基于PLC變頻器通訊恒壓供水系統(tǒng)

1、基于PLC與變頻器通信方式閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)-基于PLC和變頻器串行通訊的變頻恒壓供水系統(tǒng)董小丹摘 要：隨著社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展，人們對供水質(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，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高性能、高節(jié)能、能適應不同領域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢。本論文分析變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出不同的控制方案，通過研究和比較，本論文采用變頻器和PLC實現(xiàn)恒壓供水和數(shù)據(jù)傳輸，然后用數(shù)字PID對系統(tǒng)中的恒壓控制進行設計。最后對系統(tǒng)的軟硬件設計進行了詳細的介紹。具體講述了系統(tǒng)的總體設計與軟件的實現(xiàn)，并對系統(tǒng)采取的可靠性措施進行了說明。本論文的變頻

2、恒壓供水系統(tǒng)已在國內(nèi)許多實際的供水控制系統(tǒng)中得到應用，并取得穩(wěn)定可靠的運行效果和良好的節(jié)能效果。經(jīng)實踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實時性，極大地提高了供水的質(zhì)量，并且節(jié)省了人力，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。關鍵字：變頻調(diào)速；恒壓供水；PLC；監(jiān)控系統(tǒng) 引言介紹了一種基于PLC和變頻器采用串行總線方式通訊的變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，在用水低谷時投入小流量泵，降低電能損耗。變頻器故障時仍能自動運行，保證不間斷供水，同時故障消除后能自啟動，實現(xiàn)無人值守全自動運行。在居民生活用水、工業(yè)用水、各類自來水廠、油田、油庫、鍋爐定壓供熱和

3、恒壓補水噴淋及消防等供水系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設備，不但占地面積和設備投資大，維護困難，且不能滿足高層建筑、工業(yè)、消防等高水壓、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的隨機性，采用傳統(tǒng)方法難以保證供水的實時性，且水泵的選取往往是按最大供水量來確定，而高峰用水時間較短，這樣水泵在很長一段時間內(nèi)有較大余量，不僅水泵效率低，供水壓力不穩(wěn)，而且造成大量電力浪費。這里介紹一種由可編程控制器控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，它既能解決人工操作的繁雜勞動和精神壓力，又能節(jié)約能源。一、系統(tǒng)介紹 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏顯示器、變頻調(diào)速器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器等其

4、它電控設備以及3臺水泵（水泵數(shù)量可以根據(jù)需要設置）和一臺小流量泵等構(gòu)成，如圖1所示。在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測出水壓力，在蓄水池安裝液位變送器，PLC具有模擬量輸入檢測模塊，檢測壓力變送器和液位變送器輸出的4-20mA信號，將檢測的壓力信號與設定的壓力信號經(jīng)過PID運算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，這樣就構(gòu)成了以設定壓力為基準的壓力閉環(huán)系統(tǒng)；自動檢測水池水位信號與設定的水位低限比較，輸出水位低報警信號或直接停機。觸摸屏顯示器可以顯示電源電壓、電流、變頻器輸出頻率、實際供水壓力和設定供水壓力和各泵的工作狀態(tài)等信息；可以通過觸摸屏在線修改設定供水壓

5、力和控制水泵的運行。該系統(tǒng)還設有多種保護功能，尤其是強電邏輯硬件互鎖功能，從而保證正常供水，且可以做到無人值守。隨著變頻技術的發(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)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(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)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產(chǎn)品質(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

6、以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，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、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。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合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點:(一)、供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻

7、器也存在一定的滯后效應。(二)、用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時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)是一個線性系統(tǒng)。(三)、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)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。(四)、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行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(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，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。

8、(五)、當出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。(六)、水泵的電氣控制柜，其有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。(七)、用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉(zhuǎn)

9、速沖擊，延長了設備的使用壽命。圖1二、工作原理 該系統(tǒng)具有手動和自動兩種運行方式： 手動運行方式 選擇此方式時，按啟動按鈕泵或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各水泵。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。 自動運行方式 1.啟動程序 在自動運行方式下開始啟動運行時，首先檢測水池水位，若水池水位符合設定水位要求，1#泵變頻交流接觸器吸合，電機與變頻器連通，變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋PLC，由PLC經(jīng)PID運算后控制變頻器的頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時一定時間后，將1#泵切換為工頻，2#泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動2#水泵，頻率逐漸上升，

