基于PLC变频调速的恒压供水系统论文

1、基于基于 plcplc 变频调速的恒压变频调速的恒压供水系统供水系统目目 录录摘摘 要要.1前前 言言.1第第 1 1 章章 常见的变频恒压常见的变频恒压供供水概况水概况.11.1 plc 控制的变频恒压供水.11.2 常见的供水方式 .11.3 变频恒压调节的基本原理 .11.4 变频驱动方式和调节方式以及压力传感变送器的使用 .31.4.1 恒压供水系统的驱动方式 .31.4.2 恒压供水调节方式 .31.4.3 关于压力传感变送器的使用 .4第第 2 2 章、恒压供水系统的硬件设计章、恒压供水系统的硬件设计.52.1 plc、变频器控制的恒压供水系统方案 .52.1.1 方案特点 .52

2、.1.2 变频-工频双回路恒压供水方案优点 .62.1.3 设备选型 .62.2 模拟供水系统的拟定 .62.3 主电路设计 .72.4 电气控制系统接线原理图及说明 .82.5 控制流程图 .92.6 输入输出元件与 plc 地址对照表 .112.7 plc 程序设计.12第第 3 章、恒压供水系统的软件设计章、恒压供水系统的软件设计.13- 2 - 3.1 水泵的转速与其扬程 h、流量 q 及功率的关系14 3.2 pid 控制及其调节.15总总结结.16致致 谢谢.21参考文献参考文献.221基于基于 plcplc 变频调速的恒压供水系统变频调速的恒压供水系统摘要摘要：随着我国社会经济的

3、发展，住房制度改革的不断深入，人民生活水平的不断提高，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到用户的正常工作和生活，也直接体现了供水管理水平的提高。传统供水厂，特别是中小供水厂所普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率低、可靠性不高、自动化程度低等缺点，难以满足当前经济生活的需要。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。最后，从分析该恒压供水变频供水的可靠性，改造理论、技

4、术、经济可行性等方面进行多次实验分析；其次分别从确定变频器的参数，设计变频主电机、变频电机的运行模式、控制模式及流程。在此基础上，对中小供水变频电机的选型、安装、调试和运行各步骤加以详细地阐述。然后归纳和分析了安装运行中的问题和注意事项。通过变频恒压供水系统的试运行，对该系统在实际供水中所取得的节约电耗、恒定压力等实际效果进行了总结，指出变频技术在供水领域所取得的成果及应用中局限性。关键词关键词：恒压供水，变频调速，plc1前 言随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领

5、域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的。由变频器、plc 及 pid调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。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，由变频器进行压力调节。在经过 pid 运算，通过 plc 控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠操作方便等优点。随着科学技术的不断发展和进步，plc、变频器以其优异

6、的性能将越来越多的被应用于各个行业中。1第 1 章 常见的变频恒压供水概况1.1 plc 控制的变频恒压供水变频供水的一种典型方式是变频恒压供水。变频恒压供水时使用扁平器的调速功能通过调节供水的水泵的转速，以维持供水始端压力，变使之保持相对的恒定，故又称恒压供水。现在变频供水以逐步渗透到各种行业，品种也从单一简单的变频恒压供水向专业多功能和高级的变频、变压供水及职能化控制的方向发展。基于触摸屏和 plc 作为控制变频器作为驱动调速的恒压供水技术，相对于传统的技术而言具有节能效益明显、控制和保护功能完善、可实现机组的软启软停机、输入电压范围宽、电磁冲击小、泵机运行组合切换灵活方便等优越性，目前广

7、泛应用于水厂送水泵站、二次加压站、工业锅炉供水、小区和高楼给水、其他工业供水等领域。触摸屏和 plc 在对现场系统和设备的自动控制上显示出令人鼓舞的优势，现代的供水系统已随着微型计算机及电力电子技术的发展，在传统的供水基础上将触摸屏、plc 和变频器等应用到其中，不断的提高供水的质量以及整个供水系统的自动化程度。1.2 常见的供水方式生产和生活中的供水方式有多种，常见的供水方式通常会设一台或多台泵；有多台泵时会根据不同的用水量启动不同数量的泵运行，供水水压式波动的。要保证供水质量，稳定供水出口（或管网）的压力，变频恒压供水是最好的方式之一。1.3 变频恒压调节的基本原理 变频恒压供水系统实现恒

