基于PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

1、湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院（2010屆）?？飘厴I(yè)設(shè)計（論文）plc的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)學(xué) 院（部）： 電氣與信息工程系 專 業(yè)： 機電一體化 學(xué) 生 姓 名： 董勇 班 級：機電0723 學(xué)號 29 指導(dǎo)教師姓名： 袁川來 職稱 講師 最終評定成績 摘 要隨社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，利用先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。本設(shè)計是針對居民生活用水而設(shè)計的。由變頻器、plc、pid調(diào)節(jié)器和組成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。電動機泵組由三臺水泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，

2、根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動機泵組的速度和切換，使系統(tǒng)運行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。 本文介紹了采用plc控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由plc進行邏輯控制，由變頻器進行壓力凋節(jié)。在經(jīng)過pid運算，通過plc控制變頻與工頻切換，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓變量供水。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等特點。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 ；恒壓供水；pid調(diào)節(jié)；plcabstractwith the rapid development of social economy； it demands the better of water supply s quality and reliab

3、ility of water supply system. meanwhile energy resources are seriously lack. so it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well， with help of advanced technique of automation， control and communication. at the same time this system can adapt d

4、ifferent water supply fields.it is very important of the water supply system in constant pressure for the water supply in industrial and citizen existence. it is consist of the variable frequency and speed regulation， plc， pid control system for the control system. it controls the outcome of the pum

5、ps. the generator pumps are consist of parallel three pumps， and the power come from variable frequency and speed regulation or power grid. according to the water supply of constant pressures outcome water press and flux， the control system control the variable frequency and speed regulation， parall

6、el pumps speed and cut over， cause the system move in the best rational situation， assure according to wants supply water. this design has many merits such as save energy.in this paper，the control principle of vvvf providing-water system is introduced，we use plc to carry on logic control and use inv

7、erter to modulate pressurethrough pid control principle .we realize closed-loop control in vvvf providing-water systemthe result indicates that the system has the stable pressure，simple structure，and reliable workkeywords： variable frequency and speed regulation；water supply of constant pressure；pid

8、 control system；plc 目錄摘 要1abstract21 緒論11.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義11.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀31.3課題來源及本文的主要研究內(nèi)容51.4本論文中所做的工作52 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成63 變頻器和壓力傳感器83.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)83.2 變頻器的分類及工作原理113.3 變頻器的操作方式及使用123.4 變頻器硬件選擇133.5 壓力傳感器144 plc選擇及應(yīng)用164.1 plc在恒壓供水泵站中的主要任務(wù)164.2 plc模擬量擴展單元的配置及應(yīng)用164.2.1 模擬量輸入模塊的功能及與plc系統(tǒng)的連接.174.2.2 模擬量輸

9、入模塊緩沖存儲器（bfm）的分配184.2.3 模擬量輸出模塊的功能及plc系統(tǒng)連接204.2.4 模擬量輸出模塊的偏置、增益及分配215 pid控制器的設(shè)計225.1 pid控制算法及特點235.2 pid參數(shù)整定的相關(guān)原則255.3 pid指令的使用注意事項265.4 pid回路類型的選擇265.5 正作用或反作用回路276 系統(tǒng)的設(shè)計286.1 系統(tǒng)要求286.2控制系統(tǒng)的i/o及地址分配286.3 plc系統(tǒng)選型306.4 電氣控制系統(tǒng)原理圖306.4.1主電路圖306.4.2 控制電路圖326.5 系統(tǒng)程序設(shè)計336.5.1由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理346.5.2 多泵組泵

10、站泵組管理規(guī)范346.5.3系統(tǒng)流程圖設(shè)計346.5.4程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn)366.5.5系統(tǒng)的運行分析38致謝391 緒論隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控;同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面

11、具有重要的現(xiàn)實意義。1.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使水管爆破和用水設(shè)備的損壞。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式。以下就逐一分析。1、一臺恒速泵直接供水系統(tǒng)這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用

12、戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。2、恒速泵加水塔的供水方式這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效區(qū)。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開、停時間比、開、

