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1、目录 摘要.1 关键词.1 1 引言.1 2 供水系统的结构.2 3 控制系统的工作原理.3 3.1 变频调速原理.3 3.2 供水系统原理及工作过程.4 4 硬件设计.6 4.1 变频器.6 4.2 压力变送器.6 4.3 软起动器.7 4.4PLC 选择7 5 PID 调节原理7 6 系统的优点.8 7 软件设计.9 7.1 I/O 口分配9 7.2 PLC 接线图10 7.3 系统工作程序图.11 8 结束语.11 参考文献.11 谢辞.12 附录.13 -1- PLC-变频器在城市恒压供水中的应用 彭以泳机教 005 班 摘 要：本论文介绍了以 PLC-变频器为核心构成系统的控制原理、
2、硬件 设计、软件设计及系统优点。PLC-变频器调控技术在水压控制系统中的应用， 有效地解决了控制负荷波动大，调节频繁的难题，证明了变频调速控制系统的 优越性和显著的经济效益，具有很好的推广应用价值和进一步的研究价值。 关键词：PLC；变频调速；恒压供水 AbstractAbstract: :T T T This paper introduces the water supply system of constant pressure controlled by PLC control as well as Speed Regulating Transducer .The system was
3、introduced to which used PLC to process the logic control and employed inverter to adjust water pressure, It could automatically control the number of water pump and speed of AC motor . Moreover it shows many advantages of the system-high efficiency, saving energy, convenience of operation, high aut
4、omation. KeyKey wordswords: :PLC； Variable Voltage Variable Frequency； water supply system of constant pressure 1 1 1 1 引引引引言言言言 随着变频调速技术的发展，人们对生活用水的品质要求不断提高，变频恒 压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于城市多层住宅小区生 活及消防供水系统。 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。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，导致部 分设备不能正常工作。 变频调速技术是一种新型成熟的
5、交流电机无极调速技术， 它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。 由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而 变频调速技术得到了更加深入的应用。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) 在线调整 PID 参数；(5)泵组及线路保护检测报警，信号显示等。 恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方 式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采
