基于PLC变频恒压供水系统的设计

摘要随着我国社会经济的开展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，城市中各类小区建设开展十分迅速，同时也对小区的根底设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作，也直接表达了小区物业管理水平的上下。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。本论文针对兰州某住宅小区的供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有全自动变频恒压运行、自开工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。并和计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。基于水泵供水流量和水泵转速的三次方成正比，论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。关键字：变频器；恒压供水；PLCABSTRACTWiththedevelopmentofoursocialeconomy,housingsystemreform,peoplelivingstandardriseceaselessly,thecityofallkindsofcommunityconstructionisdevelopingveryrapidly,andalsotothevillageofinfrastructureconstructionputforwardhigherrequest.Residentialwatersupplysystemofconstructionisoneoftheimportantaspectsofeconomy,watersupply,reliabilityandstabilitydirectlyaffectthevillageresident'snormallifeandwork,alsoreflectsresidentialpropertymanagementlevel.Thetraditionalconstantspeedpumppressurizedwatersupply,watersupply,highpressurewatertowertankwatertankwaterwaygenerallyvaryingdegreesofexistenceefficiencyislow,thepoorreliability,automationdegreenothighershortcomings,tomeettheneedsofthecurrenteconomiclife.Thisthesisaimstolanzhouaresidentialareaofwaterrequirement,designasetofbyPLC,frequencyconverter,fareastonpressuregauge,manysetsofpumpunit,computer,communicationmoduleofmainequipmentstructureofautomaticfrequencyconstantpressurewatersupplyandremotemonitoringsystem,withautomaticfrequencyconstantpressureoperation,sincethestartfrequencyoperation,remotemanualcontrol,andfieldmanualcontroletc.Function.Systemcaneffectivelysolvethetraditionalwayofwatersupplyproblemsinit,andhasavarietyofauxiliaryfunction,increasethereliabilityofsystem.Andthecomputertorealizetheorganicunion,andtopromotetheoverallperformanceofthesystem.Basedonthewaterpumpwaterflowandpumprotationspeedisproportionaltothesquareofthethreetimes,thispaperanalyzestheadoptinvertermeanstorealizeconstantpressurewatersupplyvalvecontrolcomparedtothetraditionalwayofconstantpressurewatersupplyenergy-savingmechanism.Keywords:Inverter,Constantpressurewatersupply,PLC目录摘要IABSTRACTII第一章引言-3-§1.1基于PLC的变频恒压供水系统的设计-3-§1.2供水系统的定义、构成及分类-2-第二章方案拟定-3-§2.1供水流程-3-§2.2变频恒压供水控制方式的选择-4-§2.3变频供水系统-6-§2.4变频恒压供水系统的构成-7-§2.5变频恒压供水系统的工作原理-9-§2.6主电路-10-第三章相关器件的介绍及接线-11-§3.1变频器-11-变频器的工作原理-12-变频器的作用及特点-13-变频器的接线及选型-13-§3.2压力传感器的接线图-15-§3.3原件表-16-§3.4可编程控制器PLC-18-§3.4.1PLC的特点及开展-19-§3.4.2PLC的选型及接线-20-§3.4.3PLC的控制-21-第四章PLC的编程-23-§4.1总程序的设计-23-§4.2程序梯形图-26-结束语-32-参考文献-33-致谢-34-第一章引言§1.1基于PLC的变频恒压供水系统的设计随着变频调速技术的开展和人们节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统。恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总能保持网管中水压的根本恒定。变频恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使管网压力保持恒定，代替了传统的水塔供水控制方案，具有自动化程度高，高效节能的优点，在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了明显的经济效益。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低本钱、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不管是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比较的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向开展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。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、生产实践中。所以我们设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统,具有全自动变频恒压运行、自开工频运行、远程手动控制和现场手动控制等功能。§1.2供水系统的定义、构成及分类供水系统又称为供水设备，是为解决由于压力缺乏，无法到达用户用水的高度或流量，而专门研发设计的新型环保节能的专业设备。供水系统一般由水泵机组，变频控制柜，隔膜压力罐，压力传感器和一些辅件构成。但由于不同的类型，也会使用一些特殊的设备，如：无负压变频供水设备会用到无负压稳流罐；无塔变频供水设备会用到液位传感器……由于构成的不同，价格也不近相同。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。水塔式供水方式：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，水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电，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。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.变频调速水泵调速控制方式有三种:水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。