基于PLC居民社区恒压供水变频控制系统设计

1 前 言 1 1 研究此课题的目的和意义 就当今城市供水普遍现状来说 城市管网水压仅仅能满足 6 层以下楼房住户的用水 超过 6 层 以上必须 升高 水压来维持住户的用水质量 早些年的供水靠的是水泵来升高水压 势必导 致泵所提升的水压高出我们实际用水的压力值 导致水资源的浪费 而且控制精度我们很难掌 握 也造成了能量的大量损耗和机械损耗 不但需要人力管理 还必须定期检查供水装置 既 费时又费力 给工作人员也带来了许多困扰 为了解决这个问题 变频技术应时而生 变频技术就是通过技术手段来改变用电设备的供电频 率 从而达到控制设备输出功率的目的 当前电力电子技术在迅速发展 变频器的功能也得到 了不断的开发和完善 变频器体积小 操作稳定可靠 并且有强大的保护功能 可以在许多行 业中使用 特别是现在供水行业中备受青睐 由于供水行业中对运营的安全性和供水时的压力 大小规范比较苛刻 所以变频调速技术才能够得以更深入全面的应用到供水的各个环节 变频 调速恒压供水设备是一个高效率的节能供水系统 有着操作简便 节约电能 安全可靠的良好 特性 所以我国自上世界 90 年代就开始将变频调速恒压供水设备大量引进和投产 中国的供水 行业发生了大变革 不但节省了大量的人力管理和维修费用 还起到了绿色节能的良好效应 恒压供水系统可以让电机在转速的调节范围内的任意一点都可以平滑稳定的运行 我们称之为 无级调速 并且它还可以根据居民用水情况对其实行操作系数的自动调节 满足各楼层居民的 日常用水 改变了以往高层水压上不来的情况 早期的水塔和高位水箱的供水方法已经被市场所淘汰 有设备体积大 资金投入高 自动控制 程度低 电能损耗严重 并且运行十分不稳定等许多弊端 而新的供水方式则完全可以弥补传 统供水的各个缺点 自恒压供水调速系统开广以来 国内外的工业厂家都时刻关注着新式供水 系统的发展变化 并加以投产和研究 新式供水未来的发展前景也极其可观 高度的智能化控制 简便的操作方式 数字微机控制 该系列的供水设备 是城市投产只能居民楼 供水调度和发展的必然趋势 最早的居民社区供 水中选用的是单泵调速恒压系统 但是运营了一段时间 单泵调速系统的弊端也逐日出现 电 机运行效率低是其一个很大的弊端之一 相对替代它的是多泵调速恒压系统 事实证明 多泵 性系统效率高 供水快 可靠性强 收成效益也更加明显 很快发展为居民社区供水行业的主 导产品 3 1 2 供水系统的概述 1 2 1 变频恒压供水系统主要特点以及传统定压方式弊病 变频恒压供水首先节能是最主要的特点 平均可以节电 20 40 实现了绿色用电 体积小配 置灵活 自动化程度高 自动化水平高 可以实现无人值守 节约人力物力等优点 而传统定 压方式其管道易起腐蚀 系统操作频繁 多次的启停泵对电动机和开关器件大量磨损 供水和 用水操作得不到良好配合 导致水泵工作效率低下 1 2 2 恒压供水设备的主要应用场合 生活用水 需要恒压控制用水的工业场合 例如北方暖气供应的锅炉补水 为节约大量的工业用水的冷 却水循环等 中央空调系统 自来水厂增压系统 农田灌溉 污水处理 各种流体恒压控制系 1 2 3 恒压供水技术实现 将压力传感器配置在管网中 测量管网水压 转换成现场所需的模拟信号 控制系统中的 PID 会将其信号接收 经 PID 进行处理计算后输出控制信号 来对变频器的输出频率做出相应的调 整 当用水的用户数量增加时 管网压力低于设定的压力 输出频率会发生相应的增加 水泵 转速加快 供水也就自然而然的加大了 当管网压力到达设定压力时 电动水泵转速不发生任 何改变 管网压力就会维持在设定的压力上 反过来也是如此 当今电子技术发展迅猛 变频器的功能与特性也得到了极大的提升 它能操控运行设备的软启 动与软停止 很大程度降低了电耗 也极大的降低了设备出现故障的可能性 保证系统安全 稳定的工作以及有效运行 用传统的二次加压和水塔对小区居民供水方式曾持续了相当长的时 间 虽然这种方式能够保障人们的用水 但是能耗损失的程度也是较大的 通过得到小区最不 利水点的水压 并通过加压泵按最不利点水压要求选择合适的扬程设计方案 通过用水流量的 变化 调整和配置泵组 最终选定水泵的运行方式 由于周围的天气和温度时刻发生改变 所 以只能从水泵运作模式和出口阀开度进行相对应的改变 以满足水量水压的正常 能耗势必会 在出口阀不断的损失 而且存在着水池 二次污染 的问题 自从变频调速技术得以在供水行 业中得以应用 能耗和污染的情况得到了很大程度的改变 2 系统总体设计方案 2 1 系统设计方案 2 1 1 系统控制要求 小区水厂的管网通常是封闭的 每天小区内的用水情况都各不相同 泵站水量提供会随着人们 对用水需求的增大而升高 最不利点就是水最难到达的地方 如近几年大量出现的高层居民楼 通常 6 层越往上水压就越难到达 所以供水压力必须达到管网中最不利点的压力才能让高层的 住户也能如愿用水 设定最不利点的压力损失为 P 流量用 Q 表示 它们的关系为 P KQ2 PL 视为最不利点的 压力 P 是泵站出口的总管压力 则有关系式为 P PL P PL KQ2 以这种方式供水不但能满 足高层住户用水量 还能最大程度避免多余能量的损耗 起到节能的良好效应 居民用水量无 论是增加还是减少 系统的设定压力也立即正向的增加或减少 我们称之为变量恒压供水 泵 站出口的总压力可以是连续并且可以调制的 