毕业设计（论文）-恒压变频调速供水系统的设计.doc

恒压变频调速供水系统目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1课题背景11.2设计要求21.3主要研究内容2第2章系统方案选择32.1系统设计32.2方案选择5第3章恒压变频调速供水系统原理63.1系统的组成和基本工作原理63.2变频调速技术的节能、调速原理7第4章 系统硬件设计104.1可编程控制器（PLC）104.1.1 PLC的基本结构及功能104.1.2 PLC的工作过程124.1.3可编程控制器的选择134.1.4FP1的A/D转换模块和D/A转换模块134.1.4.1 A/D模块144.1.4.2 D/A转接模块154.1.5I/O设计174.2变频器184.2.1变频器简介184.2.2变频调速原理194.2.3变频器选择204.3 压力传感器214.4液位传感器224.5主电路设计24第5章 软件设计265.1系统启动初始化程序265.2液位检测子程序275.3压力检测子程序285.4多泵并联首起解决295.5报警系统子程序315.6小流量停机睡眠功能315.7 PID调节子程序325.7.1 PID控制的原理和特点325.7.2恒压供水算法设计335.7.3 PID控制器的参数整定35结 论37参考文献38致 谢39全套设计加扣3012250582II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PLC控制的恒压供水系统。此设计采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。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，工作可靠等优点。本论文综合运用了可编程控制器（PLC）、变频器、传感器等现代工业控制常用的控制部件及其相关程序设计方法。所做的研究对同类系统的研究和开发具有一定的参考价值。关键词：恒压供水；可编程序控制器 ；变频器 AbstractWith the rapid development of social economy, it demands the better of water supply s quality and reliability of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced technique of automation, control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.The paper study the disadvantages of current water supply system and their automatic level，saving energy and reliability are not very well , and develops a new kind of the constant pressure water supply system based on PLC control which improves automatic level，saving energy and reliability of current water supply system.In this paper, the control principle of VVVF providing-water system is introduced, PLC is used to carry on logic control and invertered to modulate pressureThrough PID control principle. We realize Closed-loop control in VVVF Providing-water System. The result indicates that the system has the stable pressure, simple structure, and reliable work.The paper collectively utilizes some modern control devices such as PLC， frequency conversion device and sensor, and introduces the relative program design method. All of the study are reference valuable to the study and development of relative systemKeywords: water supply of constant pressure PLC；Frequency conversion基于单片机交通灯控制系统的设计第1章 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。1.1 课题背景在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和泵 类电机的耗电量占全国发电量的50%左右，若推广新型电机调速技术，可节电40%左右，即可以节约全国发电量的1/5。