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摘 要 自動水位控制系統(tǒng)是以PLC、變頻器作為控制核心，液位傳感器作為數據采集，三相異步電動機、離心泵作為被控制的對象。其中三相異步電動機與離心泵相配用，變頻器控制著三相異步電動機高、中、低速運轉，PLC程序控制變頻器，液位傳感器將接收到的水位信號反饋給PLC這個控制核心。 PLC是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術與自動化技術，開發(fā)的新一代工業(yè)控制器。由于PLC具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、設計配置靈活等特點，因此在工業(yè)控制方面得到了廣泛應用。PLC作為自動控制系統(tǒng)中的一個核心部件，要使它能在控制系統(tǒng)中充分發(fā)揮其功能，就必須了解PLC的結構、工作原理等。 用戶程序是PLC的核心，程序的內容決定著控制功能。在設計程序的過程中，采用順序控制的方法，在程序設計中巧妙地使用選擇性分支及跳轉等實現控制功能，不相互干擾。在程序的開始加入了總的啟動和停止控制，方便進行機械維修。 變頻器是對三相異步電動機進行轉速調節(jié)的驅動裝置，具有卓越的調速性能、顯著的節(jié)能作用和優(yōu)秀的工藝控制方式，是目前公認的三相異步電動機最理想最有前途的調速裝置。 關鍵字： PLC、程序、變頻器、液位傳感器、控制 目 錄 緒論1 第1章 水泵2 1.1 水泵的分類及泵的性能參數2 1.2 離心泵的選用5 第2章 三相異步電動機7 2.1 三相異步電動機的基本結構7 2.2 三相異步電動機的變頻調速的控制7 2.3 三相異步電動機的選用7 第3章 變頻器9 3.1 變頻器應用概述9 3.2 變頻器的額定值9 3.3 變頻器的頻率指標10 3.4 變頻器的構成11 3.5 變頻器的選擇15 第4章 傳感器17 4.1 傳感器的概念及組成17 第5章 可編程序控制器18 5.1 可編程序控制系統(tǒng)的組成及作用18 5.2 PLC的工作原理19 5.3 PLC的功能21 5.4 FX系列可編程控制器的基本構成21 第6章 程序設計25 6.1程序設計及相關圖表25 附錄表30 結論31 致謝32 參考文獻33 緒 論 隨著時代的發(fā)展，人民生活水平的提高。人們對物質文化的要求越來越精細化，合理并充分的利用自然資源是時下人們考慮最多的問題，水作為人們每日生活的必需品，為避免水資源的浪費，我們需要將水源逐漸實現智能化控制，讓水資源更好的為人類造福。 本文介紹了學院教學大樓全自動水位控制系統(tǒng)的開發(fā)，利用PLC系統(tǒng)對水位進行及時的調整。原來的控制系統(tǒng)在全校用水高峰時，會出現水流很小的情況。而且向樓頂水箱送水的水泵一直處于頻繁工作狀態(tài)，使得液位傳感器因頻繁使用，容易損壞。針對這一狀況我們在樓頂的水箱內加了七個液位傳感器，編制PLC控制程序，通過三菱FX2N可編程序控制器，根據水箱內液位傳感器檢測到的信號對水泵電動機進行控制。 通過對學院教學大樓每日用水需求量和用水高峰時段用水量的實際調查，樓頂的水箱設計為長2米、寬2米、高2.5米，而地下水源蓄儲室則是樓頂水箱容積的4倍，即滿足正常供水，又不會造成水的滯留。三相異步電動機與水泵裝置在地下水源蓄儲室的旁邊，可以方便進水與機械維修。樓頂水箱與地下工作間用兩根上水管（消防管、生活用水管且消防管是生活用水管直徑的2倍）相連，即是樓頂水箱的供水管。樓頂水箱內的水位狀態(tài)通過液位傳感器向PLC傳送開關量信號，PLC按照預定程序控制水泵的運行狀態(tài)，即進水量。注滿水后能自動停止進水。當用水量增大時，PLC按照預定程序控制水泵的運行狀態(tài)，即加大進水量，使水箱水位基本保持。供水系統(tǒng)框圖如下圖所示。整套系統(tǒng)雖然結構簡單，但是它集節(jié)水和節(jié)能等優(yōu)點，給師生員工的生活帶來了方便。 地下蓄水室 M1 M2 樓頂水箱 生活用水 消防進水 生活進水 消防用水 第1章 水 泵 1.1 水泵的分類及泵的性能參數 泵的種類繁多，有不同的結構特點和使用范圍，根據工作原理可分成三類：葉片泵、容積泵、噴射泵。 葉片泵是利用葉輪的葉片來輸送液體的，如離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵等。本次設計采用的是離心泵，所以下面詳述一下離心泵。 離心泵的主要性能參數 （1）泵的流量 流量是泵在單位時間內所抽送液體的數量，有體積流量和重量流量兩種表示方法。 常用的流量是體積流量，以表示，其單位是m/h。重量流量以G表示，其單位是kgf/h。與的關系是： = （1-1） 式中 -液體重度（kgf/m） -泵的流量（m/h） （2）泵的揚程 揚程是單位重量的液體通過泵后獲得的能量，有的也稱總揚程或全揚程，通常用所抽送液體的液柱高度表示，其單位是m。 （3）泵的轉速 轉速是指泵的轉子每分鐘旋轉的圈數，以表示，其單位是r/min。 （4）泵的功率 葉片泵的功率是指泵的軸功率，也是原動機傳給泵的功率，用表示，單位是kW。 