變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用-課程設(shè)計(jì)

1、目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words1引言21 恒壓供水方案選擇與設(shè)計(jì)21.1 恒壓供水方案比較31.2 恒壓供水方式的選擇41.3 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和工作原理41.3.1 恒壓供水的設(shè)計(jì)方案41.3.2 系統(tǒng)的工作原理42 恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)52.1電氣控制系統(tǒng)原理圖52.2變頻器的選擇62.2.1變頻器的組成62.2.2 變頻器的控制方式72.2.3 變頻器的選擇72.2.4 變頻器的接線72.2.5 變頻器的參數(shù)82.3 傳感器的選擇102.4 水泵電機(jī)的選擇102.5 可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)102.5.1 PLC的簡(jiǎn)介102.5.2 PLC的選型 11

2、2.5.3 PLC的I/O地址分配122.5.4 PLC的接線122.6 其他硬件的選擇123 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)133.1 PLC控制流程圖133.1.1 手動(dòng)運(yùn)行143.1.2 自動(dòng)運(yùn)行143.2 控制系統(tǒng)梯形圖程序15總結(jié)15參考文獻(xiàn)17致謝22變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要: 本文介紹了變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理以及組成結(jié)構(gòu)，提出了具有可實(shí)施性不同的控制方案，采用調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)速度的裝置和可編程控制器（PLC）共同組成供水控制系統(tǒng)，對(duì)水泵組的進(jìn)行控制，并自動(dòng)調(diào)節(jié)泵組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)供水壓力閉環(huán)控制，當(dāng)管網(wǎng)的流量變化時(shí)到達(dá)供水壓力穩(wěn)定值與節(jié)省電能。論文對(duì)變頻調(diào)速恒壓供

3、水系統(tǒng)的節(jié)能原理做了較詳細(xì)的分析和研究。為防止自動(dòng)運(yùn)行部分發(fā)生故障，設(shè)計(jì)了手動(dòng)運(yùn)行控制部分。關(guān)鍵詞：變頻器；恒壓供水系統(tǒng)；PLCThe Application of Frequency Converter in ConstantPressure Water Supply SystemAbstract:This paper analyzes the structure of VF speed regulating constant-pressure water supply,and proposes several control methods. install the control sys

4、tem with motor speed adjustment and programmable logic controller (PLC), it carries out optimization control pump organization of the operation of speed adjustment, and adjusts the number of running pumps, completes pressure of water supply closed-loop control system, reaches the steady pressure of

5、water supply in the changing of rate of flow in the pipe net and the purpose of economizing electrical energy.In order to pump water for the people under the uncommon condition of the frequency invertor ,this system has designed manual-controller.Key words：Inverter；Constant Pressure Water Supply Sys

6、tem；PLC引言隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，城鄉(xiāng)居民以及各種工廠對(duì)水的需求量日漸提升，而原先的供水方法和供水技術(shù)已不能滿足需求。主要表現(xiàn)在用水量與供水公司無法保持一致，使得用水不能滿足，也會(huì)造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)還可能造成用水設(shè)備的損壞。原先供水壓力的方式，多采用頻繁停/啟電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者耗能大，且對(duì)電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷停啟會(huì)造成設(shè)備的使用壽命；后者則需要大量的投資和占地，而且還不能保證供水水質(zhì)的安全。而變頻調(diào)速式運(yùn)行穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動(dòng)、停止現(xiàn)象，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了機(jī)械、電氣沖擊，也沒有二次供水所造成的二次污染的危險(xiǎn)?？梢姡冾l器調(diào)速恒

7、壓供水系統(tǒng)具有供水穩(wěn)定，節(jié)省投資，節(jié)約能源，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)能力大的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。 由于系統(tǒng)等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)如動(dòng)態(tài)性、穩(wěn)定性、抗干擾性以及開放性，還離用戶的要求還差的很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。目前推出了專用變頻器應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)，PLC和PID調(diào)節(jié)器集成在專用變頻器的內(nèi)部。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(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)由于操作不方便得原因也不具有數(shù)據(jù)的及時(shí)通信功能，因此適合用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。使用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)的電流會(huì)從零逐漸增加到額定電流，起動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，電網(wǎng)不會(huì)受到較大的影響，同時(shí)減輕了啟動(dòng)時(shí)

8、起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。穩(wěn)定水壓是這種調(diào)控方式的基本目的，各種優(yōu)化方案都是以保持母管進(jìn)口壓力值恒定為條件1。變頻恒壓供水系統(tǒng)目前日益發(fā)展成為集成化、操作維護(hù)簡(jiǎn)單化的供水系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)外，專門供水的變頻器集成化程度越來越高，PLC或PID集成在了變頻器內(nèi)部，甚至也集成了壓力傳感器。于此同時(shí)操作維護(hù)也變得更加的繁瑣，維護(hù)成本也明顯增加，高于國(guó)內(nèi)同等產(chǎn)品。目前在國(guó)內(nèi)從事于變頻恒壓供水的研制和推廣的公司越來越多，在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒壓供水變頻器需要結(jié)合PLC或PID調(diào)節(jié)，而變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝的國(guó)產(chǎn)變頻器或直接進(jìn)口國(guó)外變頻器，因此國(guó)產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樾∪萘俊?/p>

