基于PLC变频器恒压供水系统的设计

1、 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第 52 页 基于plc变频器恒压供水系统的设计摘 要传统的供水系统存在着占地面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、供水质量低下等缺点和不足。为了解决这些问题，本文采用控制技术和变频调速技术相结合的方法来研究恒压供水系统，该系统与现场液位传感器、压力传感器一起组成了两个独立的闭环控制子系统。设计好的系统每天24小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水，保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本；而且提高了整个水厂的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。论文论述

2、了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和plc控制程序设计方案。通过对计算机和plc之间通信协议的研究，完成了上、下位机的通信设置，给出了计算机监控程序编写方法，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。关键字：恒压供水； 控制；变频器 ；plcdesign of constant pressure water supply system based on plc and inverter controlabstract traditional wat

3、er supply system has the shortages including occupying wide surface area、high expenses、management complex and difficult、water pollution again, and so on. in order to solve these problems, this paper combines control technology and transducer technology to research constant pressure water supply syst

4、em. two independent sub-systems are irrespectively built with water place sensor and pressure sensor. the finished system can fulfill constantly supplying water to city day and night according to the water pressure given to assure the continuously produce. with the research and use of this project,

5、we can save large sum of precious water、electrical source, and decrease the produce price, reduce device management and lessen repair price. moreover, this system also can improve the lever of produce and management, lighten the works strength, and increase the productivity. this paper discusses the

6、 reasonability of water scheme with much pump parallel connection，and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operati

7、on mode this paper has also given the electrical design scheme and plc controlling program scheme that realizes effective state circulating conversion control. by researching the communication agreement between the computer and plc，this paper has finished setting up the communication between upper a

8、nd lower computer and also has described the method to compile computer monitoring program to realize the longrange monitoring and fault reporting for water supply system through communication modular.key words: constant water supply system； control transducera frequency transformer；plc 目录基于plc变频器恒压

9、供水系统的设计i摘 要iabstractii2.变频器63. 1 plc的定义143. 2 plc的特点143. 3 plc的组成153. 4 plc的应用领域173. 5 plc的工作方式183. 6 plc工作过程193. 7 plc机型选择203. 8 simatic s7-300产品介绍214.1 s7-300控制原理264.1.1控制原理264.1.3系统的软件设计294.2 pid的相关知识314.2.1 pid的参数的预置与调整314.2.2 pid调节器在控制回路中的工作过程324.3 压力传感器工作原理324.4变频器的基本控制原理345.1 系统组成365.2 系统控制工作

10、原理375.3 变频器恒压供水系统硬件设计385.4 变频器恒压供水系统软件设计395.5 系统工作过程40结 论41参考文献431 绪论1.1 课题背景及意义众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到

11、小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：l、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地

12、面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。4、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统

13、开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在： 是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小

14、水泵、电机自身的机械冲击损耗口1。plc变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。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，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、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研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的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、起制动控制、压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不同时，保

15、证管网压力恒定，需在变频器外部提供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。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，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，像日本samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式、“变频泵循环方式一两种模式，它将pid调节器和plc可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现plc

16、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7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其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(如ba系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司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，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(plc)及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及

17、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(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了厦压供水专用变频器(5.5kw22kw)，无需外接plc和pid调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。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)，的变频恒压供

18、水系统的水压闭环控制研究得不够。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。1.3变频调速的发展概况变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从scr(晶闸管)、gto(n极可关断晶闸管)、bjt(双极型功率晶体管)、mosfet(金属氧化物场效应管)、sit(静电感应晶体管)、sith(静电感应晶闸管)、mgt(mos控制晶体管)、mct(控制晶闸管)发展到今天的igbt(绝缘栅双极型晶体管)、hvigbt(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变

19、频(pvm-vvvf)调速研究引起了人们的高度重视，作为变频技术核心的pwm模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波pwm模式效果最佳。vvvf变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转

20、坐标系下的直流电流im1、itl(iml相当于直流电动机的励磁电流，nl相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。1985年，德国鲁尔大学的depen brock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了

21、迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动系统上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。ir、f变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交一直一交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交一交变频应运面生。由于矩阵式交一交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它

