PLC在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用b

1、plc 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用摘 要變頻恒壓供水系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中普遍采用的一種水處理系統(tǒng)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們節(jié)能意識的不斷增強(qiáng)，變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能特性被廣泛地應(yīng)用于住宅小區(qū)、高層建筑的生活及消防供水系統(tǒng)。本課題滿足了變頻恒壓供水系統(tǒng)中的基本要求，是由儲水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)，回水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它利用流量與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，即當(dāng)需求的壓力降低時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，泵出口流量減少，電動機(jī)的消耗功率大幅度下降，從而達(dá)到節(jié)能的目的?？刂葡到y(tǒng)采用手動和自動兩種控制方式，在自動控制器失效的狀態(tài)下，用手動控制系統(tǒng)也能保證系統(tǒng)地可靠運(yùn)行。在系統(tǒng)投入自動運(yùn)行前，手動控制還可用于檢驗(yàn)

2、動力線路和動力設(shè)備的工況。在有變頻和工頻兩種運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備間，采用機(jī)械互鎖和邏輯互鎖的雙重保護(hù)設(shè)計(jì)，以保障設(shè)備的安全運(yùn)行；該系統(tǒng)同時(shí)采用過載保護(hù)、漏電保護(hù)、接地保護(hù)等多重保護(hù)機(jī)制，充分保障了操作者的人身安全和設(shè)備的運(yùn)行安全。關(guān)鍵詞: 恒壓供水，變頻調(diào)速，plc，泵機(jī)切換1目 錄前 言.3第一章 緒論.41.1 本課題設(shè)計(jì)的背景.41.2 本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容.51.2.1 恒壓供水系統(tǒng)的選型.51.2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).51.2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).51.3 本課設(shè)計(jì)的目的和意義.6第二章 系統(tǒng)控制方案的確定 .82.1 變頻調(diào)速.82.1.1 變頻調(diào)速的工作原理 .82.2.2 變頻器的技術(shù)特

3、點(diǎn)及應(yīng)用.82.2 系統(tǒng)控制方案.9第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .133.1 可編程控制器(plc)的選型.133.1.1 plc 概述 .133.1.2 plc 的選型 .143.2 變頻器的選型.1523.3 水泵的選型.163.4 壓力傳感器的選型.173.5 plc 及變頻器控制電路 .173.5.1 供水系統(tǒng)主電路.173.5.2 供水系統(tǒng)控制電路.183.5.3 缺水保護(hù)電路.193.5.4 缺相相序保護(hù)電路.203.6 硬件接線圖.203.7 i/o 分配表 .23第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .244.1 plc-三菱-梯形圖.244.2 系統(tǒng)程序清單.324.3 系統(tǒng)工作過程分析.364.

4、4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).374.4.1 啟動程序 .374.4.2 水泵切換程序 .374.4.3 逐臺停泵程序 .374.4.4 故障處理.38第五章 結(jié)論 .39致 謝 .42參考文獻(xiàn) .403前 言隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們節(jié)能意識的不斷增強(qiáng)，變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能特性被廣泛地應(yīng)用于住宅小區(qū)、高層建筑的生活及消防供水系統(tǒng)。在智能建筑教學(xué)領(lǐng)域，恒壓供水系統(tǒng)已成為一個(gè)研究的重要課題，其典型結(jié)構(gòu)是由壓力傳感器、可編程控制器（plc）、變頻器、供水泵組等組成。隨著社會的飛速發(fā)展和城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的提高，對城市供水的質(zhì)量、數(shù)量、穩(wěn)定性等問題提出了越來越高的要求，機(jī)組的

5、控制主要依靠值班人員的手操作，控制過程煩瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時(shí)做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。為了保證供水，機(jī)組常保持在超壓的狀態(tài)下運(yùn)行，爆損現(xiàn)象也挺嚴(yán)重。本論文結(jié)合現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于 plc 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。 本課題滿足了變頻恒壓供水系統(tǒng)中的基本要求，是由儲水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)，回水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（手動控制、自動控制）組成。它利用流量與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，即當(dāng)需求的壓力降低時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低，泵出口流量減少，電動機(jī)的消耗功率大幅度下降，從而達(dá)到節(jié)能的目的?？刂葡到y(tǒng)采用手動和自動兩種控制方式，在自動控制器失效的狀態(tài)下，用手動控制系統(tǒng)也能保證系統(tǒng)地可靠運(yùn)行。在系統(tǒng)投入自

