基于PLC的变频恒压供水系统的设计

基于PLC的变频恒压供水系统的设计变频调速恒压供水系统第一章绪论1.1变频恒压供水产生的背景和意义1.2国内外研究现状1.3发展趋势1.4变频恒压供水优势第二章拟定2.1任务要求2.2恒压供水系统简介2.3变频恒压供水控制方式的选择2.4变频构成恒压供水及工作原理第三章电路设计3.1主电路设计3.2控制电路设计第四章器件的选型及介绍4.1可编程控制器选择4.1.2PLC的特点4.1.3PLC的选型4.2变频器4.2.1变频器的构成4.2.2变频器的选型4.3PID调节器4.4压力传感器第五章PLC与变频器的链接5.1利用PLC的模拟量输出模块控制变频器5.2利用PLC的开关量输入/输出模块控制变频器5.3PLC通过485通信接口控制变频器第六序设计结束语参考文献第一章绪论1.1变频恒压供水产生的背景和意义泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率:降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大:另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后。1.3发展趋势许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。1.4变频恒压供水优势图1-41传统供水机泵示意图图1-42变频供水机泵示意图采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。第2章方案拟定2.1变频恒压供水系统简介随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(4)在变频调速恒压供水系统中，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运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。(7)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。2.2变频恒压供水控制方式的选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有:1(逻辑电子电路控制方式这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，但其成本较低。2(带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲。既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入，输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入，数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入，输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入，输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。4(新型变频调速供水设备针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100;施耐德公司的Altivar58泵切换卡;SANKEN的SAMCO—I系列;ABB公司的ACS600、ACS400系列产品;富士公司的GIIS,PIIS系列产品;等等。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。如图2.2所示。图2.2供水系统方案2.3变频恒压供水系统的构成及工作原理2.3.1系统的构成图2.3系统原理图如图2.3所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要;变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈0,5V电压信号)或压力变送器(反馈4,20mA电流);变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。(1)执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图2.3中的3个水泵分为二种类型:调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。(2)信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:?水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。?报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。(3)控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。?供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制。?变频器:它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。?电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。(4)人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。(5)通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等(6)报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失2.3.2工作原理合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM6，并起动变频器。根据压力设定值(根据管网压力要求设定)与压力实际值(来自于压力传感器)的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限，会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵(或第3台泵)。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。增泵工作过程:假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限，并稳定运行后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。减泵工作过程:假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。2.3.3变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换。尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0Hz。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0Hz,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间(比如1-2分钟)，如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。第三章电路设计3.1主电路设计图3-1主电路图设计电机有两种工作模式即:在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器(FU)是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。3.2控制电路设计图3-2PLC的接线图Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行;Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行;Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号第四章器件的选型及介绍4.1.1简介PLC可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。图4.1PLC的硬件结构框图可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求，PLC无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的PLC已不只是开关量控制，其功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。事实上与所有的器件一样，PLC本身也有其局限性，它无法向操作者显示动态的设备状态参数，无法进行大批量数据的存贮与转化，尤其是当系统工艺改变时，无法方便、快速地改变相关参数、配方。因此，在现今的稍微复杂一些的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机配合使用，实现完整的控制功能。