但是最不利点的供水压力不发生任何变化典型的 自动恒压供水系统的结构框图如下图所示 2 1 自动恒压供水系统的结构框图 在出水总管上配置流量传感器和压力传感器 可以对总管中的水流量和压力时刻进行记录 对 检测到的流量和压力等一些数据准换成电信号输入到 PLC 输入模块中 CPU 对检测到的电信号 进行精确处理 然后与设定值对比计算 得到较为精确的运行工况参数 根据系统输出模块指 令和变频器频率的设定值 更改水泵工作数量和变量泵的运行工况 从而对每台水泵控制与调 制 这种以 PLC 为控制核心的供水方式无论从智能化还是从节约能源都是传统供水方式所不能 比拟的 2 1 2 运行特征 假设供水泵的台数为四台 供水系统运行时 PLC 作为整个系统的 大脑 支配着变频器运 行 1 泵被启动 其转速平滑地逐渐加快 处于变频模式转动 设定 Q 为供水量 当住户用水 量较少 供水量不太大 在 Q 1 3Qmax 之内时 假设四台水泵的工频运行时的最大供水为 Qmax 供水量的增减会受 PLC 中央处理器的控制 1 此时会自动调节 1 泵的运行速度 供 水压力才可以得到保证 当满足用水量 Q 在 1 3Qmax Q 2 3Qmax 时 此时说明用户的用水将 大于 1 泵所提供的用水量 此时 PLC 会发出指令 1 泵则转为工频运行状态 2 泵会被软启动 因为用户用水量的多少会发生变化 所以 2 泵会受到可编程控制器 CPU 的控制处于变频运行状 态 用水量的多少会决定 2 泵的运行转速 所以最不利点所需的供水压力得以保证 当满足供 水量 Q 为 2 3Qmax Q Qmax 时 CPU 发出指令再将 2 泵置于工频运行状态 此时原理同上 用 来保证最不利点的供水压力恒定 2 1 3 系统方案 目前 变频恒压供水系统已经普及在各住宅小区得到广泛应用 主要采用两种设计方案 单泵 控制系统和多泵控制系统 即 一拖一 和 一拖 N 方案 一拖 N 缺点是节能不太理想 优点是减少投资成本 运行效果好 并且变频供水系统稳定 对电网冲击小 对泵阀门 管道 有较少的损害 因此 一拖 N 的方案现在被广泛使用 2 1 4 一拖 N 系统控制要求 1 多泵循环运行程序控制 假设系统为 一拖三 的运行模式 系统得电后 1 水泵受到 变频器的控制启动 当水泵的工作频率超过变频器的上限 50HZ 压力没有超出规定值时 1 水泵做工频泵使用 这时需要启动 2 水泵 系统则处于 1 水泵工频运行 2 水泵变频运行的 状态 若变频器仍然处在 50HZ 状态 压力也一样没有超过规定值时 和上述一样将 1 泵和 2 泵同时做工频泵使用 再由变频器启动 3 水泵 系统则处于 1 和 2 水泵为工频运行 3 水泵变频运行的状态 反之 如果变频器工作频率下降 并且低于下限 压力和规定值相 比较大时 则停止 1 泵的运行 系统又处在一个工频运行一个变频运行的状态 如果变频器工 作频率再次低于下限值 则停止 2 泵的运行 这时仅仅有一台水泵处于变频运行状态 而其他 使泵都停止运行 按照这种方式进行循环 其他一拖 N 程序控制控制均如此运行 2 操作过电压 操作过电压现象的产生是由于故障跳闸引起的过电压 为防止操作过电压对电器设备造成的损 害 需要多预留时间 这是因为一般水泵电机由变频状态转至工频状态时 需要等待几秒电机 定速运行后接触器才能自动闭合 通常延时 2 至 3 秒时间即可 3 确保触点相互联连锁 为了避免相关误操作 导致两台以上接触器同时吸合造成电气短路或者设备运行冲突造成设备 损坏的事故 应采取电气联锁和机械联锁两个措施 电气联锁是利用接触器辅助触点 继电器 触点等控制线路锁住对方电路 机械联锁是两个以上接触器之间的机械装置互锁各自接触器 所以为了保证水泵由工频到变频之间安全可靠的运行 避免变频器输出端与工频电源出现短路 状况 控制水泵的两台接触器触点和 PLC 里面的触点必须加以互锁 4 水泵轮换启动控制 为了避免有一些水泵长期得不到使用而出现锈死和设备老化等情况的发生 水泵的运行顺序可 设置随意化 有效合理的运用每一台水泵 5 合理安排水泵运行的时间 可以设定切换水泵工作的时间 长时间工作的水泵应令其停止运行 确保所有水泵都能平均工 作 避免一些水泵工作时间太长而造成机器磨损等情况 6 变频器或 PLC 带有 PID 调节器 为了改进控制系统的性能 通常采用 PID 调节器进行控制 确定积分环节 I 的长短 时间太短 则加快系统动态响应 但是易产生振荡 导致执行器来回切换而损坏机械性能 时间太长 此 时压力如果变化迅速 系统反应时间慢 会造成因输出有偏差而破坏输送管道 2 1 5 常用的 一拖 N 系统控制方式 1 变频器和 PLC 组合可以轻松完成上面所述的各个环节 还能应用于更加全面和繁琐控制的 场所 但是程序需要调试 耗时和投资很大 比较麻烦 既不省时也不省力 2 变频器和专业供水设备 由于上述设备有些环节过于繁琐 所以人们为了变频恒压供水专 门研究相似的供水设备 无论是价格还是性能都与上述设备类似 而且操作与调试都很容易 操作与调试都很方便 2 2 变频节能理论 交流电机变频调速原理 交流电机转速特性 n 60f 1 s p 其中 n 为电机转速 f 为交流电频率 s 为转差率 p 为极 对数 电机选定之后便 n 60f 1 s p 决定了 s p 值 电机转速 n 和交流电频率 f 成正比 使 