案例5.4-变频水泵恒压供水装置

1、案例5.4变频水泵恒压供水装置.概况：近年来由于城市建设飞速发展，高层楼宇大量涌现，居民用水矛盾日益突出。如采用水箱供水存在水 压不稳、二次污染和耗能等问题。随着PLC控制和变频技术的发展，变频恒压供水逐步为大家认可。变频恒压供水目前国家尚无标准。因此变频恒压供水系统的构成各不相同，一般按用户要求进行生产。通常控制采用 PLC,调速采用变频器，用压力变送器作为管网压力采样和反馈信号和压力设定信号进行比 较，经过PID调节器运算，它的输出作为变频器频率给定，从而调节电动机的转速， 使管网压力维持恒定。一台变频器可以控制二台或多台水泵。在本实例中，因考虑到本系统的使用环境是居民大楼，用水量需根据季

2、节变换和气温变化经常要进行 调整。而控制室为无人值守，操作者是一般物业人员，要求系统工作可靠，操作简单。因此对系统的总体 设计中采用PLC来对水泵的开、关和切换进行控制及对故障进行处理；使用PID调节器来实现闭环控制，而水泵的驱动则采用变频器，变频器工作在开环运行状态，由PID调节器的输出（420mA电流）作为变频器的频率给定信号。供水管网中的压力则通过压力变送器转换为420mA的电流信号反馈到 PID调节器。压力给定信号在调节器面板中以键盘设置。系统的控制方框图如图4-1所示。图4-1恒J ；汨产校刚旭图水泵房的现场照片和控制柜外形照片分别见图4-2和图4-3 ,图4-2水泵房现场照片图4-

3、3恒压供水系统电气控制柜外形图本系统在正常工作时只须二台泵，另一台作为备用泵。考虑到三台泵应均衡使用，故不设备用泵，而改为三台泵轮流工作制。如大楼居民用水流量少时，用一号泵作变频运行，电动机低速运行。当用水流量增加造成管网压力降低，压力变送器输出信号减小，使 PID调节器输出信号增加，从而使变频器输出频率 增加，使电动机升速，管网压力随之增加。PID调节器调节压力的过程如下：PID调节器的给定量 Pg恒定,当用水流量增加时，供水能力 Q小于用水流量 Q,则压力降低，压力反馈信号PFJ 一偏差信号 P= (PgPF) T一变频器输出频率 fT一电动机转速 nT一供水能力 Q4 一直至压力大小回复

4、到目标值，供水能力和用 水流量重新达到平衡(Qg=Q)时为止。如果变频器输出已经达到水泵额定频率，且经过一定时间后管网压力 仍小于设定值，说明只用一台水泵供水能力还不够，则通过PLC控制一号泵改为工频运行，接通二号泵并由变频器控制，使管网压力继续上升直到达到压力平衡。当用水流量下降使压力升高时，通过PID调节器的调节作用使变频器输出频率降低，二号泵转速下降。即用水流量减小，使Q时，则PfT ( Pg-Pf) J一f J一nJQ gJ -g=Q,又达到新的平衡。如果变频器输出频率下降到下限值，管网压力仍大于设定值，说明用不到两台泵同时工作，则通过PLC控制一号工频泵停止工作，剩下二号变频泵低速运

5、行，维持管网压力。当用水流量又增加使压力下降时，变频器输出频率又上升；如果输出频率达到额定，而管网压力仍小 于设定值，则二号泵转为工频泵，接通三号泵并由变频器控制，使管网压力上升最终达到压力平衡。根据 管网压力的变化，三台泵的工作状况可以轮流切换。本系统的控制电路电气原理图如附图4-4所示。表4-1元器件清单序号元件代号元件名称型号规格1PLC可编程控制器二菱 FX2N-48MR2FR-F540二菱变频器二菱 FR-540-11K3A1数字式压力控制表FUJI PXR54PB-DA-2Y压力变送器HSA PB-DA-2YA输出 4-20mA5DC稳压器AC220V/DC24V6SB1启动按钮7