6、用 -2- 水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛 应用，利用 PLC、变频器、PID 调节器、单片机、等器件的有机结合，构成控制 系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。但在软件设计上，PLC 比单片机 的编程更简洁、直观；从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些；从经济方 面考虑，由于 PLC 工艺的日渐成熟，小型 PLC 的成本与单片机相差无几，由于 要根据现场情况调整系统参数，PLC 的软件中时间参数的调整更简单，这样更 有利于售后服务人员掌握。 本论文介绍的恒压供水系统是通过变频调速调节水的流量，达到供水的目 的，最终控制目标是水的压力。将 PLC 与变频
7、器结合在一起更好的优化了传统 城市供水系统中的诸多问题，它体现了自身操作方便，高效节能和自动化程度 高的特点，同时也体现了变频控制恒压供水的技术优势，有效的节省了资金。 2 供水系统的结构 恒压供水系统主要由 PLC、压力变送器、水泵机组、变频器、主接触器等 组成。系统工作原理框图如图 1 所示。 图 1系统工作原理框图 该控制系统中，控制信号的采集是靠压力变送器来完成的，由压力变送器 采集的管道中的压力信号，经过 PLC 的智能扩展模块来进行模数转换，根据变 送器传递来的标准的电流或电压信号的大小，把模拟量按一定的关系转换成 PLC 内部的数字信号，然后由 PLC 将转换后的数字信号与事先设
8、定的压力值相 比较，根据比较的结果，控制相应的输出，来决定让哪一个水泵电机工作，并 且决定是以工频方式工作还是以变频方式工作，该变送器可靠性好，还可设定 水压的上、下限压力值。当管网压力处于上下限位置，变送器分别输出开关信 号进入 PLC 两个输入点，与变频器的极限输出频率检测信号一起，通过 PLC 控 制泵的变频与工频切换以及控制工频工作泵的切除。水泵可以变频工作也可以 PLC变频器 压力变送器主接触器水泵机组供水管网 工频电网 -3- 工频工作，变频器的运行与关断由一个输出信号控制；变频器极限频率的检测 信号占用一个输入点；再有紧急情况和发生供电相序故障等，急需紧急停车时 设有一个急停按钮
9、，占用一个输入点以控制整个系统全线停车。系统分自动和 手动工作方式。 3控制系统工作原理 3.1 变频调速原理 变频供水设备主要由变频器、控制系统及压力变送器等部分组成。控制系 统通过控制变频调速器， 将 50HZ 的交流电调到以 050HZ 之间任意频率变送输 出，实现交流电机的无极调速，最终达到生产过程的定量控制及最优化控制， 当变频系统为开环时，设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速；当变频 系统为闭环时，随着反馈等要求的变化，根据设定的系统供水压力值，自动跟 踪输出相应的频率。 水泵电机通常由三相交流异步电动机来拖动，对水泵的调速是通过对其电 机转速的调节来实现。我们知道：异步电动机
10、转速=60(1S)/P。在这个公 式中， f 为电机电源的频率， P 为电机的磁极对数， S 为转差率(03%或 06%)。 由上述电机的转速公式可见： 要想改变电机的转速， 可以通过三种方法来实现： 1.电动机的频率 f； 2.电动机的转差率 S； 3.电动机的磁极对数 P。 通过对上面三种方法的分析可以知道：改变电动机的转速的最好方法是改 变电动机电源的频率。因为，转差率 S 的范围在(03%或 06%)之间，由此转 差率 S 对电动机的影响不大，调速效果不明显，效率相对较低；改变磁极对数 P 这种方法，首先它不容易实现，其次，由电机的工作原理决定了电机的磁极 数是固定不变的。由于该磁极数
11、值不是一个连续的数值（为 2 的倍数，例如极 数为 2，4，6） ，所以一般不适合通过改变该磁极对数 P 来调整电机的速度。 变频调速装置又称为 VVVF 装置。VVVF 是 Variable Voltage and Variable Frequency 的缩写，意为改变电压和改变频率，也就是人们所说的变压变频。 根据水泵叶轮相似定律，水泵供水量 Q 与电机转速成正比，供水扬程 H 与 的平方成正比，水泵轴功率 N 与的 3 次方成正比。 电动机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时， 这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动电流。而当使用变频 器时，变频器的输出电
