恒压供水控制系统设计 毕业设计论文.doc

i 恒压供水控制系统设计 摘要 随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高， 城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。 本文针对某住宅小区的供水要求，设计了一套由 plc、变频器、水泵机组、等主要 设备构成的全自动变频恒压供水，具有全自动变频恒压运行和现场手动控制等功能。 系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的 可靠性。 论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式 的节能机理。通过对变频器内置 pid 模块参数的预置，利用压力表的水压反馈量，构 成闭环系统，根据用水量的变化，采取 pid 调节方式，利用变频泵的连续调节和工泵 的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。 关键词：恒压供水，plc，变频调速 ii design of constant pressure water supply system abstract along with the development of the socio-economy of our country, the housing system is going deep into reforms, and peoples living standard is being improved. at the same time, in the city, each kind of sub-district construction is developing very quickly, which puts forward higher requirement for the infrastructure construction of sub-district. according to the requirement of water supply in a abiding place, a set of automatic system of constant pressure water supply by using variable frequency and controlling, which is composed of plc, transducer, pressure sensor, pumps and electro-motor designed to that end. this set of system has the functions like automatic constant pressure operation by using variable frequency, and the function of on-the-spot control by hand etc. the system has solved efficiently the problem existing in the traditional way of water supply, which has various supplementary functions to strengthen the reliability. the paper analyses the mechanism of energy saving that the way of water supply by using the method of variable velocity variable frequency is superior to the traditional way of constant pressure water supply controlled by valve. setting up in advance the parameter of the pid modular built-in the transducer, a system of closed circuit using the feedback of hydraulic pressure has formed. according to the change of water consumption, with pid and combining the constant regulation of the pump of frequency conversion with the work frequency pump grade regulation, the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently. key words: constant pressure water supply, plc, variable frequency speed regulating iii 目 录 摘要 i abstractii 1 绪论 .1 1.1 恒压供水系统产生的意义 1 1.2 恒压供水系统的发展现状 .2 1.3 本课题来源及主要研究内容 2 2 恒压供水系统分析 .4 2.1 恒压供水系统简介 .4 2.1.1 恒压供水系统的基本特征 4 2.1.2 恒压控制的理论模型 .4 2.2 恒压供水系统控制方案讨论 5 2.3 供水系统安全性 .6 2.3.1 水锤效应 .6 2.3.2 水锤效应的危害 .6 2.4 系统的控制流程 .7 