变频调速恒压供水系统自控系统.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除目 录一 摘 要1二概述2第一章 变频调速恒压供水系统的现状和发展31 变频调速恒压供水的目的和意义42 变频调速及PLC在供水行业中的用521 变频调速技术的特点及应用522可编程序控制器的特点及应用6第二章 变频调速恒压供水系统自控制系统61 概述62控制系统构成63控制原理及功能实现731 PLC控制系统简介832恒压供水的控制原理83.3 相关控制功能实现94 运行效果分析104.1 有效保证郫县供水和该厂自用水压力稳定，提高该厂供水安全可靠性104.2 高效节能114.3 提高自动化水平11第三章 变频恒压供水系统设计原理121 控制系统组成方框图122系统工作原理123变频调速的基本原理及节电原理14第四章 变频器在恒压供水方面的应用171 概述172 恒压供水的变频应用方式182.1 变频恒压供水系统组成192.2变频恒压供水系统的参数选取203恒压供水系统特点20第五章 关于变频调速给水节能问题21第六章系统功能总述221换变频/工频运行功能222 PID的调节功能233通讯功能244 系统的节能功能25七、结语25参考文献26 摘要：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。 对城镇住宅电力驱动恒压供水的原理及几种实用化方案进行了深入的讨论，以变频器为主体的恒压供水系统对供水水泵实现全方位的宝护。该系统不但能最大限度地节约水资源，而且能够节约电能，延长供水水泵的使用寿命，并在紧急情况下（消防，减灾）能够做到重点供水。最后，对几种实用化供水方案进行了详细的讨论。关键词：变频器；恒压供水；变频调速；供水系统；节能一、 概述 随着变频调速技术的飞速发展和人们认识水平的提高，变频调速很快成为交流电动机调速的主流。变频调速恒压供水系统就是变频改的深度调速造成了水泵、电机运行效率低，所以除了小型系统或系统高调速技术最典型的应用，该系统具有显著的节能效果、较高的控制精度，便于使用和维护。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虽然简单可靠，但由于单泵电机的深度调速造成了水泵和电机运行效率低，所以除了小型系统或系统改造已被多泵系统所代替。目前，多泵系统基本有两种组成模式：变频泵固定模式和变频泵循环模式。 变频恒压供水自动控制系统介绍 全自动变频调速给水设备由电机水泵机组、压力传感器、PID控制器、可编程控制器、变频器、低压电气及压力传感器等各种电器元件构成闭环自动控制回路。通过压力传感器随时监控供水管网的压力值，并将其转变成模拟电信号，反馈到PID控制器，经放大、运算、比较分析后，PID调节器输出信号给变频器，自动变频调整电机转速及水泵的台数，在供水过程中水泵用水量大时增加水泵，用水量少时减泵，从而实现恒压变量供水及变压变量供水。设备可根据用户要求，增加附属小泵和小压力罐系统，在小流量或接近零流量供水时(如夜间)，变频调速给水系统停机，由压力罐系统维持工作。用水量极少及无人用水时进入小泵补压或进入休眠状态，这些都由可编程控制进行控制。 原理 当1号泵的运行频率升高到50Hz时，压力还低于设定值，此时系统自动将该泵切换到工频运行，2号泵自动投入变频运行，如还低于设定压力，则2号泵自动切换到工频运行，3号-4号泵投入变频运行直到压力达到设定值，当用水量少时，系统控制水泵跟踪压力自动降频运行，当运行频率低到设定点时，自动停止该泵运行，将另一台转换为变频运行，以此类推，直到最后1号泵变为变频运行，如此循环运行可保证水压始终保持在设定值，这样即达到水压恒定的目的，也节约了大量电费开支。 1、 全自动运行无须人工操作。显示机组电压、电流；显示恒压点压力设定值和实际值；显示水泵状态，运行频率； 2、 用水量少时，自动切入小泵运行；无人用水时自动进入休眠状态，节省电费开支20%-50%。 3、 手动状态设有单泵变频运行方式，可手动指定运行哪个泵，停止哪个泵，易于检修。 4、 手动状态设有工频运行方式，提高系统可靠性，当变频器出现故障时可切换的工频运行方式，不会影响供水。 5、 变频器对电机进行软启软停，减少设备损耗，延长电机使用寿命。 6、水泵软启动，管网压力无冲击，无水锤现象，压力恒定；具有管道等过压、欠压保护功能； 7、 故障自诊断和自处理功能，对过流、欠压、过压、过载、断水和变频器故障均能自行诊断。 8、远程控制功能。根据甲方要求可预留通讯接口，便于接入楼宇集中监控系统。 产品系列 3 kw、7.5kw 、11kw、15kw、18.5 kw、22 kw、30 kw、45 kw、55 kw、75 kw 控制方式 空间矢量控制的正弦波PWM，内置PID，逻辑程序控制 保护功能 过压、欠压、过流、电流限幅、电子过热过载继电器、过压失速、数据保护 额定输入 三相380V20%、50-60HZ5% 外部输出 故障信号、集电极开路输出、频率同步 过载能力 150%1分钟、180%0.2秒、100%连续 定时开关机 内设计时时钟，设定多达六段/天开关机时间 PID 可手动设定PID参数值P:0.1-800 I:0.01-32?D:0.01-10 应用范围 自来水、生活热水、工业给水、消防定压控制、防洪排灌等。 控制系统价格参考如下表： 变频恒压供水控制柜参考价 功率 一拖二 一拖三 一拖四 3.7kw 6160 6376 6516 5.5kw 7492 7672 7818 7.5kw 7770 7920 8144 11kw 8800 9060 9312 15kw 11700 11932 12172 18.5kw 14028 14516 14808 22kw 17304 17600 18080 30kw 20080 20664 21070 37kw 21260 21664 22092 45kw 25138 25648 26176 55kw 28778 30440 31008 75kw 40392 41144 41940 15KW以上电控柜配备电抗器等平波、滤波装置。