由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多，因此，在我国一方面水电供应紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人。节电节水，不仅潜力巨大，而且意义深远。近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。可以说，变频技术已为大多数用户所接受。但是，不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距。目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6%左右，而工业发达国家已达60% 70%；日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10%，而我国还不足0.01%；在日本，空调器的70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术尚有很大的发展空间，我们应该锲而不舍地做好推广应用工作。变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。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。1.2设计要求设计一个恒压变频调速供水系统，具体要求如下：1.系统应具有较高的恒压精度；2.系统能长时间稳定可靠运行；3.有友好的用户操作界面，能自动运行和实现无人值守；4.在发生意外故障时应具有声光报警功能；5.具有小流量停机“睡眠”功能。1.3主要研究内容本文介绍以可编程控制器(PLC)为控制核心，西门子MICROMASTER 420变频器为执行元件，采用PID算法控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力。其中主要内容包括恒压供水原理，PLC原理，变频调速原理，通过设置几个主要器件I/O参数，实现PLC，变频器，压力传感器之间的通讯、控制功能。第2章系统方案选择恒压变频调速供水系统由电系统及水系统两部分构成，电系统主要由变频调速控制装置、检测仪表、配电线路及控制线路等组成。水系统主要由水池、泵组、阀门、仪表、供水管网等组成。2.1系统设计为实现恒压供水，目前基本上有以下几种实现方案:1.方案一（1）硬件组成：变频器、单片机、压力传感器、水位变送器。（2）工作原理：全自动变频调速供水系统根据用水量的大小,设定水泵的运行方式, 采用变频调速方法实现恒压变流量供水。如用用水量Q 小于一台水泵的额定供水量Q e, 则一台水泵工作在变频调速方式, 其供水量为Q f 且可调。系统根据用水量的变化对变频器的输出频率进行调整, 从而调节水泵的转速, 使供水量Q f 等于用水量Q 的同时, 供水压力保持恒定; 如用水量Q大于一台水泵的额定供水量Q e, 工作在变频调速方式的水泵切换到工频运行方式, 其供水量为Q e,另一台处于停机等待的水泵则工作在变频调速方式。（3）系统原理框图：如图2.1所示单片机控制系统D/A变频器电机水泵机组压力传感器A/DHrH 图2.12.方案二（1）硬件组成：变频器、压力变送器、水位变送器，智能PID控制器，电机。（2）工作原理：变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知PLC进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。（3）系统原理框图：如图2.2所示PLC智能PID调节器变频器电机压力变送器水压设定水压 图2.23.方案三（1）硬件组成：PLC控制器、PID调节器、变频器、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。（2）工作原理：根据管路上压力传感器所检测到的压力变化，经PID调节，比较运算后，输出直流010V连续信号控制变频器，调整运转频率，从而自动调整水泵转速，以达到恒压的功能。由于是根据实际用时情况自动选择泵组的工作模式和调整转速，水泵始终在高效区交替运转，因此节能效果显著。（3）系统原理框图：如图2.3所示PLCPIDVVVF水泵管网压力传感器电压 频率 转速 实测压力给定参 数反馈参数图2.3 系统框图2.2方案选择以上方案中，第一种是变频器与控制器集成方案。优点是方便安装调试和管理维护，但在中国的很多场合，继承的变频器数量难以确定，可能会有较大的成本浪费，也不宜扩展。第二种是变频器与单片机分离的方案。优点是成本低，但其数据采集通道较少，功能单一，不适合作为复杂的恒压供水系统的要求。第三种是变频器与PLC分离的方案。克服了以上两种系统方案的缺陷，随着PLC近年来的发展，成本已与单片机相差无几，而强大的功能，更适用于系统的多功能设计要求。第3章恒压变频调速供水系统原理恒压变频调速供水系统的设计是通过管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和三台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。