毕业设计--恒压供水控制系统设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 题目 恒压供水控制系统设计 系别 专业 班级 姓名 学号 指导教师 日期 i 设计任务书 设计题目：设计题目： 恒压供水控制系统设计恒压供水控制系统设计 设计要求：设计要求： 1设计一个采用全自动变频恒压控制方式来实现恒压供水的自控系统。 2本系统主要以 plc 来控制，按照控制要求选择器件，设计其硬件主控电路。 3根据要求选择相应的传感器、驱动电机、阀门等； 4按照设计要求设计相应算法，编制相应的 plc 控制程序。 设计进度要求：设计进度要求： 第一周：确定题目,查阅资料 第二周：根据设计要求分析恒压供水的工作原理 第三周：对硬件进行设计 第四周：对软件进行设计 第五周：进行调试,找出问题 第六周：改进设计中存在不足 第七周：撰写设计论文 第八周：整理论文，准备答辩 指导教师（签名）：指导教师（签名）： ii 摘 要 恒压供水在城市自来水管网系统、住宅小区生活消防用水系统、楼宇中央空调 冷却循环水系统等众多领域中均有应用。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管网中水压的基本恒定。在恒压供水系统中可根据压力给定的 理想值信号及管网水压的反馈信号进行比较，变频器根据比较结果调节水泵的转速， 达到控制管网水压的目的。 本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的 缺点加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的变频式恒压供水自 动控制系统。全文共分为四章。第一章阐明了供水系统的应用背景、选题意义及主 要研究内容。第二章阐明了供水系统的变频调速节能原理。第三章详细介绍了系统 硬件的工作原理以及硬件的选择。第四章详细阐述了系统软件开发并对程序进行解 释。 关键词关键词： 恒压供水，plc，变频技术 i 目 录 摘 要.ii 1 变频控制系统简介1 1.1 变频调速供水控制系统简介 .1 1.2 变频调速在供水行业中的应用 .1 2 供水系统的变频调速节能原理4 2.1 水泵调速运行的节能原理.4 2.2 本系统总体介绍.5 3 系统硬件的工作原理及硬件选择7 3.1 plc 的工作原理及选择 .7 3.2 变频调速系统原理及选择.9 3.3 压力传感器的选择12 3.4 水泵的选择13 3.5 鉴频鉴相问题14 3.6 控制电路16 4 系统软件开发.18 4.1 plc 编程简介 18 4.2 plc 程序解释 26 致 谢29 参考文献.30 1 1 变频控制系统简介 1.11.1 变频调速供水控制系统简介变频调速供水控制系统简介 变频调速供水控制系统是集现代变频调速技术、plc 技术、监控技术和计算机 技术为一体的新一代给水控制系统。该系统完全可以取代传统的水塔、高位水箱和 气压罐等给水方式。与传统的给水方式相比，该系统不但满足了现代工矿企业、城 镇居民和高层建筑对新型给水系统的要求。 系统采用内置变频调速器、先进的可编程控制器等现代控制技术，对水泵机组 进行闭环控制，确保压力波动小、达到设定压力时间短、且可随用水量的变化自动 调节水泵转速及工作水泵台数，确保恒压变量供水。系统采用现代计算机数字控制 技术和模块化、标准化的设计，满足多种本地和远程联网协议，系统的可扩展性强。 系统具有手动、自动操作方式，系统压力、电机电流、电机频率和电机累计运行 千瓦时 led 显示，变频器、电机工况与故障指示及防误操作等功能。系统具有输入 电源缺相、不平恒、过压、过流、过载、短路、电机过热、飞速启动、断水及低水 位停机等完善的安全保护功能，有效的提高了给水成套设备的安全可靠性。 该系统还配有完善的故障自诊断、故障检修手动工作方式等功能，使维修工作 十分轻松快捷。由于控制回路与负载回路之间是通过中间继电器实现电隔离和信号 耦合的，因此系统的抗干扰能力强。系统自动检测瞬时水压，并据此调节水泵的供 水量，机组特性曲线接近管网损失特性曲线，节能效果显著。由于变频器对电机实 行的是循环软启动控制，启动平稳无冲击，提高了电机、水泵和管道等的寿命，减 少了管网的泄露。此外由于系统无需高位水箱等设备，不但节省了投资，而且无水 质二次污染问题。 本系统还可以将生产、生活、消防等系统合为一体，投资省、占 地少、经济效益明显。 1.21.2 变频调速在供水行业中的应用变频调速在供水行业中的应用 作为高性能的调速传动，直流电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但 是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实 2 现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有 极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得 到厂泛的应用。 70 年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶 体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速 性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便 宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方 面占有明显的优势。