變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設計

1、 速功能，讓加減速過程變得緩和，防止沖擊和載物倒塌；直流制動功能，制動時間在0-30秒范圍可調(diào)，保證快速可控的制動，不需要外接電阻；內(nèi)置PID模塊，可用于閉環(huán)控制；多種頻率設定方式；多種附加功能；三路晶體管輸出。I/O特性8個可設定的多功能開關量輸入口，給操作者極大的靈活性；3路可設定的開路集電極晶體管多功能輸出，可用于頻率到達、頻率值檢測、過載、運等多種提示；設有模擬電流/電壓輸入端子，實現(xiàn)外部頻率設定。保護功能具有過電壓/欠電壓保護、短路保護、過熱保護、PTC熱敏電阻保護、電機鎖死保護、缺相保護、電涌保護、失速保護、CPU/存貯器異常保護等。（3）變頻器接線及功能設定見表3-2,頻率參數(shù)設

2、置說明汛（1）最高頻率：變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等。（2）上限頻率：實際預置需略低于額定頻率50Hz。（3）下限頻率：下限頻率不能太低，可根據(jù)實際情況適當調(diào)整。（4）啟動頻率：在從0Hz開始啟動的一段頻率內(nèi)，實際上電機轉(zhuǎn)不起來。因此，應適當預置啟動頻率值，使其在啟動瞬間有一點沖擊力。表3-2變頻器接線及功能設定變頻器端子現(xiàn)場器件與接線端子功能代碼參數(shù)預置注釋FWDPLC的Y0端子啟動/停止變頻運行CMPLC的COMXIPLC的Y16E017PLC的Y16動作，自由停車Y2PLC的XIE211頻率極限信號輸出30APLC的X5變頻器故障總報警信號30CPLC的COM接公共端F0350

3、最高輸出頻率（Hz）F1549.5上限頻率（Hz）F1630下限頻率(Hz)F2310起動頻率F17100頻率設定信號增益PLC的選型PLC的選型主要從PLC的輸入/輸出點數(shù)、存儲器容量、輸入/輸出接口模塊類型等方面來選擇PLC型號。根據(jù)供水系統(tǒng)控制任務及設計方案，輸入信號需16點，輸出信號需16點，選擇三菱FX2N-32MR型PLC,其I/O端子如表3-3所示。表3-3現(xiàn)場器件與I/O端子功能示意表現(xiàn)場器件與接線端子I/O地址功能注釋輸入中間繼電器KA常開觸點X0自動/手動功能轉(zhuǎn)換變頻器Y2端子XI變頻器輸出頻率極限信號遠傳壓力表壓力上限電節(jié)點X2壓力下限到達信號遠傳壓力表壓力下限電節(jié)點X3

4、壓力上限到達信號水池水位下限信號X4水池水位下限信號(缺水)變頻器輸出報警繼電器30AX5變頻器故障報警信號FR1常開觸點X61#電機過載信號FR2常開觸點X72#電機過載信號FR3常開觸點X103#電機過載信號FR4常開觸點XII4#電機過載信號KM1常開輔助觸點X121#電機變頻運行故障信號KM3常開輔助觸點X132#電機變頻運行故障信號KM5常開輔助觸點X143#電機變頻運行故障信號KA25常開輔助觸點X151#電機跳空開故障信號KA26常開輔助觸點X162#電機跳空開故障信號KA27常開輔助觸點X173#電機跳空開故障信號輸出接變頻器FWD端Y0實線復位/運行控制KA1線圈Y11#變頻

