PLC恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、畢業(yè)設(shè)計（論文）plc恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)專 業(yè) 機電一體化技術(shù) 班 級 姓 名 指導教師 摘 要 隨著人們對生活水平要求的不斷提高和經(jīng)濟社會發(fā)展的需求；再加上目前能源緊缺，嚴重制約著經(jīng)濟社會的發(fā)展。利用現(xiàn)有的成熟技術(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)成為必然的趨勢。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，由變頻器進行壓力調(diào)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。而本設(shè)計是針對居民生活用水而設(shè)計的。電動機泵組成由三臺水泵組成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電

2、，根據(jù)供水系統(tǒng)出水口的壓力和流量來控制變頻器電動機泵的速度和切換，使系統(tǒng)運行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。關(guān)鍵詞： 變頻器； 恒壓供水；plc目 錄摘 要2第一章 緒論41.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀41.2課題來源及本文的主要研究內(nèi)容51.3本論文中所做的工作51.4恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成5第二章 plc功能選擇及應(yīng)用72.1 plc模擬量擴展單元的配置及應(yīng)用72.1.1 模擬量輸入模塊的功能及與plc系統(tǒng)的連接72.1.2 模擬量輸入模塊緩沖存儲器（bfm）的分配82.1.3 模擬量輸出模塊的功能及plc系統(tǒng)連接8第三章 變頻器和壓力傳感器93.1變頻器的分類及工作原理93.2 變頻器

3、硬件選擇103.3 壓力傳感器11第四章 系統(tǒng)的設(shè)計124.1 系統(tǒng)要求124.2控制系統(tǒng)的i/o及地址分配124.3 plc系統(tǒng)選型134.4 電氣控制系統(tǒng)原理圖134.4.1主電路圖134.4.2 控制電路圖144.5.系統(tǒng)的運行分析154.6 系統(tǒng)程序設(shè)計164.6.1由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理174.6.2 多泵組泵站泵組管理規(guī)范174.6.4程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn)174.6.5系統(tǒng)的運行分析19致 謝21參 考 文 獻22第一章 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

4、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、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。1.1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)

5、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，像日本三菱公司，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”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

6、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(plc)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

7、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

8、)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。1.2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)。1.3本論文中所做的工作根據(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

9、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。1.4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，這比設(shè)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，備用是必要的。恒壓供水的主要目標是保持管網(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，這當然方便，電機與變頻器間不須切換，但購變頻器的費用較高。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，

10、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。調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，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。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

11、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)器的輸出信號一般是模擬信號，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

12、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。第二章 plc功能選擇及應(yīng)用2.1 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

13、以用于恒壓供水控制中。 2.1.1 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2-1所示，當使用電流輸入時，需將v+及i+端短接。 圖2-1 fx-4ad模塊的連接圖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

14、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-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/ 道，高速轉(zhuǎn)換速度為6/ms道。2.1.2 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(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基本單元 #0 #1 #

15、22-1特殊功能模塊2.1.3 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)動負載相連，當使用電壓輸出時，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2-2 fx-2da模塊的連接圖fx-2da安裝時裝在fx基本單元的右邊。fx-2da將消耗基本單元或電源擴

16、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。第三章 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。 （3-1）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 （3-2）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

17、機的調(diào)運來說是十分合適的。3.1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率的控制方式。更重要的

18、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載的適應(yīng)性。普通功能型變頻器適用于泵類負載及要求不高的反抗性負載，而高功能變頻器可適用于位能性負載。3.2 變頻器硬件選擇 根

19、據(jù)設(shè)計要求，變頻器選用日本三菱變頻器fr-a500產(chǎn)品。該產(chǎn)品可以和三菱plc工作協(xié)調(diào)。變頻器選用日本三菱變頻器fr-a500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

20、號燈，以顯示變頻器故障，變頻器面板上有故障復位按鍵，輕故障用復位按鍵復位，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

21、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3-1為日本三菱變頻器fr-a500在電路中的接線圖。r s ts1 us2 vs3 w fr-a500fifcm1 接plc接plc 接指示燈接電機380v78圖3-1 日本三菱變頻器fr-a500在電路中的接線圖3.3 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

22、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010v間變化的電壓信號的標準信號送入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。當供水負載變化時，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

