基于PLC变频调速的恒压供水系统论文文档格式.docx
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由于变频器的价格比常规电气设备高，故对于群泵系统，从节省投资的角度考虑，可以采用“一拖二”或一拖三“等的驱动方式，即只用一个变频器，其额定功率按需进行变频驱动的群泵中最大的额定功率考虑。
本案例为”一拖二“的驱动方式。
（二）恒压供水调节方式
为了保持供水管道的压力恒定，使用的恒压供水控制方式以单级PID调节为主要手段，也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法。
一般情况下，PID的调节方式就能够满足恒压供水管网压力的稳定调节。
然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题。
如在系统的动态运行过程中，水泵电动机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。
通常，这些问题是通过选用优化的PID算法来解决，具体的说，最好是使用专业的智能仪表、过程控制器等。
一般来说，专业的智能仪表、过程控制器的PID调节功能要比变频器内置的PID功能强（见图2-1）。
（三）关于压力传感变送器的使用
压力传感变送器的信号是弱电信号，其传输距离通常不易太长，同时不易与强电电缆近距离并行；
传输距离太长及与强电电缆并行会使信号衰减，同时容易受干扰，不能反映真实的数据，还易出现故障。
对于较小范围的供水系统及单位供水系统等，在对供水压力的控制精度无特殊要求的情况下，常用供水母管或供水出口的压力作为反馈压力，这样做比较简单，压力传感器的信号的传输距离也不长，也便于应用；
而对于大型及整个供水管网的压力控制则选择供水管网中的多点压力或是终端压力等作为反馈压力，传输距离很长的会采用高级的信号传输系统，以保证信号的准确性；
当然，对于大型的整个供水管网的压力控制调节也不是简单的单级PID调节，这种调节会更为复杂。
三、常见的供水方式及变频恒压调节的基本原理
生产和生活中的供水方式有多种，常见的供水方式通常会设一台或多台泵；
有多台泵时会根据不同的用水量启动不同数量的泵运行，供水水压式波动的。
要保证供水质量，稳定供水出口（或管网）的压力，变频恒压供水是最好的方式之一。
变频恒压供水系统实现恒压的工作过程和原理：
安装于供水母管或主管道上的压力传感变送器将供水管网压力转换成4~20mA（0~20mA、0~10V）的标准电信号，送到PID调节器（或过程控制器、PLC、DCS等），经过运算处理后仍以标准电信号直接送到具有内置PID调节功能的变频器；
变频器根据调速的给定信号或对压力传感变送器的标准电信号进行运算处理后，决定其输出频率实现对驱动典动机的转速调节，从而实现对供水的水量及供水压力调节，最终实现了对供水管网的压力调节，即实现恒压供水。
实际应用中，除了要实现变频恒压供水系统的PID调节功能外，还需配备外围辅助电路及PLC和触摸屏控制系统，来实现切换选择等自动控制功能，以保证自动控制系统出现故障时刻通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。
图3-1控制原理示意图
水泵选择的一般性原则
1.供水系统的水泵应尽量选用先进的低噪音、节能型水泵，不可采用淘汰产品。
2.根据实际流量、扬程选泵。
考虑因磨损等原因造成水泵出力下降，可按计算所得的扬程值乘以~后选泵，应能保证水泵工作在高效区。
3.对单位及小规模的供水系统因尽量减少泵的台数，以一用一备为宜，且配小型气压罐；
当一台运行能满足要求时，则不宜采用多台泵并联方式；
若必须采用多台并联运行或大小泵搭配方式时，其型号不宜太杂，台数不宜过多，型号一般不宜超过两种，泵的扬程范围应相同；
并联运行时仍能保证每台泵在高效区范围内运行
4.对于水厂及供水规模较大的供水系统及用水不均匀，且流量变化大的供水系统，则宜采用多台水泵组合供水，群泵运行时，可按1或2台进行变频调速其余为工频恒速的方式运行。
5.同一供水系统所配水泵的扬程要相同，主供水泵之间的流量宜相同或相近，补压泵流量和主供水泵流量的流量之比以不小于1/3为宜。
6.应注意的问题：
抽水扬程越低，电机负荷越小—这是种错误的认识
四、水泵的转速与其扬程H、流量Q及功率的关系
扬程：
是指泵单位质量的液体通过泵后所获得的能量，通常称之为扬程。
用H表示。
流量：
流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量，常用的流量是体积流量，用Q表示，其单位是m3/h。
根据流体力学原理可知，当水泵的转速发生变化时，其扬程H、流量Q及水泵功率P也随之变化，他们之间有以下关系：
Q2/Q1=（n2/n1）
H2/H1=（n2/n1）2
P2/P1=（n2/n1）3
即流量Q与转速n的一次方成正比；
扬程H与转速n的平方成正比；
水泵功率P与转速n的立方成正比。
下面表1-1可较为直观的理解。
