PLC在变频调速恒压供水系统中的应用设计.doc

1 PLC 在变频调速恒压供水系统中的应用 摘 要 变频恒压供水系统是现代建筑中普遍采用的一种水处理系统 随着变频调速技 术的发展和人们节能意识的不断增强 变频恒压供水系统的节能特性被广泛地应 用于住宅小区 高层建筑的生活及消防供水系统 本课题满足了变频恒压供水系统中的基本要求 是由储水系统 动力系统 回 水系统和控制系统组成 它利用流量与转速成正比的关系来实现节能 即当需求 的压力降低时 电动机转速降低 泵出口流量减少 电动机的消耗功率大幅度下 降 从而达到节能的目的 控制系统采用手动和自动两种控制方式 在自动控制器失效的状态下 用手动 控制系统也能保证系统地可靠运行 在系统投入自动运行前 手动控制还可用于 检验动力线路和动力设备的工况 在有变频和工频两种运行状态的设备间 采用 机械互锁和逻辑互锁的双重保护设计 以保障设备的安全运行 该系统同时采用 过载保护 漏电保护 接地保护等多重保护机制 充分保障了操作者的人身安全 和设备的运行安全 关键词 恒压供水 变频调速 PLC 泵机切换 2 PLC in the frequency control water supply system ABSTRACT Constant pressure water supply system is widely used in modern construction of a water treatment system with frequency conversion technology and the growing awareness of people to save energy constant pressure water supply system energy saving features are widely used in residential quarters the lives of high rise buildings and fire water systems The subject of Constant Pressure Water Supply System to meet the basic requirements is a water storage system power system return water system and control system composition It uses the relationship between flow and speed is proportional to energy saving that is when demand pressure is reduced the motor speed decreased and the pump flow decreased significantly decrease the power consumption of the motor to save energy Control system with manual or automatic control mode in automatic failure of the state controller with manual control system can guarantee the system to reliable operation Frequency in a frequency and operating status of the equipment of two the use of mechanical interlocking and interlocking logic of the dual protection designed to protect the safe operation of equipment the system simultaneously with overload protection leakage protection ground fault protection of multiple protection mechanisms such as fully protect the operator s personal safety and the safe operation of equipment KEY WORDS constant pressure water supply frequency control PLC 3 目 录 前 言 5 第一章 绪论 6 1 1 本课题设计的背景 6 1 2 本课题设计的内容 7 1 2 1 恒压供水系统的选型 7 1 2 2 系统的硬件设计 7 1 2 