用变频器来改变交流电频率 即可实现对电机变频无级调速 在现场中各类工业都需要恒压控制的用水 恒压控水目的是为了间接控制水的流量 现场中多 以水的流量为运行参数进行监视和控制 其中流量 转矩 功率与转速的关系如下 流量与转速成正比 转矩与转速的平方成正比 2 功率与转速的三次方成正比 3 变频调速在工作中自身的能量损耗不到 10 在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功 率 由此可知在使用变频调速技术供水时 系统中流量变化与功率的关系 变 3 额 3 额 采用出口阀控制流量的方式 电机在工频运行时 系统中流量变化与功率的关系 阀 0 4 0 6 额其中 为功率 为转速 为流量例如设定当前流量为水泵额定流量 的 60 则采用变频调速时 变 额 0 216 额 而采用阀门控制时 阀 0 4 0 6 额 0 76 额 节电 阀 变 阀 71 6 表 2 3 流量与变频调速系统节电量关系 流量 100 90 80 70 60 50 节电量 0 22 5 41 8 61 5 71 6 82 1 由此可见 与阀门控制的相比 采用变频调速除了在全功率下运行时没有节电量 在随后流量 降低的时候 采用变频调速系统的节电量明显将采用阀门的系统甩在身后 甚至在流量为 50 的时候 变频调速系统几乎节电达到了 82 从理论计算结果可看到节能效果非常显著 14 2 3 变频恒压供水系统及控制参数选择 2 3 1 变频恒压供水系统组成 变频恒压供水系统通常是由水池 离心泵 主泵 休眠泵 压力传感器 PID 调节器 变频器 主泵 休眠泵 管网组成 系统利用布置在管网上的压力传感器上测得的结果将管网系统内 因用水量的变化引起的水压变化及时地用信号 4 20mA 或 0 10V 反馈到 PID 调节器 网管压 力采用三个差压变送器分别放在现场的三个位置进行测量 它们的输出送经小值选择器 大值 选择器 从而得到三个压力值的中间值 采用三个差压变送器的目的是为了防止变送器故障影 响管网压力测量的可靠性 并且控制系统会将测量的中间值与差压变送器的输出进行比较 一 旦偏差超出一定范围将会触发高报警或者低报警模块 除了管网压力取样的设计外 对管网压力测点的分布也要重视 正确检测管网压力 并作出相 应的处理 均匀的分散管网负压保护测点 可以减少误发风险 压力取样点根据实际情况合理 安排 取样之后 PID 调节器将控制压力设定值与反馈值进行偏差运算输出给到相应的变频器 改变水泵的运行或转速 使得管网的水压与设定压力相似 2 3 2 变频恒压供水系统的参数选取 1 目前工业控制中 控制器应用最多的就是 PID 控制 PID 控制适用于压力 流量 温度等 过程量的控制 合理选取 PID 参数 实现系统低能耗恒压供水 在 PID 控制模式中 变频器根据比较给定值和 实际值 自动调整输出频率 在水泵控制系统中 在外部使用压力传感器将压力信号给入到变 频器中 变频器进行一系列的处理放大 进而控制水泵 其中要想真实地反映现场官网压力的 变化 压力控制点的选取至关重要 正确检测管网压力 并作出相应的处理 均匀的分散管网 负压保护测点 可以减少误发风险 压力取样点根据实际情况合理安排 取样之后 PID 调节器 将控制压力设定值与反馈值进行偏差运算输出给到相应的变频器 改变水泵的运行或转速 使 得管网的水压与设定压力相似 楼层用水量一般是不稳定的 供水压力处于实时的变换过程中 那么要求控制系统不但要有较好的稳定性 还要有较好的动态性 2 变频器无法直接使用 在必须投入运行后进行大量调试 保证系统达到最佳运行状态 变 频器附带检测功能 根据检测到的负载的转动惯量的大小 设置在启动和停止电机时所需的不 同时间 设定时间的长短会带来不同的后果 其中设定时间过短会导致变频器在加速时过电流 保护和减速时的过电压保护 设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得缓慢 迟滞 易处在短期不稳定状态中 2 3 3 变频器注意事项 1 环境温度对变频器的使用寿命有很大的影响 经测试表明环境温度每升 10 变频器寿命 会减半 环境温度一部分取决于外在因素 而另一部分就取决于变频器本身的散热问题 所以 一定要解决好周围环境温度及变频器散热的问题 2 注意工频 变频切换方式运行 工频输出与变频输出的互锁要可靠 3 防止随机干扰的出现 必须要有良好的接地 给仪表等输入电源加装滤波器 防止共模 串 模干扰 给变频器输入加滤波器 有效抑制变频器对电网的传导干扰 同时还要注意电动机与 变频器略远的问题 要添加交流输出电抗器 防止导线布线造成的漏电流 4 水泵负载的匹配要选择变频器的容量稍大于或等于电动机的容量即可 2 4 远传压力表 本系统采用 YTT 150 型差动远传压力表 它为二线制安全型防爆仪表 内自带阻尼器 可测量 脉动 冲击 突然卸荷介质的压力 本仪表既可以就地进行压力指示 又可以输出与被测压力 信号成线性的直流信号 将其与 DDZ 电动单元组合仪表中的显示 记载 调节仪表联用 组成 自动记录 调节 控制等系统 2 4 1 主要技术指标 精确度等级 1 5 发送器起始电阻值 3 20 发送器接线端 外加电压不大于 6V 发送器满度电阻值 340 400 滑线电阻式发送器连接图 图 2 2 滑线电阻式发送器接线图 使用环境条件 50 