基于PLC的給水泵組變頻恒壓控制程序設計

1、基于plc的給水泵組變頻恒壓控制程序設計溫筱茜電子郵箱：wenxq168博客：wenxq168二九年八月基于plc的給水泵組變頻恒壓控制程序設計-使用變頻器的pid功能、由plc控制水泵切換摘 要隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，高層建筑比例的不斷增加，人們對給水質(zhì)量和給水系統(tǒng)可靠性的要求在不斷提高，由于能源緊缺，如何利用先進的自動化技術、控制技術，設計出高性能、高節(jié)能、能適應不同領域的恒壓給水系統(tǒng)成為必然趨勢。本文根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運行特性曲線，闡明了二次加壓給水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理，接著分析了變頻恒壓給水的原理及系統(tǒng)的組成結構，提出基于plc的多種不同的控制方案：控制系統(tǒng)有使用自帶pid功能的變頻器

2、及plc構成的最簡系統(tǒng)，和使用帶模擬量輸入輸出的plc加上不帶pid的變頻器構成的系統(tǒng)。應用范圍包含常規(guī)多泵變頻恒壓給水系統(tǒng)，無負壓變頻恒壓給水系統(tǒng)，以及高穩(wěn)定度的多泵變頻恒壓系統(tǒng)。并詳細闡述了系統(tǒng)的構成及相應的plc程序設計。本文研究常規(guī)多泵變頻恒壓給水系統(tǒng)：使用變頻器的pid功能、由plc控制水泵切換。無負壓變頻恒壓給水系統(tǒng)，以及高穩(wěn)定度的多泵變頻器恒壓系統(tǒng)將另文介紹。關鍵詞：plc；恒壓給水；pid控制； 第一章 緒 論隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對給水的質(zhì)量和給水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，其水質(zhì)、水壓、流量的監(jiān)測與控制，直接影響給水系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量、

3、服務質(zhì)量和工作效率。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網(wǎng)絡技術等應用到給水領域，成為對給水系統(tǒng)的新要求。1.1 項目的背景及現(xiàn)狀分析1-4水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，城市的生活生產(chǎn)用水主要由自來水公司的市政管網(wǎng)提供。然而自來水的給水壓力通常只能達到0.35mpa,一般只能達到78層樓。隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，城市內(nèi)的次高層和高層建筑的比例不斷增加。自來水的給水壓力已無法滿足次高層和高層建筑的生活消防給水的要求，只能依靠二次加壓給水設備進行加壓。當前的二次加壓生活給水設備的給水方式主要有高位水塔、水箱給水、增壓給水，其中增壓給水又包括氣壓給水和變頻恒壓給水。高位水塔和高位水箱給水由水箱、

4、水塔直接向用戶給水，即為重力給水。給水壓力比較穩(wěn)定，但它需要由位置高度所形成的壓力進行給水，為此需要建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ镯攲拥淖罡唿c。即使如此，還常常不能滿足最不利給水點的給水要求，同時由于其存儲的水量比較大，在屋頂形成很大的負重，增加了結構的承重和占用樓宇的建筑面積，也妨礙美觀，且投資大、增加建筑周期長，還存在二次污染問題。氣壓給水系統(tǒng)僅在地下室或某些空余之處設置水泵機組和氣壓儲水罐設備，采用氣壓增壓給水來滿足給水要求，即以氣壓罐代替水塔或高位水箱，利用密閉壓力水罐內(nèi)空氣的壓力將水加壓到管網(wǎng)中去，其優(yōu)點是不必設高位水箱。但壓力采用上下限控制，壓力變化較大，耗費動力較多，運行效率低，不節(jié)

5、能，橡膠隔膜氣壓水罐的維護費用較高。近年來隨著電機變頻調(diào)速技術的成熟、普及和應用，其產(chǎn)品己用來更新改造傳統(tǒng)給水系統(tǒng)，使我國的給水行業(yè)技術的裝備水平經(jīng)歷了一次飛躍。變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)了水泵電機無級調(diào)速，根據(jù)水泵出口的壓力情況自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉速，從而保持水壓恒定，以滿足人們對給水系統(tǒng)的高要求。恒壓給水系統(tǒng)與傳統(tǒng)的水塔、高位水箱或氣壓給水系統(tǒng)相比，無論是投資的規(guī)模，運行的經(jīng)濟性，可靠性，穩(wěn)定性和自動化程度等方面都優(yōu)于水塔給水系統(tǒng)和水箱給水系統(tǒng)，而且還有顯著的節(jié)能效果。1.2 二次加壓給水系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢為了滿足國家相關標準對恒壓生活給水的相關要求，二次加壓給水系統(tǒng)的類型除了由高位水箱給水或氣壓給

