变频调速恒压供水系统设计

1、 速功能，让加减速过程变得缓和，防止冲击和载物倒塌；直流制动功能，制动时间在0-30秒范围可调，保证快速可控的制动，不需要外接电阻；内置PID模块，可用于闭环控制；多种频率设定方式；多种附加功能；三路晶体管输出。I/O特性8个可设定的多功能开关量输入口，给操作者极大的灵活性；3路可设定的开路集电极晶体管多功能输出，可用于频率到达、频率值检测、过载、运等多种提示；设有模拟电流/电压输入端子，实现外部频率设定。保护功能具有过电压/欠电压保护、短路保护、过热保护、PTC热敏电阻保护、电机锁死保护、缺相保护、电涌保护、失速保护、CPU/存贮器异常保护等。（3）变频器接线及功能设定见表3-2,频率参数设

2、置说明汛（1）最高频率：变频器的最高频率只能与水泵额定频率相等。（2）上限频率：实际预置需略低于额定频率50Hz。（3）下限频率：下限频率不能太低，可根据实际情况适当调整。（4）启动频率：在从0Hz开始启动的一段频率内，实际上电机转不起来。因此，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一点冲击力。表3-2变频器接线及功能设定变频器端子现场器件与接线端子功能代码参数预置注释FWDPLC的Y0端子启动/停止变频运行CMPLC的COMXIPLC的Y16E017PLC的Y16动作，自由停车Y2PLC的XIE211频率极限信号输出30APLC的X5变频器故障总报警信号30CPLC的COM接公共端F0350

3、最高输出频率（Hz）F1549.5上限频率（Hz）F1630下限频率(Hz)F2310起动频率F17100频率设定信号增益PLC的选型PLC的选型主要从PLC的输入/输出点数、存储器容量、输入/输出接口模块类型等方面来选择PLC型号。根据供水系统控制任务及设计方案，输入信号需16点，输出信号需16点，选择三菱FX2N-32MR型PLC,其I/O端子如表3-3所示。表3-3现场器件与I/O端子功能示意表现场器件与接线端子I/O地址功能注释输入中间继电器KA常开触点X0自动/手动功能转换变频器Y2端子XI变频器输出频率极限信号远传压力表压力上限电节点X2压力下限到达信号远传压力表压力下限电节点X3

4、压力上限到达信号水池水位下限信号X4水池水位下限信号(缺水)变频器输出报警继电器30AX5变频器故障报警信号FR1常开触点X61#电机过载信号FR2常开触点X72#电机过载信号FR3常开触点X103#电机过载信号FR4常开触点XII4#电机过载信号KM1常开辅助触点X121#电机变频运行故障信号KM3常开辅助触点X132#电机变频运行故障信号KM5常开辅助触点X143#电机变频运行故障信号KA25常开辅助触点X151#电机跳空开故障信号KA26常开辅助触点X162#电机跳空开故障信号KA27常开辅助触点X173#电机跳空开故障信号输出接变频器FWD端Y0实线复位/运行控制KA1线圈Y11#变频

5、运行控制及指示KA2线圈Y21#工频运行控制及指示KA3线圈Y32#变频运行控制及指示KA4线圈Y42#工频运行控制及指示KA5线圈Y53#变频运行控制及指示KA6线圈Y63#工频运行控制及指示KA7线圈Y7辅助泵工频运行控制及指示KA10线圈Y10水池水位下限报警指示KA11线圈YU变频器故障报警指示KA12线圈Y12现场手动控制指示KA13线圈Y13自动变频运行指示KA14线圈Y14自动工频运行指示KA15线圈Y15远程手动运行指不KA16线圈Y16变频器XI端子功能有效KA17线圈Y17无人值守电话自动报警FX2N-32MR主要参数及特点：I/O点数:16/16；用户程序步数:：4K；基

6、本指令：27条；功能指令：298条；基本指令执行时间：0.08微秒；通信功能:强;输出形式：继电型；输出能力：2A/点。系统可靠性措施作为一个完整的系统，应用于工业现场，还需考虑加强抗干扰措施，保证运行的稳定（1）变频器和PLC应安装于专门的控制柜中，但一定要保证良好的通风环境和散热,PLC四周留有50nun以上的净空间。环境温度最好控制在45以下，相对湿度在590%,尽量不要安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、振动、热源或潮湿的地方。（2）控制柜和水泵现场距离不要太远，尤其是远传压力表至变频器的4-20mA电流信号和至PLC的压力上、下限开关量信号的传输电缆要尽可能短，而且要尽量远