左右 相对湿度低于 80 温度影响 使用温度偏离 20 5 时 其温度附加 误差不大于 0 4 10 2 4 2 结构原理 本仪表主要由一个弹簧管压力表和一个滑线电阻式发送器所组成 压力表中电阻发送器安装在 齿轮传动机构上 因此当齿轮传动机构中的扇形齿轮轴产生偏转时 电阻发送器的转臂 电刷 也相应地得以偏转 使得被测压力值的变化变换为电阻值的变化 而传至二次仪表上 指示出 一相应的读数值 2 5 系统控制流程设计 2 5 1 系统组成及作用 恒压供水设备 由变频器 传感器 低压电气控制柜和水泵等组成 系统采用变频器 继电器以及接触器来控制水泵机组运行状态 实现管网的恒压变流量供水要求 设备运行时 压力传感器通过压力 三选一 选出合适的管 网压力信号变换成电信号送入经微机处理器 计算得到最佳控制参数 经过 D A 转换输入到变 频器和继电器中 进行控制调整水泵机组高效率地运行 供水系统实时对水泵的自动启停控制 水位流量 压力的测量与调节进行监控 并增加水质 检测 节水程序控制 故障及异常状况的记录等 结构如图 2 3 图 2 3 系统结构图 2 5 2 系统运行过程 由远程压力表将监测到的管网供水压力传送给 PLC 输入 I O 口 经过 PLC 微机处理后 输出模 拟量给变频器 变频器根据 PLC 的输入调整电机频率 当管网压力当前值高于变频器设定值时 变频器就会提高其频率 当前值低于变频器设定时 变频器就会降低其频率 本系统设置外部 反馈回路 当变频器的运行频率达到 50hz 时 若管网压力仍低 系统将从外部进行控制 将自 动启动一台工频泵 当变频器的运行频率降到 10hz 时 若管网压力仍高 系统将自动摘除一台 工频泵 加泵 减泵时均需考虑 30 秒的延时 要做到无扰切换 以免电机产生震荡 由于变频器采用的是一拖四的多频控制系统 四台泵都有可能处于变频的状态 假设 1 号泵正 处于变频的状态 向 2 号泵传递的工作流程如下 表 2 4 向 2 号泵传递的工作流程 1 先停止变频器的工作 2 关闭 1 号泵的变频接触器 3 接通 2 号泵的工频接触器 4 最后在接通变频器 在供水系统中假定只有 4 台泵 而它们的运行状态为一台处于变频状态 而其它泵任意状态 泵的供电系统由三相电源提供 系统的输入设定值与变频器的模拟量反馈信号作偏差输入到 PLC 中进行各种转换除磷 继而控制变频器 系统选择 变频自动 的方式 先利用变频器随 机启动运行第一台泵 同时系统检测供水管网的实时压力 当供水管网压力低于设定值时 系 统完成变频泵频率的上调 如果出现频率到达 50Hz 而管网压力仍低则启动第二台工频泵 以 此类推 一定要按照顺序实现工频泵的加入 防止切换过程过快而导致电弧的产生 当供水管 网压力高于设定值时 系统完成变频泵频率的下调 如果出现频率到达 10Hz 时 管网压力仍高 则摘除一台工频泵 以此类推 顺序实现工频泵的摘除 3 系统硬件设计 3 1 主电路设计 3 1 1 四台水泵手动控制系统 电源频率下 当需要进行手动控制时 由于操控的电压太大 处于安全考虑一定要进行降压 本文降压方式采用的是星 角启动控制 此过程由继电器逻辑控制完成 由于线路众多 为防止运行过程中出现意外 即防止主运行接 触器与变频控制接触器一起上电 本方案采用必要的互锁 从根本上杜绝了一起上电的可能性 四台水泵在理论上具有轮换对称性 都采用了循环换泵运行的特点 其手动控制也是由四套完 全独立的控制电路组成 供水泵的自动控制系统主要完成供水泵在工频安全运行 在变频下自动安全运行 并且控制系 统中还要有各种报警设备 紧急启停控制等安全防护模块 13 3 1 2 四台水泵连接图 四台电机分别为 M1 M2 M3 M4 编为 1 2 3 4 接触器 KM1 KM3 KM5 KM7 分别控 制 M1 M2 M3 M4 的工频运行 接触器 KM2 KM4 KM6 KM8 分别控制 M1 M2 M3 M4 的变频 运行 FR1 FR2 FR3 FR4 分别为四台水泵电机热继电器 起过载保护作用 QS1 QS2 QS3 QS4 QS5 分别为变频器和四台电机主电路的隔离开关 在无负荷电流情况下 起隔离作用 FU 为主电路的熔断器 有短路及过电流保护作用 四台水泵连接图如图 3 1 所示 图 3 1 四台水泵连接图 3 2 变频器电路设计 3 2 1 变频器选型及调速特点 变频调速技术依靠它自身的小型化 低成本和高可靠性等方面的优点 在现场工业中稳稳地占 据了一片江山 变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源 以实现电动机的变速运行的 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变成交流电 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 依据负荷的不同改变功率和转速 达到节能的 目的 举个例子 现代变频调速技术常常会被应用在电力水泵供水系统中 颇为常见 与传统 方式相比较 结果普遍会节约电能 40 60 节水 15 30 变频调速器正如其名一样 调速特性好是它的显著特点 不同的变频器调速范围都不一样 但 是普遍都具有调速范围广的优点 并且从调整曲线上来看 其调整特性曲线平滑 测试时无论 是快调还是慢调曲线都非常平稳 由于变频器是由整流 