6、水發(fā)展到變頻恒壓給水以外，還從帶儲水箱的變頻恒壓給水泵組加壓系統(tǒng)發(fā)展到無負壓變頻變頻恒壓給水系統(tǒng)。在技術上還從普通的繼電器開關量控制發(fā)展到電腦全自動程序控制，從本地控制發(fā)展到遠程、超程監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)的核心通常有單片機或plc加變頻器構成。用于給水控制單片機由于無法達到足夠的批量，因而其可靠性、工作穩(wěn)定性、壽命的持久性均比不上plc；單片機控制程序固定，無法更新；一旦生產(chǎn)廠服務跟不上，設備出故障用戶就無法維修和更換。因而使用plc構成的控制系統(tǒng)更受用戶的歡迎。目前市面占主流地位的變頻器均增設了pid控制功能，采用該類變頻器加上一只小型plc，就可以構成一套最簡的變頻恒壓給水控制核心。其構成成本較

7、低，使用較廣。但功能無法擴展?？刂坪诵牟捎脦M量輸出輸入的高性能plc與常規(guī)變頻器構成的系統(tǒng)，變頻恒壓的pid控制由plc實現(xiàn)，可擴展液晶顯示單元將運行數(shù)據(jù)傳送到液晶顯示屏上顯示，或通過顯示屏方便的修改控制參數(shù)。還可以擴展遠程通訊模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程和超遠程控制。1.3 項目研究的主要內(nèi)容1.3.2 項目研究的主要內(nèi)容通過對現(xiàn)有給水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，確定以工作可靠、性能穩(wěn)定、價格合理等特點的西門子s7系列單片機和西門子變頻器構成的控制核心來設計變頻恒壓給水系統(tǒng)，確定控制要求，設計控制軟件，并在工程項目實踐中考驗與使用，保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的技術經(jīng)濟性能。具體的研究內(nèi)容主要包

8、括以下幾個方面：1、分析給水系統(tǒng)特性和原理，分析和論證變頻調(diào)速方式在恒壓給水系統(tǒng)中的節(jié)能原理和效果。通過對比異步電動機的調(diào)速方法后,給水系統(tǒng)中采用的變頻調(diào)速節(jié)能效果顯著。最后列舉變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)的主要特點。2、本文就最簡的給水泵組控制系統(tǒng)的設計做了詳細的敘述，包括硬件電路設計，控制軟件的總體方案及程序結構設計，以及相關的控制程序?qū)嶋H。闡述設備的調(diào)試及變頻器參數(shù)設定。最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。1.4 小結本章首先介紹了論文的選題背景、意義及課題來源，在對現(xiàn)有給水系統(tǒng)存在問題調(diào)研的基礎上，確定了以實現(xiàn)節(jié)能、自動、可靠、穩(wěn)定給水的變頻恒壓給水及其遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計目標。提出了設計需要

9、解決的主要技術問題和本文的主要研究內(nèi)容。第二章 變頻恒壓給水系統(tǒng)的特性及原理變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成，通常由鼠籠式異步電動機驅(qū)動水泵旋轉來給水。在同一路給水系統(tǒng)中，設置多臺常用泵，給水量大時多臺泵全開，給水量小時開一臺或兩臺。這章主要分析給水系統(tǒng)的一些基本概念和特性。2.1 給水系統(tǒng)基本特性給水系統(tǒng)的參數(shù)表明了給水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用給水系統(tǒng)的特性曲線3直觀地反映，主要有揚程特性曲線和管阻特性曲線。見圖2-1。水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以給水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉?/p>

10、在某一轉速下?lián)P程與流量q之間的關系曲線f（q） 78。由圖2-1可以看出，流量q越大，揚程h越小。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程h與用水流量qv之間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，揚程h與流量q之間的關系h=f(qv)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程h越大，流量q也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，給水系統(tǒng)向用戶的給水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與給水流量qg之間的關系h=f

11、(qg)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為給水系統(tǒng)的工作點，如圖2-1中a點。在這一點，用戶的用水流量qv和給水系統(tǒng)的給水流量qg處于平衡狀態(tài)，給水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。圖2-1 給水系統(tǒng)的基本特性fig 2-1 the basic characteristics of feed-water system2.2 給水系統(tǒng)恒壓實現(xiàn)方式實現(xiàn)對給水系統(tǒng)的控制就是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是給水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制?？紤]到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與給水能力(由流量qg表示)

