变频器控制恒压供水系统

变频器综合设计

变频器控制恒压供水系统

摘要

恒压供水在都市自来水管网系统、住宅社区生活消防用水系统、楼宇中央空调冷

却循环水系统等众多领域中均有应用。恒压供水是指顾客端在任何时候，不管用水量

的大小总能保持管网中水压H勺基本恒定。在恒压供水系统中可根据压力给定的抱负值

信号及管网水压日勺反馈信号进行比较，变频器根据比较成果调节水泵的转速，达到控

制管网水压的目的。

本文重要针对目前供水系统中存在的自动化限度不高、能耗严重、可靠性低的缺

陷加以研究，开发出一种新型日勺并在这三个方面均有所提高的变频式恒压供水自动控

制系统。全文共分为四章。第一章阐明了供水系统的应用背景、选题意义及重要研究

内容。第二章阐明了供水系统的变频调速节能原理。第三章具体简介了系统硬件日勺工

作原理以及硬件H勺选择，第四章具体论述了系统软件开发并对程序进行解释，

核心词：恒压供水，PLC,变频技术

目录

摘要..................................................................0

1变频控制系统简介.......................................................0

1.1变频调速供水控制系统简介.............................................0

1.2变频调速在供水行业中的应用..........................................0

2供水系统的变频调速节能原理.............................................2

2.1水泵调速运营的节能原理..............................................2

2.2本系统总体简介.....................................................3

3系统硬件日勺工作原理及硬件选择...........................................4

3.1PLC的工作原理及选择................................................4

3.2变频调速系统原理及选择.............................................6

3.3压力传感器H勺选择...................................................9

3.4水泵的选择.........................................................10

3.5鉴频鉴相问题.......................................................10

3.6控制电路...........................................................13

4系统软件开发..........................................................15

4.1PLC编程简介........................................................15

4.2PLC程序解释.......................................................22

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参照文献................................................................25

