓供水的目的。其工作情況如下： 1 臺泵供水不足時，該泵倒為工頻運行，變頻柜啟動第 2 臺泵，若流量還不長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 10 -夠，第 2 臺泵倒為工頻運行，控制系統(tǒng)再啟動第 3 臺泵。若用水量減少，按啟泵順序依次停止工頻泵，直到最后 1 臺泵變頻恒壓2.4 主要元器件選型PLC：FXos —20MR（三菱）變頻器：CIMRG7(安川) 壓力傳感器：TGK（意大利）PID 調(diào)節(jié)儀：JC —33A（日本神港）其他低壓配件選擇施耐德品牌為主長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 11 -第三章 硬件的基本原理及其應用3.1 PLC 可編程控制器(FXos—20MR)1969 年，在美國出現(xiàn)第一臺可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller－PLC）以來，經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為一種最重要、高可靠性、應用場合最多的工業(yè)控制微型計算機。它應用大規(guī)模集成電路、微型機技術和通信技術的發(fā)展成果，逐步形成具有多種優(yōu)點和微型、小型、中型、大型、超大型等各種規(guī)格的 PLC 系列產(chǎn)品，應用于從繼電器控制系統(tǒng)到監(jiān)控計算機之間的許多過程控制領域?？删幊绦蚩刂破饕押蛿?shù)控技術及工業(yè)機器人并列為工業(yè)自動化的三大支柱。初期的 PLC 只是用于邏輯控制場合，代替繼電器控制系統(tǒng)。隨著微電子技術的發(fā)展，PLC 以微處理器為核心，適用于開關量、模擬量和數(shù)字量的控制，它已進入過程控制和位置控制等場合的控制領域。目前，可編程序控制器既保留了原來可編程序邏輯控制器的所有優(yōu)點，又吸收和發(fā)展了其他控制裝置的優(yōu)點，包括計算機控制系統(tǒng)、過程儀表控制系統(tǒng)、集散系統(tǒng)、分散系統(tǒng)等。在許多場合，可編程序控制器可以構成各種綜合控制系統(tǒng)，列如構成邏輯控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖形工作站等等。3.1.1 可編程控制器的特點1．可靠性高。由于可靠性是用戶選用的首位依據(jù)，因此，每個 PLC 生產(chǎn)廠都將可靠性作為第一指標而加以研制，以單片機為核心，在硬件和軟件上采取大量的抗干擾措施，使 PLC 的平均無故障時間達到 30 萬小時以上，使用壽命更長。2．控制功能強。PLC 具有邏輯判斷、計數(shù)、定時、步進、跳轉、移位、記憶、四則運算和數(shù)據(jù)傳送等功能，可以實現(xiàn)順序控制、邏輯控制、位置控制和過程控制等。3．編程方便，易于使用。PLC 采用與繼電器電路相似的梯形圖編程，比較直觀，易懂易編，深受電氣技術人員和電工的歡迎，容易推廣應用。PLC 可取代原繼電器控制系統(tǒng)，有利于對老設備的技術改造。4．使用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，抗干擾能力強。5．具有各種接口，與外部設備連接非常方便。6．采用積木式結構或模塊式結構，具有較大的靈活性和可擴展性，擴展靈活方便。7．維修方便。PLC 上有 I/O 指示燈（LED） ，哪個 I/O 元件有故障，一目了然。長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 12 -8．可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求或運行情況，隨時對程序進行在線修改，不用更改硬接線，靈活性大，適應性強。3.1.2 可編程控制器的工作原理一、PLC 的等效工作電路PLC 是一種微機控制系統(tǒng)，其工作原理也與微機相同，但在應用時，可不必用計算機的概念去做深入的了解，只需將它看成是由普通的繼電器、定時器、計數(shù)器、移位器等組成的裝置，從而把 PLC 等效成輸入、輸出和內(nèi)部控制電路三部分，如下圖所示。1．輸入部分這部分的作用是接受被控設備的信息或操作命令等外部輸入信息。輸入接線端是 PLC 與外部的開關、按鈕、傳感器轉換信號等連接的端口。每個端子可等效為一長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 13 -個內(nèi)部繼電器線圈，線圈號即輸入接點號，這個線圈由接收到的輸入端的外部信號來驅(qū)動，其驅(qū)動電源可由 PLC 的電源部件提供(如直流 24V)，也可由獨立的交流電源(如交流 110V)供給。