3 系统的软件设计 7 1 3 本课设计的目的和意义 7 第二章 系统控制方案的确定 9 2 1 变频调速 9 2 1 1 变频调速的工作原理 9 2 2 2 变频器的技术特点及应用 9 2 2 系统控制方案 9 第三章 系统硬件设计 13 3 1 可编程控制器 PLC 的选型 13 3 1 1 PLC 概述 13 3 1 2 PLC 的选型 14 3 2 变频器的选型 15 3 3 水泵的选型 15 3 4 压力传感器的选型 16 3 5 PLC 及变频器控制电路 16 3 5 1 供水系统主电路 16 3 5 2 供水系统控制电路 17 3 5 3 缺水保护电路 18 3 5 4 缺相相序保护电路 18 4 3 6 硬件接线图 19 3 7 I O 分配表 21 第四章 系统软件设计 22 4 1 PLC 三菱 梯形图 22 4 2 系统程序清单 27 4 3 系统工作过程分析 31 4 4 控制系统程序设计 31 4 4 1 启动程序 31 4 4 2 水泵切换程序 32 4 4 3 逐台停泵程序 32 4 4 4 故障处理 32 结论 33 参考文献 35 致谢 34 5 前 言 随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强 变频恒压供水系统的 节能特性被广泛地应用于住宅小区 高层建筑的生活及消防供水系统 在智能建 筑教学领域 恒压供水系统已成为一个研究的重要课题 其典型结构是由压力传 感器 可编程控制器 PLC 变频器 供水泵组等组成 随着社会的飞速发展 和城市建设规模的扩大 人口的增多以及人们生活水平的提高 对城市供水的质 量 数量 稳定性等问题提出了越来越高的要求 机组的控制主要依靠值班人员 的手操作 控制过程烦琐 而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时 做出恰当的反应 为了保证供水 机组常保持在超压的状态下运行 爆损现象也 挺严重 本论文结合现状 设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水系统 本课题满足了变频恒压供水系统中的基本要求 是由储水系统 动力系统 回水系统和控制系统 手动控制 自动控制 组成 它利用流量与转速成正比的 关系来实现节能 即当需求的压力降低时 电动机转速降低 泵出口流量减少 电动机的消耗功率大幅度下降 从而达到节能的目的 对象系统由四台不同功率的水泵机组组成 都为常规变频循环泵 用于模拟 正常模式下的生活供水动力系统 回水系统采用有机玻璃材料结构 以使实验系 统具有可观察性 控制系统采用手动和自动两种控制方式 在自动控制器失效的状态下 用手 动控制系统也能保证系统地可靠运行 在系统投入自动运行前 手动控制还可用 于检验动力线路和动力设备的工况 在有变频和工频两种运行状态的设备间 采 用机械互锁和逻辑互锁的双重保护设计 以保障设备的安全运行 该系统同时采 用过载保护 漏电保护 接地保护等多重保护机制 充分保障了操作者的人身安 全和设备的运行安全 6 第一章 绪论 1 1 本课题设计的背景 随着变频器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消 防供水系统 然而 由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备 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 本课题介绍的变频控制恒压供水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 同时有效的实现节水 节电 节省 人力 最终达到高效率的运行目的 PLC 是继电器逻辑控制系统发展而来 所以它在数学处理 顺序控制方面具 有一定优势 继电器在控制系统中主要起两种作用 1 逻辑运算 2 弱电控 制强电 PLC 是集自动控制技术 计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制 装置 已跃居工业自动化三大支柱 PLC ROBOT CAD CAM 的首位 可编程控 制器 简称 PLC 它在集成电路 计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工 业控制设备 具有 1 可靠性高 抗干扰能力强 2 设计 安装容易 维护工作量 少 3 功能强 通用性好 4 开发周期短 成功率高 5 体积小 重量轻 功耗底 等优点 已经广泛应用于自动化控制的各个领域 并已成为实现工业生产自动化 的支柱产品 与继电 接触器系统相比系统更加可靠 占位空间比继电 接 触器控制系统小 价格上能与继电 接触器控制系统竞争 