8、压的工作过程和原理：安装于供水母管或主管道上的压力传感变送器将供水管网压力转换成 420ma（020ma、010v）的标准电信号，送到 pid 调节器（或过程控制器、plc、dcs 等），经过运算处理后仍以标准电信号直接送到具有内置 pid 调节功能的变频器；变频器根据调速的给定信号或对压力传感变送器的标准电信号进行运算处理后，决定其输出频率实2现对驱动典动机的转速调节，从而实现对供水的水量及供水压力调节，最终实现了对供水管网的压力调节，即实现恒压供水。实际应用中，除了要实现变频恒压供水系统的 pid 调节功能外，还需配备外围辅助电路及 plc 和触摸屏控制系统，来实现切换选择等自动控制功能，

9、以保证自动控制系统出现故障时刻通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。plc变频器电机/压力传感器x信号继电器频率压力信号反馈设定值 +-图 1-1 控制原理示意图 水泵选择的一般性原则1.供水系统的水泵应尽量选用先进的低噪音、节能型水泵，不可采用淘汰产品。2.根据实际流量、扬程选泵。考虑因磨损等原因造成水泵出力下降，可按计算所得的扬程值乘以 1.051.1 后选泵，应能保证水泵工作在高效区。3.对单位及小规模的供水系统因尽量减少泵的台数，以一用一备为宜，且配小型气压罐；当一台运行能满足要求时，则不宜采用多台泵并联方式；若必须采用多台并联运行或大小泵搭配方式时，其型号不宜太杂，台数不宜过多

10、，型号一般不宜超过两种，泵的扬程范围应相同；并联运行时仍能保证每台泵在3高效区范围内运行 4.对于水厂及供水规模较大的供水系统及用水不均匀，且流量变化大的供水系统，则宜采用多台 水泵组合供水，群泵运行时，可按 1 或 2 台进行变频调速其余为工频恒速的方式运行。5.同一供水系统所配水泵的扬程要相同，主供水泵之间的流量宜相同或相近，补压泵流量和主供水泵流量的流量之比以不小于 1/3 为宜。6.应注意的问题：抽水扬程越低，电机负荷越小这是种错误的认识。1.4 变频驱动方式和调节方式以及压力传感变送器的使用1.4.1 恒压供水系统的驱动方式 通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全

11、开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就有两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过 pid 运算自动调整变频器输出功率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就是一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向。从节省投资的角度来考虑，可以采用“一拖二”或一拖三“等的驱动方式，即只用一个变频器，其额定功率按需进行变频驱动的群泵中最大的额定功率考虑。本案例为”一拖二“的驱动方式。1.4.2 恒压供水调节方式为了保持供水管道的压力恒定，使用的恒压供水控制方式以单级 p

12、id 调节为主要手段，也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法。一般情况下，pid 的调节方式就能够满足恒压供水管网压力的稳定调节。然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题。如在系统的动态运行过程中，水泵电动机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。通常，这些问题是通过选用优化的 pid 算法来解决，具体的说，最好是使用专业的智能仪表、过程控制器等。4一般来说，专业的智能仪表、过程控制器的 pid 调节功能要比变频器内置的pid 功能强。1.4.3 关于压力传感变送器的使用压力传感变送器的信号是弱电信号，其传输距离通常不易太长，同时不易

13、与强电电缆近距离并行；传输距离太长及与强电电缆并行会使信号衰减，同时容易受干扰，不能反映真实的数据，还易出现故障。对于较小范围的供水系统及单位供水系统等，在对供水压力的控制精度无特殊要求的情况下，常用供水母管或供水出口的压力作为反馈压力，这样做比较简单，压力传感器的信号的传输距离也不长，也便于应用；而对于大型及整个供水管网的压力控制则选择供水管网中的多点压力或是终端压力等作为反馈压力，传输距离很长的会采用高级的信号传输系统，以保证信号的准确性；当然，对于大型的整个供水管网的压力控制调节也不是简单的单级 pid 调节，这种调节会更为复杂。5第第 2 2 章、章、恒压供水系统的硬件设计恒压供水系统

