基于PLC的恒压供水控制系统的设计

摘 要 I 摘 要 随社会经济的迅速发展 人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断 提高 再加上目前水电资源紧张 利用先进的自动化技术 控制技术以及通 讯技术 设计高性能 高节能 能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋 势 本设计选择PLC和变频器来构成恒压供水控制系统 完成了控制系统的 硬件选择 资源分配以及控制系统程序设计与仿真等任务 阐述了系统的组 成 系统的功能 工作原理以及安全措施 利用变频器和PLC技术相结合的 方式实现变频恒压供水 能取得恒压供水的效果 能提高水泵的运行效率 满足了自动化要求 甚至不需要人员的值守 也达要节能可靠的目的 可以 提供稳定压力的水源 关键词 恒压供水 变频调速 S7 2OO PLC ABSTRACT II ABSTRACT With the rapid social and economic development people on water quality and water supply to demand for improved system reliability coupled with the current water resource constraints the use of advanced automation technology control technology and communication technology design high performance high energy able to adapt Water supply system in different fields has become an inevitable trend Select the PLC and frequency converter designed to form the constant pressure water supply control system of the control system hardware selection resource allocation and program design and simulation of control systems and other tasks The composition of the system are described the system function working principle and safety measures Use of inverter and PLC technologies to achieve a combination of constant pressure water supply can achieve the effect of constant pressure water supply pump efficiency can increase to meet the automation requirements even without staff on duty but also of the purpose to energy saving and reliablecan provide a stable source of water pressure Key words Constant pressure water supply frequency control s7 200 PLC 目 录 1 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪 论 1 1 1 本课题研究的背景 1 1 1 1 恒压供水的现状 1 1 1 2 可编程控制器的重要性 2 1 2 可编程序控制器在恒压供水控制系统的应用 3 2 恒压供水系统工艺流程及其控制要求 5 2 1 系统的工艺流程 5 2 1 1 系统工作原理 5 2 2 2 系统的工作流程 6 2 2 系统的控制要求 8 3 系统的硬件设计 11 3 1 变频器的选型 11 3 1 1 变频器的原理 11 3 1 2 变频器的特点 12 3 1 3 变频器控制电动机的转速原理 12 3 1 4 变频器的选型 13 3 2 压力传感器的选择 13 3 3 PLC 及扩展模块的选择 14 3 3 1 PLC 机型选择 14 3 3 2 扩展模块的选择 15 3 3 3 PLC 的 I O 配置及外围接线 15 4 PID 回路的计算 18 4 1 PID 控制算法及特点 18 4 2 PID 参数整定 20 5 程序设计及仿真 21 5 1 系统主程序设计及仿真 21 5 2 系统初始化程序及仿真 32 5 3 PID 子程序设计及仿真 34 目 录 2 结 论 37 参考文献 38 致 谢 39 1 绪 论 1 1 绪 论 1 1 本课题研究的背景 1 1 1 恒压供水的现状 近年来我国社会经济高速发展 城市中各类小区建设发展十分迅速 人 们生活水平的大大提高 同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求 小区供水的可靠性 稳定性 经济性能直接影响到小区住户的正常工作和生 活 传统的小区供水方式有 气压罐供水 恒速泵加压供水 水塔高位水箱 供水 单片机变频调速供水系统等方式 其优 缺点如下 气压罐供水的优点 具有体积小 技术简单 不受高度限制 气压罐供水的缺点 这种供水方式对水的调节量比较小 水泵电机是硬 起动并且起动频繁 对电机耗损比较大 系统维护工作量巨大 对电器设备 要求较高 而且为减少水泵起动次数 停泵压力往往比较高 致使水泵在低 效段工作 而出水压力过高 也使电和水的浪费加大 从而限制了其发展 恒速泵加压供水方式优点 容易建设实现 设备简单 容易操作 恒速泵加压供水方式缺点 无法对供水管网的压力做出及时快速的反应 水泵的增减都需要依赖人工进行手工操作 自动化程度过低 而且为了保证 供水 水泵电机组常处于满负荷运行 不但效率低 耗电量巨大 而且在用 水量较少时 管网长期处于超压运行状态 