2.5 本章小结 .7 3 控制系统的硬件设计 .8 3.1 主电路设计 .8 3.2 控制电路设计 .11 3.3 恒压供水系统硬件组成和清单 12 3.3.1 变频恒压供水的硬件组成 12 3.3.2 恒压供水控制系统硬件清单 13 3.4 本章小结 .13 4 变频器 .14 4.1 变频调速的优势 14 4.2 变频器的应用宏 14 4.3 变频器控制方案论证 14 4.3.1 使用 pfc 宏实现恒压控制 .15 4.3.2 通过 pid 宏实现恒压控制 .17 4.4 变频器的主要参数 20 4.5 本章小结 .27 5 可编程控制器 .28 5.1 plc 的发展现状和概况 28 5.1.1 plc 的基本概念 28 5.1.2 plc 的特点 28 5.2 plc 的主要功能 30 5.3 plc 的组成和应用 31 iv 5.3.1 plc 的基本结构 31 5.3.2 plc 的应用 31 5.4 本章小结 .32 6 plc 电气设计 33 6.1 原理图及 plc 接线图 33 6.2 plc i/o 地址分配 35 6.3 恒压供水系统 plc 程序分析设计 37 6.3.1 plc 主程序结构及框图 37 6.3.2 plc 子程序分析 38 6.4 本章小结 .46 7 结论与展望 .47 致 谢 .48 参 考 文 献 .49 恒压供水控制系统设计 1 1 绪论 1.1 恒压供水系统产生的意义 我国人口众多，随着城镇化建设的飞速发展，城市人口不断增加，每年所消耗的 能量巨大，近年来，能源紧张不时影响到了工业生产及人民生活。从 2003 年开始， 中国的能源消耗速度开始高于经济增速，从“电荒” 、 “油荒” ，到“水荒” ，中国的能 源问题日益突出。据报导，到 2030 年中国人口达到 16 亿时，人均水资源量将降低到 1760 立方米，接近国际承认的 1700 立方米“用水紧张”标准。如果不采取有效措施， 中国有可能在未来出现严重的水危机。而 2003、2004 年的限电生产和生活给人们带 来的影响仍记忆犹新，因此，节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施， 是各行各业的技术改革方向。节水节能已成为时代特征。 随着我国社会经济的发展,住房制度改革的不断深入,人们生活水平的不断提高, 城市中各类小区建设发展十分迅速,同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。 小区供水系统的建设是其中的一个重要方面,供水的经济性、可靠性、稳定性直接影 响到小区住户的正常生活和工作,也直接体现了小区物业管理水平的高低。 为了尽可能地满足城市生产和人们日常生活供水需要，供水企业一般都是满负荷 工作，因此，如何做好供水设备的维护和管理并有效解决电能消耗问题成了企业必须 解决好的关键问题。水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的 21%以上，具有很大的节能潜力。据调查，供水电泵的电能消耗费用在供水企业生产 成本中占了很大的比例。现有的供水系统主要是恒速控制系统并且用常规的阀门来控 制供水量。恒速调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，却相当不经济。研究 结果表明，水泵的轴功率与转速的三次方成正比，因而当电机采用恒速控制时，将有 很大一部分电能消耗在阀门上和以额定转速运行的电机上。为了节能降耗，一种有效 的方法是广泛采用电机调速技术。通过调节电动机的转速可以很好地适应水量和水压 的变化，使水泵始终工作在高效区，进而大大降低水泵能耗，这对节约能源和提高供 水企业的经济效益均具有极其重要的意义。 目前，将先进的自动化技术、控制技术、网络及通讯技术等应用到供水领域，已 经成为供水行业的发展趋势。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，可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性，也有利于实现供水系统的集中 管理与监控。此外，变频恒压供水系统还具有良好的节能性，这在大力提倡节能降耗 的今天尤为重要。本论文将围绕变频恒压控制技术开展研究工作，以期为城市供水行 业技术进步和科技应用做出贡献。 2 1.2 恒压供水系统的发展现状 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。初期阶段，变频器 主要用来进行频率控制、变速控制、正反转控制、启制动控制、压频比控制等。在这 个阶段，变频器仅仅用作变频恒压供水系统的执行机构。为了在供水量需求不同时， 保证管网压力恒定，还需要在变频器外部增加压力传感器和压力控制器，以对压力进 行闭环控制。随着变频恒压供水系统在稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优 点逐渐显现出来，再加上其显著的节能效果，许多变频器生产厂家开始推出具有恒压 供水功能的变频器。 目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系 统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠， 变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。 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。 