1变频控制系统简介

1.1变频调速供水控制系统简介

变频调速供水控制系统是集现代变频调速技术、PLC技术、监控技术和计算机技术为

一体的新一代给水控制系统。该系统完全可以取代老式的水塔、高位水箱和气压罐等给水

方式。与老式的给水方式相比，该系统不仅满足了现代工矿公司、城乡居民和高层建筑对

新型给水系统的规定。

系统采用内置变频调速器、先进的可编程控制器等现代控制技术，对水泵机组进行闭

环控制，保证压力波动小、达到设定压力时间短、且可随用水量的变化自动调节水泵转速

及工作水泵台数，保证恒压变量供水。系统采用现代计算机数字控制技术和模块化、原则

化的设计，满足多种本地和远程联网合同，系统的可扩展性强。

系统具有手动、自动操作方式，系统压力、电机电流、电机频率和电机合计运营千瓦

时LED显示，变频器、电机工况与故障批示及防误操作等功能。系统具有输入电源缺相、

不平恒、过压、过流、过载、短路、电机过热、飞速启动、断水及低水位停机等完善的安

全保护功能，有效的提高了给水成套设备日勺安全可靠性。

该系统还配有完善的故障自诊断、故障检修手动工作方式等功能，使维修工作十分轻

松快捷。由于控制同路与负载回路之间是通过中间继电器实现电隔离和信号耦合的，因此

系统的抗干扰能力强。系统自动检测瞬时水压，并据此调节水泵的供水量，机组特性曲线

接近管网损失特性曲线，节能效果明显。由于变频器对电机实行的是循环软启动控制，启

动平稳无冲击，提高了电机、水泵和管道等的寿命，减少了管网的泄露。此外由于系统无

需高位水箱等设备，不仅节省了投资，并且无水质二次污染问题。本系统还可以将生产、

生活、消防等系统合为一体，投资省、占地少、经济效益明显。

1.2变频调速在供水行业中的应用

作为高性能口勺调速传动，直流电动机调速控制措施长期以来始终应用广泛。但是直流

电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相称昂贵。使异步电机实现性能好的调

速始终是人们的抱负。异步电机日勺调速措施诸多，例如变极调速、有极调速、定子调压调

速、串级调速、变频调速等。但是由于多种各样日勺缺陷没有得到厂泛日勺应用。

70年代后来，由于微电子技术、电力电子技术和微解决机技术的发展，促使晶体管变

频器的诞生。晶体管变频器不仅克服了以往交流调速的许多缺陷，并且调速性能可以和直

流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修以便、价格便宜、功率和转速适应

面宽等长处，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显日勺优势。到80

年代末，交流电机H勺变频调速技术迅速发展成为一项成熟H勺技术，它将供应交流电机的工

频交流电源通过二极管交流变成直流，再逆变成频率可调日勺交流电源，以此电源拖动电机

在变速状态下运营，并自动适应变负荷的条件。它变化了老式工业中电机启动后只能以额

定功率、定转速向单一运营方式，从而达到节能目日勺。现代变频调速技术应用于电力水泵

供水系统中，较为老式欧I运营方式是可节电40M60%节水15%-30%0

由于变频调速具有调速日勺机械特性好，效率高，调速范畴宽，精度高，调节特性曲线

平分，可以实现持续日勺、平稳日勺调速，体积小、维持简朴以便、自动化水平高等一系列突

出的长处而倍受人们日勺胄睐。特别当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其他

调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统重要设备是提供变频电源的变频器，变频器

可提成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变

频器。

自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的I应用。变频调速恒

压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等长处，使我国供水行业的技术装备水平

从90年代初开始经历了一次奔腾。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，根据用水

量的变化自动调节系统的运营参数，在用水量H勺变化自动调节系统H勺运营参数，在用水量

发生变化时保持水压恒定以满足用水规定，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实

际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。

充足运用变频器内置的多种功能，对合理设计变频谎速恒压供水设备，减少成本，保证产

品质量等方面有着非常重要的意义。

新型供水方式与过去内水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不管是设备的投资，

运营H勺经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化限度等方面都具有无法比拟的优势，

并且具有明显的节能效果c恒压供水调速系统日勺这些优越性，引起国内几乎所有供水设备

厂家日勺高度注重，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、

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原则化是将来供水设

备适应城乡建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划规定的必然趋势。

在短短日勺几年内，变频调速恒压供水系统经历了一种逐渐完善的发展过程，初期的单

泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所替代。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单

