毕业设计：基于PLC变频器小区恒压供水系统

1、安徽工商职业学院毕业论文基于plc变频器的小区恒压供水系统专 业：机电一体化技术 班 级：09 机 电（2）班 姓 名： 吴 有 泉 指导教师： 徐 奇 日 期：2010年10月9日摘 要改革开放以来，随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用 ，使给供水设计得到了发展的机遇。近几年来，由于电子技术及计算机控制的迅速发展变频调速装置的应用越来越广泛。变频调速装置开始在工业和民用的供水系统中得到了应用。通过改变水泵电机的供电频率、调节水泵的转速，采用计算机自动控制水泵的供水压力，以保证在用水量变化时，供水量随之变化，从而维持供水系统的压力不变，实现了供水量与用水量的相互匹配。成为较完美的

2、匹配式供水设备。本设计恒压变频供水设备由plc、变频器、压力变送器、和水泵等组成。通过plc、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,使用工频水泵的分级调节和变频水泵的连续调节实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时,压力传感器将管网水压信号变换成电信号送入plc,经过pid调节器的控制作用，自动调整水泵机组高效率地运行。文中详细介绍了系统工作流程图、程序设计流程图及设计程序。并给出了系统的硬件结构。关键词：恒压供水 plc 变频器第一章：绪论 随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及

3、网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。 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，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好的节能性，这在能量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。1.1变频恒压供水系统的国内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、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，

4、为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，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，像日本三菱公司，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”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

5、，通过设置指令代码实现plc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

6、态性能、稳定性能、抗扰性能以及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。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5。5kw-22kw)，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

7、频恒压供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。1.2课题来源及本文的主要研究内容1.2.1、课题来源本课题来源于生产、生活供水的实际应用。1.2.2、研究的主要内容本系统是三泵生活/消防双恒压供水系统，变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、压力传感器组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。1.3本论文中所做的工作根据系统要求，设计出满足要求的恒压供水系统，对plc、变频

8、器、压力传感器进行选型，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路和控制程序。1.4恒压供水系统的基本构成 恒压供水泵站一般需没多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候，备用是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间

9、可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。 调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：(1) 设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。 供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。也有的调节器以模拟量方式设定。 (2)接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。 (3)根据结定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节

10、信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与结定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定位大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称pid调节器。调节器的调节参数，如p、i、d参数均是可以由使用者设定的。pid调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。 调节器的输出信号一般是模拟信号，420ma变化的电流信号或010v间变化的电压信号。信

11、号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。第2章 ：plc，变频器，传感器，水泵的选型 2.1 plc的选型和应用2.1.1 plc模拟量扩展单元的配置及应用 plc的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使plc能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式plc加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为plc可处理的数字量及将plc内部运算结果转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。以下介绍三菱fx系列plc的模拟量模块以及，它们分别具有fx-4ad及

12、fx-2da，它们分别具有4路模拟量输入及2路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中。2.1.2 模拟量输入模块的功能及与plc系统的连接 fx-4ad 4模拟量输入模块具有4个通道，可同时接受并处理4路模拟量输入信号， 最大分辨率为12位。输入信号可以是-10+10v的电压信号（分辨率为5mv），也可以420mv（分辨率为16a）或-20+20ma（分辨20a）的电流信号。模拟量信号可通过双绞屏蔽电缆接入，连接及方法如图2-1所示，当使用电流输入时，需将v+及i+端短接。 图2-1 fx-4ad模块的连接图fx-4ad的宽及高与fx相同，在安装时装在fx基本单元的右边，将总线连接器接入左侧单元的