22、能实现功率因数为1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。现在，变频调速技术已被国内外公认为交流调速领域里最理想调速方式，特别是高压大功率的变频调速器的研制，具有广阔的市场前景和重要的理论研究价值，在工业应用各相关领域，对原有传动系统进行变频改造也是势在必行，无疑会优化资源配置，改善原有系统的运行并产生较大的经济效益。1.4 变频调速的优点和现实意义交流调速从用途上可以分为工艺调速和节能调速，前者如轧钢机、造纸机、矿井卷扬机、机床、电梯等。这类生产工艺要求的调速，调速的指标较高，即要求有宽的调速范围，小的静差率，快的动态响应。目前这

23、类调速多采用变频变压(vvvf)的矢量控制方式，正在发展的调速方式是直接转矩控制的变频调速。后者如风机、泵类电机，应用量很大，节电效果很可观，可达30-40。据有关部门统计，在我国的工业电动机负荷中，交流电机占90左右。其中鼠笼型电动机又占交流电机的90以上。交流电机的负载主要是风机、泵类平方根转矩电动设备、恒转矩电动设备、以及倒数转矩类电动设备，虽然这几类设备节能潜力不同，但一般都在20以上。变频调速的优点是可以做到无级并精确调速，调速范围大，变频调速系统可同时满足调速精度和节能两个要求，达到高性能、高动态、高品质的行业标准。并且正日益向着智能化、自适应化、自诊断的方向发展，给各种实际应用带

24、来很大的方便和经济效益。当今微电子技术迅速发展，器件质量好，也为能供应高性能，高可靠性，高控制精度的变频器创造了条件。推广变频调速的现实意义：(1)可以大大提高生产设备加工工艺精度、工艺水平、生产效率，进而提高产品质量和数量。(2)节能和环保意义。泵和风机负载的耗电量约占工业总用电量的50左右。变频调速技术用于泵和风机的感应电动机，节能效果显著，可以达到200-60，并且输出谐波小，对电网污染小，容易满足国际和国内标准。(3)减少生产机械的体积和重量，减少金属耗量和成本，增加产品竞争力。(4)变频调速容易实现电机的频繁起动及软启动，对电机冲击小，不需电机降额使用，延长驱动部件的寿命。1.5 变

25、频恒压供水系统特点及其安全性讨论变频恒压供水系统能适用于生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，在本文中主要应用于生活小区生活用水，该系统具有以下特点：1)滞后性：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。2)非线形：用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。3)多变性：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

26、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。4)时变性：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(包括定量泵的停止和运行)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变的。5)容错性：当出现意外的情况(如突然断电、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，管网压力等工况自动进行投切，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。6)可扩充性：水泵

27、的电气控制柜，具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。7)节能性：系统用变频器进行调速，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0到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的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。影响供水系统安全性的一大因素便是水锤效应，所谓的水锤效应就是在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样的现象。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高

28、，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。而采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：1)产生水锤效应的根本原因是：水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现消除水锤效应，减少了对水泵及管道系统所受的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命大大延长。3)变频调速的软启动器避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的

29、可靠性。1.6 本课题的主要研究内容本文主要通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和plc作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。具体而言，论文包括以下内容：1)论文在对课题进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法；2)分析了变频恒压供水系统节能的原理，给出了恒压供水的理论模型及近似的数学模型；确定变频恒压供水系统的控制方案，给出了变频恒压供水的控制流程及工作原理；最后分析了

30、在变频恒压供水中，水泵切换的条件。3)论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用户的需求入手确定合适的设备选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种工况及其转换过程，讨论plc的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍pid调节原理的基础上，分析利用pid调节原理实现恒压供水的调节过程，给出pid参数设置方法；最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。4)通过计算机和plc的通信，实现供水系统运行状态的实时远 程监控是本论文的一个特色之处。论文介绍了计算机和plc通信系统的组成和通信协议，给出了通信程序，并提出供水系统监控

31、软件设计方法。2.变频器2.1变频器的概述2.1.1定义变频器是把工频电源(50hz或60hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电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换成直流电，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。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的cpu以及一些相应的电路2.1.2主要结构1.整流器，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。2.中间电路，有以下三种作用：a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。b.通过开关电源为各个控制线路供电。c.可以配置滤波