每個輸入繼電器可以有無窮多個內(nèi)部觸點(動合、動斷形式均可)(這里使用的是計算機的“COPY”概念)，供設計 PLC 的內(nèi)部控制電路(即編制PLC 控制程序 )時使用。2．內(nèi)部控制電路這部分的作用是運算和處理由輸入部分得到的信息，并判斷應產(chǎn)生哪些輸出。內(nèi)部控制電路實際上也就是用戶根據(jù)控制要求編制的程序。PLC 程序一般用梯形圖形式表示。而梯形圖是從繼電器控制的電氣原理圖演變而來的，PIC 程序中的動合、動斷觸點、線圈等概念均與繼電器控制電路相同。在 PLC 內(nèi)部還設有定時器、計數(shù)器、移位器、保持器、內(nèi)部輔助繼電器等，繼電器控制系統(tǒng)沒有的器件，它們的線圈及動合、動斷觸點只能在 PLC 內(nèi)部控制電路中使用，而不能與外部電路相連。3．輸出部分這部分的作用是驅(qū)動外部負載。在 PLC 內(nèi)部，有若干能與外部設備直接相連的輸出繼電器(有繼電器、雙向硅、晶體管三種形式)，它也有無限多軟件實現(xiàn)的動合、動斷觸點，可在 PLC 內(nèi)部控制電路中使用；但對應每一個輸出端只有一個硬件的動合觸點與之相連，用以驅(qū)動需要操作的外部負載；如圖 2—3 所示。外部負載的驅(qū)動電源接在輸出公共端(COM)上?？傊?，在使用 PLC 時，可以把輸入端等效為一個繼電器線圈，其相應的繼電器接點(動合或動斷) 可在內(nèi)部控制電路中使用，而輸出端又以等效為內(nèi)部輸出繼電器的一個動合觸點，驅(qū)動外部設備。二、PLC 的工作過程PLC 一般采用循環(huán)掃描方式工作。當 PLC 加電后，首先進行初始化處理，包括清除 I／ O 及內(nèi)部輔助繼電器、復位所有定時器、檢查 I/O 單元的連接等。開始運行之后，串行地執(zhí)行存貯器中的程序，這個過程可以分為如下四個階段。1．公共處理階段這部分在每次循環(huán)開始都要被執(zhí)行，包括復位系統(tǒng)定時器、檢查程序存貯器、檢查 I／ O 總線、檢查掃描時間等。如出現(xiàn)異常情況，則通過自診斷給出故障信號，或自行進行相應的處理，這將有助于及時發(fā)現(xiàn)或提前預報系統(tǒng)的故障，提高系統(tǒng)的可靠性。這部分時間是固定的，對 P 型機來說，為 1.26ms。2．執(zhí)行外圍設備命令階段當有簡易編程器、圖形編程器、打印機等外部設備與 PLC 相連時，則 PLC 在每次循環(huán)時，都將執(zhí)行來自外部設備的命令。3．程序執(zhí)行階段在這個階段，CPU 將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，即按程序?qū)λ械臄?shù)據(jù)(輸入和輸出的狀態(tài))進行處理，包括邏輯、算術運算，再將結果送到輸出狀態(tài)寄存器。4．輸入、輸出更新階段PLC 的 CPU 在每個掃描周期進行一次輸入來進行輸出更新。CPU 對各個輸入端進行掃描，并將輸入端的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中；同時，把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉換成外部設備能接受的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控設備。這種對輸入、輸出狀態(tài)的集中處理過程，稱為批處理，這是 PLC 工作的重要特點。長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 14 -μ??′?óμ???3tI/Ooí?ú2??ìμ??÷￡??′???ùóDê±?ì2éI/Oμ￥?aá??ó?′???àêó?ê±÷?ì2éó2?toí3ìDò′?′￠?÷?ì2éo?á??e￡??′Díaéèμ??üá??′???àêó?ê±÷?′D3ìò??á??′???àêó?ê±÷′óê?è???áè?êy?Y?ò??3?D′éè??3?′í±ê??￡?3?′í?êμ?áòì3￡?ò±¨?ˉ￡?·? ê?ê? ê?é?μ?oó3?ê?′|àí12í?′|àí?′Díaéè?üá??′D??á?êy?Y?è?/ê3?é¨?è?ü?ú上圖進一步說明了上述 PLC 內(nèi)部工作過程。PLC 工作時，上述過程周而復始，稱為掃描周期。三、PLC 的掃描時間PLC 完成一個掃描周期所需要的時間，稱為掃描周期時間，簡稱掃描時間。掃描時間地長短取決于系統(tǒng)的配置、I／O 通道數(shù)、程序中使用的指令及外圍設備的連接等，循環(huán)中每個階段所需的時間加在一起就是掃描時間。