23、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準單位，g=9.8，一般情況下，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。第四章 系統(tǒng)設(shè)計4.1 系統(tǒng)要求對三泵生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： (1)生活供水時，系統(tǒng)低恒壓值遠行，消防供水時高桓壓值遠行。 (2)三臺泵根據(jù)恒壓的需要采取“先開先?！钡脑瓌t接人和退出。 (3)在用水量小的情況下，

24、如果一臺泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺泵工作時間過長。 (4)三臺泵在啟動時都要有軟啟動功能。(5)要有完善的報警功。(6)對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。 4.2控制系統(tǒng)的i/o及地址分配 將系統(tǒng)所有的輸入信號和輸出信號統(tǒng)一進行編址，該系統(tǒng)有7個輸入信號和13個輸出信號，表4-1是將控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號。水位上下限信號分別為x1、x2它們在水淹沒時為0，時為1。 名 稱代碼地址編號輸入信號手動和自動消防信號sa1x0水池水位下限信號sllx1水池水位上限信號slhx2變頻器報警信號sux3消鈴按鈕sb9x

25、4試燈按鈕sb10x5遠程壓力表模擬量電壓值up模擬量輸入模塊電流通道輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈km1,hl1y01#泵變頻運行接觸器及指示燈km2,hl2y12#泵工頻運行接觸器及指示燈km3,hl3y22#泵變頻運行接觸器及指示燈km4,hl4y33#泵工頻運行接觸器及指示燈km5,hl5y43#泵變頻運行接觸器及指示燈km6,hl6y5生活消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥yv2y10水池水位下限報警指示燈hl7y11變頻器故障報警指示燈hl8y12火警報警指示燈hl9y13報警電鈴hay14變頻器頻率復位控制kay15控制變頻器頻率用電壓信號uf模擬量輸入模塊電流通道表4-1 輸入輸出點代碼

26、及地址編號4.3 plc系統(tǒng)選型 從上面分析可以知道，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點6個、開關(guān)量輸出點12個；模擬量輸入點1個、模擬量輸出點1個。選用fx-32mr主機一臺，加上一個模擬量輸入擴展模塊fx-4n，再擴展一個模擬量輸出擴展模塊fx-2n。這樣的配置是最經(jīng)濟的。整個plc系統(tǒng)的配置如圖4-2所示。主機單元fx-32mr模擬量輸入模塊fx-4n模擬量輸入fx-2n圖4-2 plc系統(tǒng)的組成4.4 電氣控制系統(tǒng)原理圖電氣控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖。4.4.1主電路圖如圖4-2所示為電控系統(tǒng)的主電路圖。三臺電機分別為m1、m2、m3。接觸器km1、km3、km5分別控制m1、m2、m3的工

27、頻運行；電機分別為m1、m2、m3。接觸器km2、km4、km6分別控制m1、m2、m3的變頻運行；frl、fr2、fr3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器：qs1、qs2、qs3、qs4別為變頻器和三合泵電機主電路的隔離開關(guān)；fu1為主電路的熔斷器；fr-a500是日本三菱變頻器。r s tu v w m m mnl1l2l3km1 km3 km5km2 km4 km6fr1fr2fr3 qs1 qs2 qs3 qs4fr-a500km1km3km6km5cimr-p5a45p5 qs1 qs2 qs3 qs4fr3fr2fr1km2 km4 km6km1 km3 km5nl1l2l3圖

28、4-3 電控系統(tǒng)主電路4.4.2 控制電路圖如圖4-3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中sa為手動/轉(zhuǎn)換開關(guān)，sa打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕sblsb8控制三臺泵的啟/停和電磁閥yv2的通斷；自動運行時，系統(tǒng)在plc程序控制下運行。圖中的hl10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器r進行復位時只提供一個干觸點信號，由于pm為4個輸出點為一組共用一個com端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨的com端輸出組，所以通過一個中間繼電器ka的觸點對變頻器實行復頻控制。2.1 手動運行按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#3#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時

29、用。2.2 自動運行合上自動開關(guān)后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0 hz上升，同時pid調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶詨毫鞲衅鞯臉藴市盘?，?jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50 hz，1#泵由變頻切換為工頻，對2#泵進行變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據(jù)pid調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行。若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機；待電源恢復正常后，系統(tǒng)自動恢復運行，然后按自動運行方式啟動1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運行。變頻自動功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵軟起動、停止、循環(huán)變頻的全部