12、和用水需求(由用水流量qg表示)之間的平衡情況有關。若：給水能力qg用水需求qv，則壓力p上升;若：給水能力qg用水需求qv，則壓力p下降;若：給水能力qg用水需求qv，則壓力p不變。由此可見，流體壓力p的變化反映了給水能力qg與用水需求qv之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調(diào)節(jié)管道流量大小。這說明，通過恒壓給水就能保證給水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。將來用戶需求發(fā)生變化時，需要對給水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來實現(xiàn)的。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉速控制法兩種。1、閥門控制法轉速保持不變，通過調(diào)節(jié)閥門的開度大小來調(diào)節(jié)流量。實

13、質(zhì)是水泵本身的給水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量大小，以適應用戶對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。2、轉速控制法閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉速來調(diào)節(jié)流量。實質(zhì)是通過改變水泵的給水能力來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。2.3 異步電動機調(diào)速的方法及其原理通過轉速控制法實現(xiàn)恒壓給水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉速。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動機來拖動，因此水泵轉速的調(diào)節(jié)，實質(zhì)就是異步電動機轉速的調(diào)節(jié)910。異步電機的轉差率定義為： （2.1）異步電機的同步速度為： （2.2）異步電機的轉速為： （2

14、.3）其中：s為轉速差；n1為異步電機的理想空載轉速，r/min；n為異步電機轉子轉速，r/min；f是異步電機的定子電源頻率；p為異步電機的極對數(shù)?？芍{(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉差調(diào)速和變頻調(diào)速。2.3.1變極調(diào)速在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機轉速的改變。磁極對數(shù)的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調(diào)速，級差大，不適用于給水系統(tǒng)中轉速的連續(xù)調(diào)節(jié)。2.3.2變轉差調(diào)速通過改變電動機的轉差率實現(xiàn)電機轉速的改變。三相異步電動機的轉子銅損耗為9： （2.4）該損耗和電機的轉差率成正比，又稱為轉差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電

15、動機工作在額定狀態(tài)時，轉差率很小，相應的轉子銅損耗小，電機效率高。但在給水系統(tǒng)中由轉速控制法實現(xiàn)恒壓給水時，為適應流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉速值往往遠低于額定轉速，此時的轉差率增大，轉差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。因此變轉差調(diào)速方法不適用于恒壓給水系統(tǒng)中的轉速控制法。2.3.3變頻調(diào)速11 - 13 從公式(2.3)可知，當極對數(shù)p不變時，電機轉子轉速n與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電

16、機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉速，從而調(diào)節(jié)其轉子的轉速。這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為vvvf (variable voltage variable frequency)。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通基本不變，其關系為：u1/f1=常數(shù)式中：u1為變頻器輸出電壓；f1為變頻器輸出頻率。變頻調(diào)速方式時，電動機的機械特性表達式9： （2.5）式中：m1為電機相數(shù)；r1為定子電阻；x1為定子漏電抗；x2為轉子漏電抗折算值。頻率f從額定值fn往下調(diào)時，電機機械特性的變化情況，如圖2-2所示。圖中fnf1f

17、2f3f3f4。圖2-2 變頻調(diào)速機械特性9fig 2-2 the mechanical characteristics of frequency control2.4 水泵調(diào)速運行節(jié)能原理在給水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨著閥門開度的改變而改變，但其揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門的開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改

18、變水的動能改變流量14。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻的特性不變。變頻調(diào)速給水方式屬于轉速控制。其工作原理7是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速15-17。圖2-3 管網(wǎng)及水泵的運行特征曲線fig 2-3 the operating characteristic curve of pipe network and pump用閥門控制時，若給水量高峰期水泵工作在e點，流量為q1，揚程為h0，當給水量從q1減小到q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從3移到1，揚程特性曲線不變。而揚程則

19、從h0上升到h!，運行的工況點從e點移到f點，此時水泵輸出功率用圖形表示為(,q1 ,f ,h1)圍成矩形部分，其值為: （2.6）用調(diào)速控制時，若采用恒壓(h0)、變速泵(n2)給水，管阻特性曲線為2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從e點移到d點。此時水泵輸出功率用圖形表示為(,q2 ,d ,h0)圍成的矩形面積，其值為： （2.7）可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為(h0,d ,f ,h1)圍成的矩形面積，其值為： （2.8）所以，當用閥門控制流量時，有功率被浪費掉。并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是增大，而被浪費的功率要隨之增加。根據(jù)水泵

