機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：PLC恒壓供水系統(tǒng)專(zhuān) 業(yè) 機(jī)電一體化技術(shù) 班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師2011 年 05月14日 摘要隨著人們對(duì)生活水平要求的不斷提高和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需求；再加上目前能源緊缺，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。利用現(xiàn)有的成熟技術(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)。本文介紹了采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由PLC進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。在經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，通過(guò)PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓變量供水。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠等特點(diǎn)。而本設(shè)計(jì)是針對(duì)居民生活用水而設(shè)計(jì)的。電動(dòng)機(jī)泵組成由

2、三臺(tái)水泵組成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出水口的壓力和流量來(lái)控制變頻器電動(dòng)機(jī)泵的速度和切換，使系統(tǒng)運(yùn)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4變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀4課題來(lái)源及本文的主要研究?jī)?nèi)容5本論文中所做的工作5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(kuò)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(chǔ)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9變頻器的分類(lèi)及工作原理93.2 變頻器硬

3、件選擇103.3 壓力傳感器11第四章系統(tǒng)的設(shè)計(jì)124.1 系統(tǒng)要求12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13主電路圖134.4.2 控制電路圖144.5.系統(tǒng)的運(yùn)行分析154.6 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)16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17程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn)17系統(tǒng)的運(yùn)行分析19致謝21參考文獻(xiàn)22第一章緒論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)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(jìn)的自動(dòng)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(duì)供水系統(tǒng)的新要求。變

4、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(jìn)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(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控;同時(shí)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(jì)該系統(tǒng)，對(duì)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(shí)意義。變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)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(lái)的。在早期，由于國(guó)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(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)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(jī)構(gòu)，為了滿(mǎn)足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外

5、部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)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(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)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制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭

6、載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類(lèi)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(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)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(tái)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(shí)現(xiàn);有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)

7、，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶(hù)的要求。艾默生電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出恒壓供水專(zhuān)用變頻器(5。5kW-22kW)，無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)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(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)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(chǎng)所。 可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)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(jìn)一步研究改

8、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(shí)踐。1.2課題來(lái)源及本文的主要研究?jī)?nèi)容1、課題來(lái)源本課題來(lái)源于生產(chǎn)、生活供水的實(shí)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(duì)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(jìn)一步提高，操作更加簡(jiǎn)捷，故障報(bào)警及時(shí)迅速，同時(shí)具有開(kāi)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(jì)出滿(mǎn)足要求的恒壓供水系統(tǒng)，對(duì)PLC、變頻器、壓力傳感器進(jìn)行選型，根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足控制要求的控制電路和控制程序。1

9、.4恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 恒壓供水泵站一般需沒(méi)多臺(tái)水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺(tái)水泵及電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺(tái)電機(jī)及水泵時(shí)，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時(shí)開(kāi)一臺(tái)大電機(jī)肯定是浪費(fèi)的電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水會(huì)不足。而且水泵與電機(jī)都有維修的時(shí)候，備用是必要的。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(jī)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(jī)供電。這也有兩種配置方案，一是為每臺(tái)水泵電機(jī)配一臺(tái)變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變頻器間不須切換，但購(gòu)變頻器的費(fèi)用較高。另一種方案是數(shù)臺(tái)電機(jī)配一臺(tái)變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行。其余水泵工頻運(yùn)行，以滿(mǎn)足不同用水量的需求

10、。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(yuǎn)，用水地點(diǎn)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(shí)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(gè)泵站，水壓的設(shè)定值可能不止一個(gè)，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(lái)的管網(wǎng)水壓的實(shí)測(cè)值。管網(wǎng)實(shí)測(cè)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(diǎn)。(3)根據(jù)結(jié)定值與實(shí)測(cè)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(hào)。調(diào)節(jié)器接收了水壓的實(shí)測(cè)反饋信號(hào)后，將它與結(jié)定值比較，得到給定值與實(shí)測(cè)值之差。如給定

11、位大于實(shí)際值，說(shuō)明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這些都由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)控制。為了實(shí)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(gè)調(diào)節(jié)規(guī)律問(wèn)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(chēng)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(guò)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(lèi)，以微計(jì)算機(jī)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(hào)一般是模擬信號(hào)，420mA變化的電流信號(hào)或010V間變化的電壓信號(hào)。信號(hào)的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅(qū)動(dòng)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

12、頻器。第二章 PLC功能選擇及應(yīng)用2.1 PLC模擬量擴(kuò)展單元的配置及應(yīng)用 PLC的普通輸入輸出端口均為開(kāi)關(guān)量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見(jiàn)的方法是為整體式PLC加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)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(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為機(jī)外所需的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨(dú)用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨(dú)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，可以用于恒壓供水控制中。2模擬量輸入模塊的功能及與PLC系統(tǒng)的連接FX-4AD