4.1.2PLC控制系统的特点(优点)现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点:1)编程方法简单易学2)功能强，性能价格比高3)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强4)无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强5)系统的设计、安装、调试工作量少6)维修工作量小，维修方便7)体积小，能耗低。4.1.3PLC的选型水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需的输入,输出点数量共为24个点。本系统选用FX-30MR-D型PLC。os4.2变频器4.2.1变频器的构成通常由变频器主电路(IGBT、BJT、或GTO作逆变元件)给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等图4.4变频器的构成1.主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。图3.5所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。?整流器最近大量使用的是二极管的交流器，图3.5所示，它把工频电源变换为直流电源。可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。?平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压(电流)。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。?逆变器同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。?制动回路异步电动机在再生制动区域使用时(转差率为负)，再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统(含电动机)惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路(开关和电阻)把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。图3.5典型的电压型逆变器一例2.控制电路给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.4所示，控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。在图3.4点划线内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路B部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。控制电路主要包括:?运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、功率。?电压/电流检测电路与主电路电位隔离，检测电压、电流等。?驱动电路为驱动主电路器件的电路。它使主电路器件导通、关断。?速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器(TG、PLG等)的信号为速度信号送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。?保护电路检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。保护回路主要包括:(1)逆变器保护1)瞬时过电压保护。由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值(超过容许值)时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。2)过载保护。逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采2用热继电器或者电子热保护(使用电子电路)。过负载是由于负载的GD(惯性)过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。3)再生过电压保护。采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。4)瞬时停电保护。对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。5)接地过电流保护。逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。6)冷却风机异常。有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。(2)异步电动机的保护1)过载保护。过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。2)超频(超速)保护。逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。(3)其他保护1)防止失速过电流。急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行(失速)。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。2)防止失速再生过电压。减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。4.2.2变频器的特点变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。变频恒压供水系统主要有以下几个特点:1(节能:变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%—60%，这一特点已被广大用户所认识并带来效益2(占地面积小，投人少，效率高:设备结构紧凑占地面积少维护方便维护费用低投资省安装快如仅供几栋居民楼生活用水的小型供水设备在楼梯间楼梯下几平方米的地方即可安装3(配置灵活，功能齐全，自动化程度高。4(由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，大大降低水质污染的可能性:众所周知南方气候炎热潮湿细菌和微生物极易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生红虫必须定期清洗改用变频调速恒压供水设备后只需一个低位水箱原来也有将水质污染降到最低限度。5(通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力4.2.2变频器的选型根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示:3.2.3变频器的接线管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。图3.7变频器接线图4.3PID调节器仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好图4.8PID控制框图通过对被控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:(1)硬件型:即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。(2)软件型:使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器此次使用硬件型控制形式根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中图4.9PID控制接线图4.9PID控制接线图4.4压力传感器的接线图压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力,电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。该传感器的量程为0,2.5MPa，工作温度为5?,60?，供电电源为28?3V(DC)。图4.10压力传感器的接线图原件表水泵:M1、M2选用40-160(I)A型，M3选用40-160(I)型，参数见表3.1所示。P2200P3000IA,,,7.9IA,,,5.812U380U380热继电器的选择:选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1FR可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流5,8A，FR可选用规格其型号为23TK-E02U-C，额定电流为6,9A熔断器的选择:在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。接触器的选择:对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw按钮SB的选择:PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY3—11型，其主要技术参数为:U=24VDC，I=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。