PLC恒压变频无塔供水控制系统(设计.doc

目 录文摘 2 一、绪论 3（一）选题背景 3（二）.本课题研究的内容 3二、水泵变频节能理论 Q*he%w 4（一）供水系统的主要参数 4（二）供水系统特性曲线和工作特点 4 三、 PLC的基本知识 6四、变频调速技术 10五、P I D 调节原理 11六、变频恒压供水控制系统的设计 12(一)、系统总体方案的确定 12（二）、系统主要配置的选型 12（三）、主电路设计方 13（四）控制电路设计方案 14七、总结 25参考文献 25致谢 26变频恒压无塔供水控制系统摘 要：介绍了一种由PLC、变频器，信号传感器，高性能电器元件、水冷水润滑式水泵机组和供水管网等组成的变频恒压供水系统。论述了水泵变频节能理论 Q*he%w 。介绍了变频供水系统的工作原理，即由压力传感器将水泵出口的水压转换成电信号，反馈给PLC控制系统控制变频器变频，而改变水泵电机的转速和运行水泵的台数，使水泵的出口水压始终保持在设定的压力值允许误差范围内，实现恒压变量或变压恒量供水。关键词流量 水压 PLC 变频调速 PID控制 一、绪论（一）选题背景OjZ_V:0*)79S随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统（以下简称系统）变量供水方式已显现出极大的优越性。在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的水塔、高位水箱、气压增压等设备，不但占地面积和设备投资大，维护困难，且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求，例如：当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而高峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，而且造成大量电力浪费。这里介绍一种由可编程控制器控制的变频恒压供水系统，它既能提高水泵效率，节约能源，又能保障可靠供水，具有较大的经济和社会意义。交流电机变频调速技术是一项在近几十年来迅猛发展起来的电力拖动先进技术，业已广泛应用的节能技术。由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。 ;Peyo1 长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。 PO&r r （二）.本课题研究的内容 茂名二技随着我国技工教育事业的发展，校区面积迅速扩大，在校生人数规模快速增长到了6000人以上，形成了三片大的学生公寓区，成一个 “品”字形分布，公寓区的相互距离较远。校的供水系统也随着公寓区的建设，形成了三个独立的供水系统。整个系统存在的主要问题有，公寓区仍然采取传统的水塔高位水箱供水方式。存在能耗大，维护不方便，电机的启动电流对电网冲击大的缺点:另外，各供水系统相距较远，学校水电管理部门平时只能定期寻查，不能及时有效地掌握各供水系统的运行状况，往往是等用水部门打电话来才知道系统出现故障，无法供水，造成系统运行可靠性降低:而且系统对于运行中的一些参数也无法监控与记录。 为满足茂名二技对供水质量的要求，降低单位供水能耗，实现全自动、可靠、稳定的供水，需要利用变频恒压供水技术对其设备进行自动化改造。在实现过程中主要研究并解决以下问题： I、研究并完成利用PLC、变频器、远传压力表和多台水泵机组等主要设备构建变频调速恒压供水系统的设备选型与方案设计，为提高变频器的使用效率，减少设备投资，采用一台变频器拖动多台水泵电机变频运行的方案; 2、深入分析变频恒压供水系统的工况变化过程，确定工况转换方式，完成PLC控制程序的设计，实现水泵的变频起动，保证水泵从变频到工频的可靠、安全的切换; 3、设定PID调节参数，实现在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，维持供水压力恒定; 4、加强系统的可靠性设计，提高系统的冗余度，设计自动工频运行方式和手动运行方式作为系统全自动变频恒压运行的备用方案，在故障时作为应急处理，维持供水;通过该项目的研究和实施可以极大地改善校内供水的可靠性和稳定性，降低能耗及维护成本。二、水泵变频节能理论 Q*he%w（一）供水系统的主要参数有:1.流量Q 流量单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是m3/min2扬程 H 扬程也称水头，是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。常用单位是m.3.实际扬程HB 实际扬程供水系统中，实际的最高水位 h:与最低水位 h，之间的水位差，即供水系统实际提高的水位。即:HB=h2- hl-4.全扬程HT 全扬程水泵能够泵水上扬的最高水位 h3与吸入口的水位 h0之间的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即:HT=h3-ho.5.损失扬程HL 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。HB, HT, HL之间的关系是: HT =HB十HL。供水系统为了保证供水，其全扬程必须大于实际扬程，这多余的扬程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失:6.管阻R 阀门和管道系统对水流的阻力。和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述。7.