13、4模擬量輸入模塊具有4個(gè)通道，可同時(shí)接受并處理4路模擬量輸入信號(hào)， 最大分辨率為12位。輸入信號(hào)可以是-10+10V的電壓信號(hào)（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(hào)。模擬量信號(hào)可通過(guò)雙絞屏蔽電纜接入，連接及方法如圖2-1所示，當(dāng)使用電流輸入時(shí)，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(shí)裝在FX基本單元的右邊，將總線(xiàn)連接器接入左側(cè)單元的總線(xiàn)插孔中。FX系列可編程控制器中，與PLC連接的特殊功能擴(kuò)展模塊位置從左至右依次編號(hào)（擴(kuò)展單元不所示。占編號(hào)），如圖4-所示FX-4AD將消耗基本單元

14、或電源擴(kuò)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模擬量輸入模塊緩沖存儲(chǔ)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(chǔ)器(簡(jiǎn)稱(chēng)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(gè)緩沖存儲(chǔ)器，但目前只使用了以下21個(gè)BFM：L1FX-32MR A/D FX-8EX A/D D/A FX基本單元 #0 #1 #22-1特殊功能模塊2 模擬量輸出模塊的功能及PLC系統(tǒng)連接FX-2DA模塊用來(lái)將12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模

15、擬電壓或電流輸出。它具有2個(gè)模擬量輸出通道。這兩個(gè)通道都可以輸出010VVDC(分辨率2。5mV)、05DVC（分辨率1。25mV）的電壓信號(hào)，或420Ma(分辨率為4A)的電流信號(hào)。模擬量輸出可通過(guò)雙絞屏蔽電纜與驅(qū)動(dòng)負(fù)載相連，當(dāng)使用電壓輸出時(shí)，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(shí)裝在FX基本單元的右邊。FX-2DA將消耗基本單元或電源擴(kuò)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(shí)間為4ms/通道。第三章

16、變頻器和壓力傳感器交流變頻器是微計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代電力電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計(jì)算機(jī)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(guó)是每秒50Hz。而交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。 （3-1）式中-同步轉(zhuǎn)速，r/min； -定子頻率，Hz； -電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 （3-2）式中-異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率，一般小于3%。均與送入電機(jī)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(jī)的運(yùn)行速度，也就是說(shuō)變頻對(duì)于交流電機(jī)的調(diào)運(yùn)來(lái)說(shuō)是十分合適的。變頻器的分類(lèi)及工作原理變頻器的較詳細(xì)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

17、方式分類(lèi)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(dòng)機(jī)，出于電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)恒定的考慮，在變頻的同時(shí)都要伴隨著電壓的調(diào)節(jié)?？刂朴捎诤雎粤穗妱?dòng)機(jī)漏阻抗的作用，在低頻段工作特性不理想。因而實(shí)際變頻器中采用控制。采用控制方式的變頻器通常被稱(chēng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速角度看，這是一種以電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度加上該速度下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率確定變頻器的輸出頻率的控制方式。更重要的是，在=常數(shù)的條件下，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)差率的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)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）

18、矢量控制。矢量控制是受調(diào)速性能優(yōu)良的直流電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)電流及轉(zhuǎn)矩電流可分別控制啟發(fā)而設(shè)計(jì)的一種控制方式。矢量控制將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流采用矢量分解的方法，計(jì)算出定子電流的磁場(chǎng)分量及轉(zhuǎn)矩分量，并分別控制，從而大大提高了變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)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(chēng)為高功能變頻器。通用變頻器按工作方式分類(lèi)的主要工程意義在于各類(lèi)變頻器對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性。普通功能型變頻器適用于泵類(lèi)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。3.2 變頻器硬件選擇根據(jù)設(shè)計(jì)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-A50

19、0產(chǎn)品，適配電機(jī)15 kW，該變頻器基本配置中帶有PID功能。通過(guò)變頻器面板設(shè)定一個(gè)給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來(lái)的壓力信號(hào)(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(shí)測(cè)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(cè)輸出信號(hào)端，該信號(hào)進(jìn)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(guò)面板可以設(shè)定。MA、MC為變頻器發(fā)生故障的輸出信號(hào)，該兩端連接信號(hào)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(dòng)變頻器。S1和S2短接，并與S3連接到P

