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2Th电子纯水设备及其PLC控制,th,电子,纯水,设备,装备,及其,plc,控制,节制
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第一章 绪论 随着城市建筑供水问题的日益突出，保持供水压力的恒定，提高供水质量是相当重要的；同 时要求供水的可靠性和安全性。 本次设计是针对上述问题设计的供水方式和控制系统， 由主回路， 备用回路，一个清水池及泵房组成。其中，泵房装有 1#3#共 3 台泵机，还有多个电动闸阀或蝶阀 控制各供水回路和水流量。控制系统采用了以具有丰富功能的PLC 为核心的多功能高可靠性控制 系统。 水泵作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的 60%以上，在 我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的 21%。为了节约降耗 ，必须采取调节措施使泵站适应 负荷变化的运行。 本次设计内容包括 PLC 设计常用标准和规范，设计内容力求做到简明扼要，严格按照设计标 准进行设计，从而设计出复合设计要求，适合实际生产情况的 PLC 供水系统，真正做到使生产效 率大大提高，节约了生产成本，节省生产成本。 本次设计介绍一种变频调速恒压供水系统， 该系统可根据管网瞬间压力变化， 自动调节某台 水泵的转速和多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。 优缺点： 本系统的优点可以归纳为以下几个方面 : (1) 系统造价经济性 由于采用 “一拖多 ”控制方式，与 “一控一 ”方式相比较，硬件投资成本较少，具有较高的价格 竞争优势 ; (2) 系统构造简单和易维护性 系统由功能相对独立的通用设备单元构成，便于故障判断和日常维护保养及功能性单元替换 ; (3) 通用性和灵活性 系统基本不受用户的使用场所和应用环境限制， 可通过软件功能块的组合将其扩展到其他类同的 供水应用场合，具有较强的灵活性 ; (4) 智能性 系统可在无人职守的情况下，通过对故障的检测判断，自动地按 “优美降级使用 ”方案 处理，减 少了系统停机断水现象 ; (5) 保护功能全面性 系统除具有常规的过载、过流、过压等保护功能，还具有无水停机、管网上限压力保护等附加功 nts能性保护。 当然， 本次设计的供水系统也并非完美无缺， 比如在某台电机变频运行向工频运行切换的过 程中，由于在变频驱动切断后电机处于滑停运转方式，此时，电机处于感应发电状态，存在着感 应发电相位与工频电源的相位不一致的可能性， 容易造成在向工频切换时的电流冲击现象。 为避 免这一现象，可采用通过软起动器驱动各个需工频运转的电机的方案。在实际应用中，对于 380V/110kW 以下容量的电机，只要缩短电机自由滑停段的时间 (一般控制在 200ms 以内 )，就可以 减少感应发电状态下的非同期相位的电量累积，减小工频切换时的冲击影响。 nts1.1 PLC 的用途与特点 一 .PLC 的用途 PLC 的初期由于其价格高于继电器控制装置 ,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯 片及有关元件价格大大下降 ,使 PLC 的成本下降 ,同时又由于 PLC 的功能大大增强 ,使 PLC 的应用 越来越广泛 ,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、 环保等行 业。 PLC 的应用通常可分为五种类型： （ 1）顺序控制 这是 PLC 应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。 PLC 可应 用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组 合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。 （ 2）运动控制 PLC 制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置 控制模版。在多数情况下， PLC 把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目 标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确 保运动平滑。 相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（ CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快， 操作方便。 （ 3）闭 环过程控制 PLC 能控 制大量的物理 参数，如温度 、压力、速度 和流量等。 PID（ Proportional Intergral Derivative）模块的提供使 PLC 具有闭环控制功能 ,即一个具有 PID 控制能力的 PLC 可用于过程控制。 当过程控制中某一个变量出现偏差时 ,PID 控制算法会计算 出正确的输出 ,把变量保持在设定值上。 （ 4）数据处理 在机械加工中，出现了把 支持顺序控制的 PLC 和计算机数值控制（ CNC）设 备紧密结合的趋向。著名的日本 FANUC 公司推出的 Systen10、 11、 12 系列，已将 CNC 控制功能 作为 PLC 的一部分。为了实现 PLC 和 CNC 设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。 