10、直至出水壓力達到設定壓力，依次類推增加水泵。 2.水泵切換程序 如用水量減小，出水壓力超過設定壓力，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定值（水泵出水頻率，一般為25Hz），而出水壓力仍高于設定壓力值時，PLC開始計時，若在一定時間內(nèi)，出水壓力降低到設定壓力，PLC放棄計時，繼續(xù)變頻調(diào)速運行；若在一定時間內(nèi)出水壓力仍高于設定壓力，根據(jù)先投先停的原則，PLC將停止正在運行的水泵中運行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達到設定值。 3.啟動小流量泵 對于居民生活供水或其它用水時段性較強的供水系統(tǒng)，可設置一臺小流量水泵。例如在晚上12點到凌晨5點，居民生活

11、用水很少，一臺30kW的水泵為了維持供水壓力也需要長時間工作在25Hz左右，電動機不僅要消耗十幾個千瓦的電能，同時還要長期工作在低頻狀態(tài)，大大影響電動機的壽命。若系統(tǒng)中設置一臺5KW左右的小流量水泵，為了維持出水壓力，由小流量水泵變頻工作，不僅電動機工作在較高頻率，而且消耗的電能也很小。在小流量水泵的選擇上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，揚程和主泵相同。 4.水池水位檢測 在自動供水的過程中，PLC實時檢測水池水位，若水位低于設定的報警水位時，蜂鳴器發(fā)出缺水報警信號；若水位低于設定的停機水位時，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發(fā)出停機報警信號；若水池水位高于設定的水池上限水位時，自

12、動關斷水池給水管電動閥門。 5.自動啟動 有時電源會突然斷電，若無人值班，恢復供電后若系統(tǒng)無法啟動會造成斷水，為此本系統(tǒng)設置了通電后自動變頻啟動方式。在電源恢復后，PLC會發(fā)出指令，蜂鳴器發(fā)出警告，然后按自動運行方式變頻啟動1#泵，直到穩(wěn)定地運行在給定水壓值。 6.消防報警 當出現(xiàn)消防報警信號時，系統(tǒng)立即按照消防壓力運行。 7.故障處理 變頻故障從冗余設計原則考慮，在變頻器發(fā)生故障時也要不間斷供水。當變頻器突然發(fā)生故障，蜂鳴器報警，PLC發(fā)指令使全部水泵停機，然后1#泵工頻運行（若水泵功率大于37KW，則需要采用降壓啟動或其它啟動方式），經(jīng)一定延時后根據(jù)壓力變化情況再使2#泵工頻運行。此時，P

13、LC切換泵則根據(jù)實際水壓的變化在工頻泵間切換。當出現(xiàn)水池無水停機、電動機欠壓、過壓、錯相、電機故障等情況時，均能由蜂鳴器發(fā)出警報聲。條件許可時可以添加MODEM模塊，在變頻器、電動機發(fā)生故障時能通過遠程通信口撥叫值班人員電話，通知有關人員前來維修。所有故障解決、恢復正常后，自啟動前也要發(fā)出報警信號。 三.器件的選型及介紹.可編程控制器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)展起來的，當時稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關系。繼電器是一種用弱電信號控制強電信號的電磁開關，

14、但在復雜的控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除非常困難，不適應于工藝要求發(fā)生變化的場合。由此，產(chǎn)生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術，用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句，適應工業(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，是當代工業(yè)自動化的主要支柱之一?？删幊炭刂破骶哂胸S富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅(qū)動能力，但它的產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，其靈活標準的配置能夠適應工業(yè)上的各種控制。在實際應用中，其硬件可根據(jù)實際需要選用配置，其軟件則需要根據(jù)要求進行設計。圖3.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖可編程邏輯控制器，采用的是計算機的設計思想，最初

