PLC与变频器在恒压供水系统中的应用

PLC与变频器在恒压供水系统中的应用摘要本文介绍了一种替代传统水塔供水的基于与变频器构成的恒压供水系统。系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速或加、减泵。可任意备用一台水泵，当运行中的水泵出现故障时报警，自动切除故障泵，投入备用泵，而投入备用泵按故障泵出现故障前的工作状态启动，保证不间断恒压供水。系统断电恢复或蓄水池缺水恢复正常后可自行启动。关键词变频器恒压供水引言传统给水系统常在屋顶设置高位水箱，水从地下水箱用水泵抽到高位水箱，从高位水箱通过自然流动，将水输送到各用户。这种传统给水方式存在投资大、二次污染严重、安装麻烦、占地面积大等缺点。随着变频调速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、消防供水和工矿企业的生产、生活用水等。一、系统介绍它主要由一台三菱XON60MR可编程序控制器（PLC）、一台三菱FRF44011K变频器、水压传感器、液位传感器、自动开关、显示仪表、接触器、3台水泵（自动工作方式下，两台处于工作状态，一台备用，当某台水泵出现故障时，备用泵自动投入运行）等构成，变频器FRF44011K适配电机功率11KW，它的基本配置中带有PID功能。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出水口压力信号采集给系统，再通过变频器的A/D转换模块将模拟量转换成数字量，同时，变频器的A/D将压力设定值转换成数字量，两个数据同时经过PID控制模块进行比较，PID根据变频器的参数设置，进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的形式进行输出；根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入到电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。系统主回路构成如图1所示。 图1 系统主回路图图中KM0、KM1分别控制1#泵工频运行和变频运行，KM2、KM3分别控制2#泵工频运行和变频运行，KM4、KM5分别控制3#泵工频运行和变频运行，KM6为变频器上电控制交流接触器。二、工作方式该系统有手动和自动两种运行方式：（）手动运行方式该方式主要供检修及变频器故障时用。可根据需要分别按下相应启动或停止按钮，控制#泵工频运行。（）自动运行方式系统正常工作时的运行方式。合上自动开关，系统启动时，单台水泵运行可以满足当前用户用水量的时候，两工作水泵定时轮流切换变频运行，以延长电动机的使用寿命；当单台泵已经处于满负荷运行，即变频器到了上限频率，仍不能满足当前用户用水量时，该泵转为工频运行，启动另一工作水泵变频运行；这期间若用户用水量减小，变频器到了设定的下限频率时，切除工频泵，转为单泵变频运行之后，两工作泵定时轮流切换变频运行。 三、变频器的PID参数设置PID控制原理：所谓PID控制就是变频器经过PID运算后得到的执行量，来控制输出频率的变化。而PID运算又是指P（比例运算），I（积分运算）和D（微分运算）三个运算的总和。PID运算有正、负两种类型之分。一般情况，用负作用较多，所谓负作用是指当偏差（设定值-反馈量）为正时，增加执行量（输出频率），如果偏差为负就减小执行量。在PID控制器中，误差信号（受控系统期望的压力与实际压力之间的差值）在加到压力控制电源驱动电路之前先分别以三种方式（比例、积分和微分）被放大。比例增益向误差信号提供瞬时响应。积分增益求出误差信号的积分，并将误差减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测压力信号中的噪音。微分增益使驱动依赖于实测压力的变化率，正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。然而，在许多情况下，比例积分（PI没有微分增益）控制策略也可以产生满足要求的结果，而且通常要比完全的PID控制器更容易调整到稳定的运行状态，并获得符合要求的稳定时间。先将所有参数清除后，设置相关参数如下表所示：参数号设定值设定范围注解Pr1282010,11,20,21PID控制为4端输入，起负作用Pr1291000.11000PID比例常数设定为100%Pr1300.50.13600sPID积分常数设定为0.5sPr1340.50.0110sPID微分常数设定为0.5sPr18314099，9999RT端子功能设为“PID控制有效”Pr19340199，9999OL端子功能设置为“Pr42的频率检测”（下限频率）Pr19450199，9999FU端子功能设置为“Pr50的频率检测”（上限频率）Pr42200400HZ下限标志频率为20HZPr50500400HZ上限标志频率为50HZ四、PLC的控制1、PLC选型及I/O分配：PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频变频的切换和水泵工作数量的调整。