9、控制要求較低的變頻恒壓供水領(lǐng)域，大部分小容量變頻恒壓供水采用這種方法，因?yàn)槠涑杀镜土５诖蠊β蚀笕萘孔冾l器上，國(guó)產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。1 恒壓供水方案比較與設(shè)計(jì)在生活中，哪一方面都離不開水的作用，在水資源日益缺乏的今天，節(jié)水是時(shí)代的主要話題，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排是新時(shí)代的必然發(fā)展趨勢(shì)。本文以某工廠為例，進(jìn)行恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決傳統(tǒng)的恒壓供水控制方式所面對(duì)的問題，改善其恒壓供水控制質(zhì)量。按照實(shí)際要求供水進(jìn)口壓力一般為0.8Mpa,而出水供水壓力在高峰用水時(shí)期達(dá)到3Mpa才能滿足工廠用水需求，而工廠原先的供水控制方式已經(jīng)很難滿足要求，主要表現(xiàn)在工廠的用水需求量與供給量很難保持

10、一致，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)還可能導(dǎo)致用水設(shè)備的損壞，影響供水設(shè)備的使用壽命。結(jié)合工廠用水的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一個(gè)符合某工廠發(fā)展、便于控制的恒壓供水系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。1.1 恒壓供水方案比較通過查閱和學(xué)習(xí)恒壓供水的相關(guān)資料，了解到在我國(guó)大多數(shù)工廠的恒壓供水方式都比較落后，綜合它們的供水方式來看，主要有以下幾種方式。(1)一臺(tái)恒速泵直接供水方式送往的水是由恒速泵直接從蓄水池中抽水加壓得到的，有的工廠甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用用水網(wǎng)中抽水，對(duì)城市公共管網(wǎng)水壓壓力值的穩(wěn)定造成的嚴(yán)重影響。此種供水方法，恒壓泵整天不停工作，既浪費(fèi)電又不能保持用水量與供給量一致。(2)恒速泵+水塔的供水

11、方式該方式是水泵先對(duì)水塔供水，而后由水塔向各工廠提供水。根據(jù)需要水塔的最低水位要高于供水系統(tǒng)所要求壓力，設(shè)計(jì)合理水塔高度。水注滿水塔后水泵停止工作，水塔的水位遠(yuǎn)低于一定位置后再重新啟動(dòng)水泵，使水泵不停的工作。此種供水方法，水泵會(huì)在額定揚(yáng)程和額定流量的條件下處于高效能工作狀態(tài)。但此種供水方法的缺點(diǎn)是占地面積大，設(shè)備投資大，而且水壓也不可調(diào)，不能兼顧距離近與遠(yuǎn)的需要，而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力的下降而變化，故還存在一些能量損失和二次污染問題。(3)射流泵十水箱的供水方式這種供水方式是利用射流泵本身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作，利用來水管徑的壓差，出水管細(xì)的變徑工藝來實(shí)現(xiàn)供水，但其技術(shù)和管

12、徑工藝的不完善，容易出現(xiàn)有壓力而沒有流量的現(xiàn)象。(4)恒速泵十高位水箱的供水方式這種供水方式與水塔供水方式相類似，只是在建筑物的層設(shè)高位水箱。由于外界因素的干擾和影響，可能污染水質(zhì)，故造成二次污染問題。水箱的水位監(jiān)控裝置一般壽命較短，由于完全用人工操作系統(tǒng)的開、停，使系統(tǒng)消耗更多的電能，供水質(zhì)量也下降。(5)變頻調(diào)速供水方式變頻器恒壓供水系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)管網(wǎng)口壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)管網(wǎng)口水壓值不管流量怎么變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。變頻調(diào)速的方式在節(jié)能效果上也明顯優(yōu)于其他幾種恒壓供水方式。變頻恒壓供水在

13、系統(tǒng)用水量下降時(shí)可無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓基本一致，這樣就節(jié)省了許多電能，同時(shí)變頻器對(duì)水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流小，啟動(dòng)能耗比較小。變頻調(diào)速的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，啟動(dòng)也不頻繁，加上以軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)，設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，消除了電氣、機(jī)械沖擊 。在工廠供水中，由于調(diào)速式是經(jīng)過供水泵加壓直接輸送給工廠的，沒有水質(zhì)的二次污染，水質(zhì)安全、可靠2。1.2 恒壓供水方式的選擇對(duì)上面幾種方案的比較可以得到，具有節(jié)省投資、節(jié)約能源、調(diào)節(jié)性能好、運(yùn)行可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。于是在供水領(lǐng)域應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新需求。又因?yàn)楣?/p>