随着变频恒压供水系统在稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点逐渐显 现出来，再加上其显著的节能效果，许多变频器生产厂家开始推出具有恒压供水功能 的变频器，例如日本 samco 公司就推出了恒压供水基板，具有“变频泵固定方式” 和“变频泵循环方式”两种工作模式，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， 在应用时只需搭载配套的恒压供水单元，便可以直接控制多内置的电磁接触器工作， 最多可构成7台电机(泵)的供水系统。这类控制设备虽然微化了电路结构，降低了设 备成本，但因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也不高， 且难以与别的监控系统和组态软件实现数据通信，限制了带负载的容量，其实际使用 范围受到不小的限制。后来日本富士电机公司推出了新一代风机、水泵专用型变频器 frenic-vp 系列。vp 系列变频器具备适合 hvac（heat ventilation air conditioner）行业所需的最佳功能，节省空间，操作简便，机型丰富,全球通用。 1.3 本课题来源及主要研究内容 本课题来源于生产、生活供水的实际应用。 以往的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转，通过调节阀 门的开度实现对流量的控制，这样造成能源的浪费和产生“水锤效应” ，对设备不利。 恒压供水控制系统设计 3 采用交流变频恒压供水方式组成系统可解决以上问题。本课题来源于实际工程项目， 使用 s7-200plc 和 acs510 专用风机泵类变频器构成恒压供水系统，比较分析使用 不同的控制方案的优缺点，结合实际、工艺状态来选择最优化的解决方法。 本文主要研究内容如下： （1）对变频恒压供水现状进行调研，并提出采用具有众多优点的变频调速恒压供水 方案。 （2）分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略。 （3）介绍了基于plc的变频调速恒压供水控制系统的设计，该系统由一台变频器轮流 拖动7台水泵电机变频运行。重点介绍变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控 制系统的硬件设计和plc程序设计思想。 （4）通过对 abb acs510变频器基本原理和西门子 s7-200plc 的介绍，采用 pid 控 制水泵电机转速，实现变频调速恒压供水。 4 2 恒压供水系统分析 2.1 恒压供水系统简介 2.1.1 恒压供水系统的基本特征 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前 提，表明水泵在某一转速下扬程 h 与流量 q 之间的关系曲线 f(q)，如图 2.1 所示。 由图 2.1 可以看出，流量 q 越大，扬程 h 越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变 的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程 h 与用水流量 qu 间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某 一开度下，扬程 h 与流量 q 之间的关系 h=f(qu)。管阻特性反映了水泵的能量用来 克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一 阀门开度下，扬程 h 越大，流量 q 也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了 在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水 流量 qu 之间的关系 h=f(qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统 的工作点，如图 2-1 中 a 点。在这一点，用户的用水流量 qu 和供水系统的供水流量 qc 处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 图 2-1 供水系统的基本特征 2.1.2 恒压控制的理论模型 变频调速恒压供水系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定 的对象。对它的控制仍属于工业过程控制的范畴，它以供水出口管网水压为控制目标， 在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以 恒压供水控制系统设计 5 是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某 个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水 压力上 16。 实际压力 变频器内置 pid 变频器 水泵 压力检测 + 给定 - 图 2-3 变频恒压控制的原理图 从恒压控制的原理图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设 定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出 频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变 频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机 组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供 水压力和设定压力相等为止 17。