管道爆损现象严重 破坏性非常 大 水塔高位水箱供水优点 具有控制方式简单 运行经济合理 短时间 维修或停电可不停水等 水塔高位水箱供水缺点 基建投资大 占地面积大 维护不方便 水泵 电机为硬起动 启动电流过大 频繁起动易损坏联轴器 单片机变频调速供水系统优点 能做到变频调速 自动化程度要优于 上面 3 种供水方式 单片机变频调速供水系统缺点 系统开发周期比较长 对操作员的文化 素质要求比较高 可靠性比较低 维修不方便 并且不适用于恶劣的环境 1 由此可知传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费水力 电力资源 可 靠性差 效率低 自动化程度不高等缺点 这样的供水系统严重影响了居民 安全稳定的用水 目前的居民的供水方式朝着高效节能 自动可靠 快速控 1 绪 论 2 制的方向发展 变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式 1 绪 论 3 在调速水泵效果上尤为突出 其优越性表现在 一是节能十分明显 二是在 开 停机时能减小电流对电网的冲击和供水水压对管网系统的冲击 三是能 减小水泵 电机自身的机械冲击损耗 1 1 2 可编程控制器的重要性 PLC 已经非常普遍的在现代自动化设备上使用 取代了很大一部分传统 继电器控制电路 这是因为 PLC 具有先天的综合优势 功能强 性能价格比高 一台小型 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件 如计时器 计 数器 继电器等 有很强的功能 可以实现非常复杂的控制功能 PLC 与 相同功能的继电器相比较 具有很高的性价比 硬件配套齐全 使用方便 适应性强 可编程序控制器产品已经标准化 系列化 模块化 配备有品种齐全的 各种硬件装置供用户选用 用户能够灵活方便的进行系统配置 组成不同的 功能 不规模的控制系统 可编程序控制器的安装接线也很十分的方便 一 般用接线端子可以直接连接外部接线 PLC 具有很强的带负载能力 不需要 驱动模块 直接驱动一般的电磁阀和交流接触器 可靠性高 抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器 时间继电器 由于 继电器的触点接触不良 容易出现故障 PLC 用软件代替大量的中间继电器 和时间继电器 仅剩下与输入和输出有关的少量接触点 接线可减少互继电 器控制系统的 1 10 1 100 所以触点接触不良造成的故障大为减少 PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施 具有很强的抗干扰能力 平 均无故障时间达到数万小时以上 可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场 PLC 已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一 编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言 其电路符号和表达 方式与继电器电路原理图相似 梯形图语言形象直观 易学易懂 熟悉继电 器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言 并用来编 制用户程序 梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言 可编程序控制器在 执行梯形图的程序时 用解释程序将它 翻译 成汇编语言后再去执行 体积小 能耗低 对于复杂的控制系统 使用 PLC 后 可以减少大量的中间继电器和时间 继电器 小型 PLC 的体积只有几个继电器大小 因此可将开关柜的体积缩小 1 绪 论 4 到原来的确 1 2 1 10 PLC 的配线比继电器控制系统的配线要少得多 因此 可以省下大量的配线和其他的附件 减少大量的安装接线工时 可以减少大 量费用 能实现网络通讯 PLC 可以与电脑及智能仪表等通过通信联网 实现分散控制 集中管理 的集散控制 并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程 对生 产管理和现场维修带来极大的方便 1 2 可编程序控制器在恒压供水控制系统的应用 可编程序控制器 PLC 是集计算机 仪器仪表 电气控制等技术于一 身的电子设备 具有高可靠性 强抗干扰能力 编程简单 低成本等特点 再加上 PLC 发展过程中产品的系列化 产业化和标准化 使 PLC 从早期的基 本逻辑控制 简单的顺序控制迅速发展到了现在的复杂的连续控制 开始进 入批量控制和过程控制领域 并迅速成为工业自动化系统的核心 由于 PLC 的强大功能和优点 使 PLC 在我国的基础水工业自动化控制系 统中得到广泛的应用 PLC 在水工业自动化控制系统中的应用主要有自来水 厂监控系统 自动加氯加矾控制系统 水泵的变频调速和水工业自动控制等 其他的系统中 其主要功能是采集工艺参数 控制生产过程 处理信息 监 测设备运行状态以及监测水质等 恒压供水泵站一般需设多台电机和水泵 这比设单台电机和水泵供水系 统可靠 稳定 延长了电机和水泵的寿命 避免水泵长时间使用而快速老化 如果配单台电机和水泵 它们的功率必须足够的大 在用水量少时开一台大 电机肯定是浪费 不仅浪费电能 也浪费水资源 也会造成管网的压力过大 使管道有爆破的危险 如果电机选小了 当用水量大时供水会不足 并且水 泵和电机都有维修的时候 备用电机泵是必要的 恒压供水的主要目标是保 持管压网水压的恒定 为用户提供稳定可靠的水源 变频器可以使水泵电机 的转速跟随用水量的变化而变化 这就要用变频器为水泵供可变频率的电源 调节水泵的转速 为水泵电机配变频器有两种配置方式 一是为每台水泵电 机配一台变频器 这中配置很方便 电机与变频器间不需要进行切换 但是 购买变频器的费用较高 成本很高 另一种方案是几台电机配一台变频器 变频器与水泵电机见可以进行切换 当供水运行时 一台水泵连接变频器进 行变频运行 其余水泵工频运行 以满足不同用水两的需求 2 基于 PLC 的恒压供水自动控制系统原理 压力传感器把压力传给 PLC PLC 