NN表4.1元件表总图元件符号型号个数可编程控制PLCFX-30MR-D1os器变频器FR-A540系1列5.5型接触器KMSC-E03-C7M1,M240-160(I)A2水泵M340-160(I)1闸刀开关QSHD11-100/118FU1，FU2RT186A2熔断器FU3RT188A1FRFRTK-E02T-C212热继电器FRK-E02U-C13按钮SBLAY3—1110符型号流扬转电号量程速机功率3/h)(m)(r/min)(kw)水(m泵M1,40-16011282902.2M2(I)A0M340-16012.322903.0(I)50表4.2水泵的参数变频适用输出输出过载电源冷器电机容量额定容量额定电流能力额定输入却方(KW)(KVA)(A)交流电压式/频率FR-A5.59.112150%3强540系列60s,200相，380V制风5.5型%0.5s至480V冷(三菱)(反时限50Hz/60H特性)z表4.3变频器的参数第5章PLC控制及编程5.1PLC控制PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整。工作流程如图4.1所示。图5.1PLC程序流程图系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。5.1.1手动运行当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn(n=1,3,5)按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn(n=2,4,6)按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用.5.1.2自动运行由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.升压控制:系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警.降压控制:当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。5.2编程及介绍4.2.1总程序的顺序功能图系统分为自动运行和手动运行两部分图4.2总程序的顺序功能图4.2.2自动运行顺序功能图按下SB8按钮，系统进入自动运行模式，顺序功能图如4.3所示。图4.3自动运行顺序功能图Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行;Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行;Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行系统起动时，KM1闭合，#1泵以变频方式运行。当变频器的运行频率超出一个上限信号后，PLC通过这个上限信号后将1#水泵有变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。如果再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。如果变频器频率偏低，即压力过高，输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。再次接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同是控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。4.2.3手动模式顺序功能图当按下SB9按钮，系统进入手动运行模式。系统的每步动作都必须有相应的操作。顺序功能图如图4.4所示。图4.4自动运行顺序功能图按下按钮SB9之后，启动了变频器，系统进入手动运行模式。当用户按下SBn(n=1，3，5)三台电机分别处于工频运行，当用户按下SBn(n=2，4，6)三台电机分别处于变频运行。可以多台电机于不同的频率工作，但一台电机只能以一种频率下工作。(如#1电机，如果控制它工作的SB1,SB2按钮被同时按下则发出警报且电机无法起动。)4.2.4程序说明(1)自动运行部分。起动1#泵按下起动按钮，系统检测采用那种运行模式。如果按钮SB7没按，则使用自动运行模式。变频起动1#水泵。起动1#，2#泵:接收到变频器上限信号，PLC通过这个上限信号后将1#水泵由变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。起动1#，2#，3#泵:再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。起动1#泵:接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。起动1#，2#泵:输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。起动1#泵:接到下限信号关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。(2)手动运行部分按下手动起动按钮SB10，手动起动变频器。按下SB2,断开KM0，在10个计数脉冲后起动M1在变工频电源下运行。按下SB4,断开KM2，在10个计数脉冲后起动M2在变频电源下运行。按下SB6,断开KM4，在10个计数脉冲后起动M3在变频电源下运行。按下SB1,断开KM1，在10个计数脉冲后起动M1在工频电源下运行。按下SB3,断开KM3，在10个计数脉冲后起动M2在工频电源下运行。按下SB5,断开KM5，在10个计数脉冲后起动M3在工频电源下运行。(3)公用部分当热继电器断开系统报警。电机只能在一种频率下运行，当电机工频/变频同时打开时将发出警报且电机停止运行。辅助继电器M1,M2,M3,„M9依次控制输出继电器Y0,Y1,Y2,„Y10按下停止按钮，所有泵停止运行。参考文献[1]廖常初.PLC编程及应用.北京:机械工业出版社，2003.[2]吴忠智，吴加林。变频器应用手册.北京:机械工业出版社，2000.[3]韩安荣.通用变频器及其应用.北京:机械工业出版社，2000.[4]李华.变频调速技术在供水系统中的应用.电气传动自动化，1996，[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，1996[6]岳庆来.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术.北京:机械工业出版社[7]龙章眷.PLC与变频器在自动恒压供水设备中的应用.科技信息2007(3):179，202。[8]赵小惠，赵小娥.基于可编程控制器的恒压供水系统设计2007(2):18-20[9]高宏岩.基于PLC的模糊控制恒压供水系统设计.中国农村水利水电2007(4):48，49[10]张斌.PLC和变频调速技术在恒压供水系统中的应用.电力学报，200621-(4)[11]刘大铭，沈晖.基于PLC的变频调速恒压供水系统设计.宁夏工程技术，2006(3):251一257。[12]丁芳等，智能PID算法在液位控制系统中的应用.微计算机信息，2006(1):103一105[13]张国强.全自动变频调速恒压供水系统设计与探讨.学术论坛，2006[14]卢建勤.PLC及变频器在恒压变量供水系统中的应用.机床电器，2005(4):58一62[15]陆秀玲.PLC控制的恒压供水系统.自动化仪表，2005(4)[16]李国厚，赵明富，徐君鹤.可编程控制器在恒压供水控制系统中的应用.自动化仪表，2005，26(8):38一40[17]林心关.可编程控制器在水泵变频控制系统中的应用.中山大学学报(自然科学版)，2004(6)增刊:135一137[18]李方园.浅谈变频器发展和应用的几个趋势.变频器世界，2004(11):4一8[19]严盈富.恒压供水系统的控制与仿真.南昌航空工业学院学报，2004(1):90一93[20]谢仕宏.恒压供水软启动节能控制系统设计，中国给排水，2004(7):65一67[21]张春霞.变频调速及PLC技术在恒压供水系统中的应用.矿业快报2004(10):51[22]赵相宾，年培新.我国变频调速技术的发展及应用.变频器世界，2003(7):4-8[23]陶宇君.PLC在变频恒压供水技术中的应用.工业控制计算机2003(11):53一54[24]赵永成，阎长芷，李茂成PLc在变频调速多泵并联供水系统中的应用控制工程，2002(11):41一43[25]王孝俭，邓胜全，王幼涛.变频节水节能技术.水利水电技术，2002(9):51-53[26]陈运珍.变频调速技术在水工业中的应用变频器世界.2002(10):8-11[27]屈有安.变频器PID恒压供水系统.江苏电器，2002(3):33-35[28]贺玲芳.基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统.西安科技学院学报,200020(3)[29]刘润华.可编程序控制器在变频调速供水系统中的应用.基础自动化1997[30]Ostrirov,VN.Experienceofdesignandapplicationofthecompleteenergysavingelectricdrivesinsystemsoftown’swatersupplyandfeculencewaterpump.Elektrichestvo,2003(4):68-71[31]LewisBW,candelloMR.variablefrequencydrive(VFD)technologyishereanditworks:acomparisonofprevailingcontroltechnologies.JournaloftheNewEnglandwaterworksAssociation,1998,112(3):227-240