13、停頻率等有關(guān)。供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大;水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠期的需要;而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。3、恒速泵加高位水箱的供水方式這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設(shè)立水箱。占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但這對建筑物的造價與設(shè)計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍

14、較小。一些動物甚至人都可能進入水箱污染水質(zhì)。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開、停，將完全由人操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。4、恒速泵加氣壓罐供水方式這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進入而被污染的可能性。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時，供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費。同時

15、水泵是工頻率啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。頻繁啟動會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。5、變頻調(diào)速供水方式這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定壓力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、壓頻

16、比控制及各種保護功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本samc。公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式

17、”兩種模式。它將pid調(diào)節(jié)器和plc可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)plc和pid等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如ba系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(pl

18、c)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn);有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。艾默生電氣公司和成都希望集團(森蘭變頻器)也推出恒壓供水專用變頻器(5。5kw-22kw)，無需外接plc和pid調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 可以看出 ，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場

19、合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(emc)，的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐。1.3課題來源及本文的主要研究內(nèi)容1、課題來源本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實際應(yīng)用。2、研究的主要內(nèi)容本系統(tǒng)是三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)，變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、壓力傳感器組成。本文研究的目標(biāo)是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以生活供水和消防供水的雙用供水系統(tǒng)。1.4本論文中所做的工

20、作根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計出滿足要求的恒壓供水系統(tǒng)，對plc、變頻器、壓力傳感器進行選型，根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計出能滿足控制要求的控制電路和控制程序。2 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 恒壓供水泵站一般需沒多臺水泵及電機，這比沒單臺水泵及電機節(jié)能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費的電機選小了用水量大時供水會不足。而且水泵與電機都有維修的時候，備用泉是必要的。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機供電。這也有兩種配置方案，一是為每臺水泵電機配一臺變頻器，這當(dāng)然方便，電機與變頻器間不須切換，但購變頻器

21、的費用較高。另一種方案是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行。其余水泵工頻運行，以滿足不同用水量的需求。 圖2-1為恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低：用水量小plc送水消防生活變頻器工頻/變頻切換電路1號泵2號泵3號泵壓力罐壓力傳感器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。圖2-1 恒壓供水系統(tǒng)示意圖fig2-1 constant pressure water supply system schematic drawing調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，

22、在系統(tǒng)中完成以下幾種功能：(1) 設(shè)定水管壓力的給定值。恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。 供水距離越遠，用水地點越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。給定值即是系統(tǒng)正常工作時的恒壓值。另外有些供水系統(tǒng)可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一個泵站，水壓的設(shè)定值可能不止一個，一般消防用水的水壓要高一些。量進行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。 (2)接收傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實測值。管網(wǎng)實測水壓回送到泵站控制裝置成為反饋，調(diào)節(jié)器是反饋的接收點。 (3)根據(jù)結(jié)定值與實測值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號。調(diào)節(jié)器接收了水壓的實測反饋信號后，將它與結(jié)定值比較，得到給定值與實測值之差。如給定位大于

23、實際值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉(zhuǎn)速如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉(zhuǎn)速。這些都由調(diào)節(jié)器的輸出信號控制。為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器工作中還有個調(diào)節(jié)規(guī)律問題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例-積分-微分調(diào)節(jié)，俗稱pid調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如p、i、d參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的。pid調(diào)節(jié)過程視調(diào)節(jié)器的內(nèi)部構(gòu)成有數(shù)字式調(diào)節(jié)及模擬量調(diào)節(jié)兩類，以微計算機為核心的調(diào)節(jié)器多為數(shù)字式調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)器的輸出信號一船是模擬信號，420ma變化的電流信號或010v間變化的電壓信號。信號的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅(qū)動執(zhí)行設(shè)備工作。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器

24、。3 變頻器和壓力傳感器交流變頻器是微計算機及現(xiàn)代電力電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計算機是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成了變頻器的主電路。大家都知道，從發(fā)電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒50hz。而交流電動機的同步轉(zhuǎn)速。 式中-同步轉(zhuǎn)速，r/min； -定子頻率，hz； -電機的磁極對數(shù)。而異步電動機轉(zhuǎn)速式中-異步電機轉(zhuǎn)差率，一般小于3%。均與送入電機的電流頻率/成正比例或接近于正比例。因而，改變頻率可以方便地改變電機的運行速度，也就是說變頻對于交流電機的調(diào)運來說是十分合適的。3.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)從頻率變換的形式來說變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交

