技师案例分析案例四变频水泵恒压供水系统.ppt

1、技师案例分析 案例四 变频水泵恒压供水系统 电机学院 技师学院,一、系统的构成及工作过程,1.系统构成： 共三台水泵，用1台变频器驱动轮流工作，水泵的转速由变频器控制，水泵的切换用PLC控制。使用独立的PID调节器,压力给定信号在调节器面板中以键盘设置，供水管网中的压力通过压力变送器转换为420mA的电流信号反馈到PID调节器PXR-5中。压力给定信号（SV）与压力反馈信号（PV）进行比较后，其偏差值通过PID调节器进行处理。PID调节器的输出（420mA电流）作为变频器的频率给定信号以改变变频器输出频率。变频器工作在开环运行状态，水泵电动机的转速随频率给定而变化，从而实现压力的闭环控制。 同

2、时调节器、变频器还输出压力、频率等信号到PLC，让PLC根据压力和频率信号来决定对水泵电动机的开、关和切换，及对故障进行处理。,2.工作过程： 先启动一号泵作变频运行,电动机低速运行。当用水流量增加造成管网压力降低时，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。 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

3、出频率降低，二号泵转速下降。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。,二、变频器工作原理,采用三菱变频器（风机、水泵专用型）FR-F540，容量11kW ，电流23A。（电机为7.5kW，380V，15.4A） 。,（一）外接端子说明：,1、外接频率给定端变

4、频器可为外接频率给定提供+5V电源(端子10，负端为端子5)，信号输入端分别为端子2(电压信号)、端子4(电流信号)。,2、输入控制端STF正转控制端，ON时正转起动，OFF时停止；STR反转控制端，ON时反转起动，OFF时停止；RH、RM、RL多挡转速控制端，3个端子信号的组合可选择多种速度；MRS自由制动控制端，MRS信号保持ON状态20ms以上时变频器输出停止；RES复位控制端，RES信号保持ON状态0.1s以上然后断开，变频器复位；AU电流信号选择端，ON时变频器允许用4-20mA直流电流作频率给定信号；SD公共输入端子（漏型），也是24V电源（PC端子）的负极端。,3、继电器输出端由

5、A、B、C组成，C为公共端，A、C之间为常开触点，B、C之间为常闭触点。,4、变频器运行状态信号输出端 （集电极开路晶体管输出）RUN运行信号，变频器运行时有信号输出；SU频率到达信号，当变频器的输出频率达到某一设定值以上时，输出晶体管导通，输出低电平（SU=0）。该设定值用参数Pr.41设置为基频的百分数（0100）。在本系统中Pr.41=100，基频设为48Hz，则SU在f48Hz时有信号输出，作为频率上限信号；FU频率检测信号，当变频器的输出频率在设定值以上时输出晶体管导通，输出低电平（FU=0）；在设定值以下时输出晶体管截止，输出高电平（FU=1）。该设定值用参数Pr.42设置为某一频

6、率（0400Hz）。在本系统中Pr.42=15Hz，即FU在f15Hz时断开，作为频率下限信号。,5、频率测量输出端FR-F540系列变频器配置了两个测量运行参数的输出端，通过参数Pr.158的预置，可输出16种运行参数的测量信号，如Pr.158=1显示频率，Pr.158=2显示输出电流，Pr.158=3显示输出电压等。其中：FM数字量输出，接数字频率计等数字式仪表；AM模拟量输出，接010V电压表。 本系统中在AM端与5#端子之间接一电压表，表面画成频率刻度，并设置Pr.158=1，输出10V电压时对应的频率用参数Pr.55设为50Hz。,（二）变频器主要参数设置,l、上限频率（Pr.1）设