各部分時間計算如下：長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 15 -(1)公共處理時間 t1。對 P 型機來說，這部分時間是固定的，即:tl＝1.26ms(2)輸入，輸出更新時間 t2。因為 PLC 的輸入通道數(shù)一般來說總是大于輸出通道數(shù)，因此，在計算這部分時間時，可以輸入通道數(shù)為準，即認為在輸入更新時間內(nèi)，輸出一定會更新完畢。這部分時間可按下式計算：t2＝0.29 十 0.07N(ms)其中 N 為輸入通道數(shù)減 1。需要注意的是，若輸出通道數(shù)大于輸入通道數(shù)，則 N 應取輸出通道數(shù)減 1。(3)程序執(zhí)行時間 t3。這部分時間取決于在用戶程序中使用的指令的類型和條數(shù)。把程序中使用的所有指今的執(zhí)行時間加在一起，就等于 t3。(4)執(zhí)行外設命令所需時間 t4。當有外部設備與 PLC 相連時，其處理時間可按下述方法確定。首先，把上面算出的三個時間相加，再乘以 0.05，即:t4＝(t1 十 t2 十 t3)×0.05當 t4＜1 時，則 t4＝1ms；當 t4＞1 時，則以 0.5ms 為單位，進行四舍五入。例如，當 t4=1.65ms 時，則 t4＝1.5ms；若 T4＝1.8ms 時，則取 t4＝2ms。注意：當沒有外設與 PLC 相連時 t4＝0ms。將上面四部分時間算出后相加，即為掃描時間 T，即T＝t1 十 t2 十 t3 十 t4 在 PLC 內(nèi)部，系統(tǒng)定時器（俗稱“看門狗” ）一般在上電時設為 130ms，當掃描時間超過 130ms 時，CPU 將停止工作。但是，既使掃描時間沒有超過 130ms，也可能對系統(tǒng)操作產(chǎn)生不良影響；掃描時間大于 10ms 時，高速定時器 TIMH 會出現(xiàn)故障；當掃描時間超過 100ms 時，普通定時器及 0.1 時鐘脈沖發(fā)生器將會出錯，并且報警。四、PLC 的 I/O 響應時間用 PLC 設計一個控制系統(tǒng)時．必須知道有了一個輸入信號后 PLC 經(jīng)過多長時間才能有一個對應的輸出信號，否則，就不能正確并精確地解決系統(tǒng)各部件之間的配合問題。從 PLC 的工作過程可知當 PLC 工作在程序執(zhí)行階段時，既使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，即輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容發(fā)生變化，CPU 執(zhí)行的輸入信號也不會變化，而要到下—個周期的輸入、輸出更新階段，才能有效。同理，暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號，也要等到下—個掃描周期的輸入、輸出更新階段，才能集中輸出給輸出部件。從 PLC 收到一個輸入信號到 PLC 向輸出端輸出一個控制信號所需的時間，就是 PLC 的 I／O 響應時間。響應時間是可變的，例如，在一個掃描周期的長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 16 -I／O 更新階段開始前瞬間收到一個輸入信號，則在本周期內(nèi)該信號就起作用了，這個響應時間最短，它是輸入延遲時間、—個掃描周期時間、輸出延遲時間三者之和，如下圖所示。 é¨?èê±??êy?Yê?è?/ê?3? ??á?′Dê?è?ON?ìó|ê±??ê?è?ê?3? CPU?áê?è?D?o×?D?I/O?ìó|ê±??é¨?èê±????á?′Dê?è?ON?ìó|ê±??如果在一個掃描周期的 I／O 更新階段剛過就收到一個輸入信號，則該信號在本周期內(nèi)不能起作用，必須等到下一個掃描周期才能起作用，這時響應時間最長，它等于輸入延遲時間、二個掃描周期時間與輸出延遲時間三者之和，如下圖所示。 é¨?èê±??êy?Yê?è?/ê?3? ??á?′Dê?è?ON?ìó|ê±??ê?è?ê?3? CPU?áê?è?D?o×?′óI/O?ìó|ê±??é¨?èê±????á?′Dê?è?ON?ìó|ê±??應用：在本系統(tǒng)中主要用起控制電氣開關作用，控制該系統(tǒng)中的邏輯電平。并且手動控制三臺電機的起停。