6、動運(yùn)行前，手動控制還可用于檢驗(yàn)動力線路和動力設(shè)備的工況。在有變頻和工頻兩種運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)備間，采用機(jī)械互鎖和邏輯互鎖的雙重保護(hù)設(shè)計(jì)，以保障設(shè)備的安全運(yùn)行；該系統(tǒng)同時(shí)采用過載保護(hù)、漏電保護(hù)、接地保護(hù)等多重保護(hù)機(jī)制，充分保障了操作者的人身安全和設(shè)備的運(yùn)行安全。4第一章 緒論1.1 本課題設(shè)計(jì)的背景隨著變頻器調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高, 變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng), 廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng), 然而, 由于新系統(tǒng)多會繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備(水泵) , 在對原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實(shí)踐中,往往會出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問題. 本課題介紹的

7、變頻控制恒壓供水系統(tǒng)很好的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問題,既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢,同時(shí)有效的實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。plc 是繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)學(xué)處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。繼電器在控制系統(tǒng)中主要起兩種作用：（1）邏輯運(yùn)算（2）弱電控制強(qiáng)電。plc 是集自動控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)于一體的一種新型工業(yè)控制裝置，已躍居工業(yè)自動化三大支柱（plc、robot、cad/cam）的首位?？删幊炭刂破鳎喎Q plc。它在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的的一中新型工業(yè)控制設(shè)備。 具有 1.可靠性高、抗干擾能力強(qiáng) 2.設(shè)計(jì)、安裝容易

8、，維護(hù)工作量少 3.功能強(qiáng)、通用性好 4.開發(fā)周期短，成功率高 5.體積小，重量輕、功耗底等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動化控制的各個(gè)領(lǐng)域，并已成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的支柱產(chǎn)品。與繼電接觸器系統(tǒng)相比系統(tǒng)更加可靠；占位空間比繼電接觸器控制系統(tǒng)??；價(jià)格上能與繼電接觸器控制系統(tǒng)競爭；易于在現(xiàn)場變5更程序；便于使用、維護(hù)、維修；能直接推動電磁閥、觸器與于之相當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央執(zhí)行機(jī)構(gòu)；能向中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)直接傳輸數(shù)據(jù)等。因此，進(jìn)行變頻恒壓供水系統(tǒng)的 plc 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以推動變頻恒壓供水系統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，擴(kuò)大 plc 在自動控制領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究的價(jià)值。1.2 本課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容本設(shè)

9、計(jì)將在以下幾個(gè)方面對恒壓供水控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和論證。1.2.1 恒壓供水系統(tǒng)的選型該系統(tǒng)是由儲水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)，回水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（手動控制、自動控制）組成。對象系統(tǒng)由四臺不同功率的水泵機(jī)組組成，都為常規(guī)變頻循環(huán)泵，用于模擬正常模式下的生活供水動力系統(tǒng)；回水系統(tǒng)采用有機(jī)玻璃材料結(jié)構(gòu)，以使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有可觀察性。1.2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)plc 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由 4 臺水泵，一臺智能型電控柜（包括變頻器、plc、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、缺水保護(hù)器、斷相相序保護(hù)裝置以及供電主回路等構(gòu)成。1.2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括 plc 的程序設(shè)計(jì)和變頻器的功能參數(shù)設(shè)定。這里