14、廠供水量的不斷增加，對(duì)城市管網(wǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)提出公告的要求。所以本設(shè)計(jì)采用變頻器調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工廠對(duì)管網(wǎng)水壓的靈活性控制。1.3 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和工作原理1.3.1 恒壓供水的設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)以西門子PLC（S7-200）作為控制器，應(yīng)用變頻器MM430作為變速調(diào)節(jié)裝置，用KYB壓力傳感器把用戶管網(wǎng)的供水壓力情況反饋給變頻器，經(jīng)變頻器內(nèi)部自帶PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)結(jié)果送往PLC作為電動(dòng)機(jī)工頻與變頻運(yùn)行的執(zhí)行條件，從而實(shí)現(xiàn)水壓的控制，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方框圖如圖1-1所示。變頻器（MM430）電動(dòng)機(jī)PLC(S7-200)KYB壓力傳感器給定值用戶管網(wǎng)反饋信號(hào)圖1-1 變頻器恒壓供水系

15、統(tǒng)總體方框圖1.3.2 系統(tǒng)的工作原理 水泵啟動(dòng)后，壓力傳感器向控制器提供控制點(diǎn)的反饋壓力值。當(dāng)反饋壓力值比控制器設(shè)定參考?jí)毫χ档蜁r(shí)，變頻調(diào)速器向控制器發(fā)送提高水泵轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)；當(dāng)反饋壓力值比參考?jí)毫χ蹈邥r(shí)，則發(fā)送降低水泵轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)。變頻調(diào)速器則依此調(diào)節(jié)水泵工作電源的頻率，改變水泵的轉(zhuǎn)速，由此構(gòu)成以設(shè)定壓力值為參數(shù)的恒壓供水自動(dòng)調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-2給出了由三臺(tái)電動(dòng)機(jī)組成的典型恒壓給水系統(tǒng)。PLC接觸器電動(dòng)機(jī)組用戶管網(wǎng)變頻器壓力傳感器圖1-2 恒壓供水系統(tǒng)原理圖設(shè)電動(dòng)機(jī)組分別以M1、M2、M3構(gòu)成，三臺(tái)接觸器分別以KM1、KM2、KM3構(gòu)成。M1通過微機(jī)開關(guān)系統(tǒng)從變頻器的輸出端得到逐

16、漸上升的頻率和電壓，開始旋轉(zhuǎn)（軟啟動(dòng)）。頻率上升到供水管網(wǎng)供水壓力和流量要求的響應(yīng)頻率，并隨供水管網(wǎng)的供水流量變化而做出響應(yīng)，調(diào)整頻率實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速運(yùn)行。當(dāng)這時(shí)供水管網(wǎng)的供水量增加到大于1/3Q、小于2/3Q值時(shí)，設(shè)備的輸出頻率達(dá)到工頻還不能滿足供水管網(wǎng)的供水要求，這時(shí)微機(jī)發(fā)出指令M1會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為工頻運(yùn)行，待M1完全不受變頻器控制，立即指令M2開始以變頻方式啟動(dòng)，當(dāng)滿足頻率要求時(shí)，水管網(wǎng)壓力和流量的要求自動(dòng)相應(yīng)。如果此時(shí)管網(wǎng)的供水流量繼續(xù)上升，大于2/3Q小于Q值時(shí)，則類似，微機(jī)發(fā)出指令M2亦轉(zhuǎn)化到工頻運(yùn)行，待M2完全不受變頻器控制，立即指令M3投入變頻啟動(dòng)，并響應(yīng)至滿足該時(shí)供水系統(tǒng)的流量和

17、壓力所需的頻率運(yùn)行。如果這時(shí)供水管網(wǎng)供水流量降至小于2/3Q,大于1/3Q值時(shí)，則微機(jī)發(fā)出指令M3停止變頻運(yùn)行（M3停止后，處于臨界頻率的M2立即響應(yīng)該時(shí)流量相應(yīng)的頻率）4。如果這時(shí)供水流量繼續(xù)下降至小于1/3Q，則微機(jī)發(fā)出指令M2停止工頻運(yùn)行，只有M1電動(dòng)機(jī)立即響應(yīng)該時(shí)間流量相應(yīng)的頻率，變頻運(yùn)行。如圖1-3所示為水泵工作示意圖。1#2#3#1/3Q2/3QQ工頻變頻圖1-3 水泵工作示意圖2 恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1 電氣控制系統(tǒng)接線圖如下圖2-1所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3。電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3的工頻運(yùn)行分別由接觸KM1、KM2、KM3控制；電動(dòng)機(jī)M1、