20、變速運行的相似定律，變速前后流量q、揚程h、功率p與轉速n之間關系為： ； （2.9）式中，q1、h1、p1為變速前的流量、揚程、功率，q2、h2、p2為變速后的流量、揚程、功率。由公式(2.9)可以看出，功率與轉速的立方成正比，流量與轉速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式給水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。2.5 變頻恒壓給水系統(tǒng)特點變頻恒壓給水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場合的給水，具有以下特點715：滯后性：給水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如：溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水

21、泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。非線性：用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。多變性：變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的給水系統(tǒng)，而不同的給水系統(tǒng)管網(wǎng)結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。時變性：在變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響給水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)的控制對

22、象是時變的。節(jié)能性：系統(tǒng)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓給水，節(jié)能效果顯著。對每臺水泵均采用軟啟動，啟動電流可從0到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊的同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，能延長設備的使用壽命。2.6 小結本章分析了給水系統(tǒng)的基本特性。根據(jù)揚程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和給水流流量處于平衡狀態(tài)時系統(tǒng)穩(wěn)定運行。通過對比異步電動機的調(diào)速方法后,給水系統(tǒng)中采用的變頻調(diào)速節(jié)能效果顯著。最后列舉變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)的主要特點。第三章 變頻給水泵組及控制要求及控制系統(tǒng)3.1變頻給水泵組變頻給水泵組通常由24臺相同功率及類型相同的水泵并聯(lián)運行，為維修

23、、安裝及減振需要，每臺泵的進出水管上必須裝有閥門、止回閥、橡膠接頭等配件。由4臺水泵構成的變頻泵組實例如 下圖： 圖3-1 變頻給水泵組1、 自來水進水閥 2、液壓水位控制閥 3、浮球閥 4、儲水箱 5、閥門 6、橡膠接頭7、水泵 8、橡膠接頭 9、止回閥 10、閥門 11、出水總管3.2 泵組的控制要求對變頻給水泵組的控制要求是plc程序設計的依據(jù)，因此在設計控制系統(tǒng)及程序之前必須確定具體的控制要求。為節(jié)省控制成本，可采用一臺變頻器對4臺水泵進行變頻控制。常規(guī)的變頻器均集成有pid閉環(huán)控制功能，如使用變頻器的pid功能，則plc就僅負責控制水泵的切換?？刂葡到y(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過壓力傳感器對

24、用戶管網(wǎng)壓力進行實時采樣，并與設定壓力值比較，根據(jù)壓力偏差來控制變頻泵的速度及定量泵的啟、停，實現(xiàn)恒壓、變量的供水，以達到節(jié)能、恒壓的目的。其控制要求是：當用戶管網(wǎng)壓力低于設定壓力時，控制器通過壓力傳感器檢測，輸出控制信號啟動其中一臺水泵作變頻運行，通過控制變頻泵使用戶管網(wǎng)壓力與設定壓力值相等。如用戶用水量較大，變頻器輸出頻率達到50hz , 變頻泵達到最高轉速，而用戶管網(wǎng)壓力仍然低于設定壓力，控制器將變頻泵切換成工頻運行，待變頻器輸出頻率下降至最低值時再變頻軟啟動另一臺水泵，由一臺工頻泵和一臺變量泵同時供水。經(jīng)過變量泵的切換調(diào)節(jié)，如管網(wǎng)壓力仍低于設定值，控制器則以同樣的方式將運行頻率為50h

25、z的變頻泵切換成工頻運行，而后繼續(xù)軟啟動另外一臺水泵作變頻運行，直至滿足用戶用水要求為止。 當用戶用水量較少，變量泵轉速降到一定程度時，控制器自動停止最先運行的定量泵，并根據(jù)管網(wǎng)壓力調(diào)整變量泵轉速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定。這樣，每臺水泵的啟動均經(jīng)變頻器控制，全部機組實現(xiàn)循環(huán)軟啟動，即每臺泵的啟動頻率都從設定的最低頻率開始逐漸上升。停機時遵循“先開的泵先停，先停的泵先開”的原則。各泵循環(huán)輪換工作，使水泵均衡運行。設備還可以通過時控器控制水泵的強行切換。3.3控制系統(tǒng)設計：3.3.1系統(tǒng)主回路見圖3-2：圖3-2 變頻控制系統(tǒng)主回路圖中：ql：空氣開關；1km、3km、5km、7km:工頻交流接觸

