PLC-变频器在城市恒压供水系统中的应用.doc

河南科技学院机电学院目 录摘要1关键词11 引言12 供水系统的结构23 控制系统的工作原理33.1 变频调速原理33.2 供水系统原理及工作过程44 硬件设计64.1 变频器64.2 压力变送器64.3 软起动器74.4 PLC选择7 5 PID调节原理76 系统的优点87 软件设计97.1 I/O口分配97.2 PLC接线图107.3 系统工作程序图118 结束语11参考文献11谢辞12附录13PLC-变频器在城市恒压供水中的应用彭以泳 机教005班摘 要：本论文介绍了以PLC-变频器为核心构成系统的控制原理、硬件设计、软件设计及系统优点。PLC-变频器调控技术在水压控制系统中的应用，有效地解决了控制负荷波动大，调节频繁的难题，证明了变频调速控制系统的优越性和显著的经济效益，具有很好的推广应用价值和进一步的研究价值。关键词：PLC；变频调速；恒压供水Abstract:This paper introduces the water supply system of constant pressure controlled by PLC control as well as Speed Regulating Transducer .The system was introduced to which used PLC to process the logic control and employed inverter to adjust water pressure, It could automatically control the number of water pump and speed of AC motor . Moreover it shows many advantages of the system-high efficiency, saving energy, convenience of operation, high automation.Key words: PLC；Variable Voltage Variable Frequency；water supply system of constant pressure1 引言随着变频调速技术的发展，人们对生活用水的品质要求不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于城市多层住宅小区生活及消防供水系统。供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能:(1)维持水压恒定；(2)控制系统可手动/自动运行；(3)多台泵自动切换运行；(4)在线调整PID参数；(5)泵组及线路保护检测报警，信号显示等。恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用PLC、变频器、PID调节器、单片机、等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。但在软件设计上，PLC比单片机的编程更简洁、直观；从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些；从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差无几，由于要根据现场情况调整系统参数，PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于售后服务人员掌握。本论文介绍的恒压供水系统是通过变频调速调节水的流量，达到供水的目的，最终控制目标是水的压力。将PLC与变频器结合在一起更好的优化了传统城市供水系统中的诸多问题，它体现了自身操作方便，高效节能和自动化程度高的特点，同时也体现了变频控制恒压供水的技术优势，有效的节省了资金。2 供水系统的结构恒压供水系统主要由PLC、压力变送器、水泵机组、变频器、主接触器等组成。系统工作原理框图如图1所示。PLC变频器压力变送器主接触器水泵机组供水管网工频电网 图 1 系统工作原理框图该控制系统中，控制信号的采集是靠压力变送器来完成的，由压力变送器采集的管道中的压力信号，经过PLC的智能扩展模块来进行模数转换，根据变送器传递来的标准的电流或电压信号的大小，把模拟量按一定的关系转换成PLC内部的数字信号，然后由PLC将转换后的数字信号与事先设定的压力值相比较，根据比较的结果，控制相应的输出，来决定让哪一个水泵电机工作，并且决定是以工频方式工作还是以变频方式工作，该变送器可靠性好，还可设定水压的上、下限压力值。当管网压力处于上下限位置，变送器分别输出开关信号进入PLC两个输入点，与变频器的极限输出频率检测信号一起，通过PLC控制泵的变频与工频切换以及控制工频工作泵的切除。