PLC与变频器在恒压供水系统中的应用.pdf

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1、PLC与变频器在恒压供水系统中的应用摘摘要要本文介绍了一种替代传统水塔供水的基于与变频器构成的恒压供水系统。系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速或加、减泵。可任意备用一台水泵，当运行中的水泵出现故障时报警，自动切除故障泵，投入备用泵，而投入备用泵按故障泵出现故障前的工作状态启动，保证不间断恒压供水。系统断电恢复或蓄水池缺水恢复正常后可自行启动。关键词关键词变频器恒压供水引言传统给水系统常在屋顶设置高位水箱，水从地下水箱用水泵抽到高位水箱，从高位水箱通过自然流动，将水输送到各用户。这种传统给水方式存在投资大、二次污染严重、安装麻烦、占地面积大等缺点。随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品

2、质要求的不断提高，变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活、消防供水和工矿企业的生产、生活用水等。一、系统介绍它主要由一台三菱 XON60MR 可编程序控制器（PLC）、一台三菱 FRF44011K 变频器、水压传感器、液位传感器、自动开关、显示仪表、接触器、3 台水泵（自动工作方式下，两台处于工作状态，一台备用，当某台水泵出现故障时，备用泵自动投入运行）等构成，变频器 FRF44011K 适配电机功率 11KW，它的基本配置中带有 PID 功能。通过安装在出水管网上的压力传感器，把出水口压力信号采集给系统，再通过变频器的 A/D 转换模块将模拟量转换成数字量，

3、同时，变频器的 A/D 将压力设定值转换成数字量，两个数据同时经过PID 控制模块进行比较，PID 根据变频器的参数设置，进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的形式进行输出；根据用水量的大小由 PLC 控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入到电机的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。系统主回路构成如图 1 所示。图 1系统主回路图图中 KM0、KM1分别控制 1#泵工频运行和变频运行，KM2、KM3分别控制 2#泵工频运行和变频运行，KM4、KM5分别控制 3#泵工频运行和变频运行，KM6为变频器上电控制交流接触器。二

4、、工作方式该系统有手动和自动两种运行方式：（）手动运行方式该方式主要供检修及变频器故障时用。可根据需要分别按下相应启动或停止按钮，控制#泵工频运行。（）自动运行方式系统正常工作时的运行方式。合上自动开关，系统启动时，单台水泵运行可以满足当前用户用水量的时候，两工作水泵定时轮流切换变频运行，以延长电动机的使用寿命；当单台泵已经处于满负荷运行，即变频器到了上限频率，仍不能满足当前用户用水量时，该泵转为工频运行，启动另一工作水泵变频运行；这期间若用户用水量减小，变频器到了设定的下限频率时，切除工频泵，转为单泵变频运行之后，两工作泵定时轮流切换变频运行。三、变频器的 PID 参数设置PID 控制原理：

5、所谓 PID 控制就是变频器经过 PID 运算后得到的执行量，来控制输出频率的变化。而PID 运算又是指 P（比例运算），I（积分运算）和 D（微分运算）三个运算的总和。PID 运算有正、负两种类型之分。一般情况，用负作用较多，所谓负作用是指当偏差（设定值-反馈量）为正时，增加执行量（输出频率），如果偏差为负就减小执行量。在 PID 控制器中，误差信号（受控系统期望的压力与实际压力之间的差值）在加到压力控制电源驱动电路之前先分别以三种方式（比例、积分和微分）被放大。比例增益向误差信号提供瞬时响应。积分增益求出误差信号的积分，并将误差减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测压力信号中的噪音

6、。微分增益使驱动依赖于实测压力的变化率，正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。然而，在许多情况下，比例积分（PI 没有微分增益）控制策略也可以产生满足要求的结果，而且通常要比完全的 PID 控制器更容易调整到稳定的运行状态，并获得符合要求的稳定时间。先将所有参数清除后，设置相关参数如下表所示：参数号设定值设定围Pr128Pr129Pr130Pr134Pr183Pr193Pr194Pr42Pr50201000.50.51445205010,11,20,210.110000.13600s0.0110s099，9999注解PID 控制为 4 端输入，起负作用PID 比例常数设

7、定为 100%PID 积分常数设定为 0.5sPID 微分常数设定为 0.5sRT 端子功能设为“PID 控制有效”0199，9999OL 端子功能设置为“Pr42 的频率检测”（下限频率）0199，9999FU 端子功能设置为“Pr50 的频率检测”（上限频率）0400HZ0400HZ下限标志频率为 20HZ上限标志频率为 50HZ四、PLC 的控制1、PLC 选型及 I/O 分配：PLC 在系统中的作用是控制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。根据系统的控制要求，需要输入点 19 点，输出为 21 点，所以系统选择 FXON-60MR 型可编程控制器,该 PLC 有 36