压力P 表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。（二）供水系统特性曲线和工作特点水泵、风机都是二次方率负载，其变频调速技术有共性。供水系统中，最根本的控制对象是流量。调节流量的方法常见的有两种，分别是阀门控制法和转速控制法。1、阀门控制法阀门控制法是通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变（通常为额定转速）。阀门控制法的实质是：水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来改变供水的能力（反映为供水流量），以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。扬程特性是指扬程H与水泵中水的流量Q的关系，如图2-1中的曲线和。可以看出，流量增大，扬程降低。管阻特性则是指在管道对水流的阻力与流量的关系。通常，在管阻一定情况下，扬程H与流量的关系是一族曲线如图2-1中的曲线和。可以看出，在管阻一定情况下，流量增大，扬程升高。图中表明，如用户所需流量从QN减小到QA，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将由曲线改变为曲线，而扬程特性则保持为曲线，故供水系统的工作点由N点移至A点，这时流量减小了，但扬程却从HN变为HE。由图可知，供水功率PG的节省与面积ODNHN和面积OEAHE之差成正比，即与面积EDNK和面积AKHNHE之差成正比。2、转速控制法转速控制法是通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度）。转速控制法的实质是通过改变水泵的全扬程来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。仍以图2-1中用户用户所需流量从QN减小到QA为例，当转速下降时，扬程特性下降为图2-1曲线，管阻特性则仍为曲线，故工作点移至B点。可见在水量减小为QE的同时，所需扬程减少为HC。供水功率PG的节省与面积ODNHN和面积OEBHC之差成正比，即与面积EDNK和面积BKHNHC之和成正比。当然，上面讨论，以最低扬程必须能保证所有用户的需求为基础。3、几点结论（1）供水功率的比较可以看出：在所需流量小于额定流量的情况下，转速控制时的所需扬程比阀门控制时小得多，所以，转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的方面。（2）从水泵的工作效率看节能当通过关小阀门来减小流量时,其效率曲线如图2-2中的曲线所示.当流量Q*=60%时,其效率将降至B点.可见,随着流量的减小,水泵工作效率的降低是十分显著的.而在转速控制方式下,由于在阀门开度不变的情况下,流量Q*和转速n*是成正比,比值Q*/n*不变.其效率曲线因转速而变化,在60%时的效率曲线如图2-2中的曲线所示. 当流量Q*=60%时,效率由C点决定,它和Q*=100%的效率(A点)是相等的也就是说,采用转速控制方式时,水泵的工作效率总是处于最佳状态.所以,转速控制法与阀门控制法相比,水泵的工作效率要大得多.这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面.H?PaN)_6-+三、 PLC的基本知识(一)PLC的产生因为传统的继电控制盘存在着无法克服的缺点，最早是美国通用汽车公司于1968年首先公开招标，对控制系统提出了十大基本要求：（1）编程方便，现场可修改程序；（2）维修方便，采用插件式结构；（3）可靠性高于继电控制盘；（4）体积小于继电控制盘；（5）数据可直接送入计算机管理；（6）成本可与继电控制盘竞争；（7）输入可为市电；（8）输出可为市电，要求2A以上，可直接驱动电磁阀、接触器等；（9）扩展时原系统变更少；（10）用户存储器大于4K。其中最核心的问题之一是能否用软连线的方法来代替硬件连线，来实现对某一个继电器（或硬开关）进行控制呢？也就是说，能否用计算机的程序来代替图4的效果呢？这些问题随着电子技术，计算机技术的发展而得到了解决。由此1969年美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出世界上第一台可编程序控制器。即第一台工业控制的计算机PLC。PLC是英文Programmable Logical Controller（可编程序逻辑控制器）的缩写。我们常提到的可编程控制器的英文为Programmable Controller，缩写是PC，却巧个人电脑Personal Computer的缩写也是PC，为了避免两者混淆。仍把前者（可编程控制器Programmable Controller）沿用PLC这个老名字，来加以区分。随着微电子技术，计算机技术的飞速发展，现在说的PLC已不再是原来意义上的PLC了。PLC之所以那么受电工技术人员的睛睐，与它自身的特点是分不开的。（二）PLC及其特点和优点：（1）可靠性高（2）编程简单（3）通用性强（4）体积小、结构紧凑、安装及维护方便等等，在工业自动化领域起着举足轻重的作用。在国内外的机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业中已经广泛应用了。实践证明，80%以上的工业控制可以使用PLC来完成。（三）PLC的应用领域：（1）、开关量逻辑控制 这是PLC的最基本的功能，即逻辑运算、定时、计数等，用来进行逻辑控制，可以取代传统的继电器控制。很多机床控制、生产控制都属于这一类。（2）、闭环过程控制 大中型PLC都有多路的模拟量输入输出和PID控制，甚至有的小型PLC也带有模拟量输入输出。