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况 刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而 减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。 2.2 恒压供水系统控制方案讨论 根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有变频循环和变频固定两 种工作方式： 变频循环式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50hz 时， 其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机 中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。 变频固定式：变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在 50hz 时， 其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵， 变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择 11。 变频循环方式，由于每台水泵都是由变频器来控制起动的，所以可以彻底消除系 统的水锤效应；控制精度高。在水泵增减过程中由于变频泵是在达到工频的条件下切 换为工频运行的，所以不会产生因各泵阀门开度有所不同而引起的水压波动。由于变 频泵是循环不固定的，所以各泵磨损大致均等，提高了设备的使用寿命。 变频固定方式，由于要维持供水压力恒定，变频泵一直运行，必然使各水泵运行 时间差异大，不利于延长水泵的使用寿命。当变频器所带的变频泵泵故障时，不能实 现恒压供水。 变频循环运行方式优点很多，但实现起来却较复杂，关键问题是变频器输出切换 6 的问题。在非同步状态下，即变频器的频率和相位与工频电源的频率和相位不一致时， 将水泵电动机从变频器供电切换到工频电网供电，将可能遇到很大的电流冲击。如果 在水泵电动机脱离变频器后，等待一段时间（12s） ，待电动机的反电动势降下来后 再接到工频电源，则流过电动机的电流约为电动机额定电流的 5 倍；如果不等待切换， 即在电动机的反电动势比较高时切换，若电动机的反电动势与工频电源电压的相位差 正好为 180，情况更糟，电流将会达到电动机直接起动时电流的 2 倍，即一般的异 步电动机将流过额定电流 10 倍左右的电流，对供电电网和电动机会产生过大的电流 冲击。 目前，多数变频泵循环运行方式的供水系统（包括应用变频器供水控制基板组成 的系统）采用延长切换时间的办法（一般超过 1s） ，来避开相位不一致造成的电动势 叠加，等电动机的感应电动势降下来后再切人工频电源，但此时电动机（水泵）的速 度已很低，切换后电动机瞬间电流基本等于直接起动电流（5 倍的电动机额定电流） ， 使变频泵向工频电网切换成为了水泵的工频直接起动；再者，变频泵循环运行方式中， 变频泵向工频电网切换次数，多于变频泵固定运行方式中工频泵起动次数。以上原因 导致，变频泵循环方式会比变频泵固定方式更多次地冲击电网、水泵和管网中的管路、 阀等设备，更加上变频泵循环方式控制复杂，或用户设计不当等原因，会大大降低设 各的可靠性。 出于以上考虑，本设计选用变频固定方式，为使设备磨损程度均等，采用两台变 频器（一用一备） ，每隔一定时间使用状态进行切换。对各水泵的工作时间也有所设 定，定时时间到，原来运行的变频运行的水泵停止运行，下一个处于停止状态的水泵 变频起动；原来工频运行的水泵停止运行，下一个处于停滞状态的水泵通过软启动器 启动。 需要注意的是，按变频器工作原理，在运行中的变频器不允许在其输出端进行切 换；否则在切换过程中会使变频器中的某些电子器件受到大电流冲击而降低其寿命。 为了保护变频器，在进行自动切换之前应使变频器停止运行。在变频器停止运行的条 件下， 在其输出端进行切换。在切换好后再重新启动变频器而恢复正常运行 12。 2.3 供水系统安全性 2.3.1 水锤效应 水 锤 是 在 突 然 停 电 或 者 在 阀 门 关 闭 太 快 时 ,由 于 压 力 水 流 的 惯 性 ,产 生 水 流 冲 击 波 ,就 象 锤 子 敲 打 一 样 ,所 以 叫 水 锤 。 水 流 冲 击 波 来 回 产 生 的 力 ， 有 时 会 很 大 ， 从 而 破 坏 阀 门 和 水 泵 。 电 动 水 泵 合 电 压 起 动 时 ， 在 不 到 1s 的 时 间 内 ， 即 可 从 静 止 状 态 加 速 到 额 定 转 速 ， 管 道 内 的 流 量 则 从 零 增 加 到 额 定 流 量 。 由 于 流 体 具 有 动 量 和 一 定 程 度 的 可 压 恒压供水控制系统设计 7 缩 性 ， 所 以 ， 流 量 的 急 剧 变 化 将 在 管 道 内 引 起 压 强 过 压 或 过 低 的 冲 击 ， 以 及 出 现 “空 化 ”现 象 。 压 力 的 冲 击 将 使 管 壁 受 力 而 产 生 噪 声 ， 犹 如 锤 子 敲 击 管 子 一 般 ， 称 为 “水 锤 效 应 ”。 2.3.2 水锤效应的危害 水 锤 效 应 有 极 大 的 破 坏 性 ： 压 强 过 高 ， 将 引 起 管 子 的 破 裂 ， 反 之 ， 压 强 过 低 又 会 导 致 管 子 的 瘪 塌 ， 还 会 损 坏 阀 门 和 固 定 件 。 