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，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为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，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。二、变频恒压供水系统的特点 1高效节能。与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。 2占地面积小，投入少，效率高。 3配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。 4运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，水泵的寿命将大为提高。 5由于能对水泵实现软停和软起，并可消除水锤效应（水锤效应：直接起动和停机时，液体动能的急剧变大，导致对管网的极大冲击，有很大破坏力）。 6 操作简便，省时省力。 7 变频恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水 质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。 8 启动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。 9 采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。 10 可根据用户需要，选择各种附加功能，如：电机定时轮换，休眠等功能。第一章 变频调速恒压供水系统的现状和发展1 变频调速恒压供水的目的和意义 变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵），在对原有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。1.变频调速技术的特点及应用通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向，比如NKL-A系列恒压供水控制系统就可实现一变频器控制任意数马达的功能。2.可编程序控制器的应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。2.1开关量的逻辑控这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2.2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。2.3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。3.过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。4.数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。5.通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。6.可编程变频恒压供水控制系统的设计6.1 变频器的节能、调速原理变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要，又因工艺的需要，往往运行中要改变风量、水量，而目前多数采用档板或阀门来调节的，虽然方法简单，但实质是人为增加阻力的办法。因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如下： 当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，例风量下降到80，转速亦下降到80时，则轴功率下降到额定的51，若风量下降到50，轴功率将下降到额定的13，其节电潜力非常大，采用变频器调速方式有很强的节电效果，其节电可达30-40效果十分明显15。6.2 变频器控制方式的选择低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。7.U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。7.1 电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。7.2 矢量控制（VC）方式矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。7.3 直接转矩控制（DTC）方式1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。7.4 矩阵式交交控制方式VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（2，无PG反馈），高转矩精度（3）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150200转矩15。因此，我们选用最后一种控制方式，矩阵式交-交控制方式。近年来我国中小城市发展迅速,集中用水量急剧增加。据统计,从1990年到1998年,我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升,增长了37.2%,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高1。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。