实时跟踪管网当前压力值 并与压力设定值进行比较 通过 PID 运 1 绪 论 5 算 PLC 输出一个变化的直流电压信号 直流电压信号作为变频器频率给定 的输入 调整电机输入电源的频率 控制水泵电机的转速 从而达到保持供 水压力恒定的目的 比如 当管网水压力下降时 PLC 通过 PID 运算 输出 的直流电压值会升高 变频器的输出频率和电压值会增加 水泵转速加快 水管网水压达到给定压力值 当管网压力超过给定值时 PLC 输出的直流电 压会减小 变频器的频率和电压值开始下降 水泵的转速减慢 从而维持了 管网的压力值恒定 在恒压供水系统中电机和变频器是主要的控制对象 可以自动实现工作 水泵切换以及工作泵变频和工频工作状态的改变 2 恒压供水系统工艺流程及其要求 6 2 恒压供水系统工艺流程及其控制要求 2 1 系统的工艺流程 2 1 1 系统工作原理 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 其他辅助部件构成 三台水泵中每台泵的出水管都装有手动阀 以供维修和 调节水量手动控制使用 三台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 反馈0 5V电压信号 或压力变送器 反馈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极调速 无波动稳压和其他的各项功能 该系统的原 理框图如图2 1所示 用户 M 压力变送器 变频器 P L C 含 P I D 液位变送器 水池 水泵机组 管网压力信号 报警信号 水池水位信号 图 2 1 变频恒压供水系统原理框图 整个系统以 PLC 为核心 完成系统的控制功能 当压力传感器传送来的 标准电流信号后 PLC 将此电流信号与其内部预先设定好的初值进行比较 若两个值存在偏差 PLC 就会输出一个标准的电流控制信号 把信号传送给 变频器的模拟量调节控制端 变频器根据送来的电流值的大小 产生一个与 之对应的控制水泵速度的频率值 使水泵的供电频率发生变化 改变了水泵 的运转速度 从而改变了向管道供水的压力大小 使管道的实际水压值恢复 到预先设定好的值上 PLC 在系统中另一个作用是控制变频器的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 2 恒压供水系统工艺流程及其要求 7 2 2 2 系统的工作流程 本系统的工作流程如图 2 2 所示 手动 自动 夜晚 白天 频率下限 频率上限 图 2 2 程序流程图 本 系 统 设 置 了 手 动 和 自 动 两 种 工 作 运 行 方 式 手 动 运 行 方 式 选 择 此 方 式 时 按 启 动 按 钮 或 停 止 按 钮 可 根 据 需 要 而 分 别 启 停 各 水 泵 这 种 方 式 可 以 供 检 修 或 控 制 系 统 出 现 故 障 时 使 用 自 动 运 行 方 式 启 动 程 序 在 自 动 运 行 方 式 下 开 始 启 动 运 行 时 首 先 检 测 水 池 水 位 若 水 池 水 位 符 合 设 定 水 位 要 求 1 水 泵 首 先 启 动 如 果 检 测 到 压 力 值 达 不 到 要 求 将 变 频 器 的 交 流 接 触 器 吸 合 电 机 与 变 频 器 连 通 水 泵 变 频 启 动 变 频 器 输 出 频 率 从 0Hz 开 始 上 升 此 时 压 力 变 送 器 检 测 压 力 信 号 反 馈 给 PLC 由 PLC 经 PID 运 算 后 控 制 变 频 器 的 频 率 输 出 如 果 管 道 压 力 不 够 则 频 率 上 升 最 大 达 到 50Hz 达 到 50Hz 时 压 力 还 达 不 到 要 求 延 时 一 定 时 间 后 将 变 频 泵 切 换 为 工 频 另 一 变 频 交 流 接 触 器 吸 合 开始 手动 自动 手动模式 根据输 入按钮执行相应动 作 白天 夜晚 执行夜晚压力值 执行白天压力值 频率变化执行减泵程序 执行增泵程序 2 恒压供水系统工艺流程及其要求 8 变 频 启 动 2 水 泵 频 率 逐 渐 上 升 直 至 管 道 压 力 达 到 设 定 压 力 依 次 类 推 增 加 水 泵 水 泵 切 换 程 序 如 若 用 水 量 减 小 出 水 压 力 值 超 过 了 设 定 压 力 则 PLC 控 制 变 频 器 降 低 变 频 器 的 输 出 频 率 控 制 水 泵 转 速 减 少 出 水 量 来 稳 定 出 水 压 力 若 变 频 器 输 出 频 率 低 于 设 定 值 而 出 水 压 力 仍 高 于 设 定 压 力 值 时 PLC 开 始 计 时 若 在 一 定 时 间 内 出 水 压 力 降 低 到 设 定 压 力 PLC 放 弃 计 时 继 续 变 频 调 速 运 行 若 在 一 定 时 间 内 出 水 压 力 仍 高 于 设 定 压 力 根 据 先 开 先 停 的 原 则 PLC 将 停 止 正 在 运 行 的 水 泵 中 运 行 时 间 最 长 的 工 频 泵 直 至 出 水 压 力 达 到 设 定 值 启 动 夜 晚 模 式 对 于 居 民 生 活 供 水 或 其 它 用 水 时 段 性 较 强 的 供 水 系 统 可 设 置 的 压 力 值 比 白 天 压 力 值 小 例 如 在 晚 上 12 点 到 凌 晨 5 点 居 民 生 活 用 水 很 少 如 果 还 是 使 用 用 水 量 比 较 大 的 压 力 值 的 话 会 造 成 电 能 和 水 源 的 浪 费 在 夜 晚 是 可 以 使 用 另 一 个 比 较 小 的 压 力 值 水 池 水 位 检 测 在 自 动 供 水 的 过 程 中 若 水 位 低 于 设 定 的 报 警 水 位 时 蜂 鸣 器 发 出 缺 水 报 警 信 号 若 水 位 低 于 设 定 的 停 机 水 位 时 停 止 全 部 水 泵 工 作 防 止 水 泵 干 抽 并 发 出 停 机 报 警 信 号 若 水 池 水 位 高 于 设 定 的 水 池 上 限 水 位 时 自 动 关 断 水 池 给 水 管 电 动 阀 门 停 止 向 供 水 池 供 水 自 动 启 动 有 时 候 会 停 电 若 无 人 值 班 恢 复 供 电 后 若 系 