plc控制变频器的恒压供水系统的设计

1 PLC 控制变频器的恒压供水系统的设计 摘要 随着电力技术的发展，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和 压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电 网的冲击；由于泵的平均转速降低，从而可以延长泵和阀门等器件的使用寿命；可以消除 起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到 的功能，使供水实现节水、节电、节省人力并最终达到高效率的运行目的。本文介绍了采 用 PLC 控制的变频调速供水系统，由 PLC 进行逻辑控制，由变频器进行压力凋节。在通过 PLC 控制变频器，实现闭环自动调节恒压变量供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定， 结构简单，工作可靠等特点。 第一章 绪论 1.1 引言 水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中，基本上都 是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动，把供水管网中的自 来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量，如果能在提高供水机泵的效 率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗，将具有重要经济意义。 随着变频调速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 统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活供水系统。然而，由于 新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如水泵） ，在对原有供水系统进行变频改造的 实践中，往往会出现一些在理论上意想不到的问题。本文介绍的变频控制恒压供水系统， 是在对一个典型的水塔供水系统的技术改造实践中，根据尽量保留原有设备的原则设计的， 该系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了变频控制恒压供水的技术优势， 同时有效的节省了资金。 1.2 变频器恒压供水系统简介 1.2.1 变频恒压供水的现况 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， 2 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SAMC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，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，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。 目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。 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。 1.2.2 变频供水系统应用的范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类: 1)小区供水变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压 站，特点是变频控制的电机功率小，一般在 135kw以下，控制系统简单。由于这一范围的 用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式.如希望集团(森兰变频器)推出的 3 恒压供水专用变频器。 2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频 器电机功率在135kw到320kw之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂 规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 3)大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大、机组多、多数采用高 压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制 系统。如利德福华的一些高压供水变频器 在本文中，研究和设计的变频器是以第一种应用范围为基础。 1.2.3 变频供水系统的发展趋势 变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国内外，专门针对供水 的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融 入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直 接进口国外变频器，结合PLC 或PID 调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产 变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量 变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。 第二章 恒压供水的设计的控制要求 （1）有三台水泵，按设计要求两台运行，一台备用，自动运行时泵运行累计 10H 轮换一次，手动时不 切换； （2）用水高峰 1 台工频全速运行，1 台变频器运行。用水低谷时，一台变频器运行。 4 （3）切换后起动和停电后起动须 5s 报警，运行异常可自动切换到备用泵，并报警； （4）三台水泵分别由 M1、M2，M3 电动机拖动，由 KM1、KM3. KM5 变频控制；KM2,KM4,KM6 全速控制， （5）变频器（使用三菱 FR-A540），调节电动机的转速； （6）水压在 010kg 可调，通过触摸屏（使用三菱 F940）输入调节； （7）触摸屏可以显示设定水压、实际水压、水泵的运行时间、转速、报警信号等； （8）变频器的其余参数自行设定。 （9） 试验时，KM1,KM3,KM5 可并起接变频器与电动机，KM2,KM4,KM6 不接入，用指示灯代替。 第三章 变频恒压供水系统主要硬件设备的设计 2.1 可编程控制器 (PLC) 2.1.1 PLC 的定义及特点 在 PLC 的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过 4 年的调查，于 1980 年把这 种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（Programmable Controller） ，英文缩写为 PC，并作如下定义：“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器 来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械 或生产过程进行控制。PLC 的特点如下： 1、高可靠性 (1)所有的 I/O 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与 PLC 内部电路之间电气上 隔离。 (2)各输入端均采用 R-C 滤波器，其滤波时间常数一般为 1020ms. (3)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 (4)采用性能优良的开关电源。 (5)对采用的器件进行严格的筛选。 (6)良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU 立即采用有效措施， 以防止故障扩大。 (7)大型 PLC 还可以采用由双 CPU 构成冗余系统或有三 CPU 构成表决系统,使可靠性更进一 步提高。 2、丰富的 I/O 接口模块 PLC 针对不同的工业现场信号，如： 交流或直流； 开关量或模拟量； 电压或电流； 脉冲或电位； 强电或弱电等。有相应的 I/O 模块与工业现场的器件或设备，如： 按钮 行 程开关 接近开关 传感器及变频器 电磁线圈 控制阀直接连接。另外为了提高操作性能， 5 它还有多种人-机对话的接口模块; 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模 块，等等。 3、采用模块化结构 为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块 化结构。PLC 的各个部件，包括 CPU，电源，I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各 模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4、编程简单易学 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具 备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。 