多泵组变频供水控制器的设计

摘 要恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行 优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到 稳定供水压力和节约电能的目的。系统的优点是启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等使用寿命；可以消除启动和停机时的水锤效应。本文介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统能够根据运行负荷的变化自动调节供水系统水泵的数量和转速，不仅实现了变频恒压供水，并使整个系 统始终保持高效节能的最佳状态。文中详细介绍了系统的控制原理及硬件电路。关键词： 变频器，恒压供水系统， PLC1Multi-Pump and Frequency of water supply controllerDesignAbstractThis paper introduces a constant pressure water supple system. It can regulate aut-omatically the quantity and rotational speed of the water pump with the variation of the load. The controlling principle and the hardware circuit are presented in detail.The basic control strategy of the control system of constant pressure of water supply is: install the control system with motor speed adjustment and programmable logic controller (PLC), it carries out optimization control pump organization of the operation of speed adjustment, and adjusts the number of running pumps, completes pressure of water supply closed-loop control system, reaches the steady pressure of water supply in the changing of rate of flow in the pipe net and the purpose of economizing electrical energy. The control goal of system is the effluent pressure of pump station. The systems advantage is that starting steadily, the starting current may be restricted within specified current, so avoided the impact of electrical network when it starts; because the average rotational speed of pump is reduced, may prolong the using of pump and valve etc.; may eliminate water hammer effect when starts and stops machines.Key words:Inverter, Constant pressure water supply system , PLC2目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 变频调速供水的目的和意义 .11.3 变频调速技术的特点及应用 .11.4 可编程序控制器的应用 .22 变频供水器控制系统的设计 .32.1 变频器的节能、调速原理 .32.2 变频器控制方式的选择 .32.2.1 电压空间矢量（SVPWM）控制方式 .42.2.2 矢量控制（VC）方式 .42.2.3 直接转矩控制（DTC）方式 .42.2.4 矩阵式交交控制方式 .52.3 变频供水器的设计方案 .52.4 变频供水器的工作原理 .63 变频供水控制器的硬件设计 .63.1 主电路设计 .63.2 控制电路的设计 .73.3 PLC 的配置 .83.3.1 EM235 模拟量工作单元性能指标 .103.3.2 EM235 的安装使用 .113.3.3 EM235 工作程序编制 .114 PLC 的设计 .124.1 PLC 的编 程语言 .124.2 PLC 的编 程结构功能图 .124.3 梯形图编程语言 .134.4 控制系统的主程序设置 .145 结束语 .错误！未定义书签。致谢 .15参考文献 .16附录 1 变频供水系统梯形图主程序 .17附录 2 变频供水系统梯形图子程序 .2331 绪论1.1 引言随着变频调速技术的发展和人们对生活用水要求的不断提高，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消防供水系统。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 变频调速恒压供水的目的和意义用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压 力大。保持供水 压力的恒定，可使供水和用水之 间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的 质量。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压 力不足或短时断水，可能影响产品质量， 严重时使产品报废和设备损坏。又如发 生火灾时，若供水 压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损 失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒 压供水系统，具有较大的经济和社会意义。随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，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了，从而可延长泵和阀门等 东西的使用寿命；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，将使供水实现节水、 节电、节省人力，最 终达到高效率的运行目的。1.3 变频调速技术的特点及应用通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用 变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过 PID 运算自 动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最 终达到4管网恒压的目的，就一个闭环回路， 较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的 发展方向，比如 NKL-A 系列恒压供水控制系统就可实现一变频器控制任意数马达的功能。1.4 可编程序控制器的应用目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺 、交通运输、 环保及文化娱乐等各个行业 ，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）开关量的逻辑控这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代 传统 的继电器电路，实现逻辑控制、顺 序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自 动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制在工业生产过程当中，有 许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可 编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog ）和数字量（Digital ）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和D/A 转换模块，使可编程控制器用于模 拟量控制。