水泵可以变频工作也可以工频工作，变频器的运行与关断由一个输出信号控制；变频器极限频率的检测信号占用一个输入点；再有紧急情况和发生供电相序故障等，急需紧急停车时设有一个急停按钮，占用一个输入点以控制整个系统全线停车。系统分自动和手动工作方式。 3 控制系统工作原理3.1变频调速原理变频供水设备主要由变频器、控制系统及压力变送器等部分组成。控制系统通过控制变频调速器，将50HZ的交流电调到以050HZ之间任意频率变送输出，实现交流电机的无极调速，最终达到生产过程的定量控制及最优化控制，当变频系统为开环时，设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速；当变频系统为闭环时，随着反馈等要求的变化，根据设定的系统供水压力值，自动跟踪输出相应的频率。 水泵电机通常由三相交流异步电动机来拖动，对水泵的调速是通过对其电机转速的调节来实现。我们知道：异步电动机转速=60(1S)/P。在这个公式中，f为电机电源的频率，P为电机的磁极对数，S为转差率(03%或06%)。由上述电机的转速公式可见：要想改变电机的转速，可以通过三种方法来实现：1.电动机的频率f；2.电动机的转差率S；3.电动机的磁极对数P。通过对上面三种方法的分析可以知道：改变电动机的转速的最好方法是改变电动机电源的频率。因为，转差率S的范围在(03%或06%)之间，由此转差率S对电动机的影响不大，调速效果不明显，效率相对较低；改变磁极对数P这种方法，首先它不容易实现，其次，由电机的工作原理决定了电机的磁极数是固定不变的。由于该磁极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适合通过改变该磁极对数P来调整电机的速度。变频调速装置又称为VVVF装置。VVVF是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。根据水泵叶轮相似定律，水泵供水量Q与电机转速成正比，供水扬程H与的平方成正比，水泵轴功率N与的3次方成正比。电动机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。失量控制具有转矩提升功能，它能增加变频器在低频时的输出电压，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。改善电机低速输出转矩不足的情况，使用矢量控制，可以使电机在低速时的输出转矩可以达到电机在50HZ供电输出的转矩。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。3.2供水系统原理及工作过程系统采用3台水泵电机并联运行方式，压力变送器将主水管网水压变换为电信号，经模拟量输人模块，输入PLC的高级模块PID模块，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。根据泵站供水实际情况与需求 ,利用一台变频器控制 3台水泵 ,一台小功率泵M1，两台大功率泵M2与M3，因此除改变水泵电机转速外 ,还要通过增减运行泵的台数来维持水压恒定 ,当运行泵满工频抽水仍达不到恒压要求时 ,要投入下一台泵运行。反之 ,当变频器输出频率降至最小 ,压力仍过高时 ,要切除一台运行泵。所以不仅需要开关量控制 ,还需数据处理能力 。它在应用上的一个重要特征就是由PLC自动采样, 随时将模拟量转换为数字量 ,放在数据寄存器中 ,由数据处理指令调用 ,并将计算结果随时放在指定的数据寄存器中。通过其可将压力变送器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量 ,提供给PLC,与恒压对应电流值、频率上限、频率下限 (考虑到水泵电机在低速运行时危险 ,必须保证其频率不低于 20HZ,因此频率上限设为工频50HZ,下限设为 20HZ)进行比较 ,实现泵的切换与转速的变化。系统运行时，三台泵的启动顺序为M1、M2、M3，停机顺序也为M1、M2、M3，即先起先停。首先M1水泵电机开始起动，在M1水泵电机起动后，压力变送器从管道中传来的压力信号经过模数转换后与设定的压力值相比较，判断用户终端水压的高低；由PID根据管道中的压力信号来控制变频器输出相应的频率，控制水泵电机的转速。当M1经过变频器的调节已达到工频后。经过一段时间（可以根据对系统灵敏度的要求来调整），从管道中采集一个压力信号与设定值比较，若管道中的压力仍然低于设定的压力，则由PLC发出控制指令，使KM1断开、KM2得电闭合，从而将M1电机从变频器脱离，使它直接与工频电源相连接工频运行，同时，也让KM3闭合，使M2电机与变频器相连。这时压力变送器传来的信号经PID调节后控制M2电机的转速，使管道内的压力与设定的压力值相接近。同理，当M2经过变频器的调节已达到工频后。