基于PLC的变频供水控制装置兰州理工大学

1、基于PLC的变频供水控制装置说 明 书电信工程学院自动化5班XX指导教师：2014年春季学期摘要 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供水的原理及系统的组成结构，提出控制方案，通过研究和比较，本论文采用变频器和PLC实现供水和数据传输。且对系统的软硬件设计进行了详细的介绍。通过报警信号灯来应对变频器及水泵发生的故障，以作及时的停车处理。故障指示由任何一个停止按钮复位。本论文设计具体讲述了系统的总体设计与软件的实现，并对

2、系统采取的可靠性措施进行了说明。本论文的变频供水控制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； PLC Frequency Conversion Constant Pressure Water-supplySystem Based on PLCAbstract：With the rapid development of socialistic marketing economy,there is a growing de

3、mand for better quality of water supply and higher reliability of supply system. In addition ,considering the current common energy crisis, achieving the scheme of automatingthe water supply system. So it is an inevitable tendency to design and create an energy-savingconstant-pressure water supply s

4、ystem of excellent performance with the help of advancedtechniques of automation,monitor-control system; and communication. Meanwhile, the System can also adapt to various water Supply regions. This paper analyzes the structure of VF speed regulating constant-pressure water supply,and proposes sever

5、al control methods.By careful study and comparison, PLC and inverters method fits water supply system and datatransmission very well. Finally the paper shows the design of constant pressure supply water controller according to PID data and detailed introduction of its software and hardware. And then

6、 illustrates its general design, software implement and the measures of preventable disturbance in details. The system, which has initially been completed with reliable performance and excellent energy-saving effect, proves to possess high reliability and real-time quality. The system can not only r

7、emarkably improve the quality of water supply, but also economize on labor, which will surely bring us both economic and social benefits.Key Words: VF speed; constant pressure water supply; PLC目录第1章 设计方案依据第2章 硬件参数选择（KM,KA,FR,SB,SQ,SA,传感器）第3章 软件配置选型第4章 程序调试及心得体会第5章 程序流程图参考文献第1章 设计方案依据1.1变频供水控制系统基于PLC

8、变频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。在变频调速供水控制系统中控制对象是时刻变化的。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。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

9、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。1.2设计内容及技术要求供水系统共有三台水泵组成，每隔36小时切换一台水泵，每台水泵采用一用一备方式运行，备用泵为并泵时使用。供水系统具有自动和手动运行两种方式。（1） 手动/自动选择A、自动：在“自动”方式下，按1#（或2#，或3#）起动按钮，分别变频起动1#（或2#，或3#）泵，。（摘抄任务书）1.3设计方案选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：1逻辑电子电路控制方式这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采

10、用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。2单片微机电路控制方式这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦；追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。3可编程序控制器(PLC)的控制方式该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部控制程

11、序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PLC，由PLC内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。此次设计采用第三种方案。1.4主电路图图2-4 水泵主回路接线图图 主电路图电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、 KM3、 KM5 分别为电动机M1 、M2 、M3 工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、 KM2 、KM4 分别为电动机M1、M2、 M3 变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。断路器（QF）是电路中的一种简单保护装置。使用中

12、，防止电气设备严重过载。1.5控制系统及故障报警（1）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:它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工况、压力、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)进行控制。变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器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。电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵

13、的切换、手/自动切换等。 （2）故障报警装置作为一个控制系统，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、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，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1.6工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频

14、率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程：假定增泵顺序为

15、l、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接， 控制2泵投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一

16、段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。第2章 硬件参数选择（KM,KA,FR,SB,SQ,SA,传感器）2.1 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

17、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。2.2PLC的接线图2.1 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

18、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2.3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

19、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2.1 变频器的构成1.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

20、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

21、免直流电路电压上升。图2.2 典型的电压型逆变器一例2.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

22、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：（1）逆变器保护1）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

23、到异常值，也同样停止逆变器运转。2）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。3）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。4）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。

24、5）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。6）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。（2）异步电动机的保护1）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。2）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。（3）其他保护1）防止失速过电流

25、。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。2）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。2.4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:1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3

26、5%60% ，这一特点已被广大用户所认识并带来效益2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3配置灵活，功能齐全，自动化程度高。4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。5通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力2.5 变频器的选型 1、根据设计的要求，本系统选用FR-

27、A540系列变频器，如下图所示：图3.6 FR-A540的管脚说明2、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变频器接线图2.6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

28、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，F

29、U2RT18 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

30、的参数第3章 软件3.1程序说明。第四章 调试及心得体会4.1调试过程。4.2心得体会 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

31、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。 目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，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(EMC)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。第5章 程序流程图PLC在系统中的作用

32、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。工作流程如图5.1所示。图5.1 PLC程序流程图系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。1、手动运行当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时