6、SB2停止按钮8S02手动/自动选择开关9QF1 QF3, QF10断路器10KM卜 KM3,KM1N KM13接触器11KA1变频器起停继电器12FR1,FR2,FR3热继电器13FU1 FU4熔断器14HL1,HL2,HL3HL11,HL12,HL13HL17HL18泵1泵3变频指示灯泵1泵3工频指示灯变频故障指示灯电机故障指示灯15HA变频故障蜂鸣器16SA1、SA2、SA3检修选择按钮17S01检修开关18DY1,DY2,DY3水泵电动机Y132M-4B,7.5kW/15.4A/380v/1440rpm19离心清水泵，一一一、一365DL4 扬程 46m/流量 30m/h.变频器采用三

7、菱公司风机、水泵专用型FR-F540系列变频器，容量 11kW。由于采用外围 PID调节器，因此对变频器性能要求不高，采用其它型号变频器均可。端子接线图如图4-5所示。参数设置见表 4-2所示:表4-2FR-F540系列变频器参数设置功能名称设定范围设定值基本功能1上限频率0-120HZ50HZ2下限频率0-120HZ15HZ3基底频率0-400HZ48Hz7加速时间0-360S10S8减速时间0-360S10S标准运行 功能13起动频率0-60Hz0.5Hz输出功能41频率到达动作范围0-100%100%42输出频率检测0-400HZ15HZ显示功能55频率监视基准0-400HZ50HZ电机

8、参数80电机容量0-55KW7.5KW81电机极数2.4.6.8.12.16483电机额定电压0-1000V380V84电机额定频率50-120HZ50HZ子功能158AM端子功能选择0,1,2,5,6,8,10-14,17,211端子安排 功能195ABC端子功能选择0-5,8,10,11,13-19,25,26, 98-105,108,110,111,113-116 125,126,198,199,999999校准功能904频率设定电流偏置0-20mA0-60Hz4mA0Hz905频率设定电流增益0-20mA1-400Hz20mA50Hz注：其它参数为出厂设定值。L112L3蚯描片一仃保持

9、这找? STOP f高速Q用| 多段速J置选和J中理反转Q SIRh把24V痢出和外 部拈休臂公共端f(忐型箱入公共喀: RL；以动模式3 5；第二加f减速时间选择J RT；播出停止0娥S ;:笈位O RhS；电就船入选捋O AU；睡时掉咆再后劫国界$ CS；f睛型输入公共端)J SD r界扇口隔袱百品版赢话不界率设定信号(模拟1博率设定JP7TTT7 ：电他器 一：二 H一il,C2Wh lkpl-lr U *开始HLt 中LACH白有 0IL T X ttXT日事定Jft干出近3U 1OFF0dJI-1r k 2ft ? VTM-I示小网电/1的一单位：tf卸】-岫TM 3仁.火1，包U.

10、鼎二的 餐案时后-tttl 甘一啷71All1理定值能对值IMJF5 偏差100700* F$10dipl -l2tAl L103-M H - i阳信1。4l*24AU雇警工州定也蛙时值据普100P5 WSmWt -loo-iro HFS10AIL104ip2-lA2 K旭 2上“值IQ16LoC整 定QdtpLklLeCft5V物4 值镇4111 61 0ocoi,XaX旦1xo oJoI XcX4XXXX,LXX Jo3t口：出定用雄Xi it定不可挖表4-4第二蛆学数& H定义&定他国出厂&定dspMCP比例帚（Oi为二般7?抄）00-W.9Ks5321&分时同（6根分OFF）07200

11、 秒240dsp3-4dG分时向（6 G分OFF）0.0-999.9 秒60.0dspJ-BHyS二位KN的历直通0-30MFSICCod冷却面比例41靠的0.0-100.01.0fcp3 32db冷却创比例悟的位移死区-S0QT50Q0.0dsp3-64bAL出”储值-100100% 0.0 JR .OdiplIZSAf枳分动作禁止点O-IOOMFSI00M5ICTrL立方式nD, P1D控制SELF. P1DR 上定MDdsp4-2SLFbPVlKfil值检定色图O-I00XFS2%FSonoFOFFi 在 SV+HYS/2*! SV-HYS的侑” 。即FF柠制开的ON. ft SV Hi