通过窗口软件，用户可以独自编程，由 PLC 送至 CNC 设备使用。美国 GE 公司的 CNC 设备新机种 也同样使用了具有数据处理的 PLC。预计今后几年 CNC 系统将变成以 PLC 为主体的控制和管理系统。 （ 5） 通信和联网 为了 适应国外近几年来兴起的工厂自动化 （ FA） 系统、 柔性制造系统 （ FMS） 及集散控制系统（ DCS）等发展的需要，必须发展 PLC 之间， PLC 和上级计算机之间的通信功能。 作为实时控制系统，不仅 PLC 数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。 nts 二 .PLC 的特点 （ 1）抗干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了 大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧 的损害大大降低了系统的可靠性。 传统的继电器控制系统中 使用了大量的中间继电器、 时间继电 器。由于触点接触不良，容易出现故障， PLC 用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅 剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的 1/10-1/100，因触点接触不 良造成的故障大为减少。 而 PLC 采用微电子技术， 大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成， 大部分继电器和 复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。 微机虽然具有很强的功能， 但抗干扰能力差， 工业现场的电磁波干扰， 电源波动， 机械振动， 温度和湿度的变化，都 可能使一般通用微机不能正常工作。而 PLC 在电子线路、机械结构以及软 件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路， I/O 系统设计有完善的通 道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、 屏蔽、 滤波、 接地等抗干扰能力， 目前个生产厂家生产的 PLC， 平均无故障时间都大大超过了 IEC 规定的 10 万小时，有的甚至达到了几十万小时。 （ 2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活 PLC 产品均成系列化生产，品种齐全，外 围模块品种也多， 可有 各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。 PLC 构成的控制 在 系统中，只需在 PLC 的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理 电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用 编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个 PLC 装置有、用于不同的控制对象，只是 输入、输出组件和应用软件不同而已。 （ 3）编程方便，易于使用 PLC 是面向用户的设备， PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术 人员的技能和习惯， PLC 程序的编制， 采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继 电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术 人员的欢迎，近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图，使编程更加简单方 便。 （ 4）功能完善，扩展能力强 PLC 中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可 轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。 PLC 内部具有许多 控制功能，能方便地实现 D/A、 A/D 转换及 PID 运算，实现过程控制、数字控制等功能。 PLC 具 有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。 4 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。 （ 5）PLC 控制系统设计、安装、调试方便 PLC 中相当于继电器系统中的中间继电器、时间 继电器、计数器等 “软元件 ”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可 按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控 制功能， 使安装接线量大大减小， 设计人员只要一台 PLC 就可进行控制系统的 设计可在实验室进 行模拟调试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。 （ 6）维修方便，维修工作量小 PLC 具有完善的自诊断，履历情况存储及监视功能。对于 内部工作状态、 通信状态、 异常状态和 I/O 点的状态均有显示。 工作人员通过他可查出故障原因， 便于迅速处理，及时排除。 （ 7）结构紧凑 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。 由于以上特点，使得 PLC 获得极为广泛的应用。 5 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 第二章 系统组成及控制要求 2.1 系统简介为改善生产环境，某公司投资清洁水技 改工程并建成一座日产水 2.5 万顿的供水系统，分别 建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一 部分直接供给生产用水部门， 一部分则需通过加压泵输送到高位水池， 而供给生产用水部门的水 压与供给高位水池的水压相差较大。 同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里， 高位水池的液位 高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统 “联动 ”也是较难解决的。 鉴于以上特点，从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用 PLC 控制与变频器控制相结 合的自动恒压控制供水系统， 同时通过主水 管线压力传递较经济地实现了加压泵系统与抽水泵系 统 “远程联动 ”的控制目的 2.2 系统组成 系统主要由电动机， 变频器， PLC 控制器， 软起动器， 电机保护器数据采集及其辅助设备组成。 2.3 控制要求及技术指标 1：供水压力要求恒定，波动一定要小，尤其在换泵时。 2：三台泵根据压力的设定，采用 “先开先停 ”的原则。 3：为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间。当时间到时，自动切换到下一抬泵，以 防止泵长时间不用而锈死。 4：要有完善的保护和报警功能。 5：为了检修和应急要设有手动功能。 6：需要有水池防抽空 功能。 技术指标 供水扬程： 4120 m 供水流量： 22000 m3/h 水泵功率： 0.5575 KW 平均节电率： 3060% 压力调节精度： 0.01Mpa 预定压力设定数：第 1、 2 压力。其中第 2 压力设定值为消防用水压力。 水泵数量及功率可根据用户实际情况来选定。 6 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 2.4 变频器的技术参数 ABB ACS400 是具有多种功能的变频器，在本例中由于已选 PID 调节器，因此就不用变频器的 内部 PID 调节，而只用变频器的工厂宏 FACTORY（ 0） 就可以了。压力传感器将压力信号传给 PID 调节器， PID 调节器根据压力设定，输出 420MA 给变频器以调节电机的速度，变频器的运行要根 据可编程序控制器输出 Q1.0（ DCOM1-DI2）是否闭合来确定，变频器的停止要根据 编程序控制器 输出 Q0.7（ DCOM1-DI1）是否闭合来确定。将变频器 内部可编程继电器 RO1， RO2 设定成频率到达。相关参数设定如下： 代码 9902 1001 1003 1102 1103 功能 设定值 0 3 1 6 0 代码 功能 设定值 1 APPLIC MACRO EXICOMMANDS DIRECTION EXT1/EXT2 EXT REF1 SEL 2102 STOP FUNCTION 3201 SUPERV1 PARAM 0103 3202 SUPERV1 LIMLO 15HZ 3203 SUPERV1 LIMHI 50HZ 3204 SUPERV1V2PARAM0103 7 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 第三章 控制系统设计 3.1 确定控制方案 1） 工频手动方式系统设计了手动工频的操作方式， 将转换开关打到 “工频 ”档位， 操作人员可以根据需要自 己决定起动或停止任 意一台泵的运行。 由于在该操作方式下， PLC、 PID、 变频器等均不参加控制， 因此，从技术角度上来说，该方式无法保障出水管网压力值的恒定，所以必须有人监守。该方式 主要供 PLC、变频器、 PID 仪表、压力变送器等设备故障检修时使用。 2） 变频自动方式将转换开关打到 “变频 ”档位， 按下变频起动按钮， 系统将自动判断并选择起始变频运行泵入口， 进入自动运行。 3） 工作原理 (1) 当某台电机故障或需要检修某台电机水泵时，控制系统将退减到 3 泵循环方式自动工作 ; (2) 当变频器出现故障时， 控制系统将采用 工频驱动方式控制泵的运行与停止， 来保证供水的压 力在一定的范围内，但系统无法达到压力值的恒定，同时发出报警蜂鸣声响，通知操作人员进行 处理 ; (3) 当无水接点信号来临时， PLC 将关断所有变频和工频输出，直到无水接点信号消失， PLC将自 动恢复控制输出 ; (4) 当消防信号到来时， PLC 控制将转入子程序段执行，关断生活用水，打开消防供水阀，实现 对消防管道补充供水目的，系统将根据在 PLC 程序中设置的消防供水压力设定值自动地完成恒定 稳压消防供水。当消防信号解除后，系统自动恢复到变频恒压供水工作状态 ; (5) 仅单台泵变频运行，且处于最低输出频率状态和较长时间无压力上下限出现时 (可以认为此 时的系统供水需求量接近为零 )，控制系统将以变频 50Hz 运行30s 或使管网压力达到设定值的 1.2 倍左右后，立即停止运行，进入休眠状态，直到管网实际压力为压力设定值的 80%左右，控制系 统重新自动恢复变频运行，即休眠唤醒。