第3章 系统硬件设计
第3章 系统硬件设计
3.1 系统主要设备选型
3.1.1简介PLC
可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一[10]。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。
3.1.2 PLC的特点
现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：
1）编程方法简单易学 2）功能强，性能价格比高
15
燕山大学本科生毕业设计（论文）
3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 4）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强 5）系统的设计、安装、调试工作量少
6）维修工作量小，维修方便 7）体积小，能耗低[11]。
3.1.3 PLC的选型
恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计如表3-1所示
表3-1 I/O统计表
输入器件 输入点 X1 X2 X3 X4 X5 CH1 CH2 符号 SB0 SBT FR1 FR2 FR3 CH1 CH2 名称 启动 停止 1#水泵故障 2#水泵故障 3#水泵故障 压力变送器信号 变频器信号 输出点 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 符号 AU KA KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KA 输出器件 名称 变频器控制信号 变频器启动控制 1#泵变频 1#泵工频 2#泵变频 2#泵工频 3#泵变频 3#泵工频 报警器 目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几个方面： （1）规模要适当；
（2）功能要相当，结构要合理；
16
第3章 系统硬件设计
（3）输入，输出功能及负载能力的选择要正确； （4）要考虑环境条件[12]。
采用三菱FX2N系列PLC可编程控制器，采用FX2N-2AD作为PLC的模拟量输入模块。PLC是泵组电机管理的执行设备，根据采样的模拟量频率值和管网水压值，自动调整工频泵和变频泵的运行台数；同时PLC还是变频器的驱动控制。
3.1.4 变频器选型
通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等[10]。变频器的主要构成如图3-1所示：
1、主电路
给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。
图3-1 变频器的构成
17
燕山大学本科生毕业设计（论文）
（1）整流器
最近大量使用的是二极管的整流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器
逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。
（4）制动回路
异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。
2、控制电路
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。
控制电路主要包括： （1）运算电路
将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，
18