当 切 断 电 源 而 停 机 时 ， 泵 水 系 统 的 势 能 将 克 服 电 动 机 的 惯 性 而 命 令 系 统 急 剧 地 停 止 ， 这 也 同 样 会 引 起 压 力 的 冲 击 和 水 锤 效 应 。 为 了 消 除 水 锤 效 应 的 严 重 后 果 ， 在 管 路 中 需 要 受 到 一 系 列 缓 冲 措 施 和 设 备 。 2.4 系统的控制流程 系统主要由 abb acs510 变频器、软启动器、西门子 s7- 200 plc 以及低压电器 组成。变频器调节变频泵转速, 软启动器完成工频泵的投切。 现将系统控制流程说明如下： （a）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动 1#水泵，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输 出频率，控制 1#水泵的转速，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 1#水泵工作在调速运行状态。 （b）当用水量增加，水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转 速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少，水压增加时，通过压力闭环和恒压控 制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。 （c）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率时，若此时用户管网 的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，系统将软启启动下一台 水泵，同时使变频泵由变频器控制降低转速，经过延时，由变频器控制变频泵变速运 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， 满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行。 （d）当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实 际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将关掉一台工频运行的 水泵，同时变频器提高输出频率使当前变频泵转速升高，经过延时，恢复对水压的闭 环调节，使压力重新达到设定值。如果当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件 时，将继续发生如上转换，直到剩下一台变频泵运行为止。 2.5 本章小结 本章分析了供水系统的基本特性；并分析了调节变频器的频率，可以实现供水管 8 网中压力的恒定；给出了恒压供水的理论模型及近似的数学模型；分析了变频调速的 原理，确定了变频调速的控制方案，概述了系统的工作流程。 恒压供水控制系统设计 9 3 控制系统的硬件设计 3.1 主电路设计 7 台水泵根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵 均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联。连线时一定要注意，保 证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。 1qf、qf1、qf2 、qf3、qf4、qf6、qf6 、qf7 分别为变频器和各水泵运行空 气开关，1kh、2kh、3kh、4kh、5kh、6kh、7kh 分别为电机过载保护用热继电 器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。供水系统电气控制主回路的主要联线 关系如图 3-1 所示。 图 3-1 变频恒压供水系统主电路 变频器的主电路输出端子（u2，v2，w2）经接触器接至三相电动机上，当旋转 方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子（u2 ，v2 ，w2）的相序，否则 无法工作。变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。在电动机三相电 源输入端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小。变频器的控制回 路图如图 3-2。 10 图 3-2 变频器主接线图 软启动器主电路输出端子（u2，v2，w2）经接触器接至三相电动机上。接在主 回路的 x11x71 处。其作用是延长启动时间，当水泵机组启动完成后，脱开。 供水控制系统选择的软启动器为 cts200，用于恒压供水项目中，在恒压供水系 统中采用二（一台备用）拖多的模式。 软启动器的内部结构，如图 3-3，主回路 图 3-3 软启动器内部结构图 恒压供水控制系统设计 11 图 3-4 软启动器控制回路 当软启动器采用单节点控制: 闭合 qf2；闭合 qf1，软启动器开始运行，电机启动开始； 启动完成 k2 闭合，电机正常运行； 适时断开 qf1，注意此时 km1 触点断开“stop ”端起作用，使 k2 断开，电机 停转。 注意事项： (1)l1 l2 l3 端子的接线顺序要正确，否则软起会报故障，此时要改变相序。 (2)使用单节点控制方式时，当 run，stop 同时与 com 短接时，run 端起作用， 当 run 切除后（km1 断开）stop 端起作用。