基于plc控制的变频恒压供水系统.doc

基于PLC控制的变频恒压供水系统的设计摘 要本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水自适应平衡控制系统的研制，重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计和PLC程序梯形图设计进行研究，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保证了供水质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。关键词： PLC 恒压供水 变频器 AbstractThis article interprets the rationale of a constant pressure water supply system and the foundation of this system constitution, the main contents and objectives are preparing a constant pressure water supply to the development of the balance of control system which is based on a single one of the plc frequency transformer drags more than one motor running emphasis researches to a constant pressure water supply system constitution and its working process ,the hardware design of the control system , the design of PLC program ladder diagram , illustrates the significance of PLC which in the constant pressure water supply system. From the whole design plans of this system and actual demand analysis, closely contacts with demand of actual life, aims to stabilize the system, handle easily and simply, solve practical problems, ensure safely、fast、reliably supplies water . A constant pressure water supply system to ensure the water quality, by the plc to the host control system enriches control function of the system, improves the system of reliability.Keywords: PLC a constant pressure water supply system a frequency transformer 目录概述1第一章 变频恒压供水分析21.1 变频恒压供水分析21.2 变频调速的节能、调速原理21.3 变频恒压供水工况分析41.4 调速范围的确定6第二章 变频恒压供水系统整体设计方案82.1 变频调速恒压供水系统构成及原理82.2 系统要求实现的功能9第三章 变频恒压供水系统的硬件部分设计123.1 变频器的工作原理和选择123.1.1 变频器调速基本原理123.1.2 变频器的选型133.2 可编程序控制器选型153.3 PLC与变频器的连接163.3.1开关指令信号的输入163.3.2数值信号的输入173.4 水泵及其电动机的选择193.5 压力传感器的选择193.6 电路设计203.6.1 主电路图203.6.2 PLC的外部接线图及其I/O分配表213.6.3 变频器外部接线图及相关参数设置223.6.4 缺水保护电路22第四章 变频恒压供水系统的软件部分设计244.1系统软件设计方法244.2系统程序功能图244.3系统程序设计分析244.4系统程序自动控制过程表264.5系统程序梯形图设计29第五章 PID算法在系统程序中的应用305.1PLC的PID模块分析研究305.2PID控制器设计方法325.3PID在系统实际中的应用35结论36参考文献37致谢38附录39PLC梯形图设计3944概述随着社会的飞速发展，人口的不断增长，近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患(例如压力过高容易造成爆管事故)。供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平以克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统，以PLC控制的变频调速恒压供水有它自身的特点：1) 供水量在短时间内(一天时间内)变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2) 对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3) 一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以PLC为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。第一章 变频恒压供水分析1.1 变频恒压供水分析在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。1.2 变频调速的节能、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1-1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。 