10、主要討論 plc 的程序設(shè)計(jì)。plc 的程序設(shè)計(jì)包括手動控制和自動控制的程序設(shè)計(jì)，手動部分是通過按鈕控制水泵在工頻下運(yùn)行和停止，主要考慮系統(tǒng)調(diào)試或檢修時(shí)用。當(dāng)選擇開關(guān)打到自動時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)入自動工作狀態(tài)，由 plc 和變頻器聯(lián)合控制各臺電機(jī)的投入或切除、工頻或變頻運(yùn)行方式。供水系6統(tǒng)共有 4 臺泵組電機(jī)，在根據(jù)水壓決定投入泵組臺數(shù)后，只有最初投入的電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，其它后投入的電機(jī)則在工頻下全速運(yùn)行，泵組電機(jī)的切換過程由邏輯控制單元 plc 實(shí)現(xiàn)。1.3 本課設(shè)計(jì)的目的和意義隨著電力技術(shù)的發(fā)展，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額

11、定電流以內(nèi)，從而避免了起動時(shí)對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。plc 恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生

12、產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若供水壓力不足或或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用 plc 恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。plc 是面向工業(yè)生產(chǎn)過程控制的，特別是中小容量 plc 成功地取代了傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制系統(tǒng)，使控制裝置的可靠性大為提高，在7改造傳統(tǒng)工業(yè)控制設(shè)備和開發(fā)研制機(jī)電一體化高新技術(shù)產(chǎn)品中發(fā)揮了巨大作用。而變頻器能節(jié)能和調(diào)速，并能實(shí)現(xiàn)自動控制程高精度控制，還能在恒壓恒溫控制應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了智能控制等。本課程的基本要求是在了解plc 一般性硬軟件基本構(gòu)成和工

13、作原理的基礎(chǔ)上，并和變頻器綜合利用，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達(dá)到恒壓供水的目的。改造提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果。8第二章 系統(tǒng)控制方案的確定2.1 變頻調(diào)速2.1.1 變頻調(diào)速的工作原理變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器的電路一般由整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié) 4 個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 igbt 三相橋式逆變器，且輸出為 pwm 波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類 :

14、電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的 “整流器” ，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路” ，以及將直流功率變換為交流功率的 “逆變器” ?？刂齐娐肥墙o異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放9大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成。2.1.2 變頻器的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用變頻器的主要技術(shù)特點(diǎn)有減少功耗降低成

15、本和簡化機(jī)構(gòu)提高性能。所以它在現(xiàn)代工業(yè)中起著重要的作用，廣泛應(yīng)用于航空航天，基礎(chǔ)工業(yè)，自動控制等行業(yè)。2.2 系統(tǒng)控制方案plc 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)是以 plc 為控制核心，由 plc 控制器、變頻調(diào)速器、壓力傳感器、等其他電控設(shè)備以及 4 臺水泵組成，如圖 2-1 所示。 圖 2-1 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的原理圖10其工作過程：設(shè)定一個(gè)水壓值后，根據(jù)變頻恒壓供水原理，利用安裝在供水管網(wǎng)上的壓力傳感器，連續(xù)采集供水管網(wǎng)中的水壓及水壓變化率信號，并將水壓信號轉(zhuǎn)換為電信號（模擬量）通過 plc 中的 i/o 模塊兒轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入 plc，plc 根據(jù)實(shí)際水壓值與設(shè)定水壓值進(jìn)行比較和經(jīng) pi

16、d 運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為電信號，輸出送到變頻器的信號給定端，變頻器根據(jù)給定信號，調(diào)節(jié)水泵的電源頻率，從而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，以維持供水管網(wǎng)中水壓值在設(shè)定的水壓范圍內(nèi)，當(dāng)變頻器頻率到達(dá)最大最小時(shí)，由 plc 控制加泵或減泵實(shí)現(xiàn)恒壓供水，從而達(dá)到恒壓供水的目的。這樣也就形成了一個(gè)閉環(huán)控制的恒壓供水系統(tǒng)。其中變頻器的作用是為水泵電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時(shí)變頻器還可作為電機(jī)軟啟動裝置，限制電機(jī)的啟動電流。壓力變送器的作用是檢測管網(wǎng)水壓。智能 pid 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的 pid 調(diào)節(jié)。plc 控制單元?jiǎng)t是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)還是變頻器的驅(qū)動控制，根