7、离那些会产生电磁干扰的装置。（3）外围设备信号线、控制信号线和动力线应分开敷设，不能扎在一起，且应采用屏蔽线且屏蔽层接地。（4）变频器和PLC均要可靠接地。接地电阻应小于100Q,接地线须尽可能短和粗，并且应连接于专用接地极或公用接地极上，不要使用变频器、PLC外壳或侧板上的螺钉作为接地端。而且二者在接地时，应尽量分开，不要使用同一接地线。（5）电动机在低速运行时，电机冷却效果下降，应保证电动机具有良好的通风条件。（6）在电气设计和软件设计中，充分考虑电气设备之间的互锁关系。（7）选用性能可靠的继电器、接触器对于系统的可靠运行也具有十分重要的意义。（8）要考虑防雷设计。如电源是架空进线.在进线

8、处装设变频器专用避雷器，或按规范要求在离变频器20m远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备口】。（9）系统设计时还加入了无人执守故障自动拨号报警器。当出现变频器故障、电机故障、PLC故障以及水位过低等现象时，自动拨打管理人员的电话，提高系统故障的应急处理能力。4PLC控制系统的设计水泵工频/变频运行状态及转换过程分析供水状态及其转换供水状态是指供水时按照用水量的大小设定投入运行的水泵台数及运行状况。根据城区用水量可分为小、较小、较大和大四种情况，并分别由辅助泵、一台主泵变频、两台主泵一工一变及三台主泵两工一变投入运行。启动自动变频运行方式

9、时，首先起动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时1分钟PLC通过变频器启动1号主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在1号主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过PID调节器调整1#主水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时分钟，由PLC给出控制信号，将1号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2号主水泵软启动。系统工作于1号工频、2号变频的两台水泵并联运行的供水状态。当用水量减少时，变频器通过PID调节器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，

10、延时1分钟，按“先起先停”的原则，由PLC给出控制信号,将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时PID调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当用水量持续减少，系统继续按“先起先停”原则逐台关闭处于工频运行的水泵。当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时5分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。状态转换关系为保证在一个较长的时间周期内，各台水泵运行时间基本均等，避免某台电机长期得不到运行而出现绣死现象，供水状态的切换按照“有效状态循环法”即“先起先停”的原则操作。若有N台水泵参与变频调速，则满

11、足“先起先停”原则的最大有效状态数为Nhl。将来的供水状态就在这些有效状态范围内来回循环。本系统采用了三台主水泵和一台辅助稳压泵供水，其中只有主水泵参与变频运行，共有10种有效供水状态，见表4-1表4-1系统供水状态用水量状态符号供水状态小so辅助泵运行，1、2、3#停机较小S201#变频运行，2、3#停机S212#变频运行，1、3#停机S223#变频运行，1、2#停机较大S231#工频运行，2#变频运行，3#停机S242#工频运行，3#变频运行，1#停机S253#工频运行，1#变频运行，2#停机大S261、2#工频运行，3#变频运行S272、3#工频运行，1#变频运行S283、1#工频运行，

12、2#变频运行各状态之间的转换关系见图4-1：图4-1供水状态转换图图中，箭头向下为增泵过程，箭头向上为减泵过程。从图4-1可见，供水状态之间的转换不但和转换条件有关，还与其目前所处的供水状态有关；由辅助泵切换到主泵供水也遵循有效状态循环方式，即上一次启动1#主泵，则下次由辅助泵切换到主泵供水，应启动2#泵。状态转换条件供水状态之间的转换条件是依据变频器输出频率是否到达极限频率及水压是否达到上、下限值。设变频器输出频率达到极限频率时的信号为XI,水压达到设定压力下限值时的欠压信号为X2,水压达到设定压力上限值时的超压信号为X3。从辅助泵切换到主泵条件：满足X2；从主泵切换到辅助泵条件：同时满足X

13、I、X3；增泵条件：同时满足XI、X2；减泵条件：同时满足XI、X3o状态转换过程的实现方法从辅助泵切换到主泵只需断开辅助泵的供电，同时用变频器以起始频率起动一台主泵的运行即可。从主泵切换到辅助泵只需将主泵和变频器的输出断开，同时将辅助泵直接投入工频运行即可。PLC程序设计PLC编程语言PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。采用了面向控制过程、面向问题、简单直观的PLC编程语言，易于学习和掌握。尽管国内外不同厂家采用的编程语言不尽相同，但程序的表达方式基本类似，主要有四种形式：梯形图，指令表，状态转移图和高级语言。梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统

14、的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但乂加入了许多功能强而乂使用灵活的指令。梯形图语言编程的一般规则通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有臼：(1)梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。(2)梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线

15、圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流，层次的改变也只能自上而下。(3)梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1”态,表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0”态。梯形图中继电器的线圈乂是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。(4)梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。(5)继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。(6)PL

16、C在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的。43供水系统控制模块的设计系统初始化模块在初始化模块中设置通信用数据寄存器D8120,D8121,D8129的通信参数；至标志为M6=l,在自动运行时，首先起动辅助泵，进入SO状态:至标志M0=1,保证辅助泵的运行状态首次SO转入主泵运行状态S20o初始化过程通过M8002产生的初始化脉冲来完成。水泵运行与状态转换模块(1)辅助泵/主泵的转换主泵转辅助泵运行是指在单台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，延时5分钟，关闭变频器运行，启动辅助泵的过程。即由状态S11转入SO的过程。PLC置输出继电器Y1为0,同