15、主要用于順序控制，只能進行邏輯運算。隨著微電子技術計算機技術和通信技術的發(fā)展，以及工業(yè)自動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。現(xiàn)在的PLC已不只是開關量控制，其功能遠遠超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)將其正式命名為可編程控制器(Programmable Controller)，簡稱PC，但是為了和個人計算機(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

16、顯示動態(tài)的設備狀態(tài)參數(shù)，無法進行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉(zhuǎn)化，尤其是當系統(tǒng)工藝改變時，無法方便、快速地改變相關參數(shù)、配方。因此，在現(xiàn)今的稍微復雜一些的控制系統(tǒng)中，PLC通常與工業(yè)控制計算機配合使用，實現(xiàn)完整的控制功能。2、 PLC的特點現(xiàn)代可編程控制器不僅能實現(xiàn)對開關量的邏輯控制，還具有數(shù)學運算、數(shù)學處理、運動控制、模擬量PID控制、通信網(wǎng)絡等功能。在發(fā)達的工業(yè)化國家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門，其應用已擴展到樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設備和農(nóng)業(yè)等領域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點：、編程方法簡單易學、功能強，性能價格比高、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應

17、性強、無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強、系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量少、維修工作量小，維修方便 、體積小，能耗低。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：、輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個刷新時間的狀態(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。、

18、輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個刷新時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。4、 PLC的選型水泵M1、M2，M3可變頻運行，也可工頻運行，需PLC的6個輸出點，變頻器的運行與關斷由PLC的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉(zhuǎn)需1個輸出信號控制，報警器的控制需要1個輸出點，輸出點數(shù)量一共9個?？刂破饎雍屯Ｖ剐枰?個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC2個輸入點，系統(tǒng)自動/手動起動需1輸入點，手動控制電機的工頻/變頻運行需6個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需1個輸入點，檢測電機是否過載需3個輸入點，共需15個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)量共為24個點。本系統(tǒng)選用

19、FXos-30MR-D型PLC。5、PLC的接線圖3.3 PLC的接線圖Y0接KM0控制M1的變頻運行，Y1接KM1控制M1的工頻運行；Y2接KM2控制M2的變頻運行，Y3接KM3控制M2的工頻運行；Y4接KM4控制M3的變頻運行，Y5接KM5控制M3的工頻運行。X0接起動按鈕，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)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同時控制M1電動機的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過OL和FU輸

20、出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號、變頻器1、變頻器的構(gòu)成通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO作逆變元件）給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等圖3.4 變頻器的構(gòu)成、主電路給異步電動機提供調(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

21、工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產(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”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。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?？捎脙山M晶體管交流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電壓吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，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

22、用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號使6個開關器件導通、關斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。制動回路異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉(zhuǎn)差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）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.控制電路給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，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“運算電路”，主電路的“電壓/電

23、流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。在圖3.4點劃線內(nèi)，僅以控制電路A部分構(gòu)成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制?？刂齐娐分饕ǎ哼\算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、功率。電壓/電流檢測電路與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等。驅(qū)動電路為驅(qū)動主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。速度檢測電路以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信

24、號為速度信號送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。保護電路檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護回路主要包括：逆變器保護瞬時過電壓保護。由于逆變器負載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉(zhuǎn)。過載保護。逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運轉(zhuǎn)。恰當?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的GD2（慣性）過

25、大或因負載過大使電動機堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。再生過電壓保護。采用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過電壓。瞬時停電保護。對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在10ms以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉(zhuǎn)。接地過電流保護。逆變器負載側(cè)接地時，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設漏電斷路器。冷卻風機異常。有冷卻風機的裝置，但風機異常時裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風機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。異步電

26、動機的保護過載保護。過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉(zhuǎn)的過熱時，在異步電動機內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。超頻（超速）保護。逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，停止逆變器運轉(zhuǎn)。其他保護防止失速過電流。急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉(zhuǎn)中的過電流，也進行同樣的控制。防止失速再生過電壓。減速時產(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電路動作，在