第二章方案拟定§2.1供水流程此次设计研究的对象是兰州某住宅小区的供水要求，由于高层用户对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。如图2.1所示，是这栋楼的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供应每一个用户。开关开关水泵组开关用户用水水池图2.1供水流程简图§2.2变频恒压供水控制方式的选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有逻辑电子电路控制方式、单片微机电路控制方式、带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式、新型变频调速供水设备。逻辑电子电路控制方式：这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其本钱较低。单片微机电路控制方式：这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式：该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反应信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种方法是将压力设定信号和压力反应信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的本钱。假设采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，那么要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的本钱没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其本钱也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备本钱的一个关键环节。新型变频调速供水设备：针对传统的变频调速供水设备的缺乏之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切换卡；SANKEN的SAMCO—I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；富士公司的GIIS／PIIS系列产品；等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就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，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产本钱，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反应信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反应信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。如图2.2所示。开关开关水泵组开关用户用水水池PLC变频器压力传感器图2.2供水系统方案图§2.3变频供水系统变频供水系统原理：智能型管网接力升压〔无负压〕设备可根据用户需求设定用户供水压力，如果管网供水压力高于设定压力时，水泵机组处于停机状态，自来水可通过连通管路直接对用户供水。当市政管网供水压力低于设定压力时，设备自动进入接力升压工作状态，机组通过压力传感器，水泵及恒压变频控制柜组成闭环控制系统，随着用水量的变化，不断调整水泵转速及投入运行的水泵台数，以保持供水压力恒定。流量调节器是密封容器，在供水管网能满足供水要求时，此设备作为供水管网与供水设备之间的缓冲装置，以消除水泵机组对管网的脉动影响。在供水管网供水量缺乏时，作为流量调节装置，以缓解管网用水顶峰时的流量缺乏。管网保护器安装在流量调节器上，当罐内压力较外界压力高时，管网保护器关闭，水泵机组叠加市政管网原有压力进行恒压供水；当罐内压力与外界平衡时，管网保护器翻开与外界相通，防止了负压的形成，保证市政管网平安及其它用户正常供水。供水管网停水时，设备自动停止运行，管网恢复供水自动开机。停电时，水泵机组停止工作，自来水可通过连通管直接进人用户管网，来电时机组自动开机恢复正常供水。§2.4变频恒压供水系统的构成如图2.3所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及假设干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反应0～5V电压信号)或压力变送器(反应4～20mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。PPLC切换逻辑变频器控制面板123用户管网压力传感器图2.3系统原理图从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面以及报警装置等局部组成。(1)执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图2.3中的3个水泵分为二种类型:调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力缺乏时，对供水量进行定量的补充。(2)信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:①水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反应信号。②报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。(3)控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个局部。①供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。②变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。(4)人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。(5)通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成局部，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。(6)报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成局部。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统平安、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。§2.5变频恒压供水系统的工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC那么根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率到达频率上限值，并保持一段时间，那么PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程：假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率到达上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没到达预置值，那么需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。如果还没到达设定值，那么继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率到达下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，那么将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，那么停机并启动辅泵投入调速运行，从而到达节能效果。§2.6主电路工频电工频电QSRST变频器UVW变频电KM1KM0KM2KM3KM4KM5KM6图2.4主电路接线图如图2.4为主电路接线图，电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器〔FU〕是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。