14、的硬件设计2.1 plc、变频器控制的恒压供水系统方案通常，生产和生活中常见的供水系统的控制并不复杂，但是对供水系统的质量及可靠性却有较为严格的要求。根据该供水系统的设备配置情况及供水系统的特点做如下方案：该自动供水系统的控制核心采用 plc，并配置常规电气配电控制系统。恒压供水系统组成及主要自控设备的作用如下：1.在主系统中配置一台变频器分别驱动两台泵，使两台均为双主回路（变频-工频）的驱动方式。2.控制系统有压力传感器、pid 调节器、压力开关、液位控制器、plc 与触摸屏及电气自动控制系统等组成。1） 压力传感器。用来测量供水水压。2） pid 调节器。用来实现恒压控制。3） 压力开关。

15、作为水泵启动后能否投入供水系统运动的信号。4） 液位控制器。用来临视并向 plc 传递供水水箱的液位信号。plc 电气控制系统用来完成整个供水系统的自动控制。2.1.1 方案特点1.该供水系统控制方案可以在原有的供水系统的基础上改造，也可以作为新建供水系统的控制方案。2.采用 plc 为控制核心，利用变频器调速，控制面板采用常规的按钮开关控制。3.保护配置：1） 水泵电动机在工频状态运行时，受热继电器（过载）和空气断路器（短路、过电流）保护。2） 水泵电动机在变频状态运行时，受变频器（过载、短路、过电流、过电压、缺相）保护。变频器又受空气断路器（短路、过电流）保护。62.1.2 变频-工频双回

16、路恒压供水方案优点1.具有自动调节及控制功能。2.可设置跳跃频率避开管路的瑞振点。3.变频系统与工频控制系统互为备用，合理利用现有设备。4.系统保护功能完善，如电机过电流、过载、过热；电源缺相，过、欠电压；电机接地故障；系统水压过高、水压过低；管网泄漏、堵塞等。5.可设变频、工频自动切换任务。 系统组成结构：传感器、变频器、plc 与触摸屏及电气自动控制系统等组成。2.1.3 设备选型1.可编程控制器整个控制系统的核心是 plc，选用日本三菱 fx2n-32mr-001 可编程控制器。fx2n 系列是 fx 系列 plc 家族中最先进的系列。由于 fx2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标

17、准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，fx2n 系列三菱 plc 可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。2.变频器变频器连续调速功能是使用变频器的追踪速度模拟给定信号来改变输出频率功能，在此选择的变频器主要从其所驱动的负载特性、稳定性、品牌、价格及用户的要求几个方面来考虑，本文选用三菱 fr-a540-2.2kw-ch 型变频器。其他开关电源、继电器、接触器、变压器、断路器等设备均应选用性能稳定、质量优良的产品。 2.2 模拟供水系统的拟定 本系统以六层楼宇供水为例，系统设水泵两台，供水由两台主、铺泵交替循环运行、压力

18、正常时用变频器驱动一台泵运行，压力低是用一台工频运行加一台变频运行，压力恢复正常时又切断工频只留一台变频运行、这样按照先开先停，后开后停的方式切换水泵、使水泵的寿命平衡。用一台压力传感器来检7测谁的压力，把压力信号传给变频器的内置 pi 来调节变频器的输出，从而改变水泵的转速来控制供水压力。主水泵：选择 is50-32-160a。主要参数为：流量 q=14m3/h，扬程 h=22m；配电动机型号 y90l-2，功率 p=2.2kw。铺助水泵：选择 is50-32-160a。主要参数为：流量 q=14m3/h，扬程h=22m；配电动机型号 y90l-2，功率 p=2.2kw。2.3 主电路设计在

19、硬件系统设计中，采用一台变频器连接2台电动机，每台水泵电机都有变频工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联如图（7-1）。变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。对于有变频工频两种状态的电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。8图 2-1 主电路 2.4 电气控制系统接线原理图及说明1.端子 sd、se 和 5 为输出信号公共端，这些端子不要接地（见图 7

