（一）多泵切換恆壓供水系統控制方案

一、預備知識

1、變頻器恆壓供水系統

在生產、生活的實際中，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生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恆定，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。

住宅區恆壓供水示意圖

恆壓供水是指在供水網中用水量發生變化時，出水口壓力保持不變的供水方式。供水網系出口壓力值是根據用戶需求確定的。傳隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛的應用，利用內部包含用PID調節器、單片機、PLC等器件有機結合的供水專用變頻器構成控制系統，調節水泵輸出流量，以實現恆壓供水。變頻器恆壓供水，如上圖1所示。

2、“一拖多”恆壓供水

實際應用中，單臺水泵供水一般不能滿足用水要求，常用多泵單變頻恆壓供水。即是“一拖多”控制方案，這種多臺泵調速的方式，系統通過計算判定目前是否已達到設定壓力，決定是否增加（投入）或減少（撤出）水泵。

由於“一拖多”變頻恆壓供水系統需要涉及壓力PID控制、工頻和變頻等功能，所以需要由專門的程序控制來實現。目前的“一拖多”變頻供水系統主要由3種方式：

1

）微機控制變頻恆壓供水系統

此係統以多臺水泵並聯供水，系統設定一個恆定的壓力值，當用水量變化而產生管網壓力的變化時，通過遠傳壓力錶，將管網壓力反饋給PI控制器，通過PI控制器調整變頻器的輸出頻率，調節泵的轉速以保持恆壓供水。微機控制變頻恆壓供水系統如圖所示。

　微機控制變頻恆壓供水系統

2）PLC控制變頻恆壓供水系統

PLC控制的恆壓變頻供水系統與微機控制器類似，所不同的是PLC除了完成供水控制外，還可以完成其他的特殊功能，具有更大的靈活性。

3）供水專用變頻器供水系統

採用供水專用的變頻器，不需另外配置供水系統的控制，就可完成對由2～6臺水泵組成的供水系統的控制，使用相當方便；供水專用變頻器=普通變頻器+PLC，是集供水控制和供水管理一體化的系統，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。西門子的ＭＭ430變頻器供水專用變頻器框圖如圖所示。

　ＭＭ430變頻器供水框圖

二、確定控制方案

根據實際情況，我們採用PLC控制變頻恆壓供水系統。變頻器採用MM440，PLC採用S7-200，實現“一拖二”方式。

在加泵過程中,變頻器驅動電動機達到額定轉速時，變頻器內部輸出繼電器動作，作為一個控制信號將電動機切換到工頻電網直接供電運行，而變頻器再去啟動其他的電動機。以達到電動機軟啟動和節能的目的，切換過程由PLC控制實現。減泵時，則由PLC控制直接停止工頻運行的電動機。採用“啟先停”方式。

