基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(共29頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘要隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)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(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)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(shì)本文主要針對(duì)當(dāng)前供水系統(tǒng)中存在的自動(dòng)化程度不高、能耗嚴(yán)重、可靠性低的缺點(diǎn)加以研究，設(shè)計(jì)出一種在這三個(gè)方面都有所提高的PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。恒壓變頻供水系統(tǒng)是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的節(jié)能型供水系統(tǒng)。本文通過對(duì)供水系統(tǒng)運(yùn)行特征及工作狀態(tài)的分析，闡述了系統(tǒng)的節(jié)能原理，介紹了系統(tǒng)的基本構(gòu)成及特點(diǎn)。并從實(shí)際出發(fā)，通過對(duì)PLC，變頻器，離心水泵等原理的介紹，闡述了整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的理論基

2、礎(chǔ)，通過具體編制PLC程序，實(shí)現(xiàn)了較好的控制要求。本文所做的研究對(duì)同類系統(tǒng)的研究和再開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：恒壓供水，變頻調(diào)速，PLC控制1 緒論1.1 課題背景隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品

3、質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣

4、，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。(2)用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。(3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運(yùn)行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以

5、認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)時(shí)變化的。(5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等)時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。(6)水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號(hào)或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等功能。(7)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電

6、網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。1.2 課題研究的對(duì)象圖1 供水流程簡圖此次設(shè)計(jì)研究的對(duì)象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。這棟樓有10層，由于高層樓對(duì)水壓的要求高，在水壓低時(shí)，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時(shí)將造成能源的浪費(fèi)。如圖2.1所示，是這棟小樓的供水流程。自來水廠送來的水先儲(chǔ)存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個(gè)用戶。2 基于PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其工作原理2.1 硬件系統(tǒng)圖 2.1 供水系統(tǒng)原理框圖如圖2.1所示，整個(gè)系統(tǒng)由三臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速器，一臺(tái)PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。

7、三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺(tái)泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測(cè)管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋05V電壓信號(hào))或壓力變送器(反饋420mA電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速、無波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、以及報(bào)警裝置等部分組成。(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖2.3中的3個(gè)水泵分為二種類型:調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓

8、恒定。恒速泵:水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對(duì)供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。(2)信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括自來水出水水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào):水壓信號(hào):它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常。該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。(3)控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信

9、息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。 (4)報(bào)警裝置作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量

10、進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失2.2 工作原理合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。將手動(dòng)、自動(dòng)開關(guān)打到自動(dòng)上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動(dòng)變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實(shí)際值(來自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號(hào)給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號(hào)及預(yù)先設(shè)定好的加速時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限，會(huì)將頻率到達(dá)信號(hào)送給PLC，PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號(hào)和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號(hào)，由程序判斷是否

11、要起動(dòng)第2臺(tái)泵(或第3臺(tái)泵)。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動(dòng)下1臺(tái)泵變頻運(yùn)行。此時(shí)PID會(huì)繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。增泵工作過程：假定增泵順序?yàn)閘、2、3泵。開始時(shí)，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連

12、接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與2泵電機(jī)連接， 控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運(yùn)行，控制3泵投入變頻運(yùn)行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺(tái)水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時(shí)，當(dāng)最后一臺(tái)正在運(yùn)行的主泵處于低速運(yùn)行時(shí)，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動(dòng)輔泵投入調(diào)速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能效果。2.4 主電路接線圖

13、圖2.2 主電路圖電機(jī)有兩種工作模式即：在工頻電下運(yùn)行和在變頻電下運(yùn)行。KM1、 KM3、 KM5 分別為電動(dòng)機(jī)M1 、M2 、M3 工頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器，KM0、 KM2 、KM4 分別為電動(dòng)機(jī)M1、M2、 M3 變頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器。熱繼電器(FR)是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中的用作電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。熔斷器（FU）是電路中的一種簡單的短路保護(hù)裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過載。3 器件的選型及介紹3.1 可編程控制器3.1.1簡介PLC可編程控制器是60年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起

14、來的，當(dāng)時(shí)稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC。可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器是一種用弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)的電磁開關(guān)，但在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除非常困難，不適應(yīng)于工藝要求發(fā)生變化的場(chǎng)合。由此，產(chǎn)生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)，用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，是簡單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制器，是當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一?？删幊炭刂破骶哂胸S富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，但它的產(chǎn)品并不針對(duì)某一具

15、體工業(yè)應(yīng)用，其靈活標(biāo)準(zhǔn)的配置能夠適應(yīng)工業(yè)上的各種控制。在實(shí)際應(yīng)用中，其硬件可根據(jù)實(shí)際需要選用配置，其軟件則需要根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖可編程邏輯控制器，采用的是計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，最初主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。隨著微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)自動(dòng)化控制愈來愈高的需求，PLC無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高?，F(xiàn)在的PLC已不只是開關(guān)量控制，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。美國電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)將其正式命名為可編程控制器(Programmable Co