18、M2、M3的變頻運(yùn)行分別由接觸器KM5、KM6、KM7控制，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為熱繼電器用于三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)；變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)為QS；主電路的熔斷器為FU。防止系統(tǒng)工頻與變頻同時(shí)運(yùn)行，變頻器工作時(shí)的切斷與閉合用KM4。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即3臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的L1、L2、L3端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變

19、頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器FR實(shí)現(xiàn)。不允許同時(shí)接通變頻和工頻兩個(gè)回路。而且變頻器的輸出端絕對(duì)不允許直接接電源，所以必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器(4-20mA)電流信號(hào)送至上位機(jī)來顯示。同時(shí)線電壓可經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示，也可用其來顯示不同相間的線電壓。開始工作時(shí)，首先來看電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，讓其滿足要求。假如反向轉(zhuǎn)動(dòng)，可用改變電源相序的方法來獲得需要的轉(zhuǎn)向。 圖2

20、-1 電控系統(tǒng)主電路圖2.2 變頻器的選擇2.2.1 變頻器的組成 變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行設(shè)備。通常由整流器、中間電路和逆變器組成 5。圖2-2為變頻器的方框圖整流電路控制電路中間電路逆變電路交流電源圖2-2 變頻器組成方框圖(1) 整流電路交-直部分 整流電路由二極管或晶閘管構(gòu)成的橋式電路組成，把頻率、電壓都固定的交流電整流成直流電。（2）直流中間電路部分濾波電路 根據(jù)儲(chǔ)能元件不同，濾波電路分為電容濾波和電感濾波兩種，分別構(gòu)成電壓型變頻器和電流型變頻器。 （3）逆變電路直-交部分 逆變電路是交-直-交變頻器的核心部分，把直流電

21、逆變成頻率、電壓都可調(diào)的三相交流電源，直接控制電機(jī)。2.2.2 變頻器的控制方式 常見的變頻調(diào)速模式有兩種，一種是開環(huán)控制，另一種是速度反饋閉環(huán)控制，如圖2-3所示。系統(tǒng)根據(jù)恒壓的控制要求，采用的是PID調(diào)節(jié)方式(內(nèi)含在變頻器中) 的閉環(huán)控制。電壓信號(hào)閉環(huán)控制主控機(jī)器變頻器電動(dòng)機(jī)變頻器故障信號(hào)開環(huán)控制主 控 電 路變 頻 器電壓信號(hào)變頻器故障信號(hào)超壓信號(hào)欠壓信號(hào)電動(dòng)機(jī)壓力傳感器圖2-3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式2.2.3 變頻器的選擇 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率和控制系統(tǒng)的要求可以選擇西門子MM430變頻器，該變頻器配有PID功能。通過外部電位器作為壓力給定值。管網(wǎng)上的壓力傳感器傳來的壓力信號(hào)(4至20m

22、A)當(dāng)成壓力反饋到變頻器的輔助輸入端10端、11端。變頻器不停的追蹤設(shè)定壓力值與管網(wǎng)壓力間的偏差程度。通過變頻器內(nèi)PID的運(yùn)算，改變變頻器輸出頻率，調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速。且經(jīng)過PLC控制水泵的變頻供電與工頻供電的轉(zhuǎn)換，控制水泵的臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，來實(shí)現(xiàn)水壓保持穩(wěn)定。2.2.4 變頻器的接線 管腳5接PLC的Q0.7管腳，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)。I0.0接變頻器的20接口，I0.3接變頻器的18接口，I0.4接變頻器的19接口。頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過18腳和19腳輸出至PLC的I0.3與I0.4輸入端作為PLC增泵、減泵控制信號(hào)。變頻其接線圖如圖2-4所示。L1 U L2 L3 V 5 MM4301

23、 18 2 3 19 4 10 11 L3 W5 MM4301 182 193 204 1011接KM4主觸點(diǎn)Q0.7壓力設(shè)定電位器接電動(dòng)機(jī)I0.3I0.4I0.00-24V直流電壓用戶水管壓力傳感器 20圖2-4 變頻器接線圖2.2.5 變頻器的參數(shù) 系統(tǒng)的正常運(yùn)行還需要進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，以下是變頻器在本系統(tǒng)中主要參數(shù)設(shè)置，如表2-1所示，變頻器PID參數(shù)設(shè)置如表2-2所示。表2-1 常用參數(shù)設(shè)置參數(shù)號(hào)參數(shù)名稱DefaultLevelDSQCP0003用戶參數(shù)訪問級(jí)11CUTP0004參數(shù)過濾器01CUTP0010測(cè)試用參數(shù)過濾器01CTNP3950訪問隱含參數(shù)04CUTP1000頻率設(shè)定

