基于PLC变频器通讯恒压供水系统.doc

基于PLC与变频器通信方式闭环调速系统-基于PLC和变频器串行通讯的变频恒压供水系统董小丹摘 要：随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。本论文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对系统采取的可靠性措施进行了说明。本论文的变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。关键字：变频调速；恒压供水；PLC；监控系统 引言介绍了一种基于PLC和变频器采用串行总线方式通讯的变频恒压供水系统的构成和工作原理。系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定，在用水低谷时投入小流量泵，降低电能损耗。变频器故障时仍能自动运行，保证不间断供水，同时故障消除后能自启动，实现无人值守全自动运行。在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的水塔、高位水箱、气压增压等设备，不但占地面积和设备投资大，维护困难，且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而高峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，而且造成大量电力浪费。这里介绍一种由可编程控制器控制的变频恒压供水系统，它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力，又能节约能源。一、系统介绍 变频恒压供水控制系统由PLC控制器、触摸屏显示器、变频调速器、压力变送器、水位变送器、交流接触器等其它电控设备以及3台水泵（水泵数量可以根据需要设置）和一台小流量泵等构成，如图1所示。在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器，PLC具有模拟量输入检测模块，检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信号，将检测的压力信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统；自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和各泵的工作状态等信息；可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压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。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、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、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(一)、供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(二)、用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。(三)、变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(四)、在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。(五)、当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(六)、水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。(七)、用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。图1二、工作原理 该系统具有手动和自动两种运行方式： 手动运行方式 选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。 自动运行方式 1.启动程序 在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1#泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将1#泵切换为工频，2#泵变频交流接触器吸合，变频启动2#水泵，频率逐渐上升，直至出水压力达到设定压力，依次类推增加水泵。 2.水泵切换程序 如用水量减小，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般为25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；若在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。 3.启动小流量泵 对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小流量水泵。例如在晚上12点到凌晨5点，居民生活用水很少，一台30kW的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右，电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。若系统中设置一台5KW左右的小流量水泵，为了维持出水压力，由小流量水泵变频工作，不仅电动机工作在较高频率，而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，扬程和主泵相同。 4.水池水位检测 在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号；若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号；若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。 5.自动启动 有时电源会突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，PLC会发出指令，蜂鸣器发出警告，然后按自动运行方式变频启动1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。 6.消防报警 当出现消防报警信号时，系统立即按照消防压力运行。 7.故障处理 变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC发指令使全部水泵停机，然后1#泵工频运行（若水泵功率大于37KW，则需要采用降压启动或其它启动方式），经一定延时后根据压力变化情况再使2#泵工频运行。此时，PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加MODEM模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。 三.器件的选型及介绍.可编程控制器1、简介PLC可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。