25、流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電又稱間接式變頻器。市售通用變頻器多是交-直-交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，控制指令中間直流環(huán)節(jié)ac控制指令控制指令網(wǎng)側(cè)變流器整流器逆變器acm運行指令圖3-1 交-直-交變頻器的基本結(jié)構(gòu)fig3-1 the basic structure of tac-straight-cycloconverter由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下： (1)整流器。電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，它的作

26、用是把三相(也可以是單相)交流整流成直流。(2)直流中間電路。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質(zhì)量較高的直流電源。由于逆變器的負(fù)載多為異步電動機，屬于感性負(fù)載。無論是電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)其功率因數(shù)總不會為1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件(電容器或電抗器)來緩沖。所以又常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。 (3)逆變器。負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率及電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。(4

27、)控制電路。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制及完成各種保護功能。控制電路是變頻器的核心部分性能的優(yōu)劣決定了變頻搏的性能。電源m電動機平滑電容+-m電動機平滑電感電源（a）（b） 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成直流中間電路的儲能元件在整電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大容量的電感。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路。逆變電路最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用6個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的

28、通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出?，F(xiàn)代變頻器控制電路的核心器件是微型計算機，全數(shù)字化控制為變頻器的優(yōu)良性能提供了硬件保障 。圖3-2為電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-2 電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu)(a) 電壓型變頻器主電路；(b)電流型變頻器主電路fig2-3 voltage frequency changer and currentmode frequency changer main circuit basic structure(a) voltage frequency changer main circuit；(b) current mode frequen

29、cy changer main circuit3.2 變頻器的分類及工作原理變頻器的較詳細的工作原理還與變頻器的工作方式有關(guān)，通用變頻器按工作方式分類如下： （1）控制?？刂萍措妷号c頻率成比例變化控制。 由于通用變頻器的負(fù)載主要是電動機，出于電動機磁場恒定的考慮，在變頻的同時都要伴隨著電壓的調(diào)節(jié)?？刂朴捎诤雎粤穗妱訖C漏阻抗的作用，在低頻段工作特性不理想。因而實際變頻器中采用控制。采用控制方式的變頻器通常被稱為普通功能變頻器。（2）轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制是在控制基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)差控制的一種控制方式。從電動機的轉(zhuǎn)速角度看，這是一種以電動機的實際運行速度加上該速度下電動機的轉(zhuǎn)差頻率確定變頻器的輸出頻

30、率的控制方式。更重要的是，在=常數(shù)的條件下，通過對轉(zhuǎn)差率的控制，可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的控制。采用轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器通常屬于多功能型變頻器。（3）矢量控制。矢量控制是受調(diào)速性能優(yōu)良的直流電動機磁場電流及轉(zhuǎn)矩電流可分別控制啟發(fā)而設(shè)計的一種控制方式。矢量控制將交流電動機的定子電流采用矢量分解的方法，計算出定子電流的磁場分量及轉(zhuǎn)矩分量，并分別控制，從而大大提高了變頻器對電動機轉(zhuǎn)速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的變頻器通常稱為高功能變頻器。通用變頻器按工作方式分類的主要工程意義在于各類變頻器對負(fù)載的適應(yīng)性。普通功能型變頻器適用于泵類負(fù)載及要求不高的反抗性負(fù)載，而高功能變頻器可適用于位能性負(fù)載。3.