12、压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲 -4- 击要小些。 通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。通过使用磁 通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可 输出足够的转矩。 失量控制具有转矩提升功能，它能增加变频器在低频时的输出电压，以补 偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。改善电 机低速输出转矩不足的情况，使用“矢量控制“，可以使电机在低速时的输出转 矩可以达到电机在 50HZ 供电输出的转矩。 对于常规的 V/F 控制， 电机的电压降 随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得 足够的旋转
13、力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机 速度降低而引起的电压降。 3.2 供水系统原理及工作过程 系统采用 3 台水泵电机并联运行方式，压力变送器将主水管网水压变换为 电信号，经模拟量输人模块，输入 PLC 的高级模块PID 模块，PLC 根据给定 的压力设定值与实际检测值进行 PID 运算，输出控制信号经模拟量输出模块至 变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。 根据泵站供水实际情况与需求 ,利用一台变频器控制 3 台水泵 ,一台小 功率泵 M1，两台大功率泵 M2 与 M3，因此除改变水泵电机转速外 ,还要通过增 减运行泵的台数来维持水压恒定 ,当运行泵满工频抽水仍达不到
14、恒压要求时 , 要投入下一台泵运行。反之 ,当变频器输出频率降至最小 ,压力仍过高时 ,要 切除一台运行泵。 所以不仅需要开关量控制 ,还需数据处理能力 。 它在应用上 的一个重要特征就是由 PLC 自动采样, 随时将模拟量转换为数字量 ,放在数据 寄存器中 ,由数据处理指令调用 ,并将计算结果随时放在指定的数据寄存器 中。通过其可将压力变送器电流信号和变频器输出频率信号转换为数字量 ,提 供给 PLC,与恒压对应电流值、频率上限、频率下限 (考虑到水泵电机在低速运 行时危险 ,必须保证其频率不低于 20HZ,因此频率上限设为工频 50HZ,下限设 为 20HZ)进行比较 ,实现泵的切换与转速
15、的变化。 系统运行时，三台泵的启动顺序为 M1、M2、M3，停机顺序也为 M1、M2、M3， 即先起先停。首先 M1 水泵电机开始起动，在 M1 水泵电机起动后，压力变送器 从管道中传来的压力信号经过模数转换后与设定的压力值相比较，判断用户终 端水压的高低；由 PID 根据管道中的压力信号来控制变频器输出相应的频率， 控制水泵电机的转速。 当 M1 经过变频器的调节已达到工频后。 经过一段时间 （可以根据对系统灵 -5- 敏度的要求来调整） ， 从管道中采集一个压力信号与设定值比较， 若管道中的压 力仍然低于设定的压力，则由 PLC 发出控制指令，使 KM1 断开、KM2 得电闭合， 从而将
16、M1 电机从变频器脱离，使它直接与工频电源相连接工频运行，同时， 也 让 KM3 闭合， 使 M2 电机与变频器相连。 这时压力变送器传来的信号经 PID 调节 后控制 M2 电机的转速，使管道内的压力与设定的压力值相接近。 同理，当 M2 经过变频器的调节已达到工频后。经过一段时间，从管道中采 集一个压力信号与设定值比较， 若管道中的压力仍然低于设定的压力， 则由 PLC 发出控制指令，使 KM3 断开，然后接通 KM4 和 KM5，即使 M2 也处于工频模式运 行，同时把 M3 接到变频器上，模拟信号由 PID 调节后输出相应的频率来控制 M3，直到满足设定的压力值为止。系统工作主电路图如