17、據(jù)用水量的實(shí)際變化，自動調(diào)整其它工頻泵的運(yùn)行臺數(shù)。變頻器和 plc 的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)性調(diào)節(jié)提供了方便。實(shí)現(xiàn)了水泵電機(jī)的變頻軟啟動, 消除了對電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的沖擊，延長機(jī)電設(shè)備的使用壽命。該系統(tǒng)的特點(diǎn)：1)四臺水泵都能自動變頻軟啟動，并根據(jù)用水量大小自動調(diào)節(jié)泵臺數(shù)。2) 電控自動狀態(tài)時(shí)，四臺水泵自動輪換變頻運(yùn)行，工作泵故障時(shí)備用泵自動投入，可轉(zhuǎn)換自動或人工手動開、停機(jī)。113) 設(shè)備具有缺相、欠壓、過壓、短路、過載等多種電氣保護(hù)功能，具有相序保護(hù)防止水泵反轉(zhuǎn)抽空，并具有缺水保護(hù)及水位恢復(fù)開機(jī)功能。4) 有設(shè)備工作、停機(jī)、報(bào)警指示。該系統(tǒng)可分為手動和自動兩種運(yùn)行方式，四臺水泵

18、均可以在工頻或變頻調(diào)速狀態(tài)下工作。1、手動運(yùn)行當(dāng)用手動方式時(shí)，把轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到手動擋。按下啟動按鈕，啟動電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時(shí)，此時(shí)切斷電機(jī)變頻，同時(shí) plc 控制電機(jī)變頻運(yùn)行。 為了變頻向工頻切換時(shí)保護(hù)變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時(shí)，用時(shí)間繼電器作了 0.5 的時(shí)間延遲，當(dāng)壓力過大時(shí)，可以手動按下停止按鈕，切斷工頻運(yùn)行的電機(jī)。 使用該方式時(shí)，可根據(jù)需要，停按不同電機(jī)對應(yīng)的啟停按鈕，可以依次實(shí)現(xiàn)手動啟動和手動停止水泵。 該方式僅供自動故障時(shí)使用。2、自動運(yùn)行由 plc 在條件成立時(shí)，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制.(1)升壓控制:系統(tǒng)工作時(shí)，每臺水泵處于三種狀態(tài)之一，

19、即工頻電網(wǎng)拖動狀態(tài)、變頻器拖動調(diào)速狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)。 系統(tǒng)開始工作時(shí)，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運(yùn)行，第一臺水泵軟啟動且轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間第一臺泵處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設(shè)定速率加速到另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；反之用水量減少水壓增加時(shí)，水泵按設(shè)定的速率減速到新的穩(wěn)定12轉(zhuǎn)速。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻(即 50hz)時(shí)，水壓仍低于設(shè)定值，鎖相同步控制器控制變頻器頻率與工頻同步，由plc 控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行；同時(shí)，使第二臺水泵, 投入變頻器并變速

20、運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。在第二臺投入變頻運(yùn)行以前，使變頻器輸出頻率降至起動頻率，然后再投入。 如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投入并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)最后一臺水泵投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到工頻，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會發(fā)出故障報(bào)警。(2)降壓控制:當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動頻率時(shí)，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將工頻運(yùn)行時(shí)間最長的一臺水泵關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。這樣每臺水泵的啟動均經(jīng)變頻器的控制，全部機(jī)組實(shí)現(xiàn)循環(huán)軟啟動，即每臺泵的啟動頻率先從設(shè)定的最低頻率開始逐漸

21、上升，并遵循“先開的泵先停，先停的泵先開”的原則。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率降至起動頻率時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下最后一臺變頻泵運(yùn)行為止。當(dāng)一臺水泵變速運(yùn)行，用水量接近于零，水泵最小轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速時(shí)( 這是變速運(yùn)行水泵最小工作轉(zhuǎn)速) ，可根據(jù)這一工作狀態(tài)的長短和系統(tǒng)用水的特點(diǎn)，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)入間歇運(yùn)行或小容量水泵運(yùn)行。除了具有上述自動切換功能外，系統(tǒng)具有一次水位檢測功能，即在水位低限時(shí)報(bào)警和切斷輸出。該系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)、人機(jī)交互、強(qiáng)電邏輯硬件互鎖、報(bào)警及上位連接功能，從而保證正常供水，且可以做到無人值守.13第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 可編程控制器(plc)的選型3.1.