24、值選擇22CQP0700命令源控制方式21CTQP3900快速調(diào)試結(jié)束01CQP0201電源電壓3803CTP1333FCC的啟動(dòng)頻率10.03CUTP1350電機(jī)軟啟動(dòng)03CUTP1300電動(dòng)機(jī)的控制方式12CTQP1310連續(xù)提升50.02CUTP1311加速度提升0.02CUTP1312啟動(dòng)提升0.02CUTP1316提升結(jié)束的頻率45.03CUTP0304電動(dòng)機(jī)的額定電壓3803CUTP0305電動(dòng)機(jī)的額定電流7.93CUTP0307電動(dòng)機(jī)的額定功率3.03CUTP1081電動(dòng)機(jī)的最小工作頻率15.03CUTP1082電動(dòng)機(jī)的最大工作頻率45.03CUTP0311電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速280

25、03CUTP0970復(fù)位工廠設(shè)定值01C表2-2 變頻器PID參數(shù)設(shè)置參數(shù)號(hào)參數(shù)名稱DefaultLevelDSQCP2203固定的PID設(shè)定值320.03CUTNP2204固定的PID設(shè)定值430.03CUTNP2205固定的PID設(shè)定值540.03CUTNP2216固定的PID設(shè)定方式113CTNP2217固定的PID設(shè)定方式213CTNP2218固定的PID設(shè)定方式213CTNP2255PID設(shè)定值的增益因子100.03CUTNP2256PID微調(diào)信號(hào)的增益因子100.03CUTNP2257PID設(shè)定值斜坡上升時(shí)間5.02CUTNP2258PID設(shè)定值斜坡下降時(shí)間5.02CUTNP226

26、7PID反饋?zhàn)畲笾?0.03CUTNP2268PID反饋?zhàn)钚≈?.03CUTNP2269PID的反饋增益100.03CUTNP2280PID的比例增益系數(shù)3.02CUTNP2285PID的積分時(shí)間2.02CUTNP2291PID的輸出上限100.02CUTNP2292PID的輸出下限0.02CUTNP2293PID輸出斜坡上升、下降時(shí)間5.03CUTN2.3 傳感器的選擇系統(tǒng)控制的質(zhì)量由檢測(cè)元件的精度直接決定。在恒壓供水系統(tǒng)中，一般用各種壓力傳感器測(cè)量管網(wǎng)的壓力。傳統(tǒng)壓力傳感器主要利用彈性元件，如電感、電容壓力傳感器等。KYB型號(hào)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與其不同，是一種高精度的儀器。它內(nèi)含的A/D和D

27、/A轉(zhuǎn)換電路恒壓更加方便了供水中反饋調(diào)節(jié)6。根據(jù)要求選用KYB-800KT型壓力傳感器。KYB-800KT壓力傳感器由擴(kuò)散硅壓力芯片和信號(hào)處理電路組成，當(dāng)外加壓力時(shí)，將引起壓力芯片的輸出電壓以生變化，再經(jīng)信號(hào)處理電路將其放大，并轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。KYB-800KT型壓力傳感器由壓力敏感部件、恒流源供電電路、信號(hào)放大處理電路組成。壓力敏感部件采用國(guó)際高品質(zhì)擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器，其利用兩個(gè)單晶硅片結(jié)合在一起，上面硅片通過微機(jī)械加工工藝構(gòu)成一個(gè)惠斯通電橋，該電橋電壓輸出與作用在硅片上的壓力差成比例；恒流源供電電路可產(chǎn)生2（mA）DC的電流，用于激勵(lì)壓力傳感器工作。信

28、號(hào)放大處理電路用于將惠斯通電橋產(chǎn)生的電壓信號(hào)線性放大處理后并轉(zhuǎn)換成0-5（V）DC和4-20（mA）DC等多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)。 KYB-800KT系列產(chǎn)品采用國(guó)際先進(jìn)生產(chǎn)工藝及電子元部件，在嚴(yán)格的質(zhì)量保證體系的保障下生產(chǎn)制造，具有精度高、體積小、重量輕、安裝方便、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。2.4 水泵電機(jī)的選擇根據(jù)工廠的需要及保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這里選取2種型號(hào)的水泵，小泵（電機(jī)功率30 kW、轉(zhuǎn)速1450 r/min）為常開泵能夠調(diào)節(jié)到工頻，大泵只能在變頻狀態(tài)下工作。揚(yáng)程用H表示，單位為米（m）。泵的壓力用P表示，單位為Mpa，H=P/.如P為1kg/cm2，則H=（lkg/ cm2)/(1000k

