基于PLC的变频恒压供水控制.docx

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基于PLC的变频恒压供水控制

基于PLC的变频恒压供水控制

摘要

随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。

本设计是针对居民生活用水或消防用水而设计的。

由变频器及PLC组成控制系统，调节水泵的输出流量。

电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。

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，由变频器进行压力调节。

系统通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。

运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。

关键词：

变频调速；恒压供水；PLC

绪论

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业，企业对自动化的需要。

进入20世纪80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大地推动了PLC的发展，使得PLC的功能日益增强，目前，在先进国家中，PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业，企业。

由于PLC综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平，它不但可以很容易的完成逻辑，顺序，定时，计数，数字运算，数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动化控制。

特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息，网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛的运用于众多行业。

基于PLC的变频调速恒压控制是现代供水控制系统的主要方式。

它利用PLC、传感器、电气控制设备、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使供水管网压力保持恒定。

由于具有自动化程度高、高效节能、安全卫生、维护方便等特点，在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了良好的控制效果和社会效益。

第一章PLC概述

1.1PLC的组成

通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析，PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。

由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：

有源接入、无源接入、绝缘问题、隔离问题和互相干扰问题。

输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。

输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的重要因素。

1.2PLC的定义及特点

最初，可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC。

只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。

1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：

可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。

它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。

可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。

特点如下：

（1）可靠性高。

在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。

系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。

（2）控制功能强。

PLC采用的CPU一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。

（3）体积小、重量轻、功耗低。

（4）性价比高。

（5）模块化结构，扩展能力强。

根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。

（6）维修方便，功能更灵活。

程序的修改就意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。

1.3PLC的性能指标

（1）存储容量

这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。

大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~2MB。

（2）I/O点数

I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。

I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。

它是衡量PLC性能的重要指标之一。

（3）指令的多少

它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。

限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。

（4）内部寄存器的配置和容量

它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。

（5）扩展能力

扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。

（6）特殊功能单元

特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。

典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。

1.4PLC的分类及工作原理

不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。

（1）按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。

（2）按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。

工作原理：

CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。

CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等等内容。

循环扫描有如下特点：

（1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。

（2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。

（3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。

（4）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。

在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映像寄存器中。

紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器。

在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变——输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。

1.5PLC与继电器控制系统的区别

PLC梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。

同时，信号的输入/输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。

（1）逻辑控制

继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。

另外，继电器触点数目有限，每个只有4——8对触点。

因此，灵活性和扩展性很差。

而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。

因此灵活性和扩展性都很好。

（2）工作方式

电源接通时，继电器控制电路中各个继电器都同时处于受控状态，即该吸合的都应该吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。

而在控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。

（3）可靠性和可维护性

继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。

触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。

而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。

PLC还配有自我监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。

但是在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。

第二章变频器

2.1变频器的定义

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

主要由整流（交流变直流）、滤波、再次逆变（直流变交流）、制动单元驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

2.2变频器的构成

变频器实际上就是一个逆变器。

它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行动作变为交流电。

一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。

变频器广泛用于交流电机的调速中。

变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。

变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。

因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。

一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。

（1）整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。

整流电路一般都是单独的一块整流模块.

（2）平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，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容吸收脉动电压（电流），一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。

（3）控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。

提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:

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”。

运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路

变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式

（4）逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。

从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。

2.3变频器的控制方式

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。

其控制方式经历了以下四代。

（1）U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

因此人们又研究出矢量控制变频调速。

（2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式。

以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。