26、器2km、4km、6km、8km：變頻交流接觸器3.3.2系統(tǒng)的plc的i/o接線圖見圖3-3：圖3-3 plc接線圖3.3.3 系統(tǒng)的二次控制回路見圖3-4：圖3-4二次控制回路3.3.4控制柜面板指示燈回路見圖3-5：圖3-5控制柜面板指示燈回路3.3.5可編程序控制器plc的輸出輸入信號說明：控制系統(tǒng)的plc采用西門子s7-224產(chǎn)品。plc的輸入信號是：i0.0:缺水保護信號；i0.1變頻頻率下限；i0.2變頻頻率上限；i0.5 時控信號。plc的輸出信號是：q0.0: 1泵變頻運行；q0.1：1泵工頻運行；q0.2：2泵變頻運行；q0.3：2泵工頻運行；q0.4：3泵變頻運行；q0.

27、5：3泵工頻運行；q0.6：4泵變頻運行；q0.7：4泵工頻運行。3.3.6變頻器的控制回路說明：變頻器采用西門子440（也可用430，但其過載能力較差，對輸入電壓的偏差要求較高）壓力傳感器接到變頻器的1#模擬輸入口。本設計使用的壓力傳感器為遠傳壓力表，遠傳壓力表要求的輸入單元不大于5v，因此必須串連一個500左右的電阻后連接到變頻器的+10v端子1。變頻器的18腳為頻率下限信號，與plc的i0.1相連，用于控制水泵的停機；變頻器的22腳為頻率上限信號，與plc的i0.2相連，用于控制變頻泵切換為工頻運行，然后軟啟動另一臺水泵。3.4 小結 本章確定變頻給水泵組及其控制功能要求，然后對控制系統(tǒng)

28、的一、二次控制電路包括變頻器及plc的控制電路進行了設計。第四章plc程序控制流程及相應的梯型圖控制程序確定了系統(tǒng)控制電路、plc的輸出輸入端子、以及相應的控制功能要求后，必須對plc程序控制流程加以確定。4.1變頻恒壓給水泵組的plc控制主程序由下列部分構成：4.1.1 輸入信號處理：為了抗干擾，輸入信號必須通過定時器延時后才送到內(nèi)存對應的影像寄存單元。主程序依據(jù)影像單元值對輸出進行控制。普通輸入信號延時時間取300ms。其中：缺水信號i0.0延時300msm0.0給水壓力下限i0.3延時300msm0.3給水壓力上限i0.4延時300msm0.4頻率上限及頻率下限的延時時間可以使用plc面

29、板右端的電位器0進行調(diào)整，延時時間調(diào)整范圍是0255100ms即025s.在西門子s7-224中電位器0的代號為smb28，先將smb28的值傳送到累加器ac1，然后以ac1的值作為延時時間，即：頻率下限i0.1延時ac1m0.1頻率上限i0.2延時ac1m0.2。4.1.2 頻率上限控制流程：頻率上限m0.1高電平時，表明變頻器達到50hz，應將該變頻泵切換到工頻運行，然后變頻器軟啟動下一臺泵。具體控制流程為：頻率達到上限時， 如果1#泵變頻運行，2#泵3#泵4#泵均停機，設1#泵工頻運行，2#泵變頻運行，3#泵、4#泵均停機。如果1#泵變頻運行，2#泵3#泵停機，4#泵工頻運行，設1#泵工

30、頻運行，2#泵變頻運行，3#泵停機，4#泵工頻運行。如果1#泵變頻運行，2#泵停機，3#泵4#泵工頻運行，設1#泵工頻運行，2#泵變頻運行，3#泵、4#泵工頻運行。如果2#泵變頻運行，3#泵4#泵1#泵均停機，設2#泵工頻運行，3#泵變頻運行，4#泵、1#泵均停機。如果2#泵變頻運行，3#4#泵停機，1#泵工頻運行，設2#泵工頻運行，3#泵變頻運行，4#泵停機，1#泵工頻運行。如果2#泵變頻運行，3#泵停機，4#泵1#泵工頻運行，設2#泵工頻運行，3#泵變頻運行，4#泵、1#泵工頻運行。如果3#泵變頻運行、4#泵1#泵2#泵均停機，設3#泵工頻運行，4#泵變頻運行。1#泵、2#泵均停機。如果3