29、g/ m3) =(10000kg/m2)/1000 kg/m3=10m ，1Mpa=10kg/cm2，H=(P2-P1)/ (P2=出口壓力 P1=進(jìn)口壓力),根據(jù)工廠要求選擇小泵為QW150-180-30-30，大泵為QW150-180-30-45。參數(shù)如表2-3所示。表2-3 水泵型號(hào)參數(shù)表水泵型號(hào)口徑流量參考揚(yáng)程額定功率轉(zhuǎn)速配備電機(jī)型號(hào)QW150-180-30-30150mm180m3/h30mm30kw1450r/hY220L-4QW150-180-30-45150mm180m3/h30mm45kw1450r/hY220L-42.5 可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)2.5.1 PLC簡(jiǎn)介 在PL

30、C的發(fā)展過程中，美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）經(jīng)過4年的調(diào)查，于1980年把這種新型的控制器正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller），英文縮寫為PLC，并作如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式電子裝置。它使用可編程序的存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)指令，并實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算功能，用來對(duì)各種機(jī)械或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制7。 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，簡(jiǎn)言之，就是集中輸入、集中輸出，周期性循環(huán)掃描的過程工作。掃描一次全過程所需的時(shí)間稱為掃描周期8。掃描分為“輸入采樣階段”、“程序執(zhí)行階段”和“輸出刷新階段”。PLC特點(diǎn)如下：（1）高可靠性光電隔離應(yīng)用于所有

31、的I/O接口，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)外電路與PLC內(nèi)部路采用電氣上隔離。 R-C濾波器應(yīng)用于各輸入端。 各模塊采用屏蔽的措施有效減少干擾輻射。 采用優(yōu)良的開關(guān)電源。 采用嚴(yán)格篩選的器件。 當(dāng)有異常情況，自診斷功能會(huì)使CPU立刻采取措施，防止增大故障，如電源、軟，硬件異常等。 增強(qiáng)大型PLC可靠性可用由雙CPU組成的冗余系統(tǒng)或三CPU組成表決系統(tǒng)。 （2）豐富的I/O接口模塊 PLC應(yīng)用于不同的工況，有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備進(jìn)行連接。人-機(jī)對(duì)話的接口模塊提高了操作性能，此外多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊形成了工業(yè)的局部網(wǎng)絡(luò)等。（3）模塊化結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 為了符合各種工況需要，除了小型PLC以外，絕大多數(shù)P

32、LC都用模塊化的結(jié)構(gòu)。PLC各部件，包括CPU，電源，I/O等都用模塊化的設(shè)計(jì)，各模塊由電纜與機(jī)架連接起來，用戶可根據(jù)系需要自行組合系統(tǒng)的規(guī)律和功能。（4）編程方便對(duì)操作者說，采用梯形圖的PLC的編程方法，不需要計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，讓工程技術(shù)操作人員很容易的理解和掌握。（5）安裝簡(jiǎn)單，維修方便PLC可以在各工況下正常運(yùn)行，不需要固定的機(jī)房，只需將設(shè)備與I/O端相連接，即可運(yùn)行。為方便用戶了解情況和尋找故障，各模塊都有運(yùn)行和故障指示設(shè)置。由于結(jié)構(gòu)的模塊化，因此一旦某一模塊發(fā)生故障，為使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行可以通過更換模塊。2.5.2 PLC的選型 水泵M1、M2、M3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需PLC

33、的6個(gè)輸出點(diǎn)，PLC的1個(gè)輸出點(diǎn)控制變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷，輸出點(diǎn)數(shù)量一共8個(gè)。2個(gè)輸入點(diǎn)控制起動(dòng)和停止，變頻器極限頻率的檢測(cè)信號(hào)占用 PLC的2個(gè)輸入點(diǎn)，2個(gè)輸入點(diǎn)控制手動(dòng)與自動(dòng)運(yùn)行選擇開關(guān)，6個(gè)輸入點(diǎn)控制三臺(tái)水泵在手動(dòng)控制時(shí)實(shí)現(xiàn)工頻與變片之間的控制需要，共需12個(gè)輸入點(diǎn)。系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)量共為20個(gè)點(diǎn)。所以該系統(tǒng)選用西門子S7-200CPU224型PLC。2.5.3 PLC I/O口地址分配 程序的正確編寫首先要確定和分配好PLC的I/O口，如表2-4是PLC的I/O分配。表2-4 PLC I/O地址分配表PLC端口地址功 能PLC端口地址功 能I0.1自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)按鈕I0.2總停按鈕I