因此，PLC可以作模拟量控制，用于过程控制。有的PLC还可以实现模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）。（3）、位置控制 较高档次的PLC都有位置控制模块，用于控制步进电机或伺服电机，实现对各种机械的运动控制（位置控制）。（4）、监控系统 用PLC可以构成监控系统，进行数据采集和处理，监控生产过程。（5）、分布控制系统 随着计算机控制技术的发展，国外正兴起工厂自动化（FA）网络系统。较高档次的PLC都有联网功能，通过联网可以将PLC与PLC、PLC与上位机（host computer）连接起来，构成多级分布式控制系统。（四）PLC在工业自动化控制领域中的所处的地位在工业自动化控制领域中有三大主流，分别是单片机、PLC和微机。PLC的价格居中，而又具有自身的特点：（1）使用和维护方便。即硬件配置方便、安装方便、使用和维护方便。（2）运行稳定可靠。PLC在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。（3）设计施工周期短等。（4）、PLC的编程语言简单易学。PLC的编程编程语言有：指令语句，梯形图，状态流程图等，最常用的编程语言是梯形图和步进指令（状态流程图）。而梯形图编程语言是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，PLC内部的各类软继电器的动作原理和常规继电器的动作原理完全一致，如上图所示：电器操作人员使用起来得心应手，不存在计算机技术和传统电气控制技术之间的专业“鸿沟”。而步进指令，方法简单，规律性较强，初学者较容易掌握，运用可以编写出较复杂的控制程序。对有一定基础的电气设计人员来说，采用编程可大大提高工作效率，并给调试、修改程序带来很大的方便。（五）PLC的结构及工作原理PLC是一种专用于工业自动化控制的计算机，主要由CPU、存储器、I/O接口电路、外设接口、编程装置和电源等组成。要应用好PLC，其中对PLC的输入、输出继电器的结构特点和工作原理的认识是首要的。输入继电器是一种光电耦合输入的接口电路，只能靠外部信号来驱动，无法用内部信号驱动，内部有其映象的常开、常闭触点，这些触点的使用次数不受限制，相当于有无数对触点。而输出继电器是由内部信号驱动的一种接口电路，根据输出形式分：继电器式、晶闸管式、晶体管式等三种。由图5可知，PLC的每一个输出点的，实际上都是一种受程序控制的开关。可回顾图2的主电路，就不难理解输出继电器的作用了。每个输出继电器只有一个常开触点，而内部同样有无数多对常开、常闭的映象触点（软触点）。（六）编程语言的介绍1、指令语句的格式：步序 助记符 操作对象。 如：0 LD X0 2梯形图 如右图：3流程图 如下图：4、编程举例例如要完成这样的题目：用PLC来实现点动控制和自锁控制。（1）分配输入/输出点，列出地址表输入/输出地址表输入输出元件代号作用输入继电器元件代号作用输出继电器SB启、停按钮 （点动）X0KM1接触器控制执行器如：电动机Y0SB1启动按钮X1KM2接触器控制执行器如：电动机Y1SB2停止按钮X2（2）画PLC的接线图（3）编写梯形图程序四、变频调速技术（一）R V;!dVX（一（交流电机方案 iaB5t97N $ 因此电机的调速方案有三种，（1）改变转差率s；（2）改变磁极对数p；（3）调频调速，?V0Iry当s 、p为定值时，电机转速n和交流电频率f 成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。 Dg6o yZ.GgC&（二）变频调速系统的控制方式三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组相当于变压器的副绕组。定子每相绕组感应电动势E1的幅值为：E1=4.44KN1f1N1m 式中：f1为电网的频率；KN1为定子绕组系数；m为通过每相绕组的磁通最大值，在数值上等于旋转磁场的每极磁通。在异步电动机调速时，一个很重要的因素是希望保持每极磁通为额定值。为什么呢？因为式中， KN 1和N1是不变的，而E1、f1和m是可变的。如果不保持每极磁通为额定值，而是欲保持定子每相绕组感应电动势E1不变时，f1和之间有什么关系呢？如果f1变大，大于电动机的额定频率（又称基频）f1N，定子内阻抗变大，定子电流变小，导致气隙磁通最大值，m变小，小于额定气隙磁通最大值。这样，电动机铁芯的效能没有得到充分利用，而且磁通减小也会使电动机的输出转矩下降。如果f1变小，小于电动机的额定频率f1N，定子内阻抗变小，定子电流变大，导致气隙磁通最大值m变大，大于额定气隙磁通最大值。这样，电动机铁芯产生过饱和，这就意味着励磁电流会过大，导致绕组过分发热，造成系统的功率因数下降，严重时会使定子绕组过热而烧坏。因此，要实现交流电动机的变频调速，应保持气隙磁通最大值m不变。因此，变频就有两种情况：1、在基频以下调速，保持气隙磁通最大值m不变，让频率f1从基频往下调时，必须同时降低E1，使E1/f1（压频比）保持不变。保持气隙磁通最大值m不变，就意味着励磁电流不变，也就意味着电动机的转矩不变，所以，在基频以下调速时，电动机机械特性具有恒转矩特性。2、在基频以上调速 在基频以上调速时，不可能继续保持E1/f1（压频比）的的值不变，因电压U1不能超过额定电压UN。这时只能保持电压U1不变，使气隙磁通最大值m频率升高而降低，电动机的同步转速升高，最大转矩减少，输出功率基本不变。所以，基频以上调速属于弱磁恒功率调速。3、PWM控制技术所谓PWM，是Pulse Width Modulation的简称，它是通过改变输出脉冲的宽度和占空比来调节输出电压的一种方式，调节过程中，逆变器负责调频调压。