基于PLC控制的变频调速恒压供水系统设计论文.docx

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基于PLC控制的变频调速恒压供水系统设计论文

摘要

随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而设计的。

由变频器、PLC、PID调节器和组成控制系统，调节水泵的输出流量。

电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，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，由变频器进行压力凋节。

在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，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

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofsocialeconomy；itdemandsthebetterofwatersupply'squalityandreliabilityofwatersupplysystem.Meanwhileenergyresourcesareseriouslylack.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell，withhelpofadvancedtechniqueofautomation，controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadaptdifferentwatersupplyfields.

ItisveryimportantoftheWaterSupplySysteminConstantPressureforthewatersupplyinindustrialandcitizenexistence.Itisconsistofthevariablefrequencyandspeedregulation，PLC，PIDcontrolsystemforthecontrolsystem.Itcontrolstheoutcomeofthepumps.Thegeneratorpumpsareconsistofparallelthreepumps，andthepowercomefromvariablefrequencyandspeedregulationorpowergrid.Accordingtothewatersupplyofconstantpressure’soutcomewaterpressandflux，thecontrolsystemcontrolthevariablefrequencyandspeedregulation，parallelpumps’speedandcutover，causethesystemmoveinthebestrationalsituation，assureaccordingtowantssupplywater.Thisdesignhasmanymeritssuchassaveenergy.

Inthispaper，thecontrolprincipleofVVVFproviding-watersystemisintroduced，weusePLCtocarryonlogiccontrolanduseinvertertomodulatepressure．ThroughPIDcontrolprinciple.werealizeClosed-loopcontrolinVVVFProviding-waterSystem．Theresultindicatesthatthesystemhasthestablepressure，simplestructure，andreliablework．

Keywords：

variablefrequencyandspeedregulation；watersupplyofconstantpressure；PIDcontrolsystem；PLC

1绪论

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。

把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.1变频恒压供水产生的背景和意义

众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，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，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。

在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。

以下就逐一分析。

1、一台恒速泵直接供水系统

这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。

这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。

这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。

2、恒速泵加水塔的供水方式

这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。

水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。

水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。

水泵处于断续工作状态中。

这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。

这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。

供水压力比较稳定。

但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。

而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。

3、恒速泵加高位水箱的供水方式

这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。

高层建筑还可分层设立水箱。

占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。

一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。

水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。

4、恒速泵加气压罐供水方式

这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。

罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。

而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。

但气压罐供水方式也存在着许多缺点。

气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。

当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。

同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。

频繁启动会造成系统的不稳定性。

5、变频调速供水方式

这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。

使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。

变频调速式供水系统具有节约能源、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变频恒压供水系统的国内研究现状

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。

1.3课题来源及本文的主要研究内容

1、课题来源

本课题来源于生产、生活供水的实际应用。

2、研究的主要内容

本系统是三泵生活/消防双恒压供水系统，变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、压力传感器组成。

本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。

该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。

1.4本论文中所做的工作

根据系统要求，设计出满足要求的恒压供水系统，对PLC、变频器、压力传感器进行选型，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路和控制程序。

2恒压供水系统的基本构成

恒压供水泵站一般需没多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。

配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的．电机选小了用水量大时供水会不足。

而且水泵与电机都有维修的时候，备用是必要的。

恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。

这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。

另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。

其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。

图2-1为恒压供水系统构成示意图。

图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。

当用水量大时，水压降低：

用水量小

时，水压升高。

水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。

图2-1恒压供水系统示意图

Fig2-1Constantpressurewatersupplysystemschematicdrawing

调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：

（1）设定水管压力的给定值。

恒压供水水压的高低依需要设定。

供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。

给定值即是系统正常工作时的恒压值。

另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。

也有的调节器以模拟量方式设定。

（2）接收传感器送来的管网水压的实测值。

管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。

（3）根据结定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。

调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与结定值比较，得到给定值与实测值之差。

如给定位大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速．如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。

这些都由调节器的输出信号控制。

为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节器。

调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的。

PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。

调节器的输出信号一般是模拟信号，4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号。

信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。

在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。

3变频器和压力传感器

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。

3.1变频器的基本结构

从频率变换的形式来说．变频器分为交-交和交-直-交两种形式。

交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。

而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。

然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电．又称间接式变频器。

市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图3-1所示，

图3-1交-直-交变频器的基本结构

Fig3-1ThebasicstructureofTAC-straight-Cycloconverter

由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：

（1）整流器。

电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。

（2）直流中间电路。

直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。

由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。

无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。

因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。

这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。

所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。

（3）逆变器。

负载侧的变流器为逆变器。

逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。

逆变电路的输出就是变频器的输出。

（4）控制电路。

变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。

其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。

控制电路是变频器的核心部分．性能的优劣决定了变频搏的性能。

一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成．直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。