（二）系統電氣原理圖繪製

一、預備知識

電氣控制電路圖通常由主電路和輔助電路兩部分組成。主電路(也稱動力電路)是通過強電流的電路，它包括電源電路、受電的動力裝置及其控制、保護電器支路等；輔助電路

是通過弱電流的電路，一般生產機械設備的輔助電路，包括控制電路、照明電路和信號電路等。電氣控制電路圖繪製的一般規則如下：

1）元件和連接線在電路圖中的表示

①連接線在電路圖中的三種描述方法：多線表示法、單線表示法和混合表示法。

②表示連接線去向的兩種方法：有連續線表示法和中斷線表示法。

③電路圖中，對有直接電聯繫的交叉導線連接點，要用小黑圓點表示，無直接電聯繫的交叉導線連接點則不畫小黑圓點。

④電氣元件在電路圖中的三種表示方法：集中表示法、半集中表示法、分開表示法。

2）圖幅分區和元件在圖上位置的表示方法

為了確定圖上內容(如圖形等)的位置及其用途，以便於檢修和方便閱讀原理圖，一些幅面較大、內容複雜的電氣圖進行分區。

3）註釋

當含義不便於用圖示形式表達清楚時，可在圖上採用註釋。註釋可採用兩種方式：一是直接放在所要說明的對象附近；二是加標記，將註釋放在圖面上的其他適當位置。

4）技術數據的表示方法、當需要在電氣工程圖上表示出元件的技術數據時，通常採用的方法有，標註在圖形符號旁、標註在圖形符號內、以表格的形式給出。

5）電原理圖中元、器件狀態的規定

①繼電器、接觸器在非激勵的狀態，即其線圈未通電的狀態。

②斷路器、隔離開關等在斷開位置。

③帶零位的手動控制開關在零位位置，而不考慮電路的實際工作狀態。

④機械操作開關在非工作狀態的位置，例如終端開關沒有達到極限行程前的位置。

6）電原理圖中的電源表示方法

表1　電氣線路和三相電氣設備端的表記代號

<table><tbody>

項目

名稱

標記代號

備註

交流電源

交流系統電源第1相

L1

交流系統電源第2相

L2

交流系統電源第3相

L3

中線（中性線）

N

直流電源

直流電源正極

L+,+

直流電源負極

L-,-

中間線

M

/<tbody>/<table><table><tbody>

三相電氣設備端

交流系統設備端第1相

U

交流系統設備端第2相

V

交流系統設備端第3相

W

保護接地

保護接地

PE

保護和中性共同線

PEN

接地

E

無噪聲接地

T

不接地保護

PU

機殼或機架

MM

等電位

CC

交流電

AC

直流電

DC

/<tbody>/<table>

7）電原理圖中各欄目的含義

①圖紙上方的1、2……13是圖區編號，是為了便於檢索電氣線路、方便閱讀電原理圖而設置的。

②圖區編號下面的“電源開關……照明及信號”一欄，表明它對應的下方元件或電路的功能。

③原理圖中的接觸器、繼電器的線圈與受其控制的主觸頭或輔助觸點的從屬關係應按下述方法標誌：

◆在每個接觸器線圈的文字符號KM的下面畫兩條豎直線，分成左、中、右三欄，把受其控制而動作的主觸頭及輔助觸點所處的圖區號數字，按下表2左半部分規定的內容填上。對備而未用的觸頭及觸點，在相應的欄中用記號“X”標出。

◆在每個繼電器線圈的文字符號(如KT)下面畫一條豎直線，分成左、右兩欄，把受其控制而動作的觸點所處的圖區號數字，按下表右半部分規定的內容填上。同樣，對備而未用的觸點在相應的欄中用記號“X”標出。

◆原理圖中每個觸頭的文字符號下面的數字表示使其動作的線圈所處的圖區號。

表2　接觸器線圈、繼電器線圈符號下的數字標誌

<table><tbody>

接觸器線圈符號下的數字標誌

繼電器線圈符號下的數字標誌

左欄

中欄

右欄

左欄

右欄

主觸頭所處的圖區號

輔助常開（動合）觸點所處的圖區號

輔助常閉（動斷）觸點所處的圖區號

常開（動合）觸點所處的圖區號

常閉（動斷）觸點所處的圖區號

/<tbody>/<table>

二、繪製電氣原理圖

繪製電氣原理圖前，要根據任務要求確定I/O的點數，然後選擇適當的PLC模塊，再進行分配I/O口。

本例中手動功能不使用PLC和變頻器，直接由按鈕控制水泵的起動和停止，不佔用PLC的I/O口；在自動狀態下，起動和停止控制系統需佔用2個PLC的輸入點，變頻器增加、減少和故障信號輸入佔用3個PLC的輸入點，還有遠傳壓力錶的反饋信號輸入佔用1個模擬量輸入點。輸出端，KM1～KM4佔用4個PLC的輸出點，同時變頻器的啟動命令佔用1個PLC的輸出點，還有變頻器PID的給定目標值輸入佔用1模擬量輸出點。PLC分配I/O口分配如下：