34、0.3接變頻器18腳I0.4接變頻器19腳I0.5MI工頻運(yùn)行按鈕I0.6M2工頻運(yùn)行按鈕I0.7M3工頻運(yùn)行按鈕I1.0MI變頻運(yùn)行按鈕I1.1M2變頻運(yùn)行按鈕I1.2M3變頻運(yùn)行按鈕I1.3手動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)按鈕I1.4手動(dòng)變頻啟動(dòng)按鈕Q0.0MI工頻控制輸出Q0.1M2工頻控制輸出Q0.2M3工頻控制輸出Q0.3控制變頻器的通斷Q0.4MI變頻控制輸出Q0.5M2變頻控制輸出QO.6M3變頻控制輸出Q0.7接變頻器5腳2.5.4 PLC的接線 PLC連接圖如圖2-5所示，Q0.0接KM1控制M1的工頻運(yùn)行，Q0.1接KM2控制M2的工頻運(yùn)行；Q0.2接KM3控制M3的工頻運(yùn)行，Q0.4接KM5

35、控制M1的變頻運(yùn)行；Q0.5接KM6控制M2的變頻運(yùn)行，Q0.6接KM7控制M3的變頻運(yùn)行。I0.1接啟動(dòng)按鈕，I0.2接停止按鈕，I0.3接變頻器的18接口，I0.4接變頻器的19接口。頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過18和19輸出至PLC的I0.3與I0.4輸入端作為PLC增泵、減泵控制信號(hào)9。1M I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 2M I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 LN L 1L Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 2L Q0.4 Q0.5 Q0.6 3L Q0.7AC/220VKM1 KM2 KM3 KM4KM5 K

36、M6 KM7520啟動(dòng) 停止 18 19M1 M2 M3工頻 工頻 工頻M1 M2 M3 手 手動(dòng)變頻變頻 變頻 變頻 動(dòng) 啟動(dòng)圖2-5 PLC接線圖2.6 其他硬件的選擇電動(dòng)機(jī)工頻與變頻之間的切換需要外部電路的輔助，而正確的選擇相應(yīng)的器件關(guān)系到系統(tǒng)的安全，在這里，選擇交流接觸器來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)工頻與變頻之間的切換，過載保護(hù)器的作用防止過載影響整個(gè)系統(tǒng)的安全，隔離開關(guān)是當(dāng)在電路出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，迅速與電源隔離，起到保護(hù)電路作用，它們的型號(hào)選擇如表2-5所示：表2-5 硬件選擇清單表器件名稱型號(hào)額定電流額定電源符號(hào)表示交流接觸器CJ20J10A380VKM過載保護(hù)器88 SERIES3A-25A380

37、VFR隔離開關(guān)HH1515A380VQS熔斷器RS3125A380VFU3 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)3.1 PLC控制流程圖因供水系統(tǒng)慣性較大，所以在設(shè)計(jì)思想上以查詢方式為主，通過比較傳感器反饋的信號(hào)與變頻器設(shè)定值，經(jīng)過變頻器內(nèi)部調(diào)節(jié)后再根據(jù)程序執(zhí)行相關(guān)的操作，本系統(tǒng)PLC控制程序流程如圖3-1所示。通過管網(wǎng)口壓力值與反饋信號(hào)比較，控制變頻器作出相應(yīng)的增泵和減泵的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)起動(dòng)之后，檢測(cè)是手動(dòng)運(yùn)行模式還是自動(dòng)運(yùn)行模式。如果是手動(dòng)運(yùn)行模式則進(jìn)行手動(dòng)操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作。如果是自動(dòng)運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。手動(dòng)模式主要是解決系統(tǒng)出錯(cuò)或

38、器件出問題。在自動(dòng)運(yùn)行模式中，如果PLC接到頻率上限信號(hào)，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果PLC接到頻率下限信號(hào)，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號(hào)就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)。開始M1電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行延時(shí)5s管網(wǎng)壓力低延時(shí)10sM1工頻M2變頻運(yùn)行延時(shí)5s管網(wǎng)壓力低延時(shí)10sM1、M2工頻M3變頻運(yùn)行延時(shí)5sM1變頻M2停止運(yùn)行延時(shí)10s 管網(wǎng)壓力高延時(shí)5s M1工頻M2變頻M3停止延時(shí)10s管網(wǎng)壓力高管網(wǎng)壓力高管網(wǎng)壓力高圖3-1 PLC程序流程圖3.1.1 手動(dòng)運(yùn)行 當(dāng)按下I1.3手動(dòng)啟動(dòng)按鈕或系統(tǒng)停止按鈕I0.2，根據(jù)需要按下電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的運(yùn)行方式控制按鈕即可控制M1、M2、M3