13、总线插孔中。fx系列可编程控制器中，与plc连接的特殊功能扩展模块位置从左至右依次编号（扩展单元不所示。占编号），如图4-所示fx-4ad将消耗基本单元或电源扩展单元的+5vdc电源（内部电源）30ma电流，+24vdc电源（外部电源）55ma电流。其通常转换速度为15ms/ 道，高速转换速度为6/ms道。2.1.3 模拟量输入模块缓冲存储器（bfm）的分配为了能适用于多种规格的输入、输出量，模拟量处理模块都设成可编程的。fx-4ad模块利用缓冲存储器(简称模bfm)的设置完成编辑工作。fx-4ad拟量量输入模块共有32个缓冲存储器，但目前只使用了以下21个bfm：l1fx-32mr a/d

14、fx-8ex a/d d/a fx基本单元 #0 #1 #22-2特殊功能模块（1）bfm#0。0号bfm用于通道的选择。 4个通道的模拟输入信号范围用4位16进制数表示。具体地讲。16进制数字“03”分别表示“-10+10v、420ma、-20+20 ma 、通道关闭”。（2）bfm#1#4。14通道的采样次数(设定范围为14096)，默认值为8。（3）bfm#5#8。14通道的采样平均值。（4）bfm#9#12。14通道的采样当前值。（5）bfm#15。选择a/d转换的速度。若设为0，则为正常转换速度，即15ms/通道；若设为1，则为告诉转换速度，即6ms/通道。（6）bfm#20。若将b

15、fm#20设为1，则模块的所有设置都将复位成默认值。用它可以快速消除不希望的增益和偏置值。bfm#20的默认值为0。（7）bfm#21。若bfm#21的b1、b0分别置为（1，0），则禁止调整增益和偏置；若bfm#21的b1、b0分别置为（0，1）（此为默认值），则可以改变增益和偏置的意义课可由图3-3说明，图中偏置为横轴上的截距，表示数字量输出为0是的模拟量输入值。增益为输出曲线的斜率，为数字输出+1000时的模拟量输入值。（8）bfm#22。bfm#22为增益与偏置调整的指定单元。bfm#22的b0b7由低到高两两为一组。通道的偏置及增益可分别调整。（9）bfm#23 bfm#24。bfm

16、#23为偏置值与增益值存储单元，单位为mv，或a。bfm#23(偏置)的，默认值为0，bfm#24（增益）的默认值5000。当bfm#22指定单元中的某些位置1时，偏置值及增益值会送入相应通道的增益和偏置寄存器中。数字输出 +10000 4 20 模拟输入（ma） （偏置值） （增益值）图2-3 fx-4ad 的偏置和增益（10）bfm#29中各位的状态是fx-4ad错误状态信息。其中，b0为，表示有错误；当b1为on时，表示存在偏置及增益错误；b2为on时表示存在电源故障；b3为on时，表示存在硬件错误等。（11）bfm#30中存在的模块的识别码k2010。用户可以方便地利用这一识别码在传送

17、数据前先确认该特殊功能的模块。2.1.4 模拟量输出模块的功能及plc系统连接fx-2da模块用来将12位数字信号转换成模拟电压或电流输出。它具有2个模拟量输出通道。这两个通道都可以输出010vvdc(分辨率2。5mv)、05dvc（分辨率1。25mv）的电压信号，或420ma(分辨率为4a)的电流信号。模拟量输出可通过双绞屏蔽电缆与驱动负载相连，连接方法如所图2-4所示，当使用电压输出时，需要iout和com端短接。com iout voutcom iout vout基本单元fx-2da记录仪器电流输出变频器等电压输出图2-4 fx-2da模块的连接方法fx-2da安装时装在fx基本单元的右

18、边。fx-2da将消耗基本单元或电源扩展单元的+5vdc电源单元的（内部电源）20ma电流，+24vdc电源5ma电流。转换时间为4ms/通道。from(78) k0 k30 d14 k1cmp(10) k2010 d10 m10m8002top(79) k0 k0 h3311 k1top(79) k0 k1 k6 k2from(79) k0 k29 k4m20 k2from(78) k0 k5 d0 k2图2-5模拟量输入模块fx-4ad的编程2.1.5模拟量输出模块的偏置、增益及分配 fx-2da模块在出厂时，其偏置和增益是经过调整的，数字值为04000，电压输出为010v。若用于电流输出