32、或制动装置以提高变频器性能。3.逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。4.控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。主要功能是：a.利用信号来开关逆变器的半导体器件。b.提供操作变频器的各种控制信号。c.监视变频器的工作状态，提供保护功能 变频器外围设备的种类与用途 电源变压器t 电源侧断路器qf 电磁接触器1km 无线电噪声滤波器fil 电源侧交流电抗器1acl、2acl 制动电阻r 电动机侧电磁接触器2km i频电网切换用接触器3km 电动机侧交流电抗器2acl2.1.3变频器的外围设备

33、及其选择（1）电源变压器t 电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级，考虑到变频器的输入电流有一定量的高次谐波，使电源侧的功率因数降低，加上变频器运行效率的影响，变压器的容量按如下式考虑 频器的输变出功率 变压器的容量（kva）= 变频器输入功率因数 x 变频器效率 其中变频器的功率因数在有输入交流电抗器1acl时取0.80.85,无输入电抗器1acl时则取0.60.8。变频器效率可取0.95，变频器输出功率应为所接电动机的总功率。 变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值，常取变频器容量的130%左右。（2）电源侧断路器qf 用于电源回路的开闭，并且在出现过流或短路事故时自动切

34、断电源，以防事故扩大。如果需要进行接地保护，也可以采用漏电保护式断路器。使用变频器无例外地都应采用qf。（3）电磁接触器1km 用于电源的开闭，在变频器保护功能起作用时，切断电源。对于电网停电后的复电，可以防止自动再投入以保护设备的安全及人身安全。（4）无线电噪声滤波器fil 用于限制变频器因高次谐波对外界的干扰，可酌情选用。（5）交流电抗器1acl和2acl 1acl用于抑制变频器输入侧的谐波电流，改善功率因数。选用与否视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网电压允许的畸变程度而定。2acl用于改善变频器输出电流的波形，减低电动机的噪声。（6）制动电阻单元r 用于吸收电动机再生制动的再生电能

35、。可以缩短大惯量负载的自由停车时间。还可以在位能负载下放时，实现再生运行。（7）电磁接触器2km和3km 用于变频器和工频电网之间的切换运行。在这种方式下2km是必不可少的，它和3km之间的联锁可以防止变频器的输出端接到工频电网上。一旦出现变频器输出端误接到工频电网的情况，将损坏变频器。如果不需要变频器工频电网的切换功能，可以不要2km。2.1.4制动电阻的计算在异步电动机因设定频率下降而减速时，如果轴转速高于由频率所决定的同步转速，则异步电动机处于再生发电运行状态。运动系统中所存储的动能经逆变器回馈到直流侧，中间直流回路的滤波电容器的电压会因吸收这部分回馈能量而提高。如果回馈能量较大，则有可

36、能使变频器的过压保护功能动作。利用制动电阻可耗散这部分能量，使电动机的制动能力提高。制动电阻的选择，可按如下步骤进行：（1）制动转矩的计算 制动转矩tb可由下式算出： (gd2m+gd2l)(n1n2)tb= tl (nm) 375ts 式中 gd2m 电动机的gd2(nm) gd2l负载折算到电动机轴上的gd2 tl负载转矩(nm) n1 减速开始速度（r/min） n2减速完了速度（r/min） ts 减速时间（s）（2）制动电阻阻值的计算 在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分，折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%。考虑到这一点，可用下式来计算 u2c rbo

37、= 1.04(tb -0.2tm )n1 uc直流回路电压（v） tb制动转矩(nm) tm电动机额定转矩 n1开始减速时的速度如果系统所需制动转矩tb0.2 tm,时，系统就有需要另外的制动电阻，仅电动机内部的有功损耗的作用，就可使中间直流回路电压限制在过压保护的动作水平以下（3）制动时平均消耗功率的计算 如前所述，制动中电动机自身损耗的功率相当于20%额定值的制动转矩，因此制动电阻器上消耗的平均功率pro（kw）可以求出： n1+n2 pro=1.047(tb-0.2tm)x 10-3 (kw) 22.1.5变频器硬件设计变频器选用日本安川变频器cimr-p5a 45p5产品, 适配电机5