27、直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。2、 變頻器的特點變頻器具有過壓、欠壓、過流、過載、短路、失速等自動保護功能。能實現(xiàn)電機軟起動，減小電氣和機械沖擊噪音，延長設備使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個特點:、節(jié)能：變頻調(diào)速恒壓供水設備使整個供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達35%60% ，這一特點已被廣大用戶所認識并帶來效益、占地面積小，投人少，效率高：設備結(jié)構(gòu)緊湊占地面積少維護方便維護費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備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方即可安裝、配置靈活，功能齊全，自動化程度高。、由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水

28、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菌和微生物極易繁殖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)速恒壓供水設備后只需一個低位水箱原來也有將水質(zhì)污染降到最低限度。、通過通信控制，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人力物力3、 變頻器的選型根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)選用FR-A540系列變頻器圖3.6 FR-A540的管腳說明4、 變頻器的接線管腳STF接PLC的Y7管腳，控制電機的正轉(zhuǎn)。X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過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。 圖3.7變頻器接圖、 PID調(diào)節(jié)器

29、僅用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動作的PI控制。用PI控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用P動作控制。對于PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使P動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作用的負載。利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用，在結(jié)合P動

30、作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID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)響應需要一定時間的負載系統(tǒng)(即實時性要求不高，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控制框圖通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值(溫度、流量、壓力等設定值)進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標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

31、要有兩種:1、硬件型：即通用PID控制器，在使用時只需要進行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標值的設定。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)上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。根據(jù)設計的要求，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、壓力傳感器的接線圖壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對壓力傳感器。改傳感器采用硅壓阻效應原理實現(xiàn)壓力測量的力電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當壓力作用于傳感器時，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，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性

32、能滿足技術指標的要求。該傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560 ，供電電源為283V（DC）。 圖3.10 壓力傳感器的接線圖、原件表水泵：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的過載保護熱繼電器FR，F(xiàn)R1 FR2可選用規(guī)格其型號為TK-E02T-C，額定電流58A，F(xiàn)R3可選用規(guī)格其型號為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各輸入點的回路的額定電

33、壓直流24V，各輸入點的回路的額定電流均小于40mA，按鈕均只需具有1對常開觸點，按鈕均選用LAY311型，其主要技術參數(shù)為：UN=24VDC，IN=0.3A，含1對常開和1對常閉觸點。表3.1元件表總圖元件符號型號個數(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,M240-160(I)A2M340-160(I)1閘刀開關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水泵符號型號流量(m3/h)揚程

34、(m)轉(zhuǎn)速(r/min)電機功率(kw)M1,M240-160(I)A112829002.2M340-160(I)12.53229003.0表3.2水泵的參數(shù)變頻器適用電機容量（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% 0.5s (反時限特性)3相，380V至480V 50Hz/60Hz強制風冷表3.3 變頻器的參數(shù)四、控制系統(tǒng)配置及應用實例 PLC的選擇 可編程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主機，I/O點數(shù)為40點(24個輸入點和16個輸出點

35、)，具有2個RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。自由通訊口方式是S7-200 PLC的一個很有特色的功能，它使S7-200 PLC可以由用戶自己定義通訊協(xié)議。利于自由通訊口方式，在本系統(tǒng)中PLC可以與變頻器和觸摸屏方便連接。模擬量輸入采用4路12位A/D模擬量輸入的EM231模塊，具有較高的精度。PLC編程采用STEP7-Micro/WIN編程軟件，它提供一個完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實現(xiàn)梯形圖與語句表的互相轉(zhuǎn)換。 .變頻器及控制方式選擇 在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，變頻器的啟動/停止由PLC通過開關量輸出控制，變頻器頻率是由P

36、LC通過模擬量輸出端口輸出05(10)V或420mA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警觸點，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現(xiàn)的，變頻器選用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列風機/泵類專用變頻器，它們具有RS-485通訊接口，性價比較高。PLC通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計運行時間