图1-1节能分析曲线图1) 水泵全速运转，通过关小水泵出口阀门来控制：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 (1-1)H1/H2= (n1/n2)*2 (1-2)P1/P2=(n1/n2)*3 (1-3)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所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，降低了启动电流，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、欠电压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为：N = PQ (1-4)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。1.3 变频恒压供水工况分析 (1）水泵工作点的确定和调节1) 水泵工作点的确定图1-2 水泵工作点的确定如果把某一水泵的性能曲线(即HQ曲线)和管路性能曲线画在同一坐标系中，如图1-2所示，则这两条曲线的交点A就是水泵的工作点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，可以找出A点的扬程、流量以及效率。从图中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头损失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。2) 水泵工作点的调节交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系： (1-10) 式中：p-极对数；s-转差率因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比(V/F)曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机启动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n，可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变。泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。(2）水泵变频调速节能分析 水泵运行工况点A是水泵性能曲线n0和管路性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由R1变为R2。运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H2，流量从Q0减少到Q1。在图1-3中，水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1、B、Q1、0的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2、C、Q1、0的面积成正比。从图上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速水泵控制的节能效果明显。求出运行在B点的泵轴功率： (1-11)运行在C点时泵的轴功率： (1-12)两者之差： (1-13)图1-3 水泵节能分析图也就是说，采用阀门控制流量时有的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。1.4 调速范围的确定考察水泵的效率曲线h-Q，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。启动频率一般来说，水泵在低速运行的意义并不大，有的水泵并不能从0Hz开始启动，所以，应该预置运转开始频率一下，变频器处于待机状态，以利于更好的节能。所以，在变频启动无过流的前提下，运转开始频率可预置的高一些，一般设定范围为020Hz(也可以通过预置下限频率来达到目的)。最高频率：水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。例如，当转速超过额定转速10(nx1.1nN)时，转矩将比额定转矩超过21(Tx1.21TN)，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定转矩的，其最高频率只能与额定频率相等，fmaxfN50Hz。一般来说，上限频率也以等于额定频率为宜，但有时也可以预置的略低一些，原因有二：1) 变频器由于内部往往具有转差补偿功能，所以，在同是50Hz的情况下，水泵在变频运行时，实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电机的负载；2) 变频调速系统在50Hz下运行时，不如直接在工频下运行为好，可以减少变频器本身的损失，因此，将上限频率预置为49Hz或49.5Hz最合适。下限频率：在供水系统中，转速过低时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，下限频率应定为30Hz35Hz。第二章 变频恒压供水系统整体设计方案2.1 变频调速恒压供水系统构成及原理构成：本系统以由三台主水泵(1#泵、2#泵、3#泵)、一台辅助水泵(4#泵)、一台变频器，一台PLC、一个远传压力表及若干辅助部件构成，如图2-1所示。各部分功能如下：1) 水泵用来提高水压以实现向高处供水；2) 安装于供水管道上的远传压力表将管网水压力转换成4-20mA的电流信号；3) 变频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量；4) PLC用于水泵的逻辑切换、控制及供水压力的PID控制等；5) 外围辅助电路可以当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续生产。图2-1变频调速恒压供水系统构成图原理：原理图如图2-2所示。