泵的輸出功率，也稱有效功率，用表示，它是單位時間內泵輸送出去的液體從泵中獲得的有效能量。 的習慣計算式為： = (kW) （1-2） 式中 -液體重度（kgf/m） -泵的流量（m/h） -泵的揚程（m） （5）泵的效率 葉片泵的軸功率與有效功率的差值，是泵工作時損失的功率。其大小用效率來衡量。效率是與的比值，以表示，的計算式為=我們知道泵的有效功率（或 流量、揚程）和效率后，就可以計算出泵的軸功率： （kW） （1-3） （6）泵的比轉數 比轉數是水力機械的一個重要參數。但了解該參數前，必須搞清楚相似定律。 泵的相似定律：在葉片泵的設計研究中，由于經濟性或技術條件的限制，經常將實型泵縮小成模型泵進行試驗，再將模型泵放大成實型泵，這就必須用到流體動力相似定律。工況相似的實型泵和模型泵，其流量、揚程、功率與泵的尺寸。轉速及效率之間有以下三個關系：泵的流量相似定律： （1-4） 泵的揚程相似定律： （1-5） 泵的功率相似定律： （1-6） 式中 -葉輪外徑尺寸 -容積效率 -水力效率 -機械效率 上角標表示模型泵，無上角標表示實型泵。如果兩個工況相似的泵的尺寸比不是很大（不超過2～3），轉速比值不超過2，而且是抽送同一種液體（即），則可認為兩臺泵的各種效率均相等，于是得到： （1-7） （1-8） （1-9） 在工況相似時的實型泵和模型泵的參數，應該滿足以上公式 所謂比轉數就是把某一葉輪的幾何尺寸相似縮小為標準葉輪，使這個標準葉輪所產生的揚程為m，流量為m/s，有效功率等于746W（1馬力）時的轉速。它的表達式為： （1-10） 式中 -轉速（r/min） -流量（m/h） -揚程（m） 比轉數是有因次的，但通常都省略其單位。比轉數是以單吸離心泵為基準來比較的。對于雙吸單級離心泵，比轉數為： （1-11） 對于多級泵，比轉數為 ： （1-12） 式中 -多級泵葉輪極數 （7）泵的汽蝕余量 汽蝕余量是指為了保證泵不汽蝕，泵葉輪吸入口處單位重量液體所具有的能量必須比飽和蒸汽壓力（相應于液體所處溫度）時液體所具有的能量的富裕程度大，以Δ表示，其單位為m這是用能量的觀點來表示泵的汽蝕性能。 Δ的表達式中， Δ=（m） （1-13） 式中 -泵吸入口處的壓力（Pa） -液體重度（kgf/ms） -液體吸入口處的平均流速（m/s） -液體所處溫度下的飽和蒸汽壓力（Pa） -重力加速度（m/s） 等式右邊括號內兩項表示泵吸入口處單位重量液體具有的能量，第三項是飽和蒸汽壓力下單位重量液體具有的能量。 （8）泵的吸上真空高度 泵的吸上真空高度是指為了保證泵運行時不發(fā)生汽蝕而具有的最大的吸上真空高度，以表示，其單位為m。在實際使用中規(guī)定留有0.3m的安全量，即將減去0.3m作為允許最大吸上真空高度，以[]表示， []=-0.3（m） （1-14） 泵吸入口處的吸上真空高度不僅與水泵幾何安裝高度有關，而且還與吸入口處的流速，吸入管路損失及液面壓力有關，如果水泵在某一流量下運行，則項是定值，而管路水力損失也幾乎是定值，則吸上真空高度隨著幾何安裝高度的的增大而逐漸增大。當幾何安裝高度增大到某一數值后，泵就不能工作。對應于這一工況的吸上真空高度即為上面所述的最大吸上真空高度，目前只能靠試驗得出。對于泵的樣本上或泵的銘牌上都已明確規(guī)定的允許吸上真空高度[]，并不等于幾何安裝高度，其相互關系應為： []－（＋） （m） （1-15） 1.2 離心泵的選用 （1）選型的意義 泵的選型是一項十分重要的工作。如果選用不當，泵在工作中流量偏大或偏小，揚程偏高或偏低，材料不耐腐蝕等，都會造成使用時滿足不了生產要求，且效率低壽命短。 （2）泵型號的確定 按結構、口徑、性能的不同，泵的種類繁多。所以在確定泵的型號前，首先要掌握整個裝置所需要的流量和揚程，再選擇泵型（系列）然后才能確定泵的型號。 流量是選泵的重要性能數據之一。它關系到整個裝置的生產能力。在對裝置工藝流程設計時，泵所給出的設計流量不僅要與裝置設備的生產能力相協調，而且還需了解在生產中流量的變化范圍，即最小流量和最大流量，以適應工況變化要求。選泵時以最大流量作為依據。如沒有給出最大流量，通?？扇≌Ａ髁康?.1倍。 揚程是選泵的另一個重要的性能數據。它與管路系統(tǒng)的布置情況，容器間的壓差，克服液體在系統(tǒng)內流動時的摩擦阻力（包括閥門、彎頭、管徑的大小、長短、材料）等一系列因素有關。同時還要注意，選泵用的揚程應考慮到最低吸入液面和最高輸出高度，并取系統(tǒng)揚程的1.05～1.1倍作為選型依據。掌握了所需要選用的泵的用途，目的和工作的液體的性質、流量、總揚程等，再和各種泵型的特性相對照，則泵型（系列）的選用范圍自然就限定了。 （3）水泵應用于實際 水泵普遍采用交流異步電動機作原動機。這是因為異步電動機結構簡單，運行可靠，維修方便，價格便宜。 單臺水泵調速運行 H HA HB HO 0 A B nA nB QA QB Q 管路系統(tǒng)性能曲線 泵的調速范圍是隨實際工況的不同而變化的。一般來說,調速降低不宜超過50%，否則水泵效率很低，不能保證安全供水，當轉速太低時，甚至無法抽水。如圖1-1所示，學校生活用水要求出水壓力在高峰和低谷時不能低于HB，也不要高于HA，管路系統(tǒng)性能曲線與調速運行的泵的性能曲線相交于A和B點(即水泵工況點) 。