为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路。

逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。

有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。

现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障。

图3-2为电流型变频器主电路基本结构示意图。

图3-2电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构

（a）电压型变频器主电路；（b）电流型变频器主电路

Fig2-3Voltagefrequencychangerandcurrent

modefrequencychangermaincircuitbasicstructure

（a）voltagefrequencychangermaincircuit；

（b）currentmodefrequencychangermaincircuit

3.2变频器的分类及工作原理

变频器的较详细的工作原理还与变频器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下：

（1）

控制。

控制即电压与频率成比例变化控制。

由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电动机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。

控制由于忽略了电动机漏阻抗的作用，在低频段工作特性不理想。

因而实际变频器中采用

控制。

采用

控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。

（2）转差频率控制。

转差频率控制是在

控制基础上增加转差控制的一种控制方式。

从电动机的转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。

更重要的是，在

=常数的条件下，通过对转差率的控制，可以实现对电机转矩的控制。

采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。

（3）矢量控制。

矢量控制是受调速性能优良的直流电动机磁场电流及转矩电流可分别控制启发而设计的一种控制方式。

矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。

采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。

通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。

普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能性负载。

3.3变频器的操作方式及使用

和PLC一样，变频器是一种可编程的电气设备。

在变频器接入电路工作前，要根据通用变频器的实际应用修定变频器的功能码。

功能码一般有数十甚至上百条，涉及调速操作端口指定、频率变化范围、力矩控制、系统保护等各个方面。

功能码在出厂时已按默认值存储。

修订是为了使变频器的性能与实际工作任务更加匹配。

变频器与外界交换信息的接口很多，除了主电路的输入与输出接线端外，控制电路还设有许多输入输出端子，另有通信接口及一个操作面板，功能码的修订一般就通过操作面板完成。

变频器的输出频率控制有以下几种方式：

（1）操作面板控制方式。

这是通过操作面板上的按钮手动设置输出频率的一种操作方式。

具体操作又有两种方法，一个按面板上频率上升或频率下降的按钮调节输出频率，另一个方法是通过直接设定频率数值调节输出频率。

（2）外输入端子数字量频率选择操作方式。

变频器常设有多段频率选择功能。

各段频率值通过功能码设定，频率段的选择通过外部端子选择。

变频器通常在控制端子中设置一些控制端，如图4端子X1、X2、X3，他们的7种组合课选定7种工作频率值。

这些端子的接通组合可通过机外设备，如PLC控制实现。

（3）外输入端子模拟量频率选择操作方式。

为了方便与输出量为模拟电流或电压的调节器、控制器的连接，变频器还设有模拟量输入中的端，如图3-4中的C1端为电流输入端，端为电压输入端，当接在这些端口上的电流或电压量在一定范围内平滑变化时，变频器的输出频率在一定范围内平滑变化。

（4）通信数字量操作方式。

为了方便与网络接口，变频器一般都设有网络接口，都可以通过通信方式接收频率控制指令，不少变频器生产厂家还为自己的变频器与PLC通信设计了专用的协议。

3.4变频器硬件选择

根据设计要求，变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品。

该产品可以和三菱PLC工作协调。

变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品，适配电机15kW，该变频器基本配置中带有PID功能。

通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号（0～10V）接至变频器的辅助输入端FI、FC，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上。

M1、M2为变频器的极限输出频率的检测输出信号端，该信号进PLC，作为泵变频与工频切换的控制信息之一，变频器的极限输出频率通过面板可以设定。

MA、MC为变频器发生故障的输出信号，该两端连接信号灯，以显示变频器故障，变频器面板上有故障复位按键，轻故障用复位按键复位，可重新启动变频器。

S1和S2短接，并与S3连接到PLC的输出点上，由PLC控制变频器的运行与关断；U、V、W输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器线包连接到PLC的四个输出点上，由PLC控制其工频、变频切换工作。

通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值（14端），压力传感器反馈来的压力信号（0～10V）接至变频器端子的7端、8端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。

变频器端子的19端和20端是传感器压力设定的上、下限值，该信号进PLC，作为工频切换的控制信息，由PLC控制水泵的工频或变频运行。

变频控制系统主回路如图6-2所示。

变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。

下图3-3为日本安川变频器CIMR-P5A45P5在电路中的接线图。

图3-3日本安川变频器CIMR-P5A45P5在电路中的接线图

Fig3-3Japan'sconverterCIMR-P5A45P5