5、運行控制及指示KA2線圈Y21#工頻運行控制及指示KA3線圈Y32#變頻運行控制及指示KA4線圈Y42#工頻運行控制及指示KA5線圈Y53#變頻運行控制及指示KA6線圈Y63#工頻運行控制及指示KA7線圈Y7輔助泵工頻運行控制及指示KA10線圈Y10水池水位下限報警指示KA11線圈YU變頻器故障報警指示KA12線圈Y12現(xiàn)場手動控制指示KA13線圈Y13自動變頻運行指示KA14線圈Y14自動工頻運行指示KA15線圈Y15遠程手動運行指不KA16線圈Y16變頻器XI端子功能有效KA17線圈Y17無人值守電話自動報警FX2N-32MR主要參數(shù)及特點：I/O點數(shù):16/16；用戶程序步數(shù):：4K；基

6、本指令：27條；功能指令：298條；基本指令執(zhí)行時間：0.08微秒；通信功能:強;輸出形式：繼電型；輸出能力：2A/點。系統(tǒng)可靠性措施作為一個完整的系統(tǒng)，應用于工業(yè)現(xiàn)場，還需考慮加強抗干擾措施，保證運行的穩(wěn)定（1）變頻器和PLC應安裝于專門的控制柜中，但一定要保證良好的通風環(huán)境和散熱,PLC四周留有50nun以上的凈空間。環(huán)境溫度最好控制在45以下，相對濕度在590%,盡量不要安裝在多塵、有油煙、有導電灰塵、有腐蝕性氣體、振動、熱源或潮濕的地方。（2）控制柜和水泵現(xiàn)場距離不要太遠，尤其是遠傳壓力表至變頻器的4-20mA電流信號和至PLC的壓力上、下限開關量信號的傳輸電纜要盡可能短，而且要盡量遠

7、離那些會產(chǎn)生電磁干擾的裝置。（3）外圍設備信號線、控制信號線和動力線應分開敷設，不能扎在一起，且應采用屏蔽線且屏蔽層接地。（4）變頻器和PLC均要可靠接地。接地電阻應小于100Q,接地線須盡可能短和粗，并且應連接于專用接地極或公用接地極上，不要使用變頻器、PLC外殼或側(cè)板上的螺釘作為接地端。而且二者在接地時，應盡量分開，不要使用同一接地線。（5）電動機在低速運行時，電機冷卻效果下降，應保證電動機具有良好的通風條件。（6）在電氣設計和軟件設計中，充分考慮電氣設備之間的互鎖關系。（7）選用性能可靠的繼電器、接觸器對于系統(tǒng)的可靠運行也具有十分重要的意義。（8）要考慮防雷設計。如電源是架空進線.在進線

8、處裝設變頻器專用避雷器，或按規(guī)范要求在離變頻器20m遠處預埋鋼管做專用接地保護。如果電源是電纜引入，則應做好控制室的防雷系統(tǒng)，以防雷電竄入破壞設備口】。（9）系統(tǒng)設計時還加入了無人執(zhí)守故障自動撥號報警器。當出現(xiàn)變頻器故障、電機故障、PLC故障以及水位過低等現(xiàn)象時，自動撥打管理人員的電話，提高系統(tǒng)故障的應急處理能力。4PLC控制系統(tǒng)的設計水泵工頻/變頻運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換供水狀態(tài)是指供水時按照用水量的大小設定投入運行的水泵臺數(shù)及運行狀況。根據(jù)城區(qū)用水量可分為小、較小、較大和大四種情況，并分別由輔助泵、一臺主泵變頻、兩臺主泵一工一變及三臺主泵兩工一變投入運行。啟動自動變頻運行方式

9、時，首先起動輔助穩(wěn)壓泵工頻運行供水，當用水量大，超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道內(nèi)水壓時，延時1分鐘PLC通過變頻器啟動1號主水泵供水，同時關閉輔助泵的運行。在1號主水泵供水過程中，變頻器根據(jù)水壓的變化通過PID調(diào)節(jié)器調(diào)整1#主水泵的轉(zhuǎn)速來控制流量，維持水壓。若用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達到上限頻率時，仍達不到設定壓力，延時分鐘，由PLC給出控制信號，將1號主水泵與變頻器斷開，轉(zhuǎn)為工頻恒速運行，同時變頻器對2號主水泵軟啟動。系統(tǒng)工作于1號工頻、2號變頻的兩臺水泵并聯(lián)運行的供水狀態(tài)。當用水量減少時，變頻器通過PID調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來維持水壓。若變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高，