17、图 2 所示。 图 2系统工作主电路图 考虑到每个水泵电机的使用寿命，为了让电机的工作时间尽可能相同，在 这里采用先起先停的原则来控制水泵电机，即当管道内的压力高于设定的压力 时，先停止 M1，让 M2 与 M3 工作，经过一段时间后，再采集管道内的压力信号， 与设定值比较，若仍然高于设定压力，则把 M2 停止，只留下 M3 依靠 PID 的控 制工作。当 M3 连续工作超过 3 个小时，停止 M3，启动 M1，如此循环。 当晚上 12 点到早上 6 点， 这个时间段用水量特别小， 无论系统工作在什么 模式，都让 M2，M3 停止运行，让小泵电机 M1 变频工作。 当有消防信号时，由于灭火的用
18、水量特别大，这时不管水泵电机在什么模 -6- 式下运行，都把它切换到工频模式，由三台水泵电机来对系统供水，从而保证 大量用水的需要。 4.硬件设计 4.1 变频器 变频器是水泵电机的电源设备,能将 50 赫兹的工频电源按水压恒定需 要变换为0-50赫兹不同频率的电源供给水泵电机,使其转速得到调节.本系统 选用的富士 FRNP7-4 系列变频器。该变频器可与 PLC 直接调节频率、直接接 收 PLC 的 PWM 信号并可控制电动机频率；采用了新设计的调频电位器，用操 作盘就可容易地操作正转/反转；内装 8 段速控制制动功能（0.2KW 无制动功 能），再试功能等,具有优良的机电性能.变频器的控制
19、信号为调解器送来的 010V 直流电压.当该电压信号变化时,变频器的输出频率变化,电机转速变 化.例如,当管网水压降低时,压力变送器输出减少,调节器输出电压升高,变 频器输出电流频率上升,使水泵电机转速增加,水压恒定，富士变频器具有完 善的操作性能,通过其自带编程器,可设置电机软启动,软停车的运行曲线及 变频器运行频率的上下限幅值等.富士变频器还能给出许多检控信号,方便控 制系统的构成.比如,能通过串行脉冲端口输出变频器的运行频率,和通过开 路集电极输出口输出代表运行频率和频率限幅值关系的开关信号等. 4.2 压力变送器的选择 采用压力变送器可以直接把网管内的水压这个模拟信号转换为标准的电信
20、号，从而有效的减少了系统的硬件配置，利用较少的元件实现较复杂的功能， 在实际应用中，压力变送器的使用环境比较恶劣，考虑到水对人们生活的重要 性，保证供水的压力满足人们生活的需要，为此选用由金华自动化仪表设备厂 生产的 DBS 316A 系列压力变送器。 DBS 316A 系列压力变送器采用不锈钢外壳隔离防腐，外形设计精巧，安装 十分简便。具有国际先进技术进口陶瓷传感器，再配以高精密电子元件，经严 格要求的工艺过程装配而成。它与目前使用的常规压力变送器相比。有两个显 著不同的技术差别：一是测量元件采用新兴的高精密陶瓷材料；二是测量元件 内无中介液体，是完全固体的。同时，它具有以特点： 过载和抗冲
21、击能力强，过压可达量程的数倍，甚至用硬物直接敲打测量元件 也不致使其损坏，且对测量精度毫无影响；工作稳定性高，抗振动，抗冲击， 每年优于 0.1%满量程， 这个技术指标已达到智能型压力仪表水平； 温度漂移小， 由于取消了压力测量元件中的中介液， 因而传感器不仅获得了很高的测量精度， -7- 且受温度梯度影响极小；可调节，适用性广、安装维护方便、可任意位置安 装。有很广的测量范围，A 型号的测量范围在-5KPa-20KPa 之间，可以在环境 温度-40-80C 之间工作。具有反极性、过电压保护以及防电磁射频干扰功能， 输出标准电信号：二线制 4-20mADC。以便于系统控制。 4.3 软起动器
22、变频器依次起动多台电动机 ,直接硬切换是不可行的 ,如采用同步切换 , 成本不低于一台晶闸管电子软起动器的价格 ,而且同步切换相对复杂 ,故障率 高。 同时 ,用一台变频器起动控制多台电动机 ,也不宜于大范围内的调压控制。 所以 ,采用一台变频器同步切换的恒压供水软起动控制系统 ,不如使用一台变 频器 ,外加软起动器组成的恒压供水软起动控制系统。本系统采用西门子软启 动器 3RW3458。 4.4 PLC 选择 本供水系统采用松下电工 FP1-C40 系列 PLC，该系列 PLC 体积小巧，功能 齐全。CPU 运行速度 1.6s/步，程序容量高达 2700 步 5000 步，最多可控制 152