3.1系统的组成和基本工作原理变频恒压供水控制系统由PLC控制器、PID调节器、变频器、压力变送器、水位变送器等其它电控设备以及3台水泵等构成，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、液位变送器以及变频器输出的4-20mA信号，作为控制系统自动运行的条件，PID调节器环节接收检测的压力信号并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；该系统还设有多种保护功能，在软件和硬件上实行互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。系统软件部分主要包括自动切换变频/工频运行功能 、PID的调节功能、“休眠”和自动上水等功能。系统硬件框图如图3.1所示：图3.1系统硬件框图3.2变频调速技术的节能、调速原理水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。如图3.2所示，n为水泵特性曲线,A为管路特性曲线,H0为管网末端的服务压力, 为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时,水泵全速运转,出口阀门全开,达到了满负荷运行,水泵的特性曲线n0和用水管路特性曲线A0汇交于b点,此时,水泵报出口压力为，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中,采用不同的控制方案,其水泵的能耗也不同6。 图3.2节能分析曲线图（1）水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。（2）水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点始终在上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性曲线为nx，面管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点。这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H1H0，则h1即为水泵的能量浪费。（3）水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线变为n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。根据水泵的相似原理：Q1/Q2=n1/n2 （2.1） H1/H2=(n1/n2)*2 （2.2） P1/P2 =(n1/n2)*3 （2.3）式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴的功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。 根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术落后相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的。保证了居民用水压力的可靠。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵机组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性，另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为: n =120 f(1-s)/p （2.4）式2.4中s为电机的滑差(s=0.02)，p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低。变频调速是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为: N = PQ （2.5）又功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功率。第4章 系统硬件设计恒压供水系统的硬件部分主要由变频器、可编程控制器、检测仪表、各种开关、水池、泵组、阀门、供水管网等构成。4.1可编程控制器（PLC）PLC作为整个系统的控制单元，联系着系统各部分的协调工作，是整个系统的命脉。根据现场信号和系统的工作状态控制各阀的打开和关闭，并根据压力给定和实测压力进行PID调节控制水泵转速，变频器再将其工作状态输出到PLC。4.1.1 PLC的基本结构及功能PLC采用了典型的计算机结构，主要包括CPU，RAM，ROM和输入，输出接口等，其内部采用总线结构，进行数据和指令 的传输。中央处理单元存储器输入输出数据存储器输出接口电源单元开关或传感器继电器触点行程开关模拟量输入地址总线数据总线编程单元输入接口照明电磁装置电动机其他执行装置或接触器数据总线地址总线 控制总线图4.1 PLC结构示意图PLC各部分功能如下：CPU：起着总指挥，它通过地址总线，数据总线和控制总线与存储单元，输入输出接口电路连接。