变频调速恒压供水系统中远传压力表将主水管网压力信号转换成电流信号再经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速和水泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压力闭环控制系统。变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为PLC进行逻辑切换、起、停泵的依据。图2-2 变频调速恒压供水系统原理图当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，变频器的高速信号(即变频器的频率上限信号)被PLC检测到，如果频率上限信号持续出现一定时间，PLC自动将原工作在变频状态下的泵转到工频运行，同时将另一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量，保证系统压力稳定。若两台泵全速运转仍不能达到设定压力，则将变频工作状态下的泵转到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号(即变频器的频率下限信号)有效，如果频率下限信号持续出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当变频器下限信号持续出现一定时间，PLC再停掉一台工频运行的水泵电机，只剩一台泵用变频器控制供水，如果变频器下限信号还持续出现，则进入小容量的辅助水泵变频运行(特别适合深夜用水量较小时)。2.2 系统要求实现的功能系统要求实现如下功能：1) 全自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节程序将接收到自远传压力表的信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升，直到50Hz，1#泵由变频运行切换为工频，同时对2#泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；如用水量减小(压力过大)，变频器下限频率持续出现，则将先启动的泵先切除。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机。待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动控制功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵的软启动、停止、循环变频的全部操作过程。2) 手动运行当远传压力表故障或变频器故障时，为确保用水，四台泵可分别以手动控制方式工频运行。3) 停止转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。4) 采用“自动切换”和“先启先停”原则“自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台同时运行的水泵，运行在这种状态下持续时间达到设定时间时自动换泵运行。“先启先停”是指哪一台先启动的水泵在压力过大时也先被切除，这样保证系统的每台泵运行时间接近，防止有的泵运行时间过长，而有的泵长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。 5) 平稳切换，恒压控制 远传压力表将主水管网压力信号经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定。当在运行的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的泵被切换到工频运行，变频器将启动另一台泵(即采用软启动)。 6) 完善的各种保护、报警功能 对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，防止短路产生。当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵。运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到工频，可避免切换过程中产生过电流。 电动机的热保护。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，这时电动机的电流可能超过额定电流，导致电动机过热。因此电动机的热保护是必须的。具有缺水保护功能。当水泵工作在自动状态，为防止当水池没水时水泵空载运行，烧坏水泵电机，系统设计缺水保护电路。当水池缺水时，保护电路中继电器常开触点断开，切断控制电路电源，从而保护系统。 7) 满足用户在用水高峰时的用水要求 根据用户最大用水量和供水高度的计算，本系统采用扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5KW的主泵三台；扬程48m，流量7立方米每小时，配套功率2.2KW辅泵一台。系统最大功率为16.5KW，扬程为61m。第三章 变频恒压供水系统的硬件部分设计变频调速恒压供水系统硬件部分主要由变频器、PLC、远传压力表、气压罐、水泵等组成，硬件部分设计主要包括以上设备的选型和主电路、控制电路的设计。3.1 变频器的工作原理和选择变频器是采用交-直-交电源变换技术、电力电子技术、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品，它通过改变电动机工作电源频率从而达到改变电动机转速的目的。它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用，是水泵电机调速的执行者。3.1.1 变频器调速基本原理变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： (3-1) 式中，n表示电机转速； f表示电源频率； s表示电机转差率； P表示电机磁极对数。 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。 实际上，若仅改变电源的频率则不能获得异步电动机满意的调整性能。因此，必须在调节的同时，对定子相电压也进行调节，使与之间存在一定的比例关系。