易于在现场变更程 序 便于使用 维护 维修 能直接推动电磁阀 触器与于之相当的执行机构 能向中央执行机构 能向中央数据处理系统直接传输数据等 因此 进行变频恒压供水系统的 PLC 控制系统的设计 可以推动变频恒压供 水系统行业的发展 扩大 PLC 在自动控制领域的应用 具有一定的经济和理论研 究的价值 1 2 本课题设计的内容 本设计将在以下几个方面对恒压供水控制系统进行研究和论证 7 1 2 1 恒压供水系统的选型 该系统是由储水系统 动力系统 回水系统和控制系统 手动控制 自动控 制 组成 对象系统由四台不同功率的水泵机组组成 都为常规变频循环泵 用 于模拟正常模式下的生活供水动力系统 回水系统采用有机玻璃材料结构 以使 实验系统具有可观察性 1 2 2 系统的硬件设计 PLC 变频恒压供水控制系统由 4 台水泵 一台智能型电控柜 包括变频器 PLC 交流接触器 继电器等 一套压力传感器 缺水保护器 断相相序保护 装置以及供电主回路等构成 1 2 3 系统的软件设计 系统的软件设计包括 PLC 的程序设计和变频器的功能参数设定 这里主要讨 论 PLC 的程序设计 PLC 的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计 手动 部分是通过按钮控制水泵在工频下运行和停止 主要考虑系统调试或检修时用 当选择开关打到 自动 时 系统能够进入自动工作状态 由 PLC 和变频器联 合控制各台电机的投入或切除 工频或变频运行方式 供水系统共有 4 台泵组电 机 在根据水压决定投入泵组台数后 只有最初投入的电机进行变频调速 其它 后投入的电机则在工频下全速运行 泵组电机的切换过程由逻辑控制单元 PLC 实 现 1 3 本课设计的目的和意义 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了 从而可延长泵和阀门等 东西的使用寿命 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 将使供水实现节水 节电 节省人 力 最终达到高效率的运行目的 用户用水的多少是经常变动的 因此供水不足或供水过剩的情况时有发生 而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上 即用水多而供水少 则压 力低 用水少而供水多 则压力大 保持供水压力的恒定 可使供水和用水之间 保持平衡 即用水多时供水也多 用水少时供水也少 从而提高了供水的质量 8 PLC 恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的 例如在某些生产 过程中 若自来水供水因故压力不足或短时断水 可能影响产品质量 严重时使 产品报废和设备损坏 又如发生火灾时 若供水压力不足或或无水供应 不能迅 速灭火 可能引起重大经济损失和人员伤亡 所以 某些用水区采用 PLC 恒压供 水系统 具有较大的经济和社会意义 PLC 是面向工业生产过程控制的 特别是中小容量 PLC 成功地取代了传统的 继电器 接触器控制系统 使控制装置的可靠性大为提高 在改造传统工业控制 设备和开发研制机电一体化高新技术产品中发挥了巨大作用 而变频器能节能和 调速 并能实现自动控制程高精度控制 还能在恒压恒温控制应用实现了智能控 制等 本课程的基本要求是在了解 PLC 一般性硬软件基本构成和工作原理的基础 上 并和变频器综合利用 根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力 达到 恒压供水的目的 改造提高了系统的工作稳定性 得到了良好的控制效果 第二章 系统控制方案的确定 9 2 1 变频调速 2 1 1 变频调速的工作原理 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能 控制装置 变频器的电路一般由整流环节 中间直流环节 逆变环节和控制环节 4 个部分组成 整流部分为三相桥式不可控整流器 逆变部分为 IGBT 三相桥式逆 变器 且输出为 PWM 波形 中间直流环节为滤波 直流储能和缓冲无功功率 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分 变频器的主电 路大体上可分为两类 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器 直流回 路的滤波是电容 电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器 其直流回路 滤波是电感 它由三部分构成 将工频电源变换为直流功率的 整流器 吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的 