19、机时可利用模块上自带的调节装置重调偏置与增益值。模块共有32个缓冲存储器，但只用了以下两个： (1)bfm#16。bfm#16的b7b0用于输出数据的当前值（低8位数据）。 (2)bfm#17。bfm#17的b0位从“1” 变为“0”时，通道2的d/a转换开始；当b2位从“1”变成“0” d/a转换低8位保持，其余各位没有意义。2.2变频器的选型和应用2.2.1变频器交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50hz。而交流电动机的同步转速。 ( 2-6 )式中

20、-同步转速，r/min； -定子频率，hz； -电机的磁极对数。而异步电动机转速 （2-7）式中-异步电机转差率，一般小于3%。均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。2.2.2 变频器的基本结构从频率变换的形式来说变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电又称间接式变频器。市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结

21、构图如图2-8所示，控制指令中间直流环节ac控制指令控制指令网侧变流器整流器逆变器acm运行指令图2-8交-直-交变频器的基本结构 由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下： (1)整流器。电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是单相)交流整流成直流。(2)直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环

22、节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。(3)逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出。(4)控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。控制电路是变频器的核心部分性能的优劣决定了变频搏的性能。 一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容

23、，在整流电路是电流源时是大容量的电感。为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路。逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障 。图2-2为电流型变频器主电路基本结构示意图。电源m电动机平滑电容+-m电动机平滑电感电源（a）（b）图2-9电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构(a) 电压型变频器主电路；(b)电流型变频器主电路2.2.3变频器的分类及工作原理 变频器的较详细的工作原理还与变频

24、器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下： （1）控制。控制即电压与频率成比例变化控制。 由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电动机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。控制由于忽略了电动机漏阻抗的作用，在低频段工作特性不理想。因而实际变频器中采用控制。采用控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。（2）转差频率控制。转差频率控制是在控制基础上增加转差控制的一种控制方式。从电动机的转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是，在=常数的条件下，通过对转差率的控制，可以实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的

25、变频器通常属于多功能型变频器。（3）矢量控制。矢量控制是受调速性能优良的直流电动机磁场电流及转矩电流可分别控制启发而设计的一种控制方式。矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能性负载。2.2.4变频器硬件的选择根据设计要求，变频器选用日本三菱变频器fr-a500产品。该产品可以和三菱plc工作协

26、调。变频器选用日本三菱变频器fr-a500产品，适配电机15 kw，该变频器基本配置中带有pid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(010 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。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，可重新启动

27、变频器。s1和s2短接，并与s3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输出端并联三个接触器分别接m1、m2、m3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6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。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值(14端)，压力传感器反馈来的压力信号(010v)接至变频器端子的7端、8端，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。变频器端子的19端和20端是传感器压力设定的上、下限值，该信号进plc，作为工频切换的控制信息，由pl

28、c控制水泵的工频或变频运行。变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。下图2-2-3为日本三菱变频器fr-a500在电路中的接线图。r s ts1 us2 vs3 w fr-a500fifcm1 接plc接plc 接指示灯接电机380v78图2-10日本三菱变频器fr-a500在电路中的接线图2.3 传感器的选型和应用在智能系统中检测是非常重要的一部分，它将检测到控制量反馈给系统，才能实现自动控制，给系统所用的检测的是水压，这个系统中选用压力传感器，它的作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成420ma变化的电流

29、信号或010v间变化的电压信号的标准信号送入plc的端口进行pid调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过plc控制切换器进行加减泵。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。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。供水系统的压强是，下面单位都是估计标准单位，g=9