统 无 法 启 动 而 造 成 断 水 为 此 本 系 统 设 置 了 通 电 后 自 动 变 频 启 动 方 式 当 电 源 恢 复 后 PLC 会 发 出 报 警 指 令 蜂 鸣 器 发 出 警 告 声 音 然 后 按 自 动 运 行 方 式 变 频 启 动 1 泵 直 到 稳 定 地 运 行 在 给 定 水 压 值 故 障 处 理 变 频 器 的 故 障 处 理 是 按 照 冗 余 设 计 原 则 考 虑 的 也 就 是 变 频 器 发 生 故 障 时 系 统 也 要 不 间 断 供 水 当 变 频 器 突 然 发 生 故 障 蜂 鸣 器 报 警 PLC 会 发 指 令 使 全 部 的 水 泵 停 止 工 作 然 后 使 1 泵 工 频 运 行 经 过 一 定 延 时 后 根 据 管 道 网 内 水 压 力 变 化 情 况 再 使 2 泵 工 频 运 行 此 时 PLC 切 换 泵 则 根 据 实 际 水 压 的 变 化 在 工 频 泵 间 切 换 当 出 现 水 池 无 水 停 机 电 动 机 欠 压 过 压 错 相 电 机 故 障 等 情 况 时 蜂 鸣 器 均 能 发 出 警 报 声 如 果 条 件 许 可 时 可 以 添 加 MODEM 模 块 在 变 频 器 电 动 机 发 生 故 障 时 能 通 过 远 程 通 信 口 拨 叫 值 班 人 员 电 话 通 知 有 关 人 员 前 来 维 修 所 有 故 障 解 决 恢 复 正 常 后 自 启 动 前 也 要 发 出 报 警 信 号 3 2 2 系统的控制要求 变频恒压供水系统能适用多种场合的供水要求 该系统具有以下特点 系统的控制对象是用户管网的水压力值 压力是一个过程控制量 同 2 恒压供水系统工艺流程及其要求 9 其他一些过程控制量 如 温度 速度 湿度等 一样 对控制作用的响应具 有滞后性 同时用于控制水泵转速的变频器也存在一定的滞后性 自来水管网中因为存在阻力和水锤效应等因素的影响 同时水泵自身 有一些固有的特性 使水泵转速快慢的的变化与管网压力大小的变化成正比 因此本次设计的供水系统是一个线性系统 在变频调速恒压供水系统中 由于有工频泵的加入到系统中 而工频 泵的控制停止和运行是时时发生的 同时工频泵的运行状态也直接影响供水 系统的中的模型参数 使系统不确定性地发生变化 因此可以这样认为 变 频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的 当出现意外的情况 比如突然停水 断电 泵 变频器或软启动器出 现故障等 时 系统能可以根据泵及变频器状态 电网状况 水源水位及管 网压力等工况点自动进行切换 停止及报警 保证管网内压力恒定 在故障 发生时 执行专门的故障程序 保证在紧急情况下的仍能为用户进行供水 水泵的电气控制柜 其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口 能 与控制信号或控制软件相连 能对供水的相关数据进行实时传送 以便显示 和监控以及报表打印等功能 用变频器 调节泵和固定泵的相组合进行恒压供水 节能效果显著 对每台水泵进行软启动 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的转速冲击 延长了设备 的使用寿命 结合以上特点本系统设计的基本要求如下 由于白天和夜间居民小区用水量明显不同 本设计采用白天供水和夜 间供水两种模式 两种模式下设定的水压值不同 在白天 小区的用水量大 系统在高恒压值下运行 在夜晚 小区的用水量小 系统在低恒压值下运行 在用水量比较小的情况下 如果一台水泵连续运行工作时间超过了 3 小时 需要切换下一台水泵运行 避免因一台水泵工作时间过长而使水泵寿 命受损 换泵的条件只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下 考虑到节能和水泵寿命等因素 各个水泵切换顺序应该遵循先启先 停 先停先启原则 有效避免单个水泵长时间工作 系统中的三台水泵在启动时要有软启动功能 对水泵的操作要有手 动 自动控制的功能 手动可以在应急或检修时临时使用 系统要有完善的报警功能 该系统电控系统主电路图如下图 2 3 所示为 三台电机分别为 2 恒压供水系统工艺流程及其要求 10 M1 M2 M3 M1 M2 M3 三台电机的工频运行接触开关分别是 KM1 KM3 KM5 M1 M2 M3 的变频运行分别由接触器 KM2 KM4 KM6 控制 FR1 FR2 FR3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器 QS1 QS2 QS3 QS4 分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关 VVVF 为变频器 图 2 3 电控系统主电路 热继电器 FR 是利用电流的热效应原理工作的保护电路 电流过大温度 升高而自动断开 它在电路中的用作电动机的过载保护 熔断器 FU 是电路中的的短路保护装置 使用中 由于电路中电流过 大超过允许值产生的热量可以使串连在主电路中的熔体熔化而切断电路供电 防止电气设备短路和严重过载 由于变频器泵站希望每一次启动电机都为软启动 又规定各台水泵必须 交替使用以保护水泵 延长水泵寿命 多泵组的投运需要要有一个合理的水 泵切换方案 控制要求中规定如果系统中任意一台水泵连续工作运行时间不 得超过三个小时 因此每次启动的新泵或切换的变频泵后 新运行泵为变频 运行是合理的 具体的运行操作是 将现行运行的变频泵从变频器上切除下 来 并接上工频电源工作运行 将变频器复位并接上新的运行泵 使新运行 泵变频运行 此外 泵组管理方案中应还有一个问题就是泵的工作循环控制 2 恒压供水系统工艺流程及其要求 11 这里我们的方案是使用泵号加1的方法来实现变频泵的循环工作控制 3加1 等于1 用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的切换 循环工作 系统通 电后 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值的偏差调节 