16、ntroller)，簡稱PC，但是為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)(Persona1 Computer)的簡稱PC相區(qū)別，人們常常把可編程控制器仍簡稱為PLC。事實(shí)上與所有的器件一樣，PLC本身也有其局限性，它無法向操作者顯示動(dòng)態(tài)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，無法進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉(zhuǎn)化，尤其是當(dāng)系統(tǒng)工藝改變時(shí)，無法方便、快速地改變相關(guān)參數(shù)、配方。因此，在現(xiàn)今的稍微復(fù)雜一些的控制系統(tǒng)中，PLC通常與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)完整的控制功能。3.1.2 PLC的特點(diǎn)現(xiàn)代可編程控制器不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量的邏輯控制，還具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)處理、運(yùn)動(dòng)控制、模擬量PID控制、通信網(wǎng)絡(luò)等功能。在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的

17、應(yīng)用在所有的工業(yè)部門，其應(yīng)用已擴(kuò)展到樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、商業(yè)、公用事業(yè)、測(cè)試設(shè)備和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1）編程方法簡單易學(xué)2）功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)4）無觸點(diǎn)免配線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)5）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少6）維修工作量小，維修方便 7）體積小，能耗低。3.1.3 PLC的工作過程圖3.2 PLC的掃描工作過程PLC是在系統(tǒng)軟件的控制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過程就是程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段，如圖3.2所示。PLC在I/O處理方面必須遵守的規(guī)則如下：輸入

18、映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個(gè)刷新時(shí)間的狀態(tài)；程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)；輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個(gè)刷新時(shí)間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定；輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。3.1.4 PLC的選型水泵M1、M2，M3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需PLC的6個(gè)輸出點(diǎn)，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由PLC的1個(gè)輸出點(diǎn)，控制變頻器使電機(jī)正轉(zhuǎn)需1個(gè)輸出信號(hào)控制，報(bào)警器的控制需要1個(gè)輸出點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)量一共9個(gè)。控制起動(dòng)和停止需要2個(gè)輸入點(diǎn)，變頻器極限頻率的

19、檢測(cè)信號(hào)占用PLC2個(gè)輸入點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)起動(dòng)需1輸入點(diǎn)，手動(dòng)控制電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行需6個(gè)輸入點(diǎn)，控制系統(tǒng)停止運(yùn)行需1個(gè)輸入點(diǎn)，檢測(cè)電機(jī)是否過載需3個(gè)輸入點(diǎn)，共需15個(gè)輸入點(diǎn)。系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)量共為24個(gè)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用FXos-30MR-D型PLC。3.1.5 PLC的I/O端子分配I/O地址硬件器件及接線端子地址功能解釋輸入X0按鈕SB8啟動(dòng)按鈕X1按鈕SB9停止按鈕X2接變頻器FU端子設(shè)定頻率上限X3接變頻器0L端子設(shè)定頻率下限X4FR1常開觸點(diǎn)M1過載信號(hào)X5FR2常開觸點(diǎn)M2過載信號(hào)X6FR3常開觸點(diǎn)M3過載信號(hào)X7按鈕SB1M1工頻運(yùn)行X10按鈕SB2M1變頻運(yùn)行X11按鈕

20、SB3M2工頻運(yùn)行 X12按鈕SB4M2變頻運(yùn)行X13按鈕SB5M3工頻運(yùn)行X14按鈕SB6M3變頻運(yùn)行X15按鈕SB7自動(dòng)/手動(dòng)X16 按鈕SB10手動(dòng)變頻器啟動(dòng)輸出Y0KM0線圈M1變頻運(yùn)行控制Y1KM1線圈M1變頻運(yùn)行控制Y2KM2線圈M2變頻運(yùn)行控制Y3KM3線圈M2變頻運(yùn)行控制Y4KM4線圈M3變頻運(yùn)行控制Y5KM5線圈M3變頻運(yùn)行控制Y6KM6線圈啟動(dòng)變頻器Y7接變頻器STF端子正轉(zhuǎn)控制表3.1 I/0端口分配表3.1.6 PLC的接線端子接線 圖3.3 PLC接線端子分配 Y0接KM0控制M1的變頻運(yùn)行，Y1接KM1控制M1的工頻運(yùn)行；Y2接KM2控制M2的變頻運(yùn)行，Y3接KM3