10、延時1分鐘，按“先起先?！钡脑瓌t，由PLC給出控制信號,將當前供水狀態(tài)中最先工作在工頻方式的水泵關閉，同時PID調(diào)節(jié)器將根據(jù)新的水壓偏差自動升高變頻器輸出頻率，加大供水量，維持水壓。當用水量持續(xù)減少，系統(tǒng)繼續(xù)按“先起先?！痹瓌t逐臺關閉處于工頻運行的水泵。當系統(tǒng)處于單臺主水泵變頻供水狀態(tài)時，若用水量減少，變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高時，延時5分鐘后，關閉變頻器運行，啟動輔助泵維持供水。狀態(tài)轉(zhuǎn)換關系為保證在一個較長的時間周期內(nèi)，各臺水泵運行時間基本均等，避免某臺電機長期得不到運行而出現(xiàn)繡死現(xiàn)象，供水狀態(tài)的切換按照“有效狀態(tài)循環(huán)法”即“先起先?！钡脑瓌t操作。若有N臺水泵參與變頻調(diào)速，則滿

11、足“先起先?！痹瓌t的最大有效狀態(tài)數(shù)為Nhl。將來的供水狀態(tài)就在這些有效狀態(tài)范圍內(nèi)來回循環(huán)。本系統(tǒng)采用了三臺主水泵和一臺輔助穩(wěn)壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運行，共有10種有效供水狀態(tài)，見表4-1表4-1系統(tǒng)供水狀態(tài)用水量狀態(tài)符號供水狀態(tài)小so輔助泵運行，1、2、3#停機較小S201#變頻運行，2、3#停機S212#變頻運行，1、3#停機S223#變頻運行，1、2#停機較大S231#工頻運行，2#變頻運行，3#停機S242#工頻運行，3#變頻運行，1#停機S253#工頻運行，1#變頻運行，2#停機大S261、2#工頻運行，3#變頻運行S272、3#工頻運行，1#變頻運行S283、1#工頻運行，

12、2#變頻運行各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關系見圖4-1：圖4-1供水狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖中，箭頭向下為增泵過程，箭頭向上為減泵過程。從圖4-1可見，供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不但和轉(zhuǎn)換條件有關，還與其目前所處的供水狀態(tài)有關；由輔助泵切換到主泵供水也遵循有效狀態(tài)循環(huán)方式，即上一次啟動1#主泵，則下次由輔助泵切換到主泵供水，應啟動2#泵。狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件是依據(jù)變頻器輸出頻率是否到達極限頻率及水壓是否達到上、下限值。設變頻器輸出頻率達到極限頻率時的信號為XI,水壓達到設定壓力下限值時的欠壓信號為X2,水壓達到設定壓力上限值時的超壓信號為X3。從輔助泵切換到主泵條件：滿足X2；從主泵切換到輔助泵條件：同時滿足X

13、I、X3；增泵條件：同時滿足XI、X2；減泵條件：同時滿足XI、X3o狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的實現(xiàn)方法從輔助泵切換到主泵只需斷開輔助泵的供電，同時用變頻器以起始頻率起動一臺主泵的運行即可。從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開，同時將輔助泵直接投入工頻運行即可。PLC程序設計PLC編程語言PLC是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的一種新型的工業(yè)自動化控制裝置。采用了面向控制過程、面向問題、簡單直觀的PLC編程語言，易于學習和掌握。盡管國內(nèi)外不同廠家采用的編程語言不盡相同，但程序的表達方式基本類似，主要有四種形式：梯形圖，指令表，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和高級語言。梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統(tǒng)