7、置变频器实际可输出的最高频率。（实际设置值Pr.1=50Hz） 2、下限频率（Pr.2）设置变频器实际可输出的最低频率。在供水系统中，转速过低，会出现水泵“空转”的现象。所以，本实例中下限频率定为15Hz。,3、基底频率（Pr.3）基底频率即基频，它用于将变频器输出电压和频率调整到电动机的额定电压和频率。本实例中电动机设计为升速至48Hz时切换到工频运行，因此将基底频率设置为48Hz。 4、起动频率（Pr.13）变频器开始启动时的输出频率（0.5Hz） 5、升速与降速时间（Pr.7与Pr.8）设为10秒 6、输出状态检测（Pr.41和Pr.42）上限频率信号SU用Pr.41设为基频的100%，

8、即48Hz下限频率信号FU用Pr.42设为15Hz。,7、继电器输出A,B,C端子功能选择（Pr.195）设置Pr.19599，选择为变频器故障时A、C间常开触点接通 8、AM端子功能选择（Pr.158）设置Pr.1581显示频率；相应地设置Pr.55=50Hz整定AM=10V时对应频率为50Hz 9、频率输入给定信号的设置（Pr.904，Pr.905）4-20mA电流对应输出频率的范围以参数Pr.904（频率设定电流偏置）和Pr.905（频率设定电流增益）来指定。4mA电流对应频率以Pr.904设置，20mA电流对应频率以Pr.905设置 本例中使用出厂设定值Pr.904=0Hz，Pr.90

9、5=50Hz。 10、电动机额定参数（Pr.80Pr.84）设置电动机额定容量、额定电压、额定频率、极数等参数,三、压力调控器PXR-5的应用,压力调控器选用的是日本富士公司生产的PXR5型微型数字温控表。PXR5型温控表虽然是为温度控制而设计的，但由于它具有丰富的控制、报警、通讯功能及简单方便的操作方法和直观醒目的数字显示，而且体积小(相当于一只中间继电器大小)、价格低，因此作为通用的PID控制器，在温度、压力、流量等控制系统中得到了广泛的应用。,（口试题4.4.1：分析压力调控仪的组成及各部分作用，并说明PID参数的作用分别是什么？） 压力调控仪是由数字式给定、测量值输入、比较环节、数字式

10、PID调节器、控制输出及报警处理等几部分构成的一个压力闭环调节器。其中数字量给定供操作者在调节器上设定压力期望值；测量值输入是把变送器输送的压力反馈信号经A/D转换为数字量后输入到调节器；比较环节是把给定值与测量值进行比较后产生压力偏差信号； PID调节器对压力偏差进行PID计算处理；控制输出是把PID处理结果(即控制量）经D/A转换为420mA电流后输出到执行机构；报警处理环节是根据所设置的报警方式、报警值及压力测量值进行判断，并输出报警信号。 PID参数的作用参见教材下册P349,压力调控仪的组成,压力调控仪的工作原理是：当压力给定值和压力反馈值存在偏差时，通过PID调节器进行处理,使调节

11、器输出的控制信号的大小发生变化，通过变频器来调节电动机转速, 从而使管网压力调整到设定值。（无偏差时，调节器的输出保持为偏差为零之前瞬间的输出值不变。）,1、接线：（口试题4.4.1：分析供水系统控制电路电气原理图中的有关电路，说明压力调控仪是怎样接线的，各端子分别连接到什么部件上，起什么作用？） 电源输入（11#，12#）供给调节仪电源AC100V240V 测量信号输入（35#，36#）把压力变送器来的420mA电流信号作为压力反馈信号输入到调节仪，要并接1个250电阻。 控制输出（31#，32#）把PID调节器输出的控制量变换为420mA电流后从控制输出端输出，接到变频器作为频率给定信号。

12、 报警输出AL1（7#，8#）继电器常开触点，接到PLC作为报警信号,压力变送器采用宝鸡华水自动化工程有限公司生产的HSA变频专用压力变送器，型号为PB-DA-2YA，量程为01.0MPa，安装在水泵出水口的管道上，管网压力通过压力变送器输出4-20mA电流信号送到PXR5的输入端，作为反馈值。,分析P352图32-10中调节仪的接线,2、参数设置 PXR5调节器的参数分为三组，可以根据不同要求分别设置。操作面板上有3个键：SEL、，其中SEL是选择键，用于选择参数组、确认参数值的读入和修改及返回工作状态；和键为增大和减小键，用于选择参数及改变参数值。 按住SEL键保持1秒（或2秒、3秒），就

