基于PLC的变频恒压供水控制系统设计

目录摘要5ABSTRACT6第1章绪论11.1选题背景11.2课题意义11.3国内外在该方向的研究概况11.4本文的主要工作3第2章系统总体分析和设计42.1系统概述42.2恒压供水系统的节能原理42.3恒压供水系统硬件设计6第3章器件的选型及介绍103.1可编程控制器PLC103.1.1简介PLC的产生103.1.2简介PLC的开展状况及其开展趋势103.1.4简介PLC的应用领域113.1.5PLC的工作过程113.1.6PLC的选型123.2变频器123.2.1变频器的构成123.2.2变频器的特点163.2.3变频器的选型173.2.4变频器的接线183.3PID调节器183.4压力传感器的接线图193.5原件表20第4章PLC控制及编程224.1PLC控制224.2自动运行234.3手动运行254.4公用局部27第5章MCGS组态软件295.1MCGS组态软件295.2建立界面305.2.1建立窗口305.2.2定义数据对象315.3编辑界面335.3.1编辑画面335.3.2对象元件的选择335.4MCGS与PLC之间的连接345.4.1添加PLC设备355.4.2PLC设备属性的设置36结束语38参考文献40摘要建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务，因传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致局部设备不能正常工作，本文提出了一种基于三菱FXOS-30MR和三菱FR-A540变频器的变频恒压供水系统的解决方案。主要讨论了以三菱FXOS-30MR和三菱FR-A540变频器为核心的硬件电路的设计和软件程序的设计，实现了对传感器信号的处理，各参数的设定等，详细介绍了硬件电路和软件程序的实现方法。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能:(1)维持水压恒定；(2)控制系统可手动/自动运行；(3)多台泵自动切换运行；(4)系统睡眠与唤醒。当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；(5)在线调整PID参数；(6)泵组及线路保护检测报警、信号显示等。关键词变频恒压供水；PLC；FR-A540ABSTRACTBuildingtheconservation-orientedsociety,thereasonabledevelopment,savesandtheeffectiveprotectingwaterresourcesisanarduoustask，thatthetraditionalwatersupplyCoverslargeareas，Easywaterpollution，Moreinvestmentininfrastructure，andthemaindisadvantageisthatwaterpressurecannotremainconstant,causepartoftheequipmentdoesnotwork.Inthispaper,basedonMitsubishiFXOS-30MRandMitsubishiFR-A540frequencyinvertersolutionforVFconstantpressurewatersupplysystem.MainlydiscussedinFXOS-30MRMitsubishiandMitsubishiFR-A540Inverterinhardwaredesignandsoftwaredesign,implementationofsensorsignalprocessing,eachparametersetting,etc.,detailinghardwareandsoftwareImplementationoftheprogram.Advancedtechnologyandconstantpressurewatersupply,waterpressureconstant,easy,reliableoperation,savingenergy,highdegreeofautomationinthewatersupplypumpingstationtobecompletedbythefollowingfunctions:(1)maintainingthepressureconstant;(2)controlsystemmanual/Automaticoperation;(3)multiplepumpautomaticswitchingoperation;(4)systemsleepandwakeup.Whentheoutsidetostopwater,thesystemisinsleepmodeuntilawake-upautomaticallywhenwaterdemand;(5)On-lineadjustmentofPIDparameters;(6)pumpandlineprotectiondetectionalarm,signaldisplay.Keywords:VFconstantpressurewatersupply;PLC;FR-A540第1章绪论水是生产生活中不可缺少的重要组成局部，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水顶峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。因此，开发基于PLC的变频恒压供水系统具有重要的现实意义。1.1选题背景目前,居民生活用水和工业用水增长幅度日益加大.由于居民日常生活用水会随季节、昼夜等时间段的不同而不同,如采用传统的供水方式那么会出现供水和用水不平衡的现象,造成资源浪费。传统的供水系统已经不能满足人们的要求.为了节约能源,可采用变频恒压供水方式对传统供水系统加以改造,以到达节能、控制简单、供水稳定、减少污染等目的。1.2课题意义本文介绍的是关于变频恒压供水系统的设计，因变频调速恒压供水技术其节能、平安、供水品高质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化〔实际上为供水管网的压力变化〕自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低本钱、保证产品质量等有着重要意义。1.3国内外在该方向的研究概况变频恒压供水是在变频调速技术的开展之后逐渐开展起来的。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、变压变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，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，因而投资本钱高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司创造并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供给商之一)后，随着变频技术的开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，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式〞，“变频泵循坏方式〞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，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备本钱，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，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的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、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能到达所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团〔森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。