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 转速才稳定运行在某一定值 这期间Ml工作在调速运行状态 当用水量增加管网水压减小时 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 所以水泵的转速开始 增大 供水量增大 最终水泵的转速达到另一个新的稳定值使压力达到设定 值 反之 当用水量减少水压管网增加时 通过压力闭环反馈 减小水泵的 转速到另一个新的稳定值使压力达到设定值 如果当用水量继续增加时 变频器的输出频率达到上限频率50Hz 此时 用户管网的实际压力值还是没有达到设定压力值 并且满足了增加水泵运行 的条件 在变频循环方式的控制下 在PLC的系统控制下自动把投入水泵M2 变频运行 同时切换变频泵M1进行工频运行 系统是对水压进行闭环反馈调 节的 直到水压达到设定值为止 如果用水量继续增加 压力小于设定值 满足了增加水泵的条件 这时PLC会将另一台泵M3投入变频运行 如果变频 器输出频率达到上限频率50Hz时 压力仍然没有达到设定的压力值时 控制 系统就会发出报警 当用水量下降水压升高 变频器的输出频率降至下限频率时 用户管网 的实际水压值仍高于设定压力值 并且满足减少水泵的条件时 系统将工频 泵M2关掉 恢复系统对水压的闭环调节 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 4 3 系统的硬件设计 12 控制指 令 中间直流环节 AC 控 制 指 令 控 制 指 令 网侧变流器 整流器 逆变器 AC M 运行指令 3 系统的硬件设计 3 1 变频器的选型 3 1 1 变频器的原理 从频率变换的形式来说 变频器可以分为交流 交流和交流 直流 交流两 种形式 交流 交流变频器可以将工频交流电直接变换成频率 电压都可以 控制的交流电 这种变频器称为直接式变频器 而交流 直流 交流变频器则 是先把工频交流电通过整流器整流变成直流电 再把直流电变换成频率 电 压都可以控制的交流电 这种变频器称间接式变频器 通用的变频器多是交 流 直流 交流变频器 其基本结构图如图 3 1 所示 图3 1 交 直 交变频器的基本结构 变频器由整流器 中间直流环节 逆变器和控制回路组成 现在将各个 部分的功能分述如下 整流器 电网侧的变流器称为整流器 它的功能是可以把三相 也可 以是单相 的交流电整流成直流电 直流中间电路 直流中间电路的作用是对整流电路的输出电压进行平 滑过滤 以保证逆变电路和控制电源能够得到比较稳定的直流电源 由于逆 变器的负载大多是异步电动机 而异步电动机属于感性负载 无论是电动机 处于电动或者发电制动状态其功率因数不可能总不会为 1 因此 在中间的 直流环节和电动机之间总会是有无功功率的交换 这种无功能量需要靠中间 直流环节的储能元件 电容器或电抗器 来缓冲一下 所以又常把直流中间环 节称为中间直流储能环节 逆变器 负载侧的变流器称为逆变器 逆变器的主要作用是将在控制 3 系统的硬件设计 13 电路的控制下的直流平滑输出电路的直流电源转换成频率和电压都可以任意 调节的交流电源 逆变电路的输出频率和电压就是变频器的输出频率和电压 控制电路 变频器的控制电路主要包括主控制电路 信号检测电路 门极驱动电路 外部接口电路以及保护电路等几个部分 控制电路的主要任 务是对逆变器进行开关控制 对整流器的电压控制以及完成各种保护 控制 电路是变频器的核心部分 其性能的优劣决定了变频器的性能 5 3 1 2 变频器的特点 变频器具有过压 欠压 过流 过载 短路等自动保护功能 能够实现 电机的软起动 减小电气和机械对电机的冲击 延长设备使用寿命等 变频器在恒压供水系统主要具有以下几个特点 节能 变频调速恒压供水设备可以使整个供水系统始终保持在最优工 作状态下 节电率可以达到 35 60 这一特点已被广大用户所认识并 带来明显的效益 占地面积小 投人少 效率高 设备结构相当的紧凑 占地面积少 维护十分的方便 维护费也很低 安装方便快速 如仅供几栋居民楼生活用 水的小型供水设备在楼梯间楼梯下几平方米的地方就可以安装 配置灵活 功能齐全 自动化程度高 供水清洁 无污染 由于变频恒压调速是直接从水源供水 减少了原 有供水方式的二次污染 大大降低水质污染的可能性 大家都知道南方的气 候炎热潮湿 细菌和微生物极易繁殖和滋生 尤其是高位水箱很容易生红虫 这就需要定期的清洗 通过通信控制 可以实现无人值守 节省了人力物力 6 3 1 3 变频器控制电动机的转速原理 水泵电机大多是采用三相异步电动机 而电动机的转速公式为 式 3 1 60 1 fnsp 式中 f 表示电源频率 p 表示电动机极对数 s 表示转差率 从上式可知 三相异步电动机的调速方法有 改变电源频率 改变电机极对数 改变转差率 采用专门的变极电机进行调控方式控制最简单 投资省 节能效果显著 效率高 但是专门的变极电机是有级调速 而且级差比较大 即变极控制变 速时转速变化较大 转矩也有很大的变化 因此变极电机只适用于特定转速 3 系统的硬件设计 14 的场合 为了保证较大的调速范围可以采用改变转差率调速 其最大优点是 它可以回收转差功率 节能效果明显 并且调速的效果也很好 但是由于线 路过于复杂 组建和维护都不方便 也增加了中间环节的电能损耗 并且成 本也会高 下面重点分析改变供电电源频率调速的方法及特点 根据公式可以知到 当转差率变化很小时 电动机的旋转速度 n 基本上 与电源频率 f 成正比 连续调节电源的频率 就可以平滑地改变电动机的转 速 但是 只调节电源频率 将导致电机运行性能降低 随着现在电力电子 技术的不断发展 现在已出现了各种性能良好 工作可靠的变频调速电源设 备 它们促进了变频调速技术的广泛应用 7 3 1 4 变频器的选型 根据本次系统的设计要求 可以选择德国 Siemens MM440 系列变频器 的 MICROMASTER 440 该型号的变频器是西门子 SIMATIC S7 200 SIMATIC S7 300 400 TIA 或 SIMOTION 自动化系统的理想配套设备 MICROMASTER 440 的功率范围 0 12KW 至 250KW 内部有 PID 控制器 6 个数字输入 2 个模拟输入 1 个用于电动机过热保护的 PTC KTY 输入 3 2 