37、和過壓、過流、過負荷等全部報警信息等參數(shù)，并通過觸摸屏顯示出來，這比通過外部端口控制變頻器的運行具有較高的可靠性，節(jié)省了PLC寶貴的I/O端口，又獲的了大量變頻器的信息。 . 觸摸屏 觸摸屏選用臺灣HITCH公司生產(chǎn)的PWS系列，它具有豐富的驅(qū)動程序，可方便地通過串口與S7-200系列PLC通訊。通過觸摸屏可以直觀地顯示各泵的運行狀態(tài)、管網(wǎng)實際出水壓力、設定壓力、變頻器的電壓、電流、功率及各種故障信息等參數(shù)；操作人員通過觸摸屏可以方便的在線設置生活供水壓力、消防供水壓力、變頻器加減速時間、各泵的在線/檢修狀態(tài)等參數(shù)，并可以通過觸摸屏控制各水泵的運行。 .控制電路設計 在控制電路設計中，注意到系

38、統(tǒng)自動/手動轉(zhuǎn)換、每臺水泵的變頻接觸器和工頻接觸器、各水泵的變頻接觸器在電氣上的連鎖，防止系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺水泵工頻和變頻電源同時接通或多臺水泵同時接通變頻電源的現(xiàn)象。系統(tǒng)主要控制回路如圖2所示。.PLC通過RS485通訊實現(xiàn)變頻調(diào)速本方法是PLC主機上裝RS-485BD通訊適配器與變頻器的485PU口相連接（具體連接方式見附錄圖6所示），通過PLC和變頻器之間的RS485半雙工串行通訊來實現(xiàn)電動機的變頻調(diào)速。PLC和變頻器之間的RS-485協(xié)議PLC和變頻器之間進行通訊，通訊規(guī)格必須在變頻器的初始化中設定，如果沒有進行設定或有一個錯誤的設定，數(shù)據(jù)將不能進行通訊。且每次參數(shù)設定后，需復位變頻器。確

39、保參數(shù)的設定生效。設定好參數(shù)后按如下協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊該過程分5個階段：1、計算機發(fā)出通訊請求；2、變頻器處理等待；3、變頻器作出應答；4、計算機處理等待；5、計算機作出應答。根據(jù)不同的通訊要求完成相應的過程，如寫變頻器啟、停控制命令時則只需完成1-3三個過程；監(jiān)視變頻器運行頻率時則需完成1-5五個過程。不論是寫數(shù)據(jù)還是讀數(shù)據(jù)，均有PLC發(fā)出請求，變頻器只是被動接受請求并作出應答。每個階段的數(shù)據(jù)格式均有差別?，F(xiàn)只列出較為常用的三種格式：要實現(xiàn)PLC對變頻器的通訊控制，必須對PLC進行編程;通過程序?qū)崿F(xiàn)PLC對變頻器的各種運行控制和數(shù)據(jù)的采集。PLC程序首先應完成FX2N-485BD通訊適配器的初

40、始化、控制命令字的組合、代碼轉(zhuǎn)換和變頻器應答數(shù)據(jù)的處理工作。PLC通過RS-485通訊控制變頻器可以完成一臺乃至多臺變頻器的啟動、停止、頻率設定。硬件連接附錄圖5所示。由于每臺變頻器的通訊編程方法基本相似，唯一的不同之處就是變頻器的站號設置不同?，F(xiàn)在就以PLC通過RS-485通訊控制#0變頻器運行程序為例：變頻器參數(shù)設定：Pr.79=1（操作模式）, Pr.1=50(上限頻率)，Pr.3=50(基底頻率)，Pr.19=380（基底電壓），Pr.77=2（參數(shù)寫入禁止；表示即使運行時也可寫入?yún)?shù)），Pr.117=0（變頻器站號），Pr.118=192(通訊速度)，Pr.119=0（停止位一位），