38、. 5 kw , 该变频器基本配置中带有p id 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(0 10 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 1 . 如图3所示. 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

39、, 可重新启动变频器. s1和s3短接, 并与sc 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输出端并联两个接触器分别接p1、p2泵电机, 变频器可分别驱动两台泵, p1、p2泵电机还通过另外两个接触器并联到工频电源上, 这四个接触器线包连接到plc 的四个输出点上, 由plc 控制其工频、变频切换工作. m1m2mamcr s ts1s2f1fcuvwvvvf去plc接传感器去plc接指示灯380vp1p2电机2.1.6变频器的应用水泵在运行中普遍存在以下三个问题：单机效率低，系统运行效率低，多数风机、水泵都要靠阀门来节流、增压，浪费大量的电能另外，在节能调节方

40、式中，电动机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，污染环境。出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器易操作、免维修、控制精度高，并且可以实现高功能优化等特点，设计人员采用变频器驱动的方案逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速与流量，压力以及轴功率具有如下关系： 即，流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。以一台水泵为例，它的出口压头为(出口压头即泵入口和管路出口的静压力差)。额定转速，阀门全开时的管阻特性为，额定工况下与之对应的压力为，

41、出口流量为。流量转速压力关系曲线如图1.1所示。在现场控制中，要求管网压力不得低于，在此范围内调节系统供水流量。通常采用水泵定速运行，调节出口阀门开度控制流量。当流量从减小到50%至时，阀门开度减小使管网阻力特性由变为，系统工作点沿方向由原来的a点移至b点，受其节流作用使得泵口压力由变为，管网压力则因为节能原因降至。2.2 工艺流程简介系统投入时，用3台泵供水。假设首先用1号泵供水，开始用变频运行。如果供水管网欠压，其转速由零逐步增加，管网水压升高。若用水量大，则管网水压达不到设定值，经过一定的延时后，将1号泵由变频运行切换为工频运行，同时启动泵2变频，通过压力传感器的压力信号反馈控制转速，使

42、得转速动态跟随供水压力的变化。如果管网水压仍低于设定值，先延时切除泵2的变频运行，将泵2转换为工频运行，同时将泵3启动为变频运行。如此递推，直到泵1、2、3全都运行在工频态，此时系统满负荷运行。如果仍不能达到恒压的控制目的，则说明系统设计的有问题，或者是水泵的总供水量满足不了用户的需求，或者是管压参数的定位有问题，需重新调整，相应增加水泵台数或对管压参数作相应的修改。 图2.1启动程序流程图在用水量减少时(假设此时泵1、2、3都工频运行)，由于供水管网积水蓄压，管网水压升高，按照“先投先停”的原则，控制系统使泵1工频切换为变频运行，通过pid的调节作用变频器使1号泵转速下降。当转速下降到下限值

43、(本设计中为零转速)时，1号泵停止运行，若仍不能使管网水压下降到设定值，则控制系统将运行在工频态的2号泵工频切除，转换为变频运行。若管网水压仍高于设定值，则又将2号泵停止运行且将运行在工频的3号泵工频态切除，由3号泵运行在变频态，继续调节水压，逐渐使其稳定在设定值，最后一直到全部泵都停止运行。实际上，系统的大部分时间应该是工作在2工频1变频的状态，转速跟随供水管网压力的变化。在以上的控制流程中，水泵的启动和运行都需考虑延时的问题，一方面防止发生切换振荡，另一方面保证水泵的顺序投入和切除。3 plc系统的基本知识及选型3.1 plc的定义可编程控制器(plc)是一种数字运算操作的电子系统，专为工

44、业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。他将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，具有功能强、通用灵活、可靠性强、环境适应性好、编程简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。近年来，随着可编程控制器的日渐成熟，越来越多设备的控制都采用plc控制器来代替传统的继电器控制，并取得了很好的经济效益。3.2 plc的特点随着计算机技术、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

45、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。1969年，美国数字设备公司(dec)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于plc，使得plc的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程io模块和各种特殊功能模块。在软件方面，plc采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术