泵电机深度调速导致水泵、电机运营效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运营效率高,

被实际证明是最优的系统设计，不久发展成为主导产品。

2供水系统日勺变频调速节能原理

2.1水泵调速运营的节能原理

全H动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器，通过安装在管网

上的远传压力表，把水压转换成电信号，通过接口输入控制器内置日勺PID控制器上，用以

变化水泵转速。当顾客用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速器日勺输出频率将

增大，水泵转速提高，供水量加大。当达到设定压力时，水泵恒速运转，使管网压力稳定

在设定值上。反之当顾客用水量少，管网压力高于设定压力时，变频调速器日勺输出频率将

减少，水泵转速下降，供水量减少，使管网压力稳定在设定压力，这样反复循环就达到了

恒压变量供水的目的。

压力传感器

至用户

图2.1供水系统原理图

供水系统的工作原理如图2.1所示。由自来水管网或其他水源提供的水进入蓄水池经

加压水泵进入顾客管网管路。通过压力传感器按提供网的压力信号，传送给控制系统口勺

PID,经PID运算后输出信号控制变频器的输出频率，从而控制水泵口勺转速进而保持供水

管道日勺压力基本恒定。顾客用水量大时，管网管路压力下降变频器频率就升高，水泵转速

加快，反之频率下降，水泵减速运营，从而维持恒压供水。当用水量大于一台水泵的最大

供水量时，通过PLC自动切换电路工作再投入一台水泵，根据最多用水量的大小可投入数

台水泵。在供水系统中，控制对象是水泵，控制目的是保持管网水压恒定，控制措施是压

力信号的反馈闭环控制。它的自动控制原理图见图2.2。

1号泵

水

泵变频器

切

换

电

3号泵路

4号泵

图

2.2变频式恒压供水自动控制原理图

2.2本系统总体简介

本系统针对口勺顾客是自来水公司供水系统和水厂、泵站等多种泵类电机的调速和控

制，控制对象应尽量做到通用型，系统功能设计和设备选择重要立足于通用性、可靠性和

经济性和节能效果，而对于特殊状况下的供水系统不在本系统控制范畴之列（事实上特殊

供水系统也只是在通用系统功能实现日勺基础上充足考虑到特殊性，最主线的还是在于一般

系统H勺研制）。在本论文中，我们以四台水泵为控制对象，建立一种模型，研制一种新型

的控制系统使得水泵转速跟随用水量日勺变化而变化，实现变频、恒压、无级调速的供水系

统，从而达到节能、节水、充足运用设备、高可靠性、高自动化限度的目的。

如图2.3所示，供水系统由四台泵（二用二备）构成，由一台可编程控制器和一台变频

器切换控制任一台电机调速。水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供日勺变频回路构

成，通过PLC和变频器将各台水泵按照一定的规律顺疗投入运营和顺厅停止运营，使整个

H勺供水回路处在最佳日勺配备状态。变频器则具体的微调目前水泵的转速，使转速变化跟随

管网压力变化（事实上是跟随顾客用水量的变化）。

3系统硬件日勺工作原理及硬件选择

3.1PLC的工作原理及选择

3.1.1PLC的简介

PLC是以微机控制技术为基础，通过编程，可以执行诸如逻辑判断，顺序控以时，计

数，运算等功能，并通过数字或模拟I/O组件控制机械设备。

与老式日勺继电器控制盘相比，PLC控制系统体积小，可靠性高;更易使用和维护，且能

在工厂环境下进行编程;便于扩充和修改功能，又具有向中央数据采集系统传递信息H勺能

力;通过接插件，所有输入端点能直接和工业现场的开关，接点直接相连，所有输出端点

能直接驱动继电器、电磁阀、电机启动器的线圈等。它的发展大体经历了三个发展时期。

1.形成期（1970T974年）初期『、JPLC采用小规模『、JIC构成专用的逻辑解决芯片（CPU）,采

用机器语言或汇编语言编程，仅有逻辑控制指令，控制点少，功能简朴，并没有获得广泛

注重。

2.成熟期（1974-1978年）随着单电源的8位解决器日勺浮现，在小型化、高可靠性多功能

及价格等方面，PLC的研制和应用水平有了飞速发展和提高。PLC开始具有了多种CPU,设

立了定期器、计算器并具有了算术运算功能。

地址总线控舸总线

中

输

输

输

入

央存

出

开关或传超器入照明

输

出

存G）

单

单

据

数

维电器触点储

储元

元

储

存磁装置

单□u

1

行程开关~~^动机

元

器

模拟员输入其他执行

装翼或触

□点

地址总线&~I

数据总线

数据总线

电源单元

图

3.1PLC构造不意图

3.加速发展期（1978年以来）从70年代末到80年代，PLC的应用和制造呈现了蓬勃发展H勺

趋势。一方面研制出了高性能不同规模IT、JPLC控制系统，开发了多种智能I/O模块，充足吸

取了计算机和通讯技术，实现了分布式分级控制日勺PLC网络系统。另一方面也逐毕生产一

般机械加工逻辑控制而价格较为便宜日勺微小型PLC,对PLC普及应用起了重要推动作用。PLC

H勺典型硬件系统构成见图3.1。

3.1.2PLC的选择

可编程控制器（programmablelogicalcontroller,简称PLC）已经越来越多地应用

于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。因此，对PLCFI勺对的选

择是非常重要的。

1.工作量

这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应当对控制点数（数字量及模拟量）

有一种精确口勺记录，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%-30%日勺PLC。

（本设计中开关量16个，控制量6个，1个模拟量输出，3个模拟量输入）

2.工作环境

工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人优从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出