故变频电源实际上是变频变压电源，而变频调速准确的称呼应是变频变压调速，其英文术语为Variable Voltage Variable Frequency，又简称为VVVF调速器。根据与的关系，变频调速原则上主要有以下两种： a 恒转矩变频调速(恒磁通变频调速)由异步电动机的电势方程知：电动机定子相电压近似与电源、磁通的乘积成正比。故若一定时，则必将随着的变化而变。若从额定值(我国通常为50Hz)往下调节时，就增大。而电动机在设计时，为了充分利用铁芯材料，一般都把值选在接近磁饱和和数值附近。因此，的增大，就会导致磁路过饱和，励磁电流大大增加，这将使电动机带负载的能力降低，功率因数值变小，铁损增加，电动机过热，这是不允许的。反之，若从额定值往上调节时，就减小，这在一定的负载下又有过电流的危险。为此通常要求磁通恒定，即与成正比关系，即 (3-2)式(3-2)中，为电动机在非额定工况时的定子电压和电源频率。又由异步电动机的转矩方程式知，当有功电流额定时，一定时，电动机的转矩M也一定，故恒磁通即恒转矩。b 恒功率变频调速当电动机在额定转速以上运转时，定子频率将大于额定频率。这时若仍采用恒磁通变频调速，则要求电动机的定子电压随着升高。可是电动机绕组本身不允许承受过高的电压，电压必须限制在允许的范围内，这就不能再应用恒磁通变频调速。在这种情况下，可以采用恒功率变频调速。根据推导可知，恒功率调速必须满足以下两个条件：定值 (3-3)由于恒功率变频调速时必将发生变化，故电动机效率和功率因数将有可能下降。从上面对恒磁通和恒功率的变频调速特性分析可以得知，变频调速从额定频率往频率下降的方向调速时，即次同步高速时，应采用恒转矩(恒磁通)变频调速；变频调速从额定频率往频率增加的方向调速时，即超过同步调速时，需要采用恒功率变频调速。3.1.2 变频器的选型变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。变频器的型式选择：根据控制功能可将通用变频器分为三种类：普通功能型U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能U/F控制变频器知矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机，泵类等平方转矩，低速运行下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。变频器容量选择： 变频器的容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。变频器箱体结构的选用：变频器的箱体结构要与环境条件相适应，即必须考虑温度，湿度，粉尘，酸碱度，腐蚀性气体等因素，这些因素与能否长期安全、可靠运行有很大的关系。常见有下列几种结构类型可供设计中选用：1) 敞开型IP00。本身无机箱，适合装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其是多台变频器集中使用，选用这种型式较好，但环境条件要求较高。2) 封闭IP20。适用一般用途，可用于有少量粉尘或少许温度、湿度变化的场合。3) 密闭型TP65。适用环境条件差，有水，尘及一定腐蚀气体的场合。根据以上理论，选用西门子MICROMASTER430型变频器。MICROMASTER430变频器是用于控制三相交流电动机速度的变频系列，特别适合用于水泵和风机的驱动。本变频器由微处理器控制，并采用现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为功率输出器件，因此，它们具有很高的运行可靠性和功能多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。该变频器易于安装，参数设置和调节，具有牢固的EMC设计。该变频器具有以下特性，如表3-1所示。表3-1 MICROMASTER430变频器的额定性能参数表特性技术规格电源电压和频率范围3AC380至480V10%，7.50KW-90KW输入频率47至63HZ输出频率0至650HZ功率因数0.98变频器的效率96%98%控制方法V/F控制模拟输入1(AIN1)0V至10V，0mA20mA和-10V10V继电器输出3个可编程30VDC/5A(电阻性负载)，250VAC2A(电感性负载)防护等级IP20保护的特性欠电压，过电压，过负载，接地，短路，电动机过温，变频器过温3.2 可编程序控制器选型PLC是该控制系统的核心部件，合理选择PLC对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。选择PLC应包括PLC机型、容量等的选择。PLC机型选择： 机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠，维护使用方便及最佳的性能价格比。1) 结构合理对于工艺比较固定，环境条件较好，维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC。2) 功能强弱适当对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC，如西门子公司的S7-200系列机。PLC容量的选择PLC容量主要是指是PLC的I/O点数，I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点是数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的考虑留10%15%点数备用量。根据系统要求和功能，选用西门子S7-200系列的CPU224型。其有以下特点： 1) 具有14个输入点，10个输出点。 2) SIMENS S7-200可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。 3) 大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务。 4) 方便用户和简易的无风扇设计。 5) 当控制任务增加时，可以自由扩展。 6) 大范围的集成功能使得它的功能非常强劲。 7) PLC编程采用STEP7-Micro/win，它是SIMATIC PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试。