23、 点加 4 通道 A/D4 通道 D/A。主机有 14，16，24，40，56，72 点六种还有 8， 16，24，40 点四种扩展单元，主机上配有 RS232 通讯口机内时钟，通过 C-NET 网络模块可方便地将最多 32 台 PLC 连成网络，距离达 1.2km。该控制系统中， 安装在管网上的压力传感器将一定范围的压力对应转换成 0 -10V 电信号，反 馈给变频器，作为压力反馈。 5PID 调节原理介绍 在供水系统中， 压力变送器将压力信号变换成电压量或电流量， 反馈到 PLC 高级模块的高级模块-PID 模块， PID 将压力反馈信号与压力给定信号进行比较， 并经 Proportion
24、（比例） 、Integral（积分） 、Differential coefficient（微 分） 、诸环节调节后得到频率给定信号，控制变频器的工作频率，从而控制了水 泵的转速和泵水量。 比较与判断功能设压力给定信号为，压力传感器的反馈信号为 f X， PID 调节器首先对上述信号进行比较，得到偏差信号X fp XXX= 1 接着根据X值判断如下： X为“” ，说明供水压力低于给定值，水泵应升速。X大，说明供 水压力低得较多，应加快泵的升速。 X为“-” ，说明供水压力高于给定值，水泵应减速。|X|大，说明 -8- 供水压力高出较多，应加快水泵减速。 用水量 Q 增大了， 引起供水不足， 供水
25、压力下降， 于是出现了偏差信号X。 图中，供水压力用与之相对应的压力信号 p X来表示。 p X的大小与供水压力成 比例，但具体数值因压力变换器型号的不同而各异。 仅仅依靠X的变化来进行上述控制， 虽然也基本可行， 但在X值很小时， 反映不够灵敏，不可能使值减小为 0，而存在静差 P （比例） 功能简略的说， P 功能就是将X值按比例放大。 这样，X 值即使很小，也被放大得足够大，使水泵的转速得到迅速调整，从而减小了静 差。但是，另一方面，P 值设定得大，则灵敏度高，供水压力 p X到达给定值 1p X的速度快。但由于拖动系统有惯性的原因，很容易发生超调（供水压力超 过了给定值） 。于是又必须
26、向相反方向回调，回调也很容易超调。结果，使供水 流量 Q 在新的用水流量处振荡；而供水压力 p X则在给定值 1p X处振荡。 I（积分）功能振荡现象之所以发生，主要是水泵的升速过程和降速过 程都太快的缘故。I（积分）功能就是用来减缓升速和降速的功能，以缓解因 P 功能设定过大而引起的超调。I 功能和 P 功能相结合，即为 PI 功能。但是， 值 设定过大，会拖延供水流量重新满足用水流量（供水压力重新到达的给定值） 的时间。 D(微分)功能为了克服因 I 值设定过大而带来的缺陷，又增加了 D（微 分）功能。D 功能是将 X 的变化率（ tx dd/）作为自己的输出信号。当用水量刚 刚增大、供水
27、压力 p X刚下降的瞬间， tx dd/最大；随着水泵转速的逐渐上升， 供水压力 p X的逐渐恢复， tx dd/将迅速衰减。D 功能和 PI 功能相结合，便得 到 PID 调节功能。 6.系统的优点 采用变频器-PLC 恒压供水装置有以下几个优点： :节电效益高。传统水泵电机均采用大容量电机，用阀门控制水量恒定， 造成电能浪费。 :运行可靠、稳定。系统中的核心部件变频调速器本身的可靠性很高， 一般情况下可连续使用 10 万/h 以上。系统还采用软启动方式，不存在电气冲 击，不污染电网，而且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等 各种保护功能。系统对管网压力波动采取阻尼滤波处理，供水
28、恒压精度较高， 通常能控制在 0.002Mpa 范围内。 :结构简单，操作简便。控制系统采用集成度高，配套方案灵活多样，由 可编程控制器得到水泵运行的各种组合。 调速范围广， 对水量变化的适应能力强。 -9- :使用寿命长，自动化程度高，无需人看管，维护量少。 以上系统在实际的应用中效果显著， 如将 PLC 与变频器中自带编程器的功能 集成，可开发成一些专用的变频器，这样系统的可靠性与健壮性大大增强，应用 更加简单，系统的总成本也会下降。 7.软件设计 控制系统软件是指用梯形图语言编制的对 3 台泵 （小功率泵 M1,两大功率泵 M2 与 M3）进行控制的程序，它对 3 台泵的控制，主要解决系