到 80 年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟 的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管交流变成直流，再逆变成频 率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条 件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从 而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行 方式是可节电 40%-60%,节水 15%-30%。 由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特 性曲线平分，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平 高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负 载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供 变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类， 目前国内大都使用交-直-交变频器。 自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频 调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的 技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无 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。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞 速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计 变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 新型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，不论是设备的 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 3 比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国 内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。 目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求 高度智能化系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供 水调度和整体规划要求的必然趋势。 在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早 期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可 靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更 为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。 4 2 供水系统的变频调速节能原理 2.12.1 水泵调速运行的节能原理水泵调速运行的节能原理 全自动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器，通过安装 在管网上的远传压力表，把水压转换成电信号，通过接口输入控制器内置的 pid 控 制器上，用以改变水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频 调速器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大。当达到设定压力时，水泵 恒速运转，使管网压力稳定在设定值上。反之当用户用水量少，管网压力高于设定 压力时，变频调速器的输出频率将降低，水泵转速下降，供水量减少，使管网压力 稳定在设定压力，这样反复循环就达到了恒压变量供水的目的。 水泵 配 电 柜 控 制 柜 至用户 压力信号 压力传感器 水池 图 2.1 供水系统原理图 供水系统的工作原理如图 2.1 所示。由自来水管网或其它水源提供的水进入蓄 水池经加压水泵进入用户管网管路。通过压力传感器按提供网的压力信号，传送给 控制系统的 pid，经 pid 运算后输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水泵的 转速进而保持供水管道的压力基本恒定。用户用水量大时，管网管路压力下降变频 器频率就升高，水泵转速加快，反之频率下降，水泵减速运行，从而维持恒压供水。 当用水量大于一台水泵的最 大供水量时，通过 plc 自动切换电路工作再投入一台 5 水泵，根据最多用水量的大小可投入数台水泵。在供水系统中，控制对象是水泵， 控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。它的自动控 制原理图见图 2.2 。 图 2.2 变频式恒压供水自动控制原理图 2.22.2 本系统总体介绍本系统总体介绍 本系统针对的用户是自来水公司供水系统和水厂、泵站等各种泵类电机的调速 和控制，控制对象应尽量做到通用型，系统功能设计和设备选择主要立足于通用性、 可靠性和经济性和节能效果，而对于特殊情况下的供水系统不在本系统控制范围之 列(事实上特殊供水系统也只是在通用系统功能实现的基础上充分考虑到特殊性，最 根本的还是在于一般系统的研制)。在本论文中，我们以四台水泵为控制对象，建立 一个模型，研制一种新型的控制系统使得水泵转速跟随用水量的变化而变化，实现 变频、恒压、无级调速的供水系统，从而达到节能、节水、充分利用设备、高可靠 性、高自动化程度的目的。 