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基于PLC的变频恒压供水系统设计(2)

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2020年4月19日
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课题名称 PLC恒压供水控制系统设计

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日 期： .3.14- .5.7

目 录

摘 要
第一章 绪 论
1.1变频恒压供水系统的国内研究现状
1.2课题来源及本文的主要研究内容
1.3本论文中所做的工作
1.4恒压供水系统的基本构成
第二章 PLC功能选择及应用
2.1可编程控制器的产生
2.2 PLC的命名与定义
2.3 PLC的工作原理
2.4 PLC的主要特点及应用范围
2.4.1 PLC的特点
2.5 PLC的分类及发展趋势
2.5.1 PLC的分类
2.5.2 PLC的发展
第三章 变频器和压力传感器
3.1变频器的分类及工作原理
3.2 变频器硬件选择
3.3 压力传感器
第四章 系统设计
4.1 系统要求
4.2控制系统的I/O分配
4.3 电气控制系统原理图
4.3.1主电路图
4.3.2 控制电路
4.4 变频器的参数设置
4.5 系统程序设计
4.6系统调试
参 考 文 献

PLC恒压供水控制系统设计
(电气自动化专业0933班，徐慧虹）
摘要：本文介绍基于变频器、触摸屏和PLC的恒压供水系统的构成及工作原理。系统采用变频调速的方式，自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定，PLC控制投入工作水泵的台数，在用水量的高峰及低谷都能满足系统的需要。系统具有节能、工作可靠、自动化程度高等优点，提高了供水质量。
关键词： 变频器、触摸屏、PLC、恒压供水
1.引言
随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。
变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水能够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;同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，因此研究设计该系统，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。
1.1变频恒压供水系统的国内研究现状
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、压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。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，国外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，像日本三菱公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”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，经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单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，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，而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。
当前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5。5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
能够看出 ，当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)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改进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。
1.2课题来源及本文的主要研究内容
1、课题来源
本课题来源于生产、生活供水的实际应用。
2、研究的主要内容
本系统是2个水泵生活/消防双恒压供水系统，变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、触摸屏、压力传感器组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。该系统能够生活供水和消防供水的双用供水系统。
1.3本论文中所做的工作
根据系统要求，设计出满足要求的恒压供水系统，对PLC、变频器、触摸屏、压力传感器进行选型，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路和控制程序。
1.4恒压供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需没多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的．电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候，备用是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间能够切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。
调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：
(1)设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。
供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，
(2)接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。
(3)根据结定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与结定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定位大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速．如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节器。调节器的调节参数，如P、I、D参数均是能够由使用者经过触摸屏设定的。PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。
调节器的输出信号一般是模拟信号，4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。
第二章 PLC功能选择及应用
2.1 PLC模拟量扩展单元的配置及应用
PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。以下介绍三菱FX系列PLC的模拟量模块以及，它们分别具有FX-4AD及FX-2DA，它们分别具有4路模拟量输入及2路模拟量输出，能够用于恒压供水控制中。
2.2 模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接
FX-4AD 4模拟量输入模块具有4个通道，可同时接受并处理4路模拟量输入信号， 最大分辨率为12位。输入信号能够是-10～+10V的电压信号（分辨率为5Mv），也能够4～20mV（分辨率为16μA）或-20～+20mA（分辨20μA）的电流信号。模拟量信号可经过双绞屏蔽电缆接入，连接及方法如图2-1所示，当使用电流输入时，需将V+及I+端短接。

图2-1 FX-4AD模块的连接图
FX-4AD的宽及高与FX相同，在安装时装在FX基本单元的右边，将总线连接器接入左侧单元的总线插孔中。FX系列可编程控制器中，与PLC连接的特殊功能扩展模块位置从左至右依次编号（扩展单元不所示。占编号），如图4-所示FX-4AD将消耗基本单元或电源扩展单元的+5VDC电源（内部电源）30mA电流，+24VDC电源（外部电源）55mA电流。其一般转换速度为15ms/ 道，高速转换速度为6/ms道。
2.3 模拟量输入模块缓冲存储器（BFM）的分配
为了能适用于多种规格的输入、输出量，模拟量处理模块都设成可编程的。FX-4AD模块利用缓冲存储器(简称模BFM)的设置完成编辑工作。FX-4AD拟量量输入模块共有32个缓冲存储器，但当前只使用了以下21个BFM：