30、操作過程。4.5.系統(tǒng)的運行分析（1）設(shè)備控制3臺水泵電機低峰供水時，工作一臺水泵電機變頻調(diào)速,用水量加大時，首臺工作水泵由低速向高速調(diào)頻，當工作頻率達到50 hz即水泵滿負荷工作時仍不能滿足用水要求時，將首臺工作水泵切換至工頻運轉(zhuǎn)，變頻調(diào)速器控制第二臺水泵調(diào)頻運轉(zhuǎn)，同時工作2臺水泵。如用水量進一步增加，第二臺水泵切換至工頻運轉(zhuǎn),變頻調(diào)速器控制第三臺水泵調(diào)頻運轉(zhuǎn),同時工作3臺水泵。供水量減少時，調(diào)速工作水泵首先由高頻段向低頻段調(diào)速運轉(zhuǎn)，水泵工作頻率達到柜內(nèi)微機控制器預(yù)先設(shè)定的下限工作頻率而實測水壓仍高于水壓設(shè)定值時，直接停止首臺工作水泵，第二臺泵工頻運轉(zhuǎn)，第三臺泵調(diào)頻運轉(zhuǎn)保持系統(tǒng)水壓恒定，如2

31、臺水泵同時工作實際水壓仍高于設(shè)定值，直接停止工頻運轉(zhuǎn)水泵，第三臺調(diào)頻運轉(zhuǎn)保持系統(tǒng)水壓恒定。（2）安全問題在軟件方面設(shè)置多個保護環(huán)節(jié)，時時檢測系統(tǒng)狀態(tài)，安全報警等。硬件方面設(shè)置安全鏈機械保護，經(jīng)多個閉合觸點組成，包括緊急停車，壓力超上下限開關(guān)，水位超上下限開關(guān)，電機過熱保護繼電器，空載保護等。安全鏈多個觸點均為常閉觸點，其中任一觸點斷開，安全鏈即失效，系統(tǒng)處于停機狀態(tài)。須排除故障，系統(tǒng)才能進行正常工作。圖4-4電控系統(tǒng)控制電路圖4.6 系統(tǒng)程序設(shè)計 硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)結(jié)合前述泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分折如下：4.6.1由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 前邊

32、已經(jīng)說過，為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺泵或第三臺泵。判斷需啟動新泵的標準是變頻器的輸出頻率達到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中考慮采取時間濾波。4.6.2 多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運要有個管理規(guī)范。在該系統(tǒng)中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3h，因此每次需啟動新泵或切換變額泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。具體的操作時，將現(xiàn)行

33、運行的變頻泵從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本例中使用泵號加1的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制(3再加1等于0)，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。4.6.4程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn) 根據(jù)可知，plc上在恒壓供水系統(tǒng)中的功能較多，由于模擬量單元及pid調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序分可為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成。這樣可節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn)pid控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制

34、信號的綜合及報警處理等都在主程序。生活及消防雙恒壓的兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90。在本系統(tǒng)pid中，只是用了比例和積分控制，其回路增益和時間常數(shù)可通過工程計算初步確定，但還需要進一步調(diào)整以達到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益和時間常數(shù)) 積分時間程序中使用的plc元件及其功能如表4-2所示；器件地址功能器件地址功能d100過程變量標準值t38工頻泵減泵濾波時間控制d102壓力給定值t39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制d104pi計算值m10故障結(jié)束脈沖信號d11比例系數(shù)m11泵變頻啟動脈沖d111采樣時間m12減泵中間繼電器d112積分時間m13倒泵變頻啟動脈沖d113微分時間m14復位當前變頻泵運行脈沖d114變頻運行頻率下限值m15當前泵運行啟動脈沖d115生活供水變頻運行上限值m16新泵變頻啟動脈沖d116消防供水變頻運行上限值m20泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制d150pi調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元m21泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制d180變頻工作泵泵號m22泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制d182變頻工作泵的總臺數(shù)m30故障信號匯總d184倒泵時間存儲器m31水池水位下限故障邏輯d190工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控