表3　PLC的I/O分配表

<table><tbody>

輸 入 位

序號

位

功 能

1

I0.1

接SB5,自動時起動

2

I0.2

接SB6,自動時停止

3

I0.3

接變頻器RL1繼電器,變頻器故障切換信號

4

I0.4

接變頻器RL2繼電器,增加泵信號

5

I0.5

接變頻器RL3繼電器,減少泵信號

6

A+

接遠傳壓力錶送來的反饋信號

輸 出 位

7

Q0.1

接KM1,泵1工頻運行

8

Q0.2

接KM2,泵1變頻起動

9

Q0.3

接KM3,泵2變頻起動

10

Q0.4

接KM4,泵1工頻運行

11

Q0.5

接KA,變頻器起動

12

V0

接變頻器ADC1端，PID的給定目標值

/<tbody>/<table>

根據分配好的I/O口，再按照電路圖的繪製原則接可直接設計出電氣原理圖。要注意KM1與KM2、KM3與KM4須進行機械互鎖。

三、選擇低壓電器

低壓電器通常是指工作在交流1000V以下與直流1200V以下電路中的電器，它可以按在電氣線路中的地位，作用和動作方式分類．

按在電氣線路中的地位和作用分類：

①低壓配電電器。如刀開關、熔斷器等，主要用於低壓配電系統和動力設備中。

②低壓控制電器。如接觸器、控制繼電器等，主要用電力拖動和自動控制系統中

按動作方式分類：

①非自動切換電器。如刀開關，轉換開關等，它們是依靠外力來進行切換的。

②自動切換電器。如自動開關，接觸器等，它們是依靠本身參數的變化或外來信號自動地進行切換的。

01）刀開關的選擇

①閘刀開關。用於照明電路時可選擇額定電壓為220V，用於電動機直接起動時，可選擇額定電壓為380V。

②組合開關。根據電源種類、電壓等級、所需觸點數、接線方式進行選擇。

02）斷路器的選擇

①斷路器的額定工作電壓≥線路額定電壓。

②斷路器的額定電流≥線路計算負載電流。

03）熔斷器的選擇

①應根據使用環境和負載性質選擇適當類型的熔斷器。

②電阻性負載的短路電流保護，熔體額定電流應等於或略大幹電路工作電流。04）

主令電器的選擇

①控制按鈕主要根據使用場合、觸頭數和所需顏色選擇。

②行程開關根據動作要求和觸頭的數量選擇。

05）接觸器的選擇

①接觸器的類型。可根據被控制的電動機或負載電流類型來選擇。

②接觸器觸頭的額定電壓。大於或等於負載迴路的額定電壓。

③接觸器主觸頭的額定電流。大於或等於電動機或負載的額定電流。

06）熱繼電器的選擇

①熱繼電器的類型。對於三角形接線的重要電動機，可選用帶斷相保護裝置的熱繼電器。

②熱繼電器的額定電流。等於或稍大於電動機的額定電流．

07）時間繼電器的選擇

①時間繼電器的類型。對延時要求不高時，選用價格較低的JS7-A系列，對延時要求較高，應選JS11系列。

②延時方式。應根據控制線路的要求選擇延時方式。

08）速度繼電器的選擇

①速度繼電器的類型主要根據電動機的額定轉速選擇。

09）中間繼電器的選擇

①中間繼電器主要根據控制線路的電壓等級，所需觸頭的數量和種類、容量等要求選擇。

10）電流和電壓繼電器的選擇

①對於頻繁起動的電動機，考慮起動電流在繼電器中的發熱效應。

（三）系統控制程序編寫

一、預備知識

1）S7-200PLC使用

西門子S7—200系列PLC可通過PC/PPI電纜連接到計算機，利用計算機可直接把LAD(梯形圖)或STL（語句表）傳送到PLC的CPU中。

S7-200 PLC的控制程序可直接STEP7—Micr／WIN32編程軟件中編寫。STEP7-Micro／WIN32提供梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能塊圖(FBD)三種編輯器來創建程序，用任何一種程序編輯器編寫的程序都可以用另外一種程序編輯器來瀏覽和編輯。