17、时置Y7=I。辅助泵转主泵运行是指由辅助泵供水，水压达到压力下限时，延时1分钟，关闭辅助泵，用变频器启动一台主泵运行的过程。即由状态S0转入SU的过程。具体起动哪一台主泵，进入哪一种状态，要依据其上一个状态，按有效状态循环法的原则来操作。在编程时，以辅助继电器M3,M2,Ml作为S20,S21,S22状态的转入标志，三者按循环方式动作，保证状态S20,S21,S22的循环。(2)主泵的增加增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，延时1分钟，PLC给出控制信号，PLC的Y16得电，变频器的XI端子对CM短接，变频器的自由停车指

18、令BX生效，切断变频器输出，延时500ms后，将主水泵与变频器断开，延时100ms,将其转为工频恒速运行，同时PLC的Y16失电，BX指令取消，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。(3)减少主泵的状态转换模块减少主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。水泵运行状态转换模块流程图如图4-2所示；根据水泵运行状态转换模块流程图编制的辅泵/主泵、主泵(S20fs23fs26)之间切换的部分程序见附录，(S21fs24fs27)及(S22fs25fs28)之

19、间的切换雷同，略其程序图4-2比较环节流程图5恒压供水系统的PID调节5.1PID控制及其控制算法PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值和实际输出值之间的偏差口2】冏(5-1)对被控对象明二（/）一刈(5-1)对被控对象经比例（P）、积分（I）和微分（D）运算后通过线性组合构成控制量，进行控制，故称PID控制器。系统由拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图5-lo图5-1控制系统原理框图图中u（t）为PID调节器输出的调节量PID控制规律为=K,e（t）+Je（r）+力）+且S（5-2）T.dt式（5-2）中，Kp一比例系数；7；一积分时间常数；7；一微分时间常数。相应地传递

20、函数形式G（s尸署咻G（s尸署咻（1+3加）(53)PID控制器各环节的作用及调节规律如下刈：（1）比例环节：比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数K的增大而减少。比例系数过大将导致系统不稳定。（2）积分环节：积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数7；,7；越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。（3）微分环节：微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的7；）对于干扰信号的抑制能力却将减弱。5.2恒压供水PID调节过程分析恒压供

21、水的目的就是要保证供水能力Qg适应用水&需求变化。当供水能力&和用水需求&之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，维持供水能力和用水需求&之间的乎衡。实现恒压供水实现方法是，首先根据用户对水压的要求，给PID调节器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成420mA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调节器，PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下口町：（1）稳态运行当供水能力。用水需求&,目标压力信号和压力反

22、馈信号y相等，偏差e=y-r,PID输出的控制增量八u=0,变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。（2）用水量增加时当用水量增加，用水需求。0供水能力。/水压下降，压力反馈信号y减少，偏差e=y-i0,变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。（3）用水量减少时当用水量减少，用水需求&供水能力2；，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e=y-r0,PID输出的控制增量Au0,变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。结论本文对于城市供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远

23、传压力表、多台水泵机组、计算机等主要设备构成的变频恒压供水及其远程监控系统，克服了传统供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，可实现高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的恒压供水。本系统具有以下的特点：1、采用了可靠性高、使用简单、编程灵活的工控设备PLC和内置PID调节模块的变频器作为主要控制设备，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，确保恒压供水。2、系统具有完备的故障处理能力，可通过自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等方式确保供水，具有故障实时的现场报警和远程电话自动报警功能，具有故障电机锁定功能。3、系统采取变频调速方式实现恒压供水，节能

24、效果明显。4、采用了PID调节方式，水压波动小，响应快。附录M800211MlM2M3轮流为1变烦京停止输出停辅泵1#亮接变频器启动变频器输出返回铺泵加衰变频器停止输出SET0$TLSO1,1V10UU乙MOVKOD30011NCCP)D3fl0DECOD300uoK2CMPD3001K4M99M1001IMOV(p)KID30011ZRSTS20S2SSETY7ZRSTY1Y6FTY16V3GILSETS20111SETS211SETS221_STLS20_RSTY7SETY1RSTY16X3压力上限11SETSO1t2压力下限SETS23SETY16断开变领器启动1#工嫉2#泵楼变频器启勖变频器输出减泵加泵523fs26停变频断开2#变频4(5灭弧延叶ilL2RSTY111TnI|u/T111.JIM防止变频器对工频短珞SETY211T1111tSETY311IlHRSTY1611SETS21.1_.2SETS261111SETY1602T20K511喀TY311启动加工频启动加工频需房揆变频器启动变频器输出锚泵，主泵转换、主泵之间转换部分程序。致谢本论文的工