如图 2.3 所示，供水系统由四台泵(二用二备)组成，由一台可编程控制器和一 台变频器切换控制任一台电机调速。水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供的 变频回路组成，通过 plc 和变频器将各台水泵按照一定的规律顺序投入运行和顺序 停止运行，使整个的供水回路处于最佳的配置状态。变频器则具体的微调当前水泵 的转速，使转速变化跟随管网压力变化(实际上是跟随用户用水量的变化)。 1 号泵 2 号泵 3 号泵 4 号泵 水泵切换电路 变频器 pid 压力传感器 plc 6 图 2.3 4 台水泵控制原理图 可编程控制器 工频切 换电路 变频切 换电路 变 频 器 切 换 装 置 7 3 系统硬件的工作原理及硬件选择 3.13.1 plcplc 的工作原理及选择的工作原理及选择 3.1.13.1.1 plcplc 的简介的简介 plc是以微机控制技术为基础，通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控以 时，计数，运算等功能，并通过数字或模拟i/o组件控制机械设备。 与传统的继电器控制盘相比，plc控制系统体积小，可靠性高;更易使用和维护， 且能在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递 信息的能力;通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关，接点直接相连， 所有输出端点能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。它的发展大致经 历了三个发展时期。 1.形成期(1970-1974年)早期的plc采用小规模的ic构成专用的逻辑处理芯片 (cpu)，采用机器语言或汇编语言编程，仅有逻辑控制指令，控制点少，功能简单， 并没有获得广泛重视。 2.成熟期(1974-1978年)随着单电源的8位处理器的出现，在小型化、高可靠性 多功能及价格等方面，plc的研制和应用水平有了飞速发展和提高。plc开始具有了 多个cpu，设置了定时器、计算器并具有了算术运算功能。 地址总线 数据总线 行程开关 模拟量输入 继电器触点 开关或传感器 地址总线 控制总线 照明 电磁装置 电动机 其他执行 装置或触 点 数据总线 编程 单元 输 入 单 元 中 央 存 储 单 元 存 储 器 输入 输出 数据 存储 输 出 单 元 电源单元 图3.1 plc结构示意图 3.加速发展期(1978年以来)从70年代末到80年代，plc的应用和制造呈现了蓬勃 8 发展的趋势。一方面研制出了高性能不同规模的plc控制系统，开发了多种智能i/o 模块，充分吸收了计算机和通讯技术，实现了分布式分级控制的plc网络系统。另一 方面也逐一生产一般机械加工逻辑控制而价格较为便宜的微小型plc，对plc普及应 用起了重要推动作用。plc的典型硬件系统构成见图3.1。 3.1.23.1.2 plcplc的选择的选择 可编程控制器（programmable logical controller，简称plc）已经越来越多 地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。所以，对 plc的正确选择是非常重要的。 1.工作量 这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模 拟量）有一个准确的统计，这往往是选择plc的首要条件，一般选择比控制点数多10%- 30%的plc。 （本设计中开关量16个，控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入） 2.工作环境 工作环境是plc工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中 解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏 蔽、工作电压等，各款plc不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。（该设 计环境正常，故不用特殊型号） 3.通信网络 现在plc已不是简单的现场控制，plc远端通信已成为控制系统必须解决的问题。 （故尽量选取比较常用的品牌） 4.编程 程序是整个自动控制系统的“心脏” ，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制 系统的运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也 需考虑在内（要求有良好的编程软件） 。 5.可延性 这里包括三个方面含义： （1）产品寿命。大致可以保证所选择的plc的使用年限，尽量购买生产日期较 近的产品。 9 （2）产品连续性。生产厂家对plc产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是 否有利于现系统对将来新增加功能的应用。 （3）产品的更新周期。当某一种型号plc（或plc模块）被淘汰后，生产厂家是否 能够保证有足够的备品（或备件）。这时应考虑选择当时比较新型的plc。 6.性价比 由上面的的挑选规范，我挑选西门子公司的s7-200 cpu226作为本系统采用的 plc，它的具体性能如下。 本机集成24输入/16输出共40个数字量i/o 点。可连接7个扩展模块，最大扩展 至248路数字量i/o 点或35路模拟量i/o 点。13k字节程序和数据存储空间。6个独立 的30khz高速计数器，2路独立的20khz高速脉冲输出，具有pid控制器。2个rs485通 讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力。