基于PLC的楼宇恒压供水系统设计

绪论1。1变频器恒压供水产生的背景和意义1。1.1供水方案的确定众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，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.主要表现在用水高峰期，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。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。以下就逐一分析。(选择较多，挑几个就行不必全部摘取）（1）一台恒速泵直接供水系统这种供水方式,水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水,严重影响城市公用管网压力的稳定.这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行.这种系统形式简单、造价最低,但耗电、耗水严重,水压不稳，供水质量极差.(2）恒速泵+水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止,水塔水位低于某一位置时再启动水泵.水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下,水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大；水压不可调,不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降,故还存在一些能量损失和二次污染问题.而且在使用过程中,如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停,这样水泵的开、停，将完全由人操作,这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。(3）射流泵十水箱的供水方式这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作,利用压差和来水管粗,出水管细的变径工艺来实现供水,但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量（流量)的现象,无法满足高层供水的需要。（4)恒速泵十高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响,同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大,所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作,使系统的供水质量下降能耗增加。(5）恒速泵十气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的,所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水的方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后,再将二者作一比较。(6)变频调速供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速.使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内.变频调速水泵调速控制方式有三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。①出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大,在低峰用水时,最不利点的流出水头高于设计值,故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。②出口变压控制水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日24小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压力计算得越符合实际情况越节能,将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂.③最不利点恒压控制最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处；使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定.这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作.当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速,使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小,启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量,这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米.而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米.由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积.在运行效果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/3-1/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水,这样将产生较大的噪声,同时由于启动过于频繁，压力不稳,加之硬启动,电气和机械冲击较大,设备损坏很快.变频调速式的运行十分稳定可靠,没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势,具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益.随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高.把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。由于城市供水量不断加大，对城市管网的实时监测提出了更高的要求。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、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制、远程监控技术与一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便的实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1。2国内外研究概况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。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，因而投资成本高。即1968年,丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发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，降低了设备成本，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,还远远没能达到所有用户的要求。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、最有发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、维修方便和低成本低能耗等诸多特点.1.3变频恒压供水系统理论分析1。3.1变频恒压供水系统节能原理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1-1所示。由图可以看出，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Q（u)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HJ（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Qc之间的关系Hf（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1—1供水系统的基本特征。变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的.1。3.2变频恒压控制理论模型变频恒压控制系统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从图1-2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。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。图1—2变频恒压控制原理图1。4恒压供水控制系统构成变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成.通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵连成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。变频器变频器水泵用户管网压力压力变送器给定值+-图1—3恒压供水系统方框图水压由压力传感器的信号4—20mA送入变频器内部的PID模块，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,以调整水泵电机的电源频率,从而实现控制水泵转速。