目前普遍应用的是脉宽按正弦规律变化的正弦脉宽调制方式，即SPWM方式。中小容量的通用变频器几乎全部采用此类的变频器。（1）、PWM产生原理：左图为SPWM电压等效正弦电压原理图（2）、单极性SPWM控制方式：如下图所示上图为单极性PWM控制方式原理图 五、P I D 调节原理在恒压供水系统中的应用（一）三类常规控制器1、比例(P r o p o r t i o n a l) 控制器，简称为P控制器。比例控制器其输出与偏差成比例u(t)=Kce(t)+u0,式中，u(t)为输出信号；e(t)为设定值与测量变送信号之差；Kc为控制器增益；u0为当偏差e(t)为零时的输出信号值，它反映了比例工作点。工业用控制器，不用Kc而用比例度PB来进行刻度，PB=100/Kc。通常1PB500。2、比例积分（P r o p o r t i o n a l I n t e g r a l）控制器，简称PI控制器。算式为式中Ti为积分时间。3、（P r o p o r t i o n a l I n t e g r a l D e r i v a t i v e），简称PID控制器。比例积分控制器中，约有75%是采用PI作用的。积分会消除余差，但总是有些滞后的。比例积分微分控制器：PI作用消除了余差，但降低了响应速度。在这种情况下附加微分作用它来补尝容量滞后，使系统稳定性改善，从而允许使用高的增益，并提高响应速度。在供水系统的设计中，选用了具有P I D调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。3、 P I D 控制及其控制算法在连续控制系统中， 常采用P r o p o r t i o n a l ( 比例) 、 I n t e g r a l ( 积分) 、 D e r i v a t i v e ( 微分) 控制方式， 称之为P I D控制。P I D控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。（1）模拟P I D 控制及算法 P I D控制器各环节的作用及调节规律如下: 1 ) . 比例环节: 成比例地反映控制系统偏差信号的作用， 偏差e ( t ) 一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数K p 的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。 2 ) . 积分环节: 表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。 只要偏差存在， 控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti , Ti 越大， 积分作用越弱， 易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。 3 ) 微分环节:对偏差信号的变化趋势( 变化速率)做出反应，并能在偏差信号变得大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间， 改善系统的动态特性。 但过大的T D 对于干扰信号的抑制能力却将减弱 。 P I D的三种作用是相互独立，互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。 （2 ）数字 P I D控制算法 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现P I D控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字P I D控制算法是通过对式( ( 3 -5 ) 离散化来实现的。六、变频恒压供水控制系统的设计(一)、系统总体方案的确定1.总体要求：( 1 )由多台水泵机组实现供水，流量范围600m3 / h ，扬程6 0 米左右( 2 ) 设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水;( 3 )供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小;( 4 ) 系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能;( 5 )各主泵均能可靠地实观软启动;( 6 )具有完善的保护和报警功能;( 7 )系统要求较高的经济运行性能; 2、方案的确定 （1） 多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的：首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少;其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便; 其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量;其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。（2）处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。（3）多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的P L C通过编程来实现。（4）供水系统的恒压通过压力变送器、P I D调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。