L1

FX-32MR A/D FX-8EX A/D D/A FX
基本单元 #0 #1 #2

2-1特殊功能模块
2.4 模拟量输出模块的功能及PLC系统连接
FX-2DA模块用来将12位数字信号转换成模拟电压或电流输出。它具有2个模拟量输出通道。这两个通道都能够输出0~10VVDC(分辨率2。5mV)、0~5DVC（分辨率1。25mV）的电压信号，或4~20Ma(分辨率为4μA)的电流信号。模拟量输出可经过双绞屏蔽电缆与驱动负载相连，，当使用电压输出时，需要IOUT和COM端短接。

COM IOUT VOUT
COM IOUT VOUT
基本单元
FX-2DA
记录仪器
电流输出
变频器等
电压输出

图2-2 FX-2DA模块的连接图
FX-2DA安装时装在FX基本单元的右边。FX-2DA将消耗基本单元或电源扩展单元的+5VDC电源单元的（内部电源）20mA电流，+24VDC电源5mA电流。转换时间为4ms/通道。

3.变频器和压力传感器
交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在中国是每秒50Hz。而交流电动机的同步转速。
（3-1）
式中---同步转速，r/min； ---定子频率，Hz； ---电机的磁极对数。
而异步电动机转速
（3-2）
式中---异步电机转差率，，一般小于3%。
均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。因而，改变频率能够方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。
3.1变频器的分类及工作原理
变频器的较详细的工作原理还与变频器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下：
（1）控制。控制即电压与频率成比例变化控制。 由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电动机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。控制由于忽略了电动机漏阻抗的作用，在低频段工作特性不理想。因而实际变频器中采用控制。采用控制方式的变频器一般被称为普通功能变频器。
（2）转差频率控制。转差频率控制是在控制基础上增加转差控制的一种控制方式。从电动机的转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是，在=常数的条件下，经过对转差率的控制，能够实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器一般属于多功能型变频器。
（3）矢量控制。矢量控制是受调速性能优良的直流电动机磁场电流及转矩电流可分别控制启发而设计的一种控制方式。矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器一般称为高功能变频器。
通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能性负载。
3.2 变频器硬件选择
根据设计要求，变频器选用日本三菱变频器FR-A500产品。该产品能够和三菱PLC工作协调。变频器选用日本三菱变频器FR-A500产品，适配电机15 kW，该变频器基本配置中带有PID功能。经过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号(0～10 V)接至变频器的辅助输入端FI、FC，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上。M1、M2为变频器的极限输出频率的检测输出信号端，该信号进PLC，作为泵变频与工频切换的控制信息之一，变频器的极限输出频率经过面板能够设定。MA、MC为变频器发生故障的输出信号，该两端连接信号灯，以显示变频器故障，变频器面板上有故障复位按键，轻故障用复位按键复位，可重新启动变频器。S1和S2短接，并与S3连接到PLC的输出点上，由PLC控制变频器的运行与关断；U、V、W输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还经过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器线包连接到PLC的四个输出点上，由PLC控制其工频、变频切换工作。
经过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值(14端)，压力传感器反馈来的压力信号(0～10V)接至变频器端子的7端、8端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。变频器端子的19端和20端是传感器压力设定的上、下限值，该信号进PLC，作为工频切换的控制信息，由PLC控制水泵的工频或变频运行。
变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。下图3-1为日本三菱变频器FR-A500在电路中的接线图。
R S T
S1 U
S2 V
S3 W
FR-A500
FI
FC

M1

接PLC
接PLC 接指示灯

接
电
机
~380V
7
8

图3-1 日本三菱变频器FR-A500在电路中的接线图
3.3 压力传感器
在智能系统中检测是非常重要的一部分，它将检测到控制量反馈给系统，才能实现自动控制，给系统所用的检测的是水压，这个系统中选用压力传感器，它的作用是经过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号的标准信号送入PLC的端口进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，经过PLC控制切换器进行加减泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。另外，系统还设有多种保护功能，特别是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。供水系统的压强是，下面单位都是估计标准单位，g=9.8，一般情况下，h<60米，因此本系统供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，系统选用YTZ-150型带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为0～1MPa，检测精度为土0.01MPa，该传感器将0～1MPa范围的压力对应转换成0～10V的电信号。该传感器还具有体积小，重量轻、结构简单、工作可靠的特点。
4.系统设计
4.1 系统要求
1）恒压供水系统共有俩台水泵供水，要求一台运行，一台备用，自动运行时运行累计达10个小时自动切换到备用泵，实行轮换一次，手动时候不切换；
2）两台水泵分别由M1,M2电机拖动，由接触器KM,KM2控制；
3)切换后启动很停止后启动必须5S报警，当运行泵运行异常是自动却换到备用泵，并报警；
4）设定水压在0~100Mpa可调，经过触摸屏输入调节；
5)触摸屏能够显示设定水压、实际水压，水泵运行时间、电机转速与报警信号等。
4.2控制系统的I/O分配
将系统所有的输入信号和输出信号统一进行编址，该系统有7个输入信号和13个输出信号，表4-1是将控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号。
触摸屏软元件
PLC输入输出
触摸屏输入
触摸屏出入
PLC输入
PLC输入
软元件
功能
软元件