来，就规定自控系统可以适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压

等，各款PLC不尽相似。一定要选择适应实际工作环境的产品。（该设计环境正常，故不

用特殊型号）

3.通信网络

目前PLC已不是简朴的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决口勺问题。（故

尽量选用比较常用的品牌）

4.编程

程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统

日勺运作。编程器及编程软件有些厂家规定额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内

（规定有良好的编程软件）。

5.可延性

这里涉及三个方面含义：

（1）产品寿命。大体可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产

品。

（2）产品持续性。生产厂家对PLC产品日勺不断开发升级与否向下兼容，这决定与否有助

于现系统对将来新增长功能的应用。

（3）产品的更新周期。当某一种型号PLC（或PLC模块）被裁减后，生产厂家与否可以

保证有足够日勺备品（或备件）。这时应考虑选择当时比较新型的PLC。

6.性价比

由上面H勺的挑选规范，我挑选西门子公司的S7-2D0CPU226作为本系统采用H勺PLC,它

的具体性能如下。

本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248

路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序却数据存储空间。6个独立内30kHz高

速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有

PPI通讯合同、MPI通讯合同和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于

较高规定的控制系统，具有更多日勺输入/输出点，更强日勺模块扩展能力，更快的运营速度

和功能更强日勺内部集成特殊功能。可完全适应于某些复杂日勺中小型控制系统。

3.2变频调速系统原理及选择

3.2.1变频调速系统简介

在变频器没有浮现此前，调速系统一般采用直流调速图，但是由于构造上的因素，直

流电动机存在着诸多缺陷（诸如需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命短，机

构复杂，难以制造大容量、高转速、高电压欧J直流电动机等），因此人们始终在寻找交流

调速系统。而变频器日勺浮现刚好解决了这个问题。与老式的交流拖动系统相比，运用变频

器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有■许多长处，如节能，容易实现对既有电动

机的调速控制，可以实现大范畴内的高效持续调速控制，容易实现电动机日勺正反转切换，

可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动，可以适应

多种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制，电源功率因数大，所需电

源容量小，可以构成高性能的控制系统等等。特别是对于工业中大量使用的电扇、鼓风机

和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可替代老式上运用挡板和阀门进行的风量、流

量和扬程的控制，因此节能效果非常明显。

变频调速的原理非常简朴，由于异步电动机日勺转速为

120f（l-5）

n--------

n

式中n为电动机转速，r/min；f为电源频率，Hz；p为异步电动机磁极个数；s为转差。

因此，理论上说，只要变化「就能变化电机转速n。

3.2.2变频调速控制方式

常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制，如图3.2

所示。本系统根据恒压的控制规定，采用日勺是PID调节方式(内含在变频器中)的闭环控制。

VK0信号

主------------>

变

控

变频器故障信号频

机

器

器S---------------

开环控制

0(12)信号

主------------>

变频器故障信号变

控

机超压信号频

器W--------------器

欠压信号

s----------------压力传感器

闭环控制

图3.2变频调速系统口勺控制方式

3.2.3变频器的输入输出电路

木系统中变频器日勺输入信号有两种，一种是控制信号，它涉及PLC输给日勺变频器FWD信

号BX信号和VI(12)电压信号(0-5V),FWD信号BX信号由PLC输出，控制变频器的工作开

关;VI(12)控制变频器频率。另一种是输入电源信号，本系统采用H勺三相380V日勺交流电

源，三相电流输入连接在端子Ll/R,L2/S,L3/T上。采用三相输入口勺话，则用主电路的电

源端孑Ll/R,L2/S,L3/T通过线路保护用断电器或带漏电保护时断路器连接至三相交流电

源，不需考虑连接相序。如果有条件的I话，还可以在电源电路中串入一种电磁接触器，这

样就可以保证变频器保护功能动作时能切除电源和避免故障扩大，以保证安全。尽量不要

用主电路电源0N/0FF日勺措施控制变频器的停止和运营，应当用控制电路端子FWD、BXo

变频器日勺输出信号也有两种，一是送PLC日勺超压信号、欠压信号和变频器故障信号这三

个输出控制信号，另一是送水泵口勺变频器输出电源信号。送PLC口勺超压、欠压信号由变频

器MJY1,Y2端子送出，Y1内内部功能设定选为频率检测(FDT)功能，幅值为50Hz,滞后值

为0.5Hz。Y2时内部功能设定选为0速度输出功能，变频器输出频率为0Hz时输出0N信号。

LIU

380W电源L2V接触器

控

L3W

制

面

版

PLC送0-5”电压信号VI(12)

超压信号

PLC送BX信号BX欠压信号

PLC送FWD信号FWD变频器故障输出

图3.3变频器II勺I/O端点连接

送PLC日勺变频器故障信号我们选择从Y3输出，Y3的内部功能设定选择为报警功能，变

频器发生指定的故障时输出信号。变频滞日勺输出电源接接触器，它给所有的工频回路的接

触器都提供电源信号，但是具体日勺哪一台接触器接通由PLC控制。变频器日勺输出端子（U,V,

2按对的的相序连接至交流接触器的输入电源端子上。如果电机旋转方向不对，则阐明连

接相序有错，则变化U、V,W中的任意两相的接线。变频器和电动机（水泵）间配线很长时,

由于线间分布电容产生较大的高频电流，也许导致变频器过电流跳闸.此外，漏电流增长,

电流值批示精度变差。对于木系统中的变频器，变撅器和电动机（水泵）之间的距离最佳小

于50米，如果配线很长时，则必须连接输出侧滤波器选件（0FL滤波器）。接线时尚有一点

需要注意的是，为了安全和减少噪声，变频器时接地端子G必须良好接地。为了避免电击

和火警事故，电气设备的金属外壳和框架均应按照国家电气规程规定接地。接地线要粗而

短，变频器系统应连接专用接地极，及不要和别的系统串联接地或共同接地（具体接法见

图3.3,在最后的程序中，因本人能力有限，故将报警装置清除，在实际应用中应当加入）。

采用变频器驱动异步电动机调速。在异步电动机拟定后，一般应根据异步电动机的额

定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运营中的电流值（最大值）来选择变频器。

当运营方式不同步，变频器容量欧I计算方式和选择措施不同，变频器应满足日勺条件也不同

样。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一种核心量，变频器的容量应按运营过程中

也许浮现的最大工作电流来选择。

该系统用一台变频器使多台电机并联运转，对于一台电机开始起动后，再追加投入其

他电机起动的场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电机将产生大的起动

电流，因此，变频器容量与同步起动时相比需要大些。

综合上面因素，我们选择佳灵JP6C-T9280系列变频器。性能见表3.1。

表3.1佳灵JP6C-T9280性能

型号JP6C-T9280JP6C-T9280

合用电机容量(kN)280

额定容量(KVA)400

额定电流(A)520

额定过载电流额定电流口勺150耨分钟

相数电压频率三相，380V至440V50Hz/60Hz

容许波动电压+10V-----------15%,频率±5%

310V以上可持续运营，电压从额定值降到310V如下时，继

抗瞬时电压减少

续运营15nls

最高频率50-4()0Hz可变设定

基本频率50-400HZ可变设定

启动频率0.5-60Hz可变设定

载波频率2-6KHz可变设定

冷却方式强制风冷

3.3压力传感器的选择

检测元件的精度直接影响系统的控制质量。一般可以选用多种压力传感器检测管网压

力。老式的压力传感器有运用弹性元件的，如电感压力传感器、电容压力传感器等。PMC系

列压力传感器的构造与之不同，属于一体化的高精度仪器。它采用电子陶瓷技术，测量元

件完全是固体形式。其工作原理是：使压力直接作用于电子陶瓷膜片，膜片浮现位移后所

产生口勺电容量被与其同体内电了元件检测、放大，最后转换成4--20n】A的原则信号输出。

PMC型传感器具有如下特点：

①具有相称强的抗冲击和抗过载能力，过压量达额定量程的百倍以上；

②由于压力测量元件中不采用老式的介质物质，因此，测量精度极高，且几乎不受温

度梯度的影响；

③采用脉冲频率调制方式传播信号，大大减少了现场干扰日勺影响，信号传播用一般导

线完毕，简朴以便;