31、3 變頻器的操作方式及使用 和plc一樣，變頻器是一種可編程的電氣設(shè)備。在變頻器接入電路工作前，要根據(jù)通用變頻器的實際應(yīng)用修定變頻器的功能碼。功能碼一般有數(shù)十甚至上百條， 涉及調(diào)速操作端口指定、頻率變化范圍、 力矩控制、系統(tǒng)保護等各個方面。功能碼 在出廠時已按默認(rèn)值存儲。修訂是為了使 變頻器的性能與實際工作任務(wù)更加匹配。 變頻器與外界交換信息的接口很多，除了主電路的輸入與輸出接線端外，控制電路還設(shè)有許多輸入輸出端子，另有通信接口及一個操作面板，功能碼的修訂一般就通過操作面板完成。變頻器的輸出頻率控制有以下幾種方式：（1）操作面板控制方式。這是通過操作面板上的按鈕手動設(shè)置輸出頻率的一種操作方式。

32、具體操作又有兩種方法，一個按面板上頻率上升或頻率下降的按鈕調(diào)節(jié)輸出頻率，另一個方法是通過直接設(shè)定頻率數(shù)值調(diào)節(jié)輸出頻率。（2）外輸入端子數(shù)字量頻率選擇操作方式。變頻器常設(shè)有多段頻率選擇功能。各段頻率值通過功能碼設(shè)定，頻率段的選擇通過外部端子選擇。變頻器通常在控制端子中設(shè)置一些控制端，如圖4端子x1、x2、x3，他們的7種組合課選定7種工作頻率值。這些端子的接通組合可通過機外設(shè)備，如plc控制實現(xiàn)。(3)外輸入端子模擬量頻率選擇操作方式。為了方便與輸出量為模擬電流或電壓的調(diào)節(jié)器、控制器的連接，變頻器還設(shè)有模擬量輸入中的端，如圖3-4中的c1端為電流輸入端，端為電壓輸入端，當(dāng)接在這些端口上的電流或電

33、壓量在一定范圍內(nèi)平滑變化時，變頻器的輸出頻率在一定范圍內(nèi)平滑變化。(4)通信數(shù)字量操作方式。為了方便與網(wǎng)絡(luò)接口，變頻器一般都設(shè)有網(wǎng)絡(luò)接口，都可以通過通信方式接 收頻率控制指令，不少變頻器生產(chǎn)廠家還為自己的變頻器與plc 通信設(shè)計了專用的協(xié)議。3.4 變頻器硬件選擇 根據(jù)設(shè)計要求，變頻器選用日本安川變頻器cimr-p5a45p5產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以和三菱plc工作協(xié)調(diào)。變頻器選用日本安川變頻器cimr-p5a45p5產(chǎn)品，適配電機15 kw，該變頻器基本配置中帶有pid功能。通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的壓力信號(010 v)接至變頻器的輔助輸入端fi、fc，作為壓

34、力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上。m1、m2為變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號端，該信號進plc，作為泵變頻與工頻切換的控制信息之一，變頻器的極限輸出頻率通過面板可以設(shè)定。ma、mc為變頻器發(fā)生故障的輸出信號，該兩端連接信號燈，以顯示變頻器故障，變頻器面板上有故障復(fù)位按鍵，輕故障用復(fù)位按鍵復(fù)位，可重新啟動變頻器。s1和s2短接，并與s3連接到plc的輸出點上，由plc控制變頻器的運行與關(guān)斷；u、v、w輸出端并聯(lián)三個接觸器分別接m1、m2、m3泵電機，變頻器可分別驅(qū)動三臺泵，另外這三臺泵電機還通過另外三個接觸器并聯(lián)到工頻電源上，這

35、6個接觸器線包連接到plc的四個輸出點上，由plc控制其工頻、變頻切換工作。通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作為壓力給定值(14端)，壓力傳感器反饋來的壓力信號(010v)接至變頻器端子的7端、8端，作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速。變頻器端子的19端和20端是傳感器壓力設(shè)定的上、下限值，該信號進plc，作為工頻切換的控制信息，由plc控制水泵的工頻或變頻運行。變頻控制系統(tǒng)主回路如圖6-2所示。變頻器有2個作用，一是作為電機的軟起動裝置，限制電動機的啟動電流；二是改變異步電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水。下圖3-3為日本安川變頻器cimr-p5a45p5在電路中的

36、接線圖。r s ts1 us2 vs3 w vvvffifcm1 m2 m3 m4接plc接plc 接指示燈接電機380v78圖3-3 日本安川變頻器cimr-p5a45p5在電路中的接線圖fig 3-3 japans converter cimr-p5a45p5yasukawa in the circuit in the wiring diagram3.5 壓力傳感器在智能系統(tǒng)中檢測是非常重要的一部分，它將檢測到控制量反饋給系統(tǒng)，才能實現(xiàn)自動控制，給系統(tǒng)所用的檢測的是水壓，這個系統(tǒng)中選用壓力傳感器，它的作用是通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成420ma變化的電流信號或010