表4-1
离心水泵在不同转速（频率）下的流量、扬程及轴功率
频率f（Hz）
转速n%
流量Q%
扬程H%
轴功率P%
50
100
45
90
81
40
80
64
35
70
49
30
60
36
25
根据水泵的扬程H、流量Q及功率与水泵转速（频率）的关系式及表1-1可知改变水泵的转速就可改变水泵的功率。
五、PID控制及调节
PID控制是一种负反馈控制，它所组成的控制系统由PID控制器和被控对象组成，具有一般闭环反馈控制系统的结构，通过负反馈作用使被控系统趋于稳定。
常规PID控制系统原理框图如图5-1所示。
图5-1PID控制器原理
PID控制器综合了关于系统过去（I）、现在（P）和未来（D）三方I面的信息，对动态过程无需太多的预先知识，控制效果能够满足要求。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（f）与实际输出值灭f）构成的控制偏差
e（t）=y（t）-r（t）（5-1）
将偏差P（r）的的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential），通
过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，故称PID控制器。
其理想的控制规律为
u（t）=Kｐ［e（t）+1/T1∫e（t）dt+TDde（t）/dt］（5-2）
对上式作拉氏变换可得：
U（S）=Kｐ（E（S）+T1·
E（S）/S+TD·
SE（S））（5-3）
PID控制器的传递函数形式由式（5-4）描述。
。
G（S）=U（S）/E（S）=KP（1+1/T1S）=KP+K1/S+KDS（5-4）
式中KP一称为比例系数;
K1=T/T1一称为积分系数;
KD=TD/T一称为微分系数
T1一为积分时间常数；
TD一为微分时间常数；
PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下：
（l）比例增益部分（P）用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量．
能够快速反应系统输出偏差的变化情况。
由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。
（2）积分部分（I）表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。
只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。
因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Z，正越大，积分作用越弱，反之则越强。
然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。
（3）微分部分（D）可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。
它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特特性。
由于微分环节在系统
传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。
PID的三种作用是各自独立的，互不影响的。
改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。
显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制舰律都难以获得良好的控制性能。
如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。
一般来说，系统是使用它们的组合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。
为了更好的理解PID的工作流程，设XT为设定值，XF为系统反馈值，他们的关系见图5-2。
图5-2PID控制的基本工作过程
六、PLC、变频器控制的恒压供水系统方案
通常，生产和生活中常见的供水系统的控制并不复杂，但是对供水系统的质量及可靠性却有较为严格的要求。
根据该供水系统的设备配置情况及供水系统的特点做如下方案：
该自动供水系统的控制核心采用PLC，并配置常规电气配电控制系统。
恒压供水系统组成及主要自控设备的作用如下：
1.在主系统中配置一台变频器分别驱动两台泵，使两台均为双主回路（变频-工频）的驱动方式。
2.控制系统有压力传感器、PID调节器、压力开关、液位控制器、PLC与触摸屏及电气自动控制系统等组成。
1）压力传感器。
用来测量供水水压。
2）PID调节器。
用来实现恒压控制。
3）压力开关。
作为水泵启动后能否投入供水系统运动的信号。
4）液位控制器。
用来临视并向PLC传递供水水箱的液位信号。