地址
设备名称
地址
设备名称
M500
自动启动
Y0
1#泵运行时间
X1
1#水流开关
Y0
KM1
M100
手动1#泵启动
Y1
2#泵运行指示
X2
2#水流开关
Y1
KM2
M101
手动2#泵启动
M20
1#泵故障

Y4
1#泵故障指示
M104
清楚报请
D502
泵累计运行时间显示

Y5
2#泵故障指示
M103
运行时间复位
D101
当前水压

Y10
变频器正转启动端子STF
M102
停止
M21
2#泵故障

Y6
开换指示灯
D500
水压设定
D102
电动机转速

4.3 电气控制系统原理图
电气控制原理图包括主电路图、控制电路图。
4.3.1主电路图
如图4-1所示为电控系统的主电路图。2台电机分别为M1、M2。接触器KM1、KM2、分别控制M1、M2的变频运行；FRl、FR2分别为2台水泵电机过载保护用的热继电器：QS1、QS2别为变频器和触摸屏主电路的隔离开关；

图4-1 电控系统的主电路图
4.3.2 控制电路
如下图中当点击触摸屏手动按钮，进入手动画面；当点击触摸屏自动画面，进入自动画面。进入手动画面后，能够控制M1，M2电机的启动，能够调节水压的大小。进入自动画面后，会在plc程序下自动运行。
1、 手动运行
按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#、2##泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。
2 、自动运行
合上自动开关后，点击触摸屏自动按钮，1#泵电机通电，变频器输出频率从0 Hz上升，同时PID调节程序将接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，水泵的速度开始减慢，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。
4.4 变频器的参数设置
（1）上限频率pr1=50hz；（2）下线频率pr2=30hz；（3）基底频率pr3=50hz；（4）du面板的第三监视功能变为变频器的输出功率pr5=14；（5）加速时间pr7=3s；（6）减速时间pr8=3s；（7）电子过流保护pr9=33A；（8）启动频率pr13=10hz；（9）智能模式选择为节能模式pr60=4；（10）设定端子2~5间的频率设定为电压0~10v pr73=0；
（11）应许所有参数的读/写pr160=4；（12）操作模式pr79=2；
（13）其它值为默认值。
4.5 系统程序设计
硬件连接确定之后，系统的控制功能主要经过软件实现结合前述泵站的控制要求，对泵站软件设计分折如下：
plc程序

2）触摸屏画面

4.6系统调试
（1）将触摸屏rs232接口与计算机连接，将触摸屏rs422接口与plc编程接口连接好。
（2）按上图所示编写好的触摸屏画面和plc程序，并传送到触摸屏和plc。
（3）将plc运行开关保持off，程序设定为监视状态，按触摸屏上的按钮，观察程序触点动作情况，如动作不正确，检查触摸屏属性设置和程序是否对应。
（4）系统时间应该正确显示。
（5）改变触摸屏输入寄存器值，观察程序对应寄存器的值变化。
（6）按图连接好平乐村的i/o线路和变频器的控制电路及主电路。
（7）将plc运行开关包吃on，设定水压调整为0.3mpa
（8）按手动起动，设备应正常起动，观察设备运行是否正常，变频器输出的频率是否相对稳定，实际水压与设定水压的偏差。
（9）如果水压的设定值上下剧烈的抖动，应该调节pid指令的微分参数，将至设定小一些，同时适当增加积分参数值。如果调整过于缓慢，水压的上下偏差很大，则系统比例常数太大，应该适当减小。
（10）测试其它功能是否跟控制要求相符。
参 考 文 献
[1] 厉无咎、顾明时，应用变频调速恒压变流量供水系统 中国第四届交流电机调速传动学术会议1995.
[2] 孙增析、张再兴等智能控制理论与技术。清华大学出版社 1997.
[3] 张扣宝 基于PLC 和变频器控制的恒压供水系统设计 第11 期电气技术 .
[4] 滕俊沛 基于PLC 变频调速恒压供水系统的设计 .3.
[5] 王树主。变频调速系统设计与应用[M] 机械工业出版社， .
[6] 吴忠智、吴加林，变频器应用手册 机械工业出版社， .