13、可分别进入第一组（或第二组、第三组）参数的设定状态，使用或键可以在本组参数中选择需要设置的参数并进行修改。当该组参数设置完成后，按SEL键2秒钟，就可返回工作状态。,显示面板上， PV为输入测量值，实时显示从压力变送器输入到PID调节器的实际压力值； SV为压力给定值，可以随时用操作面板上的或键直接进行修改，修改后等3秒钟该给定值即自动保存。,本例中需设置的参数： （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=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。,（2）报警动作模式

14、ALM1（第二组）及报警动作值参数AL1、A1-L、A1-H（第一组） 应先用报警动作模式ALM1设置报警类型，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。,报警代码分为标准报警代码和双报警代码。 标准报警代码超过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一定的偏差时报警输出触点接通（偏差报警模式）。 双报警代码超过高限或低限时（高/低限报警模式）或超出SV的上、下偏差时（带报警模式）报警触点动作。 标准报警模式中只用到AL1一个参数，而双报警模式要用到参数A1-L和A1-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

15、，故设置参数ALM1=5。然后设定偏差值AL1=10（10%），即报警输出动作是在实际管网压力（PV值）超出给定值SV的10%时发生。 （P373-P376表32-7中）,（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 PID自整定方式。 本例选用PID控制方式，因此设置CTrL=PID。设置CTrL=PID后应继续设置P、I、D参数值（第二组）。,PID作用：PID参数影响系统的稳定性及调节精度。 比例调节(P)是一种最简单的控制方式，其输出与输入偏差信号成比例关系。系统一旦出现了偏差，比例环节就立即进行反应来减少偏差。比例调节的作用设置得越大，调节的速度就

16、越快，但比例作用过大时，会使系统的稳定性下降。只采用比例调节时系统的输出将存在稳态误差。,积分调节(I)用于消除系统中的稳态误差，它的输出与输入偏差信号的积分成正比关系。加入积分调节能保证系统的静态精度，但积分作用会使得系统的动态响应变慢，若参数选择不当会影响系统的稳定性。 微分调节(D)主要反映系统偏差信号的变化率，控制器的输出与输入偏差信号的变化率成正比关系。适当使用微分，能够减小被控量的超调。,需注意的是，在专用的PlD调节器中，比例增益的大小常常是通过“比例带”来进行调节的。 所谓比例带，就是按比例放大的区域，用P表示(等于Kp的倒数)，即。比例增益Kp越大，而对应的比例带(P)却越小

17、，调节作用响应快，但不易稳定，超调量大。,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。,（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。 本例中用420mA直流电流输入，因此设置P-n2=16。（P372-P373表32-6）,（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量程的1%。由于输入电流是由压力变送器输出的，

18、压力变送器量程为01Mpa，对应输出420mA电流，则量程的1%就对应0.01Mpa。 而压力值1Mpa对应为10.204kg/cm2，则0.01Mpa就近似为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，便于操作者的理解。,（6）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。

19、 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%。,四、PLC控制程序的编写,（一）PLC的I/O分配,（口试题4.4.3：根据变频水泵恒压供水的工艺要求，了解电动机的起动、停止、自动与检修如何实现？电控箱控制面板上的主令电器及控制箱内的选择开关应如何操作？监视装置应怎样动作？在此过程中，压力调控仪和变频器应如何控制。）,（二）水泵的启动/停止、手动/自动及检修,根据恒压供水的工艺要求，水泵电动机由变频器驱动，根据压力调控仪的控制输出来改变水泵电动机的转速，从而调节管网压力，使压力恒定。 启动前，电控箱内检修开关S01置于工作位置