主要功能：1.从存储器中读取指令，2.执行指令3.取下一条指令，4.处理中断。存储器：主要用于存放系统程序用户程序及工作数据。输入/输出接口电路：它是PLC与现场I/O设备或其他外设之间的连接部件，它起着PLC和外围设备之间传递信息的作用。常用PLC输入接口电路有：（图4.2（a），6（b）内部电路COMX7X0输入LED显示器X7X0输入LED显示器COM（a） 直流输入电路 （b）交流输入电路图4.2 输入接口电路 内部电路输入接口电路的一次电路与二次电路之间用光耦合器隔离，在电路中设有RC滤波器，以消除输入点的抖动和沿输入线引入的外部噪声的干扰。开关量输出模块有三种：低速，大功率负载，一般采用继电器输出；高速较大功率交流负载采用晶闸管输出；高速，小功率直流负载，可用晶体管输出，其输出接口电路为：（图4.3（a），（b），7（c） 电源单元：PLC的电源单元包括系统的电源及备用电池，一般采用220（1015）交流电源，作用是把外部电源转换成内部工作电压。负载COM(a) 继电器输出COM 负载（b）晶体管输出（c）晶闸管输出图4.3 输出接口电路负载COM4.1.2 PLC的工作过程PLC一般采用循环扫描方式工作。当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除I/O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。1公共处理阶段这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查I/O总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。这部分时间是固定的，对P型机来说，为1.26ms。2执行外围设备命令阶段当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。3程序执行阶段在这个阶段，CPU将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据(输入和输出的状态)进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。4输入、输出更新阶段PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。CPU对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是PLC工作的重要特点。4.1.3可编程控制器的选择经对国内外市场上各种PLC进行比较，根据系统所需PLC的输入输出端口数目再考虑经济等其它方面的因素，系统选用FP1系列C40型，具有24输入和16输出，结合模拟量输入输出模块，它具有抗干扰能力强、可靠性高等特点，可在恶劣的环境下长期工作，完全可以满足系统设计要求。日本松下电工公司的FP系列PLC可以说是变成控制其市场上的后起之秀，被称为“一匹黑马”。虽然他的产品进入中国市场较晚，但由于其设计上有不少独到之处。所以一经推出，就备受用户关注。其产品具有指令系统丰富、CPU处理速度快、程序容量大、变成工具功能强大、网络通讯功能强大等特点。FP1属于小型机，C40型共有I/O点数40点（24输入、16输出）在主控单元内含有告诉计数器，可输入的脉冲频率高达5KHZ，并能同时输入两路脉冲，晶体管输出型PLC可输出频率可调的脉冲信号。主控单元还具有8个中断源优先权管理等功能。同时通过PC机可对PLC进行梯形图程序的编辑、状态监控等。除主控单元和扩展单元以外，还有A/D、D/A单元和C-NET连接单元等高级模块，可进行模拟量处理，并可方便地构成工业现场PLC控制网络。FP1的指令系统十分强大，共有190多条指令，除基本的逻辑运算，数据运算、数据处理、数制转换指令之外，还有中断、子程序调用、步进控制、电子凸轮控制、速度及位置控制等特殊功能指令。另外，FP1还有功能完备的编程工具，用户可以方便地进行编程和实现监控。由于FP1具有结构紧凑、硬件配置全、软件功能强等特点，而且他的某些功能甚至能媲美大型机，所以性能价格比较高，较适合在中小企业中推广使用。4.1.4FP1的A/D转换模块和D/A转换模块A/D转换器是将模拟量转换为一定进制的数字量。A/D转换器大多是将电压量转换为正比的二进制数字量，乘以转换系数后可获得电压的数值量，也有先将电压量转换为时间或频率，然后再经计数得到电压的数值量。D/A转换器相反。4.1.4.1 A/D模块1.占用I/O通道及编程方法与FP1配接的A/D模块有四个模拟输入通道：CH0-CH3。其占用I/O通道分别为：CH0WX9（X909F）CH1WX10（X10010F）CH2WX11（X11011F）CH3WX12（X12012F）编程方法 如下 F0MV WX9， DT0执行这一语句，则由CH0输入的模拟信号经A/D转换后送入FP1的WX9通道，并由传送指令将转换好的数据存入DT0。其他通道也可照此格式编程。FP1对A/D模块读取数据，每一个扫描周期只进行一次。2.A/D面板图及接线方法图4.4是A/D模块的面板图如图所示，每个通道有4个端子，分别是V、I、C和FG端。