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、生产实践中。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有开展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低本钱低能耗等诸多特点。1.4本文的主要工作本文采用电动机、变频器与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时到达稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反应的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而到达给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(4－20ｍＡ)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。第2章系统总体分析和设计本章从系统概述、变频恒压供水的节能原理和系统的硬件设计三个方面对该系统进行了总体分析说明。2.1系统概述如图2.1所示，为该系统的供水流程。图2.1供水流程简图随着变频技术的开展和人们对生活饮水品质要求的提高，变频恒压供水系统一起环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低本钱、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不管是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比较的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向开展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。2.2恒压供水系统的节能原理在变频恒压供水系统中,关键是对水泵的控制.泵的转速n与流量Q、扬程H及泵的轴功率N的关系如下式所示：(1)泵用电动机驱动时,电动机功率P可用下式表示:(2)式中:泵的流量Q和扬程H的关系曲线见图2.2.曲线①、②分别对应转速n1、n2(n1>n2)时的H-Q特性曲线,曲线③、④为管阻特性曲线.当调节流量时,通常采用调节阀门和变频调速两种方式.图2.2泵的流量Q和扬程H的关系曲线假设泵的额定工作点为N点,额定流量QN为100%,此时轴功率P1与图中QNNHN0区域面积成正比.(1)调节阀门法当流量从QN减小到QA时,采用调节阀门法,管阻特性曲线从④切换至③,扬程H增大,工作点由N切换至A.此时轴功率P2与图中QAHAA0区域面积成正比.(2)变频调速法由式(1)可知,泵的流量Q与转速n成正比,要将流量从QN减小到QA时,可将泵转速从n1降至n2,工作点从N切换至B,扬程H减小.在同样流量QA下,轴功率P3与图中QAHBB0区域面积成正比.由图可知,P3<P2,在同样流量QA下,采用调速法节省的轴功率与图中阴影局部(BAHAHB)区域面积成正比,节能效果非常明显.对于电机的转速,可用下式表示:式中:n—电机转速,r/min;f—电源频率,Hz;p—电机极对数;s—转差率.因此,当调节泵的流量时,通过改变频率调节电机速度,即采用变频调速法,比采用调节阀门法节能.2.3恒压供水系统硬件设计2.3.1供水系统的构成图2.3供水系统方案图如下列图2.4所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及假设干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台水泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器〔反应0——5V电压信号〕或压力变送器〔反应4——20mA电流〕；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无级调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等局部组成。图2.4系统原理图执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图中的3个水泵分为2种类型：调速泵：是由变频调速控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵：水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力缺乏时，对供水量进行定量的补充。信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号：①水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反应信号。②报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关量信号。控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器〔PLC系统〕、变频器和电控设备三个局部。①供水控制器：它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构〔即水泵〕进行控制。②变频器：它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。③电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电器元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换。人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定值，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监视，对报警进行显示。通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成局部，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通信接口，还可以将现代先进的网络技术用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成局部。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统平安、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失2.3.2供水系统的主电路接线及其工作原理图2.5系统主接线图由图2.5可知，电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器〔FU〕是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。第3章器件的选型及介绍本论文设计主要用到PLC〔即可编程逻辑控制器〕，变频器，PID调节器，压力传感器及其他辅助元器件，本章主要介绍这些器件的选型及相关介绍。3.1可编程控制器PLC可编程控制器是60年代末在继电器系统上开展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC。简介PLC的产生20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争剧烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司〔GM〕公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：〔1〕编程方便，可现场修改程序；〔2〕维修方便，采用插件式结构；〔3〕可靠性高于继电器控制装置；〔4〕体积小于继电器控制盘；〔5〕数据可直接送入管理计算机；〔6〕本钱可与继电器控制盘竞争；〔7〕输入可以是交流市电〔115V〕〔美国电压标准〕〔8〕输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；〔9〕扩展时原系统改变小；〔10〕用户程序存储器至少能扩展到4KB。这就是著名的“GM十条〞。1969年美国数字设备公司〔DEC〕中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器。〔ProgrammableLogicController,简称PLC〕。16位和32位微处理器的应用，使PLC得到了惊人的开展，现在已经成为自动化技术的三大支柱之一。3.1.2简介PLC的开展状况及其开展趋势现在的PLC产品已经使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术使PLC的应用得到进一步开展。PLC的技术已经非常成熟。目前，世界上有200多个厂家生产PLC产品。比较著名的有美国的AB、通用〔GE〕、莫迪康〔MODICON〕、日本的三菱〔MITSUBISHI〕、欧姆龙〔OMRON〕、富士电机〔FUJI〕、松下电工、德国的西门子〔SIEMENS〕、法国的TE、施耐德〔SCHNEIDER〕、韩国的三星〔SAMSUNG〕、LG等。PLC总的开展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向开展。具体表现在以下几方面：(1).向小型化、专用化、低本钱方向开展(2).向大容量、高速度方向开展(3).智能型I/O模块的开展(4).基于PC的编程软件取代编程器(5).PLC编程语言的标准化(6).PLC通信的易用化.(7).组态软件与PLC的软件化(8).PLC与现场总线相结合3.1.4简介PLC的应用领域目前PLC在国内外广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。〔1〕顺序控制例如：注塑机械、印刷机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等等。〔2〕运动控制〔3〕过程控制PLC能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度。〔4〕数据处理〔5〕通信联网3.1.5PLC的工作过程PLC是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.1所示。3.1PLC的扫描工作过程PLC在I/O处理方面必须遵守的规那么如下：①输入映像存放器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；②程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像存放器、元件映像存放器中存放的所需软元件的状态；③输出映像存放器〔包含在元件映像存放器中〕的状态，由输出指令的执行结果断定。④输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像存放器的状态决定；⑤输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。3.1.6PLC的选型水泵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PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1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。3.2变频器变频器的构成通常由变频器主电路〔IGBT、BJT、或GTO作逆变元件〕给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令那么根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等图3.2变频器的构成1.主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变换局部，称为主电路。图3.4所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三局部构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器〞，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路〞以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器〞。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路〞。整流器最近大量使用的是二极管的交流器，图3.4所示，它把工频电源变换为直流电源。可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，其功率方向可逆，可以再生运转。平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压〔电流〕。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。图3.3以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。图3.3电压型逆变器的输出电压④制动回路异步电动机在再生制动区域使用时〔转差率为负〕，再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统〔含电动机〕惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反应或设置制动回路〔开关和电阻〕把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。图3.4典型的电压型逆变器一例2.控制电路给异步电动机供电〔电压、频率可调〕的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.2所示，控制电路由以下电路组成，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〞。在图3.2点划线内，仅以控制电路A局部构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路B局部增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。控制电路主要包括：①运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、功率。电压/电流检测电路与主电路电位隔离，检测电压、电流等。驱动电路为驱动主电路器件的电路。它使主电路器件导通、关断。速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器〔TG、PLG等〕的信号为速度信号送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。保护电路检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。保护回路主要包括：〔1〕逆变器保护1〕瞬时过电压保护。由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流到达异常值〔超过容许值〕时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。交流器的输出电流到达异常值，也同样停止逆变器运转。2〕过载保护。逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护〔使用电子电路〕。过负载是由于负载的GD2〔惯性〕过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。3〕再生过电压保护。采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的方法，防止过电压。4〕瞬时停电保护。对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。5〕接地过电流保护。逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身平安，需要转设漏电断路器。6〕冷却风机异常。有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。〔2〕异步电动机的保护1〕过载保护。过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。2〕超频〔超速〕保护。逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。〔3〕其他保护1〕防止失速过电流。急加速时，如果异步电动机跟踪缓慢，那么过电流保护电路动作，运转就不能继续进行〔失速〕。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。2〕防止失速再生过电压。减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。变频器的特点变频调速特别是变频调速技术的开展，已使世界范围内的电气传动控制领域发生了根本性的变革，它是计算机控制技术、智能控制技术、电力电子技术等的综合产物。由于变频器具有高动态、高性能、大容量、节能等显著的特点，并以其优越的调速性能和节能优势得到广泛应用，并取得了客观的经济效益。国内外的资料说明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能效率可达20%～40%。节约了电费、降低了生产本钱、减少了启动时对电网的冲击，改善了工作环境，并易于实现自动化，同时可根据生产工艺的要求控制的更准确、更快速。变频恒压供水系统主要有以下几个特点:1〕高效节能变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%—60%，这一特点已被广阔用户所认识并带来效益2〕占地面积小，投人少，效率高采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地面积非常小，可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了此变频恒压供水系统占地面积小，投人少，效率高。3〕配置灵活，功能齐全，自动化程度高。4〕平安卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，防止了用水的“二次污染〞，取消了水池定期清理的工作。5〕管理简便变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、主泵定时轮换控制等功能，功能完善，自动运行，可以实现无人值守，节省了人力物力根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器3.2.3变频器的接线管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。图3.5变频器接线图3.3PID调节器PID参数的整定,它是按照工艺对控制性能的要求,决定调节器的参数Kp,TI,TD。控制表达式为:其增量式为:其中：在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。(2)软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。根据设计的要求，本系统的PID调节器内置于变频器中。图3.6PID控制接线图3.4压力传感器的接线图压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改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0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为图3.7压力传感器的接线图3.5原件表水泵：M1、M2选用40-160(I)A型，M3选用40-160(I)型，参数见表3.1所示。热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR，FR1FR2可选用规格其型号为TK-E02T-C，额定电流5－8A，FR3可选用规格其型号为TK-E02U-C，额定电流为6－9熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。接触器的选择：对于接触器KM选择的是规格SC-E03-C,功率3Kw按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY3—11型，其主要技术参数为：UN=24VDC，IN=0.3A，含1对常开和1对常闭触点。表3.1元件表总图元件符号型号个数可编程控制器PLCFXos-30MR-D1变频器FR-A540系列5.5型1接触器KMSC-E03-C7水泵M1,M240-160(I)A2M340-160(I)1闸刀开关QSHD11-100/181熔断器FU1，FU2RT186A2FU3RT188A1热继电器FR1FR2TK-E02T-C2FR3K-E02U-C1按钮SBLAY3—1110水泵符号型号流量(m3/h)扬程

(m)转速

(r/min)电机功率

(kw)M1,M240-160(I)A112829002.2M340-160(I)12.53229003.0表3.2水泵的参数变频器适用电机容量〔KW)输出额定容量(KVA)输出额定电流〔A〕过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-A540系列5.5型〔三菱〕5.59.112150%60s,200%0.5s(反时限特性)3相，380V至480V50Hz/60Hz强制风冷表3.3变频器的参数第4章PLC控制及编程4.1PLC控制PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整。工作流程如图4.1所示，顺序功能图如图4.2所示:开始开始根据输入执行相应的操作是否自动运行？根据输入执行相应的操作是否自动运行？否启动变频器/保持现有的操作启动变频器/保持现有的操作是否收到电机频率下限是否收到电机频率上限是否收到电机频率下限是否收到电机频率上限否否是是供水压力过低，增加水泵工作数量供水压力过高，减少水泵工作数量供水压力过低，增加水泵工作数量供水压力过高，减少水泵工作数量图4.1PLC程序流程图图4.2总程序的顺序功能图系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式那么进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，那么系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。手动模式主要是解决系统出错或器件出问题在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，那么执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，那么执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。4.2自动运行由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制.