变频调速恒压供水系统设计

.wd.摘 要随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛开展，人民的生活水平不断提高；同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的开展，也影响到城区居民的正常工作和生活。本文根据城区供水管网改造工程设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有自开工频/变频恒压运行、可实现远程自动控制和现场手动控制等功能。论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传压力表的水压反响量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，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，实现恒压供水且有效节能。 论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。并与计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。关键词：PLC；变频调速；恒压供水；变频工频切换AbstractWith the continuous deepening of reforming and opening up, the construction and economy of small and medium-sized cities in China have developed rapidly. Peoples living standards have improved constantly. The water supply system is demanded more as city water consum ption increasing. The urban construction and economic development and also peoples daily work and life are impacted directly by the reliability, stability and the economical of energy conservation of the water supply system.An autom atic conversion and voltage constant Water Supply and remote monitoring system, which consist of the PLC, the converter, the remote transition pressure gauges, the multi-pumps unit, the computer and so on. It is of automatic line-frequency /conversion function, remote and local automatic control. In this paper, the mechanism of energy saving, which uses speed governing with invertor to design voltage constant water supply system, competing with traditional valve controlled pressure constant system. Closed loop system is built by presetting the parameter of the PID inside of convertor, and feedback of remote transiton hydraulic meter. Using the step regulation of convertor pump and frequency pump in full rang of flow to apply PID control on the change of water achieves energy saving of voltage constant water supply. This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection, and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the much pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode. In addition，the combination of the system and the computer is achieved，which improved the overall function of the systemKey words：PLC; Variable Velocity Variab le frequency; Constantp ressurewater-supply; variable frequency to working frequency目录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1课题背景及意义11.2变频恒压供水的现况11.3变频恒压供水系统的特点32 变频恒压供水系统理论分析42.1供水系统的 基本特性42.2不同控制方式下的能耗分析与比照52.3变频恒压控制的理论模型62.4供水系统中的水锤效应及消除方法73 供水系统恒压控制与硬件设计83.1异步电动机调速方法及选型83.1.1 变极调速83.1.2 变频调速93.2 供水系统的方案确定103.2.1 供水系统的流量类型103.2.2总体设计方案确定103.2.3恒压供水电控系统组成123.3控制系统的硬件设计与选型133.3.1主电路设计133.3.2电气控制电路设计143.3.3系统主要配置的选型163.4 PLC的选型193.5系统可靠性措施204 PLC控制系统的设计224.1水泵工频/变频运行状态及转换过程分析224.1.1供水状态及其转换224.1.2 状态转换关系224.1.3 状态转换条件244.2 PLC程序设计254.2.1 PLC编程语言254.2.2 梯形图语言编程的一般规那么254.3 供水系统控制模块的设计264.3.1系统初始化模块264.3.2水泵运行与状态转换模块265 恒压供水系统的PID调节285.1PID控制及其控制算法285.2 恒压供水PID调节过程分析29结 论31附 录32致谢34参考文献351绪论1.1课题背景及意义随着社会经济的迅速开展，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。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进展供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能效果，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在变频恒压供水系统中利用变频器改变电动机的电源频率，从而到达调节水泵转速，改变水泵的出口的压力的目的，这种方法比靠调节阀门控制水泵出口压力的方法，具有更高的效率和优越性。由于水泵工作在变频工况下，在其出口流量小于额定流量时，泵的转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压供水的自动控制，不需要操作人员频繁的操作，大大降低了人员的劳动强度，节省了人力和能源的消耗。1.2变频恒压供水的现况国内外变频供水系统现状从20世纪70年代起，国内外的很多专家，学者就开场尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面。目前，国内外供水系统采用的自动控制技术不少，其特点是变频技术与其他自动化技术相结合。如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路，是与开关量逻辑控制技术结合，通过人工启动或停顿水泵和调节泵出口阀来实现恒压供水。该系统线路复杂，操作麻烦，劳动强度大，维护困难，自动化程度低，应用前景不好。后来增加了微机和PLC监控系统，提高了自动化程度。但由于驱动电机是恒速运转，水流量靠调节泵出口阀开度来控制，浪费大量的能源，也没有很好的开展前景。转速控制法是通过改变水泵的转速来调节流量，通过变频技术调速。变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到了广泛的应用。变频供水系统应用范围变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是且前国内研究和推广最多的方式。如希望集团推出的恒压供水专用变频器。