29、统的手动及自动切 换、各元件和参数的初始化、信号及通讯数据的预处理、3 台泵的启动、切换及 停止的条件、顺序、过程等问题。当变频器输出频率达到频率上限 ,供水压力未 达到预设值时 ,发出加泵信号 ,投入下 1 台泵供水。当供水压力达到预设值 , 变频器输出频率降到频率下限时 ,发减泵信号 ,切除在工频运行方式中的 1 台 泵。 系统刚启动时 ,情况简单 ,首先启动一号泵即可。 但考虑 3 台泵联合运行时 情况复杂 ,任 1 台或 2 台泵可能正在工频自动方式下运行 ,而其他泵则可能在 变频器控制下运行 ,因此必须预先设定增减水泵的顺序。 即获得加泵信号后 ,按 照 1 号泵、2 号泵、3 号泵
30、的顺序优先考虑。获得减泵信号后 ,按照 1 号泵、2 号泵、3 号泵的顺序优先考虑。系统切换流程图如图 3 所示。 图 3工作泵切换流程图 7.1I/O 口分配 在这个控制系统中，共用到 13 个输入和 7 个输出。输入口从 X0-X24，输 出口从 Y0-Y6，其具体的输入输出如下表 1 所示： -10- 表 1I/O 分配 输入功能输出接 触 器功能 X0自动工作方式Y0KM1M1 变频 X1总停Y1KM2M1 工频 X2压力信号Y2KM3M2 工频 X3设定压力信号Y3KM4M2 变频 X4手动Y4KM5M3 工频 X5报警信号Y5KM6M3 变频 X6M1 变频Y6KM7报警指示 X7
31、M1 工频 X20M2 变频 X21M2 工频 X22M3 变频 X23M3 工频 X24消音 7.2 PLC 接线图（如图 4 所示） 图 4PLC 接线图 -11- 7.3 系统工作程序（见附录） 8 结束语 目前供水系统大多采用高位水箱或水塔供水 ,对高位水箱和水塔的清洗工 作较难进行 ,由此易引起供水中二次污染。本系统采用高可靠性的可编程控制 器和高性能的变频调速器构成恒压控制系统 ,即能实现水压恒定控制 ,又能降 低成本 ,还能消除容易由水箱、水塔引起的二次污染。系统可根据实际设定水 压自动调节水泵电机的转速或加减泵， 使供水系统管网中的压力保持在给定值， 以实现恒压供水； 减泵时采
32、用“先起先停”的切换方式， 相对于大限度的节能、 节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，“先起后停”方式，更能 确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命。因此 ,本系统具有较大的推广应用 价值。 参考文献 1张贵香编.电气控制与 PLC 应用.北京：化学工业出版社，2003.7 2杨长能，张光毅编.可编程序控制器基础及应用.重庆：重庆大学出版社，1992.2 3余雷声等编. 电气控制与 PLC 应用. 北京：机械工业出版社，1998 4邓则名，邝穗芳. 电器与可编程序控制器应用技术. 北京：机械工业出版社，2001 5日本松下公司. FP1 可编程序控制器使用手册 6李久胜，马洪飞编.电气
33、自动化专业英语，哈尔滨工业大学出版社，2000.6 7黄立培，张学等遍.变频器应用技术及电动机调速 ，人民邮电出版社，1998.9 8王兆义.小型可编程控制器实用技术.北京：机械工业出版社，1997.7 9周美兰，周封.PLC 电气控制与组态设计.北京：科学出版社，2003.5 10张燕宾.SPWM 变频调速应用技术.北京：机械工业出版社，1997.12 -12- 谢辞 想起几年的大学生活即将结束，想起各位老师的谆谆教导，想起同窗好友 谈笑风生感慨不舍！几年来，在院系领导的关心支持下，在各位老师的悉心教 诲下，我的大学生活充实有节，喜得学业渐长、道与日进。在此谨向各位领导 和老师，同学表示诚挚的感谢！ 论文终于脱稿付印了，此刻的我思绪万千，心情久久不能平静。在本次毕 业设计的过程中，悉心教导不仅促成我完成论文的写作，且使我懂得了更多的 道理和方法，尤其是在本文的写作过程中，由问题提出到布局谋篇，再到标点 句读， 老师无不亲自审阅， 在此谨向老师及帮助过我的同学们表示由衷的感谢！ 路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我愿在未来的学习和研究过程中，以更加 丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学、和朋 友。 附录程序梯形图 -13- -14-