各个端子的功能如下表; 表 3-1 软启动器端子功能表 符号 端子名称 说明 l1.l2.l3 交流电源输入端子 连接三相交流电源 t1.t2.t3 软启动器输出端子 连接三相异步电动机 主回路 b1.b2.b3 旁路接触器专用端子 用于连接旁路接触器 run 外控起动端子 run 与 com 短接则启动 stop 外控停止端子 stop 与 com 短接则停止 jog 外控点动端子 jog 与 com 短接则点动 输入 端子 +12v 内部电源端子 内部输出电源，dc12v/12ma oc 起动完成输出端子 起动完成后晶体管导通 com 公共端子 内部电位参考点 k11 k12 k14 故障输出端子 k12.k14 常开接点 k12.k11 常闭接点 故障时，k12.k14 闭合 k12.k11 断开 触点容量：ac250v/5a 控 制 回 路 输出 端子 k21 起动完成端子 完成后，k22.k24 闭合 12 k22 k24 k22.k24 常开接点 k22.k21 常闭接点 k21.k22 断开 触点容量：ac250v/5a 下图 3-6 软启动器在恒压供水系统中的接线图 图 3-5 软启动器电路图 3.2 控制电路设计 控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。 变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和 变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频变频运行接触器 作了互锁设计；另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行， 为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在 plc 控制程序 设计时，进一步通过 plc 内部的软继电器来实现互锁。 出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关 及相应的电路来实现，变频恒压供水系统的主要电气控制线路图如图 3-6 所示。图 3- 6 中，sa 为手动 /自动转换开关，ka 为手动/自动转换用中间继电器，打在位置 ka5 吸合，为手动状态，打在位置为自动状态。在手动状态，通过按钮 1sb1- 7sb1， 1sb2-7sb2 控制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行 plc 的控制程序， 自动控制泵的起停。在自动状态时，7 台泵在 plc 的控制下能够有序而平稳地切换、 运行。电动机的工频运行由接触器 1km1-7km1 控制，电机的变频运行有接触器 1km2-7km2 控制。1kh-7kh 为 7 台泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保 护。 恒压供水控制系统设计 13 图 3-6 系统的主要电气控制线路图 3.3 恒压供水系统硬件组成和清单 3.3.1 变频恒压供水的硬件组成 变频恒压供水系统电气控制系统结构如图 3-7 所示。 14 压力信号 可编程序控制器 p l c 故障 、 状态等量输 入 变频器 水泵机组 报警控制等量 输出 软启动器 图 3-7 系统电气控制系统结构图 3.3.2 恒压供水控制系统硬件清单 表 3-2 硬件清单 序号 设备名称 型号 数量 备注 1 控制柜 2 2 变频器 acs510-01-157a 2 abb 3 可编程控制器 s7-200 1 siemens em223 2 simens4 plc 扩展模块 em221 1 simens 5 进线断路器 ezd400e 1 施耐德 6 断路器 ezd16e 8 施耐德 7 接触器 lc-d15000 m7c 14 施耐德 8 热继电器 lrd4369 7 施耐德 9 电流互感器 lmz1-0.5 400/5 17 正泰 10 电压表 6l2-v 450v 1 正泰 11 电流表 6l2-v 450 1 正泰 12 辅助继电器 my-24 20 欧姆龙 13 母排 铜排 国产 14 按钮、指示灯 15 软启动器 cts200-55 2 16 旁路接触器热继电器 施耐德 3.4 本章小结 本章主要分析了恒压供水系统的硬件设计，主要介绍了系统的硬件组成、主电路 恒压供水控制系统设计 15 和控制电路的设计。恒压供水系统的结构，软启动器的结构及工作原理，系统控制电 路的手/自转换以及控制系统的硬件那清单。 16 4 变频器 4.1 变频调速的优势 变频调速一般指的是对交流异步电动机的调速,随着变频调速技术的发展,其调速 性能已经达到与直流电动机相媲美的地步,而且控制方便、简单,概括起来变频器在工 业企业中的应用具有如下优点： （1）满足工艺要求,解决技术难题。 （2）采用变频器后运行速度一般都下降,这样降低了对动设备冲击，电机故障率降低， 使用寿命增长，降低运行设备噪音。 （3）有明显的节电效果。 （4）实现软启动、软停车,降低了对电网的冲击。 另外,变频器速度控制精度高,调速范围大,具有较好的静态特性及动态特性,可以 方便组成比较复杂的闭环控制系统,完成现场流量、压力、转速等量的控制。 4.2 变频器的应用宏 （1）pid 控制宏 应用于多种闭环控制系统，如压力控制，流量控制（要调用 pid 控制宏，需要 设置参数 9902 的值为 6） 。 注意 ! 参数 2108 start inhibit （禁止起动）必须保持为默认设置 0 (off)。 （*2108 参数为 1，表示禁止起动打开） group21:起动/停止。参数 2108 仅在传动停止时才能修改。 