(2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂这类变频器电机功率在135kW-320kW之间，电网电压通常为200V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3)大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器。变频供水系统的开展趋势(1)变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向开展在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高。很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简单，局部新品的变频供水只需简单设定压力值就可以正常运行，控制软件和其它参数在出厂时就已设定或利用传感器自动获取完毕。(2)高压变频系统在供水行业中的应用在过去变频供水涉及较少的商压变频系统，也是开展的重要方向，高一低高型的高压变频系统、串联多电平高压变频供水系统目前己在实际应用中不断完善高压高频中的谐波等问题也逐步得到解决。(3)变频送水系统正在融入更全面的供水管理系统面对日益复杂的供水系统，假设何在满足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题。目前，在美国、日本、法国等地的有些城市已 基本上实现了供水系统的计算机优化，把变频供水与计算机直接调度管理结合起来，我国也正在进展着这方面的研究与小范围应用。1.3变频恒压供水系统的特点现有变频恒压供水系统具有以下特点:1、滞后性供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2、非线性用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。3、多变性变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网构造、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。4、时变性在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的参加控制，而定量泵的控制是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。5、容错性 完善的保护功能当出现意外的情况时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进展投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下仍能进展供水。6、节能性系统用变频器进展调速，节能效果显著，对每台水泵进展软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，同时减少了启动惯性对设备的大惯量转速冲击，延长了设备的使用寿命。2变频恒压供水系统理论分析2.1供水系统的 基本特性供水系统的 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，说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2-1所示。由图2-1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间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，说明阀门在某一开度下，扬程与流量Q之间的关系H=f。管阻特性反映了水泵的能量用来抑制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Q之间的关系H=f。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2-1中A点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状态，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。HA扬程特性管阻特性Q图2-1供水系统的 基本特性2.2不同控制方式下的能耗分析与比照当用阀门控制时，假设供水量顶峰期水泵工作在E点，流量为Ql，扬程为，当供水量从减小到时必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从移到，扬程特性曲线不变。而扬程那么从上升到，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为(0,F,)围成矩形局部，其值为1： 2-1当用调速控制时，假设采用恒压()，变速泵()供水，管阻特性曲线为，扬程特性变为曲线，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图2-2表示为(0，Q2,D,)围成的矩形面积，可见，改用调速控制，节能量为,D,F,围成的矩形面积，其值为： 2-2所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是E增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为：; ; 2-3式中Ql、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。由公式(2-3)可以看出，功率与转速的立方成正比2，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。HFE0QD图2-2 管网及水泵的运行特性曲线2.3变频恒压控制的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3。给定参数变 频 器 PID水泵频率转速管网实际压力压力传感器反响参数图2-3变频恒压控制原理图从图2-3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4。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，水泵机组的转速减小，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。2.4供水系统中的水锤效应及消除方法水锤效应在极短时间内，因水流量的急剧变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂;压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。产生水锤效应的原因及消除方法产生水锤效应的 基本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。通过水泵电动机的软起动，可减少动态转矩，因此，选择好的起动方式和速度调节方法，可以减小或彻底消除水锤效应，提高供水系统运行的安全性。3供水系统恒压控制与硬件设计3.1异步电动机调速方法及选型转速控制法实现恒压供水，供水质量好、能耗低、效率高，并可延长设备的使用寿命，提高系统的安全性。通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。由三相异步电动机的转速公式5：3-1式中， 异步电动机的同步转速，r/min；n 异步电动机转子转速，r/min；p 异步电动机磁极对数；f 异步电动机定子电压频率，即电源频率；s 转速差，可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调整。3.1.1变极调速在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为: (3-2)该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，本钱高，且增加了中间环节的电能损耗。因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。3.1.2变频调速1、变频调速机械特性最常用的变频器采取的是变压变频方式的。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通 基本不变，其关系为：式中： 变频器输出电压、变频器输出频率频率f从额定值往下调时，电机机械特性变化情况如图3-1 a所示5，图中a)变频调速机械特性 b)全压起动图3-1电动机机械特性2、变频调速过程的特点：静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。3、变频调速对供水系统安全性的作用(1)消除水锤效应，减少对水泵及管道系统的冲击，大大延长水泵及管道系统的寿命。拖动系统中，动态转矩 ：是电动机的拖动转矩：是供水系统的制动转矩图3-1中b反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。图中，曲线是异步电动机的机械特性，曲线是水泵的机械特性。