41、Pr.120=2（偶校驗）Pr.121=9999(通訊重試次數(shù))，Pr.122=9999（通訊檢查時間間隔），Pr.123=9999（等待時間設置），Pr.124=0（無CR，無LF），以上程序運行時PLC通過RS-485通訊程序正轉(zhuǎn)啟動并且變頻運行。其中X0為電動機正轉(zhuǎn)以額定速度（頻率）運行控制按鈕，X1為電動機變頻調(diào)速控制按鈕，實現(xiàn)電動機的頻率調(diào)節(jié)。若要對#1站的電動機進行調(diào)速控制，只要將H30和H31分別傳送給D11,D12，并將變頻器參數(shù)Pr.117設置為1即可.依此類推。對于不同站號的電動機的變頻調(diào)速編程方法基本相同。控制指令如下表所示。 操作指令指令代碼數(shù)據(jù)內(nèi)容正轉(zhuǎn)HFAH02反轉(zhuǎn)

42、HFAH04停止HFAH00頻率寫入HEDH0000-H2EE0頻率輸出H6FH0000-H2EE0注意所有指令代碼和數(shù)據(jù)均以ASCII碼(十六進制)發(fā)送和接收。十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成ASCI碼時，H0-H9轉(zhuǎn)換成ASCI碼時加H30，例H3轉(zhuǎn)換成ASCI碼即H3+H30=H33，而A-F轉(zhuǎn)換成ASCI碼時加H31。例HA轉(zhuǎn)換成ASCI碼即HA+H31=H41.依次類推。使用RS-485通訊控制，僅通過一條通訊電纜連接，就可以完成多臺變頻器的啟動、停止、頻率設定;并且很容易實現(xiàn)多電機之間的同步運行。該系統(tǒng)優(yōu)點：硬件簡單、可控制32臺變頻器。可以實現(xiàn)無級變速，速度變換平滑，速度控制精確，適應能力好。該

43、系統(tǒng)成本低、信號傳輸距離遠、抗干擾性強。但是也存在一定的不足之處：比如編程工作量較大，響應有延時。且必須在掌握通訊協(xié)議及相關的參數(shù)的基礎上才能順利完成編程。對于技校初學者來講該方法掌握比較困難五、結(jié)論 在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運行方式，可根據(jù)實際需要水壓的變化自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速或加減泵，實現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能降耗；系統(tǒng)增加了小流量泵，延長主泵電動機使用壽命。變頻器故障后仍能自動運行，基本保障了不間斷供水，同時采用PLC與變頻器通訊的方式控制變頻器運行，具有一定的先進性。 目前該系統(tǒng)已有十幾套投入使用，運行情況良好，操作直觀方便，節(jié)能效果明顯，受到用戶好評。本論文研究的是變頻恒壓供水系統(tǒng)。恒壓供

44、水系統(tǒng)以PLC和變頻器為核心進行設計，借助于PLC強大而靈活的控制功能和內(nèi)置PID的變頻器優(yōu)良的變頻調(diào)速性能，實現(xiàn)了恒壓供水的控制。該系統(tǒng)采用PCL控制變頻器進行PID調(diào)節(jié)，按實際需要隨意設定壓力給定值，根據(jù)壓差調(diào)整水泵的工作情況，實現(xiàn)恒壓供水，使給水泵始終在高效率下運行，在啟動時壓力波動小，可控制在給定值的5%范圍內(nèi)。恒壓供水在日常生活中非常重要，基于PLC和變頻器技術設計的生活恒壓供水控制系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動態(tài)響應速度快。因?qū)崿F(xiàn)了恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，節(jié)省了人力，提高了供水質(zhì)量，減輕了勞動強度，可實現(xiàn)無人值班，節(jié)約管理費用。對整個供水過程來說，系統(tǒng)的可擴展性好，管理人員可根據(jù)每個季節(jié)的用水情況，選擇不同的壓力設定范圍，不但節(jié)約了用水，而且節(jié)約了電能，達到了更優(yōu)的節(jié)能方式，實現(xiàn)供水的最優(yōu)化控制和穩(wěn)定性控制。六結(jié)束語時光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學畢業(yè)時節(jié)，春夢秋云，聚散容易。離校日期已日趨臨近，畢業(yè)論文的完成也隨之進入了尾聲。從開始進入課題到論文的順利完成，一直離不開老師、同學、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！ 此論文是在我的指導老師李明老師的親切關懷與細心指導