图3.1 PLC的硬件结构框图可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。美国电气制造商协会(NEMA)将其正式命名为可编程控制器(Programmable Controller)，简称PC，但是为了和个人计算机(Persona1 Computer)的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC。事实上与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者显示动态的设备状态参数，无法进行大批量数据的存贮与转化，尤其是当系统工艺改变时，无法方便、快速地改变相关参数、配方。因此，在现今的稍微复杂一些的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机配合使用，实现完整的控制功能。2、 PLC的特点现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：、编程方法简单易学、功能强，性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强、无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强、系统的设计、安装、调试工作量少、维修工作量小，维修方便 、体积小，能耗低。3、 PLC的工作过程图3.2 PLC的扫描工作过程PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.2所示。PLC在I/O处理方面必须遵守的规则如下：、输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；、程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元件的状态；、输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结果决定。、输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；、输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。4、 PLC的选型水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需的输入输出点数量共为24个点。本系统选用FXos-30MR-D型PLC。5、PLC的接线图3.3 PLC的接线图Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号、变频器1、变频器的构成通常由变频器主电路（IGBT、BJT、或GTO作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等图3.4 变频器的构成、主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图3.5所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。整流器最近大量使用的是二极管的交流器，图3.5所示，它把工频电源变换为直流电源。可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。制动回路异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。图3.5 典型的电压型逆变器一例.控制电路给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.4所示，控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。在图3.4点划线内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路B部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。控制电路主要包括：运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、功率。电压/电流检测电路与主电路电位隔离，检测电压、电流等。驱动电路为驱动主电路 器件的电路。它使主电路器件导通、关断。速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。保护电路检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。保护回路主要包括：逆变器保护瞬时过电压保护。由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。过载保护。逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。过负载是由于负载的GD2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。再生过电压保护。采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。瞬时停电保护。对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。接地过电流保护。逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。冷却风机异常。有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。异步电动机的保护过载保护。过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。超频（超速）保护。逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。其他保护防止失速过电流。急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。防止失速再生过电压。减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。2、 变频器的特点变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。变频恒压供水系统主要有以下几个特点:、节能：变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%60% ，这一特点已被广大用户所认识并带来效益、占地面积小，投人少，效率高：设备结构紧凑占地面积少维护方便维护费用低投资省安装快如仅供几栋居民楼生活用水的小型供水设备在楼梯间楼梯下几平方米的地方即可安装、配置灵活，功能齐全，自动化程度高。、由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，大大降低水质污染的可能性：众所周知南方气候炎热潮湿细菌和微生物极易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生红虫必须定期清洗改用变频调速恒压供水设备后只需一个低位水箱原来也有将水质污染降到最低限度。