長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 17 -LNC O MX 0X 1X 2X 3 X 4 X 5 X 6X 7X 1 0 X 1 1X 1 2X 1 32 4C O MC O M 0Y 0Y 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6 Y 7Y 8C O M 1C O M 2C O M 3C O M 4三A C 2 2 0 V上限下限頻率到達1 #泵啟動1 #泵停止2 #泵啟動2 #泵停止3 #泵啟動3 #泵停止自動手動M I T S U B I S H IF x o s - 2 0 M RP L C2 4 V0 VLD C M 1F RK M 1NF R 1 F R 2F R 3K M 1K M 2K M 2K M 3K M 4K M 3K M 4K M 5K M 5K M 6K M 6K M 7PLC 在本系統(tǒng)中的連線圖 3.2 變頻器的原理與特性(CIMRG7)3.2.1 變頻器簡介變頻器的功能是將頻率固定的(通常為 50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 18 -中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容 Cd 輸出直流電壓 Vd,逆變器將直流 Ud 變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機進行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是 Cd 低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。電流型交一直一交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。3.2.2 變頻與變壓(VVVF)原理當在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機轉速的過程中，當頻率 f 下降時，定子繞組的反電動勢 E 有所下降，定子電流增大，但是轉子側的負載并未增加，故轉子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通 增大。 增加將導致鐵m?芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結果，因此希望 可以保m?持基本不變。要實現(xiàn)這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓 Ul/f=const，則磁通 可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用 VVVF 表示。怎樣實現(xiàn)m?VVVF 是變頻器必須解決的重要課題之一。VVVF 實施的基本方法包括:脈幅調(diào)制(PAM)和脈寬調(diào)制(PWM) 。(1)脈幅調(diào)制(PAM)實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM 需要同時調(diào)節(jié)兩個部分:整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。(2)脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)方法就是在每半個周期內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為 t1，每個脈沖間的間隔寬度為 t2，則脈沖的占空比 Υ=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。PWM 只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與 PAM 相比控制電路簡化了許多，因此在變頻調(diào)速中比較常用。3.2.3 變頻調(diào)速的基本原理異步電動機的等效變換長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 19 -異步電動機的電磁轉矩公式：212132[()()]mpsrUTfx???其中:P 為旋轉磁場的磁極對數(shù)，S 為轉差率。(2)變頻調(diào)速的原理異步電動機的電磁轉矩是由定子主磁通和轉子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉速旋轉，旋轉磁場實際是三個交變磁場合成的結果。旋轉磁場的轉速 =60f/p，其中 f 是電流頻率，P 是旋轉磁場的磁極對數(shù)。產(chǎn)生轉子電0n流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉子的轉速 必須低于定子1n磁場的轉速 (即所謂的“異步， ’)。