20、，220V电源接到PLC输出公共端，所有断路器QF接通。控制面板上选择开关S02置于自动位置（ON）。PLC电源接通开始运行（RUN），对变频器复位。 按下启动按钮SB1，由PLC控制接通变频器电源接触器KM10和变频器输出接触器KM1，然后将变频器正转启动。此时压力调控仪按照所设置的给定值进行控制，输出420mA电流作为变频器的频率给定信号，而变频器设为由模拟量控制（电流），变频器的输出频率跟随调节器的控制输出而变化，启动时频率开始升高，1#水泵电机随之启动升速，管网压力也随之增大，直到管网中压力（调节器屏幕上PV值）达到给定值（SV值）后保持稳定。以后即根据用水量的变化对压力随时进行自动控

21、制，达到恒压供水的要求。 在压力调节过程中，若变频器输出频率在下限频率之下，下限检测信号FUOFF，在下限频率之上则FU=ON；当变频器输出频率上升到最高频率（48Hz）时，发出上限频率检测信号SU=ON。压力调节器检测到压力测量值达到给定值的110%时压力报警信号AL1ON。,停止时，按停止按钮SB2，由变频器控制所有输出全部OFF，变频器电源也切断（KM10断电），水泵电机停止，以惯性停车。 检修时应在系统处于停止状态下进行切换，将控制柜面板上选择开关S02置于手动位置，以使PLC不再自动输出，变频器停止工作，接触器KM1 KM3 全部切断，使3台水泵电机与变频器脱离连接；控制柜内检修开关

22、S01置于检修位置，使220V电源可通过手动操作开关送到接触器KM11KM13的线圈。操作控制柜面板上的3个水泵电机手动开关SA1 SA3，即可相应地使1# 3#水泵电机通过KM11 KM13的主触点接到电网上以工频运转。检修时压力调控器的控制输出不起作用（变频器不工作），管网压力仍然可通过变送器送到压力调控器，在屏幕上显示过程值PV，起到压力监视作用。,（口试题4.4.3：结合电气原理图和梯形图，说明如何控制电动机起动、停止、故障、自动与手动控制等程序，说明其是如何实现变频水泵恒压供水的工艺要求的）,上电时，输出Y0，对变频器复位2S（用M10自保，2S后切断）。 按启动按钮X0，在复位已完

23、成、变频器无故障时输出Y5，接通变频器电源KM10，在选择开关S02为“自动”（ON）的情况下进入步进初始状态S1，先接通Y6（KM1）使1#泵电源由变频器提供，再延时1S后输出Y4，即KA1ON，变频器正转启动（STF=ON，MRS=OFF）。以后就自动根据压力情况对水泵进行控制，当管网压力小于给定时，调节器输出的控制电流增大，变频器转速提高，使供水压力增大；当管网压力大于给定时，调节器输出的控制电流减小，变频器转速降低，使供水压力减小，从而达到恒压供水的要求。,按停止按钮X1，切断Y5自锁，即断开变频器电源，同时退出步进流程，将所有状态元件复位，停止所有水泵电动机的运行。 变频器发生故障时

24、，变频器的报警输出继电器触点A、C接通，PLC输入继电器X2接通，除了进行与停止时相同的操作之外，还输出Y14进行声光报警。 在手动检修时，将选择开关S02转为OFF（手动状态），则程序与停止时进行同样的操作，即退出步进流程，停止所有泵的运转，切断变频器电源。然后将检修开关S01转到检修位置，PLC输出端子的电源全部切断，由手动操作开关SA1、SA2、SA3分别接通接触器KM11、KM12、KM13以选择1#、2#、3#泵通电运行。,（口试题4.4.4：根据变频水泵恒压供水系统的工艺流程，了解三台水泵应如何轮流切换工作？在水泵电动机由变频运行切换到工频运行时需要什么信号？这些信号从何而来？切换

25、过程中变频器应如何控制？ ）,（三）3台水泵的切换,三台水泵应如何轮流切换工作： M0 M1 M0 M1 M0 1#变频 1#工频 2#变频 2#工频 3#变频 3#工频 2#变频 3#变频 1#变频 M1,在水泵电动机由变频运行切换到工频运行时需要什么信号？这些信号从何而来？ 切换信号： M0从变频切换到工频信号（1台泵变为2台泵）。频率到上限但压力仍不够时产生，SU由变频器提供，AL1由压力调控仪提供。 M1切除工频泵信号（2台泵变为1台泵）。频率到下限但压力仍太高时产生， FU由变频器提供，AL1由压力调控仪提供。,切换过程中变频器应如何控制？,在1台泵切换到2台泵时，先要将原来变频运行