并在此基础之上配备相应的系统管理软件,改变传统的落后管理方式,使管理工作规范化,提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统,所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行,设计一套取水和供水的自动控制系统,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,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：以变频器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。2变频调速及PLC在供水行业中的应用2.1变频调速技术的特点及应用 作为高性能的调速传动,直流发电机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广泛的应用。 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整流变成直流,再由IGBT或GTR模块等器件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4060,节水1530。 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,调整特性曲线平滑,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。2.2可编程序控制器的特点及应用早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC),主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展,可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点,以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能,在工业生产中得到了广泛的应用。1969年,美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成,主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期,体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增强。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面,PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言,除了保持原有的逻辑运算等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,微处理器的市场价格大幅度下跌,使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且,为了进一步提高PLC的处理速度,各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片,大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家,PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称,1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元5。随着电子技术和计算机技术的发展,PLC的功能得到大大的增强,具有以下特点5,6,7：1可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号,有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能,它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络,它还有多种通讯联网的接口模块。3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要,除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计,由机架及电缆将各模块连接起来,系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说,不需要具备计算机的专门知识,因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单,维修方便。PLC不需要专门的机房,可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置,便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构,因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法,使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点,使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等8,9,10,11。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测第二章 变频调速恒压供水系统自控系统1. 概述 变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术也得到了更加深入的应用。 成都市自来水公司六厂日产水量60万吨，担负着成都市区及周边地区70%以上的供水任务。自1996年年底六厂的三期工程投产后开始向郫县供水，使得该厂的供水方式从单一的重力流供水变为重力流和压力流结合供水的方式。自向郫县供水以来，由于考虑到现阶段郫县的用水量较少，从节约能耗的角度出发，该厂使用一台泵同时向郫县供水和提供该厂的自用高压水。