12、 SV+HYJ 电as, SSHSSCi 2 4XhnAOdspl*TC2输出2比例期1750bdsp-323融入信g代码I-I63（或订购指定dsp4 64P-SL-1999-W9*o (AiTKnit)dH4-IMFSU以利卜修改定-1iMW）&f&64ALM2农定援2动作模式。乂o 9(2W)dtp), inSTATH城/保温&序及当H住 承）OFFd$f62PTa盘建仪加体程序的工作模式Il执行断1第4皎2i执行星S第上映 taorfft1dsp64SVdRIMK IffsvwwrtO18TMIr制场1段间Of hWm000峥16TMIS但31发“加0-9h59m000MJ2Sv-2H

13、标值2在SV限制内0kp6 64TM2r科城2网时间O-9i59m0 00d$pM28TM2S保温2段后网0-Wh59m0.00d$p7lSv-3口标-3作SV朦制育0dsp7-2TM3r科坡3段时间0991159m0.00dsp7-4TM3S保温3段时同0-99hS9m0.00dsp7.RSv-4H标侦4在SV限制内0(kpM6TM4r099h59m0.00II标值6住SV ISM内0(hp8TTM&科战6段时间g99ks9m0 00d卬8BTM6S保0-99h59m0.00(fop8l6Sv-7门标值7A SVRIM内0&32TM7r斜坡7段”用0-99M9m0 00&网64TM7S保汹7

14、段打前0-99h59m0.00dsp8l28Sv.gnuffit在SVfHM内0以9lTM8r科城8段时间0-995159m0.00dsp9-2TM8S保温8段时间0-99!159m0.00dsp9-4Mod指定斜切保温段sr和后的 控制方式0-150dsp9-8表4一5第三短事融参数参敷魔义阳厂r定瑁定Nil控七1寸。值定1 1L/l |r，S* LSV注定依r限Q + $aXFS32MHSVLMOIOTKFSiKp q 也i心1aw时H网0至IM，越忖时。0dspFQ )CT显示电流CT filBAtt t只&示）一d*plXHb依定W线报警的 劲牌通OMjOA0.0d&plO-841%H

15、B无岫AIhY微管1滞后*里15O*FS0加plg6人北2滞d簟t0-50WFS0lo-nAloP报餐1速H设定的 (IXIHM)FF| . “由0XJFFJ,I:ON O.OfF (KMSIII000dSPlD-121擅詈？逸修小定MdSPlLlPLC1输入1用小。Nipt 1Wf mioH.QthplMPMC1看出1她小魔TA 曲。*同dfipH PL 口除人工信小口 Nl*中度fmo*7Dihpll-|6PHC2，出2始小OFF脓冲宣 度no*。/105.P如1142PCUT冲美遁&QT$ 10uVTlaUT2的出道2 （MV丁毓一彳冈iCJRG冷播点H诧设定ONt RCJ有适ONdsp

16、l2-2OFF： RCJ JCGAlnPV餐率祖宗C.QOK2900lowdsplU用广零点调髓JOSOMFS0dspll SA4JS用户满虎端整-JOSOMFS0/12 16di-1DH动件总支。日(h OFF而 1332国2m作设定的OFF娴】3 MSTno遹信求专区遵Ldxp12dJBCoM南岁为设建Ox奇敏0dip!露 th依2r X _ _ryrPYF t需色地桢岬 葡人 类汇丑*M蜘1*4(tSPI-d5P9 4PI0m1PI3套部木屏新代玛gH5在本实例中，是将该调节器作为压力调节使用的，不需要较复杂的多段升温、保温的程序，只需使其 进行简单的PID运算即可，因此需设置的参数不多