当然，管网中若有气压罐，系统应以气压罐的压力控制 器的上下限接点作为休眠与唤醒的条件进行控制 8 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 3.1.1 抽水泵系统整个抽水泵系统有 150KW 深井泵电机四台， 90KW 深 井泵电机两台， 采用变频器循环工作方式， 六台电机均可设置在变频方式下工作。采用一台 150KW 和一台 90KW 的软起动 150KW 和 90KW 的电机。 当变频器工作 50HZ， 管网压力仍然低于系统设定的下限时， 软起动器便自动起动一台电机投入到 工频运行，当压力达到高限时，自动停掉工频运行电机。系统为每台电机配备电机保护器，是因 为电机功率较大， 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和稳定时， 控制器的压力下限信 号与变 频器的高速信号同时被 PLC 检测到， PLC 自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行， 以保持压力的连续性， 同时将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 压力稳定。若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，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有效，这时压力上限信 号如仍出现， PLC 首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时， PLC 再停 掉一台工频运行的电机， 直到最后一台泵用主频器恒压供水。 另外， 控制系 统设计六台泵为两组， 每台泵的电机累计运行时间可显示， 24 小时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的 泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。 3.1.2 半自动运行当 PLC 系统出现问题时，自动控制系统失灵，这时候系统工作处于半自动状态，即一台泵具 有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可手动投入另外一台或几台工频泵运行。 3.1.3 手动当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，六台泵可分别以手动工频方式运行。实施 效果实际运行证明本控制系统构成了多台深井泵的自动控制的最经济结构， 在软件设计中充分考 虎变频与工频在切换时的瞬间压力与电流冲击， 每台泵均采用软起动是解决该问题关键。 变频器 工作的上下限频率及数字 PID 控制的上下限控制点的设定对系统的误差范围也有不可忽视的作 用。采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长 了主管网及其阀门的使用寿命。另外： 采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动 ，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延 长了主管网及其阀门的使用寿命。 用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。 9 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 拓宽运用变频恒压控制原理， 较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异 地连锁控制的目的。 在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与 PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位 置，确保水的质量。 过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好使用 条件，达到延长电机的使用寿命的目的。 系统配备水位显示仪表，可进行 高低位报警，同时通过PLC 可确保取水在合理水位的水质监 控，同时也保护电机制正常运转工况。 系统配备流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计 和每台泵的出水流量监控。 系统配备流量计， 既能显示一段时间的累积流量， 又能显示瞬时流量， 可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。 3.1.4 加压泵系统由于抽水泵房距离高位水池较远， 直接供水到高位水池抽水泵的扬程不足， 为此在距离高位 水池落差为 36 米处设计有一加压泵房，配备立式离心泵两台（一用一备）电机功率为 75KW，扬程 36 米。该加压泵的控制系统需考虑以下条件： （ 1）若高位水池水位低和主管有水，则打开进水电动蝶阀和起动加压泵向高位水池供水； （ 2）若高位水池水位满且主管有水，则给出报警信号并关闭加压泵和进水电动蝶阀； （ 3）若主管无水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必须开启出水电动蝶阀由高位水池 向主管补充不。像抽水泵一样，我们为加压泵配备了软起动器和电机保护器，确保加压泵长期可 靠地运转， 同时配备了高位水池的水位传感器和数显仪和缺水传感器。 