（3）运动控制PLC 可以用于 圆周运动 或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可 驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC 厂家的产 品几乎都有运 动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制是指对温度、 压力、流量等模 拟量的闭环 控制。作 为工业控制计算机，PLC 能编制各种各 样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前 许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处 理、 锅 炉控制等场合有非常广泛的应用。（5）数据处理现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、 逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查 表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据 处 理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工 业中5的一些大型控制系统。（6）通信及联网PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间 的通信。随着 计算机控制的发展，工厂自动化网络发 展得很快，各 PLC 厂商都十分重 视 PLC 的通信功能，纷纷 推出各自的网络系 统。新近生 产的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。2 可编程变频恒压供水控制系统的设计2.1 变频器的节能、调速原理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，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。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超 过实际需要，又因工 艺的需要，往往运行中要改变风 量、水量，而目前多数采用档板或 阀门来调节的，虽然方法简单，但实质是人为 增加阻力的办法。因此浪费大量电能，属不 经济的调节方式。从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与 电机转速及电机功率的关系如下：当风机转速下降时，电动 机的功率迅速降低，例风量下降到 80， 转速亦下降到 80时，则轴功率下降到额定的 51，若 风量下降到 50， 轴功率将下降到额定的 13，其节电潜力非常大，采用变频器调 速方式有很强的节电效果，其节电可达 30-40效果十分明显 15。2.2 变频器控制方式的选择低压通用变频输出电压为 380650V，输出功率为 0.75400kW，工作频率为 0400Hz ，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。2.1U/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6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。2.2.1 电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是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。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时 定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高 动态的精度和稳定度。但控制电 路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系 统性能没有得到根本改善。2.2.2 矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1 相当于直流电动机的励磁电流；It1 相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换， 实现对异步电动机的控制。其实质是将交流 电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量 进行独立控制。通 过控制 转子磁链，然后分解定子 电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换， 实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际 的控制效果难以达到理想分析的结果。2.2.3 直接转矩控制（DTC）方式1985 年，德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接 转矩控制变频技术。该技 术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、 简洁明了的系统结构、优良的 动静态性能得到了迅速发展。目前， 该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流 电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。72.2.4 矩阵式交交控制方式VVVF 变频、矢量控制 变频 、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩 阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交 交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现 功率因数为 l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前 虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其 实质不是间接的控制电流、磁链 等量，而是把 转矩直接作 为被控制量来实现的。矩 阵式交交变频具有快速的转矩响应（=D VD212 +50VD250I0.0 =DVD208网络 5 符合泵条件时，工 频泵运行数加 1T37 VB301 B P （ ） 0 VB301 VB301网络 8 变频泵增泵或倒泵时，置位 M2.0M0.1 M2.0（ ） M0.3 网络 9 复位变频器频率，为软 启动做准备 T 33M2.0 Q0.5 +1（ ）网络 10 产生关断当前变频泵脉冲信号.（）网络 工频泵数加.（）网络 12 T34M2.1 +2网络 13 产生当前泵工频启动脉冲信号IN TONPTDEC-BEN ENOIN OUTIN TONPTNC-BEN ENOIN OUTIN TONPT21T34 M0.5P （ ）M2.1（R ）1网络 14 M0.5 M2.2 （ S ）网络 15 M2.2 T39+30网络 16 产生下一台泵变频运行启动信号T39 M0.6P （ ）M2.2（ R ）M2（ R ）网络 17 变频工作泵的泵号转移VB300B 3 1 VB300网络 18 一个变频泵运行的持续时间判断VB301 SM0.4=B P0 VD301 VD310网络 19 3H 时间到，则产生下一台泵的变频启动信号VD301 M0.3=D P （ ）+180+0 VD301 IN TONPTMOV-BEN ENOIN OUTINCDWEN ENOIN OUTMOV-BEN ENOIN OUT22网络 20 有工频泵运行时，复位 VD310VB301B0+0 VD310网络 21 1 号泵变频运行控制逻辑SM0.1 VB300 M3.0 M0.4 Q0.0 Q0.1 =B （ ）M0.0 1M0.6Q0.1网络 22 2 号泵变频运行逻辑M0.6 VB300 M3.0 M0.4 Q0.2 Q0.3=B （ ）Q0.3网络 23 3 号泵变频运行控制逻辑M0.6 VB300 M3.0 M0.4 Q0.4 Q0.5=B （ ）2Q0.5网络 24 4 号泵变频运行控制逻辑M0.6 VB300 M3.0 M0.4 Q0.6 Q0.7=B （ ）2Q0.7网络 25 1 号泵工频运行控制逻辑.M0.5 VB300 VB301 Q0.1 Q0.0=B B ( ）3 0Q0.0 VB300 VB301=B B4 1网络 26 2 号泵工频运行控制逻辑.M0.5 VB300 VB301 Q0.3 Q0.2=B B ( ）MOVDWEN ENOIN OUT234 0Q0.2 VB300 VB301=B B2 1网络 27 3