④重量轻，体积小，安装维护非常以便。

我们选PMC133型压力传感器作为出水口端压力检测元件，检测泵出口附近管网内压力

作反馈信号，该元件可承受的相对压力最大测量范畴达0-40MPa,最小测量范畴为0-IkPa,

所需电源规定电压为12.5〜30V,精度±0.1%,压力传感器将出水口H勺压力信号线性转

换为4-20mADC原则信号送到PLC（在该系统中，我选用OTOOkPa）。

3.4水泵的选择

选用2种型号的水泵，小泵为常开泵（可以调节到工频），大泵只能在变频状态下工

作。

其中，小泵为Y355Ml-4,大泵为Y355-M2-4。参数见表3.2（按实际需要选用，我选了

2种比较常用的型号）。

表3.2水泵性能参数表

轴功率（清

转速流量扬程效率汽蚀裕量配带电机（Sm=1.2）

水）

Rpmm3/h1/sm%mkW型号kW

1100435.5121.063.750.04.0151.1Y355Ml-4/220kW

850511.0141.962.554.03.0161.1Y355M2-4/250kW

3.5鉴频鉴相问题

3.5.1大功率电机变频转工频存在的问题

大功率电机变频转工频工作原理如图3.4所示，KN1、KN2为交流接触器，M为

图3.4电机变频转工频原理图

水泵机。VVVF是变频器装置，BX、FWD、CM是变频器的外控端子，当FWD—CM接通时，电

机正转运营，当FWD—CM断开时，电机正转运营停止；当BX—CM接通时，变频器断开所

有输出，电机处在自由运转模式，变频器正常运转时，必需保证BX-CM断开。当KN1断

开，KN2吸合，水泵在变频器驱动下，从0Hz开始升频（这一过程称水泵电机软起动），

当变频器频率上升到50Hz后，如果系统水压仍旧达不到压力设定值时，自控系统将进行

水泵电机切换操作，断开KN2,吸合KN1,使电机直接接入电网电压下运营，变频器再对另

一台水泵电机实现软起动，并进行调速以保证系统水压稳定在设定值。

从上述过程可以看出，大功率电机变频转工频的问题和自耦降压起动有些许类似之

处，自耦降压起动是运用向耦变压器，使电机在低电压状态时起动，来达到减少起动电流

日勺目日勺；变频器拖动电机软起动时，起动电流也很小，两者在起动过程中，就减少电动机

起动电流的功能来说是相似的。但两者在接触器的切换过程中却存在本质的差别，当自耦

降压起动的转速接近额定值时，通过接触器的动作场除自耦变压器，切换过程前后电动机

口勺三相电源存在一致性，即切换前后加在电动机每一相电源电压尽管大小不等，但相位和

频率仍是一致的；而在变频转工频的过程中，由于变频器电压输出起始相位具有随机性，

它所输出的三相电源和工频电源并不一致，虽然变频器的输出电压频率等于工频电压频

率，它输出的三相电源和工频电源的初始相位也不一致。由于这种相位不一致导致了大功

率电机变频转工频的问题和自耦降压起动问题的本质不同，也直接导致大功率电机变频转

工频H勺复杂性。正是由于变频器电压输出起始相位具有随机性，变频器输出H勺三和电源和

工频电源的初始相位不一致，直接导致了电机切换时产生时瞬时电流具有随机性，有时会

远大于电机日勺额定电流，在现场生产中体现为电机H勺电流或电压过载，而使空气开关跳闸,

烧毁熔断器，严重时还会损坏电机设备。

变频器H勺输出切换问题，目前尚未得到足够的注重，在结识上还存在着某些误区：

种见解是将变频器当作一般日勺交流电源，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意

切换；另一种见解则觉得由于变频器自身口勺设计原理，是不容许变频器在运营中进行切换

口勺。这两种见解都不免有失偏颇，有关变频器在拖动系统应用的文章中，遇到变频器切换

问题时，不作具体描述；用简朴的一句“切换到电网运营”了之。虽然有些文章在切换问

题上进行了某些摸索，但也没有将这个问题的I本质揭示出来。

3.5.2鉴频鉴相器在大功率电机平稳切换中应用

针对上述问题，在理论分析的基础上，我们采用如下措施成功地解决了这一技术难题,

并且进行了工业实验。在变频转工频日勺过程中，引入鉴频鉴相控制器，对工频电源和变频

输出电源进行相位检测。当两者相位频率完全一致时，对电机实现从变频到工频运营的无

冲击切换。

1.鉴频鉴相控制器的选用鉴频鉴相控制器是采用单片机控制的智能相位频率跟踪控

制器，能精确跟踪变频器输入输出时相序、相位和频率，保证变频器输入输出相序、相位

频率一致时，对电机实现从变频到工频运营时无冲击切换。现场选用的鉴频鉴相控制器具

有相位跟踪精确，技术先进，工作可靠，能明显延长电控元件机电机水泵等设备日勺使用寿

命等特点。

2.鉴频鉴相控制器的工作原理

变频器的三相输入和三相输出作为智能控制器的输入信号，信号通过整形，放大电路,

以及频率、相位日勺跟踪电路解决，进入单片机。经由软件计算判断后，单片机发出指令完

毕相应欧I动作，在显示单元显示相应日勺输入输出频率，批示灯也批示各个状态。当变频器

输入输出相位、频率一致时，控制器可分别给出集电极开路输出信号（或继电器输出信号）;