20、LC的輸出點(diǎn)上，由PLC控制變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷；U、V、W輸出端并聯(lián)三個(gè)接觸器分別接M1、M2、M3泵電機(jī)，變頻器可分別驅(qū)動(dòng)三臺(tái)泵，另外這三臺(tái)泵電機(jī)還通過(guò)另外三個(gè)接觸器并聯(lián)到工頻電源上，這6個(gè)接觸器線(xiàn)包連接到PLC的四個(gè)輸出點(diǎn)上，由PLC控制其工頻、變頻切換工作。通過(guò)變頻器面板設(shè)定一個(gè)給定頻率作為壓力給定值(14端)，壓力傳感器反饋來(lái)的壓力信號(hào)(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(shí)測(cè)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(hào)進(jìn)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(yùn)行。變頻器有2個(gè)

21、作用，一是作為電機(jī)的軟起動(dòng)裝置，限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流；二是改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)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(xiàn)圖。R S TS1 US2 VS3 W FR-A500FIFCM1 接PLC接PLC 接指示燈接電機(jī)380V78圖3-1 日本三菱變頻器FR-A500在電路中的接線(xiàn)圖3.3 壓力傳感器在智能系統(tǒng)中檢測(cè)是非常重要的一部分，它將檢測(cè)到控制量反饋給系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，給系統(tǒng)所用的檢測(cè)的是水壓，這個(gè)系統(tǒng)中選用壓力傳感器，它的作用是通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成420mA變化的電流信號(hào)或010V間變化的電壓信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC的

22、端口進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一個(gè)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(guò)一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過(guò)PLC控制切換器進(jìn)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(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)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(hù)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(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。供水系統(tǒng)的壓強(qiáng)是，下面單位都是估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單位，g=9.8，一般情況下，h<60米，所以本系統(tǒng)供水系

23、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(diǎn)式的壓力傳感器，其水壓檢測(cè)范圍為01MPa，檢測(cè)精度為土0.01MPa，該傳感器將01MPa范圍的壓力對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成010V的電信號(hào)。該傳感器還具有體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)。第四章系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)要求對(duì)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(shí)，系統(tǒng)低恒壓值遠(yuǎn)行，消防供水時(shí)高桓壓值遠(yuǎn)行。 (2)三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要采取“先開(kāi)先?！钡脑瓌t接人和退出。 (3)在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3h，則要切換下即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 (4)三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)都要

24、有軟啟動(dòng)功能。(5)要有完善的報(bào)警功。(6)對(duì)泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。 控制系統(tǒng)的I/O及地址分配 將系統(tǒng)所有的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)統(tǒng)一進(jìn)行編址，該系統(tǒng)有7個(gè)輸入信號(hào)和13個(gè)輸出信號(hào)，表4-1是將控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱(chēng)、代碼及地址編號(hào)。水位上下限信號(hào)分別為X1、X2它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為0，時(shí)為1。 名 稱(chēng)代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)手動(dòng)和自動(dòng)消防信號(hào)SA1X0水池水位下限信號(hào)SLLX1水池水位上限信號(hào)SLHX2變頻器報(bào)警信號(hào)SUX3消鈴按鈕SB9X4試燈按鈕SB10X5遠(yuǎn)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(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1,HL1Y0

25、1#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2,HL2Y12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3,HL3Y22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4,HL4Y33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5,HL5Y43#泵變頻運(yùn)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(bào)警指示燈HL7Y11變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Y12火警報(bào)警指示燈HL9Y13報(bào)警電鈴HAY14變頻器頻率復(fù)位控制KAY15控制變頻器頻率用電壓信號(hào)Uf模擬量輸入模塊電流通道表4-1輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào) PLC系統(tǒng)選型從上面分析可以知道，系統(tǒng)共有開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)、開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)12個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)、模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)

26、。選用FX-32MR主機(jī)一臺(tái)，加上一個(gè)模擬量輸入擴(kuò)展模塊FX-4N，再擴(kuò)展一個(gè)模擬量輸出擴(kuò)展模塊FX-2N。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個(gè)PLC系統(tǒng)的配置如圖4-2所示。主機(jī)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。主電路圖如圖4-2所示為電控系統(tǒng)的主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；電機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行；FRl、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載

27、保護(hù)用的熱繼電器：QS1、QS2、QS3、QS4別為變頻器和三合泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)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4-3電控系統(tǒng)主電路控制電路圖如圖4-3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，SA打在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀

28、態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SBlSB8控制三臺(tái)泵的啟/停和電磁閥YV2的通斷；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對(duì)變頻器R進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)干觸點(diǎn)信號(hào)，由于PM為4個(gè)輸出點(diǎn)為一組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒(méi)有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過(guò)一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器實(shí)行復(fù)頻控制。2.1 手動(dòng)運(yùn)行按下按鈕啟動(dòng)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(shí)用。2.2 自動(dòng)運(yùn)行合上自動(dòng)開(kāi)關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從0 Hz上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶詨毫鞲衅鞯臉?biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比