i/o端子排可很 容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块 扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复 杂的中小型控制系统。 3.23.2 变频调速系统原理及选择变频调速系统原理及选择 3.2.13.2.1 变频调速系统简介变频调速系统简介 在变频器没有出现以前，调速系统一般采用直流调速图，但是由于结构上的原 因，直流电动机存在着很多缺点(诸如需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难， 寿命短，机构复杂，难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机等)，所以人们 一直在寻找交流调速系统。而变频器的出现刚好解决了这个问题。与传统的交流拖 动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点， 如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控 制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制 动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多 台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控 制系统等等。特别是对于工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变 频器进行调速控制可代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制， 所以节能效果非常明显。 10 变频调速的原理非常简单，由于异步电动机的转速为 n sf n )1 (120 式中n为电动机转速，r/min；f为电源频率，hz；p为异步电动机磁极个数；s为 转差。所以，理论上说，只要改变f就能改变电机转速n。 3.2.23.2.2 变频调速控制方式变频调速控制方式 常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制， 如图3.2所示。本系统根据恒压的控制要求，采用的是pid调节方式(内含在变频器中) 的闭环控制。 变 频 器 主 控 机 器 主 控 机 器 变 频 器 压力传感器 水泵 水泵 闭环控制 欠压信号 超压信号 变频器故障信号 信号 开环控制 变频器故障信号 信号 图3.2 变频调速系统的控制方式 3.2.33.2.3 变频器的输入输出电路变频器的输入输出电路 本系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，它包括plc输给的变频器 fwd信号bx信号和vi（12）电压信号（0-5v），fwd信号bx信号由plc输出，控制变频 器的工作开关;vi（12）控制变频器频率。另一种是输入电源信号，本系统采用的三 相380v的交流电源，三相电流输入连接在端子l1/r, l2/s, l3/t上。采用三相输入 的话，则用主电路的电源端子l1/r, l2/s, l3/t通过线路保护用断电器或带漏电保 护的断路器连接至三相交流电源，不需考虑连接相序。如果有条件的话，还可以在 电源电路中串入一个电磁接触器，这样就可以保证变频器保护功能动作时能切除电 11 源和防止故障扩大，以保证安全。尽量不要用主电路电源on/off的方法控制变频器 的停止和运行，应该用控制电路端子fwd、bx。 变频器的输出信号也有两种，一是送plc的超压信号、欠压信号和变频器故障信 号这三个输出控制信号，另一是送水泵的变频器输出电源信号。送plc的超压、欠压 信号由变频器的y1, y2端子送出，y1的内部功能设定选为频率检测(fdt)功能，幅值 为50hz，滞后值为0.5hz 。y2的内部功能设定选为0速度输出功能，变频器输出频率 为0hz时输出on信号。 控 制 面 版 变频器故障输出 欠压信号 超压信号 送信号 送信号 送0-5电压信号 接触器电源 图3.3 变频器的i/o端点连接 送plc的变频器故障信号我们选择从y3输出，y3的内部功能设定选择为报警功能， 变频器发生指定的故障时输出信号。变频器的输出电源接接触器，它给所有的工频 回路的接触器都提供电源信号，但是具体的哪一台接触器接通由plc控制。变频器的 输出端子(u, v, w)按正确的相序连接至交流接触器的输入电源端子上。如果电机旋 转方向不对，则说明连接相序有错，则改变u、v, w中的任意两相的接线。变频器和 电动机(水泵)间配线很长时，由于线间分布电容产生较大的高频电流，可能造成变 频器过电流跳闸.另外，漏电流增加，电流值指示精度变差。对于本系统中的变频器， 变频器和电动机(水泵)之间的距离最好小于50米，如果配线很长时，则必须连接输 出侧滤波器选件(ofl滤波器)。接线时还有一点需要注意的是，为了安全和减少噪声， 变频器的接地端子g必须良好接地。为了防止电击和火警事故，电气设备的金属外壳 和框架均应按照国家电气规程要求接地。接地线要粗而短，变频器系统应连接专用 12 接地极，及不要和别的系统串联接地或共同接地（具体接法见图3.3，在最后的程序 中，因本人能力有限，故将报警装置去除，在实际应用中应当加入）。 采用变频器驱动异步电动机调速。在异步电动机确定后，通常应根据异步电动 机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值(最大值)来 选择变频器。当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器 应满足的条件也不一样。