经过一段时间，从管道中采集一个压力信号与设定值比较，若管道中的压力仍然低于设定的压力，则由PLC发出控制指令，使KM3断开，然后接通KM4和KM5，即使M2也处于工频模式运行，同时把M3接到变频器上，模拟信号由PID调节后输出相应的频率来控制M3，直到满足设定的压力值为止。系统工作主电路图如图2所示。图2 系统工作主电路图考虑到每个水泵电机的使用寿命，为了让电机的工作时间尽可能相同，在这里采用先起先停的原则来控制水泵电机，即当管道内的压力高于设定的压力时，先停止M1，让M2与M3工作，经过一段时间后，再采集管道内的压力信号，与设定值比较，若仍然高于设定压力，则把M2停止，只留下M3依靠PID的控制工作。当M3连续工作超过3个小时，停止M3，启动M1，如此循环。当晚上12点到早上6点，这个时间段用水量特别小，无论系统工作在什么模式，都让M2，M3停止运行，让小泵电机M1变频工作。当有消防信号时，由于灭火的用水量特别大，这时不管水泵电机在什么模式下运行，都把它切换到工频模式，由三台水泵电机来对系统供水，从而保证大量用水的需要。4.硬件设计4.1变频器变频器是水泵电机的电源设备,能将50赫兹的工频电源按水压恒定需要变换为0-50赫兹不同频率的电源供给水泵电机,使其转速得到调节.本系统选用的富士FRNP7-4系列变频器。该变频器可与PLC直接调节频率、直接接收PLC的PWM信号并可控制电动机频率；采用了新设计的调频电位器，用操作盘就可容易地操作正转/反转；内装8段速控制制动功能（0.2KW无制动功能），再试功能等,具有优良的机电性能.变频器的控制信号为调解器送来的010V直流电压.当该电压信号变化时,变频器的输出频率变化,电机转速变化.例如,当管网水压降低时,压力变送器输出减少,调节器输出电压升高,变频器输出电流频率上升,使水泵电机转速增加,水压恒定，富士变频器具有完善的操作性能,通过其自带编程器,可设置电机软启动,软停车的运行曲线及变频器运行频率的上下限幅值等.富士变频器还能给出许多检控信号,方便控制系统的构成.比如,能通过串行脉冲端口输出变频器的运行频率,和通过开路集电极输出口输出代表运行频率和频率限幅值关系的开关信号等.4.2 压力变送器的选择采用压力变送器可以直接把网管内的水压这个模拟信号转换为标准的电信号，从而有效的减少了系统的硬件配置，利用较少的元件实现较复杂的功能，在实际应用中，压力变送器的使用环境比较恶劣，考虑到水对人们生活的重要性，保证供水的压力满足人们生活的需要，为此选用由金华自动化仪表设备厂生产的DBS 316A系列压力变送器。DBS 316A系列压力变送器采用不锈钢外壳隔离防腐，外形设计精巧，安装十分简便。具有国际先进技术进口陶瓷传感器，再配以高精密电子元件，经严格要求的工艺过程装配而成。它与目前使用的常规压力变送器相比。有两个显著不同的技术差别：一是测量元件采用新兴的高精密陶瓷材料；二是测量元件内无中介液体，是完全固体的。同时，它具有以特点：过载和抗冲击能力强，过压可达量程的数倍，甚至用硬物直接敲打测量元件也不致使其损坏，且对测量精度毫无影响；工作稳定性高，抗振动，抗冲击，每年优于0.1%满量程，这个技术指标已达到智能型压力仪表水平；温度漂移小，由于取消了压力测量元件中的中介液，因而传感器不仅获得了很高的测量精度，且受温度梯度影响极小；可调节，适用性广、安装维护方便、可任意位置安装。有很广的测量范围，A型号的测量范围在-5KPa-20KPa之间，可以在环境温度-40-80C之间工作。具有反极性、过电压保护以及防电磁射频干扰功能，输出标准电信号：二线制4-20mADC。以便于系统控制。4.3软起动器变频器依次起动多台电动机 ,直接硬切换是不可行的 ,如采用同步切换 ,成本不低于一台晶闸管电子软起动器的价格 ,而且同步切换相对复杂 ,故障率高。同时 ,用一台变频器起动控制多台电动机 ,也不宜于大范围内的调压控制。所以 ,采用一台变频器同步切换的恒压供水软起动控制系统 ,不如使用一台变频器 ,外加软起动器组成的恒压供水软起动控制系统。本系统采用西门子软启动器3RW3458。4.4 PLC选择本供水系统采用松下电工FP1-C40系列PLC，该系列PLC体积小巧，功能齐全。CPU运行速度1.6s/步，程序容量高达2700步5000步，最多可控制152点加4通道A/D4通道D/A。主机有14，16，24，40，56，72点六种还有8，16，24，40点四种扩展单元，主机上配有RS232通讯口机内时钟，通过C-NET网络模块可方便地将最多32台PLC连成网络，距离达1.2km。该控制系统中，安装在管网上的压力传感器将一定范围的压力对应转换成0 -10V 电信号，反馈给变频器，作为压力反馈。