14、的繼電接觸器控制中的觸點、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但乂加入了許多功能強而乂使用靈活的指令。梯形圖語言編程的一般規(guī)則通常微、小型PLC主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規(guī)則有臼：(1)梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用PLC的有效范圍內(nèi)。(2)梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線

15、圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認為它只能由左向右單方向流，層次的改變也只能自上而下。(3)梯形圖中的繼電器實質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應某位觸發(fā)器為“1”態(tài),表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“0”態(tài)。梯形圖中繼電器的線圈乂是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運算的結(jié)果。(4)梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。(5)繼電器線圈在一個程序中不能重復使用：而繼電器的觸點，編程中可以重復使用，且使用次數(shù)不受限制。(6)PL

16、C在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進行的。43供水系統(tǒng)控制模塊的設計系統(tǒng)初始化模塊在初始化模塊中設置通信用數(shù)據(jù)寄存器D8120,D8121,D8129的通信參數(shù)；至標志為M6=l,在自動運行時，首先起動輔助泵，進入SO狀態(tài):至標志M0=1,保證輔助泵的運行狀態(tài)首次SO轉(zhuǎn)入主泵運行狀態(tài)S20o初始化過程通過M8002產(chǎn)生的初始化脈沖來完成。水泵運行與狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊(1)輔助泵/主泵的轉(zhuǎn)換主泵轉(zhuǎn)輔助泵運行是指在單臺主泵供水時，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時，延時5分鐘，關閉變頻器運行，啟動輔助泵的過程。即由狀態(tài)S11轉(zhuǎn)入SO的過程。PLC置輸出繼電器Y1為0,同

17、時置Y7=I。輔助泵轉(zhuǎn)主泵運行是指由輔助泵供水，水壓達到壓力下限時，延時1分鐘，關閉輔助泵，用變頻器啟動一臺主泵運行的過程。即由狀態(tài)S0轉(zhuǎn)入SU的過程。具體起動哪一臺主泵，進入哪一種狀態(tài)，要依據(jù)其上一個狀態(tài)，按有效狀態(tài)循環(huán)法的原則來操作。在編程時，以輔助繼電器M3,M2,Ml作為S20,S21,S22狀態(tài)的轉(zhuǎn)入標志，三者按循環(huán)方式動作，保證狀態(tài)S20,S21,S22的循環(huán)。(2)主泵的增加增加主泵是將當前主泵由變頻轉(zhuǎn)工頻，同時變頻起動一臺新水泵的切換過程。當變頻器輸出上限頻率，水壓達到壓力下限時，延時1分鐘，PLC給出控制信號，PLC的Y16得電，變頻器的XI端子對CM短接，變頻器的自由停車指

18、令BX生效，切斷變頻器輸出，延時500ms后，將主水泵與變頻器斷開，延時100ms,將其轉(zhuǎn)為工頻恒速運行，同時PLC的Y16失電，BX指令取消，變頻器以起始頻率啟動一臺新的主水泵。這段程序設計時要充分考慮動作的先后關系及互鎖保護。(3)減少主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊減少主泵是指在多臺主泵供水時，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時，按“先起先?！痹瓌t，將當前運行狀態(tài)中最先進入工頻運行的水泵從電網(wǎng)斷開。水泵運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊流程圖如圖4-2所示；根據(jù)水泵運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊流程圖編制的輔泵/主泵、主泵(S20fs23fs26)之間切換的部分程序見附錄，(S21fs24fs27)及(S22fs25fs28)之

19、間的切換雷同，略其程序圖4-2比較環(huán)節(jié)流程圖5恒壓供水系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)5.1PID控制及其控制算法PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值和實際輸出值之間的偏差口2】冏(5-1)對被控對象明二（/）一刈(5-1)對被控對象經(jīng)比例（P）、積分（I）和微分（D）運算后通過線性組合構(gòu)成控制量，進行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖5-lo圖5-1控制系統(tǒng)原理框圖圖中u（t）為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量PID控制規(guī)律為=K,e（t）+Je（r）+力）+且S（5-2）T.dt式（5-2）中，Kp一比例系數(shù)；7；一積分時間常數(shù)；7；一微分時間常數(shù)。相應地傳遞