30、.8，一般情况下，h60米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于0.6mpa，系统选用ytz-150型带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为01mpa，检测精度为土0.01mpa，该传感器将01mpa范围的压力对应转换成010v的电信号。该传感器还具有体积小，重量轻、结构简单、工作可靠的特点。2.4水泵的选型和调节方式2.4.1电机的选型正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较：对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(即生产机械轴上的功率)p10（w)，可按式212计算所需电动机的功率p(kw)：p=pl(12) (211)式中，1为生产机械的效率；2为电动机的效率，即传动效率

31、。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。变频恒压供水的理论分析，电动机的功率应根据小区内所需要（楼高为六层）的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行按2.13计算。p=gh=1.01039.836=i.764105 (pa) （ 2.12） 选择时应注意以下两点：(1)如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。(2)如果电动机功率选得过大，就会出现“大马拉小车”现象，其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。2

32、.4.2水泵的调节方式水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线或二者同时改变来实现的。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进

33、行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在，水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节水泵的调节方式。2.4.3水泵的选定在小区供水时日常主供机组有三台，其中备用电机有一台，可以采用的变频方式有一拖二(即一台变频器带二台电机)、一拖三、一拖四的三种方式。从经济角度考虑，拖的电机较多，变频器和控制系统就会越复杂，成本也会较高一些。从国内目前成熟的变频器上考虑，采用一拖三的低压变频器成本较低，技术也较成熟。因此如果能满足日常供水要求，采用一拖三的方式更适宜于日常水厂。在变频电机选择上，考虑日常水厂作为全城的辅助水厂，

34、在每天夜间会停机并在启动点机后会有较长时间采用较小流量补水，这时采用小功率电机变频，电机功率相对会低一些，因此，从经济与实用角度，采用变频一拖三，带一台y315160kw电机和两台y280s75kw电机，其中备用电机既可以满足最大供水量要求，也可以解决小流量时电耗问题，是比较适宜的变频机泵的选择方案。各个水泵的型号及参数见表2-13。表2-13水泵型号及参数水泵类型用水量/（）扬程/水泵型号电动机功率/kw配用变频器/kw主水泵36310065lg50-2052222辅助泵24110050lg24-2051111第三章 系统硬件设计 电气控制图 接口的选择3.1 系统硬件设计3.1.1 系统要

35、求对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： (1)生活供水时，系统低恒压值远行，消防供水时高桓压值远行。 (2)三台泵根据恒压的需要采取“先开先停”的原则接入和退出。 (3)在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。 (4)三台泵在启动时都要有软启动功能。(5)要有完善的报警功。(6)对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。开始自动工作？手动工频工作消防供水？消防供水程序初始化生活供水程序初始化供电故障蓄水池水位过低？紧急停车已有一台泵工作？压力不到设定值,频率达到上限？压力到设定值，频率达到下限？ny

36、nnnnnnyyyyyyy将变频运行的泵从变频器上切除，并变频启动下一台泵将变频运行的泵从变频器上切除，并将上一台工频运行的泵接到变频器上变频启动m1泵加压泵是否过载？结束停止否？nnn3.1.2 plc系统选型 从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。选用fx-32mr主机一台，加上一个模拟量输入扩展模块fx-4n，再扩展一个模拟量输出扩展模块fx-2n。这样的配置是最经济的。整个plc系统的配置如图3-2所示。主机单元fx-32mr模拟量输入模块fx-4n模拟量输入fx-2n图3-2 plc系统的组成3.2电气控制系统原理图电气

37、控制原理图包括主电路图、控制电路图。3.2.1主电路图如图3-4所示为电控系统的主电路图。三台电机分别为m1、m2、m3。接触器km1、km3、km5分别控制m1、m2、m3的工频运行；电机分别为m1、m2、m3。接触器km2、km4、km6分别控制m1、m2、m3的变频运行；frl、fr2、fr3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器：qs1、qs2、qs3、qs4别为变频器和三合泵电机主电路的隔离开关；fu1为主电路的熔断器；fr-a500是日本三菱变频器。r s tu v w m m mnl1l2l3km1 km3 km5km2 km4 km6fr1fr2fr3 qs1 qs2 qs3