为了满足六厂自用水压力，保证厂内各个工艺环节设备（如消毒环节中的水射器）能正常工作，该厂自用水压力须较恒定的控制在0.3 Mpa以上，采用变频调速控制是保证压力恒定较为有效的方法。根据对郫县城区供水量的了解，发现郫县全天各时段用水量变化较大（见后图5），如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故。采用变频恒压供水控制后，当郫县用水量较小时，这时相应管道和泵出口压力均较大，变频恒压控制方式将会降低泵的频率，减小泵出水量，从而降低管网压力；反之亦然。这样，小时用水量变化较大也不会造成管网压力有较大的波动。经过长期运行实践，证明了变频调速手段实现恒压供水不仅保证厂内自用高压水压力足够且稳定，而且保证了郫县供水的安全可靠性。2. 控制系统构成 整个恒压供水系统有两组变频泵，每组均由一台变频器和一台水泵组成；系统以PLC为控制核心，由PLC采集压力信号和输出控制变频泵的运行。控制系统构成如图1所示图1 控制系统构成图 PLC处理器选用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器，变频泵选用的是ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的变频器和水泵。系统由两只量程为01.0Mpa的压力变送器分别检测两台水泵后的输水管道的压力，压力变送器将检测到的压力信号转换为420mA的电流信号，送到PLC子站的模拟量输入模板（1771-IFE），通过PLC的PID运算，由模拟量输出模板（1771-OFE）输出420mA的电流控制变频泵的运行。3. 控制原理及功能实现 3.1 工作原理 控制器的电路框图见图3。 ?电源三相输入、变频器的三相输出作为控制器的输入，信号经取样整形电路、隔离放大电路，以及频率、相位跟踪电路处理，进入单片机。由软件计算判断后，在显示单元显示相应的输入输出频率，指示灯指示控制器运行状态。当变频器输出相位、频率与工频电源相位、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）；当工频电源缺相或变频器输出与工频电源相序相反时，控制器由故障代码和指示灯同时报警。3.2 面板说明 面板布置图见图4。1 电源频率（故障代码）显示区； 2 变频器输出频率（故障代码）显示区； 3 变频器输出、电源同频输出指示灯； 4 变频器输出、电源同相位输出指示灯；?正序 同频 5 变频器输入正相序指示灯； 6 控制器故障错误指示灯； 7 8 9电源三相指示灯； 10 11 12 变频器输出三相指示灯；? 图4 监频监相控制器面板布置图 ? 说明：（1）控制器上电后，若变频器上电且相序正确1区显示变频器输入频率，2区显示为0;此时5,7,8,9灯亮，其它灯灭。（2）控制器上电后1、2区显示101101，表明无工频三相电源输入或工频三相电源缺相；1、2区显示102102，表明无变频电源输入或输入变频电源缺相；1、2区显示103103，表明既无变频电源输入也无工频电源输入。（3）控制器上电后1,2区显示110110表明工频电源相序错；变频器启动后1,2区显示119119表明变频器输出相序错；（4）变频器输出与工频电源相位、频率一致时，控制器可分别给出集电极开路输出信号,同时相应指示灯3、4亮。3.3 控制器接线及安装 控制器接线端子示意图见图5，控制器外型尺寸：长X高X厚=160mmX80mmX79mmU1 ? 说明:（1）1、2为220V交流电源输入端。（2）同相、同频、故障为集电极开路输出端。GND为集电极开路输出的公共端。（3）U1、V1、W1三相工频电源输入端；U2、V2、W2为变频器的三相输出端。? 图6 无扰动切换装置框图 ? ? 4 无扰动切换的实现 图6为具有无扰动切换功能的变频泵循环模式切换装置框图。系统由变频器、监频监相器、可编程控制器和切换接触器等组成。当变频器输出频率升至工频电源频率时，监频监相器输出同频信号，系统进入切换等待时期，当变频器输出相位与工频电源相位一致时，监频监相器输出同相信号，PLC通过切换接触器把变频泵从变频电源切换到工频电源，实现无扰动切换。切换瞬时完成，无须等待，切换过渡过程小于20ms，切换后瞬时电流小于电机额定电流的1.5倍。PLC控制系统简介 该厂采用Allen-Bradley公司的PLC-5型处理器通过DH+通讯方式构建了全厂PLC工业控制网络，通过DH+网络上的RSView工作站实现人机对话。RSView工作站是指运行人机图形界面软件（RSView32）的计算机工作平台，该工作站建在中心控制室，是实现生产现场无人值守和运行集中管理的调度中心。利用RSView32可以有效地对控制过程进行监视和控制，可以实现图形化的人机对话界面，模拟生产运行的流程，在模拟流程上更加直观地实现生产流程的全自动运行监视、远程人工直接干预操作（如PID指令运行参数远程设定）、控制环节报警监视等功能。控制界面如图2。图2 变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站）3.2 恒压供水的控制原理SAMI STAR变频器具有REMOTE和LOCAL两种操作方式。LOCAL操作方式下，通过LOCAL START/STOP开关启停变频器，通过f REF LOCAL INPUT0 输入端口的电位开关人工调节变频器工作频率；通过LOCAL/REMOTE输入点可以将变频器切换到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通过REMOTE START/STOP输入点进行PLC远程启停变频器，通过f REF REMOTE INPUT0端口输入频率控制信号（百分比）控制变频器工作频率。根据供水量情况，把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在050Hz，在此范围内水泵运行频率和定子相压成正比（及与变频器输入频率成正比），这使得变频器输入、水泵运行频率和泵的输出压力成较好的线形关系，可得到较好的控制效果。