37、v間變化的電壓信號的標(biāo)準(zhǔn)信號送入plc的端口進行pid調(diào)節(jié)，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得出一個調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時，通過plc控制切換器進行加減泵。根據(jù)用水量的大小由plc控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統(tǒng)的正常供水。供水系統(tǒng)的壓強是，下面單位都是估計標(biāo)準(zhǔn)單位，g=9.8，一般情

38、況下，h60米，所以本系統(tǒng)供水系統(tǒng)輸出壓力一般小于或等于0.6mpa，系統(tǒng)選用ytz-150型帶電接點式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為01mpa，檢測精度為土0.01mpa，該傳感器將01mpa范圍的壓力對應(yīng)轉(zhuǎn)換成010v的電信號。該傳感器還具有體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特點。4 plc選擇及應(yīng)用4.1 plc在恒壓供水泵站中的主要任務(wù) (1)代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字式pid調(diào)節(jié)一只傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器往往只能實現(xiàn)一路pid設(shè)置，用plc作調(diào)節(jié)器可同時實現(xiàn)多路pid設(shè)置在多功能供水泵站的各類情況中pid參數(shù)可能不一樣，使用plc作數(shù)字式調(diào)節(jié)器就十分方便。 (2

39、)控制水泵的運行與切換。在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻地磨損，水泵及電機是輪換工作的。在設(shè)單一變頻器的多泵組泵站中，如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵，主泵也是輪流擔(dān)任的。主泵在運行時達到最高頻率時。增加一臺工頻泵投入運行plc則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。 (3)變頻器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采plc的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端接受傳感器送來的模擬信號。輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)pid處理后得出的模擬量控制信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。 (4)泵站的其他邏輯控制。除了泵組的運行管理工作外，泵站還有許多邏輯控制工作，如手動、自動

40、操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等，這些都可以在plc的控制程序中安排。4.2 plc模擬量擴展單元的配置及應(yīng)用 plc的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，為了使plc能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式plc加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可將外部模擬量轉(zhuǎn)換為plc可處理的數(shù)字量及將plc內(nèi)部運算結(jié)果轉(zhuǎn)換為機外所需的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨用于數(shù)/模轉(zhuǎn)換的，也有兼具模/數(shù)及數(shù)/模兩種功能的。以下介紹三菱fx系列plc的模擬量模塊以及，它們分別具有fx-4ad及fx-2da，它們分別具有4路模擬量輸入及2路模擬量輸出，可以用于恒壓供

41、水控制中。 4.2.1 模擬量輸入模塊的功能及與plc系統(tǒng)的連接 fx-4ad 4模擬量輸入模塊具有4個通道，可同時接受并處理4路模擬量輸入信號， 最大分辨率為12位。輸入信號可以是-10+10v的電壓信號（分辨率為5mv），也可以420mv（分辨率為16a）或-20+20ma（分辨20a）的電流信號。模擬量信號可通過雙絞屏蔽電纜接入，連接及方法如圖3-1所示，當(dāng)使用電流輸入時，需將v+及i+端短接。24+ 地 24-fg vi- i+ v+fg vi- i+ v+24vdc 電流輸入420ma 電壓輸入-10+10v圖4-1 fx-4ad模塊的連接方法fig4-1 fx-4ad -metho

42、d of connecting module fx-4ad的寬及高與fx相同，在安裝時裝在fx基本單元的右邊，將總線連接器接入左側(cè)單元的總線插孔中。fx系列可編程控制器中，與plc連接的特殊功能擴展模塊位置從左至右依次編號（擴展單元不所示。占編號），如圖4-2所示fx-4ad將消耗基本單元或電源擴展單元的+5vdc電源（內(nèi)部電源）30ma電流，+24vdc電源（外部電源）55ma電流。其通常轉(zhuǎn)換速度為15ms/ 通道，高速轉(zhuǎn)換速度為6/ms通道。4.2.2 模擬量輸入模塊緩沖存儲器（bfm）的分配為了能適用于多種規(guī)格的輸入、輸出量，模擬量處理模塊都設(shè)成可編程的。fx-4ad模塊利用緩沖存儲器(