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变 频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。 该系统用一台变频器使多台电机并联运转，对于一台电机开始起动后，再追加 投入其他电机起动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电机将 产生大的起动电流，因此，变频器容量与同时起动时相比需要大些。 综合上面因素，我们选择佳灵jp6c-t9280系列变频器。性能见表3.1。 表 3.1 佳灵 jp6c-t9280 性能 型号jp6c-t9280 jp6c-t9280 适用电机容量(kw) 280 额定容量(kva) 400 额定电流(a) 520 额定过载电流额定电流的150%1分钟 相数 电压 频率三相，380v至440v 50hz/60hz 容许波动电压+10v -15%，频率5% 抗瞬时电压降低 310v以上可连续运行，电压从额定值降到310v以下时， 继续运行15ms 最高频率50-400hz可变设定 基本频率50-400hz可变设定 启动频率0.5-60hz可变设定 载波频率2-6khz可变设定 冷却方式强制风冷 3.33.3 压力传感器的选压力传感器的选择择 检测元件的精度直接影响系统的控制质量。通常可以选用各种压力传感器检测 13 管网压力。传统的压力传感器有利用弹性元件的，如电感压力传感器、电容压力传 感器等。pmc 系列压力传感器的构造与之不同，属于一体化的高精度仪器。它采用 电子陶瓷技术，测量元件完全是固体形式。其工作原理是：使压力直接作用于电子 陶瓷膜片，膜片出现位移后所产生的电容量被与其同体的电子元件检测、放大，最 后转换成420ma的标准信号输出。 pmc型传感器具有如下特点： 具有相当强的抗冲击和抗过载能力，过压量达额定量程的百倍以上； 由于压力测量元件中不采用传统的介质物质，所以，测量精度极高，且几乎 不受温度梯度的影响； 采用脉冲频率调制方式传输信号，大大减少了现场干扰的影响，信号传输用 普通导线完成，简单方便； 重量轻，体积小，安装维护非常方便。 我们选pmc133型压力传感器作为出水口端压力检测元件，检测泵出口附近管网 内压力作反馈信号， 该元件可承受的相对压力最大测量范围达o-40mpa，最小测量 范围为o-lkpa，所需电源要求电压为12530v，精度01，压力传感器将出 水口的压力信号线性转换为4-20ma dc 标准信号送到plc（在该系统中，我选取0- 500kpa）。 3.43.4 水泵的选择水泵的选择 选取2种型号的水泵，小泵为常开泵（能够调节到工频），大泵只能在变频状 态下工作。 其中，小泵为y355m1-4，大泵为y355-m2-4。参数见表3.2（按实际需要选取， 我选了2种比较常用的型号）。 表3.2 水泵性能参数表 转速流量扬程效率汽蚀裕量 轴功率(清水) 配带电机(sm=1.2) rpmm3/hl/sm%mkw 型号 kw 1100435.5121.063.750.04.0151.1y355m1-4/220kw 14 850511.0141.962.554.03.0161.1y355m2-4/250kw 3.53.5 鉴频鉴相问题鉴频鉴相问题 3.5.13.5.1 大功率电机变频转工频存在的问题大功率电机变频转工频存在的问题 大功率电机变频转工频工作原理如图 3.4 所示，kn1、kn2 为交流接触器，m 为 图 3.4 电机变频转工频原理图 水泵机。vvvf 是变频器装置，bx、fwd、cm 是变频器的外控端子，当 fwdcm 接通 时，电机正转运行，当 fwdcm 断开时，电机正转运行停止；当 bxcm 接通时，变 频器断开所有输出，电机处于自由运转模式，变频器正常运转时，必需保证 bxcm 断开。当 kn1 断开，kn2 吸合，水泵在变频器驱动下，从 0hz 开始升频（这一过程 称水泵电机软起动），当变频器频率上升到 50hz 后，如果系统水压仍旧达不到压力 设定值时，自控系统将进行水泵电机切换操作，断开 kn2，吸合 kn1,使电机直接接 入电网电压下运行，变频器再对另一台水泵电机实现软起动，并进行调速以保证系 统水压稳定在设定值。 从上述过程可以看出，大功率电机变频转工频的问题和自耦降压起动有些许类 似之处，自耦降压起动是利用自耦变压器，使电机在低电压状态时起动，来达到降 低起动电流的目的；变频器拖动电机软起动时，起动电流也很小，二者在起动过程 中，就减少电动机起动电流的功效来说是相似的。但二者在接触器的切换过程中却 15 存在本质的差别，当自耦降压起动的转速接近额定值时，通过接触器的动作切除自 耦变压器，切换过程前后电动机的三相电源存在一致性，即切换前后加在电动机每 一相电源电压尽管大小不等，但相位和频率仍是一致的；而在变频转工频的过程中， 由于变频器电压输出起始相位具有随机性，它所输出的三相电源和工频电源并不一 致，即使变频器的输出电压频率等于工频电压频率，它输出的三相电源和工频电源 的初始相位也不一致。由于这种相位不一致造成了大功率电机变频转工频的问题和 自耦降压起动问题的本质不同，也直接导致大功率电机变频转工频的复杂性。正是 由于变频器电压输出起始相位具有随机性，变频器输出的三相电源和工频电源的初 始相位不一致，直接导致了电机切换时产生的瞬时电流具有随机性，有时会远大于 电机的额定电流，在现场生产中表现为电机的电流或电压过载，而使空气开关跳闸， 烧毁熔断器，严重时还会损坏电机设备。 变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，在认识上还存在着一些误 区：一种看法是将变频器当作一般的交流电源，因而可以将电动机在变频器与供电 电网之间任意切换；另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频 器在运行中进行切换的。这两种看法都不免有失偏颇，有关变频器在拖动系统应用 的文章中，碰到变频器切换问题时，不作具体描述；用简单的一句“切换到电网运 行”了之。