当变频器输入输出缺相、反序时，控制器有故障代他和批示灯同步报警，顾客据此作相位

判断。

图3.5鉴频鉴相比较器和PLC扩展模块日勺接线图

当变频器输出频率达到50Hz时，先由鉴频鉴相控制器检测工频电源和变频电源相位

与否一致，若相位一致，EM235日勺AIW6端口接受控制器3、4端子的0V电压信号，经由

PLC比较计算，PLC执行一系列动作,M3.0闭合，BX-CM(K1)接通，切断变频器的输出，

使变频器的输出电流为零＜:经T33瞬间延时后，迅速切断KN2和变频器端子FWD-CM(K2),

在此状态下，切断KN2既保证了在切换时工频电源和变频电源相位一致，也从主线上消除

了接触器的触头间的电弧,然后再由PLC迅速发出命令，迅速吸合KN1,如此便实现了迅

速切换欧I目的I。若相位不一致，控制器在3、4端子输出+5V的电压信号，送入EM235的I

AIW6口，经PLC比较计算，并不完毕切换动作，从而保证变频器和水泵电机的安全运营。

3.6控制电路

由于控制电路图具有相似性，故只简介下面3个就能解释整个电路图。

尸El-2MlVFRUN

图3.6批示灯控制电路

如图3.7为1号水泵的变频工频切换电路。

当JNWT接通时，RJ2T导通，且JNV1不通，1号泵就会变频运营。其中，RJ2T为热继

电器，作为1号水泵过载保护。KN1、KN2作为自锁保护装置，当JNW1导通，则KN1得电，于

是下面的KN1常闭开关断路。反之KN2也同样。这样自锁能保证1号水泵只能工频变频选其

一.不会发生既连接了变频又连接了工频的错误。

KV2-1

ZDGZ-E

KV2-2

图3.8蝶阀控制电路

图3.8为1号蝶阀日勺开阀控制图，即当该电路得电时，蝶阀开阀。

JF1接通，且KV2-2ZDK2-1不得电时，蝶阀开始关阀。其中KV2T、KV2-2构成自锁装置,

使得蝶阀只能处在开阀和关阀中H勺一种状态。

4系统软件开发

本系统日勺程序开发重要是PLC日勺程序开发，我们采用的是根据系统日勺控制流程和控制

目的I,在计算机上先编辑好PLC软件，然后传给PLC的措施，所用软件是厂家提供的STEP

7-Micro/WIN32版。这是整个供水系统软件开发的重点，系统的重要功能实现和顺序控制

都依托于它，它的开发好坏直接影响对了整个控制系统的质量好坏和功能实现，下面就具

体论述。

4.1PLC编程简介

4.LIPLC应用的开发环节

PLC的应用设计，一般应按下述几种环节进行,具体流程见图4.1。

图4.1PLC应用的系统开发流程图

1.熟悉被控制对象

一方面要全面具体的理解被控对象的机械构造和生产工艺过程，理解机械设备的运动

内容、运动方式和环节，归纳出工作循环图或状态（功能）流程图。

2.明确控制任务与设计规定

要理解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间日勺关系和对电控系统的控制规定.例

如机械部件日勺传动与驱动，液压、气动的控制，仪表、传感器日勺连接与驱动等。归纳出电

气执行元件日勺动作节拍图C电控系统日勺主线任务就是实现这个节拍图。

以上两个环节得到的图、表，综合而完整的反映了被控对象H勺所有功能和对被控系统

的所有规定，是整个系统设计的根据，也是系统设计的目的和任务所在，必须仔细分析和

掌握。

3.制定电气控制方案

根据生产工艺和机械运动的控制规定，拟定电控系统日勺工作方式，例如全自动、半自

动、手动、单机运营和多机联线运营等。还要拟定电控系统应有时其他功能，例如故障诊

断与显示报替、紧急状况的解决、管理功能、联网通信功能等.

4.拟定电控系统日勺输入输出信号

通过研究工艺过程和机械运动的各个环节、多种状态、多种功能的发生、维持、结束、

转换和其他互相关系，来拟定多种控制信号和多种检测反馈信号、互相的转换和联系信号。

并且拟定哪些信号需要输入PLC,哪些信号需要PLC输出或者哪些负载要由PLC驱动，分类

记录出多种输入输出量的I性质与参数。

5.PLC日勺选型和硬件配备

根据以上的）各个环节所得到日勺成果，选择合适的IPLC型号井拟定多种硬件配备。本系

统选定了西门子公司H勺S7-200CPU226.