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M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力到达设定值，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M1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时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压到达设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率到达工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率到达工频，压力仍未到达设定值时，控制系统就会发出故障报警.降压控制：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，使压力重新到达设定值.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。按下SB8按钮，系统进入自动运行模式，顺序功能图如4.3所示。图4.3自动运行顺序功能图Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行①起动1#泵:按下起动按钮，系统检测采用那种运行模式。如果按钮SB7没按，那么使用自动运行模式。变频起动1#水泵。②起动1#，2#泵：接收到变频器上限信号，PLC通过这个上限信号后将1#水泵由变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。③起动1#，2#，3#泵：再次接收到变频器上限信号，那么KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。④起动1#泵：接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。⑤起动1#，2#泵：输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。⑥起动1#泵：接到下限信号关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同是控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。4.3手动运行当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn〔n=1,3,5〕按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。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，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn〔n=2,4,6〕按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。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三台水泵.该方式仅供自动故障时使用.当按下SB9按钮，系统进入手动运行模式。系统的每步动作都必须有相应的操作。顺序功能图如图4.4所示。图4.4自动运行顺序功能图按下按钮SB9之后，启动了变频器，系统进入手动运行模式。当用户按下SBn〔n=1，3，5〕三台电机分别处于工频运行，当用户按下SBn〔n=2，4，6〕三台电机分别处于变频运行。可以多台电机于不同的频率工作，但一台电机只能以一种频率下工作。〔如#1电机，如果控制它工作的SB1,SB2按钮被同时按下那么发出警报且电机无法起动。〕①按下手动起动按钮SB10，手动起动变频器。②按下SB2,断开KM0，在10个计数脉冲后起动M1在变工频电源下运行。③按下SB4,断开KM2，在10个计数脉冲后起动M2在变频电源下运行。④按下SB6,断开KM4，在10个计数脉冲后起动M3在变频电源下运行。⑤按下SB1,断开KM1，在10个计数脉冲后起动M1在工频电源下运行。⑥按下SB3,断开KM3，在10个计数脉冲后起动M2在工频电源下运行。⑦按下SB5,断开KM5，在10个计数脉冲后起动M3在工频电源下运行。4.4公用局部①当热继电器断开系统报警。②电机只能在一种频率下运行，当电机工频/变频同时翻开时将发出警报且电机停止运行。③辅助继电器M1,M2,M3,…M9依次控制输出继电器Y0,Y1,Y2,…Y10④按下停止按钮，所有泵停止运行。第5章MCGS组态软件5.1MCGS组态软件MCGS是一套基于Windows操作系统可用来快速构造和生成上位机监控系统的组态软件包，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC++编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩展系统的功能。主要特点如下：〔1〕丰富的设备驱动程序，通过ActiveDLL把设备驱动挂接在系统中，配置简单、速度快、可靠性高。〔2〕强大的网络功能。MCGS强大的网络功能可把TCP/IP网、485/422/423网、Modem网结合在一起构成大型的监控系统和管理系统。〔3〕开放的OLE接口。MCGS以OLE自动化技术为根底的开放式扩充接口允许用户使用VB来快速编制各种设备驱动构件、动画构件和各种策略构件，通过OLE接口，用户可以方便地定制自己特定的系统。系统结构图〔参见图1〕用户窗口用户窗口主控窗口运行策略设备窗口实时数据库图5.1MCGS体系结构图MCGS组态软件系统包括组态环境和运行环境两大局部，用户所有组态配置过程都是在组态环境中进行的，用户组态后可生成一个“组态结果数据库〞文件。MCGS运行环境是一个独立的运行系统，它能按照“组态结果数据库〞中的组态方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。MCGS系统整体框图：多任务多任务多线程建动画构建动画动画显示报警组态设计报表连接设备实时数据库现场控制报警输出报表打印设备输出流程控制组态软件核心实时数据库构建动画流程控制组态组态环境运行环境图5.2MCGS系统整体框图5.2建立界面建立窗口(1)在“用户窗口〞中单击“新建窗口〞按钮，建立“窗口0”(2)选中“窗口0”，单击“窗口属性〞，进入“(3)将窗口名称改为：变频恒压供水系统；窗口标题改为：变频恒压供水系统；窗口位置选中“最大化显示〞，其它不变，单击“确认〞。(4)在“用户窗口〞中，选中“变频恒压供水系统〞，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口〞选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。图5.3工程界面界面如下图。一共有四个界面，分别是变频恒压供水系统、变频恒压供水系统实时曲线、变频恒压供水系统历史曲线和退出提示。定义数据对象实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的根本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。下面以数据对象“水泵〞为例，介绍一下定义数据对象的步骤：[1]单击工作台中的“实时数据库〞窗口标签，进入实时数据库窗口页。[2]单击“新增对象〞按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象，系统缺省定义的名称为“Data1”、“Data2”、“Data[3]选中对象，按“对象属性〞按钮，或双击选中对象，那么翻开“数据对象属性设置〞窗口。[4]将对象名称改为：水泵1；对象类型选择：开关型；在对象内容注释输入框内输入：“控制水泵启动、停止的变量〞，单击“确认〞。图5.4参数的设置过程按照此步骤，设置其他数据对象。图5.5参数的设置5.3编辑界面编辑画面选中“变频恒压供