21、控制M2的工頻運(yùn)行；Y4接KM4控制M3的變頻運(yùn)行，Y5接KM5控制M3的工頻運(yùn)行。X0接起動(dòng)按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口，X4接M1的熱繼電器，X5接M2的熱繼電器，X6接M3的熱繼電器。為了防止出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)既接工頻電又接變頻電設(shè)計(jì)了電氣互鎖。在同時(shí)控制M1電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對(duì)方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號(hào)3.2 變頻器3.2.1變頻器的構(gòu)成通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO作逆變?cè)┙o異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此

22、電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對(duì)于需要更精密速度或快速響應(yīng)的場(chǎng)合，運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)出來的信號(hào)和保護(hù)電路信號(hào)，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等圖3.4 變頻器的構(gòu)成1.主電路給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖3.5所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，有時(shí)要附加“制

23、動(dòng)回路”。 整流器最近大量使用的是二極管的交流器，圖3.5所示，它把工頻電源變換為直流電源。可用兩組晶體管交流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。 平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電壓吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 逆變器同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號(hào)使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。制動(dòng)回路異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)（

24、轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量儲(chǔ)存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動(dòng)機(jī)）慣量積蓄的能量比電容能儲(chǔ)存的能量大，需要快速制動(dòng)時(shí)，可用由逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動(dòng)回路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。圖3.5 典型的電壓型逆變器一例2.控制電路給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，稱為控制電路。如圖3.4所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓/電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”。在圖3.4點(diǎn)劃線內(nèi)，僅以控制電路A部分構(gòu)

25、成控制電路時(shí)，無速度檢測(cè)電路，為開環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速度檢測(cè)電路，即增加了速度指令，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制?？刂齐娐分饕ǎ哼\(yùn)算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、功率。 電壓/電流檢測(cè)電路與主電路電位隔離，檢測(cè)電壓、電流等。 驅(qū)動(dòng)電路為驅(qū)動(dòng)主電路 器件的電路。它使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 速度檢測(cè)電路以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸上的速度檢測(cè)器（TG、PLG等）的信號(hào)為速度信號(hào)送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 保護(hù)電路檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)

26、機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護(hù)回路主要包括：（1）逆變器保護(hù)1）瞬時(shí)過電壓保護(hù)。由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達(dá)到異常值（超過容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達(dá)到異常值，也同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。2）過載保護(hù)。逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達(dá)規(guī)定的時(shí)間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時(shí)限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護(hù)（使用電子電路）。過負(fù)載是由于負(fù)載的GD2（慣性）過大或因負(fù)載過大使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。3）再生過電壓保護(hù)。采用逆變器使電動(dòng)機(jī)快速減速時(shí)，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時(shí)超過容許值?？?/p>

27、以采取停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過電壓。4）瞬時(shí)停電保護(hù)。對(duì)于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時(shí)停電，控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電時(shí)間在10ms以上時(shí)，通常會(huì)使控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。5）接地過電流保護(hù)。逆變器負(fù)載側(cè)接地時(shí)，為了保護(hù)逆變器，有時(shí)要有接地過電流保護(hù)功能。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設(shè)漏電斷路器。6）冷卻風(fēng)機(jī)異常。有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置，但風(fēng)機(jī)異常時(shí)裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。（2）異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)1）過載保護(hù)。過載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過熱時(shí)，在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利

28、用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來檢出過熱。動(dòng)作頻繁時(shí)可以考慮減輕電動(dòng)機(jī)負(fù)載、增加電動(dòng)機(jī)及逆變器容量等。2）超頻（超速）保護(hù)。逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機(jī)的速度超過規(guī)定值時(shí)，停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）其他保護(hù)1）防止失速過電流。急加速時(shí)，如果異步電動(dòng)機(jī)跟蹤遲緩，則過電流保護(hù)電路動(dòng)作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速）。所以，在負(fù)載電流減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對(duì)于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過電流，也進(jìn)行同樣的控制。2）防止失速再生過電壓。減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護(hù)電路動(dòng)作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。3.2.2 變頻器的特點(diǎn)變頻器

29、具有過壓、欠壓、過流、過載、短路、失速等自動(dòng)保護(hù)功能。能實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)，減小電氣和機(jī)械沖擊噪音，延長設(shè)備使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):1節(jié)能：變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備使整個(gè)供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達(dá)35%60% ，這一特點(diǎn)已被廣大用戶所認(rèn)識(shí)并帶來效益2占地面積小，投人少，效率高：設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊占地面積少維護(hù)方便維護(hù)費(fèi)用低投資省安裝快如僅供幾棟居民樓生活用水的小型供水設(shè)備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方即可安裝3配置靈活，功能齊全，自動(dòng)化程度高。4由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，大大降低水質(zhì)污染的可能性：眾所周知南方氣候炎熱潮濕細(xì)菌和微生物極易繁殖

