基于PLC的控制变频器恒压供水系统的设计.docx
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基于PLC的控制变频器恒压供水系统的设计
第一章绪论3
1.1引言3
1.2.变频器恒压供水系统简介3
1.2.1选题的背景3
1.2.2变频恒压供水的现况4
1.2.3变频供水系统应用的范围5
1.2.4变频供水系统的发展趋势5
1.3.恒压供水的设计要求和原理6
1.3.1恒压供水的要求6
1.3.2系统的工作原理6
第二章变频恒压供水系统设计7
2.1变频器的选择7
2.1.1变频器的基本结构7
2.1.2变频器的分类7
2.1.3变频器的控制方式8
2.1.4变频器容量的选择8
2.1.5变频器的接线10
2.2传感器的选择10
2.3可编程控制器（PLC）11
2.3.1PLC的定义及特点11
2.3.2PLC的工作原理12
2.3.3PLC的选择12
2.3.4PLC的接线12
2.4电气控制系统原理图13
2.4.1主电路图13
2.4.2控制电路图14
第三章系统的程序设计16
3.1PLC控制16
3.1.1手动运行17
3.1.2自动运行17
3.2程序梯形图18
附录18
结束语23
致谢23
参考文献23
PLC控制变频器的恒压供水系统的设计
摘要：
随着电力技术的发展，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低，从而可以延长泵和阀门等器件的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，使供水实现节水、节电、节省人力并最终达到高效率的运行目的。
本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力凋节。
在经过PID运算，通过PLC控制变频器，实现闭环自动调节恒压变量供水。
运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。
关键词：
变频调速、恒压供水、PID调节、PLC
第一章绪论
1.1引言
水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。
在通常的城市及乡镇供水中，基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自来水送给用户。
但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。
随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活供水系统。
然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。
本文介绍的变频控制恒压供水系统，是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的，该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。
1.2.变频器恒压供水系统简介
1.2.1选题的背景
我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。
主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象;而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。
传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。
且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。
而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。
由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
1.2.2变频恒压供水的现况
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本SAMC公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。
它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。
这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。
艾默生电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出恒压供水专用变频器（5.5kW-22kW），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC），的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。
因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。
1.2.3变频供水系统应用的范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:
（1）小区供水变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压
站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kw以下，控制系统简单。
由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式.如希望集团（森兰变频器）推出的恒压供水专用变频器。
（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。
这类变频
器电机功率在135kw到320kw之间，电网电压通常为220V或380V。
受中小水厂
规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。
（3）大型供水厂的变频恒压供水系统
这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高压变频系统。
这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。
如利德福华的一些高压供水变频器
在本文中，研究和设计的变频器是以第一种应用范围为基础。
1.2.4变频供水系统的发展趋势
变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。
同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
1.3.恒压供水的设计要求和原理
1.3.1恒压供水的要求
根据用水量的变化（即压力的变化）自动调节系统的运行参数，在用水量变化时保持水压恒定。
1.3.2系统的工作原理
管网压力
压力给定+
-反馈值
图1恒压供水控制框图
恒压供水系统为闭环控制系统，其工作原理为：
供水的压力通过传感器采集给系统，再通过变频器的A/D转换模块将模拟量转换成数字量。
同时变频器的A／D将压力设定值转换成数字量，两个数据同时经过PID控制模块进行比较。
PID根据变频器的参数设置，进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的形式控制输出。
PID控制模块具有比较和差分的功能，供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高。
相反则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。
PLC根据水压情况一方面控制水泵变频与工频的切换，另一方面
第二章变频恒压供水系统设计
2.1变频器的选择
交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。
微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。
大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。
而交流电动机的同步转速。
式中
---同步转速，r/min；
---定子频率，Hz；
---电机的磁极对数。
而异步电动机转速
式中
---异步电机转差率，
，一般小于3%。
均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。
因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。
2.1.1变频器的基本结构
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。
变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。
其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
2.1.2变频器的分类
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
2.1.3变频器的控制方式
控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。
目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。
选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。
下表中参数供选用时参考。
表1控制方式的比较
控制方式
U/f=C控制
电压空间矢量控制
矢量控制
直接转矩控制
反馈装置
不带PG
带PG或PID调节器
不要
不带PG
带PG或编码器
速比I
<1:
40
1:
60
1:
100
1:
100
1:
1000
1:
100
起动转矩（在3Hz）
150%