当电压输入时，信号由V和两端输入，屏蔽外壳接FG端；而电流输入时，信号由I和C两端输入，屏蔽外壳接FG端，此时应将V和I两端接在一起。在A/D模块的面板上还有两个端子是“RANG ”端。这两个端子可以用来选输入信号范围。当“RANG”端的两个端子开路时，可输入电或05V电压信号。当“RANG”端的两个端子短路时，可输入010V电压信号。A/D模块的电源需外接，有交流和直流两种，交流可直接接交流220V电源，直流只能接24V直流电源。究竟接何种电源应根据A/D模块的型号及产品说明书来决定。A/D与FP1连接时只需将FP1右边的盖板取下，用专用的扁平电缆分别插在FP1和A/D模块的盖板下的插座上，即连接完毕。V2 IC C0 FG V I2 C4 FG V2 I2 C2FG RANG V3 L3 C FG扩展插槽（左）扩展插槽（右）通道0通道1通道2通道3电源端子电压范围选择端子图4.4 A/D模块面板图FP1-4A/D电源指示灯 DC24V如图所示，每个通道有4个端子，分别是V、I、C和FG端。当电压输入时，信号由V和两端输入，屏蔽外壳接FG端；而电流输入时，信号由I和C两端输入，屏蔽外壳接FG端，此时应将V和I两端接在一起。在A/D模块的面板上还有两个端子是“RANG ”端。这两个端子可以用来选输入信号范围。当“RANG”端的两个端子开路时，可输入电或05V电压信号。当“RANG”端的两个端子短路时，可输入010V电压信号。A/D模块的电源需外接，有交流和直流两种，交流可直接接交流220V电源，直流只能接24V直流电源。究竟接何种电源应根据A/D模块的型号及产品说明书来决定。A/D与FP1连接时只需将FP1右边的盖板取下，用专用的扁平电缆分别插在FP1和A/D模块的盖板下的插座上，即连接完毕。在本恒压供水系统中，用到3个模拟量输入模块（CH0CH3），分别为：液位检测信号输入、压力检测信号输入和变频器频率反馈信号输入，均为420mA的电流信号，信号由I和C两端输入，此时应将V和I两端接在一起。4.1.4.2 D/A转接模块1占用I/O通道及编程方法与FP1配接的D/A模块有两个输出通道，即CH0和CH1。故当A/D和D/A连用时，一个A/D需配接两个D/A模块。两个D/A模块可用开关设定其单元号，即No.0和No.1。设定开关在D/A左边盖板下面，开关置于左边则该模块设为No.0，开关置于右边则该模块设为No.1。其I/O通道分配如下：CH0(No.0)WY9(Y909F)CH1(No.0)WY10(Y10010F)CH0(No.1)WY11(Y11011F)CH0(No.1)WY12(Y12012F)注意 ：FP1对D/A模块写入数据，每一个扫描周期只进行一次。2.D/A面板及接线方法图4.5是D/A模块的面板图，如图所示，每个通道有5个端子。其中V+ 与V- 为模拟电压输出端，I+与I-为模拟电流输出端，而“RANG”端可选择输出电压范围。当V-与“RANG”端短接时，输出为010V。“RANG”端开路时，输出为05V 。D/A模块的电源需外接，也有交流和直流两种。电源接法同A/D。D/A模块与FP1连接的方法与A/D同。只是当A/D与D/A连用时需配接两个D/A模块，故应设定单元号为No.0和No.1。但连接时No.0和No.1位置可交换。一个FP1最多可带两个扩展单元，一个A/D单元和两个D/A单元。且每个单元都必须外接电源。各单元与FP1之间均用扁平电缆串接，除FP1主机外，其他各单元位置均可任意调换。在本系统设计中，用到1个模拟输出口（CH0），输出010v电压信号控制变频器的频率。此时V-与“RANG”端短接。3，4Vc+ VD+RANGI0+ I0- V1+ v1- RANGI1+ I1-FG 扩展插槽（左）扩展插槽（右）通道0通道1通道3电源端子电压范围选择端子图4.5 D/A模块面板图FP1-2D/A电源指示灯 DC24V4.1.5I/O设计通过分析可知：在该PLC控制系统中，三台加压泵P1，P2，P3均可变频工作，也可工频工作，由接触器进行切换，需由PLC的6个输出信号进行控制，占用PLC6个输出端；蓄水池进水阀由PLC控制开关阀门，占1个输出端，蓄水池水位检测由液位检测传感器返回PLC，占PLC一个模拟段输入口；变频器的运行、停止和故障，需占PLC 3个输出端，变频器的频率控制占PLC模拟输出端一个，并向PLC返回一个4-20mA的模拟频率信号值；压力传感器向PLC返回一个4-20mA的电流信号，作为压力反馈；故障声光报警占PLC 1个输出端；3台电机过载占3个输入端；主令开关：P1，P2，P3允许端子3个，启动、停止2个，手动自动1个；综合以上可得PLC共输入端子10+3个，输出端子11+1个，故PLC I/O硬件接线图如下：图4.6 PLC 输入输出接线图4.2变频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。4.2.1变频器简介变频器的功能是将频率固定的(通常为50Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三相交流电，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器，中间直流环节和逆变器三个部分组成。