17、。本例中所设置的参数如下：（1）运行控制参数 Stby （第一组）参数Stby可以使仪表在控制待机状态和控制运行状态（即工作状态）之间切换。设置STby=ON则为待机状态，此时可以进行参数设置，但控制和报警都无输出；Stby=OFF为运行状态，控制及报警功能正常进行。在此状态下也可通过SEL键进入参数设定状态。 报警1动作值参数 AL1、A1-L、A1-H （第一组）这3个参数都是对报警 1的动作值进行设置的。AL1是设定值；A1-L是报警1下限值；A1-H是报警1上限值。要根据所用的报警方式的不同，在这3个参数中进行选用。例如报警方式是高低限报警时，即测量值超出高限或低限要报警，在高、低限之

18、间不报警，就要分别设置 A1-H和A1-L ;而若使用高（或低）报警方式，即测量值超出高限（或低限）时报警，低于高限（或高于低限）时不报警，就只要对AL1设置即可。本例中使用高报警方式，因此设置AL1=10,即压力测量值超出给定值10%时报警。（3）控制方式参数 CTrL （第二组）可设置3种控制方式：PID控制、模糊控制及 PID自整定方式。本例选用 PID控制方式，因此设置 CTrL=PID 。（4）输入信号代码 P-n2 （第二组）PXR系列温度控制器允许使用热电阻或热电偶测量温度，也可直接输入15V直流电压或420mA直流电流。各种不同的输入信号以不同的代码来表示，如表 4-6所示。本

19、例中用420mA直流电流输入， 因此设置P-n2=16。 表4-6输入信号代码表输入信号输入量程（C）输入量程（下）代码（P-n2）电阻测温包Pt100Q0-15032 3021Pt100Q0-30032 5721Pt100Q0-50032 9321Pt100Q0-6003211121Pt100Q-50 100-58 2121Pt100Q-100 200-148 3921Pt100Q-150 600-23811121Pt100Q-150 850-238 15621热电偶J0-40032 7522J0-8003214722K0-40032 7523K0-8003214723K0 12003221

20、923R0 16003229124B00 16003229126T-199 200-3283927T-150 400-2387527E0-8003214728E-199 800-328 14728N0 130032237212PL20 130032237213DC电压1 5V DC刻度范围：-1999999916DC电流4 20mA DC对电流输入，应并接 250 Q电阻，等效转换为15VDC输入（5）小数点位置设定 P-dP （第二组）当输入类型设定为 420mA电流后，仪表已规定显示形式为百分比，显示范围为 0%100%,即显 示为0100。显示1即代表420mA

21、量程的1%。由于输入电流是由压力变送器输出的，压力变送器量程为01Mpa,对应车出420mA电流，则量程的1%就对应0.01Mpa。而压力值0.01Mpa近似为0.1kg/cm2, 因此设置小数点位置为1位，即参数 P-dP=1,这样当显示 1%时显示的形式就变为0.1,可近似看作为0.1kg/cm2的压力值。（6）设定报警1动作模式ALM1 （第二组）PXR5系列调节器具有 31种报警方式，可通过对参数ALM1设置不同的报警代码来指定。各种报警动作的模式如表4-7和表4-7 （续表）所示：痂推报警代码r作用图0无撮督-一*篇棒瞽、N25AA*保附417.tva1i$f,6由17AL*. AL

22、岛报*!保持）qM揪瞥（保持）AQ 1 工 z fv *语F怔推警t保肝下AL i i1lL1 1叫叫 X与产1事怅偏空用警很警K工辕立】_1_J!_rvIV12在/保隹对血强充-EM ：A. *IujXi- j K 莉.高阑a1A警14加的时值，毋病常相*j 、.M MLl15有一加抵庭对芭根 警14_L_* n.JUL? 表，T报警代日表表嚏T报萼代码表t理表,双拴皆代吗擢兽类型作用图高，母醋裁警14加K也对置我警n rkrvW Mn制修修界般姿AIX M-HJ J,一变口*i b2IS马军叫卿怅龄差批警AfeJ.rr 她 A 3-41心修19高薛卓怅免对伪报警M H黑3小忠, f E即高