滤波等电子元件构成 因此体积小 维护简单 尤其将它应用于大容量负载时 可以获得极大的节能效果 在供水行业应用变频调速设备是一次质的飞跃 应用变频设备使恒压 恒水位供水调速系统实 现水泵电机无级调速 不用分档位的任意调速 依据现实生活用水系统中用水的变化来自动调 节水位控制系统的运行参数 目的是在用水量随着不同时段发生变化时保持水压和水位恒定以 满足客户用水要求 相信随着科技的发展 变频器可以有更精彩的功能被挖掘出来 变频器供 水控制不仅设备投资少 运行成本低 并且系统稳定性能够保证 自动化水平也高 相继也会 带来节能 环保等优点 由于恒压供水调速系统的这些优越性 必然会引起国内各供水厂家的 高度重视 并不断地开发创新 努力使该产品向着高可靠性 全数字化控制 智能化方向发展 变频调速特点简述如下表 表 3 1 变频调速特点 1 采用多重化 PWM 方式控制 2 功率因数高 输入谐波小 3 模块化设计 结构紧凑 可更换能力强 4 直接高压输出 无需输出变压器 5 极低的 dv dt 输出 杂波较低 不须过多滤波 6 采用光纤技术 提高了产品的抗干扰能力和可靠性 7 功率单元采用自动旁路 实现故障不停机待修理自保持功能 本文设计恒压供水调速系统可以实现水泵电机无级调速 跟据用水量的变化来调节系统的运行 参数 在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求 3 2 2 变频器中常用的控制方式 1 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有 U f 控制 转差频率控制 矢量控制 直接转矩控制 等 2 智能控制方式 主要有神经网络控制 模糊控制 专家系统 学习控制等 3 23 ABB 产品信息 ACS400 算得上是当今市场上体积最小的变频器之一 其结构设计特别的有创意 充分地考虑到 现场安装的便利以及有效的使用面积 在材质上 它大量地使用铸铝件和塑料件 保证了足够 的加工强度 在 2 2 37KW 的功率范围内 节约能源 控制准确 安全可靠 ACS400 预置了九种 应用宏 主电源 230 500V 50 60HZ 控制电源 115 230V 它采用全新的设计 随着时代电子的进步让这款变频器应用最新的半导体技术 较之前的一系 列产品增加了更多的可靠性 产品在软件结构设计上采用新颖的想法 站在使用者的角度让调 试过程变得简单 体积特别小巧 极大的为用户节省了空间 其内部还包含磁场电抗器和熔断 器 这款产品由于使用了 IGBT 技术应用在磁场单元中 所以没有必要再根据供电电压选用磁场 变压器 最后还要补充的是 ACS400 拥有多种调试工具 使用时在调试向导下进行参数设定 加 上全部的自优化调试过程 ACS400 常常以 15 分钟作为产品典型的调试时间 ACS400 结构图如 图 3 2 所示 图 3 2 ACS 结构图 3 3 PLC 电路设计 3 3 1 PLC 介绍及特点 可编程控制器是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置 PLC 自发明问世以来 随着技术 的不断成熟 被越来越多的人所熟知 发展至今 已经成为各工业领域和实验室等各个场所必 不可少的控制装置 在 60 年代末美国最早出现了可编程逻辑控制器 其提出目的是为了代替继 电器 但是在 70 年代以后随着微处理器的问世 并被用于构建 PLC 领域作为其中央处理器 PLC 的能力得到了极大的增强 并增加了运算 数据传输和处理等能力 PLC 克服了继电接触控 制系统中的接线复杂 可靠性不高 能耗严重 性差的缺点 今日的工业控制领域许多都离不 开 PLC 的控制 因为其性能的优异性 已经发展为工业自动化的三大支柱之一 PLC 作为工业 专用控制计算机 有着许多优点 可靠性强 运行稳定 有良好的抗干扰能力 编程简易直观 适应性强 通用性强 功能完善 接口功能强 硬件配置方便 维修方便 3 3 2 可编程控制器的控制策略 本系统的基本控制策略要求 采用电动机变频调速装置与 PLC 构成控制系统 PLC 内设数模 模 数转换模块 PLC 的 I O 单元负责按扭 模拟信号和其它开关量信号的输入 以及发出信号去 控制接触器 变频器等电气组件 进而控制水泵的运转及整个系统的正常运行 其中 I O 单元 应具有以下功能 1 获得信号具有可靠性 并对输入信号进行滤波 整形 转换成控制器可接 受的电平信号 2 把控制器的输出信号转换成有较强驱动能力的信号 输出电路应与控制器隔 离 另外 PLC 还负责各种异常情况的处理 而变频器则控制当前电机转速 使转速的变化跟随用水 量的变化 进行优化控制泵组的调速运行 系统的控制目标是将泵站总管的压力稳定在设定的 压力值上 除此之外 要控制水管中水压力的大小 除了依靠 A D 和 D A 两个模块之外 还需 要用到内置的 PID 模块来切换水泵的电机 这三个模块是 PLC 的高级控制单元 是 PLC 控制的 重要组成部分 也是恒压供水系统的核心 此外还需要用到 PLC 的逻辑 定时 和计数等基本 功能对系统进行控制 对恒压供水系统需要加入特定并且适合的 A D 和 D A 转换模块 可以在供水过程中得到模拟的 电压量 利用 A D 转换模块转换成数字量 然后 PLC 中的中央处理器即微处理器经过计算 再 送到 D