相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压，经滤波由电容Cd输出直流电压Vd，逆变器将直流Ud变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。由于中间直流环节是Cd低阻抗输出相当于是恒压源，故称电压型。电流型交一直一交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件用的是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源，故称电流型。4.2.2变频调速原理由三相异步电动机定子每相电动势的有效值式中 Eg-气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V） f 1-定子频率（HZ） Ns-定子每相绕组串联匝数； kNs-定子基波绕组系数； m-每极气隙磁通量（Wb）当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当供电电压E一定时，若f变化则引起m会随之变化，f1降低，磁通则上升，造成磁路过饱和，电流上升，使电动机带载能力降低，cos降低，铁损增加，电机过热；反之，f1上升，m下降，在R（负载）一定时，有过流的危险。因此希望m可以保持基本不变。要实现这个目标，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，即则磁通m可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用VVVF表示。怎样实现VVVF是变频器必须解决的重要课题之一。异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。异步电动机的定子主磁通是以一定的转速旋转，旋转磁场实际是三个交变磁场合成的结果。旋转磁场的转速=60f/p，其中f是电流频率，P是旋转磁场的磁极对数。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此转子的转速必须低于定子磁场的转速 (即所谓的“异步，)。两者之间的差异可由转差率表示，转差率s=(-)/根据=60f/p可知，当频率f连续可调时，电动机的同步转速也连续可调，而异步电机的转子转速，总是比同步转速略低一点，所以当连续可调时，也是连续可调。4.2.3变频器选择根据设计要求，变频器选用MICROMASTER 420 变频器。MICROMASTER 420 变频器适合用于各种变速驱动装置，尤其适合用于水泵，风机和传送带系统的驱动装置。MICROMASTER 420的主要特征：具有三个完全可编程的隔离的数字输入；一个可标定的模拟输入(0V至10V)；它也可以作为第4个数字输入来使用；一个可编程的模拟输出 (0mA 至20mA)；一个完全可编程的继电器输出(30V，直流/5A，电阻负载或250V，交流/2A，感性负载)；采用最新的IGBT 技术；磁通电流控制(FCC)，可以改善动态响应特性，优化电动机的控制；线性v/f 控制；平方v/f 控制；可编程的v/f 特性；在电源消失或故障以后自动再起动功能；斜坡起始段和结束段的平滑快速电流限制(FCL)功能，避免运行中不应有的跳闸；快速的，可重复的数字输入；采用高分辨率的10 位二进制模拟输入，实现速度的精；复合制动，实现快速制动控具有4 个跳转频率；可拆卸的“Y”形接线电容器，用于IT (中性点不接地) 供电电源。MICROMASTER 420 I/O接线图如下所示：给定频率（PLC）实际频率输出启动/停止惯性停止故障复位故障输出3412135671011L1 L2 L3R S T西门子MM4203至P1、P2、P3图4.7 变频器接线图4.3 压力传感器在自动控制系统中检测环节是非常重要的一部分，它将检测到的控制量反馈回输入端，才能实现自动调节，本系统所用的检测的是水压，采用压力传感器，它通常安装在出水管网上，其功能是把出口压力信号变成420mA变化的电流信号或010V间变化的电压信号的标准信号送入PLC的端口进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加减泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。本系统采用杭州钱江仪器仪表厂生产的YYB-ES型压力变送器，YYB系列产品采用高可靠及高稳定性的电子电路与各类压力传感器组合，用于工业生产过程中各种液体、气体、蒸气等介质的表压、绝压、负压(真空)的测量。该系列产品具有体积小、重量轻、外形精致美观等特点，规格品种齐全，具较高的性能价格比。YYB系列压力变送器使用安装方便，安装方向不受限制，可直接安装于过程管道上。YYB-ES型压力变送器为四线制带现场LED数字显示的压力变送器，其供电电源和输出信号分别传送。（1）主要性能有：1.抗干扰能力强（电源地与信号地隔离），特别适合变频器应用场合 2现场3 1/2位LED数字显示 3供电电源可选（交流220V / 直流24V）4输出信号可选（010 mA / 420mA）5负载阻抗： 0600 ( 420 mA)；01。5k ( 010 mA)6测量范围：0200Pa(20mmH2O)至040Mpa（2）接线图如下4.8所示：图4.8 压力传感器接线图校验与调整：通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下，检验输出电流值。