20、-2）。2.控制回路端子的接线应使用屏蔽线或双绞线，而且必须与主回路，弱电回路（含 200v 继电器程序回路）分开布线。3.由于控制回路的频率信号是微小信号，所以在接点输入场合，为了防止接触不良，微小信号接点应使用两个并联接点或合用双生接点。4.控制回路的接线建议选用 0.3mm2-0.75mm2的电缆。9acmm水泵m1水泵m2sb1 准备sb2 启动sb3 停止kh1kh2km1km2km3km4km5l1l2l3l4l5l6l7l8l9l0km1km2km3km4km5com15161718com2132n222压 压力 力信 信号 号stfstrresr us vt w ausd10s

21、erunfuolacam5hzstfstrsdkh1kh2214215254213113电源24vl1l2l3nx0x1x2x3x6x10x11x12comy0y1l10com1y2y3y4y5y6y7y10y11y12x13m1手动m2手动ac方式选择fx2n-32mr-001com2214215com2fuolx4x5run15161718触摸屏got1000rs-485fr-a540图 2-2 电气控制系统接线原理图2.5 控制流程图10准准备备同同时时打打开开电电磁磁阀阀变变频频器器得得电电开开始始m1变变频频运运行行m1变变频频断断开开，发发出出stop给给变变频频器器，延延时时闭闭

22、合合km3（m1工工频频）、合合km4，给给变变频频器器发发start信信号号m2变变频频运运行行m1工工频频断断开开m2变变频频继继续续运运行行断断开开km4，发发出出stop，m2停停止止运运行行，延延时时合合km5，合合上上km2，发发出出start，m1变变频频运运行行断断开开km5m1继继续续变变频频运运行行准准备备好好频频率率f35hz频频率率f50hz频频率率f35hz频频率率f50hz图 2-3 控制流程112.6 输入输出元件与 plc 地址对照表为实现以 plc 为主的控制系统能很好的实现自动控制，需要将现实中的外部设备与 plc 中的软元件相连接，其输入输出元件与 plc

23、 得对照如表 7-1 所示。（表 7-1）输入输入输入 i/o 口输入元件符号输入元件说明x0sb1启动前准备x1sb2启动x2sb3停止x3kh1水泵 m1 故障x4压力下降，变频器满频率运行x5压力上升，变频器频率下降x6sb6方式选择开关x10sb7水泵 m1 手动工频运行x11sb8水泵 m2 手动工频运行x12kh2水泵 m2 故障x13变频器故障指令输出输出输出 i/o 口输出元件符号输出元件说明y0l10停止指示灯y1km1准备y2km2m1 变频控制继电器12y3km3m1 工频控制继电器y4km4m2 变频控制继电器y5km5m2 工频控制继电器y6l8m1 手动工频指示灯y

24、7l9m2 手动工频指示灯y10l0变频器故障指示灯y11l6水泵 m1 故障指示灯y12l7水泵 m2 故障指示灯2.7 plc 程序设计plc 是整个系统的核心，而 plc 也要相应的程序驱动，该系统的程序如下：131415 16第 3 章、恒压供水系统的软件设计3.1 水泵的转速与其扬程 h、流量 q 及功率的关系 扬程：是指泵单位质量的液体通过泵后所获得的能量，通常称之为扬程。用 h 表示。 流量：流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量，常用的流量是体积流量，用 q 表示，其单位是 m3 /h。 根据流体力学原理可知，当水泵的转速发生变化时，其扬程 h、流量 q 及水泵功率 p 也随之变

25、化，他们之间有以下关系：q2/q1=(n2/n1) h2/h1=(n2/n1)2 p2/p1=(n2/n1)3即流量 q 与转速 n 的一次方成正比；扬程 h 与转速 n 的平方成正比；水泵功率p 与转速 n 的立方成正比。下面表 1-1 可较为直观的理解。 表 3-1 离心水泵在不同转速（频率）下的流量、扬程及轴功率离心水泵在不同转速（频率）下的流量、扬程及轴功率频率 f（hz）转速 n%流量 q%扬程 h%轴功率 p%501001001001004590908172.94080806451.23570704934.33060603621.62550502512.517根据水泵的扬程 h、流