29、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(duì)2#泵進(jìn)行變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類(lèi)推；如用水量減小，從先啟的泵開(kāi)始減，同時(shí)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(yùn)行。若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)；待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式啟動(dòng)1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。變頻自動(dòng)功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)多臺(tái)泵軟起動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的全部操作過(guò)程。4.5.系統(tǒng)的運(yùn)行分析（1）設(shè)備控制3臺(tái)水泵電機(jī)低峰供水時(shí)，工作一臺(tái)水泵電機(jī)變頻調(diào)速,用水量加大時(shí)，首臺(tái)工作水泵由低速向高速調(diào)頻，當(dāng)工作頻率達(dá)到50

30、 Hz即水泵滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)仍不能滿(mǎn)足用水要求時(shí)，將首臺(tái)工作水泵切換至工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，變頻調(diào)速器控制第二臺(tái)水泵調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)工作2臺(tái)水泵。如用水量進(jìn)一步增加，第二臺(tái)水泵切換至工頻運(yùn)轉(zhuǎn),變頻調(diào)速器控制第三臺(tái)水泵調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)工作3臺(tái)水泵。供水量減少時(shí)，調(diào)速工作水泵首先由高頻段向低頻段調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵工作頻率達(dá)到柜內(nèi)微機(jī)控制器預(yù)先設(shè)定的下限工作頻率而實(shí)測(cè)水壓仍高于水壓設(shè)定值時(shí)，直接停止首臺(tái)工作水泵，第二臺(tái)泵工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，第三臺(tái)泵調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn)保持系統(tǒng)水壓恒定，如2臺(tái)水泵同時(shí)工作實(shí)際水壓仍高于設(shè)定值，直接停止工頻運(yùn)轉(zhuǎn)水泵，第三臺(tái)調(diào)頻運(yùn)轉(zhuǎn)保持系統(tǒng)水壓恒定。（2）安全問(wèn)題在軟件方面設(shè)置多個(gè)保護(hù)環(huán)節(jié)，時(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，安全報(bào)警

31、等。硬件方面設(shè)置安全鏈機(jī)械保護(hù)，經(jīng)多個(gè)閉合觸點(diǎn)組成，包括緊急停車(chē)，壓力超上下限開(kāi)關(guān)，水位超上下限開(kāi)關(guān)，電機(jī)過(guò)熱保護(hù)繼電器，空載保護(hù)等。安全鏈多個(gè)觸點(diǎn)均為常閉觸點(diǎn)，其中任一觸點(diǎn)斷開(kāi)，安全鏈即失效，系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)。須排除故障，系統(tǒng)才能進(jìn)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(jì)硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)合前述泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)分折如下：由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理前邊已經(jīng)說(shuō)過(guò)，為了恒定水壓，在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)泵工作不能滿(mǎn)足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)泵或第三臺(tái)泵。判斷需啟動(dòng)新泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限

32、值。這一功能可通過(guò)比較指令實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中考慮采取時(shí)間濾波。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(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個(gè)管理規(guī)范。在該系統(tǒng)中，控制要求中規(guī)定任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過(guò)3h，因此每次需啟動(dòng)新泵或切換變額泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。具體的操作時(shí)，將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻泵從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，本例中使用泵號(hào)加1的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制(3再

33、加1等于0)，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)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(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都在主程序。生活及消防雙恒壓的兩個(gè)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(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿(mǎn)量程的70，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿(mǎn)量程的90。在本系統(tǒng)PID中，只是用了比

34、例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可通過(guò)工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益和時(shí)間常數(shù)) 積分時(shí)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(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制D102壓力給定值T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D104PI計(jì)算值M10故障結(jié)束脈沖信號(hào)D11比例系數(shù)M11泵變頻啟動(dòng)脈沖D111采樣時(shí)間M12減泵中間繼電器D112積分時(shí)間M13倒泵變頻啟動(dòng)脈沖D113微分時(shí)間M14復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖D114變頻運(yùn)行頻率下限值M15當(dāng)前泵運(yùn)行啟動(dòng)脈沖D115生活供水變頻運(yùn)行上限值M16新泵變頻啟動(dòng)脈沖D116消防供水變頻運(yùn)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(chǔ)單元M21泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D180變頻工作泵泵號(hào)M22泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制D182變頻工作泵的總臺(tái)數(shù)M30故障信號(hào)匯總D184倒泵時(shí)間存儲(chǔ)器M31水池水位下限故障邏輯D190工頻/變頻轉(zhuǎn)換