group99 组参数：起动数据，词组参数组专用于配置 设置变频器和输入电机数 据。 （2）pfc 控制宏 本宏应用于泵和风机控制（pfc）的应用（要调用本宏，设置参数 9902 的值为 7） 。 注意 ! 参数 2108 start inhibit （禁止起动）必须保持为默认设置 0 (off)。 （*2108 参数为 1，表示禁止起动打开） （3）spfc 控制宏 本宏应用于泵和风机的循环软起动控制（spfc）应用（设置参数 9902 的值为 15） 9。 4.3 变频器控制方案论证 变频器 acs510 在恒压供水控制系统设计中可以使用其应用宏中的 pfc 控制宏 恒压供水控制系统设计 17 或者 pid 宏。下面通过不同方案的比较得出工频泵的最优切换方式，同时论证最初 方案的可行性。 调试过程： 我们的这次调试大致经过了两个阶段，第一阶段主要研究 pfc 宏在恒压控制中 的应用，并对 pfc 控制的可行性进行了探讨，论证了实现 pfc 控制的条件；第二阶 段用到了 pid 宏以及恒速控制，这一阶段的核心是放弃 pfc 辅机控制方式，期望通 过恒速控制从 pid 宏中实现工频泵切换。下面对两个调试阶段作更加详细的说明。 4.3.1 使用 pfc 宏实现恒压控制 pfc 宏是泵和风机控制的专用宏，我们首先想到的是用 pfc 宏实现恒压供水。 由于 pfc 控制对应的指令集比较庞大，最初我们参数设置出现了问题，后来增加了 pfc 控制组即 81 组参数的设置，并对电位器的调节更加顺手，使得调试能顺利的进 行，并最终达到了预期的效果。接线图如图 4-1 所示： 图 4-1 pfc 宏接线图 关于 pfc 宏红纸方案，在调试中我们用到了三种工频泵切换方式，具体如下 （a）通过监控输出频率切换工频泵 在这种方案中我们使用了 pfc 宏，但是没有设置 81 组参数，只用了监控器来时 实现继电器 2（频率高动作）和继电器 3（频率低动作）的闭合和断开。 调试内容： 把 10 号端子和 18、21 连起来，只测试继电器 2 输出。将变频器打到远控状态， 18 接通电源，旋动电位器，当把电位器打到最左端，即没有模拟信号输入的时候，电机 可以运转，并且输出从 0hz 开始一直增加，直到变频器的上限频率 48hz 后，又归零， 如此循环；继电器 2 触点在频率升到 48hz 时接通。向右旋动电位器，变频器的输出 不再上升，而是往下降，直到 0hz，当降到 25hz 的时候，继电器 2 触点断开，查看 01 组显示值，发现（0128）pid1 设定值和 0130（pid1 反馈值）都显示 16，即最大 值的 60。 现象分析： 继电器 2 触点之所以这样动作，是因为用了一个监控器，符合监控器情况 a，即 继电器 2 触点在高于 48hz 时接通，直到频率降至 25 后才断开；显示的设定值和反 馈值都是 16，这一现象在使用内部给定时也出现过，但是后来换了一台变频器，问 题解决了，具体原因有待进一步分析。另一个主要问题是 18 端子和 10 端子直接相连， 当频率达到高值是会引起短路。必须去掉连接。 结论： 使用一个监控器实现不了继电器 2 的动作要求，应该用两个监控器分别监控频率 高值和频率低值。即使这样，也存在没有工频泵切入时的频率补偿和触点无法及时复 位的现象，进而在加入一台工频泵时可能导致两个问题：一是如果不使用软启动，在 工频泵切入瞬间可能会突然增大管道压力；二是如果压力还不够，没办法继续启动另 一台工频泵。 （b） 使用 81 组（pfc 控制组）实现工频泵切换 通过设置 81 组参数，我们完善了 pfc 宏的设置，期望通过 pfc 宏解决问题，这 里主要是用 pfc 控制组里的 8109 和 8112 参数设置副泵的启动频率和停止频率。 调试内容: 按照图 3-1 接线，接通电源，旋动电位器到最左端，频率开始上升，达到 48hz 时，继电器 1 接通，可以看到输出频率稍微增加，之后频率迅速下降，降至 30hz 左 右，又开始上升至 52hz，保持不变。缓慢旋动电位器，看到输出频率开始下降，降 至 25hz 时，又稍微降低后，继电器 1 断开，频率迅速上升，频率升至 40hz 左右， 又开始下降。缓慢调节电位器，使反馈值逼近给定值，基本相等时，输出频率不再变 化，查看 0128 和 0130，可以看到 0128=60；0130=60，和给定值完全一致 现象分析： 使用 pfc 功能时，变频器输出到达启动频率时有一个频率降过程，到达停止频 率时有一个频率升过程，以补偿加入一台工频泵或切除一台工频泵带来的输出增量或 输出减少。当输出频率到达启动频率时，继电器 1 闭合，在频率降到停止频率时，继 电器 1 断开，从而实现一个继电器对应一台辅机的控制。 结论： 基本实现了 pfc 控制的预期目标，但是由于 acs510 只有三个继电器输出，一 恒压供水控制系统设计 19 个要走故障信号输出，另外还能带两台辅机。现场有 5 台辅机，要使用 pfc 控制方 案，只能再加一个 ro 扩展模块（继电器扩展） 。 （c） 结合监控器和 pfc 实现工频泵切换 由于方案(b)要用到扩展模块，我们又设计了另一种方案，这种方案将方案(a)进 行了修正，同时利用 pfc 的频率升和频率将过程实现了继电器的自动复位和频率补 偿，这种方案的实质并不是 pfc 控制；另外，与方案 (a)不同的是该方案使用两个监 控器，监控器 1 监控高值，监控器 2 监控低值，不是用一个继电器输出对应一台辅机， 而是靠继电器输出 3 和继电器输出 3 实现副泵的切入和切出。 