這種情況下，調速裝置的調速范圍在nA到nB之間，相應的流量是QA和QB。 圖1-1 單泵供水時調速范圍的控制 選用了兩個離心泵，一個是冠力片離心泵它的型號是650L-3，揚程為48m，流量為30m/h，轉速為1350r/min，配套功率為7.5kW。另一個是清水離心泵型號是80DL2，揚程為40m，流量50m/h，額定電壓36V，配套功率11kW，轉速1450r/min。實物如圖1-2 圖1-2水泵實物圖 第2章 三相異步電動機 2.1 三相異步電動機的基本結構 三相異步電動機由兩個基本部分組成：定子和轉子。定子、轉子之間留有空隙，一般小型電機的空隙為0.35mm～0.5mm,大型電機的空隙約為1～1.5mm。 定子主要由機座、定子鐵心和定子繞組三部分組成的，轉子是由轉軸、轉子鐵心和轉子繞組組成。 2.2 三相異步電動機的變頻調速的控制 三相異步電動機工作原理： 一是導體被磁場切割會在導體中產生感應電動勢；二是載流導體與磁場相互作用，使載流導體受力而運動的理論基礎上的。 三相異步電動機和三相同步電動機，它們的轉速公式為： （同步電動機） （2-1） （異步電動機） （2-2） 式中 -頻率 -極對數 -轉差率（0～3％或0～6％） 由轉速公式可見，只要設法改變三相異步電動機的供電頻率，就能十分方便地改變電動機的轉速，比改變極對數和轉差率兩個參數簡單得多，近二十年來，由于交流變頻調速器得到了突飛猛進的發(fā)展，使得三相異步電動機變頻調速成為當前電氣調速的主流。 2.3 三相異步電動機的選用 應考慮額定電壓、額定功率、額定頻率、額定轉速、絕緣等級、安裝結構形式、防護型式、傳動方式、起動狀況以及負載情況等參數。 （1）電動機銘牌上的性能指標： 型號：用以表示電動機的類型、性能、用途、結構特征等。 額定功率：也叫容量。以W或kW表示。 額定電壓：電動機正常工作時，加在定子繞組線端的電壓，比如220/380V。 額定電流：在額定電壓、額定頻率、額定功率運行時，定子繞組線端的電流。 額定頻率：電動機規(guī)定的交流電源的頻率。 額定轉速：在額定電壓、額定頻率、額定功率、額定電流下運行時，電動機每分鐘的轉速。 電動機的額定電壓、頻率要和電源電壓的電壓值、頻率相一致，尤其對Y/△接法的電動機更應注意這一點。 電動機的額定功率一般情況下要略大于所用負載的功率，但不能大于兩倍的負載功率。額定轉速要依據被動機械的正常轉速和傳動方式決定，額定轉速=被拖動機械轉速傳動比，轉速一致時，可用聯軸器傳動；轉速不一致時，可用皮帶或齒輪傳動；負載轉速很低時配購減速裝置。 （2）電動機電壓的選擇 電動機的額定電壓應與電源電壓相符。電動機只能在銘牌上規(guī)定的電壓條件下使用，允許工作電壓的偏差為額定電壓的+10%～－5%。如果銘牌上標有220V/380V，說明此電動機有兩種額定電壓。當電源電壓為380V時，將電動機繞組接成Y形；當電源電壓為220V時，將繞組接成△形。 （3）電動機容量的選擇 電動機的額定功率 (容量)必須根據被拖動的生產機械所需的功率來決定。如果容量選得太小，負載超過它的額定功率，則會使電動機難以起動，即使勉強起動成功，也會因電流超過額定值而使電動機過熱甚至燒毀。反之，如果容量選得太大，就不能充分發(fā)揮電動機的作用，不僅會造成資金和材料的浪費，而且電動機在輕載時效率和功率因數都降低，造成電力浪費。一般對于采用直接傳動的電動機，容量以1～1.1倍負載功率為宜；對于采用皮帶傳動的電動機，容量以1.05～1.15倍負載功率為宜。 （4）電動機轉速的選擇 電動機和水泵都有各自的額定轉速。電動機拖動水泵后，兩者都應在各自的額定轉速下運轉，選擇電動機的轉速時，應注意轉速不宜選得過低，這是因為電動機額定轉速越低，則極數越多，體積越大，價格越高，反之，電動機的轉速也不宜選得過高，否則會使傳動裝置過于復雜。 本系統(tǒng)用了兩個三相異步電動機一個型號為Y132M-4，額定頻率為50Hz，額定功率為7.5kW，額定電壓為380V，額定轉速為1440 r/min，額定電流為15.4A，與冠力片離心泵相配用；另一個型號為Y160M-4，額定頻率為50Hz，額定功率為11kW，額定電壓為380V，額定轉速為1460 r/min，額定電流為22.6A，與清水離心泵相配用。 第3章 變頻器 3.1 變頻器應用概述 變頻器即電壓頻率變換器，是一種將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調的交流電，以供給電動機運轉的電源裝置。 變頻調速具有頻率范圍寬、動態(tài)響應快、工作效率高、輸出特性好、使用方便等特點，而三相異步電動機又有對電環(huán)境適應性強、維修簡單、容易實現高速大容量的優(yōu)勢。這兩者結合使得變頻調速技術在供水行業(yè)獲得廣泛的應用。 用戶用水的多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中地反映在供水的壓力上：用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。所以我選用變頻器來調整進水的速度。 3.2 變頻器的額定值 （1）輸入側的額定值 輸入側的額定值主要是電壓和相數。