30、和滋生尤其是高位水箱很容易生紅蟲必須定期清洗改用變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備后只需一個(gè)低位水箱原來也有將水質(zhì)污染降到最低限度。5通過通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人力物力3.2.2 變頻器的選型根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)選用FR-A540系列變頻器，如下圖所示：圖3.6 FR-A540的管腳說明3.2.3 變頻器的接線管腳STF接PLC的Y7管腳，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)。X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口。頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號(hào)。圖3.7變頻器接線圖3.3 PID調(diào)節(jié)器僅用P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般

31、采用增加I動(dòng)作的PI控制。用PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動(dòng)等引起的偏差。但是， I動(dòng)作過強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用P動(dòng)作控制。對(duì)于PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú)D動(dòng)作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時(shí)，P動(dòng)作的作用減小?？刂茖?duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使P動(dòng)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(dòng)作用的負(fù)載。利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合P動(dòng)作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PI

32、D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。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng)(即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié))效果比較好圖3.8 PID控制框圖通過對(duì)被控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)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(jìn)行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也就是使反饋量與日標(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:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時(shí)只需

33、要進(jìn)行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標(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(或單片機(jī))上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。圖3.9 PID控制接線圖變頻器端子現(xiàn)場(chǎng)器件與接線端子參數(shù)預(yù)置注釋STFPLC的Y7端子正轉(zhuǎn)起動(dòng)RTPLC的COM端SDPLC的COM端輸入公共端4直流電源輸入電源輸入FUPLC的X2端子頻率檢測(cè)OLPLC的X3端子過負(fù)荷SEPLC的COM端集電極開路輸出公共端5直流電源輸出模擬信號(hào)公共端表3.2 變頻器接線及功能設(shè)定3.4壓力傳感器的接線圖壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對(duì)壓力傳

34、感器。改傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的力電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號(hào)調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時(shí)，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號(hào)調(diào)理電路將輸出的電壓信號(hào)作放大處理，同時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。該傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560 ，供電電源為28±3V（DC）。圖3.10 壓力傳感器的接線圖3.5元件表水泵：M1、M2選用40-160(I)A型，M3選用40-160(I)型，參數(shù)見表3.1所示。 熱繼電器的選擇：選用最小的熱繼電器作為電機(jī)的過載保護(hù)熱繼電器FR，F(xiàn)R1 FR2可選用規(guī)格其型號(hào)為TK

35、-E02T-C，額定電流58A，F(xiàn)R3可選用規(guī)格其型號(hào)為TK-E02U-C，額定電流為69 A熔斷器的選擇：在控制回路中熔斷器FU選用RT18系列。接觸器的選擇：對(duì)于接觸器KM選擇的是規(guī)格SC-E03-C,功率3Kw按鈕SB的選擇：PLC各輸入點(diǎn)的回路的額定電壓直流24V，各輸入點(diǎn)的回路的額定電流均小于40mA，按鈕均只需具有1對(duì)常開觸點(diǎn)，按鈕均選用LAY311型，其主要技術(shù)參數(shù)為：UN=24VDC，IN=0.3A，含1對(duì)常開和1對(duì)常閉觸點(diǎn)。表3.3元件清單元件符號(hào)型號(hào)個(gè)數(shù)可編程控制器PLCFXos-30MR-D1變頻器FR-A540系列5.5型1接觸器KMSC-E03-C7水泵M1,M240

36、-160(I)A2M340-160(I)1閘刀開關(guān)QSHD11-100/181熔斷器FU1，F(xiàn)U2RT18 6A2FU3RT18 8A1熱繼電器FR1 FR2TK-E02T-C2FR3K-E02U-C1按鈕SBLAY31110水泵符號(hào)型號(hào)流量(m3/h)揚(yáng)程(m)轉(zhuǎn)速(r/min)電機(jī)功率(kw)M1,M240-160(I)A112829002.2M340-160(I)12.53229003.0表3.4水泵的參數(shù)變頻器適用電機(jī)容量（KW)輸出額定容量(KVA)輸出額定電流（A）過載能力電源額定輸入交流電壓/頻率冷卻方式FR-A540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200%

37、 0.5s (反時(shí)限特性)3相，380V至480V 50Hz/60Hz強(qiáng)制風(fēng)冷表3.5 變頻器的參數(shù)4 PLC控制及編程4.1 PLC控制PLC在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進(jìn)行工頻變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖4.1所示。圖4.1 PLC程序流程圖系統(tǒng)起動(dòng)之后，檢測(cè)是自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(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)。4.1.1 手動(dòng)運(yùn)行當(dāng)按下SB7按鈕