下显示面端盖，在零压力下调整输出零位电位器，使输出电流为0(型)或4mA(型)或规定值；调整显示零位电位器，使数字显示值为000 或规定值。在满量程压力下，调整输出量程电位器，使输出电流为10mA(型)或20mA(型)或规定值；调整显示量程电位器，使数字显示值为满量程压力值。变送器经校验标定后，现场不需要重新标定，一般运行半年至一年，做一次基本性能检查，并可按要求调整标定。4.4液位传感器液位传感器是一种测量液位的压力传感器。静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。根据设计要求，本系统采用了JYB系列T型液位变送器。JYB系列T型液位变送器，投入式静压液位变送器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件的压阻效应，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA）。 该传感器适用于供排水系统的液位测量。调校简单安装方便。信号输出方式可选420mA、05v、010mA等标准。其特点有：抗过载能力强、抗腐蚀性能优良、过压过流保护、反向极性保护、稳定性高、抗干扰能力强、实用性广、安装简便、经济实惠。技术参数：量程：0100m最小量程0.5m介质温度：2085环境温度：1060供电电压：1232VDC(通常24VDC)输出信号：010mA/420mA/05VDC/15VDC负载特性：电流输出型600电压输出型3K绝缘电阻：100M准确度:A级:0.25FSB级:0.5FS非线性：0.2FS迟滞性与可重复性：0.1FS长期稳定性：0.1%FS/年热力零点漂移：0.03FS/响应时间：30mS最大工作压力：2倍量程。4.5主电路设计每台水泵均通过交流接触器与工频电源，变频电源相连，而且三组接触器在硬件上设置互锁，除此之外，电路中还设有必要地过电流，过电压，短路，缺项保护。总电路图如下：第5章 软件设计在恒压变频调速供水系统中，有大量的逻辑信号需要处理，这部分工作是由PLC来完成的，系统软件根据运行要求及保护要求由PLC来实现逻辑控制。5.1系统启动初始化程序初始化程序包括模拟数字转换器初始化，蓄水池液位检测自动上水，比例积分微分（PID）初始化。该部分程序只在系统刚开始启动时执行，以满足系统在正常运行时的需要，在以后不再执行该段程序。模拟数字转换器（ADC）初始化，包括输入，数字滤波（平均值法）取样次数设定，零点设定，增益设定等。系统启动蓄水池液位检测自动上水，当液位低于高液位时开进水阀，直到液位上升至高液位。PID程序初始化包括扫描采样周期，比例参数，反馈极性，积分时间常数，微分时间常数，预定压力等参数的设定系统的启动初始化程序的软件流程图如图5.1所示，图5.1 系统启动初始化程序流程图5.2液位检测子程序在运行的过程中，若检测信号在液位上下限之间，则可以认为正常；若在供水过程中液位低于下限水位程序会自动开启进水阀并开始计时，若在时间范围内液位还低于下限水位，系统自动报警并关断系统总电源，停止供水，当水位上升至水位上限时，自动关断进水阀。系统程序流程图如下： 图5.2系统液位检测程序流程图5.3压力检测子程序运行过程中，若压力处于模拟调节上、下限之间，系统处于自动调节状态；如若压力超过模拟调节上限值，延时后，程序会自动减泵运行，直至稳定运行在设定压力范围之内。如若压力超过模拟调节下限值，延时后，程序会自动加泵运行，直至稳定在设定压力范围之内；在三台水泵均满载运行，仍然压力不足，则说明管道存在严重泄漏，延时后，转报警处理程序，子程序梯形图如下5.4多泵并联首起解决在初始化以后，根据水泵控制主令开关，确定水泵首起：若P1泵允许，则确定1号泵为首起；若1号泵不允许，而2号泵允许，则确定2号泵为首起泵；若1、2号泵均不允许，而3好泵允许运行，则确定3号泵为首起泵。水泵的顺序启动顺序停止：当号泵确定为首起泵时，号泵变频起动，延时后，开启号出水阀，再此期间系统不断检测压力，若压力不足，水泵切换至工频运行，号水泵变频启动；在号泵变频运行期间，若压力还不足，号水泵也切换至工频运行，号水泵再变频启动；若压力过大切除号工频泵，号变频泵继续变频运行。在号泵变频运行，、号泵工频运行期间，若压力仍然不足，延时后，系统认为管道严重泄漏，转到报警子程序；程序流程图如图5.3 所示：图5.3 多泵并联首启软件流程图5.5报警系统子程序报警子程序包括长时间欠压力报警、液位低报警、变频器故障报警、电机过载报警等。本报警系统由一个扬声器和一个警示灯联合组成声光报警系统，根据报警类型不同，可通过长中短音区分故障所在。该功能的实现主要依靠几个定时器进行互锁来控制长中短音报警器程序如下所示：图5.4 报警子程序梯形图5.6小流量停机睡眠功能小流量停机“睡眠”功能恒压供水系统在深夜用水量甚少时，水泵在低频状态下运行，仅作维持系统压力的无用功，为减少电能损耗关掉水泵进入“睡眠”，当系统因泄漏等原因又欠压时，再“唤醒”(启动)水泵。其梯形图如图5.5所示。图5.5 小流量停机睡眠功能5.7 PID调节子程序根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