31、#泵變頻運行，4#泵1#泵停機，2#泵工頻運行，設3#泵工頻運行，4#泵變頻運行，1#泵停機，2#泵工頻運行。如果3#泵變頻運行，4#泵停機，1#泵2#泵工頻運行，設3#泵工頻運行，4#泵變頻運行，1#泵、2#泵工頻運行。如果4#泵變頻運行、1#泵2#泵3#泵均停機，設4#泵工頻運行，1#泵變頻運行，2#泵、3#泵均停機。如果4#泵變頻運行，1#泵2#泵停機，3#泵工頻運行，設4#泵工頻運行，1#泵變頻運行，2#泵停機，3#泵工頻運行。如果4#泵變頻運行，1#泵停機，2#泵3#泵工頻運行，設4#泵工頻運行，1#泵變頻運行，2#泵、3#泵均工頻運行。如果4#泵變頻，1#、2#、3#泵工頻，轉程序

32、結束如果3#泵變頻，1#、2#、4#泵工頻，轉程序結束如果2#泵變頻，1#泵、3#泵、4#泵工頻，轉程序結束如果1#泵變頻，2#泵、3#泵、4#泵工頻，轉程序結束4.1.3頻率下限控制流程：頻率下限m0.1低電平時，表明變頻器運行頻率低于設定頻率下限，應停止一臺工頻泵運行：停泵時先開的泵先停。如果1#泵變頻運行，2#泵3#泵停機，4#泵工頻運行，則停止4#泵運行。如果1#泵變頻運行，2#泵停機，3#泵4#泵工頻運行，則停止3#泵運行。如果1#泵變頻運行，2#泵、3#泵、4#泵工頻運行，則停止2#泵運行。如果2#泵變頻運行，3#泵4#泵停機，1#泵工頻運行，則停止1#泵運行。如果2#泵變頻運行，

33、3#泵停機，1#泵、4#泵工頻運行，則停止4#泵運行。如果2#泵變頻運行，3#泵、4#泵、1#泵工頻運行，則停止3#泵運行。如果3#泵變頻運行、4#泵、1#泵泵均停機，2#泵工頻運行，則停止2#泵運行。如果3#泵變頻運行，4#泵停機，1#泵、3#泵工頻運行，則停止1#泵運行。如果3#泵變頻運行，4#泵、1#泵、2#泵均工頻運行，則停止4#泵運行。如果4#泵變頻運行、1#泵、2#泵均停機，3#泵工頻運行，則停止3#泵運行。如果4#泵變頻運行，1#泵停機，2#泵、3#泵工頻運行，則停止2#泵運行如果4#泵變頻運行，1#泵、2#泵、3#泵均工頻運行，則停止1#泵運行。如果1#泵變頻運行，2#泵3#泵

34、4#泵均停機，轉程序結束如果2#泵變頻運行，3#泵4#泵1#泵均停機，轉程序結束如果3#泵變頻運行、4#泵1#泵2#泵均停機，轉程序結束如果4#泵變頻運行、1#泵2#泵3#泵均停機，轉程序結束4.1.4輸出部分：經(jīng)程序按照控制要求確定變頻泵及工頻泵的啟動運行或停機后，程序最后將變頻泵與工頻泵對應的內(nèi)部寄存單元的值傳送到plc對應的輸出繼電器q0.0q0.7，以控制水泵的運行與切換。plc輸出繼電器對應的內(nèi)部寄存單元本程序設置為：q0.0m18.0；q0.2m18.1；q0.4m18.2；q0.6m18.3；q0.1m6.0；q0.3m6.1；q0.5m6.2；q0.7m6.3。其中m18.1m

35、18.3為記憶寄存器。4.2 對應的plc梯型圖程序舉例：4.2.1缺水信號輸入延時：圖4.1缺水信號輸入延時4.2.2頻率下限輸入延時：4.2.3 頻率上限控制程序?qū)嵗?.2.4頻率下限控制程序?qū)嵗?.2.5 運行結果輸出程序4.3特定的控制要求及其實現(xiàn)4.3.1開機時變頻泵自動輪換 開機時先檢查變頻泵運行記憶存儲器值18.118.4，將高電平的值清零，然后將下一變頻泵運行記憶存儲器值置為高電平。即可實現(xiàn)開機時變頻泵自動輪換。該程序放置在子程序sbr0內(nèi)，利用西門子s7系列plc的特殊存儲器sm0.1，可實現(xiàn)上電時僅調(diào)用一次，進行初始化。4.3.2上電啟泵延時： 上電時，變頻器需要一定的初