PLC电气控制系统用来完成整个供水系统的自动控制。
（一）方案特点
1.该供水系统控制方案可以在原有的供水系统的基础上改造，也可以作为新建供水系统的控制方案。
2.采用PLC为控制核心，利用变频器调速，控制面板采用常规的按钮开关控制。
3.保护配置：
1）水泵电动机在工频状态运行时，受热继电器（过载）和空气断路器（短路、过电流）保护。
2）水泵电动机在变频状态运行时，受变频器（过载、短路、过电流、过电压、缺相）保护。
变频器又受空气断路器（短路、过电流）保护。
（二）变频-工频双回路恒压供水方案优点
1.具有自动调节及控制功能。
2.可设置跳跃频率避开管路的瑞振点。
3.变频系统与工频控制系统互为备用，合理利用现有设备。
4.系统保护功能完善，如电机过电流、过载、过热；
电源缺相，过、欠电压；
电机接地故障；
系统水压过高、水压过低；
管网泄漏、堵塞等。
5.可设变频、工频自动切换任务。
系统组成结构：
传感器、变频器、PLC与触摸屏及电气自动控制系统等组成。
（三）设备选型
1.可编程控制器
整个控制系统的核心是PLC，选用日本三菱Fx2n-32MR-001可编程控制器。
FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2n系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，FX2n系列三菱PLC可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
2.变频器
变频器连续调速功能是使用变频器的追踪速度模拟给定信号来改变输出频率功能，在此选择的变频器主要从其所驱动的负载特性、稳定性、品牌、价格及用户的要求几个方面来考虑，本文选用三菱型变频器。
4.其他
开关电源、继电器、接触器、变压器、断路器等设备均应选用性能稳定、质量优良的产品。
七、系统设计
（一）电动机调速方案的比较
调速系统分为直流调速系统和交流调速系统。
在本设计中选择交流水泵电机，用调速系统来改变水泵电机的转速达到恒压供水的要求。
故在此对交流调速系统进行比较选择：
1．异步电动机变级调速
异步电动机的同步转速遵从电机学的基本关系：
n0=60f/p
式中f：
电源交变频，HZ，我国为50HZ；
p：
电机定子磁极对数。
转差率s参量，其定义为
s=（n0-n）/n0
电机实际转速为
n=（60f/p）（1-s）
设定频率f不变，调节电机极对数p，即可使同步转速n0得到调节，这就是变级调速的方法。
该方法有以下特点；
它属于有级调速，即调变式调速；
要实施变级调速，必须通过外接定子绕组控制线路的切换来完成。
这种调速方式适用于绕线式异步电动
2．异步电动机串级调速
实现串级调速的方法是：
转子电路中，转子绕组电动势与外加电动势迭加，由于是正弦电动势，因此要求附加电动势也是正弦电动势并有相同的频率，要做到这一点技术难度相当大，故通过大功率整流元件将正弦电动势变为直流，而附加电动势也是直流电动势，但附加电动势是由可控硅可控整流，通过控制可控制硅开通关端时间，来调整附加电动势的平均值即控制了转子电路中的总电动势，这样通过调节总电动势来调节转子电流进而控制电动机的转速。
今年来，出现了一种高功率因数串级调速系统，它采用了方脉冲触发可控硅通断的工作方式，较好的改进了传统的串级调速系统的一些固有缺点。
这种调速方式适用于绕线式异步电机。
串级调速的优点：
调速性能好。
当电动机减速时，转子电路中的电能将通过逆变器反馈回电网，使减速过程中机械能转化成电能，无损失地送回电网。
因此，这种调速方式节能效果显著。
串级调速的缺点；
由于串级调速系统使用了较多的开关元件与电网耦合连接，系统中高次谐波窜入电网严重；
另外，系统功率因数低。
串级调速系统仅适用于绕线式异步电机。
3．异步电动机变频调速
根据方案一的公式，式中电动机定子绕组的磁极对数p一定，改变电源频率f，即可改变电动机同步转速。
异步电动机的实际转速总低于同步转速，而且随着同步转速而变化。
电源频率增加，同步转速n0增加，实际转速也增加；
电源频率下降，电机转速也下降，这种通过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速。
采用变频电源供电构成的变频调速系统是具有高效率和高性能的调速系统。
通过改变定子供电频率，电机转速可得到宽范围的无级调节。
对定子电压（或电源）以及频率按一定规律进行协调控制，可提高传动系统的运行特性。
通过控制转差率（n0-n）/n0，电机可获得较理想的快速响应特性。
一旦采用闭环控制系统，整个拖动及传动系统可获得高精度及优良的传动特性。
变频调速技术的通常意旨在：
使用变频调节器（简称变频器）去拖动电动机。
主要运行特点：
实现电动机的无级调速；
电动机的启动电流小，即实现软启动；
方便地进行加减速控制。
主要用途：
较大幅度地节约电能；
使控制传动系统自动化、高性能化；
提高生产效率，增加产量；
改进产品质量等。
（二）模拟供水系统的拟定