平波回路 以及将直流功率变换 为交流功率的 逆变器 控制电路是给异步电动机供电 电压 频率可调 的主电路提供控制信号 的回路 它有频率 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 组成 2 1 2 变频器的技术特点及应用 变频器的主要技术特点有减少功耗降低成本和简化机构提高性能 所以它在 现代工业中起着重要的作用 广泛应用于航空航天 基础工业 自动控制等行业 2 2 系统控制方案 PLC 变频恒压供水控制系统是以 PLC 为控制核心 由 PLC 控制器 变频调 速器 压力传感器 等其他电控设备以及 4 台水泵组成 如图 2 1 所示 10 图 2 1 变频调速恒压供水控制系统的原理图 其工作过程 设定一个水压值后 根据变频恒压供水原理 利用安装在供水 管网上的压力传感器 连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号 并将水压 信号转换为电信号 模拟量 通过 PLC 中的 I O 模块转换为数字量送入 PLC PLC 根据实际水压值与设定水压值进行比较和经 PID 运算 并将运算结果转换为电信 号 输出送到变频器的信号给定端 变频器根据给定信号 调节水泵的电源频率 从而调整水泵的转速 以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内 当变频器 频率到达最大最小时 由 PLC 控制加泵或减泵实现恒压供水 从而达到恒压供水 的目的 这样也就形成了一个闭环控制的恒压供水系统 其中变频器的作用是为水泵电机提供可变频率的电源 实现水泵电机的无级 调速 从而使管网水压连续变化 同时变频器还可作为电机软启动装置 限制电 机的启动电流 压力变送器的作用是检测管网水压 智能 PID 调节器实现管网水 压的 PID 调节 PLC 控制单元则是泵组管理的执行设备 同时还是变频器的驱动 控制 根据用水量的实际变化 自动调整其它工频泵的运行台数 变频器和 PLC 的应用为水泵转速的平滑性连续性调节提供了方便 实现了水泵电机的变频软启 动 消除了对电网 电气设备和机械设备的冲击 延长机电设备的使用寿命 该系统的特点 1 四台水泵都能自动变频软启动 并根据用水量大小自动调节泵台数 2 电控自动状态时 四台水泵自动轮换变频运行 工作泵故障时备用泵自 动投入 可转换自动或人工手动开 停机 11 3 设备具有缺相 欠压 过压 短路 过载等多种电气保护功能 具有相 序保护防止水泵反转抽空 并具有缺水保护及水位恢复开机功能 4 有设备工作 停机 报警指示 该系统可分为手动和自动两种运行方式 四台水泵均可以在工频或变频调速 状态下工作 1 手动运行 当用手动方式时 把转换开关切换到手动挡 按下启动按钮 启动电机变频 运行 当系统压力不够需要增加泵时 此时切断电机变频 同时 PLC 控制电机变 频运行 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 0 5 的时间延迟 当压力过大时 可以手动按下停止 按钮 切断工频运行的电机 使用该方式时 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水泵 该方式仅供自动故障时 使用 2 自动运行 由 PLC 在条件成立时 进行增泵升压和减泵降压控制 1 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 第一台水泵软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 这期间第一台 泵处在调速运行状态 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 即 50HZ 时 水压仍低于设定值 锁相同步控制器控制变频器频率与工频同步 由 PLC 控 制切换至工频电网后恒速运行 同时 使第二台水泵 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 在第二台投入变频运行 以前 使变频器输出频率降至起动频率 然后再投入 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 泵投入并联运行 当最后一台水泵投入运行 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 2 降压控制 12 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 这样每台水泵的启动均经变频器的控制 全部机组实现循环软 启动 