43、簡稱模bfm)的設(shè)置完成編輯工作。fx-4ad擬量量輸入模塊共有32個緩沖存儲器，但目前只使用了以下21個bfm：l1fx-32mr a/d fx-8ex a/d d/a fx-8eyrfu2sa1 0 2km1km3km6km5km5 fr3 hl5km3 fr2 hl3 km4 hl414 km5km6hl6yv2hl10kahahl9hl8hl726y01322y014y015 24 18y012 20y010 16y011y004y005y002y003hl1km2hl2km1 fr1sb7 sb8yv2sb5 sb6km5sb3 sb4km3plcsb1 sb2km1nkm2km1k

44、m3km6km5km5 fr3 hl5km3 fr2 hl3 km4 hl414 km5km6hl6yv2hl10kahahl9hl8hl726y01322y014y015 24 18y012 20y010 16y011y004y005y002y003hl1km2hl2km1 fr1sb7 sb8yv2sb5 sb6km5sb3 sb4km3plcy000y001sb1 sb2km1特殊功能模塊基本單元 #0 #1 #24-2 特殊功能模塊fig3-2 special function modules（1）bfm#0。0號bfm用于通道的選擇。 4個通道的模擬輸入信號范圍用4位16進制數(shù)表示。

45、具體地講。16進制數(shù)字“03”分別表示“-10+10v、420ma、-20+20 ma 、通道關(guān)閉”。（2）bfm#1#4。14通道的采樣次數(shù)(設(shè)定范圍為14096)，默認(rèn)值為8。（3）bfm#5#8。14通道的采樣平均值。（4）bfm#9#12。14通道的采樣當(dāng)前值。（5）bfm#15。選擇a/d轉(zhuǎn)換的速度。若設(shè)為0，則為正常轉(zhuǎn)換速度，即15ms/通道；若設(shè)為1，則為告訴轉(zhuǎn)換速度，即6ms/通道。（6）bfm#20。若將bfm#20設(shè)為1，則模塊的所有設(shè)置都將復(fù)位成默認(rèn)值。用它可以快速消除不希望的增益和偏置值。bfm#20的默認(rèn)值為0。（7）bfm#21。若bfm#21的b1、b0分別置為（

46、1，0），則禁止調(diào)整增益和偏置；若bfm#21的b1、b0分別置為（0，1）（此為默認(rèn)值），則可以改變增益和偏置的意義課可由圖3-3說明，圖中偏置為橫軸上的截距，表示數(shù)字量輸出為0是的模擬量輸入值。增益為輸出曲線的斜率，為數(shù)字輸出+1000時的模擬量輸入值。（8）bfm#22。bfm#22為增益與偏置調(diào)整的指定單元。bfm#22的b0b7由低到高兩兩為一組。通道的偏置及增益可分別調(diào)整。（9）bfm#23 bfm#24。bfm#23為偏置值與增益值存儲單元，單位為mv，或a。bfm#23(偏置)的，默認(rèn)值為0，bfm#24（增益）的默認(rèn)值5000。當(dāng)bfm#22指定單元中的某些位置1時，偏置值及

47、增益值會送入相應(yīng)通道的增益和偏置寄存器中。數(shù)字輸出+10000 4 20 模擬輸入（ma） （偏置值） （增益值）圖4-3 fx-4ad 的偏置和增益fig4-3 bias and gain of fx-4ad（10）bfm#29中各位的狀態(tài)是fx-4ad錯誤狀態(tài)信息。其中，b0為，表示有錯誤；當(dāng)b1為on時，表示存在偏置及增益錯誤；b2為on時表示存在電源故障；b3為on時，表示存在硬件錯誤等。（11）bfm#30中存在的模塊的識別碼k2010。用戶可以方便地利用這一識別碼在傳送數(shù)據(jù)前先確認(rèn)該特殊功能的模塊。4.2.3 模擬量輸出模塊的功能及plc系統(tǒng)連接fx-2da模塊用來將12位數(shù)字信號