本系统以六层楼宇供水为例，系统设水泵两台，供水由两台主、铺泵交替循环运行、压力正常时用变频器驱动一台泵运行，压力低是用一台工频运行加一台变频运行，压力恢复正常时又切断工频只留一台变频运行、这样按照先开先停，后开后停的方式切换水泵、使水泵的寿命平衡。
用一台压力传感器来检测谁的压力，把压力信号传给变频器的内置PI来调节变频器的输出，从而改变水泵的转速来控制供水压力。
主水泵：
选择IS50-32-160A。
主要参数为：
流量Q=14m3/h，扬程H=22m；
配电动机型号Y90L-2，功率P=。
铺助水泵：
（三）主电路设计
在硬件系统设计中，采用一台变频器连接2台电动机，每台水泵电机都有变频／工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联如图（7-1）。
变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。
对于有变频／工频两种状态的电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。
所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。
图7-1主电路
（四）电气控制系统接线原理图及说明
1.端子SD、SE和5为输出信号公共端，这些端子不要接地（见图7-2）。
2.控制回路端子的接线应使用屏蔽线或双绞线，而且必须与主回路，弱电回路（含200V继电器程序回路）分开布线。
3.由于控制回路的频率信号是微小信号，所以在接点输入场合，为了防止接触不良，微小信号接点应使用两个并联接点或合用双生接点。
4.控制回路的接线建议选用0.3mm2-0.75mm2的电缆。
图7-2电气控制系统接线原理图
（五）控制流程图
图7-3控制流程
（七）输入输出元件与PLC地址对照表
为实现以PLC为主的控制系统能很好的实现自动控制，需要将现实中的外部设备与PLC中的软元件相连接，其输入输出元件与PLC得对照如表7-1所示。
（表7-1）
输入
输入I/O口
输入元件符号
输入元件说明
X0
SB1
启动前准备
X1
SB2
启动
X2
SB3
停止
X3
KH1
水泵M1故障
X4
压力下降，变频器满频率运行
X5
压力上升，变频器频率下降
X6
SB6
方式选择开关
X10
SB7
水泵M1手动工频运行
X11
SB8
水泵M2手动工频运行
X12
KH2
水泵M2故障
X13
变频器故障指令
输出
输出I/O口
输出元件符号
输出元件说明
Y0
L10
停止指示灯
Y1
KM1
准备
Y2
KM2
M1变频控制继电器
Y3
KM3
M1工频控制继电器
Y4
KM4
M2变频控制继电器
Y5
KM5
M2工频控制继电器
Y6
L8
M1手动工频指示灯
Y7
L9
M2手动工频指示灯
Y10
L0
变频器故障指示灯
Y11
L6
水泵M1故障指示灯
Y12
L7
水泵M2故障指示灯
（八）PLC程序设计
PLC是整个系统的核心，而PLC也要相应的程序驱动，该系统的程序如下：
结束语
（一）变频调速常用的闭环调节方法
用水泵的出口水压作为采样信号，转换成电量信号后送至调节调节器，调节器将该信号与设定值进行比较（PID）运算后输出一信号至变频器，决定变频器的输出频率，以达到改变水泵的转速并节能的目的。
（二）投资回报
变频系统的初次投资容易给投资者一种投资高、风险大的感觉，这主要是对变频节能效果不很了解或将变频系统的初次投资于传统的一些如液力耦合、滑叉电机、变级等调速装置的初次投资在为充分考虑节能效果及变频器功能的情况下进行比较，以及对变频器的质量、稳定性、售后服务等还不太了解；
变频节能系统（装置）在各类调速系统中使用时，其节能效果对于单台设备可做到5%-75%，在风机水泵这类设备的一般应用的节能效果中，这些均值也可做到8%-50%，在未受到其他因素影响的情况下一般可取上限节能效果平均值，是在实际应用中得到，权威性数据可由市场上公开出售的资料书查到；
通过这些数据在进行一些简单的投资回收率的计算可知：
变频节能系统（装置）的投资回收期一般为4-20个月。
采用变频-工频双回路恒压供水装置及触摸屏监控使各类供水最大限度地得到经济、稳定和持续的保障。
综合上述，采用自动化程度较高的变频恒压供水系统，不仅能够最大限度地提高整个系统效率、延长寿命、节约能源，而且灵活性好，能构成复杂的、功能强大的供水系统。
致谢
本次设计是本人在大学四年中最后一次设计，在本次设计中，我学到了很多东西——查阅资料、了解了三菱可编程控制器的工作原理及应用方法、对PROTEL软件的使用、对硬件的设计以及对PLC的编程等方面都有了很大的提高，这对我的学习实践能力也得到了锻炼，对今后我的工作学习有很大的帮助。
几经易稿，论文近日终于得以顺利完成，在论文收集资料的过程以及软、硬件的设计过程中我得到了许多领导、老师和同学的关心、帮助和支持，在此表示我忠心的感谢！
特别是得
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