控制的变频恒压供水系统设计

1、PLC控制的变频恒压供水系统设计摘要：本论文分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，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。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；PID。第1章 绪论1.1 城市供水系统的要求众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特

2、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。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式，以下就逐一分析。(1) 恒速泵+水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵

3、处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。 (2) 恒速泵十高位水箱的供水方式这

4、种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。(3)变频调速供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内.变频调速水泵调速控制方式有三种:水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给

5、水系统最不利点恒压控制。出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。出口变压控制水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日24小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形

6、式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。 最不利点恒压控制最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处;使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作.当系统所需水量下降时，供水

7、压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。在运行效果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一

8、定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/3-1/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和

9、明显的经济效益与社会效益。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、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。由于城市供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。1.2 PLC变频恒压供水产生的背景和意义泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率:降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平

10、、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大:另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技

11、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。1.3 设计任务及要求现在供水问题是社会的一个大问题，本设计是为了保证小区里不论高层还是底层都能有稳定的水压。所以现在急需要有个能够保证这一要求的控制方法，本设计就是为了要求而提的。本设计用PLC实现对变频恒压供水系统的控制，系统主要由PLC控制器、变频器、四台水泵及其辅助设备组成；实现在输水管道压力恒定的情况下，通过PLC+变频器自动根据用水量变化进行

12、调节。通过本设计可以解决用户在用水高峰的时候出现水压不足和断水的问题。第2章 恒压供水系统2.1 课题研究的对象 此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。这栋楼有10层，由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。如图2.1所示，是这栋小楼的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。2.2 PLC变频恒压供水控制方式的选择 目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有： (1)带PID回路调节器或可编程序控制器(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

13、。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PID控制程序的计算，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PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模

14、拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。(2)继电基础器控制方式这类控制电路比价落后，控制需要手动，要消耗人力，并且有很大的延迟性和误差性。(3)PLC变频调速供水设备针对传统的变频调速供水设备的不足之处，

15、国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。考虑以上三种方案后，此次设计采用第三种方案。如图2-1所示。图2.1供水系统

16、方案图2.3 PLC变频恒压供水系统随着PLC 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。PLC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PLC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。PLC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

17、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PLC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。PLC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:(1)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)用户管网中

18、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PLC变频调速恒压供水系统是一个线性系统。(3)PLC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。(4)在PLC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。(5)当出现意外的情况(如突

19、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。(6)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。(7)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。2.

20、4 PLC变频构成恒压供水系统的及工作原理 系统的构成系统构成如图2-2所示。图2.2系统构成图从系统图上可以看出来，整个系统由四台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。四台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，四台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈05V电压信号)或压力变送器(反馈420mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等

21、部分组成。(1)执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图2.3中的4个水泵分为二种类型:调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。(2)信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。(3)控制系统供水控制系统

22、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的切换、手/自动切换等。(4)人机界面人机界面是人与机器进行信息交

23、流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。(5)通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。(6)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

24、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。 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KM8，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

25、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l、2、3、4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

26、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4、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

27、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。2.4.3 PLC变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，刁能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换。尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无

28、限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0Hz。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压

29、也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0Hz,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如

30、1-2分钟），如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。2.5 主电路主电路接线图如图2-3所示：图2.3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 、KM7分别为电动机M1 、M2 、M3、M4 工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、 KM2 、KM4 、KM6 分别为电动机M1、M2、 M3 、M4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

31、机的过载保护。熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。第3章 器件的选型及介绍3.1 可编程控制器简介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

32、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

33、以及远程通信等强大功能。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。3.1.2 PLC的工作过程 如图3-2所示图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

34、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。3.1.3PLC的选型本设计选用三菱FX2N-32MR-D的PLC，水泵M1、M2，M3，M4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

35、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。3.1.4 PLC的接线PLC的接线图如图3-3所示：图3.3PLC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,Y6接KM6控制M4的变频运行,Y7接KM7控制M4