、通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力3、 变频器的选型根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器图3.6 FR-A540的管脚说明4、 变频器的接线管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。 图3.7变频器接图、 PID调节器仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是， I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好图3.8 PID控制框图通过对被控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:1、硬件型：即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。2、软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中。图3.9 PID控制接线图、压力传感器的接线图压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。该传感器的量程为02.5MPa，工作温度为560 ，供电电源为283V（DC）。 图3.10 压力传感器的接线图、原件表水泵：M1、M2选用40-160(I)A型，M3选用40-160(I)型，参数见表3.1所示。 热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1 FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流58A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为69 A熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw按钮SB的选择：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，按钮均选用LAY311型，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。表3.1元件表总图元件符号型号个数可编程控制器PLCFXos-30MR-D1变频器FR-A540系列5.5型1接触器KMSC-E03-C7水泵M1,M240-160(I)A2M340-160(I)1闸刀开关QSHD11-100/181熔断器FU1，FU2RT18 6A2FU3RT18 8A1热继电器FR1 FR2TK-E02T-C2FR3K-E02U-C1按钮SBLAY31110水泵符号型号流量(m3/h)扬程(m)转速(r/min)电机功率(kw)M1,M240-160(I)A112829002.2M340-160(I)12.53229003.0表3.2水泵的参数变频器适用电机容量（KW)输出额定容量(KVA)输出额定电流（A）过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-A540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反时限特性)3相，380V至480V 50Hz/60Hz强制风冷表3.3 变频器的参数四、控制系统配置及应用实例 PLC的选择 可编程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主机，I/O点数为40点(24个输入点和16个输出点)，具有2个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是S7-200 PLC的一个很有特色的功能，它使S7-200 PLC可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式，在本系统中PLC可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块，具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。 .变频器及控制方式选择 在传统的变频控制系统中，变频器的启动/停止由PLC通过开关量输出控制，变频器频率是由PLC通过模拟量输出端口输出05(10)V或420mA信号控制的，这需要购买PLC比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测是只是由PLC读取变频器的故障报警触点，只是知道变频器出现故障，但具体什么故障并不清楚，需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道，这对于一般值班人员来说太难了。 因此在本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，变频器选用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列风机/泵类专用变频器，它们具有RS-485通讯接口，性价比较高。PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口，又获的了大量变频器的信息。 . 触摸屏 触摸屏选用台湾HITCH公司生产的PWS系列，它具有丰富的驱动程序，可方便地通过串口与S7-200系列PLC通讯。通过触摸屏可以直观地显示各泵的运行状态、管网实际出水压力、设定压力、变频器的电压、电流、功率及各种故障信息等参数；操作人员通过触摸屏可以方便的在线设置生活供水压力、消防供水压力、变频器加减速时间、各泵的在线/检修状态等参数，并可以通过触摸屏控制各水泵的运行。 .控制电路设计 在控制电路设计中，注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。系统主要控制回路如图2所示。.PLC通过RS485通讯实现变频调速本方法是PLC主机上装RS-485BD通讯适配器与变频器的485PU口相连接（具体连接方式见附录图6所示），通过PLC和变频器之间的RS485半双工串行通讯来实现电动机的变频调速。PLC和变频器之间的RS-485协议PLC和变频器之间进行通讯，通讯规格必须在变频器的初始化中设定，如果没有进行设定或有一个错误的设定，数据将不能进行通讯。且每次参数设定后，需复位变频器。确保参数的设定生效。设定好参数后按如下协议进行数据通讯该过程分5个阶段：1、计算机发出通讯请求；2、变频器处理等待；3、变频器作出应答；4、计算机处理等待；5、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启、停控制命令时则只需完成1-3三个过程；监视变频器运行频率时则需完成1-5五个过程。不论是写数据还是读数据，均有PLC发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。每个阶段的数据格式均有差别。现只列出较为常用的三种格式：要实现PLC对变频器的通讯控制，必须对PLC进行编程;通过程序实现PLC对变频器的各种运行控制和数据的采集。PLC程序首先应完成FX2N-485BD通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换和变频器应答数据的处理工作。PLC通过RS-485通讯控制变频器可以完成一台乃至多台变频器的启动、停止、频率设定。硬件连接附录图5所示。