基于PLC的变频恒压供述控制系统设计毕业设计.doc

长沙学院毕业设计长沙学院 CHANGSHA UNIVERSITY本科生毕业设计设 计 题 目： 基于PLC的变频恒压供水 控制系统设计 系部： 电子信息与电气工程 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 龙 程 班 级：11电气1 学号 2011024109 指导教师姓名： 熊幸明 职称 教授 长沙学院教务处 二一三年六月制40（20 15 届）本科生毕业设计说明书基于PLC的变频恒压供水控制系统设计系部： 电子信息与电气工程 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 龙 程 班 级：11电气1 学号 2011024109 指导教师姓名： 熊幸明 职称 教授 最终评定成绩 2015 年 5月摘 要本论文根据居民生活用水、消防用水的要求，设计出了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。变频恒压供水系统由PLC、变频器组成的控制系统、电动水泵机组、压力传感器、工控机等构成。本系统包含三台水泵电机，采用变频器实现对水泵电机的软启动和变频调速，组成变频循环运行方式。压力传感器能够检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后，再进行PID运算，控制变频器的输出电压和频率，然后通过改变水泵电机的转速来改变供水量，最终达到保持管网压力稳定在设定值附近的目的。通过工控机与PLC的连接，实现了运行状态动态的显示及数据、报警查询。该系统具有高度的可靠性和实效性，提高了供水的质量，节省了人力，具有可观的经济效益和社会效益。关键词：变频调速，PLC，恒压供水，节能ABSTRACTAccording to the requirement of residents living water and Fire water, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition.The system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and control machine and so on. This system is formed by three pump generators. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control,operation switch adopts the principle of”start first stop first”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure,via PLC with set value by carry out PID comparison operation,so,control frequency and the export voltage of frequency converter,and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity,eventually,it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. The system has high reliability and high effectiveness, improve water quality, save manpower, with considerable economic and social benefits.Keywords: Variable frequency speed-regulating， PLC， Constant-pressure water supply ， Energy saving 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论- 1 -1.1课题的背景及目的- 1 -1.2 变频恒压供水系统的国内外的发展状况- 1 -1.3 PLC概述- 2 -第2章 系统的理论分析及控制方案确定- 4 -2.1 课题任务理论分析- 4 -2.1.1 课题介绍- 4 -2.1.2 变频恒压供水系统节能原理- 4 -2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定- 5 -2.2.1控制方案的比较和确定- 5 -2.3 恒压供水系统的基本结构- 6 -2.3.1 变频恒压供水系统的组成及原理图- 9 -2.3.2 变频恒压供水系统控制流程- 11 -2.3.3 水泵切换条件分析- 11 -第3章 系统的硬件设计- 13 -3.1 系统主要设备的选型- 13 -3.1.1 水泵机组的选型- 13 -3.1.2 PLC的选型- 14 -3.1.3 其它元件的选型- 15 -3.2主电路图- 16 -3.3 控制电路- 17 -3.3.1 PLC输入输出端子分配表- 18 -3.3.2 PLC的接线图- 20 -3.4 变频器- 21 -3.4.1 变频器的构成- 21 -3.4.2 变频器的特点- 23 -第4章 系统的软件设计- 24 -4.1 PLC控制及运行- 24 -4.1.1 手动控制部分- 25 -4.1.2 自动控制部分- 25 -4.2 PLC编程及介绍- 26 -4.2.1 自动运行- 26 -4.2.2 手动部分- 27 -第5章 系统的模拟运行结果及分析- 29 -5.1 程序调试- 29 -5.1.1 自动部分调试- 29 -5.1.2 手动部分调试- 29 -结 论- 30 -参考文献- 31 -附 录- 32 -致 谢- 37 -IV第1章 绪论1.1课题的背景及目的目前，居民生活用水和工业用水日益增多。由于居民日常用水和工业用水会随季节、昼夜等变化而随之发生变化，如采取传统的供水方式不仅影响生活也不利于资源的优化配置。传统的供水系统已经不能满足人们的需求，为了能更合理的分配资源，使能最大限的为人们所用，可采用变频恒压供水方式来代替传统的供水系统，以达到供水稳定，满足人们需求，合理优化分配等目的。本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计，因为变频恒压供水系统有高效节能，恒压供水，安全卫生，自动运行，管理简便等优点，非常适合现在的国民需求。变频恒压供水系统根据用水量的变化，自动调节运行参数，在水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。变频调速是现在优于以往任何一种调速方式（如调压调速、变极调速、串级调速等）的技术，是当今国际上一项效益最高、性能最佳、应用广泛、最有发展前途的电机调速技术。它采用了微机控制技术，电力电子技术和电机传动调速技术实现了工业交流电动机的无极调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有可靠性高，抗干扰能力强，组合灵活，变成简单，维修方便和低成本低能耗等诸多特点。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便实现供水系统的集中管理和监控；同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计系统，对于调高企业效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 变频恒压供水系统的国内外的发展状况变频恒压供水是在变频调速技术发展之后逐渐发展起来的，在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、 升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求的不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹弗斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频器技术的发展和变频恒压系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优先以及显著地节能效果被大家发现认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司推出了恒压供水基板，备有PID调节器和PLC可编程控制器等硬件继承在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机的供水系统。