20、函數(shù)形式G（s尸署咻G（s尸署咻（1+3加）(53)PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下刈：（1）比例環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)K的增大而減少。比例系數(shù)過大將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分環(huán)節(jié)：積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)7；,7；越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。（3）微分環(huán)節(jié)：微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。但過大的7；）對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。5.2恒壓供水PID調(diào)節(jié)過程分析恒壓供

21、水的目的就是要保證供水能力Qg適應用水&需求變化。當供水能力&和用水需求&之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。因此可根據(jù)壓力的變化，來實現(xiàn)對供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力和用水需求&之間的乎衡。實現(xiàn)恒壓供水實現(xiàn)方法是，首先根據(jù)用戶對水壓的要求，給PID調(diào)節(jié)器預置一個目標壓力值，管道中的實際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成420mA的模擬電流信號反饋給變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器根據(jù)目標壓力值和實際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使供水量適應用水量的變化，取得動態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下口町：（1）穩(wěn)態(tài)運行當供水能力。用水需求&,目標壓力信號和壓力反

22、饋信號y相等，偏差e=y-r,PID輸出的控制增量八u=0,變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變，處于穩(wěn)態(tài)運行。（2）用水量增加時當用水量增加，用水需求。0供水能力。/水壓下降，壓力反饋信號y減少，偏差e=y-i0,變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，最后達到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復，維持供需平衡。（3）用水量減少時當用水量減少，用水需求&供水能力2；，水壓上升，壓力反饋信號y增大，偏差e=y-r0,PID輸出的控制增量Au0,變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，降低供水能力，最后達到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復，維持供需平衡。結(jié)論本文對于城市供水要求，設計了一套由PLC、變頻器、遠

23、傳壓力表、多臺水泵機組、計算機等主要設備構(gòu)成的變頻恒壓供水及其遠程監(jiān)控系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，可實現(xiàn)高效節(jié)能、自動可靠、維護簡單、管理方便的恒壓供水。本系統(tǒng)具有以下的特點：1、采用了可靠性高、使用簡單、編程靈活的工控設備PLC和內(nèi)置PID調(diào)節(jié)模塊的變頻器作為主要控制設備，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，確保恒壓供水。2、系統(tǒng)具有完備的故障處理能力，可通過自動工頻運行、遠程手動控制和現(xiàn)場手動控制等方式確保供水，具有故障實時的現(xiàn)場報警和遠程電話自動報警功能，具有故障電機鎖定功能。3、系統(tǒng)采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能

24、效果明顯。4、采用了PID調(diào)節(jié)方式，水壓波動小，響應快。附錄M800211MlM2M3輪流為1變煩京停止輸出停輔泵1#亮接變頻器啟動變頻器輸出返回鋪泵加衰變頻器停止輸出SET0$TLSO1,1V10UU乙MOVKOD30011NCCP)D3fl0DECOD300uoK2CMPD3001K4M99M1001IMOV(p)KID30011ZRSTS20S2SSETY7ZRSTY1Y6FTY16V3GILSETS20111SETS211SETS221_STLS20_RSTY7SETY1RSTY16X3壓力上限11SETSO1t2壓力下限SETS23SETY16斷開變領器啟動1#工嫉2#泵樓變頻器啟勖變頻器輸出減泵加泵523fs26停變頻斷開2#變頻4(5滅弧延葉ilL2RSTY111TnI|u/T111.JIM防止變頻器對工頻短珞SETY211T1111tSETY311IlHRSTY1611SETS21.1_.2SETS261111SETY1602T20K511喀TY311啟動加工頻啟動加工頻需房揆變頻器啟動變頻器輸出錨泵，主泵轉(zhuǎn)換、主泵之間轉(zhuǎn)換部分程序。致謝本論文的工