即使有些文章在切换问题上进行了一些探索，但也没有将这个问题的本 质揭示出来。 3.5.23.5.2 鉴频鉴相器在大功率电机平稳切换中应用鉴频鉴相器在大功率电机平稳切换中应用 针对上述问题，在理论分析的基础上，我们采用以下方法成功地解决了这一技 术难题，并且进行了工业试验。在变频转工频的过程中，引入鉴频鉴相控制器，对 工频电源和变频输出电源进行相位检测。当二者相位频率完全一致时，对电机实现 从变频到工频运行的无冲击切换。 1.鉴频鉴相控制器的选用鉴频鉴相控制器是采用单片机控制的智能相位频率跟 踪控制器，能准确跟踪变频器输入输出的相序、相位和频率，保证变频器输入输出 相序、相位频率一致时，对电机实现从变频到工频运行的无冲击切换。现场选用的 鉴频鉴相控制器具有相位跟踪准确，技术先进，工作可靠，能显著延长电控元件机 电机水泵等设备的使用寿命等特点。 2.鉴频鉴相控制器的工作原理 16 变频器的三相输入和三相输出作为智能控制器的输入信号，信号经过整形，放 大电路，以及频率、相位的跟踪电路处理，进入单片机。经由软件计算判断后，单 片机发出指令完成相应的动作，在显示单元显示相应的输入输出频率，指示灯也指 示各个状态。当变频器输入输出相位、频率一致时，控制器可分别给出集电极开路 输出信号（或继电器输出信号） ；当变频器输入输出缺相、反序时，控制器有故障代 码和指示灯同时报警，用户据此作相位判断。 图 3.5 鉴频鉴相比较器和 plc 扩展模块的接线图 当变频器输出频率达到 50hz 时，先由鉴频鉴相控制器检测工频电源和变频电源 相位是否一致，若相位一致，em235 的 aiw6 端口接受控制器 3、4 端子的 0v 电压信 号，经由 plc 比较计算，plc 执行一系列动作,m3.0 闭合， bx-cm（k1）接通，切断 变频器的输出，使变频器的输出电流为零。经 t33 瞬间延时后，迅速切断 kn2 和变 频器端子 fwd-cm（k2） ，在此状态下，切断n2 既保证了在切换时工频电源和变频 电源相位一致，也从根本上消除了接触器的触头间的电弧。然后再由 plc 迅速发出 命令，快速吸合 kn1，如此便实现了快速切换的目的。若相位不一致, 控制器在 3、4 端子输出+5v 的电压信号，送入 em235 的 aiw6 口，经 plc 比较计算，并不完成 切换动作，从而保证变频器和水泵电机的安全运行。 3.63.6 控制电路控制电路 因为控制电路图具有相似性，故只介绍下面3个就能解释整个电路图。 17 图3.6 指示灯控制电路 如图3.6为1号泵变频指示灯。即当1号泵处于变频状态时，灯e1-2亮。 图3.7 工频变频切换电路 如图3.7为1号水泵的变频工频切换电路。 当jnw-1接通时，rj2-1导通，且jnv1不通，1号泵就会变频运行。其中，rj2-1 为热继电器，作为1号水泵过载保护。kn1、kn2作为自锁保护装置，当jnw1导通，则 kn1得电，于是下面的kn1常闭开关断路。反之kn2也一样。这样自锁能保证1号水泵 只能工频变频选其一.不会发生既连接了变频又连接了工频的错误。 图3.8 蝶阀控制电路 图3.8为1号蝶阀的开阀控制图，即当该电路得电时，蝶阀开阀。 jf1接通，且kv2-2 zdk2-1不得电时，蝶阀开始关阀。其中kv2-1、kv2-2构成自 锁装置，使得蝶阀只能处于开阀和关阀中的一种状态。 18 4 系统软件开发 本系统的程序开发主要是plc的程序开发，我们采用的是根据系统的控制流程和 控制目标，在计算机上先编辑好plc软件，然后传给plc的方法，所用软件是厂家提 供的step 7-micro/win 32版。这是整个供水系统软件开发的重点，系统的重要功能 实现和顺序控制都依靠于它，它的开发好坏直接影响对了整个控制系统的质量好坏 和功能实现，下面就详细叙述。 4.14.1 plcplc 编程简介编程简介 4.1.14.1.1 plcplc 应用的开发步骤应用的开发步骤 plc的应用设计，一般应按下述几个步骤进行，具体流程见图4.1。 图4.1 plc应用的系统开发流程图 1.熟悉被控制对象 首先要全面详细的了解被控对象的机械结构和生产工艺过程，了解机械设备的 运动内容、运动方式和步骤，归纳出工作循环图或状态(功能)流程图。 19 2.明确控制任务与设计要求 要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对电控系统的控制要 求.例如机械部件的传动与驱动，液压、气动的控制，仪表、传感器的连接与驱动等。 归纳出电气执行元件的动作节拍图。电控系统的根本任务就是实现这个节拍图。 以上两个步骤得到的图、表，综合而完整的反映了被控对象的全部功能和对被 控系统的全部要求，是整个系统设计的依据，也是系统设计的目的和任务所在，必 须仔细分析和掌握。 3.制定电气控制方案 根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电控系统的工作方式，例如全自动、 半自动、手动、单机运行和多机联线运行等。还要确定电控系统应有的其他功能， 例如故障诊断与显示报替、紧急情况的处理、管理功能、联网通信功能等. 4.确定电控系统的输入输出信号 通过研究工艺过程和机械运动的各个步骤、各种状态、各种功能的发生、维持、 结束、转换和其他相互关系，来确定各种控制信号和各种检测反馈信号、相互的转 换和联系信号。并且确定哪些信号需要输入plc，哪些信号需要plc输出或者哪些负 载要由plc驱动，分类统计出各种输入输出量的性质与参数。 5.plc的选型和硬件配置 根据以上的各个步骤所得到的结果，选择合适的plc型号井确定各种硬件配置。 本系统选定了西门子公司的s7-200 cpu226。 6.plc元件的编号分配 对各种输入输出信号占用的plc输入输出端点及其其他元件进行编号分配，并设 计出plc的外部设计图口。 7.程序开发 用plc厂家提供的专用软件包按照特定的规则，开发出梯形图程序或语句表程序。 