36、始化時間，因此plc上電時應延時約5秒，在變頻器初始化完成后才接通變頻接觸器。該功能的實現(xiàn)可在主程序起始部分編一個延時時間為5秒的開機延時定時器，使一個開機延時存儲器（本程序中設為m）延時5秒后才接通。將該存儲器串入輸出處理的梯型圖程序中便可實現(xiàn)上電開機時的啟泵延時。4.3.3缺水保護： 缺水保護信號接入plc的i0.0腳，該信號由程序送到對應的存儲器m0.0，m0.0的常開點串入輸出處理的梯型圖程序中，只要i0.0沒有高電平輸入，plc的輸出就會被切斷，達到缺水保護的目的。4.3.4時控功能： 系統(tǒng)程序可以由時鐘控制器控制水泵的運行。時鐘控制器信號接入plc的i0.5腳，該信號由程序送到對應

37、的存儲器m0.5，m0.5的常閉點串入輸出處理的梯型圖程序中，只要由時鐘控制的i0.5有高電平輸入，plc的輸出就會被切斷，達到時鐘控制水泵停機的目的。4.3.5外控信號撤銷時的處理： 外控信號撤銷即缺水保護信號恢復到高電平或時鈡控制信號轉為低電平時，為避免突然開多臺水泵，應使用外控信號撤銷時的脈沖信號來調(diào)用初始化子程序sbr0，使泵組由初始狀態(tài)啟動。4.4小結：本章設計了plc程序控制流程，包括輸入信號處理、及相應的梯型圖控制程序頻率上限控制流程、頻率下限控制流程、輸出處理以及特定的控制要求及其實現(xiàn)。并提供了相應控制程序的部分實例。第五章 變頻器控制參數(shù)設定5.1變頻器選型 本設計采用的變頻

38、器為西門子440。選取西門子440的原因是：1、品牌知名度高；2、功能強大；3、調(diào)試方便；4、故障率低。另外西門子設計了一款價格較低的給水專用的變頻器430，最好不用。因為其整流模塊及輸出模塊的均比440選小一個等級，過載能力僅為140%，持續(xù)時間3秒。工作溫度為-10+40，電源電壓不穩(wěn)定時較易損壞（440為150%過載，持續(xù)時間60秒；200%過載，持續(xù)時間3秒；440變頻器的工作溫度為-10+50）。變頻器的額定功率應與水泵電機功率相同。5.2使用西門子變頻器micromaster 440時需保證其他參數(shù)為出廠缺省值。將變頻器的所有參數(shù)恢復為出廠缺省值的方法：1、設定p0010302、設

39、定p09701（設定p09701后變頻器將自動進入?yún)?shù)恢復程序，大約要1020秒鐘后才能將所有參數(shù)恢復為出廠缺省值，恢復的過程中變頻器顯示busy(忙)字樣并閃爍。）5.3需另行設定的基本參數(shù)見表5.1、設定的pid參數(shù)見表5.2表5.1 用于變頻恒壓給水的西門子440基本參數(shù)設定表參數(shù)名稱參數(shù)號及設置值功能用戶訪問級p00033設用戶訪問級為專家級，可訪問及設置絕大多數(shù)參數(shù)數(shù)字輸出1的功能p073153.apid控制器的輸出在下限幅值（由p2292確定）數(shù)字輸出2的功能p073252.a已達到最大頻率設電動機最低頻率p108010hz設電動機的最低頻率為10hz設電動機最高頻率p108250

40、hz設電動機的最高頻率為50hz斜坡上升時間p11208s設電動機斜坡上升時間，該值與pid上升值無關,(缺省值為10)斜坡下降時間p11213s設電動機斜坡下降時間，該值與pid下降值有一定關聯(lián)(缺省值為10)自動再起動p12103在故障/主電源跳閘后再起動(缺省值為1)表5.2 用于變頻恒壓給水的西門子440pid參數(shù)設定表參數(shù)名稱參數(shù)號及設置值功能允許pid控制器投入p22001允許投入pid閉環(huán)控制器pid-mop的存儲p2231=1允許存儲pid-mop的值（缺省值為0：不允許修改p2240的值）pidmop的設定值p224010數(shù)字pid的設定值用于設置給水設備的恒壓值,該值修改后