A 模块进行转换 最后变成模拟量去控制被控对象 鉴于投资成本性价比和系统的安装 难以程度问题 所以本系统所选择的 PLC 是日本欧姆龙公司的 机器型号为 CPM2A 30CDR A 和 模拟量控制模块 CPM1A MAD01 其性能特征如下 采用高速计数器快速的跟踪测量高速加工元件 采用同步脉冲控制可避免异步脉冲带来的调整时间不利的缺点 可直接地与 OMRON 的 PT 相连接 为操作员机提供一个操作可视化界面 通过脉冲的输出特点可以进行多种位置控制 CPM2A 的价值与性能几乎形成反比的趋势 性价比极高 PLC 规格介绍如下 表 3 2 PLC 规格 项目 40 点 CPU 单元 电源电压 交流电源 AC100 240V 50 60Hz 直流电源 DC24V 允许电源电压 交流电源 AC85 264V 直流电源 DC20 4V 26 4V 消耗电力 交流电源 60VA 以下 直流电源 20W 以下 浪涌电流 交流电源 60A 以下 直流电源 20A 以下 外部供电源 仅交流型号 供电电压 24VDC 供输出容量 300mA 绝缘阻抗 20M 以上 DC500V 外部电源 AC 端子与所有端子之间 耐压 AC2300V 50 60Hz 1 分钟 外部电源 AC 端子和所有端子之间 漏电六 10mA 以下 抗干扰性 抗干扰性 1500Vp p 脉冲宽度 0 1 1 s 上升延 1ns 通过模拟干扰 抗振 抗振 10 57Hz 振幅 0 075mm 57 150Hz 加速度 9 8m s2 在 X Y Z 方向各 80 分钟 每次振动 8 分钟 实验次数 10 次 合计 80 分钟 耐冲击 147m s2 在 X Y Z 方向各 3 次 环境温度 使用 0 55 保存 20 75 环境湿度 10 90 不结露 气体环境 无腐蚀性气体 端子螺丝尺寸 M3 电源保持 交流电源 最小 10ma 直流电源 最小 2ms CPU 单元重量 交流形式 800g 以下 直流形式 700g 以下 扩展 I O 单元重量 20 点单元 300g 以下 8 点输入单元 250g 以下 8 点输出 单元 200g 以下 模拟量 I O 单元 200g 以下 3 3 3 四台水泵自动控制系统 供水泵的自动控制采用的是日本欧姆龙公司的 PLC 机器型号为 CPM2A 30CDR A 和模拟量控制模 块 CPM1A MAD02 CH 主要完成供水泵的工频 变频自动运行 其控制包括 1 4 号泵的工频 变频接触器 报警灯 报警器 变频器启停控制 图 3 3 PLC 的自动控制电路 在模拟量控制中 模拟量模块是由四路输入和一路输出组成 四路输入分别连接为 P1 小区供水管 网压力 002CH 中的低八位 P2 市供水管网压力 002CH 中的高八位 F 变频器的当前频率 003CH 中的低八位 一路输出为 P11 12CH 中的低八位 P11 P1 3 3 4 I O 地址分配表如下 表 3 3 I O 地址分配表如下 输入点 序号 PLC 地址 电气符号 状态 原理说明 1 0 KA1 NO 1 号水泵手 自转换 2 1 KA2 NO 2 号水泵手 自转换 3 2 KA3 NO 3 号水泵手 自转换 4 3 KA4 NO 4 号水泵手 自转换 5 4 R02 RF1 NO 1 号水泵过载 6 5 R02 RF2 NO 2 号水泵过载 7 6 R02 RF3 NO 3 号水泵过载 8 7 R02 RF4 NO 4 号水泵过载 9 8 KM2 NO 1 号水泵工频运行 10 9 KM6 NO 2 号水泵工频运行 11 10 BJX NO 报警消除 12 11 KAP NO 低水压报警 13 100 KM4 NO 1 号水泵变频运行 14 101 KM8 NO 2 号水泵变频运行 15 102 KM12 NO 3 号水泵变频运行 16 103 KM16 NO 4 号水泵变频运行 17 104 KM10 NO 3 号水泵工频运行 18 105 KM14 NO 4 号水泵工频运行 19 02CH DL P1 小区供水管网压力 20 02CH HL P2 市供水管网压力 21 03CH DL F 变频器当前频率 22 03CH HL 备用 输出点 序号 PLC 地址 电气符号 状态 原理说明 1 1000 变频器起停控制 2 1001 SWD 低水压报警指示灯 3 1002 BJD 系统故障报警指示灯 4 1003 BJQ 系统故障报警蜂鸣器 5 1004 KM1 1 号水泵工频运行 6 1005 KM4 1 号水泵变频运行 7 1006 KM5 2 号水泵工频运行 8 1007 KM8 2 号水泵变频 运行 9 1100 KM9 3 号水泵工频运行 10 1101 KM12 3 号水泵变频运行 11 1102 KM13 4 号水泵工频运行 12 1103 KM16 4 号水泵变频运行 13 12CH DL P11 小区供水管网压力 4 系统软件设计 4 1 模拟量闭环控制 管网水压控制采用 PID 算法 带有积分变速积分的 PID 控制方案 大大减小了超调量 因此 PLC 内部的 PID 算式改造为 1 式中 Kc 调节器的比例 Ti 调节器的积分时间 Td 调节器的微分时间 e 调节器的偏差信号 f e 变速积分控制系数 取 其中参数 A 用于确定变速积分的分离区间 取 A 1 3 SP 其中 SP 为管网水压设定值 