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法,所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时,为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数,同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。综上所述，系统可分为:执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为:（l)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，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、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;工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大(变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时)的情况下投入工作.（2）信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值,它是恒压供水控制的主要反馈信号.此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换.另外为加强系统的可靠性,还需对供水的上限压力和下限压力用压力表进行检测，检测结果可以送给PLC,作为数字量输入;水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足.信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制,以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号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。(3)控制机构：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部分。供水控制器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压力、液位、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(即水泵机组）进行控制;变频器是对水泵进行转速控制的单元,其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。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即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；变频固定式是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，本设计中采用变频循环式。现将系统控制流程说明如下：（l）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变频泵M1工作,根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml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Ml工作在调速运行状态.（2)当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小,偏差变大，PLC的输出信号变大,变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达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,减小水泵的转速到另一个新的稳定值.（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz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(在下节有详细阐述)时，在变频循环式的控制方式下,系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2(变速运行),同时变频泵M1做工频运行，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，将另一台水泵M3投入运行（变速运行），M2工频运行。变频器输出频率达到上限频率50Hz时,压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警.(4）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，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.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，将另一台工频泵M1关掉。1。4。1供水系统中水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率,此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量,达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢？由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制,50HZ成为频率调节的上限频率。另外,变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中,变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵,给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此,当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关,一般在20HZ左右。所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率.在恒压供水中,机组的切换为机组增加与减少两种情况，这两种情况由于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。考虑到只有当变频器的输出频率在上下限频率时才可能发生切换，并且上限频率时不可能减泵，下限频率时不可能加泵，所以，可以采用回滞环思想进行判别如图1。3：图1。3用于压力判断的回滞环如果变频器的输出为上限频率，只有当实际的供水压力比设定压力小／2的时候才允许进行机组增加；如果变频器的输出为下限频率，则只有当实际的供水压力比设定压力大妮／2的时候才允许进行机组的增加.回滞环的应用提供了这样一个保障,即如果切换的判别条件满足，那就说明此时实际供水压力在当前机组的运行状况下满足不了设定的要求。但这个判别条件的满足也不能够完全证明当前确实需要进行机组切换，因为有两种情况可能使判别条件的成立有问题：实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰,这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足，造成判断上的失误，引起机组切换的误操作。这两种情况有一个共同的特点，即它们维持的时间短，只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。根据这个特点，在判别条件中加入延时的判断就显得尤为必要了.所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换,切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间，比如一、两分钟，如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。经过以上的分析，将实际的机组切换的条件优化为：西门子系列PLC编程采用STEP7软件,它是西门子PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。系统程序包括主程序和起动子程序,主程序包括参与调节程序和电机切换程序；电机切换程序又包括加电机程序和减电机程序。起动子程序实际上是清零子程序.在主程序中,设置两个变频器频率上下限到达滤波时间继电器，用于稳定系统。2变频恒压供水系统设计方案的确定2.1设计任务及要求本系统是以一个供水系统作为被控对象，PLC与变频器协调控制电机的转速与启动和停止。系统控制要求：工艺参数：供水系统由3台水泵组成：母管压力H≥0。8时,一台定速，一台变速,一台备用。母管压力H≤0。64时，一台定速或变速,二台备用。母管压力H≤0。52时，一台变速,二台备用。电动机参数：型号：JD-L—39—4功率：75KW额定频率：50Hz额定电压：380VAC；额定转速:1470r/min额定电流：126。6A（3)水泵电机的起动/停止、正转、调速控制。（4)变频器采用远方控制方式.(5）通过母管压力变送器测得实际压力大小，同时和压力给定组成闭环控制。（6)变频器的运行状态指示(如运行、停止、过流、低压等）。(7）变频器的报警处理。2.2备选设计方案2。2系统主电路设计图2.1系统主电路图由恒压供水主电路图可见,接触器1KM2、2KM2、和3KM2用于变频器输出，分别接到水泵M1、M2和M3，而接触器1KM3、2KM3和3KM3将工频电源接到3台水泵。变频器可以对任何一台水泵启动和恒压供水控制.空气开关(QL）是当电动机过载时自动将电动机从电网中断开热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中用作电动机的过载保护。