（5）为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，先启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机.综合以上分析，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备P L C和变频器作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统， 其总体结构如1-1所示。该系统由PLC控制器、变频调速器、压力变送器、水位变送器、交流接触器等其它电控设备以及3台水泵（水泵数量可以根据需要设置）、一台小流量辅助泵、水冷水润滑式水泵机组和供水管网等组成。（二）、系统主要配置的选型1、水泵机组的选型 根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力(水泵扬程)，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用 3台主水泵机组和 1台辅助泵机组。查找相关水泵机组参数表，确定主泵机组型号为150SFL160-20x4，辅助泵机组为50SFL12-15x52. 变频器的选型（1).容量确定为55KW（2).型号选择选三菱FR-F5OO型，适用于水泵、风机类负载，其功能具有：采用最适磁通控制方式，实现更高节能运；内置软PID，变频/工频切换和多泵循环运行功能；柔性PWM，实现更低噪声运行；内置RS485通信口；75KW以上随机有DC阻抗器。3、PLC的选型 依据控制任务，从PLC的输入/输出点数、存储器容量、输入/输出接口模块类型等方面等来选择PLC型号。在供水系统的设计中，我们选择三菱FX2N-32MR及扩展输出模块FXZN-16EYR，FXZN-32MR主要参数及特点: I/O点数:16/16;用户程序步数:4K; 基本指令:27条;功能指令:298条;基本指令执行时间:0.08微秒;通信功能:强;输出形式:继电型;输出能力:2A/点;扩展输出模块FX2N-16EYR有 16个输出点;4 压力变送器及数显仪的选型选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0-1MP，精度 1.5;数显仪输出一路 4-20mA电流信号，送给变频器作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上下、限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。（三）、主电路设计方案 三台大容量的主水泵(1#, 2#, 3#)根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联，注意：每台主水泵的两个接触器都一定要进行接触器联锁，即KM1与KM2、KM3与KM4、KM5与KM6必须相互联锁，否则有可能会因接触器故障而造成变频器的输出端接上电源输入端而损坏;辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。 QF0、QF1, QF2, QF3, QF4, QF5,分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1, FR2, FR3, FR4为电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。 变频器的主电路输出端子(U, V, W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子(U, V, W)的相序，否则无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。在变频器起动、运停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路空气开关QF2的通断来进行。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的(Pl, P+)端子之间接入需相应的DC电抗器。变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。 在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小;设计三相电源信号指示。（四）控制电路设计方案1、控制电路的原理及系统运行过程（1）控制电路的原理由压力传感器将水泵出口的水压转换成电信号，反馈给PLC控制系统控制变频器变频，而改变水泵电机的转速和运行水泵的台数，使水泵的出口水压始终保持在设定的压力值允许误差范围内，实现恒压变量或变压恒量供水。即在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器，PLC具有模拟量输入检测模块，检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信号，将检测的压力信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统；自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。（2）系统运行过程1）设备启动后，首先某一台主泵在变频调速器控制下，投入变速运行，只有当输出压力达到预定值至其流量与用水流量相平衡时，转速稳定到某一值。2）当用水流量增加时，主泵按设定速率（曲线）加速到另一稳定转速；而用水量小时，主泵按设定的速率（曲线）减速到新的稳定转速。