在我國的中小容量變頻器中，輸入電壓的額定值有以下幾種情況（均為線電壓）： 1）380V/50Hz，三相，用于絕大多數電器中。 2）200～230V/50Hz或60Hz，三相，主要用于某些進口設備中。 3）200～230V/50Hz，單相，主要用于精細加工和家用電器。 （2）輸出側的額定值 1）輸出電壓額定值 由于變頻器在變頻的同時也要變壓，所以輸出電壓的額定值是指輸出電壓中的最大值。在大多數情況下，它就是輸出頻率等于電動機額定頻率時的輸出電壓值。通常，輸出電壓的額定值總是和輸入電壓相等的。 2）輸出電流額定值 輸出電流的額定值是指允許長時間輸出的最大電流。 3）輸出容量（kVA） 與和的關系為： （3-1） 4）配用電動機容量（kW） 變頻器說明書中規(guī)定的配用電動機容量，是根據下式估算出來的。 （3-2） 式中 -電動機的效率 -電動機的功率因數 由于電動機容量的標稱值是比較統(tǒng)一的，而和值卻很不一致，所以容量相同的電動機配用的變頻器容量往往是不相同的。 變頻器銘牌上的“適用電機容量”是針對四極的電動機而言的，若拖動的電動機是六極或其他，那么相應的變頻器的容量加大。 5）過載能力 變頻器的過載能力是指其輸出電流超過額定電流的允許范圍和時間。大多數變頻器都規(guī)定為150﹪，60s或180﹪，0.5s。 3.3 變頻器的頻率指標 （1）頻率的名詞術語 1）基底頻率 當變頻器的輸出電壓等于額定電壓時對應的最小輸出頻率，稱為基底頻率，用來作為調節(jié)頻率的基準。在大多數情況下，基底頻率等于額定頻率，即。 2）最高頻率 當變頻器的頻率給定信號為最大值時，變頻器的給定頻率。這是變頻器的最高工作頻率的設定值。 0 X 3）上限頻率和下限頻率 根據拖動系統(tǒng)的工作需要，變頻器可設定上限頻率和下限頻率，如圖3-1所示。與和對應的給定信號分別是和，則上限頻率的定義是：當≥時，；下限頻率的定義是：當≤時，。 圖3-1 變頻器的上下頻率 （2）變頻器的頻率指標 1）頻率范圍 頻率范圍即變頻器能夠輸出的最高頻率和最低頻率。各種變頻器規(guī)定的頻率范圍不盡一致。通常，最低工作頻率為0.1～1 Hz，最高頻率為120～650 Hz。 2）頻率精度 指變頻器輸出頻率的準確程度。用變頻器的實際輸出頻率與設定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率之比的百分數表示。 例如，用戶給定的最高工作頻率為=120 Hz，頻率精度為0.01％，則最大誤差為： =0.0001120=0.012 Hz （3-3） 3）頻率分辨率 指輸出頻率的最小改變量，即每相鄰兩擋頻率之間的最小差值。一般分模擬設定分辨率和數字設定分辨率兩種。 例如，當工作頻率為=25 Hz時，如變頻器的頻率分辨率為0.01 Hz,則上一擋的最小頻率()和下一擋的最大頻率()分別為： =25＋0.01=25.01 Hz （1-4） =25－0.01=24.99 Hz （1-5） 3.4 變頻器的構成 目前，通用變頻器幾乎都是交—直—交型變頻器，所以就以交—直—交電壓型變頻器為例講述變頻器的基本構成。變頻器的基本構成如圖3-2所示，由主電路和控制電路組成。 ～3 M ~ 逆變器 整流器 控制指令 控制指令 控制電路 運行指令 圖3-2 變頻器的基本結構 （1）主電路 電壓型交—直—交變頻器的主電路由整流電路、中間直流電路和逆變器電路三部分組成。主電路的基本結構如圖3-3所示。 1）整流電路部分 ①二極管整流電路 整流電路由D1～D6組成三相不可控整流橋，它們將電源的三相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。功率較小的，輸入電源多用單相220V，整流電路為單相全波整流橋；功率較大的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。 設電源的線電壓為，那么三相全波整流后平均直流電壓的大小是：=1.35。 我國三相電源的線電壓為380V，故全波整流后的平均電壓是513V。 圖3-3電壓型交-直-交變頻器的主電路的基本結構 ②濾波電容器C 整流電路輸出的整流電壓是脈動的直流電壓，必須加以濾波。 濾波電容器C的作用是：除了濾除整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲能的作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。 由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制，濾波電路通常由若干個電容器并聯成一組，又由兩個電容器組串聯而成，如圖3-3中的C1和C2。因為電解電容的電容量有較大的離散性，故電容器組C1和C2的電容量常不能完全相等，這將使它們承受的電壓和不相等，為了使和相等，在C1和C2旁各并聯一個阻值相等的均壓電阻R1和R2。 ③限流電阻RL與開關SL 由于儲能電容大，加之在接入電源時電容器兩端的電壓為零，故當變頻器剛合上電源的瞬間，濾波電容器C的充電電流是很大的。過大的沖擊電流將可能使三相整流橋的二極管損壞。 