经现 场调试 当 SP 0 42MPa 时 系统最佳运行参数值为 Kc 0 8 Ti 108s Td 3s 图 4 1 模拟量闭环控制框图 为实现在变频器故障情况下的全自动供水方案 采用以管网水压为目标的水泵工频切换方式 为防止在水泵在水泵停开一台水压不足而增开一台水压过高所造成的切换振荡 系统采用在线 辩识水压 控制区间的控制方案 即只有越过控制区间 泵才进行切换 控制区间设定方法如下 假设当前水压控制区间为 X01X02 X01 SP X02 当管网水压越过这个区间时 经一定延 时 泵即开始切换 待系统切换完后 水压值为 P1 则以 P1 为依据从新建立水压控制区间 X11X12 并按式 3 取值即可避免系统切换振荡 7 4 2 系统流程图 图 4 1 为系统流程图 变频器 根据 PLC 的输入调整电机频率管网压力当前值高于变频器设定值时 变频器就会提高其频率 当前值低于变频器设定时 变频器就会降低其频率 本系统设置外部反馈回路 当变频器的运 行频率达到 50hz 时 若管网压力仍低 系统将从外部进行控制 将自动启动一台工频泵 当变 频器的运行频率降到 10hz 时 若管网压力仍高 系统将自动摘除一台工频泵 加泵 减泵时均 需考虑 30 秒的延时 要做到无扰切换 以免电机产生震荡 流程图如下 图 4 2 系统流程图 4 3 程序设计 4 3 1 总体思路及部分程序注解说明 本程序的设计设计到不同工况下不同泵的工作时序不同 首先 对 PID 模块进行参数整定 涉 及到对 PID 控制器中的比例度 积分时间 微分时间三个参数的大小进行确定 可以利用经验 试凑法 临界比例法 衰减曲线法等办法对控制器参数进行整定 其中临界比例带法就是单纯 调节比例常数 使输出出现等幅振荡后 记录前两个波峰时间差 查表来确定 PID 参数 衰减 曲线法也是利用类似临界比例带的办法 不断的调节比例系数 使输出出现 4 1huozhe 10 1 波 形 利用表格算出 PID 参数 试凑法就是利用人们的整定经验来判断 动态参数法是在系统处 于开环的状态下 作对象的阶跃扰动试验 记录阶跃响应曲线求取特征参数 再根据经验公式 算出各个参数 随后在 PLC 运行的第一个周期里 将数值 C2F3 送入 13CH 处理 002CH 通道中的数值 利用常 ON 指令 将 002CH 的内容与数值 00FF 进行逻辑与操作 目的是屏蔽高八位 保留低八位 最 后输出的结果传送到数据区 DM210 中 DM210 取做 P1 同样的处理将 DM230 取作 P2 将 DM220 中的高八位传送到 DM230 的低八位中 再将 DM230 中的二进制数值转换成 BCD 码后传送到 DM240 中 处理 003CH 通道中的数值 利用常 ON 指令 将 003CH 的内容与数值 00FF 进行逻辑 与操作 目的是屏蔽高八位 保留低八位 最后输出的结果传送到数据区 DM310 中 记作 F 处理 003CH 通道中的数值 将常 ON 指令当作控制指令 将 003CH 的内容与数值 FF00 进行逻辑 与 操作 最后输出的结果传送到数据区 DM320 中 这个数据区我们当作备用 LD P First Cycle MOV 21 C23F 13 LD P On ANDW 34 2 00FF DM210 LD P On ANDW 34 2 FF00 DM220 LD P On MOVD 83 DM220 012 DM230 LD P On BIN 23 DM230 DM240 LD P On ANDW 34 3 00FF DM310 LD P On ANDW 34 3 FF00 DM320 LD P On MOVD 83 DM320 012 DM330 LD P On BOM 23 DM330 DM340 LD P On MOV 21 DM210 12 4 3 2 手动或电机过载的信号处理程序 当正常情况下 1 号泵手 自动转换信号处于手动位置或者异常状况出现 即出现电源故障 变频 器自动调节失灵 1 号泵电机过载等现象时 会给微机输入一个手动或故障信号 当 2 号泵手 自动转换信号在手动位置或者异常状况出现 即出现电源故障 变频器自动调节失灵 2 号泵 电机过载等现象时 会给微机输入一个手动或故障信号 当 3 号泵手动 自动转换信号在手动位置或者异常状况出现 即出现电源故障 变频器自动调节 失灵 3 号泵电机过载等现象时 会给微机输入一个手动或故障信号 当 4 号泵手动 自动转 换信号在手动位置或者异常状况出现 即出现电源故障 变频器自动调节失灵 3 号泵电机过 载等现象时 会给微机输入一个手动或故障信号 如表 本程序将中间标志 35 01 35 04 分别与 ka1g ka4g 的上升沿操作结合 将上升沿信 号与变频器控制信号进行 与 操作 得到的新信号用作始能信号 即在供水泵处于变频工作 时 当出现一系列被当作故障的情况后 该信号用来控制关闭变频器的运行 表 4 3 控制信号表 KA1 RF1 Ka1g KA2 RF2 Ka2g 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 KA3 RF3 Ka3g KA4 RF4 Ka4g 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 当市供水系统 当水压力超低 T80 