调试内容： 和方案 3.1.2 调试方法基本一致，不同的是要监控继电器输出 2 和继电器输出 3 分别在 48hz 和 25hz 时的状态，可以看到，继电器 2 在频率到达 48hz 左右闭合，稍 微上升后，输出频率像 pfc 控制中的继电器 1 输出一样有一个频率降的过程，并在 频率降至 48hz 时断开，降至最低点后频率又开始上升；继电器 3 在频率降至 25hz 时闭合，频率再稍微下降，然后有一个频率升的过程，并在频率升至 25hz 时断开， 升至最高点后频率又开始下降。 现象分析： 使用 pfc 在 48hz 和 25hz 上的频率升和频率降强制继电器 2 和继电器 3 动作， 解决了工频泵切入和切出时的频率补偿的问题。但是，这个方案也有和方案 3.1.2 相 同的问题，就是继电器输出还是不够，由于占用了继电器输出 1，变频器故障信号没 有地方给出。我们尝试将辅机数量设为 0 以腾出继电器输出 1，但是这样改过后，继 电器 2 和继电器 3 不再有频率升和频率降过程。当输出频率到达 52hz 后保持。其实 这等于是破坏了 pfc 功能的辅机切换控制，变频器内部不再对频率高点和频率低点 进行频率补偿了。这也是不能单独使用监控器实现工频泵控制的原因。 结论： 该方案很巧妙的借用了 pfc 的频率升和频率降，补偿了副泵切入和切除时的频 率，要想用此方案，必须增加通信以输出故障信号，这又使系统变得繁琐了。 4.3.2 通过 pid 宏实现恒压控制 尽管 pfc 控宏控制可以实现预期目标，但是需要增加扩展模块，这样要增加开 支，我们想能不能用 pid 宏代替 pfc 宏，同时在继电器动作时利用恒速功能实现频 率升和频率降，我们尝试了一种和 pfc 控制并列的方案，并且实现起来较为容易， 接线要稍作改动。具体接线方法如图 4-2 所示： 20 图 4-2 pid 宏控制接线图 （a) 结合 pid 宏和恒速运行实现工频泵切换 大致过程是样的：由于恒速功能不能使用 pid 控制或 pfc 控制，而外部 2 用到 了 pid 控制，所以必须在恒速时切换到外部 1。使用恒速实现频率升和频率降，恒速 持续几秒钟后，再切回到外部 2，进行 pid 控制。 恒速的启动和断开靠 di1 在适当的时刻接通继电器 2 或继电器 3，从开始恒速到 恒速保持结束的时间和继电器断延时的时间相同，继电器 2 和继电器 3 输出的时序图 如图 4-3 所示（继电器输出延迟时间设置为 20s）： 恒压供水控制系统设计 21 f / h z t / s 5 0 4 8 2 5 1 3 t / s 继电器 2 输出 1 . 无延时情况 ： t / s 继电器 3 输出 t / s 继电器 2 输出 t / s 继电器 3 输出 t / s 恒速 1 t / s 恒速 2 2 . 有延时情况 ： 2 0 s 延时 2 0 s 延时 4 8 h z 2 6 h z 2 5 h z 4 5 h z 图 4-3 输出时序图 调试步骤和现象： 按图 4-2 接线，上电运行变频器，可观察到监控器 1 在检测到频率升到 48hz 后， 继电器 2 闭合，此时把 di1 和 ro2b 连接起来（从 di1 引出导线接触 ro2b） ，同时频 率降至 26hz 并持续几秒钟，这段时间总共是 20s，之后继电器 2 断开，频率又开始 上升；监控器 2 在检测到频率降至 25hz 后，把 di1 和 ro2c 连接起来（从 di1 引出 导线接触 ro3b）继电器 3 闭合，同时频率升至 45hz 并持续几秒钟，这段时间总共 是 20s，之后继电器 3 断开，频率又开始下降。 22 现象分析： 频率升至 48hz 后，22 端子和 24（频率高）端子接通，由于 22 端子接 24v 电压， 此时 13 端子（di1）和 15 端子（di3）都得 24v 电压，即 di=di3=1，端子 16（di4 ）=0 ，此时选通外部控制 1，由于外部 1 没有定义，此时可以用恒速功能。 (di3=1 di 4=0)对应恒速 1，即 26hz，由于继电器 2 延时 20s 后才断开，这段时间可 以使频率降至 26hz 并保持几秒钟，之后恒速结束，开始 pid 控制；端子频率降至 25hz 后，25 端子和 27（频率低）端子接通，由于 25 端子接 24v 电压，此时 13 端 子（di1 ）和 16 端子（di4）都得 24v 电压，即 di=di4=1，端子 15（di3）=0，此 时选通外部控制 1，可以用恒速功能。(di3=0 di 4=1)对应恒速 2，即 45hz，继电器 2 延时 20s 后断开，这段时间可以使频率升至 45hz 并保持几秒钟，之后恒速结束， 开始 pid 控制。 如果同时将 di1 和 ro2b、ro3b 连接起来，且继电器 2 或继电器 3 有一个输出 为 24v（状态为 1）此时会出现恒速 3，要避免恒速 3，就要注意 ro2b、ro3b 不能 短接。 结论： 该方案腾出了继电器输出 1，可以作为故障信号输出，弥补了方案（b）和 （c）继电器输出不够的情况，同时使用恒速功能实现了频率升和频率降过程，可以 解决副泵切入和切出的频率补偿问题。这也是最合理的一种控制方案。 （b）结合 pid 宏于软启动器的工频泵切换方式 如果使用软启动器，工频泵的切入和切出并不是瞬间完成，我们可以把软启动和 软停车的时间设长一点，这样就不必经过频率升和频率降过程，直接使进入 pid 调 节。具体方案还要经过进一步论证。 调试结论 经过 3 天的调试，证明了如果使用 pfc 宏控制工频泵切换，就必须加 ro 扩展； 原方案是可行的，但必须将 pfc 宏改为 pid 宏，最好再加上恒速运行控制，以提高 系统可靠性。这种方案不需要 ro 扩展，通过继电器 2、3 输出控制工频泵的切入和 切出。在调试过程中我们比较了各个方案的优缺点，并提出了改进方案，为后续图纸 设计和电器件采购打好了基础，对恒压控制有了比较充分的理论根据和实验数据。 4.4 变频器的主要参数 9 （1）当使用 pfc 控制宏时，应设定