48、轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流輸出。它具有2個模擬量輸出通道。這兩個通道都可以輸出010vvdc(分辨率2。5mv)、05dvc（分辨率1。25mv）的電壓信號，或420ma(分辨率為4a)的電流信號。模擬量輸出可通過雙絞屏蔽電纜與驅(qū)動負(fù)載相連，連接方法如所圖3-4所示，當(dāng)使用電壓輸出時，需要iout和com端短接。com iout voutcom iout vout基本單元fx-2da記錄儀器電流輸出變頻器等電壓輸出圖4-4 fx-2da模塊的連接方法fig 4-4 fx-2da-method of connecting modulefx-2da安裝時裝在fx基本單元的右邊。fx-2da將消耗基本單元

49、或電源擴展單元的+5vdc電源單元的（內(nèi)部電源）20ma電流，+24vdc電源5ma電流。轉(zhuǎn)換時間為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圖4-5模擬量輸入模塊fx-4ad的編程fig 4-5 simulation quantity load module fx-4ad programming 4.2.4 模擬量輸出模塊的偏置、增益及分配 fx-2da模塊

50、在出廠時，其偏置和增益是經(jīng)過調(diào)整的，數(shù)字值為04000，電壓輸出為010v。若用于電流輸出機時可利用模塊上自帶的調(diào)節(jié)裝置重調(diào)偏置與增益值。模塊共有32個緩沖存儲器，但只用了以下兩個： (1)bfm#16。bfm#16的b7b0用于輸出數(shù)據(jù)的當(dāng)前值（低8位數(shù)據(jù)）。 (2)bfm#17。bfm#17的b0位從“1” 變?yōu)椤?”時，通道2的d/a轉(zhuǎn)換開始；當(dāng)b2位從“1”變成“0” d/a轉(zhuǎn)換低8位保持，其余各位沒有意義。 5 pid控制器的設(shè)計pid控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制力式之一。它的原理通過控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標(biāo)值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進

51、行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的pid控制器的控制形式主要有兩種：如圖7所示+ +驅(qū)動部控制對象p i d目標(biāo)值 + (給定值)反饋值 -圖4-1 pid控制原理圖fig 4-1 pid control scheme1、硬件型，即通用pid控制器，在使用時只需要進行線路的連接和p，i，d 參數(shù)及目標(biāo)值的設(shè)定。2、軟件型，使用離散形式的pid控制算法在可編程序控制器上做 pid控制器。在該系統(tǒng)中我們用硬件型設(shè)計這樣可以減少編程5.1 pid控制算法及特點p

52、id控制算法的一般形式pid控制器根據(jù)日標(biāo)值(設(shè)定值)r(t)與反饋值(測量值)c(t)構(gòu)成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) 將偏差的比例(p)、積分(i)和微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進行控制。其控制規(guī)律為：或 式中 ： 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)： 調(diào)節(jié)器的積分時間 ： 調(diào)節(jié)器的微分時間： 調(diào)節(jié)器的偏差信號： 比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)u： 輸出簡單來說 ，pid控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的：1、比例環(huán)節(jié)： 即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。2、積分環(huán)節(jié) ：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強弱取決于積

53、分時間常數(shù)ti， ti越大，積分作用越弱，反之則越強。3、微分環(huán)節(jié) ：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。pid調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是：當(dāng)上述控制算法公式只包含第一項時，稱為比例(p)作用，只包含第二項時，稱為積分(i)作用;但只包含第三項的單純微分(d)作用是不采用的，因為它不能起到使被控變量接近設(shè)定值的效果，只包含第一、二項的是pi作用;只包含第一、三項的是pd作用;同時包含這三項的是pid作用。僅用p動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加i動作的pi控制。用pi控制時

54、，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是，i動作過強時，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨使用p動作控制。對于pid控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨d動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，p動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負(fù)載場合，僅p動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使p動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用pd控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負(fù)載。利用i動作消除偏差作用和用d動作抑制振蕩作用，在結(jié)合p動作就構(gòu)成了pid控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用pid控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。