(2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长。(3)防止了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。(4)减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。3.2供水系统的方案确定3.2.1供水系统的流量类型根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就有一定的流量。间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。3.2.2总体设计方案确定1、调速方式如今的变频器调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便并且便于同其他设备接口等一系列优点，因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是实现恒压供水转速控制最正确方案。2、泵水方式多泵并联代替一、二台特大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。供水系统如图3-2所示。图3-2供水系统图1水位上限检测2水位下限检测3闸阀4止回阀5压力检测3、控制方式多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。供水系统的恒压是通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制的。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。3.2.3恒压供水电控系统组成1 主电路：通过接触器、断路器等电气设备为主水泵及辅泵拖动电动机提供工频及变频电源。2 电气控制电路：成对主电路的继电控制，实现手动或自动控制的切换。3 变频控制电路：根据压力设定及压力传感器的压力检测信号，由变频器输出变频电源；提供最高频率、上下限频率及启动频率等信号；并能实现PID调节。4PLC控制系统：包括硬件线路和软件控制程序，完成对恒压供水系统压力设定、顺序控制、信号指示报警等。恒压供水系统构成及控制方案如图3-3所示。图3-3恒压供水系统构成及控制方案图3.3控制系统的硬件设计与选型3.3.1主电路设计三台大容量的主水泵根据供水状态的不同，具有变频、工频、停泵三种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联；辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1、FR2、 FR3 、FR4为工频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。变频器的主电路输出端子U、V、W 经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子U、V、W的相序，否那么无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。在变频器起动、运行和停顿操作中，必须用触摸面板的运行和停顿键或者是外控端子FWDREV来操作，不得以主电路空气开关QF2的通断来进展。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的Pl、P+端子之间接入需相应的DC电抗器。变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小，设计三相电源信号指示。图3-4给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系。图3-4主电路3.3.2电气控制电路设计为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计；变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在PLC控制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来作互锁。控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现6。图3-5给出了供水系统的局部电气控制线路图3-5中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在位置为手动状态，打在位置KA吸合，为自动状态。在手动状态，通过按钮SB1-SB14控制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行PLC的控制程序，自动控制泵的起停。中间继电器KA的常闭触点接在四台泵的手动控制电路上，控制四台泵的手动运行。中间继电器KA的常开触点接PLC的X0，控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，四台泵在PLC的控制下能够有序而平稳地切换、运行。电动机电源的通断，由中间继电器KA1-KA7控制接触器KM1-KM7的线圈来实现。HL0为自动运行指示灯。FR1、FR2、FR3、FR4为四台泵的热继电器的常闭触点，对电机进展过流保护。图3-5 电气控制线路图3.3.3系统主要配置的选型1、水泵机组的选型根据系统要求，考虑到用水量类型为连续型高流量变化型，确定采用3台主水泵机组和1台辅助泵机组，设备选用型号及参数见表3-1。2、压力变送器及数显仪的选型选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围01MP，精度1.5；数显仪输出一路420mA电流信号，送给变频器作为PID调节的反响电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。表3-1水泵机组及参数型号数量主要性能参数流量/h扬程m效率%转速r/min电动机功率kW主水泵HGT1-250-4003108045721450200辅助水泵HGT1-120-40015045681450103、变频器的选型与设定1 容量确定方法依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量kVA应同时满足以下三式7：KVA(3-3)(KVA) (3-4)(A) (3-5)式中，负载所要求的电动机的输出功率；电动机的效率通常在0.85以上;cos 电动机的功率因数通常在0.8以上电动机电压V；电动机工频电源时的电流A;k电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.01.05；变频器的额定容量kVA；变频器的额定电流A。这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。2 型号选择根据控制功能不同，通用变频器为分为三种类型。普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器、矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对廉价的U/f控制变频器。综上分析，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的富士变频器FRN200P11S- 4CX，变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压供水。其主要参数及性能介绍如下。主要参数额定容量：267kVA ；额定输出电流：386A；过载容量：150%额定输出电流、1分钟；起动转矩：50%以上；适配电机容量：200kW。功能特点风机、泵等二次方递减转矩专用型变频器；可选用自动和手动的转矩提升功能，保证最正确的启动；加速时间设定范围宽0.01秒到3600秒，具有S形加减速功能和曲线加减速功能，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/0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，频率参数设置说明8：1 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开场启动的一段频率内，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/停顿变频运行CMPLC的COMX1PLC的Y16E017PLC的Y16动作，自由停车Y2PLC的X1E211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最高输出频率HzF1549.5上限频率HzF1630下限频率HzF2310起动频率F17100频率设定信号增益3.4PLC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X1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X114#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Y11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自开工频运行指示KA15线圈Y15远程手动运行指示KA16线圈Y16变频器X1端子功能有效KA17线圈Y17无人值守 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。