8.模拟运行与调试程序 将开发好的程序传入plc中，在逐条检查与验证，并修改开发时的语法、数据错 误，然后可以在实验室里进行模拟运行和调试程序，观察在各种可能情况下各个输 入量、输出量之间的变化关系是否符合设计要求。发现问题及时修改开发和己传送 20 到plc中的内容，直到完全满足工作循环图或状态流程图的要求。 在进行程序开发和模拟调试的同时，可以平行的进行电控系统的其他部分工作， 例如plc外部电路和电气控制柜、控制台等的设计、装配、安装和接线工作. 9.现场运行调试 完成以上各种工作后，即可将己初步调试好的程序传送到现场使用的plc存储器 中，plc接入实际输入信号和实际负载，进行现场运行调试，及时解决调试中发现的 问题，直到完全满足设计要求，即可交付使用。 4.1.24.1.2 plcplc 的工作方式的工作方式 plc采取循环扫描的工作方式，其工作过程简图如图4.2所示。这个过程可分为 内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一 次所 图4.2 扫描过程 需的时间称为扫描周期。在内部处理阶段，plc检查cpu模块内部硬件是否正常，复 位监视定时器，以及完成一些其它的内部处理。在图4.2扫描过程通信服务阶段plc 与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容.在 plc处于停止运行(stop)状态时，只完成内部处理和通信服务工作。在run时，要完 成全部的工作。 1.输入处理阶段 plc在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态，并以此状 态存入输入输出印象寄存器。接着转入程序的执行阶段。在程序执行时间，即使输 入输出状态发生变化，输入输出印象寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个 扫描周期的输入处理阶段才能被读入。 2.程序执行阶段 plc在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令，从输 入印象寄存器和其它元件印象寄存器读出有关元件的通/断状态。 内部处理通信服务输入处理程序执行输出处理 21 根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的元件印象寄存器中。即对 每个元件来说，元件印象寄存器中的内容会随着程序的进程而变化。 3.处理阶段 在所有的指令执行完毕后，将输出印象寄存器(即y寄存器)的通/断状态，在输 出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子，向 外输出控制信号，这才是plc的实际输出。 plc的扫描既可以按照固定的顺序进行，也可以按用户程序的指定的可变顺序进 行。这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而且也因为在一个大的控 制系统中要处理的i/o点数比较多，通过安排不同的组织模块，采用分时分批的扫描 办法，可缩短循环扫描的周期和提高系统控制的实时响应性。 顺序扫描的工作方式简单直观，简化了程序的设计，并为plc的可靠性运行提供 了保障。一方面，所扫描到的功能经解算后，其结果马上就可以被后面要扫描到的 逻辑解算所利用;另一方面，还可以通过cpu内部设定的监视定时器来监视每次扫描 是否超过规定时间，诊断cpu内部故障。以避免程序异常运行而造成的不良影响。 由plc的工作过程可见，在plc的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状 态寄存器的内容也不会发生变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能变改变.暂存 在输出状态寄存器中的输出信号，也需要等到一个循环周期结束后，cpu集中将这些 输出信号全部输送输出锁存器，这才成为实际的cpu输出。因此，全部的输入、输出 状态的改变，就需要一个扫描周期。扫描周期是其一个比较重要的指标，一般为几 毫秒至几十毫秒.plc扫描时间取决于程序的长短和扫描速度。因为plc的输入处理阶 段和输出处理阶段所需时间一般很短，通常只要几毫秒。由此可见，plc的扫描时间 对于一般的工业设备(改变状态的时间约为几秒以上)通常是没什么影响的。 4.1.34.1.3 s7-200s7-200 编程语言和程序结构编程语言和程序结构 plc 为用户提供了完整的编程语言，以适应编制用户程序的需要。plc 提供的编 程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、功能图和功能块图。 1.梯形图(lad) 梯形图(lad)编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。plc梯 形图与继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上 有一定区别。梯形图的一个关键概念是“能流”(power flow)。如果有“能流”从 22 左至右流向线圈，则线圈被激励。如没有，则线圈末被激励。“能流”以通过被激 励(on)的常开接点和未被激励(off)的常闭接点自左向右流。“能流”在任何时候都 不会通过接点自右向左流。 在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈 通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等。对s7200 plc来 说，还有一种输出“盒”，它代表附加的指令，如定时器、计数器和功能指令等。 梯形图语言简单明了，易于理解，是所有编程语言的首选。 2.指令表(stl) 指令表(stl)编程语言类似于计算机中的助记符语言，它是可编程控制器最基础 的编程语言。