压力传感器的选择 在自动控制系统中传感器检测是非常重要的组成部分 传感器将检测到 控制量反馈给系统 系统才能实现自动控制 本系统所用的检测控制量是水 压 所以系统中选用压力传感器 它的作用是通过安装在出水管网上的压力 传感器 把出口水压力信号转换成 4 20mA 变化的电流信号或 0 10V 间 变化的电压信号 再将这些标准信号送入 PLC 的输入端口进行 PID 调节 经运算与给定压力参数进行比较计算 得出一个调节参数 送给变频器 由 变频器控制供电电源频率改变水泵的转速 从而控制了管网的供水量 使供 水系统管网中的压力保持在给定压力上 当用水量超过了当前的供水量或供 水量过剩时 传感器将信号传给 PLC PLC 通过控制切换器进行加减泵 根据管网压力值的大小由 PLC 控制工作泵数量的增减和变频器对水泵的调 速 实现恒压供水 当供水量变化时 输入电机的电源电压和频率也随之变 化 这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统 除此之外 系统中还 设置了很多种保护功能 可以充分保证水泵能够及时的维修和系统的稳定正 常的供水 供水系统的压强可以根据液体压强公式 计算 下面单位都是估gh P 计标准单位 kg m3 g 9 8kg m 2 s 一般情况下居民的楼高 h 60 米 10 所以本系统供水系统管网输出压力值一般小于或等于 0 6Mpa 本系统选用 3 系统的硬件设计 15 YTZ 150 型带电接点式的压力传感器 该传感器水压检测压力范围为 0 1MPa 检测精度为土 0 01MPa 可以将 0 1MPa 范围的压力对应转换 成 0 10V 的电压信号 该传感器还具有重量轻 体积小 结构简单 工作 可靠等特点 压力传感器的接线图如 3 2 所示 图 3 2 压力传感器的接线图 3 3 PLC 及扩展模块的选择 3 3 1 PLC 机型选择 西门子公司的生产的 S7 200 系列可编程序控制器 适用于各行各业 各种场合中的检测 监测及控制的自动化系统中 S7 200 系列的 PLC 具有 强大功能使其无论在独立运行中 还是相连成网络都能够实现复杂控制功能 S7 200 系列 PLC 出色表现在以下几个方面 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块 由于西门子的 S7 200 PLC 具有以上优点以及 S7 200 主机型号规格种类 较多 适用不同需求的控制场合 8 根据控制系统实际所需输入输出端口的数目 还需要考虑到 PLC 端口 数目要有一定的预留量 所以选用的西门子 S7 200 型 PLC 的主模块为 3 系统的硬件设计 16 CPU226 CPU226 的开关量输入为 24 点 输出为 16 点 输入形式为 24V 直流输入 输出形式为 AC220V 继电器输出 3 3 2 扩展模块的选择 由于该系统中有压力模拟量输入 而 S7 200 PLCPLC 的普通输入输出端口均 为开关量处理端口 为了完成模拟的输入 需要一个模拟量的扩展模块 模 拟量扩展模块可以将外部的模拟量转化为 PLC 可处理的数字量 也可将 PLC 内部运算结果的数字量转换为模拟量进行输出 EM235 是最常用的模拟量扩 展模块 它实现了 4 路模拟量输入和 1 路模拟量输出的功能 EM235 模拟 9 扩展模块接线图 3 3 所示 图3 3 EM235模拟量扩展模块接线图 3 3 3 PLC 的 I O 配置及外围接线 本恒压供水系统有 11 个数字量输出信号和 1 个模拟量输出信号 Q0 0 Q0 5 分别输出三台水泵电机的工频 变频运行信号 Q1 1 输出水位超 限报警信号 Q1 2 输出变频器故障报警信号 Q1 3 输出白天模式运行信号 Q1 4 输出报警电铃信号 Q1 5 输出变频器复位控制信号 AQW0 输出的模拟 信号用于控制变频器的输出频率 系统有五个输入量 其中包括 4 个数字量和 1 个模拟量 压力变送器将 测得的压力值输入 PLC 的扩展模块 EM235 的模拟量输入端口作为模拟量输入 3 系统的硬件设计 17 手动按钮用来控制白天 夜间两种模式之间的切换 它作为开关量输入 I0 0 液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入比较器 在比 较器中设定水池水位的上下限 当超出上下限时 窗口比较其输出高电平 1 送入 I0 1 变频器的故障输出端与 PLC 的 I0 2 相连 作为变频器故障 报警信号 I0 3 作为试灯信号输入口 用于手动检测各个指示灯是否正常 工作 根据控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称地址编号如下表 3 3 所示 表 3 1 输入输出点地址编号 名 称 地址编号 供水模式信号 1 白天 0 夜间 I0 0 蓄水池的水位上下限信号 I0 1 测试变频器报警信号 I0 2 指示灯测试信号 I0 3 输 入 信 号 压力传感器输出模拟量电压值 AIW0 1 泵工频运行接触器及指示灯 Q0 0 1 泵变频运行接触器及指示灯 Q0 1 2 泵工频运行接触器及指示灯 Q0 2 2 泵变频运行接触器及指示灯 Q0 3 3 泵工频运行接触器及指示灯 Q0 4 3 泵变频运行接触器及指示灯 Q0 5 蓄水池水位上下限报警指示灯 Q1 1 变频器故障报警指示灯 Q1 2 白天模式运行指示灯 Q1 3 报警电铃 Q1 4 变频器频率复位控制 Q1 5 输 出 信 号 变频器输入电压信号 AQW0 PLC 及扩展模块外围接线图如图 3 4 所示 3 系统的硬件设计 18 图 3 4 只是简单的描绘出 PLC 及扩展模块的外围接线情况 并不是本 系统具体的外围接线情况 它忽略了很多因素 直流电源的容量 电 源方面的抗干扰措施 输出方面的保护措施 系统的保护措施等 1 M 0 0 0 1 1 0 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 7 1 6 2 M 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 L 0 0 L M 