但是也有其缺点，就是输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统和组态软件难以实现数据的通信，并且限制了带负载的容量，因此适用范围受到限制1。目前国内有不少公司都在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用单片机及相应的软件予以实现；有的采用PLC及相应软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司（现已改名艾默生）和成都希望集团（森兰牌变频器）也推出了恒压供水专用变频器（5.5Kw-22kW），无需外接PLC盒PID调节器，可完成最多四台水泵的循环切换、定时起动、停止和定时循环（丹麦丹弗斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换）。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的，因此，有待于进一步淡淡的研究改善，使其能更好的应用于生活、生产实践中。1.3 PLC概述可编程序控制器(program logical controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化一的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求：再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱2。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。早期的可编程序控制器，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2。第2章 系统的理论分析及控制方案确定2.1 课题任务理论分析2.1.1 课题介绍设计是以供水系统为设计对象，采用PLC和变频技术相结合技术，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理，保证供水系统安全可靠的运行。PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器、和水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有3台泵，大泵电动机功率均为220KW,小泵功率均为160KW;所有泵可设计成变频循环软启动的工作方式；在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；采用PID算法实现水压的闭环控制；系统具有自动、手动操作功能。根据以上控制要求，进行系统的总控制方案设计。硬件设备选型、PLC选型、估算所需I/O点数，进行I/O模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O连接图、分配I/O点数，列出I/O分配表，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。2.1.2 变频恒压供水系统节能原理 水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： (2.1) 式中：表示电源频率，表示电动机极对数，表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：(1) 改变电源频率(2) 改变电机极对数(3) 改变转差率改变电机极对数调速的方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差较大，即变速时转速变化较大，转矩变化也较大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点3。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。2.2 变频恒压供水系统控制方案的确定恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：（1） 有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。（2） 通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器这种控制的方式精度比较高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠运行。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。（3） 通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+压力传感器这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。2.3 恒压供水系统的基本结构恒压供水泵站一般需设多台水泵电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的。电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候，备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，调试较简单，但购买变频器的费用较高，不能很好有效地利用变频器的调节功能，一旦变频器有故障，就会使供水系统瘫痪，节电能力一般。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求，变频工频双主回路驱动变频器闭环调压方式调节功能好，节电效果好且避免因变频器故障而造成供水系统瘫痪的缺点4。图2.1为恒压供水系统构成示意图。图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压转变为电流或电压的信号送给调节器。系统以变频器、PLC作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。系统跟踪管网压力与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，由PLC控制变频与工频切换，自动控制水泵电机投入台数和电机转速，实现闭环自动调整恒压供水。PLC送水消防生活变频器工频/变频切换电路1号泵2号泵3号泵压力罐压力传感器调节器调节器图2.1 恒压供水系统示意图调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：(1)设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。大部分调节器用数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。(2)接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。 (3)根据给定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定值大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节器。