41、必需停電一下重新上電才能方生效，而且p2231必需等于1。（缺省值為10，即設定值為總量程的10%）pid設定值信號源p22532250已激活的pid設定值pid設定值的斜坡上升時間p22578s對pid設定值起作用pid設定值的斜坡下降時間p22583s對pid設定值起作用pid反饋信號p2264755.0由模擬輸入1輸入反饋設定值pid反饋濾波時間常數(shù)p22650.30設pid反饋濾波時間常數(shù)為0.30mspid反饋信號的增益p2269100設pid反饋信號的增益缺省值為100% ，(該值可用于微調(diào)給水壓力;該值加大,水壓下降;該值減小,水壓上升，該值可以在運行中調(diào)整。)pid比例增益系數(shù)

42、p22801.5s設pid比例增益系數(shù)為1.5spid積分時間p22850.5s設pid積分時間為0.5spid輸出上限p2291100%設pid輸出上限為100%pid輸出下限p229220%設pid輸出下限為20%(20%50hz=10hz)pid限幅值的斜坡上升/下降時間p22932s設pid限幅值的斜坡上升/下降時間為2s5.4 變頻恒壓參數(shù)p2400的確定：采用遠傳壓力表作為壓力傳感器時，其內(nèi)部電位器的阻值通常為390，耐壓小于5v，通常必須串聯(lián)一個470的電阻（見圖3-2中的r1）接到變頻器的10v電壓端子1。假如選用總量程為2.5mpa的遠傳壓力表，變頻給水的恒壓值需設定在0.6

43、mpa時，遠傳壓力表的活動端子在恒壓時的對應電阻為0.62.5390=93.6,輸出電壓為總電壓的百分比為:93.6(390+470)=10.88%。則應設定變頻恒壓參數(shù)p2400為10.88。實際使用時可設p2400=10，然后在運行時用p2269的值對給水恒壓值進行微調(diào)。p2269值加大,水壓下降;p2269值減小,水壓上升。5.5 小結本章介紹了選用西門子micromaster 440變頻器時，在其他參數(shù)為缺省值時須另行設定的變頻器參數(shù)，并對恒壓設定值的確定方法進行了詳細說明。第六章 總結與展望6.1總結變頻調(diào)速恒壓給水是現(xiàn)在化城市和生活小區(qū)給水的發(fā)展發(fā)向，采用采用由普通開關量控制的pl

44、c和帶有pid功能的變頻器構成的基于plc控制的變頻給水系統(tǒng)具有工作可靠、實現(xiàn)容易、價格低廉等特點，是較理想的控制系統(tǒng)。本文主要完成了以下工作： 1、分析了給水系統(tǒng)的基本特性，研究了變頻調(diào)速運行在給水系統(tǒng)的工作原理和節(jié)能原理；通過對比異步電動機的調(diào)速方法后, 指出了給水系統(tǒng)中采用的變頻調(diào)速節(jié)能效果顯著，并列舉變頻調(diào)速恒壓給水系統(tǒng)的主要特點。2、設計了基于plc控制的變頻給水系統(tǒng)控制系統(tǒng)硬件的一、二次控制電路，和plc、變頻器的輸入輸出電路。3、設計了plc程序控制流程，包括輸入信號處理、頻率上限控制流程、頻率下限控制流程、輸出處理以及特定的控制要求及其實現(xiàn)。并提供了相應控制程序的部分實例。4、

45、介紹了選用西門子micromaster 440變頻器時，在其他參數(shù)為缺省值時須另行設定的變頻器參數(shù)，并對恒壓設定值的確定方法進行了詳細說明。6.2 展望1、本控制系統(tǒng)采用一臺變頻器軟啟動多臺水泵實現(xiàn)變頻恒壓給水，具有水泵均衡工作及節(jié)省投資的優(yōu)點。但在用水流量略超過單臺或多臺配用水泵的額定流量時，會出現(xiàn)增加一臺泵、流量過多，停開一臺泵、流量又不夠的臨界狀況。此時，系統(tǒng)常常無法處于恒壓狀態(tài)，而是頻繁地加泵與減泵。造成給水壓力不穩(wěn)定，影響用戶的用水。簡單的解決辦法是：增加一條由總出水管通過電磁閥回到儲水池的dn15回水管。在容易出現(xiàn)臨界狀態(tài)的時段由時控器打開電磁閥將小量水返回水池，以破壞臨界狀態(tài)。但該方法將消耗一定的能量。最佳方案是，采用雙變頻器系統(tǒng)。由于有兩臺水泵變頻運行，變頻調(diào)節(jié)范圍較大，切換時的壓力波動小，系統(tǒng)將不會出現(xiàn)臨界狀態(tài)，可以始終保持在恒壓給水狀態(tài)。雙變頻器