为保证整个主水管网的恒 压供不，当高位水池满且主水管有水时，加压泵停止，此时 主管压力将 “憋压 ”，最终导致主管 压力上升，并将此压力传递到抽水泵房，抽水泵的控制系统检测到此压力进行恒压变频控制，进 而达到整个主管网的恒压供水，这是整个控制系统设计的关键。 3.1.5 系统实现功能 自动平稳切换，恒压控制主水管网压力传感器的压力信号 420mA 送给数字 PID 控制器，控 制器根据压力设定值与实际检测值进行 PID 运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的 压力稳定。 电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使 10 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 用寿命。 由于采用 PLC 控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作，系统的 PLC 预留有 RS485 接口， 可与总调度室计算机网络。 3.2 主电路设计主电路主要由 M1、 M2、 M3 三台电机、交流接触器 KM1KM6 控制三台电机的运行， KM1、 KM2、 KM3 为电机 M1、 M2、 M3 过载保护用的热继电器， QF1， QF2， QF3，QF4， QF5 分别为主电路、变频器 和三台泵的工频运行空气开关。 KM1、 KM3、 KM5 实现自动功能， KM2、 KM4、 KM6 实现手动功能。 3.3PLC 的接线图 CPU224 的传感器电源 24V （ DC） 可以输出 600MA电流， 通过核算在本例中容易满足要求， CPU224 的输出继电器触点容量为 2A，电压范围为 530V（ DC）或 5250V（ AC） ，如果用在较大容量的 系统中，一定要注意 PLC 的输出保护。 I01I06 接控制电路图中虚线筐内相对应的控制线， 201 接变频器的 DCOM1， 202203 接变频器的 DI1DI2，变频器的 RO1 的常开点接到 PLC 的I0.0， R02 的常开触点接到 PLC 的 I0.1。 3.4 控制电路图本系统的电气控制线路的电路图中，SA 为手动 /自动转换开关， KA 为手 动 /自动中间继电器， 打开 1 位置为手动状态，打开 2位置为自动状态，同时 KA 吸合。在手动状态，可以按动 SB1SB6 控制三台泵的起停。在自动状态时，系统根据 PLC 的程序运行，自动控制泵的起停。 HL1HL8 为各种运行指示灯。中间继电器 KA 的常开触点接 I03，控制自动状态时的起动。中间继电器的 KA 的三个常闭触点接在三台泵的手动控制电路上，控制三台泵的手动运行。在自动状态时， 三台泵在 PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。 KH1， KH2， KH3 为三台泵的热继电器的 常闭触点，可对电机进行过流保护。 3.5 程序设计在主程序中， T56， T57 为变频器频率上、 下限到达滤波时间继电器， 主要用于稳定系统， ， VB200 为变频泵的泵号， VB201 为工频运行泵的总台数， VD260 为倒泵时间存储器。 11 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 第四章 PLC选型分析 4.1 硬件设计 系统选用了西门子公司的 S7-200PLC，辅以输入 /输出扩展模块组成，主要 检测元件有光电开关、压力检测开关，共计 12 个输入信号。执行部件有电机、变频 挑速器、声光报警器，共 3 个输出点。PLC 主要完成现场的数据采集、转换、存储、 报警 、控制变频器直接驱动，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为手动和 PLC 控制。控制面板上设有一个手动 /自动转换开关， PLC对该开关的状态实时检测，当 选择手动功能时。 PLC 只进行检测报警，由人工通过面板上的按狃和开关进行水泵 的起、停和切换。当选择自动功能时，所有控制、报警均由 PLC 完成。 4.2 系统软件 为方便调试的编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、 自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。 （ 1）手动运行模块 当系统处于手动运行时，PLC 只接收个电路保护信号和各传感器信号，并由 此判断各 工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、 停和切换由人工通过面板上的按狃和开关来实现。 （ 2）自动运行模块 自动运行模块包括系统的初始话、开关命令的检测、数据采集子程序、控 制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。 电机控制子程序完成对 3台水泵的运行和停止控制。 由于变频器的输出频率 与水泵的运转速度直接相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运水速度 大；用水量小时，频率降低，水泵的运水速度小。因此程序根据变频器的输出频率 的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。 