26、的泵切换到工频，然后再启动另一台水泵；而在2台泵切换到1台泵时，只要将原来工频运行的泵从电网上切除即可。 在1台泵变频运行时，当切换信号M0发出后，首先使变频器停止运行，同时使变频器的“禁止输出”控制变为使能，水泵电动机以惯性运行。然后将水泵电机连接到变频器的接触器断开，再将水泵电机连接到电网的接触器接通，则原来变频运行的电动机被切换到工频运行。 经过一段延时后使变频器的输出频率从切换时的上限频率（48Hz）按“下降时间”降落到“下限频率”（15Hz）左右），再将另一台水泵电机与变频器连接的接触器接通，再重新启动变频器。 在2台泵同时运行时，当切换信号M1发出后，直接将处于工频运行的那台泵与电

27、网连接的接触器断电使其停车即可。,（口试题4.4.4：分析电气原理图和梯形图中有关程序，说明从变频到工频及从工频到变频的切换过程。）（1）切换信号的产生及延时的作用： 切换信号M0、M1由变频器提供的频率上限、下限信号SU、FU及压力调控仪提供的压力超限报警信号AL1来确定。 产生切换信号的条件为： 切换信号M0、M1从满足切换条件到发出切换信号要延时10S，在这10S中若切换条件不符合了就撤销计时，以避免频繁切换水泵；,（2）1台泵切换到2台泵的过程： M0信号发出后，立即进入下一状态，切断Y4（KA1），使变频器一方面停车，内部输出电压和频率按下降时间减小；另一方面禁止输出，使电动机按惯性

28、自由减速不至于降速太快，避免在切换到工频时产生较大的冲击电流。 延时1S后断开变频器与电动机之间的接触器，接通电动机与电网之间的接触器，使电动机为工频运行。进入下一状态。 再延时5S使变频器内部的输出电压和频率足以下降到零后接通下一台泵与变频器之间的接触器，再延时1S后输出Y4，接通KA1启动变频器，下一台泵为变频运行。,（3）2台泵切换到1台泵的过程：M1信号发出后，立即进入下一状态，切断工频运行的泵，变频运行的泵仍继续运行。,（四）PLC程序设计步骤,（口试题4.4.2：结合本案例具体说明PLC程序设计有哪些步骤？） 程序设计的基本步骤如下：1.了解系统的工艺要求和基本流程； 2.确立控制

29、方案； 3.系统设计(系统工艺流程图、语句表、梯形图等)； 4.程序调试及修改等,具体说明： 1、了解系统的工艺要求和基本流程 控制对象：3台水泵电动机 控制要求：保持水压稳定（用水量大时水压会减小，应使水泵转速升高，如1台泵不够则再加一台泵；用水量小时水压会增大，应使水泵转速降低，如2台泵太多则减去一台泵） 控制流程：3台泵轮换工作,2、确立控制方案 系统应闭环运行，要使压力恒定则应使用压力的反馈控制。 反馈信号用压力变送器，采用420mA电流信号送到调节器以提高抗干扰能力； 用压力调控器作为独立的PID调节器以方便操作，给定量由调节器面板设置，调节器输出以420mA电流信号送到变频器作为频率给定信号； 执行部件变频器为开环运行，按调节器来的频率给定信号输出相应频率的变频电源到水泵电动机以改变水泵的转速，从而对水压进行自动调节。 由PLC实现3台水泵的启动、停止和切换,3、系统设计 PLC选型：需7点输入，10点输出，输出端要驱动接触器，无特殊功能要求。考虑留一定裕量和经价格比较，选继电器输出的三菱FX2N-48MR； I/O分配；表32-8 画电路图；图32-10 画控制流程图；