3.3 PLC与变频器的连接当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用。 PLC可提供控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统由三部分组成，即中央处理单元、输入输出模块和编程单元。本文介绍变频器和PLC进行配合时所需注意的事项。3.3.1开关指令信号的输入变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件(如晶体管)与PLC相连，得到运行状态指令，如图3-1所示。图3-1 运行信号的连接方式在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。图3-2给出了正确的接线例子。图3-2 变频器输入信号接入方式 当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源(DC24V)之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到PLC。如图3-3所示。图3-3输入信号防干扰的接法3.3. 2数值信号的输入变频器中也存在一些数值型(如频率、电压等)指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过010V/5V的电压信号或0/420mA的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为010V，而PLC的输出电压信号范围为05V时；或PLC的一侧的输出信号电压范围为010V而变频器的输入电压信号范围为05V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不超过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。电信号的范围通常为010V/5V及0/420mA电流信号。无论哪种情况，都应注意：PLC一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。另外，由于这些监测系统的组成互不相同，有不清楚的地方应向厂家咨询。另外，在使用PLC进行顺序控制时，由于CPU进行数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑。因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证PLC不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点： 1) 对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。 2) 当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等，另外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的措施。 3) 当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。 4) 通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。3.4 水泵及其电动机的选择工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求：1) 水泵扬程应大于实际供水高度。2) 水泵流量总和应大于实际最大供水量。3) 水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量。4) 水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价。5) 水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失。6) 安装管理方便。安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在此例中要求三台主泵和主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。大泵的效率比小泵高；而且用大泵时，工作泵和设备的费用以及泵站的面积常可减小；因此不可只从适应水量的变化出发，使用数量较多的小泵。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水使得系统瘫痪。一般最优的水泵台数为36台。3.5 压力传感器的选择压力传感器和信号处理器上将水管中的压力信号变成05V的模拟量信号，作为模拟输入模块(信号处理器)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用了05V输出的压力传感器。3.6 电路设计3.6.1 主电路图电气控制系统主电路图如图3-4所示。图中，M1#， M2#， M3#， M4#为四台水泵电机，KM1，KM2，KM3，KM4，KM5，KM6，KM7，KM8为控制四台电机的接触器，FR1，FR2，FR3， FR4为电机M1#，M2#，M3#，M4#过载保护用的热继电器，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6为空气开关。QS1,QS2 ,QS3控制自动和手动切换刀开关，FU1,FU2,FU3为电路保护熔断器。图3-4 主电路图3.6.2 PLC的外部接线图及其I/O分配表本系统占用PLC的3个输入点，8个输出点，PLC的外部接线图如图3-5所示，PLC的具体I/O分配情况见表3-2：表3-2 PLC I/0分配表输入功能输出功能I0.0变频器高频信号Q0.0KM1(1号电机接变频器)I0.1变频器低频信号Q0.1KM2(1号电机接工频电源)I0.2启动信号Q0.2KM3(2号电机接变频器)I0.3停止信号Q0.3KM4(2号电机接工频电源)I0.41号电机启动信号Q0.4KM5(3号电机接变频器)I0.51号电机停止信号Q0.5KM6(3号电机接工频电源)I0.62号电机启动信号Q0.6KM7(4号电机接变频器)I0.72号电机停止信号Q0.7变频器运行、停止信号I1.03号电机启动信号3L变频器端子9I1.13号电机停止信号图3-5 PLC外部接线图3.6.3 变频器外部接线图及相关参数设置PLC的I0.1，I0.2接变频器的端子19、21，L+接端子20、22，以便把变频器上限频率信号和下限频率信号送到PLC中如图3-6。