39、的變頻、工頻運(yùn)行或停止，該控制方式主要應(yīng)用于變頻器的故障檢修。3.1.2 自動(dòng)運(yùn)行 電機(jī)的變頻繼電器和工頻由PLC控制，當(dāng)滿足要求時(shí)，控制泵進(jìn)行升壓和降壓。升壓控制：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)水泵位于三種狀態(tài)（工頻、變頻和停止?fàn)顟B(tài)）之一。開始運(yùn)行時(shí)，供水管道系統(tǒng)內(nèi)沒有壓力，在系統(tǒng)控制下，變頻器開始工作，第一臺(tái)水泵M1啟動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)速度漸漸加快，當(dāng)設(shè)定值與輸出壓力值相等時(shí)，即供水量等于用水量時(shí)，轉(zhuǎn)速才達(dá)到某一穩(wěn)定值，這期間M1調(diào)速運(yùn)行。當(dāng)增加用水量水壓下降時(shí)，經(jīng)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)使水泵達(dá)到設(shè)定速率，在另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速浮動(dòng)；相反用水量降低水壓增大時(shí)，水泵根據(jù)給定的速率漸漸減速至新穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。如果繼續(xù)增加用水量，變頻器輸

40、出頻率上升到工頻時(shí)，水壓還小于預(yù)設(shè)值時(shí)，由PLC切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行；同時(shí)，使第二臺(tái)水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)開始閉環(huán)調(diào)節(jié)水壓，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果繼續(xù)增加用水量，將發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行。降壓控制：當(dāng)降低用水量水壓升高時(shí)，變頻器輸出頻率降為起動(dòng)頻率時(shí)，水壓還比設(shè)定值高，將閉環(huán)調(diào)節(jié)水壓，使壓力重新達(dá)到給定值。當(dāng)繼續(xù)降低用水量，每次當(dāng)起動(dòng)頻率于減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率相等時(shí)，如上轉(zhuǎn)換經(jīng)繼續(xù)進(jìn)行，直到剩下最后一臺(tái)變頻泵運(yùn)行 10。3.2 控制系統(tǒng)梯形圖程序 根據(jù)工廠情況，控制程序設(shè)定了自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行部分，當(dāng)在正常情況下，系統(tǒng)程序根據(jù)壓力傳感器反饋的信息自動(dòng)進(jìn)

41、行模擬量調(diào)節(jié)，變化電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及運(yùn)行方式來保持水壓的恒定。圖3-3是自動(dòng)運(yùn)行調(diào)節(jié)的部分程序，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕I0.1，電動(dòng)機(jī)M1進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài)，通過延時(shí)5S后對(duì)用戶管網(wǎng)進(jìn)行水壓檢測(cè)，當(dāng)用戶管網(wǎng)壓力比較低時(shí)，延時(shí)10S后，電動(dòng)機(jī)M1工頻運(yùn)行，并電動(dòng)機(jī)M2變頻運(yùn)行；當(dāng)壓力傳感器反饋的信號(hào)用戶管網(wǎng)壓力是下限信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入加電動(dòng)機(jī)程序，當(dāng)反饋的是上限時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入減電動(dòng)機(jī)程序執(zhí)行。為了保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)也能正常工作和方便檢修、調(diào)試，設(shè)計(jì)了手動(dòng)運(yùn)行部分，按下手動(dòng)啟動(dòng)按鈕I1.3系統(tǒng)便進(jìn)入手動(dòng)控制狀態(tài)，根據(jù)用戶管網(wǎng)的實(shí)際情況，按下相應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式的控制按鈕，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的工頻運(yùn)行控制和變頻運(yùn)行控

42、制，詳細(xì)程序見附錄。為了防止在系統(tǒng)程序運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)工頻與變頻同時(shí)運(yùn)行，設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行互鎖程序，以便對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成不必要的損失，詳見附錄。總結(jié)通過本次設(shè)計(jì)，解決了工廠恒壓供水的問題，運(yùn)用PLC與變頻器技術(shù)使得小區(qū)的恒壓供水控制質(zhì)量得到改善。采用PLC和變頻器結(jié)合的控制系統(tǒng)，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，使各臺(tái)水泵處于最優(yōu)的運(yùn)行效率，令設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)，消除了大電流的沖擊。降低泵平均的速率來消除水錘效應(yīng)和延長(zhǎng)泵的使用壽命。同時(shí)，也使本人對(duì)大學(xué)所學(xué)的內(nèi)容有了一個(gè)更深的了解。在設(shè)計(jì)中，通過對(duì)以前所學(xué)知識(shí)的運(yùn)用、不斷的查詢資料，使我學(xué)到了很多，也從中體會(huì)到設(shè)計(jì)的樂趣，也更加的明白了變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的實(shí)質(zhì)含義。但由于所學(xué)知識(shí)有限以及缺乏實(shí)際操作，論文中仍然有很多的缺點(diǎn)與不足，因此仍然有待改進(jìn)。本論文研究的是變頻恒壓供水系統(tǒng)。以PLC和變頻器為核心的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，借助于PLC強(qiáng)大而靈活的控制功能和變頻器內(nèi)置的PID優(yōu)良的變頻調(diào)速性能，使恒壓供水的控制得以實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)按實(shí)際需要隨意設(shè)定壓力給定值，根據(jù)壓差反饋調(diào)整水泵的工作情況，實(shí)現(xiàn)