第三章相关器件的介绍及接线§3.1变频器变频器的英文译名是VFD〔Variable-frequencyDrive〕，这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF〔VariableVoltageVariableFrequencyInverter〕。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，能实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流过压过载保护等功能。§3.1.1变频器的工作原理1概述主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换局部，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三局部构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器〞，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路〞，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器〞。2整流器最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。3平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，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〕。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。4逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电〔电压、频率可调〕的主电路提供控制信号的回路，它有频率、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〞，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路〞，以及逆变器和电动机的“保护电路〞组成。〔1〕运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。〔2〕电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。〔3〕驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。〔4〕速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。〔5〕保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。§变频器的作用及特点变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，到达平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大局部原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术开展到新阶段。变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。变频恒压供水系统主要有以下几个特点:1．节能：变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%—60%，这一特点已被广阔用户所认识并带来效益。2．占地面积小，投人少，效率高：设备结构紧凑占地面积少维护方便维护费用低投资省安装快如仅供几栋居民楼生活用水的小型供水设备在楼梯间楼梯下几平方米的地方即可安装。3．配置灵活，功能齐全，自动化程度高。4．由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，大大降低水质污染的可能性：众所周知南方气候炎热潮湿细菌和微生物极易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生红虫必须定期清洗改用变频调速恒压供水设备后只需一个低位水箱原来也有将水质污染降到最低限度。5．通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力。§3.1.3变频器的接线及选型变频器的接线管脚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。 Y7 Y7COMSTFSTRRTSD10254FUOLSEX2X3COM0~24V直流电源压力传感器图3.1变频器接线图变频器的选型电动机电动机PU接口〔RS-485〕模拟信号公共端接地短路片三相交流电源直流24V输出和外部晶体管公共端子正转起动反转起动起动自保持选择高速中速低速多段速度选择点动模式第二加/减速时间选择输出停止复位电流输入选择瞬时掉电再起动选择〔漏型输入公共端〕控制回路输入信号〔无电源输入〕频率设定信号〔模拟〕短路片当用FR-BEL时请卸掉此短路片短路片当用FR-ABR时请卸掉此短路片注：端子PR，PX在0.4~7.5KW中装有异常输出运行频率到达瞬时停电过负荷频率检测集电极开路输出公共端指示仪表〔＋〕〔－〕公共端辅助输入电源输入123频率设定电位器图3.2FR-A540的管脚说明根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如图3.2§3.2压力传感器的接线图压力传感器使用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〔DC4545变频器024V直流电源压力传感器图3..3压力传感器的接线图§3.3原件表水泵：M1、M2选用40-160(I)A型，M3选用40-160(I)型，参数见表3.1。I1=P/U=2200/380≈5.8AI2=P/U=3000/380≈7.9A热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流5－8A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为6－9熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY3—11型，其主要技术参数为：UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。元件符号型号个数可编程控制器PLCFXos-30MR-D1变频器FR-A540系列5.5型1接触器KMSC-E03-C7水泵M1,M240-160(I)A2M340-160(I)1闸刀开关QSHD11-100/181熔断器FU1，FU2RT186A2FU3RT188A1热继电器FR1FR2TK-E02T-C2FR3K-E02U-C1按钮SBLAY3—1110表3.1元件表总图水泵符号型号流量(m3/h)扬程

(m)转速

(r/min)电机功率