38、qs4fr-a500km1km3km6km5cimr-p5a45p5 qs1 qs2 qs3 qs4fr3fr2fr1km2 km4 km6km1 km3 km5nl1l2l3图3-4电控系统主电路2.2.2 控制电路图如图3-5为电控系统控制电路图。图中sa为手动/转换开关，sa打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮sblsb8控制三台泵的启/停和电磁阀yv2的通断；自动运行时，系统在plc程序控制下运行。图中的hl10为自动运行状态电源指示灯。对变频器r进行复位时只提供一个干触点信号，由于pm为4个输出点为一组共用一个com端，而本系统又没有剩下单独的

39、com端输出组，所以通过一个中间继电器ka的触点对变频器实行复频控制。(1)手动运行按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#3#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。(2) 自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0 hz上升，同时pid调节程序将接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50 hz，1#泵由变频切换为工频，对2#泵进行变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据pid调节器给的调节参数使系统平稳运行。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源

40、恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。sa1 0 2fu2sb1 sb2km1y000y001plcsb3 sb4km3sb5 sb6km5sb7 sb8yv2km1 fr1hl1km2hl2y002y003y004y005y010 16y011 18y012 20y01322y014y015 24 26hl7hl8hl9hakahl10km6hl6yv214 km5km3 fr2 hl3 km4 hl4km5 fr3 hl5km2km1km3km6

41、km5图 3-5电控系统控制电路图3.3接口的选择 将系统所有的输入信号和输出信号统一进行编址，该系统有7个输入信号和13个输出信号，表3-1是将控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号。水位上下限信号分别为x1、x2它们在水淹没时为0，时为1。 名 称代码地址编号输入信号手动和自动消防信号sa1x0水池水位下限信号sllx1水池水位上限信号slhx2变频器报警信号sux3消铃按钮sb9x4试灯按钮sb10x5远程压力表模拟量电压值up模拟量输入模块电流通道输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯km1,hl1y01#泵变频运行接触器及指示灯km2,hl2y12#泵工频运行接触器及指示灯km3

42、,hl3y22#泵变频运行接触器及指示灯km4,hl4y33#泵工频运行接触器及指示灯km5,hl5y43#泵变频运行接触器及指示灯km6,hl6y5生活消防供水转换电磁阀yv2y10水池水位下限报警指示灯hl7y11变频器故障报警指示灯hl8y12火警报警指示灯hl9y13报警电铃hay14变频器频率复位控制kay15控制变频器频率用电压信号uf模拟量输入模块电流通道表3-1 输入输出点代码及地址编号第4章 系统软件设计 变频器的参数设计 4.1系统的软件设计4.1.1 plc的i/o接线图k1k2k3k4k5k6220vacsb1sb2sb3sb4sd1lq0.0q0.1q0.2q0. 3

43、q0.4q0.5nl1s7-200 plc1mi0.0i0.1i0.2i0.3i0.4ml+图4.1 plc的i/0接线图 输出端接中间继电器控制电机的工频与变频工作状态的转换，输入点i0.0控制系统电机的停止工作，i0.1控制系统电机工作及变频器工作的开始。i0.2点用于在一号泵有故障时手动启用三号泵代替一号泵的工作。i0.4为当变频器输出频率达到上限值时手动闭合，使电动机切换为工频工作。4.1.2 plc程序启动变频器工作plc接收压力变送器反馈的值，与设定值进行以系列计算之后输出一个值控制变频器的输出频率，同时根据输出ac0的值判断电动机工作的台数与状态。其中压力变送器反馈值为05，内部