26、量 q 及功率与水泵转速（频率）的关系式及表 1-1可知改变水泵的转速就可改变水泵的功率。3.2 pid 控制及调节pid控制是一种负反馈控制，它所组成的控制系统由pid控制器和被控对象组成，具有一般闭环反馈控制系统的结构，通过负反馈作用使被控系统趋于稳定。常规pid控制系统原理框图如图5-1所示。 xx比例（p)微分（d)积分（i)被控对象+-r(t)r(t)e(t)e(t)u(t)u(t)y(t)y(t)图3-2 pid控制器原理 pid控制器综合了关于系统过去(i)、现在(p)和未来(d)三方i面的信息，对动态过程无需太多的预先知识，控制效果能够满足要求。pid控制器是一种线性控制器，它

27、根据给定值r(f)与实际输出值y（t）构成的控制偏差 e(t)=y(t)-r(t) （5-1）将偏差p(r)的的比例(proportion)、积分(integral)和微分(differential)，通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，故称pid控制器。其理想的控制规律为 u(t)=ke(t)+1/t1e(t)dt+tdde(t)/dt （5-2）对上式作拉氏变换可得：u(s)=k(e(s)+t1e(s)/s+tdse(s) （5-3）pid 控制器的传递函数形式由式（5-4）描述。g(s)=u(s)/e(s)=kp(1+1/t1s)=kp+k1/s+kds (5-4)18式中 kp

28、一称为比例系数;k1=t/t1一称为积分系数;kd=td/t一称为微分系数t1一为积分时间常数；td一为微分时间常数；pid控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下：（l）比例增益部分(p)用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。（2）积分部分(i)表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此

29、积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数z，正越大，积分作用越弱，反之则越强。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。（3）微分部分(d)可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特特性。由于微分环节在系统。传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。pid的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数

30、系统来说，单独使用上面任意一种控制舰律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如pi控制算法，pd控制算法和pid控制算法。为了更好的理解 pid 的工作流程，设 xt 为设定值，xf 为系统反馈值，他们19的关系见图 5-2。开始设定目标信号xt值其大小与所求的管道压力目标相对应反馈信号xf值压力传感器的反馈值x0=xt-xfxfxtx0=xt-xf0xf0xfxt频率 fx转速n压力下降同时流量减少xf=xt频率fx转速n水压上升同时流量增加xf=xtfx不变维持目标值变频输出频率

31、fx的大小由合成信号（xt-xf）决定反馈信号大于目标信号则合成信号小于0变频输出频率下降水泵电动机转速下降说莫供水量大于用水量反馈信号是否与目标信号相等保持供水流量等于用水流量反馈信号小于目标信号则合成信号大于0变频输出频率上升水泵电动机转速上升说明用水量小于供水量反馈信号是否与目标信号值相等00是否否是=0图 3-3 pid 控制的基本工作过程20总结 用水泵的出口水压作为采样信号，转换成电量信号后送至调节调节器，调节器将该信号与设定值进行比较（pid）运算后输出一信号至变频器，决定变频器的输出频率，以达到改变水泵的转速并节能的目的。 变频系统的初次投资容易给投资者一种投资高、风险大的感觉

32、，这主要是对变频节能效果不很了解或将变频系统的初次投资于传统的一些如液力耦合、滑叉电机、变级等调速装置的初次投资在为充分考虑节能效果及变频器功能的情况下进行比较，以及对变频器的质量、稳定性、售后服务等还不太了解；变频节能系统（装置）在各类调速系统中使用时，其节能效果对于单台设备可做到 5%-75%，在风机水泵这类设备的一般应用的节能效果中，这些均值也可做到8%-50%，在未受到其他因素影响的情况下一般可取上限节能效果平均值，是在实际应用中得到，权威性数据可由市场上公开出售的资料书查到；通过这些数据在进行一些简单的投资回收率的计算可知：变频节能系统（装置）的投资回收期一般为 4-20 个月。采用变频-工频双回路恒压供水装置及触摸屏监控使各类供水最大限度地得到经济、稳定和持续的保障。另外，在完成论文的过程中，由我们马老师的精心指导，在我们大量的实习与实践经验的指引下，我们的论文完成的很顺利，包括了我们从开始试验到我们完成任务的全部过程，这是我们