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 3 L 1 0 0 7 0 6 0 5 2 L 0 4 0 3 0 2 0 1 地 1 7 1 6 L 1 N A C C P U 2 2 6 C N 2 R S 4 8 5 M V 0 M 0 地 L R A A I 0 B B R B A D D R D C C R C 偏移 配置增益 E M 2 3 5 I 0 I 1 I 2 Q 0 Q 1 S A 1 窗口 比较器 液位 变送器 水位上下 限信号 S U S L H L S B 7 4 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1 压力变送器输 出压力信号 输入变频器 图 3 4 PLC 及扩展模块外围接线图 本系统主要硬件设备清单如表 3 2 表 3 2 硬件型号选择 主要设备 型号及其生产厂家 可编程控制器 PLC Siemens CPU 226 模拟量扩展模块 Siemens EM 235 变频器 Siemens MM440 压力传感器 YTZ 150 型带电接点式的压力传感器 4 PID 回路的计算 19 4 PID 回路的计算 PID回路控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之 一 它的控制原理是通过传感器等检测控制量 反馈量 将控制量与目标值 温度 流量 压力等 进行比较 结果若有偏差 则通过PID运算结果控制 系统动作使偏差达到零 也就是使控制量与设定的目标值相结果一致 它比 较适用于流量控制 压力控制 温度控制等过程量的控制 PID控制的原理 图如图4 1所示 在恒压供水中通过PID控制形式主要有以下两种 图4 1 PID 控制原理图 硬件型 即通用专门的PID控制器 在使用时只需要在PID控制器上 进行线路的连接以及P I D 参数和目标值的设定 软件型 就是通过使用PLC自身所带的PID功能 进行编程控制内部 PID控制器 10 在该系统中我们用软件型设计这样比较经济 也可充分利用PLC的功能 4 1 PID 控制算法及特点 PID控制根据目标值 设定值 r t 与控制量 反馈量 y t 相比较 运算出控 制偏差 e t r t y t 将偏差的比例 P 积分 I 和微分 D 通过线性组合 构成控制量 对受控对象进行控制 其控制规律为 式 0 1 tdetTeTteKptu 4 1 或 4 PID 回路的计算 20 式 1 0tdeTtte 4 2 式中 调节器的比例系数 CK 调节器的积分时间 iT 调节器的微分时间 d 调节器的偏差信号 e 比例带 它是惯用增益的倒数 u 输出 PID控制器各个校正环节的功能作用有以下3点 比例环节 快速即时的成比例地反应出控制系统中设定值与测量值的 偏差信号e t 偏差一旦产生 控制器会马上产生一个控制信号以减小偏差 积分环节 主要用于消除系统的静态误差 提高系统的无差度 积分 作用的强弱取决于积分时间常数Ti Ti越大 积分作用越弱 Ti越小 积 分作用越强 微分环节 能反应偏差信号的变化速率 并且能够在偏差信号值变的 超过一定限度之前 系统中会引入一个有效的修正信号 从而加快系统的调 节动作速度 减小调节时间 1 PID调节器的传递函数是 式 sTnsGcd 4 3 当上述控制算法公式中只是包含第 项时 这种称为比例 P 作用 只 包含第 项时 这种称为积分 I 作用 但是如果只包含第 项的单纯微分 D 作 用是不能采用的 因为它不能调节控变量的值达到设定值的效果 如果只包 含第 项的称为PI作用 只包含第 项的称为 PD作用 同时包含 这三项的称为PID作用 如果只是用P动作控制 这样是不能完全消除偏差的 为了消除残留偏 差 一般采用增加I动作的 采用P I进行控制 用PI控制时 能够有效的消 除由于改变目标值和外部环境的偶然扰动等引起的偏差 但是如果I动作过 强时 会对快速变化偏差响应比较迟缓 如果负载系统有积分元件的可以单 4 PID 回路的计算 21 独使用P动作控制 对于PD控制 发生偏差时 很快产生比单独D动作还要大的操作量 以 此抑制偏差的增加 偏差小时 P动作的作用减小 控制对象含有积分元件 的负载场合 仅P动作控制 有时由于此积分元件的作用 系统发生振荡 在该场合 为使P动作的振荡衰减和系统稳定 可用PD控制 换言之 该种 控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载 利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用 在结合P动作就构成 了PID控制 本系统就是采用了这种方式 采用PID控制较其它组合控制效果 要好 基本上能获得无偏差 精度高和稳定的控制过程 这种控制方式用于 从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统 即实时性要求不高 工业 上的过程控制系统一般都是此类系统 本系统也比较适合PID调节 效果比 较好 4 2 PID 参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容 它是根据被控过程 的特性确定 PID 控制器的比例系数 积分时间和微分时间的大小 PID 控制 器参数整定的方法很多 概括起来有两大类 一是理论计算整定法 它主要 是依据系统的数学模型 经过理论计算确定控制器参数 这种方法所得到的 计算数据未必可以直接用 还必须通过工程实际进行调整和修改 二是工程 整定方法 它主要依赖工程经验 直接在控制系统的试验中进行 且方法简 单 易于掌握 在工程实际中被广泛采用 PID 控制器参数的工程整定方法 主要有临界比例法 反应曲线法和衰减法 三种方法各有其特点 其共同点 都是通过试验 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定 但无论 12 采用哪一种方法所得到的控制器参数 都需要在实际运行中进行最后调整与 完善 现在一般采用的是临界比例法 利用该方法进行 PID 控制器参数的 整定步骤如下 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作 