為了保護整流橋，在變頻器剛接通電源后的一段時間里，電路內串入了限流電阻，其作用是將電容器C的充電電流限制到允許的范圍以內。開關SL的功能是：當C充電到一定程度時，令SL接通，將RL短路。 在有些變頻器里，SL用晶閘管代替，如圖3-3中的虛線所示。 ④電源指示HL 電源指示燈除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在變頻器切斷電源后，顯示濾波電容器C上的電荷是否已經釋放完畢。 由于C的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行，所以C沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數分鐘。又由于C上的電壓較高，如電荷不放完，在維修變頻器時，將對人身安全構成威脅。所以，HL完全熄滅后才能接觸變頻器內部的導電部分。 2）逆變器電路部分 ①逆變管Q1～Q6 Q1～Q6組成逆變橋，把D1～D6整流后的直流電再“逆變”成頻率、幅值都可調的交流電，這是變頻器實現變頻的執(zhí)行環(huán)節(jié)，因而是變頻器的核心部分。當前通用變頻器中常用的逆變管有絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、大功率晶體管（GTR）、IPM智能模塊；大功率變壓變頻器中常用GTO（可關斷晶閘管）。 ②續(xù)流二級管D01～D06 續(xù)流二級管D01～D06的主要功能有： 電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。D01～D06為無功電流返回直流電源提供“通道”。 當頻率下降、電動機處于再生制動的狀態(tài)時，再生電流將通過D01～D06返回直流電路。 Q1～Q6進行逆變的基本工作過程：同一橋臂的兩個逆變管，處于不停的交替導通和截止的狀態(tài)。在交替導通和截止的換相過程中，不時地需要D01～D06提供通路。 ③緩沖電路 逆變器在關斷和導通的瞬間，其電壓和電流的變化率是很大的，有可能使逆變管受到損害。因此，每個逆變管旁還應接入緩沖電路，以減緩電壓和電流的變化率。在不同型號的變頻器中，緩沖電路的結構也不盡相同。在圖3-3所示為比較典型的一種。其功能如下： 逆變管Q1～Q6每次由導通狀態(tài)切換成截止狀態(tài)的關斷瞬間，集電極（C極）和發(fā)射極（E極）間的電壓將迅速地由近乎0V上升至直流電壓值。這過高的電壓增長率將導致逆變管的損壞。因此，C01～C06的功能便是降低Q1～Q6在每次關斷時的電壓增長率。 Q1～Q6每次由截止狀態(tài)切換成導通狀態(tài)的接通瞬間，C01～C06上所充的電壓（等于）將向Q1～Q6放電。此放電電流的初始值將是很大的，并且將疊加到負載電流上，導致Q1～Q6的損壞。因此，R01～R06的功能是限制逆變管在接通瞬間C01～C06的放電電流。 R01～R06的接入，又會影響C01～C06在Q1～Q6關斷時降低電壓增長率的效果。D7～D12接入后，在Q1～Q6的關斷過程中，使R01～R06不起作用；而在Q1～Q6的接通過程中，又迫使C01～C06的放電電流流經R01～R06。 3）制動電阻和制動單元 ①制動電阻RB 當電動機的工作頻率下降時，它的轉子轉速將超過此時的同步轉速，使得電動機處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要反饋到直流電路中，使直流電壓不斷上升，甚至可能達到危險的地步。因此，必須將再生到直流電路的能量消耗掉，使保持在允許范圍內。制動電阻RB就是用來消耗這部分能量的。 ②制動單元VB 制動單元VB由大功率晶體管GTR或IGBT及其驅動電路構成。其功能是控制流經RB的放電電流IB。 （2）控制電路 控制電路主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板、外接控制電路等構成。 1）主控板 主控板是變頻器運行的控制中心，其主要功能有： ①接受從鍵盤輸入的各種信號。 ②接受從外部控制電路輸入的各種信號。 ③接受內部的采樣信號，如主電路中電壓與電流的采樣信號、各部分溫度的采樣信號、各逆變管工作狀態(tài)的采樣信號等。 ④完成SPWM調制，將接受的各種信號進行判斷和綜合運算，產生相應的SPWM調制指令，并分配給各逆變管的驅動電路。 ⑤發(fā)出顯示信號，向顯示板和顯示屏發(fā)出各種顯示信號。 ⑥發(fā)出保護指令，變頻器必須根據各種采樣信號隨時判斷其工作是否正常，一旦發(fā)現異常工況，必須發(fā)出保護指令進行保護。 ⑦向外電路發(fā)出控制信號及顯示信號，如正常運行信號、頻率到達信號、故障信號等。 2）鍵盤與顯示板 鍵盤是向主控板發(fā)出各種信號或指令的，顯示板是將主控板提供的各種數據進行顯示，兩者總是組合在一起。 3）電源板 變頻器的電源板主要提供以下電源：主控板電源、驅動電源、外控電源 4）外接控制電路 ①外接給定電路 ②外接輸入控制電路 ③外接輸出電路 變頻器內設有多端速度功能，能進行7段速度特性運行，能連續(xù)、斷續(xù)、保持最終值，對各種速度，能任意設置加速時間、旋轉方向、運轉時間等。