(kw)M1,M240-160(I)A112829002.2M340-160(I)12.53229003.0表3.2水泵的参数变频器适用电机容量〔KW)输出额定容量(KVA)输出额定电流〔A〕过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-A540系列5.5型〔三菱〕5.59.112150%60s,200%0.5s(反时限特性)3相，380V至480V50Hz/60Hz强制风冷表3.3变频器的参数§3.4可编程控制器PLC可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的开展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了防止与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。可编程控制器是一种带有指令存储器和数字或模拟I/O接口,以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机械或生产过程的自动控制装置。电源模块电源模块CPU模块存储器模块输入模块输出模块控制对象通信模块智能模块操作模块编程器图3.4PLC的硬件结构框图§3.4.1PLC的特点及开展PLC的特点：1编程简单PLC的的根本指令不多，常用于编程的梯形图与传统的继电器接触控制线路图有许多相似之处，编程的使用简便，对程序进行增减、修改和运行监视很方便。2可靠性高PLC是专门为工业控制而设计的，在设计与制造过程中均采用了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施，因此可靠性高。3通用性好。4功能强PLC具有很强的功能，能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D与D/A转换、数据处理和通信联网等功能。5使用方便PLC体积小，重量轻，便于安装。6设计、施工和调试周期短。PLC的产生及开展：随着社会的开展，科技的进步，新的控制器件及其控制系统不断涌现。1968年美国通用汽车公司公开招标研制功能更强，使用更方便，价格廉价，可靠性更高的新型控制器。一年后美国数字设备公司根据GM公司的招标要求,研制成功世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。这就较好的把继电接触控制简单易懂，使用方便、价格低等优点与计算机功能完善、灵活性强、通用性好的优点结合起来，并将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想逐渐变成现实。当时人们把这第一台可编程控制器叫做逻辑控制器PLC，只是用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻辑、定时、计数等较少功能。§3.4.2PLC的选型及接线PLC的选型水泵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。PLC的接线COMX0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12COMX0X1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15X16FXos-30MR-DCOMY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10图3.5PLC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。§3.4.3PLC的控制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3.6所示。开始开始是否要自动运行？起动/保持起动变频器/保持现有的运行状态是否手动运行模式根据输入按钮执行相应操作是否收到频率下限？是否收到频率上限？执行减泵程序执行增泵程序供水压力过高需要减少水泵的工作数量供水压力过低需要增加水泵的工作数量是是否否图3.6PLC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那么进行手动操作，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，那么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，那么执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，那么执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。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用。2自动运行由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制。升压控制：系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态。系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力到达设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态。当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速。当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行；同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压到达设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率到达工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率到达工频，压力仍未到达设定值时，控制系统就会发出故障报警。降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新到达设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。第四章PLC的编程§4.1总程序的设计总程序的顺序功能图：系统分为自动运行和手动运行两局部M8002M8002否图4.1总程序的顺序功能图自动运行顺序功能图按下SB8按钮，系统进入自动运行模式，顺序功能图如4.2所示。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。系统起动时，KM1闭合，#1泵以变频方式运行。当变频器的运行频率超出一个上限信号后，PLC通过这个上限信号后将1#水泵有变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。如果再次接收到变频器上限信号，那么KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。如果变频器频率偏低，即压力过高，输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。再次接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。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。在同是控制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。M8002M8002否图4.2自动运行顺序功能图手动模式顺序功能图当按下SB9按钮，系统进入手动运行模式。系统的每步动作都必须有相应的操作。顺序功能图如图4.3所示。按下按钮SB9之后，启动了变频器，系统进入手动运行模式。当用户按下SBn〔n=1，3，5〕三台电机分别处于工频运行，当用户按下SBn〔n=2，4，6〕三台电机分别处于变频运行。可以多台电机于不同的频率工作，但一台电机只能以一种频率下工作。〔如#1电机，如果控制它工作的SB1,SB2按钮被同时按下那么发出警报且电机无法起动。〕M8002M8002否图4.3手动运行顺序功能图§4.2程序梯形图自动运行局部。SETM0SETM0M8002X015M0X000CJP0RSTM0SETM2SETM7SETM8起动1#泵按下起动按钮，系统检测采用那种运行模式。如果按钮SB7没按，那么使用自动运行模式。变频起动1#水泵。M2X002RSTM2SETM1SETM4起动1#M2X002RSTM2SETM1SETM4接收到变频器上限信号，PLC通过这个上限信号后将1#水泵由变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。M1M1X002RSTM4SETM3SETM6M4起动1#，2#，3#泵：再次接收到变频器上限信号，那么KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。M1X003RSTM1SETMM1X003RSTM1SETM4SETM2M4接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。M1M1X003RSTM6RSTM3SETM4M3M6起动1#，2#泵：输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。M1M1X003RSTM4SETM1SETM2M4起动1#泵：接到下限信号关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。(2)手动运行局部X016X016RSTM0SETM7SETM8按下手动起动按钮SB10，手动起动变频器。C0K10C0