SAMI STAR变频器对用户开放的I/0接口位于TERMINAL BLOCK CARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTE START/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（f REF REMOTE INPUT0、420mA信号输入）；X11-15/16（输出420mA变频器运行频率信号）；X11-17/18（输出420mA变频泵运行电流信号）。变频器由PLC远程控制时，启动是由PLC向X11-4输出信号，使变频器切换到外部设备控制方式（REMOTE方式），再向X11-1输出信号，启动变频器。在恒压调节时，PLC处理器把检测到的压力信号作为反馈值，与PID运算的压力设定值（由调度人员根据情况在REView上设定）进行比较，再经过PID运算得到调节后的修正值，通过模拟量输出模板（1771-OFE）输出到X11-13/14，作为REMOTE方式下变频器的频率控制信号，由于该信号是相对变频器工作频率上限的百分比，所以变频器将输入信号进行内部运算后转为真实工作频率。为了使三期变频恒压供水自动控制系统与全厂自动控制网络有机地结合起来，全面实现对恒压供水系统的运行情况和设备运行进行监视和远程控制，更加安全可靠地实现恒压供水，使用PLC进行PID运算和监控。PID闭环反馈控制原理如图3：图3 闭环控制原理图图4 PID流程图 PLC的PID运算调节通过该型处理器专用PID指令完成，通过设置各参数即可由PLC完成PID运算调节。PID程序段流程如图4。PID指令必须以相同的时间间隔周期性地执行，可采用计时器，定时中断或实时采样的等方法，此处选用了定时方法；PV是PID指令采样的压力控制反馈值，SP是PID指令的压力控制设定值，KP为PID的比例增益，KI为PID的积分增益，KD为PID的微分增益，这五个控制参数作为主要的PID参数参与控制，确定PID参数时要兼顾系统灵敏性和稳定性，由于恒压控制要求和设备的性能条件，参数设定更强调稳定性（及KI），由于微分环节有放大噪声的特点，将KD尽量设置得较小；SWM为PID指令转为手动直接调频的开关，SO设定为PID指令的在手动控制输出方式时的输出值，当变频器从PID自控调节转为手动直接调频时，SO替代PID运算结果作为转换时的输出值，将SO设定为控制值就可实现无缝转换，减小变频器运行频率的震荡。DB为PID指令的死区设定值，输出超出死区时PID指令通过自动运算限制输出超出限定范围。3.3 相关控制功能实现 为了防止运行时由于压力变送器不可预见的故障造成PLC的PID运算调节失实，从而造成管网压力失恒引发失压或爆管的严重事故。分别在1#和2#变频泵后输水管上安装压力变送器，可以同时测到出厂输水管线上的压力；在PLC程序上对压力信号进行了相应的处理，在程序中设置选择软开关，调度人员可以在RSView上将其中一台压力变送器的值设定为“控制反馈值”，另一台压力变送器的值则设为“参考反馈值”（见图2：变频恒压供水系统控制图形界面（RSView工作站）；对1#压力和2#压力值进行比较，相差0.1Mpa时，判断为，其中一只压力变送器出现故障，变频器控制转换为远程直接手动调频控制（通过RSView设置运行）。压力变送器正常工作时，“控制反馈值”经过平均滤波处理后，分别比较压力报警上限和下限值，如果超出控制范围，变频器控制转换为远程直接手动调频控制,否则“控制反馈值”作为PID调节的参数PV. 同时为了在就地手动控制实现在控制现场对变频泵进行开停控制和运行数据监视。我们在变频泵工作现场安装了A-B公司的PanelView图形工作终端，该工作终端提供图形交互界面和触摸输入方式，以从站的方式与PLC进行通信，进行数据和控制命令的交换，提供就地监控操作的通道。4. 运行效果分析4.1 有效保证郫县供水和该厂自用水压力稳定，提高该厂供水安全可靠性如果采用定速泵进行供水必然会导致高峰供水时段内管网供水压力不足，夜间用水量较小时管网压力过高，造成爆管现象。采用变频恒压控制后，变频器的频率随郫县用水量的变化而变化，及时调节该厂对郫县供水量，从而使郫县城区管网压力在一个较小的范围内变化（0.23-0.27Mpa）。另一方面，虽然该厂自用水秒流量变化不大，但由于自用水和郫县供水为同一水泵加压后，分作两条支流，郫县用水量的变化必然也会导致自用水压力不稳定，采用恒压变频控制方式，基本克服了这种变化因素。从上图曲线也可看出，自用水压力基本恒定不变。这样保证了加氯水射器等重要设备的正常工作，保证了正常的消毒工艺流程，从而保证我厂出厂水水质，提高供水的安全可靠性。4.2 高效节能 通过采用变频调速恒压控制，可在不同季节、全天不同时段内有效即时地调控水量，这样在用水量较低时，大大节约供水量，减少电耗。在设定压力内跟随用水量供水，避免了传统供水方式的损耗，降低吨水消耗。4.3 提高自动化水平根据该厂建立自动控制系统的原则“分散控制、集中管理、现场无人值守”，变频恒压供水技术的应用提高了该厂自控系统的整体水平，真正作到了操作简便安全，现场无人职守，运行安全可靠。三变频恒压供水系统设计原理 1 控制系统组成方框图恒压供水系统的基本构成是：变频器+水泵+水管网压力检测部件+PID调节器(目前大多数变频器已将PID调节器集成到其内部)，如图1所示：该图为简单的单泵控制系统。该系统的电气接线图如图2所示。图1 图1 恒压供水系统示意图图2 电气接线图图2中的补偿电阻Rc用于补偿压力远传表电阻值与VLT变频器输出电源匹配问题。ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的变频器的50端子是10V DC电源，专门用于过程控制系统的检测装置的供电电源。53端子是模拟量信号（反馈输入和模拟量给定值）输入端。55端子为公共端。 ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的变频器集成有恒转矩输出特性和变转矩输出特性以及速度PID调节器和过程控制PID调节器，分别用于速度闭环运行控制和过程运行的闭环控制。在恒压供水系统中使用变转矩运行特性和过程控制PID调节器。2系统工作原理1、如图1所示，控制器给定水泵管网一供水压力值，变频器根据此值输出一定频率的交流电源至水泵电机，拖动