3）当变速运行主泵的转速达到最大转速后，用水量进一步增加时，该主泵转换到工频电源后恒速运行；变频调速器则转换到控制另一台主泵，使之投入变速运行。每当变速运行的主泵转速到最大时，将发生如上的转换 并有新的主泵投入并联运行。4）当变速运行主泵的转速，因用水量减小而达到临界低转速后，用水量时一步减小，则PLC将控制停掉先开的一台主泵，遵守先开先停，后开后停原则；直到剩下一台主泵为止。5）当只有一台主泵变速运行，且用水量接近于零时，产泵转速达到临界低转速时（这时变速运行主泵处于最小工作转速）。此主泵也被停泵而启用小容量辅助泵运行，以期节能和减少设备的无效运行。2、PLC的程序设计（1）PLC的I/O端子接线图及变频器的端子接线图（2）、PLC的流程图设计上图为PLC 的状态流程图（3）步进梯形图、指令语句表、程序输入及调试（略）下图为手动及报警程序3、变频器参数设置（1）变频器参数的了解)m|)cLT& FN*x:g 1（ Tq: Y7Bm1 )最高频率: 水泵属于平方律负载，转矩Tn2，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。例如，当转速超过其额定转速10%（n=1.1nN）时，转矩将超过额定转矩21%，导致电动机严重过载。因此，变频器的最高频率只能与水泵额定频率相等。即fmax=fN=50HZ2 ) .上限频率: 与生产机械所要求的最高转速相对的频率称为上限频率，它不是最高频率。 由于变频器内部具有转差补偿功能，在5 0 H z的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速， 从而增大了电动机的负载，因此实际预置得略低于额定频率。上限频率预置为49HZ或49.5HZ是适宜的。3 ) .下限频率:在供水系统中，转速过低， 会出现水泵的全扬程小于基本扬程 ( 实际扬程) ，形成水泵“ 空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率不能太低，可根据实际情况适当调整。下限频率预置为25HZ35HZ合适。 4 ) .启动频率:水泵在启动前，其叶轮全部在水中，启动时， 存在着一定的阻力，在从0H z开始启动的一段频率内，实际上转不起来。因此，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一点冲击力。.启动频率预置为5HZ。5）加速与减速时间一般来说，水泵不属于频繁启动与制动的负载，其加速时间与减速时间的长短并不涉及生产效率的问题。因此，加速时间与减速时间可以适当地预置得长一些，且可相等。通常决定加速时间的原则是：在启动过程中，其最大启动电流接近或略大于电动机的额定电流。变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过 Fsi fn0 长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。 SSxp!E 为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。 *6|2 6）暂停（睡眠与苏醒）功能在生活供水系统中，夜间的用水量常常是很少的，即使水泵在下限频率下运行，供水压力仍可能超过目标值，这时可使主水泵暂停运行。7）、合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：一个就是管网最不利点压力恒压控制，另一个就是泵出口压力恒压控制。两者如何选择，我们来简单分析一下/*P) C_M： 管网最不利点压力恒定时，管网用水量由QMAX减少到Q1，水泵降低转速，与用水管路特性曲线A（不变）相交于点C，水泵特性曲线下移，管网最不利点压力H0。而泵出口压力恒压控制时，则Ha不变，用水量由QMAX减少到Q1与Ha交于B点，用水管路特性曲线A上移并通过B点，管网最不利点压力变为Hb，Hb - H0的扬程差即为能量浪费，所以选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。 TLz4;TRk5agt/;q8）变频器的PID控制 PID就是比例微积分控制，通过变频器实现PID控制有两种情况：一是变频器内置的PID控制功能，给定信号通过变频器的端子输入，反馈信号也反馈给变频器的控制端，在变频器内部进行PID调节以改变输出频率；二是外部的PID调节器将给定量与反馈量比较后输出变频器加到控制端子作为控制信号。总之，变频器的PID控制是与传感器元件构成的一个闭环控制系统，实现对被控制量的自动调节，在温度、压力等参数要求恒定的场合应用十分广泛，变频器在节能方面常用的一种方法。3C)Nz?小区变频恒压供水系统通常是由水池、离心泵（主泵+休眠泵）、压力传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成（如图1）。工作时反馈值与目标值比较，并按预置的PID值调整变频器的给定信号，从而达到改变电动机转速的作用。即8gv$wG 工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。（2）变频器参数设置基本功能参数设定；参数号意义Pr1=49Hz上限频率.Pr2=30Hz下限频率.Pr3=2Hz启动频率.Pr7=5S加速时间.Pr8=5S减速时间端子功能参数设定参数号作用功能.Pr183=14将RT端子设定为X14的功能（即PID控制有效端子）RT端子功能选择.Pr193=14从OL端子输出下限信号OL端子功能选择Pr194=15从FU端子输出上限信号FU端子功能选择P