8、个输入点，24 个输出点。PLC 的I/O 地址分配表如表 1、表 2。2、PLC 控制程序设计：当选择开关 SA 接通时，为“自动”位，通过启动按钮（X7）或欠电压继电器的辅助触头（X22）闭合、蓄水池缺水恢复正常时（X21闭合）对系统进行自动启动控制。在系统软件设计时，充分考虑了工频和变频运行之间的联锁关系，对接触器线圈的输出点 Y20Y25 进行互锁，为了保险，在硬件电路过它们的常闭触点也相互进行了互锁，避免工频与变频控制接触器同时动作或一台变频器拖动二台水泵的情况，造成严重事故。PLC 控制流程图如图 2 所示。表 1FXON60MR 输入地址分配表输入地对应开名称作用输入地对应开名称

9、作用址X0X1X3X4X5X6X7X10X11X12关SASB1SB3SB4SB5SB6SB7SB8FUOL手动/自动自动转换开关址X13X14X15X16X17X20X21X22关JXWFR1FR2FR3SB9KPKPKV相序故障1#泵过载2#泵过载3#泵过载故障信号报警解除液位传感器液面上限液位传感器液面下限欠电压继电器触头13#泵备用选择按钮手动启动 1#泵按钮手动启动 2#泵按钮手动启动 3#泵按钮自动启动按钮停止按钮变频器频率检测的上限信号变频器频率检测的下限信号表 2 FXON60MR 输出地址分配表输出地址Y0Y2Y3Y5Y6Y7Y10Y11Y12Y13Y14开始动作元件HL1H

10、L3HL4HL6HL7HL8HL9HL10HL11HL12FR-F440-11K STF功能作用13#泵变频指示13#泵工频指示1#泵故障报警指示2#泵故障报警指示3#泵故障报警指示1#泵备用指示2#泵备用指示3#泵备用指示变频器启动输出地址Y20Y21Y22Y23Y24Y25Y26Y27动作元件KM0KM2KM4KM1KM3KM5KM6YV功能作用1#泵工频运行2#泵工频运行3#泵工频运行1#泵变频运行2#泵变频运行3#泵变频运行变频器上电进水阀Y手动手动程序 N备用电动机设定 N Y 1#备用 2#备用 3#备用变频起动 2#，指示变频起动 1#，指示变频起动 1#，指示 N频率上限 Y

11、1#备用 2#备用 3#备用关断变频器，2#转工频，指示关断变频器，1#转工频，指示关断变频器，1#转工频，指示变频起动 3#变频起动 3#变频起动 2#频率下限 N Y 1#备用 2#备用 3#备用切除 2#工频切除 1#工频切除 1#工频 N N N 1#故障2#故障 3#故障 Y Y Y切除 1#机，报警切除 2#机，报警切除 3#机，报警根据电动机故障前的工作状态启动备用电机 N停机 Y结束图 2在设计梯形图时，依据水泵工作中不同的工作过程，划分成几个模块，使梯形图的结构更为清晰，程序结构如图3 所示。蓄水池液面控制程序 X13 X21 M0 X0 P0 X0 X7 X10 M0 M1

12、 Y11 M50 M60备用泵选择及显示手动程序MC N0 M0CJ P0CJ P4MC N1 M1CJ P11 号泵运行程序及显示 P1 Y12 M40 M60CJ P22 号泵运行程序及显示 P2 Y13 M40 M50CJ P3P3 P4变频器关断运行程序3 号泵运行程序及显示故障报警及处理MCR N1MCR N0END图 3程序结构图手动/自动转换开关 SA 采用选择开关，接 PLC 的输入点 X0。从程序结构图中可以看出：当 X0 断开时，执行手动程序。检修及变频器故障，需要应急供水时，采用手动控制，根据用水量的大小启动水泵，实现工频运行。系统正常工作方式是自动控制，当 X0 接通，

13、先选择备用泵，没有选择时，则第三台为备用泵，按下自动方式的启动按钮（输入点 X7 接通）时，系统启动，或系统停电恢复供电，接在电源上的欠电压继电器的辅助触头（X22）闭合、蓄水池缺水恢复正常时（X21闭合）对系统进行自动启动控制。单台水泵运行可以满足当前用户用水量的时候，两工作水泵每 15 秒（时间根据控制要求定，本文用 15 秒为模拟演示）轮流切换变频运行；当单个泵运行，变频器的工作频率到了上限频率，仍不能满足当前用户用水量时，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，该泵转为工频运行，启动另一工作水泵变频运行；这期间若用户用水量减小，变频器到了设定的下限频率时，延时一段时间（避免由于干扰

14、而引起误动作）后，切除工频泵，转为单泵变频运行之后，两工作泵定时轮流切换变频运行。水泵过载信号（FR1、FR2、FR3 热继电器的常开触点）接 PLC的三个输入点（X14、X15、X16）,相序检测器 JXW 占一个输入点（X13），这些输入点用来采集故障诊断信号。当运行中的水泵出现故障时报警，自动切除故障泵，投入备用泵，而投入备用泵按故障泵出现故障前的工作状态启动；当相序不满足要求或蓄水池缺水时，水泵自动停止运行。五、结束语在供水系统中采用变频调速运行方式，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，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水；因采用压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的供水压力保持给定，大大提高了供水品质；具有一定的先进性和实用性。参考文献1、袁任光交流变频调速器选用手册科技002.92、垛生、淼变频器的应用与维护华南理工大学2005、13、三菱可编程序控制器 FXON 使用手册