44、数据为032767，对应进行转换之后通过下面的程序进行判断，以控制电动机的运行。判断反馈值为h0.8，则使一号水泵定速工作，同时使二号水泵变速工作。判断反馈值为0.52h0.64，则一号变频器定速或变速，当变频器输出频率达到上限值时则手动输入有效水泵变为定速运行，否则变速运行。判断反馈值为h0.52时，则一号水泵变速运行。停止按钮按下，所有水泵停止供水此段程序的功能为在一号水泵有故障时，通过手动切换使三号水泵代替一号水泵的工作。达到稳定供水。4.2 变频器参数的设置4.2.1 参数复位和电机参数设置1、p00033(选择级别为专家级)2、设定p0010303、设定p09701（设定p09701

45、后变频器将自动进入参数恢复程序，大约要1020秒钟后才能将所有参数恢复为出厂缺省值，恢复的过程中变频器显示busy(忙)字样并闪烁。）4、显示p0970则复位操作完成p0010=1 (快速调试)p0100=0(功率单位为kw；f的缺省值为50hz)p0304=380(电动机的额定电压)p0305=126.6(电动机的额定电)p0307=75（电动机的额定功率）p0310=50(电动机的额定频率)p0311=1470（电动机的额定转速）p0700=2(变频器命令源选择为模入端子/数字输入)p1000=2(模拟设定值)p1080=5(电动机最小频率)p1082=50(电动机最大频率)p1120=1

46、0（电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间）p1121=10（电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间）p3900=1(结束快速调试)4.2.2、变频器主要功能端子设置 表4-7 变频器主要功能端子设置序号功能名称功能代码设定值说明1选择电动机控制模式f0131u/f闭环控制模式2运转给定方式f0041外空段子控制3上限频率f60750hz4下限频率f60820hz5最高操作频率/hzf008506加速时间/sf009157减速时间/sf010158最大输出电压/vf1023809频率给定/hzf0005010电动机停车方式f0070减速停车11电动机额定频率f2015012加减速模式f

47、4130直线加减速13电动机台数f8242一拖三14u/f曲线模式f1000线性电压/频率4.3 pid控制器的设置 4.3.1 pid控制及其算法在连续控制系统中，常采用proportional(比例)、integral(积分)、derivative(微分)控制方式，称之为pid控制。pid控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。1) 模拟pid控制及其算法pid控制器是一种线性控制器，它是对给定值和实际输出值之间的偏差经比例(p)、积分(i)和微分(d)运算后通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称p

48、id控制器。系统由模拟pid控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4-8。图4-8 pid控制原理框图图中为pid调节器输出的调节量。pid控制规律为 (4-1)式（4-1）中，比例系数；积分时间常数；微分时间常数。相应地传递函数形式 （4-2）pid控制器各环节的作用及调节规律如下：(1) 比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e (t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。(2) 积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏

49、差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数,越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3) 微分环节：对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的对于干扰信号的抑制能力却将减弱。pid的三种作用是各自独立的,各不影响的。改变一个调节参数,只影响一

50、种调节作用,不会影响其它的调节作用。显然,对于大多数系统来说,单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合,可以使调节器快速、平稳、准确的运行,从而获得满意的控制效果。一般来说,系统是使用它们的组合,如 pi控制算法,pd控制算法或 pid控制算法。2) 数字pid控制及其算法自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现pid控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字pid控制算法是通过对式(4-2)离散化来实现的。用一系列的采样时刻点表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶向后差分近似代替连续系统的微分，得到pid位置控制

51、算法表达式 (4-3)式(4-3)中，采样周期，采样序号，第时刻的偏差信号，第(一1)时刻的偏差信号，第时刻的控制量。pid位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号, ，而且还要把历次的偏差信号相加，计算繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的控制量对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式pid控制算法，其表达式为(4-5)式(4-5)中，一一调节器输出的控制增量， ，。增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。4.3.2恒压供水系统的pid调节 恒压供水的目的就是要保证供水能力适应用水需求变化。当供水能力和用水需求之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，维持供水能力和用水需