3.5 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，保证运行的稳定性9。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50 mm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100，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.在进线处装设变频器专用避雷器，或按标准要求在离变频器20m远处预埋钢管做专用接地保护。如果电源是电缆引入，那么应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备10。9 系统设计时还参加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 ，提高系统故障的应急处理能力。4PLC控制系统的设计4.1水泵工频/变频运行状态及转换过程分析4.1.1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。假设用水量继续增加，变频器输出频率到达上限频率时，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。假设变频器输出频率到达下限频率时，水压仍过高，延时1分钟，按“先起先停的原那么，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“先起先停原那么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，假设用水量减少，变频器输出频率到达下限频率时，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。4.1.2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，防止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“先起先停的原那么操作。假设有N台水泵参与变频调速，那么满足“先起先停原那么的最大有效状态数为+1。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S0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，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，那么下次由辅助泵切换到主泵供水，应启动2#泵。4.1.3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到达上、下限值。设变频器输出频率到达极限频率时的信号为X1，水压到达设定压力下限值时的欠压信号为X2，水压到达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X1、X3；增泵条件：同时满足X1、X2；减泵条件：同时满足X1、X3。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。4.2 PLC程序设计4.2.1 PLC编程语言PLC是由继电器接触器控制系统开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一样，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，但又参加了许多功能强而又使用灵活的指令。4.2.2梯形图语言编程的一般规那么通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规那么有11：(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，动断触点翻开，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、移位存放器、状态器等的线圈以及各种比照、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展的。4.3供水系统控制模块的设计4.3.1系统初始化模块在初始化模块中设置通信用数据存放器D8120, D8121 ,D8129的通信参数；至标志为M6=1，在自动运行时，首先起动辅助泵，进入S0状态:至标志M0=1，保证辅助泵的运行状态首次S0转入主泵运行状态S20。初始化过程通过M8002产生的初始化脉冲来完成。4.3.2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S0的过程。PLC置输出继电器Y1为0，同时置Y7= 1。辅助泵转主泵运行是指由辅助泵供水，水压到达压力下限时，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S11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那么来操作。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，水压到达压力下限时，延时1分钟，PLC给出控制信号，PLC的Y16得电，变频器的X1端子对CM短接，变频器的自由停车指令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l00ms，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“先起先停原那么，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S20S23S26之间切换的局部程序见附录，S21S24S27及S22S25S28之间的切换雷同，略其程序输出极限频率X1压力上限X3压力下限X2YESYES减泵加泵维持NO图4-2比照环节流程图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12135-1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 ，对被控对象进展控制，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5-1。比例P被控对象积分I微分D驱动r(t)d(t)u(t)y(t)图5-1 控制系统原理框图图中ut为PID调节器输出的调节量PID控制规律为5-2式5-2中，比例系数； 积分时间常数； 微分时间常数。相应地传递函数形式5-3PID控制器各环节的作用及调节规律如下14:1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，越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之那么越强，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 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水的目的就是要保证供水能力适应用水需求变化。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的模拟电流信号反响给变频器内置的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14:1稳态运行当供水能力=用水需求,目标压力信号和压力反响信号y相等,偏差e = y -r, PID输出的控制增量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，用水需求供水能力,水压下降，压力反响信号y减少，偏差e = y- r0，变频器输出频率上升,水泵转速升高，增加供水能力，最后到达一个新的平衡状态，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 0， PID输出的控制增量u 0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水能力，最后到达一个新的平衡状态，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，抑制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：l、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