本課題采用三速運轉，高速、中速和低速指令由外部輸入后，則選定頻率給定信號給變頻器輸入指令，以所定的速度運轉。三速運轉外部接線如圖3-4。 變頻器的功能預置 高速：在用水很多的情況下高速進水。 中速：在用水較多的情況下中速進水。 低速：在用水少的情況下低速進水。 加、減時間：水泵由于水管中有一定壓力的緣故，因此在轉速上升和下降的過程中，慣性的作用極微，但過快地升降或降速，會在管道中引起水錘效應。所以也應將加、減速時間適當預置的長一些。 M2 KM1 STF RH RM RL SD U V W X1 X2 X13 X14 X15 COM Y14 COM X16 X20 X21 Y10 Y13 Y12 Y11 COM SB1 SB2 SQ1 SQ2 SQ3 SQ4 SQ5 SQ6 SQ7 X22 380V 圖3-4 三速運轉外部接線圖 3.5 變頻器的選擇 變頻器的最大輸出功率按三相異步電動機的額定功率11kW也選用11kW。 變頻器的容量只需按照說明書上表明的“配用電動機容量”進行選擇即可。 變頻器容量的計算 連續(xù)恒載運轉時所需的變頻器容量(kVA)的計算式： ≥ （3-6） ≥ （3-7） ≥ （3-8） 式中 -負載所要求的電動機的軸輸出功率； -電動機的效率(通常約0.85)； -電動機的功率因素(通常約0.75)； -電動機的電壓V； -電動機工頻電源時的電流A； -電流波形的修正系數(PWM方式取1.05～1.10)； -變頻器的額定容量kVA； -變頻器的額定電流A。 此類變頻器容量的計算公式適用與單臺變頻器為單臺電動機連續(xù)運行的情況，以上三個等式是統(tǒng)一的，選擇變頻器時應同時滿足三個等式的關系，尤其變頻器電流是一個較關鍵的量。 選用的是三菱系列的A540 。A540基本功能參數表見第二章“表2-1 應用的變頻器基本功能參數表”。 第4章 傳感器 在科學技術高度發(fā)達的現代社會中, 人類已進入瞬息萬變的信息時代。人們在從事工業(yè)生產和科學實驗等活動中, 主要依靠對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和處理。傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置, 是感知、獲取與檢測信息的窗口, 一切科學實驗和生產過程, 特別是自動檢測和自動控制系統(tǒng)要獲取的信息, 都要通過傳感器將其轉換為容易傳輸與處理的電信號。  4.1 傳感器的概念及組成 （1）傳感器的概念： 傳感器通常是指按一定規(guī)律將所感受的被測非電量（包括物理量、化學量、生物量等）轉換成便于處理與傳輸的電量（少數為其他物理量，如光信號）的器件或裝置。傳感器包含兩個必不可少的內容：一是拾取信息，二是將拾取到的信息進行變換，使之變成為一種與被測量有確定函數關系且便于處理與傳輸的物理量，多數為電量。 （2）傳感器的組成： 一般是由敏感元件、轉換元件組成。敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測非電量，并將其送到“轉換元件”轉換成電量的部分。轉換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。 因為課題用于水中因此選用液位傳感器，利用液體浮力測液位的原理應用廣泛，靠浮子隨液面升降的位移反映液位變化的，屬于恒浮力式；靠液面升降對物體浮力改變反映液位的屬于變浮式力。 自由狀態(tài)下的浮子能跟隨液面升降，這是人盡皆知的水漲船高規(guī)律。當浮子的升降程度到達設定的刻度時，行程開關開始工作。并將采集到的信號傳送給PLC。 第5章 可編程序控制器 目前的控制器有很多種，有可編程序控制器、單片機、工業(yè)計算機等，而可編程序控制器具有驅動能力好、通信接口不復雜、指令簡單、運行可靠等優(yōu)點，所以本課題選用可編程序控制器 PLC的硬件的主機由CPU、存儲器、輸入/輸出接口、電源等幾大部分組成，此外配備的各種外部設備如計算機可通過通信接口與主機連接。 可編程序控制器（簡稱PLC）是在繼電順序控制基礎上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用自動控制裝置，PLC是電子技術、計算機技術與繼電邏輯自動控制系統(tǒng)相結合的產物。PLC作為自動控制系統(tǒng)中的一個核心部件，要使它能在控制系統(tǒng)中充分發(fā)揮其功能，就必須了解PLC的結構、工作原理等。 5.1 可編程序控制系統(tǒng)的組成及作用 以可編程控制器為核心單元的控制系統(tǒng)稱為可編程控制系統(tǒng)。可編程控制系統(tǒng)一般由控制器、編程器、信號輸入部件、輸出執(zhí)行部件等組成。 （1）可編程控制系統(tǒng)中各部分的作用 1）控制器 控制器是控制系統(tǒng)的核心，它將邏輯運算、算術運算、順序控制、定時、計數等控制功能以一系列指令形式存放在存儲器中，然后根據檢測到的輸入條件按存儲的程序，通過輸出部件對生產過程進行控制。 2）編程器 編程器是開發(fā)、維護可編程自動控制系統(tǒng)不可缺少的外部設備。