23、冰艳原曲典*国陆】ObfTL kAl IAJ H LJL%H21春帧汕堇胆安Al-L MHa Mi %- i丁21喜雄时值低修举报葬c保 wi-Al*23充出芭HL帷射帔型* t* 特】-X7-flr_AtL a14IAM 2第IIp1工i 4/2hM建讨哦假前若孤杏MJLA1L1_i_1_.n-VfL27制儡里,旭生时伯眼警AT-H o f*1_c制事色 32t离戒抢打归报警心特1M l业 4J.L带捱瞽29昌旭Eti主推警册恃 4 AV-H2L Al-Hl1I-130高维M的性惭即携胃MtL4Lj E $v AJ-H41dl31*偏羊，械蛇弭俯投售（恒持）.hl-H料N1 ImA Mi s

24、vA2-L；7 ： 胃?拜，即弹-4并F窖状二T熊警，第二沈再进入时擢嬖在表4-7中，报警代码分为标准报警代码和双报警代码。在标准报警代码中，报警动作的方式是当测 量值超过参数 AL1 （在表32-7的作用图中以 ALn表示，n=1、2,本例所选型号只有 1个报警，无AL2 , 故n只能取1）的设定值时报警输出触点接通 （绝对值报警模式）；或当测量值超过给定值 SV一定的偏差（偏 差即参数AL1的设定值）时报警输出触点接通（偏差报警模式）。标准报警模式中只用到 AL1 一个参数。而在双报警代码中，报警动作的方式是当测量值超过高限或低限时或超出SV的上、下偏差时报警触点动作，要用到参数 A1-L

25、和A2-H来分别设定低限（下偏差）和高限（上偏差）。本例采用的报警方式是上偏差报警，故设置参数 ALM1=5。因设定AL1=10 ,所以本例中报警输出动作是在实际管网压力超出给定值 SV的10%时发生。P、I、D运算数值设置（第二组）本调节器的主要任务是对管网压力进行PID控制，为了使压力的变化平稳，当用水量出现波动时调节器要及时作出响应，使管网压力尽快满足用水量的需要，同时又不能出现过大的超调量，因此要将P、I、D参数设定为最佳状态。在设置PID参数时，需注意的是，在变频器中，内置PID调节功能的“ P”参数，是直接预置比例增益Kp。而在专用的PlD调节器中，比例增益的大小常常是通过“比例带

26、”来进行调节的(PXR5中即是)。本实例中只使用 PI控制，未使用微分控制，设置参数D=0,参数P和I在调试中整定。SV设定范围Sv-L和Sv-H (第三组)参数Sv-L和Sv-H分别用于指定给定值设置范围的下限和上限。当在参数 P-n2中设定输入信号种类 是420mA电流时，已规定 SV和PV显示的单位是百分比，显示范围为0%100%,因此Sv-L和Sv-H的数值范围必须在 0100之间。本例要求压力值在 01Mpa之间可任意给定，因此设置Sv-L=0 ,Sv-H=100 , 使SV设定范围为 0%100%。4.PLC及控制程序的编写PLC的选用及输入/输出端口的分配在本实仞中，PLC用于对

27、变频器的运行、停止进行控制，并负责三台电动机的切换。PLC选用三菱公司的FX系列，型号为FX2N-48MR ,继电器输出，输入点 24点，输出点24点。PLC的接线图参见附图 4-4,其I/O分配表如表4-8所示： 表4-8输入/输出分配表输入点输入元件功能说明输出点输出元件功能说明X0SB1启动按钮Y0RES变频器复位X1SB2停止按钮Y4KA1变频器正转起动/停 止X2A,C变频器异常报警Y5KM10变频器电源X3S02自动/手动选择开关Y6KM11#泵变频运行X10AL1PID调节器压力报警Y7KM111#泵工频运行X11FU变频器输出频率卜-限Y10KM22#泵变频运行X13SU变频器输出频率上限Y11KM122#泉，频运行Y12KM33#泵变频运行Y13KM133#泉，频运行Y14HL17、HA变频器故障指示(2)控制程序的分析本例的梯形图如图 4-10所示。