兩者之間的差異可由轉差率表示，轉差率 s=(0- )/ 根據(jù) =60f/p 可知，當頻率 f 連續(xù)可調(diào)時，電動機的同步轉速 也連續(xù)可調(diào)，0n1 0而異步電機的轉子轉速 ，總是比同步轉速略低一點，所以當 連續(xù)可調(diào)時， 也1n 01是連續(xù)可調(diào)。3.2.4 變頻調(diào)速的升速和啟動由于異步電動機在額定頻率和電壓下直接啟動時，其繞組以同步轉速切割旋轉磁場，轉子電流都很大，其啟動電流可達額定電流的 4-7 倍。這將對電源形成沖擊，引起電網(wǎng)電壓的波動；而且啟動過程過于快捷，常常對機械負載形成沖擊，影響其使用壽；在泵水管道系統(tǒng)中，還會引發(fā)水錘效應，使管道受到損害。使用變頻器后，由于其輸出頻率可以從很低頻率開始，頻率上升的快慢可以任意設定，從而可以有效地將啟動電流限制在一定的范圍內(nèi)。設定升速時間的基本原則:在電動機的啟動電流不超過允許值的前提下，盡可能地縮短升速時間。本次系統(tǒng)能夠中啟動時間設定為 30s，并且負載升速方式選擇半 S 型。長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 20 -3.2.5 變頻調(diào)速的降速和制動在泵水管道系統(tǒng)中，由于水的阻尼作用，電動機的轉速能夠十分迅速地降下來，而不會引起再生制動的過電流和過電壓，但是降速太快，會導致管道系統(tǒng)出現(xiàn)“空化現(xiàn)象” ，對管道有害無益，甚至會損害管道。因此，在降速停機時應設定足夠的降速時間，使轉速緩慢下降，從而保護管道。在本系統(tǒng)中降速時間設定為 30s。3.2.6 變頻后的電動機的機械特性:設變頻后的頻率為 ，電壓為 ，電動機的額定相電壓和頻率為 和 ，則xfxUNUf有＝xffkN＝ u其中 為頻率可調(diào)比， 為電壓可調(diào)比。將上述兩個公式代入異步電動機的電fkuk磁轉矩公式可得變頻后的轉矩公式： 212132[()()]umfNxxfpsrkUTk????其中： 為頻率為 時的轉差率。xsxf在變頻器正常工作情況下，即 ＝ <1 時的機械特性入下圖所示fkm由圖可知隨著 f 的下降，臨界轉矩 逐漸減少，電動機的帶負載能力也隨之下kxT降。這無疑給變頻調(diào)速帶來了瑕點。所以如何改變變頻后的機械特性就成了關注的長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 21 -焦點。在這里我們采用 V/F 控制方法。3.2.7 水泵類平方律負載的機械特性其含義:負載的阻轉矩與轉速的平方成正比。 20LrLTKn??3P其中: 一空載轉矩， 一空載時的功率損耗， 和 為比例常數(shù)。0T0PT平方律負載的機械特性和功率特性曲線圖如下圖所示。①一機械特性 ②一功率特性平方律負載主要是泵類和風機，其工作特點是:(1)大多數(shù)在長期連續(xù)運行的狀態(tài)下工作，屬于連續(xù)恒定負載。(2)大多數(shù)該類產(chǎn)品都和電動機連成一體，成為整體產(chǎn)品。(3)因為負載轉矩是和轉速的平方成正比，所以一旦轉速超過額定轉速，就會造成電動機嚴重過載。因此，在變頻調(diào)速時，應該禁止在額定頻率以上運行。我們設定最高輸出頻率為 50HZ。3.2.8 V/F 控制的概念:(1)基本思想針對 時，當頻率下降， 在 中所占的比例增大，造成了 和 下fmk?xUA m?kxT降的情況，采取適當提高調(diào)壓比而使 的方法，來抵償比值 的增大，fmk?/xUA從而保持 ，最終使電動機的臨界轉矩得到補償。這種方法稱為/mxKEfconst?轉矩補償，因為是通過提高 U/F 比而得到，故又稱為 V/F 控制或電壓補償。長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 22 -(2)完全補償 U/f 線完全補償?shù)暮x是，不論 多大(在 的范圍內(nèi) )，通過補償都能使臨界轉xfxNf?矩 與額定頻率時的臨界轉矩 相等，簡稱全補償。此時 的關系如下:kxTkNTfmk和2211[()]ffmxkr??由上式作出的 的曲線通常稱為 U/f 線。滿足上式的機械特性曲線在所()fk有頻率下的臨界轉矩 都與 相等。新系列的變頻器一般都提供了設置自動轉矩kxTkN補償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動地決定補償?shù)某潭取?.2.9 矢量控制的概述矢量控制的成功實施，使得異步電動機變頻調(diào)速后的機械特性以及動態(tài)特性能達到足以和直流電動機調(diào)壓時的調(diào)速性能相媲美，從而使異步電動機變頻調(diào)速在電動機的調(diào)速領域全方位地處于優(yōu)勢地位?，F(xiàn)在許多新型的變頻器都提供了相應的矢量控制的功能。