3器件的选型及介绍3。1变频器简介3。1。1变频器的基本结构与分类1、变频器的基本结构变频器是把工频电源（50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备.变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。2、变频器的分类变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类,可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。3。1。2变频器的控制方式在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等.(1）V/f控制V/f控制是为了得到理想的转矩—速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式,不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿,以改变低频转矩特性.(2)转差频率控制转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率,并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩.这种控制方式,在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。（3）矢量控制矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制,进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗.目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种.(4）直接转矩控制直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。(5)最优控制最优控制在实际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。例如在高压变频器的控制应用中,就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形.3。2变频器选型3。2.1变频器的控制方式控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种.选用变频器时不要认为档次越高越好,其实只要按负载的特性,满足使用要求就可,以便做到量才使用、经济实惠.下表中参数供选用时参考。表3。1控制方式的比较控制方式U/f=C控制电压空间矢量控制矢量控制直接转矩控制反馈装置不带PG带PG或PID调节器不要不带PG带PG或编码器速比I<1：401：601:1001：1001：10001：100起动转矩（在3Hz)150％150％150％150％零转速时为150%零转速时为〉150％～200％静态速度精度/％±（0。2～0.3)±（0.2～0。3)±0。2±0。2±0。02±0.2适用场合一般风机、泵类等较高精度调速,控制一般工业上的调速或控制所有调速或控制伺服拖动、高精传动、转矩控制负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载故选择U/f=C控制3。2。2变频器容量的选择变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性,因此,合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区,这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。1、从电流的角度：大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低,都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时,只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则.需要着重指出的是,确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数,例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。2、从效率的角度：系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：（1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。(2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时,则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率,但应略大于电动机的功率。（3)当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时,可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行.（4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器,但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作.（5)当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果.3、从计算功率的角度:对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式:（1）满足负载输出:Pcn≥Pm／η(3。1)(2）满足电动机容量：Pcn≥√3KUeIecosφ×10-3 (3。2)（3）满足电动机电流：Icn≥KIe （3。3）式中Pcn为变频器容量(单位kW)，PM——负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），η为电动机效率(通常约为0．85)，cosφ为电动机功率因数（通常约为0．75)，k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加,通常K约为1．05～1．1）.将本系统参数带入求得所取变频器容量最低为88KW故取100KW,额定电流139.26A,故取150A。根据计算所得的所需参数可以选取西门子MicroMaster430(风机水泵专业）变频器，具体的可以选择MM430-110K型号的变频器，他配接电机的容量是110kw，额定电流为205A满足使用需求，可以选择。3。2。3变频器主电路外围设备选择1、断路器当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。当变频器输入侧发生短路等故障时,进行保护.选择原则（1）变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2—3）倍；（2）变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流；（3）变频器允许的过载能力为150％，1min。为了避免误动作,断路器的额定电流应选:（3。4）其中为变频器的额定电流。故选择断路器额定电流选择210A根据上述数据可以选择断路器DW15—400断路器额定电压为380V,额定电流为300满足要求可以选择.2、接触器(1）主要作用：可通过按钮开关方便地控制变频器的通电与断电;变频器发生故障时，可自动切断电源.（2)选择原则：由于接触器自身并无保护功能，不存在误动作的问题，故选择原则是主触点的额定电流，应该大于126.6A，可以选择主触点额定电流为130A的接触器。根据上述数据施奈德的LC1—D150,满足参数要求，可以选择3、主电路的线径(1）电源和变频器之间的导线一般说来，和同容量普通电动机的电线选择方法相同.考虑到其输入侧的功率因数往往较低,应本着宜大不宜小的原则来决定线径.(2)变频器和电机之间的导线因为频率下降时,电压也要下降,在电流相等的情况下，线路电压降在输出电压中的比例将上升，而电动机得到电压的比例则下降。这有可能导致电动机带不动负载并发热.所以，在决定变频器和电动机之间导线的线径时,最关键的因素便是线路电压降的影响.一般要求:（3。5）的计算公式是：（3。6）式中:——额定相电压,V； ——电动机额定电流,A；-—单位长度（每米）导线的电阻，mΩ/m；——导线的长度，m。由上两式可直接求出的取值范围。根据Ro值确定导线面积。由公式（3。5)得：~11。4）V由公式(3。6）得：0。69mΩ/m1。04mΩ/m根据表3。1判断所需的导线截面积，为了满足控制系统的要求,应该选择截面积为16的导线。表3.2常用电动机引出线的单位长度电阻值。标称截面/mm21.01。52。54.06。010。016。025。035。0/(mΩ/m）17。811.96。924。402。921.731.100.690.494、制动电阻准确计算制动电阻值十分麻烦，在实际工作中基本不用。许多变频器的使用说明书上给了一些计算方法，也有的直接提供了供用户选用的制动电阻的规格。但按说明书上选择电阻时须注意下面问题,变频器生产厂家为了减少制动电阻档次,常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量的制动电阻.选用时，应注意根据生产机械的具体情况进行调整。对同一挡中电动机容量较小者,制动转矩与额定转矩的比值偏大。为了减小能量的消耗，应根据制动过程的缓急程度以及飞轮力矩的大小,考虑能否选择阻值较大的制动电阻。对同一挡中电动机容量较大者，制动转矩与额定转矩的比值偏小。在一些飞轮力矩较大,又要求快速制动的场合，或者如起重机械那样，需要释放位能的场合，上述制动电阻有可能满足不了要求,靠考虑选择阻值较小的一挡制动电阻。3.3可编程控制器（PLC）3。3.1PLC的定义及特点