5 PID调节原理介绍在供水系统中，压力变送器将压力信号变换成电压量或电流量，反馈到PLC高级模块的高级模块-PID模块，PID将压力反馈信号与压力给定信号进行比较，并经Proportion（比例）、Integral（积分）、Differential coefficient（微分）、诸环节调节后得到频率给定信号，控制变频器的工作频率，从而控制了水泵的转速和泵水量。比较与判断功能 设压力给定信号为，压力传感器的反馈信号为，PID调节器首先对上述信号进行比较，得到偏差信号 接着根据值判断如下：为“”，说明供水压力低于给定值，水泵应升速。大，说明供水压力低得较多，应加快泵的升速。为“-”，说明供水压力高于给定值，水泵应减速。|大，说明供水压力高出较多，应加快水泵减速。用水量Q增大了，引起供水不足，供水压力下降，于是出现了偏差信号。图中，供水压力用与之相对应的压力信号来表示。的大小与供水压力成比例，但具体数值因压力变换器型号的不同而各异。仅仅依靠的变化来进行上述控制，虽然也基本可行，但在值很小时，反映不够灵敏，不可能使值减小为0，而存在静差P（比例）功能 简略的说， P功能就是将值按比例放大。这样，值即使很小，也被放大得足够大，使水泵的转速得到迅速调整，从而减小了静差。但是，另一方面，P值设定得大，则灵敏度高，供水压力到达给定值的速度快。但由于拖动系统有惯性的原因，很容易发生超调（供水压力超过了给定值）。于是又必须向相反方向回调，回调也很容易超调。结果，使供水流量Q在新的用水流量处振荡；而供水压力则在给定值处振荡。I（积分）功能 振荡现象之所以发生，主要是水泵的升速过程和降速过程都太快的缘故。I（积分）功能就是用来减缓升速和降速的功能，以缓解因P功能设定过大而引起的超调。I功能和P功能相结合，即为PI功能。但是，值设定过大，会拖延供水流量重新满足用水流量（供水压力重新到达的给定值）的时间。D(微分)功能 为了克服因I值设定过大而带来的缺陷，又增加了D（微分）功能。D功能是将X的变化率（）作为自己的输出信号。当用水量刚刚增大、供水压力刚下降的瞬间，最大；随着水泵转速的逐渐上升，供水压力的逐渐恢复，将迅速衰减。D功能和PI功能相结合，便得到PID调节功能。 6.系统的优点采用变频器-PLC恒压供水装置有以下几个优点：:节电效益高。传统水泵电机均采用大容量电机，用阀门控制水量恒定，造成电能浪费。:运行可靠、稳定。系统中的核心部件变频调速器本身的可靠性很高，一般情况下可连续使用10万/h以上。系统还采用软启动方式，不存在电气冲击，不污染电网，而且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各种保护功能。系统对管网压力波动采取阻尼滤波处理，供水恒压精度较高，通常能控制在0.002Mpa范围内。:结构简单，操作简便。控制系统采用集成度高，配套方案灵活多样，由可编程控制器得到水泵运行的各种组合。调速范围广，对水量变化的适应能力强。:使用寿命长，自动化程度高，无需人看管，维护量少。以上系统在实际的应用中效果显著，如将PLC与变频器中自带编程器的功能集成，可开发成一些专用的变频器，这样系统的可靠性与健壮性大大增强，应用更加简单，系统的总成本也会下降。7.软件设计控制系统软件是指用梯形图语言编制的对 3台泵（小功率泵M1,两大功率泵M2与M3）进行控制的程序，它对3台泵的控制，主要解决系统的手动及自动切换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3台泵的启动、切换及停止的条件、顺序、过程等问题。当变频器输出频率达到频率上限 ,供水压力未达到预设值时 ,发出加泵信号 ,投入下 1台泵供水。当供水压力达到预设值 ,变频器输出频率降到频率下限时 ,发减泵信号 ,切除在工频运行方式中的 1台泵。系统刚启动时 ,情况简单 ,首先启动一号泵即可。但考虑 3台泵联合运行时情况复杂 ,任 1台或 2台泵可能正在工频自动方式下运行 ,而其他泵则可能在变频器控制下运行 ,因此必须预先设定增减水泵的顺序。即获得加泵信号后 ,按照 1号泵、2号泵、3号泵的顺序优先考虑。获得减泵信号后 ,按照1号泵、2号泵、3号泵的顺序优先考虑。系统切换流程图如图3所示。图3 工作泵切换流程图7.1 I/O口分配在这个控制系统中，共用到13个输入和7个输出。输入口从X0-X24，输出口从Y0-Y6，其具体的输入输出如下表1所示：表1 I/O分配输 入功 能输 出接 触 器功 能X0自动工作方式Y0KM1M1变频X1总停Y1KM2M1工频X2压力信号Y2KM3M2工频X3设定压力信号Y3KM4M2变频X4手动Y4KM5M3工频X5报警信号Y5KM6M3变频X6M1变频Y6KM7报警指示X7M1工频X20M2变频X21M2工频X22M3变频 X23 M3工频 X24 消音7.2 PLC接线图（如图4所示） 图4 PLC接线图7.3 系统工作程序（见附录）8 结束语目前供水系统大多采用高位水箱或水塔供水 ,对高位水箱和水塔的清洗工作较难进行 ,由此易引起供水中二次污染。本系统采用高