22、1 plc 概述可編程控制器，英文稱 programmable controller，簡稱 plc，本課題中用 plc 作為它的簡稱。plc 是用于工業(yè)現(xiàn)場的電控制器。它源于繼電器控制技術(shù)，但基于電子計(jì)算機(jī)。它通過運(yùn)行存儲在其內(nèi)存中的程序，把經(jīng)輸入電路的物理過程得到的輸入信息，變換為所要求的輸出信息，進(jìn)而再通過輸出電路的物理過程去實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的控制。plc 基于電子計(jì)算機(jī)，但并不等同于普通計(jì)算機(jī)。普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行入出信息變換時(shí)，大多只考慮信息本身，信息入出的物理過程一般不考慮的。而 plc 則要考慮信息入出的可靠性、實(shí)時(shí)性，以及信息的實(shí)際使14用。特別要考慮怎么適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境，如便于安裝，便于維修

23、及抗干擾等問題,入出信息變換及可靠的物理實(shí)現(xiàn)，可以說是 plc 實(shí)現(xiàn)控制的兩個(gè)基本要點(diǎn)。plc 可以通過它的外設(shè)或通信接口與外界交換信息。其功能要比繼電控制裝置多的多、強(qiáng)的多。 plc 基本組成包括中央處理器(cpu)、存儲器、輸入/輸出接口(包括輸入接口、輸出接口、外部設(shè)備接口、擴(kuò)展接口等)、外部設(shè)備編程器及電源模塊組成。plc 內(nèi)部各組成單元之間通過電源總線、控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線連接，外部根據(jù)實(shí)際控制對象配置相應(yīng)設(shè)備與控制裝置構(gòu)成 plc 控制系統(tǒng)。plc 有豐富的指令系統(tǒng)，有各種各樣的 i/o 接口、通信接口，有大容量的內(nèi)存，有可靠的自身監(jiān)控系統(tǒng)，因而具有以下基本的功能：1 邏輯

24、處理功能；2 數(shù)據(jù)運(yùn)算功能；3 準(zhǔn)確定時(shí)功能；4 高速計(jì)數(shù)功能；5 中斷處理（可以實(shí)現(xiàn)各種內(nèi)外中斷）功能；6 程序與數(shù)據(jù)存儲功能；7 聯(lián)網(wǎng)通信功能；8 自檢測、自診斷功能。可以說，凡普通小型計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的功能，plc 幾乎也都可以做到。像 plc 這樣。集豐富功能于一身，是別的電控器所沒有的，更是傳統(tǒng)的繼電控制電路所無法比擬的。豐富的功能為 plc 的廣泛應(yīng)用提供了可能，同時(shí)，也為節(jié)水行業(yè)的遠(yuǎn)程化、信息化及智能化創(chuàng)造了條件。3.1.2 plc 的選型在 plc 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 plc 工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型

25、和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確15控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲器容量、確定 plc 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的 plc 和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。1輸入輸出（i/o）點(diǎn)數(shù)的估算i/o 點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加 10%20%的可擴(kuò)展。余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商 plc 的產(chǎn)品特點(diǎn)，對輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。根據(jù)估算的方法故本課題的 i/o 點(diǎn)數(shù)為輸入 5 點(diǎn)，輸出 10 點(diǎn)。2存儲器容量的估算存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件

26、存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 i/o 點(diǎn)數(shù)的 1015 倍，加上模擬 i/o 點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16 位為一個(gè)字） ，另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。因此本課題的 plc 內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲 2000 條梯形圖，這樣才能在以后的改造過程中有足夠的空間。3機(jī)型的