经延时后 循环倒泵的上升沿 35 07 变频泵故障的 上升沿这些地方出现任意信号时 35 09 将输出禁止变频泵工作信号 在此设定 2 秒解锁 循环倒泵时间为 24 小时 系统设置定时器 一旦时间到达便输出倒泵信号 禁止变频泵运行 并设置移位程序对变频运行标志二进制数进行左移操作 将变频运行标志移交到下一台泵上 在程序中设置初始化 将 PLC 第一次运行或变频运行标志超界时设定为第一台泵为变频泵 LD KAPL TIM 80 200 LD yhdb DIFU 13 35 07 LD pbgz DIFU 13 35 09 LD 35 07 LD 35 09 ANDNOT pqgz ORLD LD TIM020 KEEP 11 jzkb LD P 1min LD TIM010 OR P First Cycle CNT 50 1440 LD yhdb LD pbgz ANDNOT pbgz ORLD TIM 10 40 74 TIM 20 20 LD 38 08 LD TIM020 LD 38 09 SFT 10 38 LD P First Cycle OR 38 05 MOV 21 2 现在讨论在变频泵处于自动运行状态下 并且无过载现象 与此同时假设市供水管网压力正常 无循环倒泵信号 变频泵无故障 变频器无故障 当上述的各联锁状态出现任何一个时 变频 器运行允许将进入停止状态 随后关闭变频器信号发出从而关闭变频器的工作 在程序中我们 人为的设置工频加泵频率区间和摘泵区间 假定频率设定在 48Hz 52Hz 范围内 程序中用二 进制表示 时 我们以此作为加工频泵的上限频率 频率设定在在 0Hz 10Hz 区间时 我们 以此作为减工频泵的下限频率 用变频器输出频率的当前值 即 DM30 数据区域内的值 将它去 与 DM10 至 DM40 数据区进行比较 并将得到的对比结果置于 039 通道中 LDNOT ka1g AND bpb1 LDNOT ka2g AND bpb2 ORLD LDNOT ka3g AND bpb3 ORLD LDNOT ka4g AND bpb4 ORLD ANDNOT pys ANDNOT yhdb ANDNOT pqgz ANDNOT pbgz OUT yxbp LD P On IL 02 LD p On MOV 21 00FF DM12 LD p On MOV 21 00FF DM13 LD p On MOV 21 0000 DM14 LD p On MOV 21 0006 DM15 LD P On BCMP 68 DM310 一旦变频器的频率值低于 10Hz 时 系统无法做到立即摘泵 整个系统会出现一大部分的延时 因此需要进行一定时间的延时 延时结束后 要注意摘泵的顺序并不是先投先摘 后投后摘 而是先投入的工频泵要最后摘 而后投入的工频泵则优先摘 要注意无扰切换 随后的下一段 程序是为工频泵被摘做联锁保护 即在规定的延时时限下才有操作权限 并且一旦做工频调整 就需要重新设定 PID 值 LD INKM2 ANDNOT INKM4 SET ls1 LD INKM2 ANDNOT INKM4 DIFD 14 36 05 LD 36 05 SET 36 11 LD 36 11 300 LD TIM001 RSET ls1 RSET 36 11 LD INKM6 ANDNOT INKM8 SET ls2 LD INKM6 ANDNOT INKM8 DIFD 14 36 06 LD 36 06 SET 36 12 LD 36 12 TIM 2 300 LD TIM002 RSET ls2 RSET 36 12 LD INKM10 ANDNOT INKM12 SET ls3 LD INKM10 ANDNOT INKM12 DIFD 14 36 07 LD 36 07 SET 36 13 LD 36 13 TIM 3 LD TIM003 RSET ls3 RSET 36 13 LD INKM14 ANDNOT INKM16 SET ls4 LD INKM14 ANDNOT INKM16 DIFD 14 36 08 LD 36 08 SET 36 14 LD 36 14 TIM 4 300 LD TIM004 RSET ls4 RSET 36 14 简述程序步骤 第一部分为以 1 号泵为首的变频组合 1 号泵变频 2 号泵作为第一台工频 3 号泵作为第二台工频 4 号泵作为第三台工频 程序 其中将 1 号泵设定在变频状态 一旦系 统工况出现手自动切换信号 电机故障 变频器故障 市供水管网压力不可控等信号 1 号泵 退出变频运行 而要是想将 2 号泵作为第一台工频泵 那么必须满足 1 号泵变频工作正常下才有效 并且要实 施加泵和摘泵操作 设置原则遵循根据上限频率和下限频率来 注 当 3 号或 4 号泵也在工频 运行时 2 号泵不可以退出工频运行 另外两台泵的运行逻辑也如上述所说 保证优先级和时 序 LD bpb1 IL 02 LDNOT ka1g ANDNOT jzkb ANDNOT pqgz ANDNOT pys LD INKM4 TIM 11 1200 LDNOT ka2g AND INKM4 LD fmax AND TIM011 OR ka21 ANDLD LDNOT fmin OR ls3 OR ls4 ANDLD OUT ka21 LD INKM6 LD IN