6.PLC元件欢J编号分派

对多种输入输出信号占用的PLC输入输出端点及其其他元件进行编号分派，并设计出

PLC的外部设计图口。

7.程序开发

用PLC厂家提供的专用软件包按照特定日勺规则，开发出梯形图程序或语句表程序。

8.模拟运营与调试程序

将开发好的程序传入PLC中，在逐条检查与验证，并修改开发时的语法、数据错误，然

后可以在实验室里进行模拟运营和调试程序，观测在多种也许状况下各个输入量、输出最

之间【付变化关系与否符合设计规定。发现问题及时修改开发和己传送到PLC中的内容，直

到完全满足工作循环图或状态流程图口勺规定。

在进行程序开发和模拟调试日勺同步，可以平行的进行电控系统的其他部分工作，例如

PLC外部电路和电气控制柜、控制台等的设计、装配、安装和接线工作.

9.现场运营调试

完毕以上多种工作后，即可将己初步调试好日勺程序传送到现场使用的PLC存储器中，

PLC接入实际输入信号和实际负载，进行现场运营调试，及时解决调试中发现的问题，直

到完全满足设计规定，即可交付使用。

4.1.2PLC的工作方式

PLC采用循环扫描口勺工作方式，其工作过程简图如图4.2所示。这个过程可分为内部解

决、通信服务、输入解决、程序执行、输出解决几种阶段，整个过程扫描一次所

内部解决f通信服务-输入解决—>程序执行—►输出解决

图4.2扫描过程

需的时间称为扫描周期。在内部解决阶段，PLC检查CPL•模块内部硬件与否正常，复位监视

定期器，以及完毕某些其他的内部解决。在图4.2扫描过程通信服务阶段PLC与带微解决器

口勺智能装置通信，响应编程器键入口勺命令，更新编程器的显示内容.在PLC处在停止运营

(STOP)状态时，只完毕内部解决和通信服务工作。在RUN时，要完毕所有的工作。

1.输入解决阶段

PLC在输入解决阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端日勺通/断状态，并以此状态存入

输入输出印象寄存器。接着转入程序的执行阶段。在程序执行时间，虽然输入输出状态发

生变化，输入输出印象寄存器H勺内容也不会发生变化，只有在下一种扫描周期的输入解决

阶段才干被读入。

2.程序执行阶段

PLC在程序执行阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令，从输入印

象寄存器和其他元件印象寄存器读出有关元件的通/断状态c

根据顾客程序进行逻辑运算，运算成果再存入有关的元件印象寄存器中。艮J对每个元

件来说，元件印象寄存器中的内容会随着程序的进程而变化。

3.解决阶段

在所有日勺指令执行完毕后，将输出印象寄存器(即Y寄存器)的通/断状态，在输出解决

阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子，向外输出控制信

号，这才是PLC的实际输出。

PLCMJ扫描既可以按照固定的顺序进行，也可以按顾客程序的指定的可变顺序进行。这

不仅由于有的程序不需要每扫描一次就执行一次，并且也由于在一种大的控制系统中要解

决的JI/O点数比较多，通过安排不同日勺组织模块，采用分时分批日勺扫描措施，可缩短循环

扫描日勺周期和提高系统控制日勺实时响应性。

顺序扫描的工作方式简朴直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠性运营提供了保障。

一方面，所扫描到的功能经解算后，其成果立即就可以被背面要扫描到H勺逻辑解算所运用；

另一方面，还可以通过CPU内部设定的监视定期器来监视每次扫描与否超过规定期间，诊

断CPU内部故隙。以避免程序异常运营而导致的不良影响。

由PLC的工作过程可见，在PLC欧J程序执行阶段，虽然输入发生了变化，输入状态寄存

器欧J内容也不会发生变化，要等到下一周期欧I输入解决阶段才干变变化.暂存在输出状态

寄存器中的输出信号，也需要等到一种循环周期结束后，CPU集中将这些输出信号所有输

送输出锁存器，这才成为实际的CPI•输出。因此，所有H勺输入、输出状态的变化，就需要

一种扫描周期。扫描周期是其一种比较重要的指标，一般为几毫秒至几卜毫秒.PLC扫描时

间取决于程序的长短和扫描速度。由于PLCFI勺输入解决阶段和输出解决阶段所需时间一般

很短，一般只要几毫秒。由止匕可见，PLC口勺扫描时间对于一般的工业设备(变化状态的时间

约为几秒以上)一般是没什么影响欧I。

4.1.3S7-200编程语言和程序构造

PLC为顾客提供了完整日勺编程语言，以适应编制颐客程序的需要。PLC提供日勺编程语

言一般有如下几种：梯形图、指令表、功能图和功能块图。

1.梯形图(LAD)

梯形图(LAD)编程语言是从继电器控制系统原理图口勺基础上演变而来的。PLC梯形图与

继电器控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和体现方式上有一定区别。

梯形图的I一种核心概念是“能流”(PowerFlow)o如果有“能流”从左至右流向线圈,则

线圈被鼓励。如没有，则线圈末被鼓励。“能流”以通过被鼓励(ON)时常开接点和未被鼓

励(OFF)时常闭接点自左向右流。“能流”在任何时侯都不会通过接点自右向左流。

在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈一般代

表逻辑“输出”成果，如灯、电机接触器、中间继电器等。对S7—200PLC来说，尚有一

种输出“盒”，它代表附加的指令，如定期器、计数器和功能指令等。

梯形图语言简朴明了，易于理解，是所有编程语言的首选。

2.指令表(STL)