即每台泵的启动频率先从设定的最低频率开始逐渐上升 并遵循 先开的 泵先停 先停的泵先开 的原则 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 当一台水泵变速运行 用水量接近于零 水泵最小转速为临界转速时 这是 变速运行水泵最小工作转速 可根据这一工作状态的长短和系统用水的特点 使系统转入间歇运行或小容量水泵运行 除了具有上述自动切换功能外 系统具有一次水位检测功能 即在水位低限 时报警和切断输出 该系统还设有多种保护 人机交互 强电逻辑硬件互锁 报 警及上位连接功能 从而保证正常供水 且可以做到无人值守 第三章 系统硬件设计 13 3 1 可编程控制器 PLC 的选型 3 1 1 PLC 概述 可编程控制器 英文称 Programmable Controller 简称 PLC 本课题中用 PLC 作为它的简称 PLC 是用于工业现场的电控制器 它源于继电器控制技术 但基于电子计算机 它通过运行存储在其内存中的程序 把经输入电路的物理过 程得到的输入信息 变换为所要求的输出信息 进而再通过输出电路的物理过程 去实现对负载的控制 PLC 基于电子计算机 但并不等同于普通计算机 普通计算机进行入出信息 变换时 大多只考虑信息本身 信息入出的物理过程一般不考虑的 而 PLC 则要 考虑信息入出的可靠性 实时性 以及信息的实际使用 特别要考虑怎么适应于 工业环境 如便于安装 便于维修及抗干扰等问题 入出信息变换及可靠的物理 实现 可以说是 PLC 实现控制的两个基本要点 PLC 可以通过它的外设或通信接 口与外界交换信息 其功能要比继电控制装置多的多 强的多 PLC 基本组成包括中央处理器 CPU 存储器 输入 输出接口 包括输入接口 输出接口 外部设备接口 扩展接口等 外部设备编程器及电源模块组成 PLC 内部各组成单元之间通过电源总线 控制总线 地址总线和数据总线连接 外部 根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成 PLC 控制系统 PLC 有丰富的指令系统 有各种各样的 I O 接口 通信接口 有大容量的内 存 有可靠的自身监控系统 因而具有以下基本的功能 1 逻辑处理功能 2 数 据运算功能 3 准确定时功能 4 高速计数功能 5 中断处理 可以实现各种内外 中断 功能 6 程序与数据存储功能 7 联网通信功能 8 自检测 自诊断功能 可以说 凡普通小型计算机能实现的功能 PLC 几乎也都可以做到 像 PLC 这样 集丰富功能于一身 是别的电控器所没有的 更是传统的继电 控制电路所无法比拟的 丰富的功能为 PLC 的广泛应用提供了可能 同时 也为 节水行业的远程化 信息化及智能化创造了条件 3 1 2 PLC 的选型 在 PLC 系统设计时 首先应确定控制方案 下一步工作就是 PLC 工程设计选 型 工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据 因此 工程设计选型和 14 估算时 应详细分析工艺过程的特点 控制要求 明确控制任务和范围确定所需 的操作和动作 然后根据控制要求 估算输入输出点数 所需存储器容量 确定 PLC 的功能 外部设备特性等 最后选择有较高性能价格比的 PLC 和设计相应的 控制系统 1 输入输出 I O 点数的估算 I O 点数估算时应考虑适当的余量 通常根据统计的输入输出点数 再增加 10 20 的可扩展 余量后 作为输入输出点数估算数据 实际订货时 还需根 据制造厂商 PLC 的产品特点 对输入输出点数进行圆整 根据估算的方法故本课 题的 I O 点数为输入 5 点 输出 10 点 2 存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小 程序容量是 存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小 因此程序容量小于存储器容量 设计阶段 由于用户应用程序还未编制 因此 程序容量在设计阶段是未知的 需在程序调试之后才知道 为了设计选型时能对程序容量有一定估算 通常采用 存储器容量的估算来替代 存储器内存容量的估算没有固定的公式 许多文献资料中给出了不同公式 大体上都是按数字量 I O 点数的 10 15 倍 加上模拟 I O 点数的 100 倍 以此 数为内存的总字数 16 位为一个字 另外再按此数的 25 考虑余量 因此本课 题的 PLC 内存容量选择应能存储 2000 条梯形图 这样才能在以后的改造过程中 有足够的空间 3 机型的选择 目前 国内众多的生产厂家生产了多种系列功能各异的 PLC 产品 使用户眼 花缭乱 无所适从 通过对输入 输出点的选择 对存储容量的选择 对 I O 响 