2）MM440變頻器使用

MM440變頻器具有默認的工廠設置參數，具有全面而完善的控制功能。

表3表示採用基本操作面板（BOP）操作時，變頻器的工廠缺省設置值。

表3 用BOP操作時的缺省設置值

<table><tbody>

參數

說明

缺省值，歐洲（或北美）地區

P0100

運行方式，歐洲/北美

50 Hz，kW（60Hz，hp）

P0307

功率（電動機額定值）

量綱kW（Hp），取決於P0100的設定值

P0310

電動機的額定頻率

50 Hz（60 Hz）

P0311

電動機的額定速度

1395（1680）r/min (決定於變量)

P1082

最大電動機頻率

50 Hz（60 Hz）

/<tbody>/<table>

用基本操作面板(BOP)可以修改任何一個參數。修改參數的數值時，BOP有時會顯示“busy”，表明變頻器正忙於處理優先級更高的任務。

表4　 基本操作面板BOP上的按鍵

<table><tbody>

顯示、按鈕

功能

功能的說明

狀態顯示

LCD 顯示變頻器當前的設定值。

起動電動機

按此鍵起動變頻器。缺省值運行時此鍵是被封鎖的。為了使此鍵的操作有效， 應設定 P0700 = 1。

停止電動機

OFF1：按此鍵，變頻器將按選定的斜坡下降速率減速停車；缺省值運行時此鍵被封鎖；為了允許此鍵操作，應設定 P0700 = 1。

OFF2：按此鍵兩次（或一次，但時間較長）電動機將在慣性作用下自由停車。

此功能總是“使能”的。

改變電動機的轉動方向

按此鍵可以改變電動機的轉動方向。電動機的反向用負號“－”表示或用閃爍的小數點表示。缺省值運行時此鍵是被封鎖的，為了使此鍵的操作有效，應設 定 P0700 = 1。

電動機點動

在變頻器無輸出的情況下按此鍵，將使電動機起動，並按預設定的點動頻率運行。釋放此鍵時，變頻器停車。如果變頻器和電動機正在運行，按此鍵將不起作用。

功能

此鍵用於瀏覽輔助信息。

變頻器運行過程中，在顯示任何一個參數時按下此鍵並保持不動2 秒鐘，將顯示以下參數值（在變頻器運行中，從任何一個參數開始）：

1、直流回路電壓（用d表示，單位：V）

2、輸出電流（A）

3、輸出頻率（Hz）

4、輸出電壓（用O表示， 單位：V）。

5、由 P0005 選定的數值（如果 P0005 選擇顯示上述參數中的任何一個（3、4或 5），這裡將不再顯示）。

連續多次按下此鍵，將輪流顯示以上參數。

在顯示任何一個參數（rXXXX 或 PXXXX）時短時間按下此鍵，將立即跳轉到 r0000,如果需要的話，您可以接著修改其它的參數。跳轉到 r0000 後，按此 鍵將返回原來的顯示點。

在出現故障或報警的情況下，按此鍵可以將操作面板上顯示的故障或報警信息復位

訪問參數

按此鍵即可訪問參數。

增加數值

按此鍵即可增加面板上顯示的參數數值。

減少數值

按此鍵即可減少面板上顯示的參數數值.

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3）觸摸屏TP170B使用

TP170B和 S7-200 PLC 的連接使用 MPI 電纜或 DP 電纜，一頭接 OP 的 IF 1B接口， 另一頭可接 S7-200 PLC 的 0 口、1 口或連接在 EM277 上。在 Step7-Micro/WIN32 中的通訊設置：首先使用 System Block 對 S7-200 PLC 進行設置。端口0中，PLC 站地址選為 2,波特率設為 187.5kbps。