所谓指令表编程，是用一个或几个容易记忆的字符来代表可编程控制 器的某种操作功能。 3.顺序功能流程图(sfc) 顺序功能流程图(sfc)编程是一种图形化的编程方法，亦称功能图。使用它可以 对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程，许多plc都提供了用于sfc编程的指 令。 4.功能块图(fbd) s7200 的 plc 专门提供了 fbd 编程语言，利用 fbd 可以查看到像普通逻辑门 图形的逻辑盒指令。它没有梯形图编程器中的触点和线圈，但有与之等价的指令， 这些指令是作为盒指令出现的，程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说， 一个指令(例如 and 盒)的输出可以允许另一条指令(例如定时器)，这样可以建立所 需要的控制逻辑。这样的连接思想可以解决范围广泛的逻辑问题。fbd 编程语言有 利于程序流的跟踪，但在目前使用较少。 在编程语言的选择上，具体是用梯形图编程还是语句表编程或使用功能图编程， 这主要取决于以下几点： 有些 plc 使用梯形图编程不是很方便，则可用语句表编程，但梯形图比语句 表直观。 经验丰富的人员可用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。 本课题中，选择用梯形图作为编程语言。 4.1.44.1.4 编程软件基本功能编程软件基本功能 23 step7micro/win 32 的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创 建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单语法检查功 能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还 可直接用软件设置 plc 的工作方式、参数和运行监控等。 程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。 梯形土中的错误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误前有红色叉，且错误 处的下方加红色曲线。 软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也 可以在离线工作方式下进行。 联机方式：有编程软件的计算机与 plc 连接，此时允许两者之间做直接通信。 离线方式：有编程软件的计算机与 plc 断开连接，此时能完成大部分基本功能。 如编程、编译和调试程序系统组态等。 两者的主要区别是：联机方式下可直接针对相连的 plc 进行操作，如上装和下 载用户程序和组态数据等；而离线方式下不直接与 plc 联系，所有程序和参数都暂 时存放在磁盘上，等联机后再下载到 plc 中。 4.1.54.1.5 plcplc 接线图接线图 24 图4.3 plc接线图 如图所示，总共有24个输入数字量i/o口，其中的 san1、san2、san3、san4、san5、san6为输入开关；总共有16个输出数字量i/0口， jnw1、jnw2、jnv1、jnv2、jnv3、jnv4、jf1、jf2、jf3、jf4、jf5、jf6、jf7、jf 8、fwd、bx为plc控制的开关量。 plc可以增加数字量输出扩展模块，假如该系统还要增加数字量输出的话，可以 增加一个模块。这样也吻合数字量输出i/o口要预留10-30%的条件。 em235为模拟量输入输出模块，其中a+端、a-端接压力传感器，接受4-20ma电流 信号，进行模数转换，输入符合cpu标准要求的信号。b+端、b-端接变频器频率信号， 接受0-5v电压，输入同样符合cpu标准要求的信号。c+端、c-端接鉴频鉴相比较器， 信号只有0伏和5伏两种状态，我依然把他看作模拟量。当输入为0时，变频器的输出 频率相位和电网的频率相位一致，能进行工频转变频和变频转工频的切换。输出为 5v时，不能进行工频转变频或变频转工频的切换。 4.1.64.1.6 恒压供水的工艺流程恒压供水的工艺流程 系统开始运行之前，应先把管压参数 sp 赋给 plc。按下启动按钮，系统开始运 行，plc 给变频器 fwd 信号，然后判断变频器能否工作正常，正常的话采用全自动 变频恒压控制方式。现在假设变频器工作正常，系统开始运行，水泵 1 变频零转速 启动，待运转正常后压力传感器开始采样，随着 plc 的不断扫描，系统不断输入管 压信号的采样结果，采样结果通过模拟输入输出单元将模拟输入值转换为 plc 可以 接受的数字信号，与目标值作比较，将偏差调整为零，也就是提高或降低水泵转速， 使管网水压达到目标值。如果一台水泵额定转速运行仍不能使管网水压达到设定值， 将水泵 1 切换到工频态运行，延时后变频器的控制对象切换到水泵 2，同时保持水 泵 1 维持工频运行，水泵 2 从零转速开始运行，过程如上。泵 3、泵 4 的工作情况 也是如此。 在该种运行方式下，系统大部分时间是工作于其中一台泵变频运行进行微调， 其它泵或工频或停止的状态本系统为 2 组水泵轮流工作，2 组水泵的选择由人工直 接操作。因为 2 组水泵的原理型号相同，所以下面以水泵 1 组为例介绍恒压供水的 工艺流程。流程图见图 4.4。 该系统的主要运行过程如下： 1.系统启动 25 按下 san1 按钮，系统水泵 1 组开始启动。首先将水泵 1 组的两个碟阀关闭。 即 jf1 和 jf3 置 1，延时 1 秒钟，确定蝶阀关闭后接通 1 号水泵变频开关。随后开 变频器，即 fwd 置 1。当变频器 fwd 端置 1 时，变频器将正转运转且频率逐渐上升。 当频率到达 50hz 时，水泵已经运转正常，延时 4s，开碟阀 1，即将 jf1 置 0、jf2 置 1。随后 plc 的 pid 调节将控制变频器频率从而