36、的工频运行。X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接M1的热继电器，X3接M2的热继电器，X4接M3的热继电器，X5接M4的热继电器，X6接变频器报警。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。3.2 变频器变频器的选择：本设计中变频器选择FR-A540系列5.5型（三菱）。3.2.2 FR-A540系列的接线说明：3.2.3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

37、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

38、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

39、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

40、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：（1

41、）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

42、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。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

43、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。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。3.2.4 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

44、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35%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

45、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。3.2.5 变频器接线图根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，接线图如下:图3.6变频器接线图管脚STF接KM0辅助的常开触点，KM0由FX-2N-32MR的PLC输出端Y0控制，控制电机的正转。外部模拟电压信号输入控制电机的转速，变频器接受模拟信号，改变输出频率，从而控制电机的转速。图3.7 R-A540的管脚说明3.3 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

46、。但是动作过强时，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

47、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

48、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3.4 压力传感器34.1压力传感器的工作原理压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压

49、力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器

50、进行放大，再给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构如图3-10所示图3.10 压力传感器结构图 如图所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显。3.4.2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

51、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28±3V（DC）。图3.11 压力传感器的接线图3.5 表表3.1元件表总图元件符号型号个数可编程控制器PLCFX2N-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)A2M3,M440-160(I)2闸刀开关QSHD11-100/181熔断器FU1，FU2RT18 6A2FU3, FU4RT

52、18 8A2热继电器FR1 FR2TK-E02T-C2FR3 FR4K-E02U-C2按钮SBLAY3117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)A112829002.2M3,M440-160(I)12.53229003.0表3.2水泵的参数表3.3 变频器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强制风冷水泵：M1、

53、M2选用40-160(I)A型，M3、M4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，

54、IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。第四章 设计程序及说明如图4-1所示，X0为启动按钮，按下X0系统运行，X1为停止按钮，X2，X3，X4，X5，X6为热过载保护按钮，X6为变频器报警信号。T8为第四台电机运行一分钟后还没达到供水要求，说明系统有问题，自动停止，工作人员进行检修。T16为第一台电机停止后，压力仍然大于设定值，也说明系统有问题，工作人员应进行检修。M0为辅助继电器，系统启动后M0得电并自锁，此后M0一直得电。Y11为变频器提供电源，系统运行，变频器就得电。Y10为变频器提供正传信号，电机为正传。图4-1 系统起停功能的实现图4.1系统启动和停止如图4-2系统运行后M0得电

55、，常开触点闭合，系统进入AD转换模块，PLC采集外部信号，转换为数字量后存入数据寄存器D50中。数模转换模块放在紧贴PLC的一侧，为0号模块，选择0号模块当中的一号通道，然后进行AD转换开始PLC将模块当中的低八位数据读入PLC中，高四位保存在b8b11中，程序所设定的数字量放在D51中。D100D106为PID指令参数设定的寄存器，D100为采样周期，设定为10秒；D101为动作方向，设定为正动作；D102为输入滤波常数，设定为80%；D103为比例增益，设定为90%；D104为积分时间，设定为25秒；D105为微分增益，设为80%；D106为为微分时间，设为25秒。PID将D50和D51进

56、行比较，结果放在D150中。图4.2 PID指令采集信号如图4-3此程序为DA转换模块的程序，DA转换模块位于一号位置为一号模块，将M40M43中的数字量转换为模拟信号，送到变频器模拟信号输入端子（频率）。图4.3 DA转换模块如图4-4比较指令CMP，比较原操作数D50和D51,比较的结果放到目标操作数M200中，当M0得电时，将D50与D51中数据进行比较，比较结果放到M200M202中，当D50=D51，仅M201得电；当D50>D51，仅M200得电；当D50<D51，仅M202得电。图4.4比较指令CMP 如图4-5当D50中的数据小于D51中的预设值，M202得电接通，此时程序进入增压程序，第一台水泵变频运转，并自锁。M201为D50=D51时也执行此程序。4.5增压程序如图4-6此程序为减泵程序，当D50>D51时，供水过多，系统进入减泵程序，此时只有