27、選擇目前，國內(nèi)眾多的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了多種系列功能各異的 plc 產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無所適從。通過對輸入/輸出點(diǎn)的選擇、對存儲容量的選擇、對 i/o 響應(yīng)時(shí)間的選擇以及輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型的分許。我決定使用的三菱公司生產(chǎn)的 fx2n 列的 fx2n-32m 型號的可編程控制作為變16頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制器,但是由于和變頻器之間的信號不同，我們要添加一個(gè)有 a/d、d/a 轉(zhuǎn)換功能的模擬輸入輸出模塊，將信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸入變頻器。3.2 變頻器的選型在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，變頻器的啟動/停止由 plc 通過開關(guān)量輸出控制，變頻器頻率是由 plc 通過模擬量輸出端口輸出 05(10)v或 420ma

28、 信號控制的，這需要購買 plc 比較昂貴的模擬量輸出端口模塊。對變頻器故障的檢測是只是由 plc 讀取變頻器的故障報(bào)警觸點(diǎn)，只是知道變頻器出現(xiàn)故障，但具體什么故障并不清楚，需操作人員查詢變頻器報(bào)警信息后再閱讀變頻器說明書才知道，這對于一般值班人員來說太難了。因此在本系統(tǒng)中 plc 對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)的，我選用的是的三菱系列 f500 變頻器風(fēng)機(jī)/泵類專用變頻器，采用最適磁通控制方式,實(shí)現(xiàn)更高節(jié)能運(yùn)行。內(nèi)置 pid,變頻/工頻切換和多泵循環(huán)運(yùn)行功能。plc 通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過壓、過流、過

29、負(fù)荷等全部報(bào)警信息等參數(shù)。其實(shí)物圖如圖 31 所示。17圖 3-1 三菱 f500 變頻器的實(shí)物圖3.3 水泵的選型根據(jù)我們的需要，并結(jié)合它所具有的特點(diǎn)，我選用上海滬龍公司的is 式離心泵，它供輸送清水及物理化學(xué)性質(zhì)類似于清水的其他液體之用，適用于工業(yè)和城市給排水、高層建筑增壓送水、園林噴灌、消防增壓、遠(yuǎn)距離輸送、暖通制冷循環(huán)、浴室等冷暖水循環(huán)增壓及設(shè)備配套，使用溫度 t：80。其實(shí)物圖如圖 32 所示。圖 3-2 isg 型立式離心泵的實(shí)物圖3.4 壓力傳感器的選型根據(jù)我們的需要，并結(jié)合它所具有的特點(diǎn)，我選用 pth503 壓力傳感器。它采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼

30、18容性。輸出信號: 420ma(二線制)、05v、15v、010v(三線制) 供電電壓: 24dcv(936dcv)。廣泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制，具有高精度、高穩(wěn)定性、量程范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)物圖如圖 33 所示。圖 33 pth503 壓力傳感器的實(shí)物3.5 plc 及變頻器控制電路3.5.1 供水系統(tǒng)主電路該系統(tǒng)有四臺水泵， 如圖 34 所示，合上空氣開關(guān)后，當(dāng)交流接觸器 1km、3km、5km、7km 主觸點(diǎn)閉合時(shí)，水泵為工頻運(yùn)行；當(dāng)2km、4km、6km、8km 主觸點(diǎn)閉合時(shí)，水泵為變頻運(yùn)行。四個(gè)熱繼電器 fr1

31、fr4 分別對四臺電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)，避免電動機(jī)在過載時(shí)可能產(chǎn)生的過熱損壞。19圖 34 恒壓供水的主電路3.5.2 供水系統(tǒng)控制電路如圖 35 所示，y0y7 為 plc 輸出軟繼電器觸點(diǎn)，其中y0、y2、y4、y6 控制變頻運(yùn)行電路；y1、y3、y5、y7 控制工頻運(yùn)行電路。sac 為轉(zhuǎn)換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)手動、自動控制切換。當(dāng) sac 切在手動位時(shí)，通過 1sb24sb2 按鈕分別起動四臺水泵工頻運(yùn)行；當(dāng) sac 在自動位時(shí)，由 plc 控制水泵進(jìn)行變頻或工頻狀態(tài)的起動、切換、停止運(yùn)行。1ka 為缺水保護(hù)電路的中間繼電器觸點(diǎn)，當(dāng)水池缺水或水位不足時(shí)，配合缺水保護(hù)裝置斷開控制電路，切斷主電路，實(shí)現(xiàn)缺水