2.3.1 变频恒压供水系统的组成及原理图PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2.1所示：从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(1)执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。(2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号6。(3)控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择，本设计中采用前者。作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失7。变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压供水系统的结构框图如图2.4所示：图2.2变频恒压供水系统框图恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。2.3.2 变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下:(l)系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。(2)当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行)，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另外一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。(4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另外一台台工频泵M3关掉7。2.3.3 水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的8。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20HZ左右。所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。若出现时就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉9。如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入切出再投入再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中，实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。另外，实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。实际的机组切换判别条件如下：加泵条件： 且延时判别成立 减泵条件： 且延时判别成立 式中： ：上限频率 ：下限频率 ：设定压力 ：反馈压力- 29 -第3章 系统的硬件设计3.1 系统主要设备的选型根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.1所示：图3.1 系统的电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出，系统所需要的主要硬件包括：(1)水泵机组、变频器(2)PLC及扩张模块(3)压力变送器及数显仪3.1.1 水泵机组的选型水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配10。(1)设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水；供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；(2)系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能，各主泵均能可靠地实观软启动；M1、M2、M3选用小型号为40-250，额定功率为7.5KW。 （3.1）式中：Inp为熔断器额定电流；Inm为电动机额定电流。初略计算，Inm=P/KU一般取1/K=0.76，即对于额定电压为380V的电机来说，Inm=P*0.76/0.38=2P。3.1.2 PLC的选型该系统有7个输入信号和13个输出信号，表3.1是将控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号。水位上下限信号分别为X1、X2它们在水淹没时为0没有淹没的时候1。表3.1 输入输出点代码及地址编号 名 称代码地址编号输入信号手动和自动消防信号SA1X0水池水位下限信号SLLX1水池水位上限信号SLHX2变频器报警信号SUX3消铃按钮SB9X4试灯按钮SB10X5远程压力表模拟量电压值Up模拟量输入模块电流通道输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1，HL1Y01#泵变频运行接触器及指示灯KM2，HL2Y12#泵工频运行接触器及指示灯KM3，HL3Y22#泵变频运行接触器及指示灯KM4，HL4Y33#泵工频运行接触器及指示灯KM5，HL5Y43#泵变频运行接触器及指示灯KM6，HL6Y5生活消防供水转换电磁阀YV2Y10水池水位下限报警指示灯HL7Y11变频器故障报警指示灯HL8Y12火警报警指示灯HL9Y13报警电铃HAY14变频器频率复位控制KAY15控制变频器频率用电压信号Vf模拟量输入模块电压通道从表3.1可知系统共需开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。选用FX-32MR主机一台，加上一个模拟量输入扩展模块FX-4N，再扩展一个模拟量输出扩展模块FX-2N。这样的配置是最经济的。FX系列PLC具有编程和下载程序方便、体积小巧、便于安装及成本低等特点。整个PLC系统的配置如图3.2所示。主机单元FX-32MR模拟量输入模块FX-4N模拟量输入FX-2N图3.2 PLC系统的组成3.1.3 变频器的选型调节器的输出信号一般是模拟信号，420mA或020mA变化的电流信号或010V间变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。图2.2为日本安川变频器CIMR-P5A45P5在电路中的接线图。R S TS1 US2 VS3 W VVVFFIFCM1 M2 M3 M4接PLC接PLC 接指示灯接电机380V78图3.3 日本安川变频器CIMR-P5A45P5在电路中的接线图该产品可以和三菱PLC工作协调。变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品，适配电机10kW，该变频器基本配置中带有PID功能。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号(010 V)接至变频器的辅助输入端FI、FC，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上。M1、M2为变频器的极限输出频率的检测输出信号端，该信号进PLC，作为泵变频与工频切换的控制信息之一，变频器的极限输出频率通过面板可以设定。MA、MC为变频器发生故障的输出信号，该两端连接信号灯，以显示变频器故障，变频器面板上有故障复位按键，轻故障用复位按键复位，可重新启动变频器。