46、运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得plc所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高plc的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了plc软、硬件功能。在发达工业国家，plc己经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息力的世界plc以及软件市场报告称，1995年全球plc及其软件的市场经济规模约50亿美元，随着电子技术和计算机技术的发展，plc的功能得到大大的增强，具有以下特点：1)可靠性高。plc的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描

47、工作方式。2)具有丰富的io接口模块。plc针对不同的工业现场信号，有相应的io模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型plc以外，绝大多数plc均采用模块化结构。plc的各个部件，包括cpu、电源、io等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4)编程简单易学。plc的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员

48、所理解和掌握。5)安装简单，维修方便。plc不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于plc强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。plc在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、scada系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等3.3 plc的组成1.中央处理单元(cpu)中央处理单元

49、一般由控制器、运算器和寄存器组成，cpu是plc的核心，主要任务有控制用户程序和数据的接受与存储；用扫描的方式通过i/o部件接受现场信号的状态或数据，并存入输入印象寄存器或数据存储器中；诊断plc内部电路的工作故障和编程中语法错误等；plc进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算数运算；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出印象寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表、打印或数据通信等功能。2.存储器存储器包括：系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放有plc生产厂家编写的系统程序，并固化在rom内，用户不能直接改变。它使plc具有

50、基本的功能，能够完成plc设计者规定的各项工作。系统程序的好坏，很大程度上决定了plc的性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序。这样控制plc的运行，使整个plc按部就班地工作。第二部分为用户指令解释程序。通过用户解释程序，将plc的编程语言变成机械语言指令，再由cpu执行这些指令。第三部分为标准程序模块与系统调用。它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。plc的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少也决定了plc性能的高低。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的plc

51、编程语言编写的各种用户程序。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的on/off的状态和数值、数据等。3.输入/输出单元plc的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出单元从广义上包含两部分：一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的印象寄存器。输入单元接受来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入印象寄存器。运行时cpu从印象寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出印象寄存器。输出印象寄存器有输出点相对应的触发器组成，输出接口

52、电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等被控执行元件。4.电源部分plc一般使用220v的交流电源，内部的开关电源为plc的中央处理器、存储器等电路提供5v、12v、24v等直流电源，使plc能正常工作。5.扩展接口扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使plc的配置更加灵活以满足不同控制系统的需求。6.通信接口为了实现人机对话，plc配有多种通信接口。plc通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的plc或计数机相连。当plc与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器相连时，可将过程图像显示出来；当与其他的plc相连时

53、，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计数机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合控制。7.编程器编程器的作用是供用户进行编制、编辑、调试和监视。编程器有简易型和智能型两种。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将梯形图转化成机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二极管和其他显示器件组成。智能型的编程器又称图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有lcd或crt图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。8.其他部件有些plc还可以配有eprom写入器、存储器卡等其他外部设备。3.4 plc的应用领域1.数字量逻辑控制plc用“与”、“或”、“

54、非”等逻辑指令来实现触点和电路的串、并连，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序逻辑控制。数字量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业，甚至深入到家庭。2.运动控制plc使用专用的运动控制模块，对直线运动或圆周运动的位置、速度和加速度进行控制，可以实现单轴、双轴、3轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机的结合在一起。plc的运动控制功能广泛用于各种机械，例如金属切削机床、金属成型机械、装配机械、机器人、电梯等场合。3.闭环过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。plc通过模拟量i/o模块，实现模拟量和数字量之间的转换，一

55、般称为a/d转换和d/a转换并对模拟量进行闭环pid控制。现代的大中型plc一般都有pid闭环控制功能，这一功能可以用pid模块来实现。其pid闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成形机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。4.数据处理现代plc具有数字运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。5.通信联网plc的通信包括主机与远程i/o之间的通信、多台plc之间的通信、plc与其他智能控制设备之间的通信。plc与其他智

56、能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。3.5 plc的工作方式plc是一种工业控制计算机，所以它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。但是cpu是一分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序的顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。概括而言，plc是按集中输入集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。plc工作的整个过程可分为三部：1上电处理。机器上电后对plc系统进行一次初始化，包括硬件初始化，i/o模块配置检测，停电保持范围设定及其它初始化处理等。2扫描过程。plc上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当cpu进入s