根据系统的控制要求，需要输入点19点，输出为21点，所以系统选择FXON-60MR型可编程控制器,该PLC有36个输入点，24个输出点。PLC的I/O地址分配表如表1、表2。2、PLC控制程序设计：当选择开关SA接通时，为 “自动”位，通过启动按钮（X7）或欠电压继电器的辅助触头（X22）闭合、蓄水池缺水恢复正常时（X21闭合）对系统进行自动启动控制。在系统软件设计时，充分考虑了工频和变频运行之间的联锁关系，对接触器线圈的输出点Y20Y25进行互锁，为了保险，在硬件电路中通过它们的常闭触点也相互进行了互锁，避免工频与变频控制接触器同时动作或一台变频器拖动二台水泵的情况，造成严重事故。PLC控制流程图如图2所示。表1FXON60MR输入地址分配表输入地址对应开关名称作用输入地址对应开关名称作用X0SA手动/自动自动转换开关X13JXW相序故障X1X3SB1SB313#泵备用选择按钮X14FR11#泵过载X4SB4手动启动1#泵按钮X15FR22#泵过载X5SB5手动启动2#泵按钮X16FR33#泵过载X6SB6手动启动3#泵按钮X17SB9故障信号报警解除X7SB7自动启动按钮X20KP液位传感器液面上限X10SB8停止按钮X21KP液位传感器液面下限X11FU变频器频率检测的上限信号X22KV欠电压继电器触头X12OL变频器频率检测的下限信号表2 FXON60MR输出地址分配表输出地址动作元件功能作用输出地址动作元件功能作用Y0Y2HL1HL313#泵变频指示Y20KM01#泵工频运行Y3Y5HL4HL613#泵工频指示Y21KM22#泵工频运行Y6HL71#泵故障报警指示Y22KM43#泵工频运行Y7HL82#泵故障报警指示Y23KM11#泵变频运行Y10HL93#泵故障报警指示Y24KM32#泵变频运行Y11HL101#泵备用指示Y25KM53#泵变频运行Y12HL112#泵备用指示Y26KM6变频器上电Y13HL123#泵备用指示Y27YV进水阀Y14FR-F440-11K STF变频器启动开始Y手动 手动程序 N 备用电动机设定 N Y 1#备用 2#备用 3#备用 变频起动2# ，指示 变频起动1# ，指示 变频起动1# ，指示 N 频率上限 Y 1#备用 2#备用 3#备用 关断变频器，2#转工频，指示 关断变频器，1#转工频，指示 关断变频器，1#转工频，指示 变频起动3# 变频起动3# 变频起动2# 频率下限 N Y 1#备用 2#备用 3#备用 切除2#工频 切除1#工频 切除1#工频 N N N 1#故障 2#故障 3#故障 Y Y Y 切除1#机，报警 切除2#机，报警 切除3#机，报警 根据电动机故障前的工作状态启动备用电机 N 停机 Y 结束图2蓄水池液面控制程序在设计梯形图时，依据水泵工作中不同的工作过程，划分成几个模块，使梯形图的结构更为清晰，程序结构如图3所示。MC N0 M0 X13 X21 M0 CJ P0 X0 手动程序 CJ P4 P0 X0 备用泵选择及显示MC N1 M1 X7 X10 M0 M1 CJ P1 Y11 M50 M60 1号泵运行程序及显示 CJ P2 P1 Y12 M40 M60 2号泵运行程序及显示 CJ P3 P2 Y13 M40 M50 3号泵运行程序及显示 变频器关断运行程序P3故障报警及处理 MCR N1MCR N0END P4 图3 程序结构图手动/自动转换开关SA采用选择开关，接PLC的输入点X0。从程序结构图中可以看出：当X0断开时，执行手动程序。检修及变频器故障，需要应急供水时，采用手动控制，根据用水量的大小启动水泵，实现工频运行。系统正常工作方式是自动控制，当X0接通，先选择备用泵，没有选择时，则第三台为备用泵，按下自动方式的启动按钮（输入点X7接通）时，系统启动，或系统停电恢复供电，接在电源上的欠电压继电器的辅助触头（X22）闭合、蓄水池缺水恢复正常时（X21闭合）对系统进行自动启动控制。单台水泵运行可以满足当前用户用水量的时候，两工作水泵每15秒（时间根据控制要求定，本文用15秒为模拟演示）轮流切换变频运行；当单个泵运行，变频器的工作频率到了上限频率，仍不能满足当前用户用水量时，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，该泵转为工频运行，启动另一工作水泵变频运行；这期间若用户用水量减小，变频器到了设定的下限频率时，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，切除工频泵，转为单泵变频运行之后，两工作泵定时轮流切换变频运行。水泵过载信号（FR1、FR2、FR3热继电器的常开触点）接PLC的三个输入点（X14、X15、X16）,相序检测器JXW占一个输入点（X13），这些输入点用来采集故障诊断信号。当运行中的水泵出现故障时报警，自动切除故障泵，投入备用泵，而投入备用泵按故障泵出现故障前的工作状态启动；当相序不满足要求或蓄水池缺水时，水泵自动停止运行。五、结束语在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节