二、編寫控制程序

1）編寫PLC控制程序

編寫梯形圖時要注意基本原則和技巧：

①繼電器、定時器、計數器等器件的觸點（動合和動斷）可多次重複使用，次數不受限制。

②梯形圖的每一行都是從左邊的母線開始，線圈接在最右邊，觸點不能放在線圈的右邊。

③梯形圖程序必須符合順序執行的原則，即從左至右，從上至下地執行。

④編寫主程序和子程序時要注意參數的傳遞，儘量不要使用公共變量。

2）變頻器參數設置

要注意MM440變頻器的模擬輸入端ADC2接入反饋信號0～10V，ADC1作為給定的PID目標值通過S7-200的模擬輸出輸給定。要注意參數設置的操作步驟。

3

）觸摸屏畫面的組態

TP170B觸摸屏組態時要注意正確選擇PLC通信協議，且與PLC中系統模塊裡設置的波特率一致。

三、調試控制程序

控制程序調試時要先根據控制工藝要求編寫出調試要求，然後根據調試要求進行一一驗證控制系統是否滿足要求。先把控制器件單獨調試，然後再綜合調試。

PLC調試時，可以通過PC機在線監控和PLC上的I/O狀態燈來直接觀察。需要時可把定時器的設定值改小，以便節省調試時間。PLC的模擬輸出可直接送給電壓表，直接觀察輸出結果。

變頻器調試時，可以採用小電機或無電機調試，但須注意變頻器的缺相保護功能。給定目標值和反饋信號可直接由信號源供給，也可以通過電位器模擬給定。

觸摸屏的調試必須連接PLC，觸摸屏的電源24VDC可直接由PLC的信號電源供給。

（四）系統控制櫃安裝

一、安裝低壓電器

1）安裝前的檢查

①要全面檢查電器是否有損缺，檢查電器的銘牌及技術數據，如額定電壓、電流、操作頻率和通電持續率等，是否符合實際使用要求。

②檢查接觸器時。可用手分合接觸器的活動部分，要求動作靈活、無卡住現象。

③檢查繼電器時，需檢查繼電器的可動部分，要求動作靈活可靠。

2）電器佈局安裝

①先要按照電路圖考慮低壓電氣元件的佈局，以便使得接線最方便，連接線最短。

②刀開關和自動空氣開關安裝時，其位置一般位於控制櫃的上方。

③螺旋式熔斷器安裝時，要把熔管有指示色片的一端向上。

④接觸器安裝接線時，應注意勿使螺釘、墊圈，接線頭等零件失落，以免落入接觸器內部造成卡住或短路現象。

⑤控制繼電器安裝時，安裝螺釘不得鬆動。熱繼電器的下方不放置發熱的電器。

二、控制櫃接線

①整個控制櫃接線按從上到下的原則；每個器件的每組觸點和線圈都是上方為進線，下方為出線。

②接線時，先接控制電路線，每一控制電路線兩端都要套標碼管，且要及時寫上標號，還要壓接線耳；要求接成樹支形，不許接成網狀，不許架空連接，也不許飛線，且每接一根線就要整理好，同時用尼龍紮帶捆紮好，要接得橫平豎直、整齊美觀。

③接完控制電路線後再接主電路，主電路線不用套標碼管和標號，也不用壓接線耳，允許架空連接和飛線，要一目瞭然、整齊美觀。

④嚴格按電氣原理圖接線。若需要改變接線點時，須同時在電氣原理圖上更改並標註清楚。要做到實物接線和電氣原理圖完全對應。

（五）系統調試

一、檢查線路

①安裝好控制櫃後，要再檢查電器件有無損壞，還要檢查接線端有無少接、漏接導線。

②應檢查接線正確無誤，並儘可能檢測電路的功能是否正確。要充分利用萬用表的歐姆檔的功能，結合原理圖的特點檢測電路的部分功能。

③要重點保證貴重的電器件的接線正確，特別是PLC和變頻器須保證連接的是單相電。

二、排除故障

①發現故障，需分析原理圖的特點，確定故障所在位置，再利用萬用表的歐姆檔查找。

三、通電調試

①調試過程中須注意安全。操作開關和按鈕時，不得觸碰電器裸露可能帶電的金屬部分。且須在指導教師的監護下進行。

（六）結束語

通過本文，讓我們初步懂得了自動控制的應用領域和實際應用價值。瞭解了自動控制的元器件的選擇要求和製版要求，明白了自動控制流程和步驟。但是程序編寫和調試還需要重點練習，電路連接方面則更需要自己親自動手實驗。