32、保護(hù)作用。20 圖 35 恒壓供水系統(tǒng)的控制電路3.5.3 缺水保護(hù)電路當(dāng)水池缺水或水位不足時(shí)，若不及時(shí)切斷電源就會損壞水泵，甚至發(fā)生事故。本系統(tǒng)設(shè)置了缺水自動保護(hù)電路，如圖 36 所示。利用液位繼電器等裝置時(shí)刻檢測水池里的水位，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換及處理后對控制回路電源進(jìn)行控制。水池水位正常時(shí)，控制回路電源接通，系統(tǒng)正常工作。水池缺水或水位不足時(shí)，液位繼電器 1k 釋放，系統(tǒng)報(bào)警、指示燈亮并通過 1ka 切斷系統(tǒng)控制電路和主電路，水泵停止。水位正常后，液位21繼電器 1k 吸合，重新啟動系統(tǒng)。 圖 36 缺水保護(hù)電路3.5.4 缺相相序保護(hù)電路水泵工作在三相交流電，電源發(fā)生缺相時(shí)，電動機(jī)中某一相無電流

33、，而另外兩相電流會增大，容易燒壞電動機(jī)；另外，為了避免電源相序相反，電動機(jī)反轉(zhuǎn)水泵抽空的現(xiàn)象，設(shè)置了缺相相序保護(hù)電路，如圖 3-7所示。采用缺相相序保護(hù)電路繼電器 kp 接在主電路電源進(jìn)線空氣開關(guān)之后，三相正常時(shí)，kp 得電吸合，控制電路中 kp 的 1-2 觸點(diǎn)吸合，接通 plc 控制電路。反之，缺相或反向時(shí)，kp 的 1-2 觸點(diǎn)斷開，會切斷plc 控制電路，系統(tǒng)停止工作，缺相相序保護(hù)指示燈亮。 圖 37 缺相相序保護(hù)電路3.6 硬件接線圖系統(tǒng)的硬件連接圖即 plc 和系統(tǒng)中各個(gè)硬件的連線。由于 plc 所輸出的信號是數(shù)字信號，不被變頻器所識別，所以我們在他們之間加了個(gè)模擬量輸入輸出模塊

34、fx0n-3a。其功能為：該模塊具有 2 路模擬量輸入22（010v 直流或 420ma 直流）通道和 1 路模擬量輸出通道。其輸入通道數(shù)字分辨率為 8 位，a/d 的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100s，在模擬與數(shù)字信號之間采用光電隔離，適用于 fx1n、fx2n、fx2nc 子系列，占用 8 個(gè) i/o點(diǎn)。具體的如圖 38 所示：圖 3-8 plc 硬件接線圖 23圖 3-9 變頻器硬件接線圖 圖 3-10 變頻器接線圖變頻器的適用電機(jī)容量：55（kw）；輸出電壓：三相 380v 至 480v 50hz/60hz；輸出過載能力：12060 秒，1500.5 秒(反時(shí)限特性)；輸出端額定電流：106（a）；

35、輸出端額定容量：80.9（kva）表 3-1 主要元器件明細(xì)元件型號數(shù)量plc三菱 fx2n-32m1（臺）24變頻器三菱 f5001（臺）水泵isg 型立式水泵4（臺）壓力傳感器pth5031（個(gè)）繼電器8（個(gè)）開關(guān)按鈕5（個(gè)）3.7 i/o 分配表表 3-1 i/o 分配表元件輸入說明sb0x0啟動sb1x1模擬調(diào)節(jié)上限sb2x2模擬調(diào)節(jié)下限sb4x3復(fù)位sb5x4故障輸入信號元件輸出說明2km 動作y01#水泵接變頻1km 動作y11#水泵接工頻4km 動作y22#水泵接變頻3km 動作y32#水泵接工頻6km 動作y43#水泵接變頻5km 動作y53#水泵接工頻8km 動作y64#水泵