編程器在系統(tǒng)中的作用是：對可編程控制器進行編程、發(fā)出命令和監(jiān)視可編程控制器的工作狀態(tài)等。所以，編程器的工作方式有下列三種： ①編程方式 編程器在這種方式下可以把用戶程序送入PLC主機的內存，也可對原有的程序進行顯示、修改、插入、刪除等編輯操作。 ②命令方式 此方式可對PLC發(fā)出各種命令。 ③監(jiān)視方式 此方式可對PLC進行檢索，觀察各個輸入、輸出點的通、斷狀態(tài)和內部線圈、計數器、定時器、寄存器的工作狀況及當前值，也可跟蹤程序的運行過程，對故障進行監(jiān)測等。 我采用的是三菱公司的FX2N系列可編程控制器配接RS232轉換后，在計算機中運行MELSEC-MEDOC軟件可實現上述功能。 3）信號輸入部件 信號輸入部件是指安裝在現場的按鈕、行程開關、接近開關，以及各種傳感器等。信號輸入部件的作用是接收系統(tǒng)的運行條件，并將這些條件傳送給PLC。 工程中用得最多的是按鈕、行程開關、接近開關等輸入部件，但現在已有許多系列的可編程控制器能接收溫度、壓力等傳感器送出的模擬量，這是可編程控制器能在自控領域得到迅速發(fā)展的重要因素。 4）輸出執(zhí)行部件 輸出執(zhí)行部件是指接觸器，以及安裝在現場的變頻器等，其作用是在PLC輸出驅動下控制設備的運行。輸出執(zhí)行部件是PLC的直接控制對象。 （2）可編程控制系統(tǒng)的特點 可編程控制器作為一種通用的自動控制裝置，它在控制系統(tǒng)中具有一些獨特的優(yōu)點。例如，在不改變系統(tǒng)硬件接線的情況下，通過改變程序的辦法，可改變被控對象的運行方式，這在繼電控制系統(tǒng)中是無法實現的。PLC所具有的這一特點大大提高了控制系統(tǒng)的靈活性，特別對那些需要經常改變生產工藝的自動流水線有著重大的實際意義。 5.2 PLC的工作原理 它的工作有兩個要點：輸入、輸出信息變換和可靠物理實現。 輸入、輸出信息變換主要由運行存儲于PLC內存中的程序實現。這程序（監(jiān)控程序）既有系統(tǒng)的，又有用戶的。系統(tǒng)程序為用戶程序提供編輯與運行的平臺，同時還進行必要的公共處理，如自檢、I/O刷新上位計算機或其他PLC通信等。用戶程序由用戶按照控制的要求進行設計。 可靠物理實現主要通過輸入（I，Input）及輸出（O，Output）電路。每一個輸入點或輸出點就有一個I或O電路。而且總是把若干個這樣的電路集成在一個模塊中，然后再由若干個模塊集成為PLC完整的I/O系統(tǒng)。盡管這些模塊相當多，占了PLC體積的大部分，但由于它們都是高度集成的，所以PLC的體積還是不太大的。 輸入電路時刻監(jiān)視著輸入點的（通ON或斷OFF）狀態(tài)，并將此狀態(tài)暫存于它的輸入暫存器中，每一輸入點都有一個與其對應的輸入暫存器。 輸出電路有輸出鎖存器。它也有兩個狀態(tài)，高、低電位狀態(tài)，并可鎖存。同時它還有相應的物理電路，可把這個高、低電位的狀態(tài)傳送給輸出點。每一個輸出點都有一個與其對應的輸出鎖存器。 這里的輸入暫存器與輸出鎖存器實際是PLC的I/O電路的寄存器。它們與PLC內存交換信息，通過PLC I/O總線及運行PLC的系統(tǒng)程序實現。 把輸入暫存器的信息讀到PLC的內存中，稱輸入刷新。PLC內存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這個區(qū)的每一對應位（bit）稱為輸入繼電器，或稱軟觸點，或稱為過程映射射入寄存器。這些位（bit）置成1，表示觸點通，置成0，表示觸點斷。由于它的狀態(tài)是由輸入刷新得到的，所以它反映的就是輸入點的狀態(tài)。 輸出鎖存器與PLC內存中的輸出映射區(qū)也是對應的。一個輸出鎖存器也有一個內存位（bit）與其對應，這個位稱為輸出繼電器。通過PLC I/O總線與運行系統(tǒng)程序，輸出繼電器的狀態(tài)將映射給輸出鎖存器。這個映射的完成也稱輸出刷新。 PLC除了有可接收開關信號的輸入電路，有時還有接收模擬信號的輸入電路。只是后者先要進行模數轉換，然后再把轉換后的數據存入PLC相應的內存單元里。 如要產生模擬量輸出，則要配有模擬量輸出電路?？克鼘LC相應的內存單元的內容進行數模轉換，并產生輸出。 這樣用戶所要編的程序只是PLC輸入有關的內存區(qū)到輸出有關的內存區(qū)的變換。這是一個數據及邏輯處理的問題。由于PLC有強大的指令系統(tǒng)，編寫出滿足這個要求的程序是完全有可能的。 圖5-1對以上敘述作了說明，其中框圖代表信息存儲的地點，箭頭代表信息的流向及實現信息流動的手段。此圖，即反映了PLC實現控制的兩個基本要點，同時也反映了信息在PLC中的空間關系。 輸入刷新 運行用戶程序 輸出刷新 輸出電路 輸入電路 輸入點 暫存器 輸入繼電器 輸出繼電器 鎖存器 輸出點 圖5-1 PLC控制圖 簡單地說，PLC工作過程是：輸入刷新→運行用戶程序→輸出刷新。一直循環(huán)往復地進行著這個過程，用PLC實現控制顯然是可能的。因為有了輸入刷新，可把輸入電路監(jiān)視得到的輸入信息存入PLC的輸入映射區(qū)；經運行用戶程序，輸出映射區(qū)將得到變換后的信息；再經輸出刷新，輸出鎖存器將反映輸出映射區(qū)的狀態(tài)，并通過輸出電路產生相應的輸出。