5、安装简单，维修方便 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种 设备与 PLC 相应的 I/O 端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置， 便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用 户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 2.1.2 PLC 的工作原理 PLC 采用循环扫描的工作方式，在 PLC 中用户程序按先后顺序存放，CPU 从第一条指令 开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC 的扫描过 程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描 一次所需的时间称为扫描周期。当 PLC 处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等 内容。在 PLC 处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出， 一直循环扫描工作。 2.1.3 PLC 的选择 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 PLC 2个输入点，系统自动/手动起动需1个输入点，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FXOS-30MR-D型PLC。 2.1.4 PLC的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、 轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类： (1）开关量逻辑控制 (2）工业过程控制 (3）运动控制 (4）数据处理 (5）通信及联网 6 2.2 变频器的选择 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，在我国是每秒50Hz。而交流电动机的同步转速。 式中 -同步转速，r/min； 1N -定子频率，Hz；f -电机的磁极对数。P 而异步电动机转速 )1(60)1(sPfsN 式中 -异步电机转差率，s ，一般小于3%。11/)(N 均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变 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。 2.2.1 变频器的基本结构 变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运 行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。其中控制电 路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输 出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大 量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。 2.2.2 变频器的分类 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流 型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制 变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变 7 频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变 频器和三相变频器等。 2.2.3 变频器的控制方式 控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多， 包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按 负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。下表中参数供选用时参 考。 表 1 控制方式的比较 控制 方式 U/f=C 控制 电压空间矢量 控制 矢量控制 直接转矩控制 反馈 装置 不带 PG 带 PG 或 PID 调节器 不要 不带 PG 带 PG 或编 码器 速比 I 150%200% 静态 速度 精度 /% （0.20.3 ） （0.20.3 ） 0.2 0.2 0.02 0.2 适用 场合 一般风机、 泵类等 较高精度调 速，控制 一般工业上的 调速或控制 所有调速 或控制 伺服拖动、 高精传动、 转矩控制 负荷起动、起重 负载转矩控制系 统，恒转矩波动 大负载 故选择 U/f=C 控制 2.2.4 变频器容量的选择 变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优 的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择 方法，它们之间互为补充。 8 1、从电流的角度： 大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中 后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而 降低，都很难确切表达变频器的能力。 选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。 负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定 变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机 的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定 电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保 证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 2、从效率的角度： 系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时， 则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点： （1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。 （2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动 机的功率，但应略大于电动机的功率。 （3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变 频器，以利用变频器长期、安全地运行。 （4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器， 但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。 （5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的 节能效果。 3、从计算功率的角度： 对于连续运转的变频器必须同时满足以下 3 个计算公式： (1)满足负载输出：PcnPm (2)满足电动机容量：Pcn3KUeIe cos 10-3 (3)满足电动机电流：IcnKIe 式中 Pcn 为变频器容量（单位 kW） ，Pm 为负载要求的电动机轴输出功率（单位 kW） ， Ue 为电动机额定电压（单位 V） ，Ie 为电动机额定电流（单位 A） ， 为电动机效率（通常 约为 085） ，cos 为电动机功率因数（通常约为 075） ，k 是电流波形补偿系数（由于 变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通 常 K 约为 10511） 。 9 根据计算所得的所需参数可以选择三菱 FRA540 型变频器（如图 2 所示） ，该变频器配 有 PID 功能。通过外部电位器作为压力给定值。安装在管网上的压力传感器反馈来的压力 信号(420mA)作为压力反馈至变频器的辅助输入端 4 端、5 端。变频器时刻跟踪管网压力 与设定压力值之间的偏差变化情况。经变频器内部 PID 运算，调节变频器的输出频率，改 变水泵转速。并通过 PLC 控制水泵工频供电与变频供电的切换，自动控制水泵运行的台数， 实现闭环控制。使水压保持恒定。由于变频器具有内置的 PID 控制器，PID 参数可通过在 线调试，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，因此可以选择。 2.3 传感器的选择 压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。该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02.5MPa，工作温度为560 ，供电电源为283V（DC） 。 第四章 系统的软件设计 4.1 变频器的参数设定 （1）上限频率 Pr1=50Hz； （2）下限频率 Pr2=30Hz； （3）基底频率 Pr3=50Hz； （4）加速时间 Pr