S1和S2短接，并与S3连接到PLC的输出点上，由PLC控制变频器的运行与关断；U、V、W输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3水泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器接线连接到PLC的四个输出点上，由PLC控制其工频、变频切换工作，变频控制系统主回路如图2.4所示5。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值(14端)，压力传感器反馈来的压力信号(010V)接至变频器端子的7端、8端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。变频器端子的19端和20端是传感器压力设定的上、下限值，该信号进PLC，作为工频切换的控制信息，由PLC控制水泵的工频或变频运行。变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。3.1.3 其它元件的选型1.电机选择电机选用JO2-51-4型功率为7.5Kw三相异步电动机，其满载电流为19.9A,额定电流7A,额定电压380V，转速1450转/分、效率为百分之87.5。2.熔断器选择熔断器的选择主要根据类型、熔断器额定电压、熔体、熔断器的额定电流的选择来确定。因为本系统是大容量的电机运转，属于有冲击电流的电动机负载，为起到短路保护作用，又保证电动机的正常启动，对三相笼型异步电动机熔断器熔体的选择应根据如下公式计算： (3.2) 式中多台电机中容量最大一台电动机的额定电流（A）；其余各台电动机额定电流之和（A）；本系统中的电动机为同型号的电动机，每台电机的功率为10Kw，额定电流19.9A，水泵电动机组属于重载，故上式中电动机系数的选取2.5，其总电流为，所以选择熔断器时额定电流要大于熔体额定电流，本系统选择的熔断器型号为RL1-200,熔断器额定电流为125安，额定电压为交流380V。3.断路器选择断路器选用DZ系列DZ10-100/200产品，其额定电流为100A,额定电压为交流380V极数为3极，交流短路极限通断能力为12KA，根据电动机额定电流19.9安，查表得热脱扣器的额定电流应为25A,根据电磁脱扣器的瞬时动作整定电流，查表可知电磁脱扣器瞬时动作整定电流为2510=250安。它满足电磁脱扣器的瞬时动作整定电流，因此此型号满足设计要求，而FU2和FU3控制电路熔断器则选用正泰RT14-20 10A11。4.接触器选择接触器工作电流小于等于额定电流，启动电流虽然达到额定电流的47倍，但时间短，对接触器的触头损伤不大，接触器在设计时已考虑此因数，一般选用触头容量大于电动机额定容量的1.25倍即可，选用电磁式接触器CJ10-25系列交流接触器，其主回路额定工作电流25A1.2519.9=24.88A,额定工作电压380AC，发热电流为5A，触点2开2闭，接通与分断能力分别为240A和200A，380VAC类工作制下控制电动机功率11Kw。5.压力传感器选择 压力传感器选用YTZ-150型带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为01MPa，检测精度为0.01MPa，该传感器将01MPa范围的压力对应转换成010V的电信号。6.按钮SB的选则按钮均选用LAY311型，PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，其主要技术参数为：UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。7.组合开关选择组合开关用于控制电路中，其额定电流应等于或大于被控制电路中各负载电流的总和。本系统选用型号为HZ10-10/3的组合开关,额定电压220V，额定电流10A，极数为3。8.指示灯选择德力西LD11-22/20AC220V红色。NL13.2主电路图如图3.3所示为电控系统的主电路图。三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；主电路中采用低压自动空气隔离开关，它本身具有短路过载保护，所以不需要分别为三台水泵电机过载保护使用热继电器，其中QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三合泵电机主电路的低压断路器；FU1为主电路的熔断器。由图3.3可见，采用常规的一控三方式，每台电机水泵既可以变频运行，又可以工频运行。图3.4 电控系统主电路3.3 控制电路为保证系统的可靠性，必须提供工频/变频两种操作方式，以减少因变频器故障或设备检修维护等原因而造成无法供水的现象，要求控制系统必须设立手动工频操作方式，一般采用转换开关或组合开关作为选择操作设备12。图中SB9为手动/自动转换开关，SB9没有按下则为自动控制状态；按下则为手动控制状态。手动运行时，可用按钮SBlSB8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器R进行复位时只提供一个触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器实行复频控制，火灾时，火灾信号SA1被触动，X0为1。1.手动运行SB9按下时候，系统处在手动运行状态，系统在应急或检修时，按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#3#泵的启停(见图3.3)。该方式主要供检修及变频器故障时用。2.自动运行SB9没有按下时时，系统处在自动运行状态，合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0 Hz上升，同时PID调节程序将接收到自压力传感器的标准信号，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，则频率上升到50 Hz，若1#泵还不能满足要求则1#泵由变频切换为工频，对2#泵进行变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减速，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。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。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。3.3.1 PLC输入输出端子分配表表3.2 输入分配表输入端子输入设备输入端子输入设备输入端子输入设备X0SB1X4SB5X10SB9X1SB2X5SB6X11SB10X2SB3X6SB7X15FUX3SB4X7SB8X16OL如表3.2所示，X0接SB1启动按钮，X1接SB2停止按钮，X2接SB3电动机M1变频启动，X3接SB4电动机M1工频启动，X4接SB5电动机M2变频启动，X5接SB6电动机M2工频启动，X6接SB7电动机M3变频启动，X7接SB8电动机M3工频启动，X10接SB9自动启动，X11接SB10手动启动，频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X15与X16输入端作为PLC增泵减泵控制信号。表3.3 输出分配表输出端子输出设备输出端子输出设备输出端子输出设备Y0KM0Y5KM5Y13HL4Y1KM1Y6KM6Y14HL5Y2KM2Y10HL1Y15HL6Y3KM3Y11HL2Y16HL7Y4KM4Y12HL3Y20STF如表3.3所示为PLC的输出分配表，KM0接通电动机M1变频启动，KM1接通电动机M1工频启动，KM2接通电动机M2变频启动，KM3接通电动机M2工频启动，KM4接通电动机M3变频启动，KM5接通电动机M3工频启动，KM6接通变频器，HL1指示电动机M1变频启动，HL2指示电动机M1变工频启动，HL3指示电动机M2变频启动，HL4指示电动机M2工频启动，HL5指示电动机M3变频启动，HL6指示电动机M3工频启动。3.3.2 PLC的接线图图3.4所示是PLC的接线图，其中KM1、HL1分别是1#泵工频运行接触器及指示灯，KM2、HL2分别是1#