应时间的选择以及输出负载的特点选型的分许 我决定使用的三菱公司生产的 FX2N 列的 FX2N 32M 型号的可编程控制作为变频调速恒压供水系统的控制器 但是 由于和变频器之间的信号不同 我们要添加一个有 A D D A 转换功能的模拟输 入输出模块 将信号进行转换输入变频器 3 2 变频器的选型 在传统的变频控制系统中 变频器的启动 停止由 PLC 通过开关量输出控制 变频器频率是由 PLC 通过模拟量输出端口输出 0 5 10 V 或 4 20mA 信号控制的 15 这需要购买 PLC 比较昂贵的模拟量输出端口模块 对变频器故障的检测是只是由 PLC 读取变频器的故障报警触点 只是知道变频器出现故障 但具体什么故障并 不清楚 需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道 这对于 一般值班人员来说太难了 因此在本系统中 PLC 对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的 我选用 的是的三菱系列 F500 变频器风机 泵类专用变频器 采用最适磁通控制方式 实 现更高节能运行 内置 PID 变频 工频切换和多泵循环运行功能 PLC 通过自由 通讯口方式与变频器通讯 控制变频器的运行 读取变频器自身的电压 电流 功率 频率 累计运行时间和过压 过流 过负荷等全部报警信息等参数 其实物图如图 3 1 所示 图 3 1 三菱 F500 变频器的实物图 3 3 水泵的选型 根据我们的需要 并结合它所具有的特点 我选用上海沪龙公司的 IS 式离 心泵 它供输送清水及物理化学性质类似于清水的其他液体之用 适用于工业和 城市给排水 高层建筑增压送水 园林喷灌 消防增压 远距离输送 暖通制冷 循环 浴室等冷暖水循环增压及设备配套 使用温度 T 80 其实物图如图 3 2 所示 图 3 2 ISG 型立式离心泵的实物图 16 3 4 压力传感器的选型 根据我们的需要 并结合它所具有的特点 我选用 PTH503 压力传感器 它 采用全不锈钢封焊结构 具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性 输出信号 4 20mA 二线制 0 5V 1 5V 0 10V 三线制 供电电压 24DCV 9 36DCV 广泛用于工业设备 水利 化工 医疗 电力 空调 金刚石压机 冶金 车辆 制动 楼宇供水等压力测量与控制 具有高精度 高稳定性 高重复性 量程范 围宽 介质兼容性好等优点 其实物图如图 3 3 所示 图 3 3 PTH503 压力传感器的实物 3 5 PLC 及变频器控制电路 3 5 1 供水系统主电路 该系统有四台水泵 如图 3 4 所示 合上空气开关后 当交流接触器 1KM 3KM 5KM 7KM 主触点闭合时 水泵为工频运行 当 2KM 4KM 6KM 8KM 主触点闭合时 水泵为变频运行 四个热继电器 FR1 FR4 分别对四台电动机进行保护 避免电动机在过载时可能产生的过热损坏 17 图 3 4 恒压供水的主电路 3 5 2 供水系统控制电路 如图 3 5 所示 Y0 Y7 为 PLC 输出软继电器触点 其中 Y0 Y2 Y4 Y6 控 制变频运行电路 Y1 Y3 Y5 Y7 控制工频运行电路 SAC 为转换开关 实现手 动 自动控制切换 当 SAC 切在手动位时 通过 1SB2 4SB2 按钮分别起动四台水 泵工频运行 当 SAC 在自动位时 由 PLC 控制水泵进行变频或工频状态的起动 切换 停止运行 1KA 为缺水保护电路的中间继电器触点 当水池缺水或水位不足时 配合缺 水保护装置断开控制电路 切断主电路 实现缺水保护作用 18 图 3 5 恒压供水系统的控制电路 3 5 3 缺水保护电路 当水池缺水或水位不足时 若不及时切断电源就会损坏水泵 甚至发生事故 本系统设置了缺水自动保护电路 如图 3 6 所示 利用液位继电器等装置时刻 检测水池里的水位 经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制 水池水位正 常时 控制回路电源接通 系统正常工作 水池缺水或水位不足时 液位继电器 1K 释放 系统报警 指示灯亮并通过 1KA 切断系统控制电路和主电路 水泵停 止 水位正常后 液位继电器 1K 吸合 重新启动系统 图 3 6 缺水保护电路 3 5 4 缺相相序保护电路 水泵工作在三相交流电 电源发生缺相时 电动机中某一相无电流 而另外 19 两相电流会增大 容易烧坏电动机 另外 为了避免电源相序相反 电动机反转 水泵抽空的现象 设置了缺相相序保护电路 如图 3 7 所示 采用缺相相序保护 电路继电器 KP 接在主电路电源进线空气开关之后 三相正常时 KP 得电吸合 控制电路中 KP 的 1 2 