变频器上限频率一般设置为4949.5HZ，下限频率为防止水泵转速较低，形成“空转”，一般设置为2530HZ。 PLC的3L、Q0.7、分别接变频器的端子9、5，以实现用PLC的信号控制变频器运行和停止。利用变频器两个的可编程继电器输出端口19、21进行功能设定，当变频器频率达到上限频率时，19的常开触点闭合。当变频器频率达到下限频率时，21的常开触点闭合，可以此作为PLC的输入信号，判断是否进行加泵或切泵。同时PLC的输出端Q0.7作为变频器的输入端5(设定为变频器运行和停止的控制端)信号以控制变频器的运行和停止。图3-6变频器外部接线图3.6.4 缺水保护电路当水池水位偏低时，应停止供水，否则水泵处于空转状态，长时间会损坏水泵。缺水保护电路如图3-7所示，HL为指示灯，HK为蜂鸣器，KA2为中间继电器。当水池缺水时KA2失电，利用其常开触点切断控制电路和常闭触点进行声光报警。图3-7缺水保护电路第四章 变频恒压供水系统的软件部分设计4. 1系统软件设计方法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适合使用顺序控制设计法编程。顺序控制设计法规律性很强，虽然编出的程序偏长，但程序结构清晰、可读性强。在用顺序控制设计法编程时，功能表图是很重要的工具。功能表图能清楚地表现出系统各工作的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。4. 2系统程序功能图为了能直观的了解程序的设计，在此画出了程序功能图，如图4-1所示，它能清楚的表明系统各个状态动作的顺序和转化条件。4.3系统程序设计分析加启动信号(I0.2为“1”)后，如果水池水位下限没达到时，开始起动程序，此时由PLC控制使1#电机变频运行(此时Q0.0，Q0.7亮)；如果变频器达到频率上限(即有输入I0.0为“1”)，则定时器T37开始计时(10s)，计时完毕后关闭Q0.0，Q0.7，延时1S，(延时是为了两方面的原因：一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器；二是让变频器减速为0，以重新启动另一台电机。以下各切换时的延时与此原因相同，将不再赘述。)延时完毕，则1#电机投入工频运行、2#电机投入变频运行(此时Q0.1、Q0.2、Q0.7亮)；如果变频器又达到频率下限(I0.0为“1”)则定时器T39开始计时(10S)，计时完毕后关闭Q0.2、Q0.7，延时隔1S，延时完毕后，则1#电机投入工频运行、2#电机投入工频运行、3#电机投入变频运行(此时Q0.1、Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)；这是一个加电机的过程。如果运行在1#电机工频运行、2#电机工频运行、3#电机变频运行(即有Q0.1、 Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)的状态下，变频器出现频率下限(I0.1为“1”)，则定时器T43开始计时(10秒)，计时完毕后关闭Q0.l，此时2#电机处于工频运行、3#电机处于变频运行(即有Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)；如果变频器又达到频率下限(I0.1为“1”)，则定时器T45开始计时(10秒)，计时完毕后，关闭Q0.3，此时3#电机处于变频运行(即Q0.4、Q0.7亮)。这是一个切除电机的过程。 图4-1程序功能图运行过程中，若变频器频率没有达到上、下限，同时达到上、下限后连续计时没到设定时间一样，PLC的输出稳定在该状态下，程序中切除电机采用了(“先投先停”)的原则，这可以使各电机的运行时间和次数相接近，从而延长电机的使用寿命。本系统在投入电机条件设置为到达频率上限后连续计时10S，切除电机条件设置为到达频率下限后10秒，这是为了当运行着的电机全速运行压力还低于给定压力时，能尽快投入电机使压力升高，同时防止压力波动时频繁切换电机。当单独一台电机运行于变频状态时，如果变频器达到频率下限时，开始计时(10秒钟)，计时完毕，则切除该电机和变频器的运行，转入容量较小的辅助电机变频运行(此状态Q0.6， Q0.7亮)。当变频器的频率上限信号持续出现时，T52开始计时(10秒)，计时到，则转入第一状态的运行，即1#电机变频运行(此时Q0.0， Q0.7亮)。当用水量很少(如夜间用水)的情况下自动使容量较小辅助电机处于变频运行状态，这可达到节能目的。在本程序中还设计了三台主电机两种循环切换的功能。一种是一台电机单独处于变频运行状态时，当计时时间(4小时)到时，关闭该电机和变频器，并延时1S，延时到后启动另一台电机变频运行，此切换循环是：1#变频2#变频3#变频1#变频；第二种是有一台电机工频运行和一台变频运行的状态下，计时时间(4小时)到时，把工频运行和变频运行的电机切除，延时1S，把原变频运行的电机接于工频运行，变频器起动另一台没运行的电机，此切换循环是：1#工频、2#变频2#工频、3#变频3#工频、1#变频1#工频、2#变频。程序中的计时是用时间脉冲SM0.4(该位提供一个1分钟的时间脉冲，30秒为1， 30秒为0，周期为1分钟)和对脉冲进行计数的变量寄存器单元YD260组成的。综合整个运行程序，可以看出实现三台主电机的轮流切换和与辅助电机的切换，使整个系统工作协调，提高了工作效率，并延长了电机的使用寿命，充分合理的使用四台设备，满足工作要求。4. 4系统程序自动控制过程表根据实际控制要求，可列出自动控制过程表(如表4-1)。该表反映了自动控制过程中水泵工作状态和状态变化过程。在表中为变频器工作频率；为变频器上限工作频率；为变频器的下限工作频率为()的时间；为()的时间；()为的允许时间；()的允许时间；T1为一台水泵运行要循环切换的时间；T2为二台水泵运行要循环切换的时间；T3为在压力满足条件下辅助泵切换到主泵的延时时间。表4-1系