在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA)经过4年的调查,于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController）,英文缩写为PC，并作如下定义:“可编程序控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。PLC的特点如下：1、高可靠性

(1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离,使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

(2)各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。

(3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰.

(4）采用性能优良的开关电源。

（5)对采用的器件进行严格的筛选.

（6）良好的自诊断功能,一旦电源或其他软,硬件发生异常情况,CPU立即采用有效措施,以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。

2、丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备,如：按钮行程开关接近开关传感器及变送器电磁线圈控制阀直接连接。另外为了提高操作性能,它还有多种人—机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

3、采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外,绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件,包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4、编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式,对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握.5、安装简单,维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障.由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障,用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行.3.3。2PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序,直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期.当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容.在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。3。3。3PLC及压力传感器的选择图3-1西门子系列PLC实物图水泵M1、M2、M3可变频运行,也可工频运行，需要6个输出点，根据系统设计要求需要五个输入点，则选择西门子的S7—200系列PLC。实物图如图3-1所示压力传感器采用CY—YZ-1001型绝对传感器。该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。传感器的量程为0～2。5MPa，工作温度为5℃~60℃，输出电压为0~5V，作为本系统的反馈信号供给PLC.图3-2西门子系列PLC的外观4PLC编程及变频器参数设置4。1PLC的I/O接线图K1K1K2K3K4K5K6220VACSB1SB2SB3SB4SD1LQ0。0Q0。1Q0.2Q0。3Q0。4Q0。5NL1S7-200PLC1MI0。0I0.1I0.2I0。3I0.4ML+图4。1PLC的I/0接线图输出端接中间继电器控制电机的工频与变频工作状态的转换，输入点I0。0控制系统电机的停止工作，I0.1控制系统电机工作及变频器工作的开始。I0。2点用于在一号泵有故障时手动启用三号泵代替一号泵的工作.I0。4为当变频器输出频率达到上限值时手动闭合，使电动机切换为工频工作。4.2PLC程序4。2。1PLC程序设计方法的分析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，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令,它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受.继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号,类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成,比较抽象，通常都先用其它方式表达,然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。状态转移图语言（SFC）类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则,描述控制过程比较详细具体,包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。这种方式容易构思,是一种常用的程序表达方式。高级语言类似于BACIC语言、C语言等，它们在某些厂家的PLC中应用。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: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又是广义的，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）PLC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，即按扫描方式顺序执行程序,不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描.扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序,也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始.顺序扫描的工作方式简单直观,它简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了非常有用的保证.一方面,扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响。PLC的工作过程就是程序执行过程.它分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，PLC具体的扫描过程如图4．2所示：图4.2PLC的扫描过程示意图1）输入采样阶段：在开始执行程序之前，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关、“1"或“O''）读入到输入映像寄存器中寄存起来,这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新.在程序执行期间，所需输入信息取自输入映像寄存器的内容。在本工作周期内，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入.2）程序执行阶段：在程序执行阶段,PLC对程序按顺序进行扫描。每扫描到一条指令时,所需要的输入状态或其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，然后将执行结果写入到元素映像寄存器中.这就是说，对于每个元素来说,元素映像寄存器中寄存的内容,会随程序执行的进程而变化。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到端子上。3）输出刷新阶段：当程序执行完后,进入输出刷新阶段.此时，将元素映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备（负载)，这才是PLC的实际输出。PLC重复地执行上述三个阶段,每重复一次的时间就是一个工作周期(或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短（即组成程序的语句多少）、指令的种类和CPU执行的速度有很大关系。一般说来，一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分。PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次,对输出刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。5。系统安装5.1PLC安装位置确定可编程控制器（PLC）是一种新型的通用自动化控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制功能强，可靠性高，使用灵活方便，易于扩展等优点而应用越来越广泛.但在使用时由于工业生产现场的工作环境恶劣，干扰源众多，如大功率用电设备的起动或停止引起电网电压的波动形成低频干扰，电焊机、电火花加工机床、电机的电刷等通过电磁耦合产生的工频干扰等，都会影响PLC的正常工作。所以要避开下列场所：(1）环境温度超过0～50℃的范围;（2)相对湿度超过85％或者存在露水凝聚（由温度突变或其他因素所引起的)；(3）太阳光直接照射;（4）有腐蚀和易燃的气体,例如氯化氢、硫化氢等;（5)有打量铁屑及灰尘；（6）频繁或连续的振动,振动频率为10～55Hz、幅度为0.5mm；(7）超过10g（重力加速度）的冲击。5。2变频器的安装5.2。1变频器的安装环境(1）环境温度为—10℃与40℃之间；（2）环境湿度相对湿度不超过90％（无结露）；（3)无阳光直射，无腐蚀性气体及易燃气体，尘埃少，海拔低于1000m.5。2。2安装方式（1)墙挂式安装变频器与周围物体之间的距离应满足下列条件：两侧≥100mm;上下≥150mm。(2)柜式安装单台变频器安装应尽量采用柜外冷却方式(环境比较洁净,尘埃少时);单台变频器采用柜内冷却方式时,应的柜顶安装抽风式冷却风扇,并尽量装在变频器的正上方；多台变频器安装应尽量并列安装，如必须采用纵向方式安装，应在两台变频器间加装隔板。不论哪种方式，变频器应垂直安装。5。3变频器和电机的距离确定电缆和布线方法（1)和电机的距离应该尽量的短.这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。(2）电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线