36、接變頻257km 動作y74#水泵接工頻y10指示燈y11蜂鳴器第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 plc-三菱-梯形圖 2728油泵啟動3#水泵接工頻油泵啟動送常數(shù) 10 到 d2油泵啟動復(fù)位 m14油泵啟動復(fù)位 m19油泵啟動復(fù)位 m24油泵啟動復(fù)位 m29將采樣信號與設(shè)定值進(jìn)行比較291#泵接變頻軟啟動計(jì)時(shí)器 t2 定時(shí) 10s計(jì)時(shí)器 t3 定時(shí) 60s達(dá)到壓力上限 m100 為 on301#泵接工頻2#泵接變頻t4 定時(shí)運(yùn)行t5 定時(shí)運(yùn)行3#泵接變頻31pid 運(yùn)算計(jì)時(shí)器 t0 定時(shí) 50s從 p0 口調(diào)用程序壓力值大于最大設(shè)定值置位保持 m14壓力值大于 0置位保持 m24從 p0 口調(diào)用程

37、序32m210,m211,m212 任何一個(gè)為 on,m200 為 ond101d110 時(shí) m35 為 ond101d111 時(shí) m43 為 ond110d111 時(shí) m33 為 ond101d110 時(shí) m45 為 ond110d111 時(shí) m31 為 on33t10 延時(shí) 200s水壓不到最大設(shè)定值水壓大于最小設(shè)定值主程序結(jié)束水壓大于等于最大設(shè)定值，開始降頻在變頻啟動情況下，水壓大于 0，最先啟動的水泵停止運(yùn)行返回主程序結(jié)束344.2 系統(tǒng)程序清單35363738394.3 系統(tǒng)工作過程分析其流程圖如下： 40初始化子程序：采樣信號與設(shè)定值比較，經(jīng) pid 運(yùn)算由plc 控制變頻器輸出運(yùn)

38、行結(jié)果輸出到 plc,輸出繼電器控制水泵運(yùn)行或停止變頻器輸出頻率達(dá)到最大值變頻器輸出頻率達(dá)到最小值結(jié)束變頻切換開機(jī)程序功能：變頻器切換到工頻運(yùn)行，變頻器軟啟動另一臺水泵逐臺停泵功能：逐臺停止工頻泵運(yùn)行開始ynny 圖 4-1 系統(tǒng)流程圖4.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.4.1 啟動程序在自動運(yùn)行方式下開始啟動運(yùn)行時(shí)，首先檢測水池水位，若水池水位符合設(shè)定水位要求，1#泵變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器連通，41變頻器輸出頻率從 0hz 開始上升，此時(shí)壓力變送器檢測壓力信號反饋plc，由 plc 經(jīng) pid 運(yùn)算后控制變頻器的頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至 50hz，延時(shí)一定時(shí)間后，將 1#泵切換為

39、工頻，2#泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動 2#水泵，頻率逐漸上升，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定壓力，依次類推增加水泵。4.4.2 水泵切換程序如用水量減小，出水壓力超過設(shè)定壓力，則 plc 控制變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩(wěn)定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于某一設(shè)定值（水泵出水頻率，一般為 25hz），而出水壓力仍高于設(shè)定壓力值時(shí)，plc 開始計(jì)時(shí)，若在一定時(shí)間內(nèi)，出水壓力降低到設(shè)定壓力，plc 放棄計(jì)時(shí)，繼續(xù)變頻調(diào)速運(yùn)行；若在一定時(shí)間內(nèi)出水壓力仍高于設(shè)定壓力，根據(jù)先投先停的原則，plc 將停止正在運(yùn)行的水泵中運(yùn)行時(shí)間最長的工頻泵，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定值。4.4.3 逐臺停泵程序 當(dāng)用戶用水量較少，若變頻器輸出頻率低于設(shè)定水泵出水頻率