当频率 上升到 50HZ 即水泵全速运转时） （ 仍不能满足供水需要时，则 PLC 自动将第一台泵切换到工频运行；第 2 台由变频器供 电投入运行，如果第二台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则 PLC 自动将 第二台泵切换到工频运行，第 3 台泵由变频器供电投入运行，依次规律逐个投入运 行；当 2 台泵都处于工频全速运行方式，第 3 台泵处于变频运行工作方式时，如果此 时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限 Fmin 时，供水量仍大 于用水量，则系统自动将第二台泵停止运行，依次类推。 12 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 4.3PLC的 I/O分配 输 入 I0.0 I0.1 I0.3 功 能 变频器高频到达 R01 变频器低频到达 R02 起动 输 出 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 I0.7 水池水位下限信号 Q0.7 Q1.0 4.4 PLC 的主要技术条件分析本系统由 SEIMENSS7-200 的 CPU224，ABB ACS400 系列 7.5KW 变频器和具有压力显示的 PID 调节器组 成。 利用变频器的两个可编程继电器输出端口 R01 和 R02 进行功能设定。 当变频器达到最高频率时， R01 的常开触点 RO1B-RO1C 闭合：当变频器达到最低频率时， RO2 的常开触点 RO2B-RO2C 闭合。可以 此作为 CPU224的输入信号，判断是否进行加泵和切泵。为了节省成本，不采用 SEIMEN的 EM235 扩 展模块， 而采用具有模拟量输入和模拟量输出的 PID 调节器， 将压力传感器的信号 （ 420mA 或 05V） 送给调节器，调节器再将模拟量输出给变频器进行频率调节。 功 能 KM1（ 1#电机接变频器） KM2（ 1#电机接工频电源） KM3（ 1#电机接变频器） KM4（ 2#电机接工频电源） KM5（ 3#电机接工频电源） KM6（ 3#电机接工频电源） DCOM1DI1 DCOM1DI2 13 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 4.5 PID 应用及介绍变频器的运转频率是如何确定的呢？ 首先，通过安装在出水管网上的压力变送器，将压力信号转换成标准的 DC4 20mA的模拟量 信号送入 PID 调节器 ;然后， 经 PID 仪表将压力设定值与压力反馈值进行比较计算后， PID 仪表输出 一个执行值作为变频器的频率给定值， 由变频器控制电机水泵的转速， 调节管网出口处供水压力， 达到恒压供水目的。 若是通过 HMI 设定压力值， 那么， 实际管网压 力反馈的模拟量信号就要进入 PLC 模拟量输入端口，通过用户 PLC 程序来完成设定值与实际值的比较计算，根据差值大小来决定每 次执行值调节的频度与幅度 (解决好调节频度与调节幅度的问题是保障管网压力稳定的关键所 在，也是避免系统振荡的关键技术所在 )，从而达到改变变频器的给定频率，实现实时调速的目 的。 PID 闭环控制原理和控制接线图如图 1 所示。 图 1（ a）表示了多泵循环变频恒压供水系统压力闭环 PID 控制原理，图 1（ a）表示了具体的 PID 闭环控制实现方法 :线路连接图。 当压力设定值大于压力实际值时， PID 仪表将通 过增加模拟量输 出值来加速水泵电机的运行 ;当压力设定值小于实际压力值时， PID 仪表将通过减小模拟量输出值 来降低水泵电机的运行 ;PID 仪表将不断地通过改变模拟量输出值的大小来调节 水泵电机的转速，从而达到供水管网压力恒定的目的。 14 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 当 PID仪表的模拟量输出值达到最大且管网压力仍处于压力下限状态时 (通过修改 PID 仪表的正负 偏差值的大小来设定上下限报警点 )，利用 PLC程序开始计时，在计时时间到后 (计时的目的是为 了对该报警信号的稳定性确认， 避免增减投运台数的频繁动作或 错误判断动作 )， PLC 将作出一系 列动作命令来实现当前状态向下一个状态的迁移， 必须指出的是在每次状态迁移时， 首先应断开 变频器起动信号后再断开变频器与电机间的变频方式接触器， 并且变频器停止方式参数最好设置 为 “自由停车 ”方式，若动作执行顺序相反，将会造成变频器故障或损坏。在变频工作方式向 工频工作方式转换过程中，当断开变频接触器后应在尽量短的时间内完成工频工作方式的投入， 否则，当电机转速降到一定程度后就会产生起动冲击。同样，当 PID仪表的模拟量输出值达到最 小且管网压力仍处于压力上限状态时， PLC 程序开始计时，计时时间到后， PLC 将完成当前状态向 上一个状态的迁移，通常要设置一个最低输出频率下限的变频器参数，一般取15Hz 20Hz，这样 15 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 做一方面是为了避免电机在低频状态下可能的失速现象和电机长时间低频运行的温升问题， 另一 方面也是为了减少频繁状态迁移带来的系统振荡。 16 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 4.6 PID 计算 PID 运算电路如图 2 所示。 线性集成放大器的输入阻抗为： （ 1） 反馈阻抗为： 若线性集成元件为理想情况，其输出为： （ 2） （ 3） 对上式进行拉氏变换可得： （ 4） 令 ，则： （ 5） 由上式可见，此图实现了 PID 功能。17 nts无锡职业技术学院毕业设计说明书 4.7PLC 系统状态分析对于多泵循环变频恒压供水系统来说，其在正常
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