指令表（STL）编程语言类似于计算机中口勺助记符语言，它是可编程控制器最基础的编

程语言。所谓指令表编程，是用一种或几种容易记忆向字符来代表可编程控制器的某种操

作功能。

3.顺序功能流程图（SFC）

顺序功能流程图（SFC）编程是一种图形化的编程措施，亦称功能图。使用它可以对具

有并发、选择等复杂构造的系统进行编程，许多PLC都提供了用于SFC编程日勺指令。

4.功能块图（FBD）

S7-200的PLC专门提供了FBD编程语言，运用FBD可以查看到像一般逻辑门图形的

逻辑盒指令。它没有梯形图编程器中日勺触点和线圈，但有与之等价日勺指令，这些指令是作

为盒指令浮现的，程序逻辑由这些盒指令之间的连接决定。也就是说，一种指令（例如AND

盒）的输出可以容许另一条指令（例如定期器），这样可以建立所需要日勺控制逻辑。这样的

连接思想可以解决范畴广泛的逻辑问题。FBD编程语言有助于程序流日勺跟踪，但在目前使

用较少。

在编程语言口勺选择上，具体是用梯形图编程还是语句表编程或使用功能图编程，这重

要取决于如下几点：

①有些PLC使用梯形图编程不是很以便，则可用语句表编程，但梯形图比语句表直观。

②经验丰富日勺人员可用语句表直接编程，就像使用汇编语言同样。

木课题中，选择用梯形图作为编程语言。

4.1.4编程软件基本功能

STEP7—Micro/WIN32日勺基本功能是协助顾客完毕开发应用软件口勺任务，例如创立顾

客程序、修改和编辑原有内顾客程序，编辑过程中编辑器具有简朴语法检查功能。同步它

尚有某些工具性的功能，例如顾客程序的J文档管理不加密等。此外，还可直接用软件设立

PLC的工作方式、参数和运营监控等。

程厅编辑过程中日勺语法检查功能可以提前避免某些语法和数据类型方面的错误。

梯形土中的错误处的下方自动加红色曲线，语句表中错误前有红色叉，且错误处日勺下

方加红色曲线。

软件功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在

离线工作方式下进行。

联机方式：有编程软件日勺计算机与PLC连接，此时容许两者之间做直接通信。

离线方式：有编程软件的J计算机与PLC断开连接，此时能完毕人部分基本功能。如编

程、编译和调试程序系统组态等。

两者的重要区别是：联机方式下可直接针对相连的PLC进行操作，如上装和下载顾客

程序和组态数据等；而离线方式下不直接与PLC联系，所有程序和参数都临时寄存在磁盘

上，等联机后再下载到PLC中。

4.1.5PLC接线图

芝变然静模黑星

题Mi(TI)

图4.3PLC接线图

如图所示，总共有24个输入数字量I/O口,其中的SANI、SAN2、SAN3、SAN4、SAN5、

SAN6为输入开关；总共有16个输出数字量I/O口,JNWkJNW2、JNV1.JNV2、JNV3、JNV4、

JFKJF2、JF3、JF4、JF5、JF6、JF7、JF8、FWD、BX为PLC控制的开关量。

PLC可以增长数字量输出扩展模块，如果该系统还要增长数字量输出的话，可以增长

一种模块。这样也吻合数字量输出I/O口要预留10-30%日勺条件。

EM235为模拟量输入输出模块，其中A+端、A-端接压力传感器，接受4-20mA电流信号，

进行模数转换，输入符合CPU原则规定日勺信号。B+端、B-端接变频器频率信号，接受0-5\,

电压，输入同样符合CPU原则规定的信号。C+端、C-端接鉴频鉴相比较器，信号只有0伏和

5伏两种状态，我仍然把他看作模拟量。当输入为0时，变频器的输出频率相位和电网的频

率相位一致，能进行工频转变频和变频转工频的切换。输出为5V时，不能进行工频转变频

或变频转工频时切换。

4.1.6恒压供水的工艺流程

系统开始运营之前，应先把管压参数SP赋给PLC。按下启动按钮，系统开始运营，PLC

给变频器FWD信号，然后判断变频器能否工作正常，正常的I话采用全自动变频恒压控制方

式。目前假设变频器工作正常，系统开始运营，水泵1变频零转速启动，待运转正常后压

力传感器开始采样，随着PLCH勺不断扫描，系统不断输入管压信号H勺采样成果，采样成果

通过模拟输入输出单元将模拟输入值转换为PLC可以接受的数字信号，与目的值作比较，

将偏差调节为零，也就是提高或减少水泵转速，使管网水压达到目口勺值。如果一台水泵额

定转速运营仍不能使管网水压达到设定值，将水泵1切换到工频态运营，延时后变频器的

控制对象切换到水泵2,同步保持水泵1维持工频运营，水泵2从零转速开始运营，过程

如上。泵3、泵4时工作状况也是如此。

在该种运营方式下，系统大部分时间是工作于其中一台泵变频运营进行微调，其他泵