1.矢量控制基本設想根據(jù)一個三相交流的磁場系統(tǒng)和一個旋轉體上的直流磁場系統(tǒng)，以兩相系統(tǒng)作過渡，可以相互進行等效變換的原理，所以將變頻器的給定信號變換成類似直流電動機磁場系統(tǒng)的控制信號，也就是說，假設有兩個互相垂直的直流繞組同處于一個旋轉體上，兩個繞組中分別獨立地通入由給定信號分解而得的勵磁電流信號 和轉Mi矩電流信號 ，并且 和 作為基本控制信號，則通過等效變換，可以得到與基本TiMiT控制信號 等效的三相交流控制信號 ,去控制逆變電路。對于電動機在運行ABCii、 、過程中的三相交流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，又可以等效變換成兩個互相垂直的直流信號，反饋到給定控制部分，用以修正基本控制信號 和 。進行矢量控制時，可以和直流電MiT動機一樣，使其中一個磁場電流信號 不變，而控制另一個磁場電流信號 ，從而Ti獲得和直流電動機類似的控制功能。2.基本框圖如下圖所示，給定控制器將信號分解成兩個相互垂直且獨立的直流信號 和 ，MiT然后通過直/交變換將 和 變換成兩相直流電流信號 和 ，又經(jīng)過 2/3 變換，得到MiT 1i2三相交流控制信號 ，去控制逆變橋。ABC、 、長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 23 -電流反饋用于反映負載的狀況，使直流信號的轉矩分量 能隨負載而變，從而Ti模擬出類似于直流電動機的工作狀況。速度反饋用于反映拖動系統(tǒng)的實際轉速和給定值之間的差異，并使之以最快的速度進行校正，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)特性?，F(xiàn)在許多新系列的變頻器設置了“無反饋矢量控制”功能，這里“無反饋”是指不需要由用戶在變頻器外部另行設置反饋環(huán)節(jié)。無反饋矢量控制在改善異步電動機在低頻時的機械特性方面，己經(jīng)取得了令人滿意的結果，故對于一些在動態(tài)特性方面無嚴格要求的場合，速度反饋可以不用。3.2.10 CIMRG7 的特性我們采用的變頻器是安川（YASKAWA）公司的 CIMRG7 異步電動機變頻器，簡稱CIMRG7。 CIMRG7 是一種用于三相異步電動機的變頻器，由 200 V 至 400 V 三相電源供電，功率范圍 0.3kW 至 300 kW。CIMRG7 設計用于工業(yè)或商用建筑中的加熱、通風以及空氣調(diào)節(jié) (HVAC) 方面的現(xiàn)代化應用場合。CIMRG7 通過對能耗進行優(yōu)化可以降低運行成本，同時提高了用戶的舒適程度。大量的集成化選件可讓它與電氣設備和復雜的控制系統(tǒng)進行適配和集成。變頻器在最初設計中就已經(jīng)考慮了電磁兼容性的要求。CIMRG7的成品可直接用于泵類和通風應用中。它有一個操作盤可用于修改編程、調(diào)整、控制或檢測功能，以便適應和優(yōu)化應用以滿足不同客戶的要求。CIMRG7的保護功能有:□ 使用 PTC 熱傳感器的電機和風扇熱保護□ 連續(xù)運行中防過載和過電流的保護□ 通過頻率跳躍功能進行的對設備的機械保護長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 24 -□ 通過多重故障狀態(tài)管理和可配置警報進行的保護同時，CIMRG7 還容易集成到控制系統(tǒng)中，它配備了:4 個邏輯輸入，2 個繼電器輸出， 2 個模擬輸入和 1 個模擬輸出 ；插入式 I/O 接頭 ；電氣參數(shù)顯示及運行指示 ；內(nèi)置EMC濾波器，內(nèi)置制動單元；變頻器中標準配置一個符合 Modbus 協(xié)議的 RS485 多點串口連接。同時，CIMRG7 有多種可選件（遠程控制盤，制動電阻，進線電抗，RFI濾波器等）圖.變頻器輸入輸出接線圖CIMRG7按照歐洲低壓 (73/23/CEE 和 93/68/CEE) 標準和 EMC (89/336/CEE) 規(guī)范設計。因此，CIMRG7 變頻器具有歐盟認可的 標志。它也嚴格執(zhí)行了國際及國內(nèi)有關電子工業(yè)控制裝置的標準及規(guī)范 (IEC， EN， NFC，VDE)。變頻器在接線時，必須接地。動力電纜和設備中的弱電信號（如PLC信號等）電路要保持分隔，以免干擾。長春工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）- 25 -變頻器的接線方式如上圖所示輸入方面，主電路的電源端子L1、L2、L3通過線路帶漏電保護的斷路器連接至380V的三相交流電源。對于壓力信號，則通過AI1或AI2口輸入。對所有位于變頻器附近的或連接在同