仅加入比例控制环节 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡 记 下这时的比例放大系数和临界振荡周期 在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数 PID 控制器参数的工程整定 各种调节系统中 P I D 参数经验数据以下 可参照 温度 T P 20 60 T 180 600s D 3 180s 压力 P P 30 70 T 24 180s 4 PID 回路的计算 22 液位 L P 20 80 T 60 300s 流量 L P 40 100 T 6 60s 5 程序设计及仿真 23 5 程序设计及仿真 5 1 系统主程序设计及仿真 系统运行主程序首先要进行一系列的初始化工作 并使扩展模块 通讯 模块 A D模块等 变频器等设备与PLC的数据传输正常 在系统运行过程 中要及时进行故障检测 防止设备损坏和意外发生 当出现故障时 及时报 警 方便维修人员维修 系统自动启动后 进行恒压控制 其流程框图如图 5 1所示 手动 自动 图 5 1 PLC 程序流程图 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 行模式则进行手动操作 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 则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 则执行增泵程序 增加水泵的工作数量 如果 PLC 接到频率下限信号 则执行减泵程序 减 少水泵的工作数量 没接到信号就保持现有的运行状态 开始 系统初始化 调用压力设定子程序 调用 PID 子程序 调用泵切换子程序 自动 手动 检测 执行手动命令 5 程序设计及仿真 24 利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制 白天供水时 系统设定值为满量程的 90 夜晚供水时系统设定值为满量程的 70 在本 系统中 只是用比例 P 和积分 I 控制 其回路增益和时间常数可通过 工程计算初步确定 根据系统的要求 采用增益 K 0 25 采样时间 T 0 2s 积分时间 T 30min 完成一个水压数据采集的任务 每 200ms 采集 一个数据 PID 功能 系统采用的是单极性模拟量 远程压力表对水管的水 压进行采样 利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制 程序中使用的 PLC 元器件及其功能如下表 5 1 所示 表 5 1 程序中使用的元器件及功能 器件地址 功能 器件地址 功能 VD100 过程变量标准化值 T38 工频泵减泵滤波时间控制 VD104 压力给定值 T39 工频 变频转换逻辑控制 VD108 PI 计算值 M0 0 故障结束脉冲信号 VD112 比例系数 M0 1 泵变频启动脉冲 VD116 积分时间 M0 3 复位当前变频运行泵脉冲 VD120 积分时间 M0 4 复位当前变频运动泵脉冲 VD124 微分时间 M0 5 当前泵工频运动启动脉冲 VD204 变频起运动频率下限值 M0 6 新泵变频启动脉冲 VD208 白天变频器运动频率上限值 M2 0 泵工频 变频转换逻辑控制 VD212 夜晚供水变频器运动频率上限值 M2 1 泵工频 变频转换逻辑控制 VD250 PI 调节结果存储单元 M2 2 泵工频 变频转换逻辑控制 VD300 变频工作泵的泵号 M3 0 故障信号总汇 VD301 工频运行的泵的总台数 M3 1 水池水位上下限故障逻辑 VD310 倒泵时间存储器 M3 2 水池水位上下限故障消铃逻辑 T33 工频 变频转换逻辑控制 M3 3 变频器故障消铃逻辑 T34 工频 变频转换逻辑控制 M3 4 消铃逻辑 T37 工频泵增泵滤波时间控制 5 程序设计及仿真 25 系统的主程序如下图 5 2 所示 5 程序设计及仿真 26 5 程序设计及仿真 27 5 程序设计及仿真 28 5 程序设计及仿真 29 5 程序设计及仿真 30 5 程序设计及仿真 31 图 5 2 系统主程序梯形图 当输入端口 I0 0 为 1 时 即白天模式下 白天指示灯 Q1 3 正常工作 5 程序设计及仿真 32 1 泵进行变频运行 仿真结果如图 5 3 所示 图 5 3 白天模式下仿真结果 当输入端口 I0 1 为 1 时 即水池的水超过上限或低于下限 这时应该报 警 仿真结果如图 5 4 所示 仿真结果与设计一致 水泵停止运行 报警信 号灯发出警告 图 5 4 水位达到上下限仿真结果 本系统要求当一台水泵运行时间超过 3 个小时 会自动切换到另一台水 泵工作运行 为了快速的得出仿真结果 我们把程序时间设置成为一分钟 这样不会影响仿真结果 开始运行时 1 水泵变频运行 如图 5 5 所示 当 时间到后会自动切换到 2 水泵 如图 5 6 所示 再等时间到后 系统会自动 5 程序设计及仿真 33 切换到 3 水泵 如图 5 7 所示 图 5 5 1 水泵变频运行 图 5 6 2 水泵变频运行 图 5 7 3 水泵变频运行 5 程序设计及仿真 34 5 2 系统初始化程序及仿真 在系统开始工作的时候 先要对整个系统进行初始化 即在开始启动的 时候 先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测 如出错则报警 接着 对变频器变频运行的上下限频率 PID 控制的各参数进行初始化处理 赋予 一定的初值 在初始化子程序的最后进行中断连接 系统进行初始化是在主 程序中通过调用子程序来是实现的 在初始化后紧接着要设定白天 夜间两 种供水模式下的水压给定值以及变频泵号和工频泵投入台数 程序梯形图如 图 5 8 所示 5 程序设计及仿真 35 图 5 8 程序初始化梯形图 系统调用初始化子程序后 对一些内部寄存器设置了不同的初值 仿真 结果如图 5 9 所示 图 5 9 初始化子程序仿真内存地址的值 5 程序设计及仿真 36 5 3 PID 子程序设计及仿真 在系统中 只需选择一个 它同样通过定时中断来调用 通过对水泵转 速的调节