触点吸合 接通 PLC 控制电路 反之 缺相或反向时 KP 的 1 2 触点断开 会切断 PLC 控制电路 系统停止工作 缺相相序保护指示灯亮 图 3 7 缺相相序保护电路 3 6 硬件接线图 系统的硬件连接图即 PLC 和系统中各个硬件的连线 由于 PLC 所输出的信号 是数字信号 不被变频器所识别 所以我们在他们之间加了个模拟量输入输出模 块 FX0N 3A 其功能为 该模块具有 2 路模拟量输入 0 10V 直流或 4 20mA 直 流 通道和 1 路模拟量输出通道 其输入通道数字分辨率为 8 位 A D 的转换时 间为 100 s 在模拟与数字信号之间采用光电隔离 适用于 FX1N FX2N FX2NC 子系列 占用 8 个 I O 点 具体的如图 3 8 所示 图 3 8 PLC 硬件接线图 20 图 3 9 变频器接线图 模拟输入输出量模块 是把压力传感器输出的模拟量信号转换为数字量后传 入 PLC 经 PLC 运算后再转换为模拟量输入给变频器 然后由变频器控制水泵的转 速 变频器的适用电机容量 55 KW 输出电压 三相 380V 至 480V 50Hz 60Hz 输出过载能力 120 60 秒 150 0 5 秒 反时限特性 输出端额定电流 106 A 输出端额定容量 80 9 KVA 表 3 1 主要元器件明细 元件型号数量 PLC 三菱 FX2N 32M1 台 变频器三菱 F5001 台 水泵ISG 型立式水泵4 台 压力传感器 PTH503 1 个 21 3 7 I O 分配表 表 3 2 I O 分配表 元件输入说明 SB0X0 启动 SB1X1 模拟调节上限 SB2X2 模拟调节下限 SB4X3 复位 SB5X4 故障输入信号 元件输出说明 2KM 动作 Y0 1 水泵接变频 1KM 动作 Y1 1 水泵接工频 4KM 动作 Y2 2 水泵接变频 3KM 动作 Y3 2 水泵接工频 6KM 动作 Y4 3 水泵接变频 5KM 动作 Y5 3 水泵接工频 8KM 动作 Y6 4 水泵接变频 7KM 动作 Y7 4 水泵接工频 Y10 指示灯 Y11 蜂鸣器 22 第四章系统软件设计 4 1 PLC 三菱 梯形图 23 油泵启动 3 水泵接工频 油泵启动送常数 10 到 D2 油泵启动复位 M14 油泵启动复位 M19 油泵启动复位 M24 油泵启动复位 M29 将采样信号与设定初始值 进行比较 24 1 泵接变频软启动 1 泵接工频 2 泵接变频 T4 定时运行 30S T5 定时运行 45S 3 泵接变频 计时器 T2 定时 10S 计时器 T3 定时 60S 达到压力上限 M100 为 ON 25 PID 运算 计时器 T0 定时 50S 从 P0 口调用程序 压力值大于最大设定值 置位保持 M14 压力值大于 0 置位保持 M24 从 P0 口调用程序 M210 M211 M212 任何一个 为 ON M200 为 ON D101 D110 时 M35 为 OND101 D110 时 M210 为 ON D101 D111 时 M43 为 OND101 D110 时 M211 为 ON D110 D111 时 M33 为 ON D101 D110 时 M45 为 ON D101 D111 时 M212 为 ON D110 D111 时 M31 为 ON 26 T10 延时 200S 水压不到最大设定值 水压大于最小设定值 主程序结束 水压大于等于最大设定值 开始降频 在变频启动情况下 水压大于 0 最先启动的水 泵停止运行 返回主程序 结束 27 4 2 系统程序清单 28 29 30 31 4 3 系统工作过程分析 其流程图如下 初始化子程序 采样信号与 设定值比较 经 PID 运算由 PLC 控制变频器输出 运行结果输出到 PLC 输出继电 器控制水泵运行或停止 变频器输出频率达到最大值 变频器输出频率达到最小值 结束 变频切换开机程序功 能 变频器切换到工 频运行 变频器软启 动另一台水泵 逐台停泵功能 逐台停止工频 泵运行 开始 Y N N Y 图 4 1 系统流程图 4 4 控制系统程序设计 4 4 1 启动程序 在自动运行方式下开始启动运行时 首先检测水池水位 若水池水位符合设 定水位要求 1 泵变频交流接触器吸合 电机与变频器连通 变频器输出频率从 0Hz 开始上升 此时压力变送器检测压力信号反馈 PLC 由 PLC 经 PID 运算后 控制变频器的频率输出 如压力不够 则频率上升至 50Hz 延时一定时间后 将 1 泵切换为工频 2 泵变频交流接触器吸合 变频启动 2 水泵 频率逐渐上升 直至出水压力达到设定压力 依次类推增加水泵 32 4 4 2 水泵切换程序 如用水量减小 出水压力超过设定压力 则 PLC 控制变频器降低输出频率 减少出水量来稳定出水压力 若变频器输出频率低于某