由于每台变频器的通讯编程方法基本相似，唯一的不同之处就是变频器的站号设置不同。现在就以PLC通过RS-485通讯控制#0变频器运行程序为例：变频器参数设定：Pr.79=1（操作模式）, Pr.1=50(上限频率)，Pr.3=50(基底频率)，Pr.19=380（基底电压），Pr.77=2（参数写入禁止；表示即使运行时也可写入参数），Pr.117=0（变频器站号），Pr.118=192(通讯速度)，Pr.119=0（停止位一位），Pr.120=2（偶校验）Pr.121=9999(通讯重试次数)，Pr.122=9999（通讯检查时间间隔），Pr.123=9999（等待时间设置），Pr.124=0（无CR，无LF），以上程序运行时PLC通过RS-485通讯程序正转启动并且变频运行。其中X0为电动机正转以额定速度（频率）运行控制按钮，X1为电动机变频调速控制按钮，实现电动机的频率调节。若要对#1站的电动机进行调速控制，只要将H30和H31分别传送给D11,D12，并将变频器参数Pr.117设置为1即可.依此类推。对于不同站号的电动机的变频调速编程方法基本相同。控制指令如下表所示。 操作指令指令代码数据内容正转HFAH02反转HFAH04停止HFAH00频率写入HEDH0000-H2EE0频率输出H6FH0000-H2EE0注意所有指令代码和数据均以ASCII码(十六进制)发送和接收。十六进制数转换成ASCI码时，H0-H9转换成ASCI码时加H30，例H3转换成ASCI码即H3+H30=H33，而A-F转换成ASCI码时加H31。例HA转换成ASCI码即HA+H31=H41.依次类推。使用RS-485通讯控制，仅通过一条通讯电缆连接，就可以完成多台变频器的启动、停止、频率设定;并且很容易实现多电机之间的同步运行。该系统优点：硬件简单、可控制32台变频器。可以实现无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好。该系统成本低、信号传输距离远、抗干扰性强。但是也存在一定的不足之处：比如编程工作量较大，响应有延时。且必须在掌握通讯协议及相关的参数的基础上才能顺利完成编程。对于技校初学者来讲该方法掌握比较困难五、结论 在供水系统中采用变频调速运行方式，可根据实际需要水压的变化自动调节水泵电机的转速或加减泵，实现恒压供水，节能降耗；系统增加了小流量泵，延长主泵电动机使用寿命。变频器故障后仍能自动运行，基本保障了不间断供水，同时采用PLC与变频器通讯的方式控制变频器运行，具有一定的先进性。 目前该系统已有十几套投入使用，运行情况良好，操作直观方便，节能效果明显，受到用户好评。本论文研究的是变频恒压供水系统。恒压供水系统以PLC和变频器为核心进行设计，借助于PLC强大而灵活的控制功能和内置PID的变频器优良的变频调速性能，实现了恒压供水的控制。该系统采用PCL控制变频器进行PID调节，按实际需要随意设定压力给定值，根据压差调整水泵的工作情况，实现恒压供水，使给水泵始终在高效率下运行，在启动时压力波动小，可控制在给定值的5%范围内。恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。六结束语时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散容易。离校日期已日趋临近，毕业论文的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！ 此论文是在我的指导老师李明老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成，李明老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，至始至终都给予了我细心的指导和不懈的支持，值得一提的是李明老师再耐心指导论文之余，仍不忘拓展我们的文化视野，让我们感受到了文学的美妙与乐趣。在李明老师宅心仁厚，不慕荣利，对学生认真负责的身上，我感受到了他一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽交往不常，却给以终生受益无穷之道。毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向李明老师表示最衷心的感谢！最后要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚兴趣，让我在漫长的人生路途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！参考文献1 陈立定 吴玉香 苏开才 电气控制与可编程控制器M 广州 华南理工大学出版社 2 刘竞成.交流调速系统M.上海交大出版社，1998.3 徐国林.PLC应用技术M.北京.机械工业出版社，2007.4李华.变频调速技术在供水系统中的应用.电气传动自动化，1996，5陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，19966 赵小惠，赵小娥.基于可编程控制器的恒压供水系统设计2007(2)：7 高宏岩.基于PLC的模糊控制恒压供水系统设计.中国农村水利水电2007(4) 8变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术 岳庆来主编 机械工业出版社出版9变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书 吴启红主编 机械工业出版社出版烟台工程职业技术学院毕业（设计）成绩评定评分表评价基元评价内涵满分实评分平时成绩30能按时完成毕业设计(论文)各阶段所要求的工作 10能综合运用所学知识分析与解决问题的能力、独立工作能力和实际动手能力14工作态度认真、端正、虚心、严谨，严格遵守纪律6小计30评阅成绩30%能按任务书要求出成果 3论文结构完整、合理，条理清晰，对实验方案的论述正确 5能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、整合信息，实验数据可靠,实验结果正确5设计用语、格式、图纸（图表）、数据、量和单位符合国家标准，各种资料引用规范4视角新颖，主题突出，论据充分，论证有力，分析透彻，计算和结论正确5论文中所表述的基本概念清楚，基础知识和专业知识的掌握牢固扎实6文字表达通顺无误，字数符合要求2小计30答辩成绩40答辩时基本概念清楚, 基础知识和专业知识的掌握牢固扎实 10答辩过程中的自述简明无误，语言流畅10能正确回答问题,特别是本课题范围内的基本理论和基本技能问题20课题范围以外的提问仅作参考,不计分小计40总成绩合计100说明：评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90分（含90分）以上记为优秀,80分（含80分）以上为良好，70分（含70分）以上记为中等，60分（含60分）以上记为及格，60分以下记为不及格。烟台工程职业技术学院毕业设计（论文）成绩评定评审等级表指导教师评审意见评语：评定等级： 指导教师（签名）：答辩小组意见评语：评定等级： 负责人（签名）：学院抽查意见评语：评定等级： 负责人（签名）： 烟台工程职业技术学院毕业设计（论文）情况汇总表系别： 班级：填表时间：年月日序号学 生题 目 名 称类别（设计/论文）指导教师总成绩学号姓名姓名职称总人数： 优秀人数： 良好人数： 中等人数： 及格人数： 不及格人数：袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