150%
150%
150%
零转速时为150%
零转速时为>150%~200%
静态速度精度/%
±（0.2~0.3）
±（0.2~0.3）
±0.2
±0.2
±0.02
±0.2
适用场合
一般风机、泵类等
较高精度调速，控制
一般工业上的调速或控制
所有调速或控制
伺服拖动、高精传动、转矩控制
负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载
故选择U/f=C控制
2.1.4变频器容量的选择
变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。
变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。
1、从电流的角度：
大多数变频器容量可从三个角度表述：
额定电流、可用电动机功率和额定容量。
其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。
选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。
负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。
需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。
应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。
2、从效率的角度：
系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。
从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：
（1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。
（2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。
（3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。
（4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。
（5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。
3、从计算功率的角度：
对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：
（1）满足负载输出：
Pcn≥Pm／η（3.1）
（2）满足电动机容量：
Pcn≥√3KUeIecosφ×10-3（3.2）
（3）满足电动机电流：
Icn≥KIe（3.3）
式中Pcn为变频器容量（单位kW），Pm为负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），η为电动机效率（通常约为0．85），cosφ为电动机功率因数（通常约为0．75），k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常K约为1．05～1．1）。
根据计算所得的所需参数可以选择三菱FRA540型变频器（如图2所示），该变频器配有PID功能。
通过外部电位器作为压力给定值。
安装在管网上的压力传感器反馈来的压力信号（4~20mA）作为压力反馈至变频器的辅助输入端4端、5端。
变频器时刻跟踪管网压力与设定压力值之间的偏差变化情况。
经变频器内部PID运算，调节变频器的输出频率，改变水泵转速。
并通过PLC控制水泵工频供电与变频供电的切换，自动控制水泵运行的台数，实现闭环控制。
使水压保持恒定。
由于变频器具有内置的PID控制器，PID参数可通过在线调试，省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，因此可以选择。
2.1.5变频器的接线
管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。
X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵、减泵控制信号。
图2变频器接线图
2.2传感器的选择
压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。
该传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力-电转换。
传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。
该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3V（DC）。
图3压力传感器的接线图
2.3可编程控制器（PLC）
2.3.1PLC的定义及特点
在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），英文缩写为PC，并作如下定义：
“可编程序控制器是一种数字式电子装置。
它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。
PLC的特点如下：
1、高可靠性
（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如：
交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：
按钮行程开关接近开关传感器及变送器电磁线圈控制阀直接连接。
另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。
3、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
2.3.2PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。
PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。
全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。
当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
2.3.3PLC的选择
水泵M1、M2、M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。
控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1个输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。
系统所需的输入／输出点数量共为24个点。
本系统选用FXOS-30MR-D型PLC。
2.3.4PLC的接线
图4PLC的接线图
Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。
X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。
为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。
在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。
频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。
2.4电气控制系统原理图
电气系统控制原理图包括：
主电路图、控制电路图、硬件接线图。
2.4.1主电路图
如下图5所示为电控系统主电路图。
三台电机分别为M1、M2、M3。
接触KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器。
图5电控系统主电路
2.4.2控制电路图
如图6为电控系统控制电路图。
图中SA为手动/转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。
手动运行时，可用按钮SBl～SB8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。
对变频器R进行复位时只提供一个干触点信号，由于PM为4个输出点为一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器实行复频控制。
图6电控系统控制电路图
第三章系统的程序设计
3.1PLC控制
PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整。
工作流程如图7所示。
图7PLC程序流程图
系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。
如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。
如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。
手动模式主要是解决系统出错或器件出问题
在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。
如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。
没接到信号就保持现有的运行状态。
3.1.1手动运行
当按下SB7按钮，用手动方式。
按下SB10手动启动变频器。
当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。
为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。
可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使
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