又由于這個過程是永不停止、循環(huán)往復地進行著，所以輸出總是反映輸入的變化，只是響應的時間上略有滯后。但由于PLC的工作速度很快，所以這個“略有滯后”的時間是很短的，一般也就是幾毫秒、幾十毫秒，最多也不會超過100～200ms。 圖5-2所示的是簡化過程，實際的PLC工作過程還要復雜些。除了I/O刷新及運行用戶程序，還要做些其它的公共處理工作。公共處理工作有：循環(huán)時間監(jiān)視、外設服務及通信處理等。 輸入刷新 運行用戶程序 輸出刷新 輸入刷新 公共處理 運行用戶程序 輸出刷新 圖5-2 簡化工作流程圖 圖5-3 實際工作流程圖 監(jiān)視循環(huán)時間的目的是避免用戶程序“死循環(huán)”，證PLC能正常工作。為避免用戶程序“死循環(huán)”的方法是用Watching Dog，即設一個定時器，監(jiān)測用戶程序的運行時間。只要循環(huán)超時，即報警或做相應的處理。 外設服務是讓PLC可接受編程器對它的操作或向編程器輸出數據。 通信處理是實現與計算機、其他PLC、或智能操作器、傳感器進行信息交換的，這也是增強PLC控制能力的需要。 也就是說，實際的PLC工作過程是：公共處理→I/O刷新→運行用戶程序→再公共處理…反復不停的重復著。圖5-3所示的是實際的工作過程。 此外，PLC上電后，也要進行系統(tǒng)自檢及內存的初始化工作，為PLC的正常運行做好準備。 用這種不斷地重復運行程序以實現控制，稱掃描方式工作。是PLC基本的工作方式。此外，為了應對緊急任務，PLC還有中斷工作方式。在中斷方式下，需處理的任務先申請中斷，被響應后停止運行的程序，轉而去處理中斷工作（運行有關中斷的服務程序）。待處理完中斷，又返回運行原來的程序。 PLC的中斷方式的任務或稱事件，是分等級的。同時出現兩個或多個中斷事件則優(yōu)先級高的先處理，繼而處理低的。直到中斷任務全部處理完，再轉為執(zhí)行掃描程序。 PLC對大量控制都用掃描方式工作，而對個別急需的處理，則用中斷方式。這樣即可做到所有的控制都能照顧到，而個別應急的任務也能及時進行處理。 5.3 PLC的功能 PLC有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的I/O接口、通信接口，有大容量的內存，有可靠的操作系統(tǒng)，因而具有豐富的功能。 信號采集功能：可采集開關信號、模擬信號及脈沖信號。 輸出控制功能：可控制輸出開關信號、模擬信號及脈沖信號。 邏輯處理功能：可進行各種位、字節(jié)、字、雙字邏輯運算。 數據運算功能：可進行各種字、雙字整數運算，有的還可以進行浮點運算。 定時功能：可進行延時或定時控制，時間可精確到毫秒。有的還有內置實時時鐘。 計數功能：可進行計數，高速計數頻率可達幾百kHz。 中斷處理功能：可實現種種內外中斷，以提高對輸入的響應速度。 程序與數據存儲功能：可存儲系統(tǒng)設定、程序及數據，并可保證這些數據在掉電時不丟失。 此外，還有聯網通信、自檢測、自診斷等功能。 豐富的功能為PLC的廣泛應用提供了可能；同時也為工業(yè)系統(tǒng)的自動化、遠程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。 5.4 FX系列可編程控制器的基本構成 硬件構成： （1）單片機 PLC中的單片機包含了中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、串行接口SIO、時鐘CTC等，是PLC的指揮系統(tǒng)。 FX2系列中大部分都采用表面封裝技術的芯片，主板中只含兩片超大規(guī)模集成電路：一片是通用16位CPU，用于處理一般邏輯指令；另一片是專用邏輯處理器，用于處理高速指令、中斷等。 （2）電源 FX2系列PLC基本單元和擴展單元均采用開關電源。開關電源輸出DC5V、DC12V、DC24V三種電壓等級的直流電：5V的一路供內部IC用，12V的一路用以驅動輸出繼電器，24V的一路提供給用戶以作傳感器的電源。 （3）通信接口 FX2系列PLC的基本單元帶有三個與外部裝置相連的通信接口，一個是連接編程器的接口，一個是連接擴展單元或擴展模塊的接口，還有一個是連接特殊功能適配器的接口。 （4）編程器 編程器的主要功能是編寫用戶程序，并將用戶程序送入PLC基本單元的用戶存儲器中，有些編程器還兼有監(jiān)控和向主機發(fā)出各種命令的功能。 （5）輸入、輸出接口電路 1）輸入接口電路 FX2型PLC輸入接口電路如圖5-4，電路中光耦的輸出端設有RC濾波器，這是為防止由于輸入點的抖動及信號輸入線中混入的噪聲引起誤動作而設計的，所以輸入信號從ON→OFF或從OFF→ON變化時，PLC輸入接口電路內部約有10ms的響應滯后。 輸入端子 傳感器 X COM COM DC 電源 可變程序控制器 LED 5V 24V +24V 圖5-4 FX2型PLC輸入接口電路 輸入接口電路中一個不容忽視的參數是輸入靈敏度，也就是輸入的動作電流。FX2型PLC的輸入電流為7mA，能引起輸入動作的最小電流為2.5～3mA，但為使動作可靠，輸入電流必須大于4.