变频器和PLC恒压供水变频器系统的设计.docx

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1、变频器和PLC恒压供水变频器系统的设计 第一篇：变频器和PLC恒压供水变频器系统的设计 摘要 随着社会的不断进展，工业自动化领域不断走入正规和壮大。对于人们日常生存等需求日益增加，实现工业自动化与智能化已经燃眉之急。其中在城市供水系统中，可以通过可编程限制器PLC、变频器限制电机的转速以及PID限制来实现对城市恒压供水。 从上个世纪80年头至90年头中期，PLC领域得到了快速的进展，在这期间，PLC在处理模拟信号、数字信号以及人机交互等方面的进展，促使PLC技术大量应用于工业自动化限制领域。PLC具有通用性强、运用便捷简洁、抗干扰实力强等优点，也使得PLC在工业限制中的地位，在可预见的将来，是

2、无法替代的。 本文是按照西门子三菱 PLC为限制系统，来实现对恒压限制系统的手动及自动限制，通过三菱变频器来干脆限制三相异步电动机的转速，从而实现恒压输出。变频器可以接收来自PLC的信号，主要分为手动和自动方式来调整水压。 本文主要针对恒压供水来设计，需要PID限制系统来调整水压，而一些变频器内置了PID功能，这也显示了变频器在工业领域的可实施性。通过压力设定值与压力变送器返回值进行比较，将偏差反馈给变频器内部的PID调整器，PID调整器经过运算处理，得出调整信号，从而实现闭环限制。 关键词：PLC、变频器、恒压、PID限制 1 第一章 绪论 随着社会的快速进展，工业也慢慢步入了4.0时代，机

3、器人等一些智能化限制也慢慢进入了我们的生活。恒压供水始终以来是工业以及生活中维持生存的命脉。为了实现日常生活和工业生产的正常供水，我们必需找寻一种稳定的供水系统来解决昼夜用水量不同以及用户日益增加的问题。 PLC的快速进展发生在上世纪80年头至90年头中期。在这时期，PLC在处理模拟量实力、数字运算实力、人机接口实力和网络实力得到了很大的提高和进展。PLC慢慢进入过程限制领域，在某些应用上取代了在过程限制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、运用便利、适应面广、牢靠性高、抗干扰实力强、编程简洁等特点。 PID限制是迄今为止最通用的限制方法之一。因为其牢靠性高、算法简洁、鲁棒性好，所

4、以被广泛应用于过程限制中,尤其适用于可建立精确数学模型确实定性系统。PID限制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数 Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因此,PID参数的整定与优化始终是自动限制领域探讨的重要课题。PID在工业过程限制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多限制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期运用中积累了丰富阅历，使之在工业限制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。 1.1 PLC变频调速恒压供水系统的意义 近年来，由于工业迅猛的进展和人们日常物质的需求不断提高，这使得高塔供水系统的水压

5、不稳定，从而影响工业生产和人们日常生活需求。为了提高供水水压的稳定性和恒速输出，我们可以通过三相异步电动机的转速来限制水压以及水速，三相异步电动机可以通过变频器来调整频率来限制电机的转速，为了实现整个恒压供水限制系统的手动以及自动限制，我们可以通过PLC来限制整个系统。 PLC是基于微型计算机技术的通用工业自动限制设备。由于PLC体积小、功能强、速度快、牢靠性高，又具有较大的灵敏性和可扩展性，目前已被应用到机械制造、冶金、化工、交通、电子、纺织、印刷、建筑等诸多领域。 变频器是应用变频技术与微电子技术，通过变更电机工作电源频率的方式来限制沟通电动机的电力限制设备。变频器主要由整流沟通变直流、滤

6、波、逆变直流变沟通、限制单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来供应其所需要的电源电压，进而到达节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的爱惜功能，如过流、过压、过载爱惜等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得 2 到了特殊广泛的应用。 通过变频器、PLC以及继电器等元件组成的恒压限制系统具有较高的牢靠性，对外界具有较高的抗干扰实力，PLC编程通俗易懂，易于限制，所需本钱低等优良特点，使得PLC变频调速恒压供水系统在日常生活用水以及工业生产用水成为可能。 恒压供水系统在无人操作的状况下，可以完成对供水管道的恒压输出

7、，保持供水的恒压输出也就是供水流量的稳定，根据力学原理，水泵的流量与电机的转速成正比。变频恒压供水系统的基本原理是按照系统中的压力传感器对系统供水管道中的压力进行实时检测，并通过过程限制的原理将压力信号和设定值进行比较，反馈给处理器，通过执行机构变频器，来完成对泵机转速的限制，使得在外界干扰的作用下，水压及水流量能稳定在某一范围内，这就是所谓的恒压限制系统。其意义可自不待言，保障恒压供水，可以使人们日常生活及工业生产更加便利和稳定。 1.2 国内外探讨现状及进展 如今社会上，随着计算机的普及以及工业技术的不断完善，使得对供水的恒压限制已经成为可能。PLC技术的不断进展以及变频器的广泛应用，也使

8、得恒压供水系统牢靠性、好用性等性能得到表达。 从查阅的资料来看，国内供水系统进展比较缓慢，最起先是通过高塔供水系统来供应生活及工业生产供水，高塔供水系统最大缺点就是供水水压不稳定，随着社会的不断进展以及工业技术的不断进步，恒压供水系统是在变频器技术不断改善的基础上进展起来的，最先由于国外生产的变频器功能的局限性，在恒压供水限制系统中，变频器仅仅作为执行机构，就是单单接收限制器信号来限制电机的转速。为了满意供水时的恒压稳定输出，变频器也随之改良，人们在变频器内部囊括了PID限制，通过外部限制器和压力传感器，对压力进行闭环限制。 最初由于变频器技术的不成熟，国外的恒压供水系统在设计时都接受一台变频

9、器限制一台电机的方式，很少运用一台变频器限制多台电机组的形式，这使得整个恒压供水限制系统本钱高。随着变频技术的不断改善，以及PLC技术的稳固，使得变频恒压供水系统的稳定性、牢靠性的性能显著提高。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多接受国外的变频器限制水泵的转速，水管管网压力的闭环调整及多台水泵的循环限制，有的接受可编程限制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的接受单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能到达全部用户的要求。 变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简洁化方向进展,在国内外，特地 3 针对供水的变频

10、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明显偏高，维护本钱也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要接受进口元件组装或干脆进口国外变频器，结合PLC 或PID调整器实现恒压供水，在小容量、限制要求的变频供水领域，国产变频器进展较快，并以其本钱低廉的优势占据了相当部分小容量变频恒压供水市场。目前在国内外变频调速恒压供水限制系统的探讨设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代限制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环限制探讨得不够。因此，

11、有待于进一步探讨改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。 1.3本课题主要探讨内容 本设计是依据中小城市自来水厂为探讨背景，应用变频技术、PLC技术、过程限制技术等，实现对供水系统的恒压限制。 本设计接受三菱PLC和变频器，通过PLC系统的限制和变频器的变频变压，并且利用变频器内置的PID限制器来完成恒压的闭环限制。本文主要探讨内容及结构如下： 1针对PLC及变频器技术基础绽开全文，介绍PLC的进展过程及应用、PLC的基本组成、工作原理等；简洁介绍了变频器，包括变频器的基本组成单元、变频器的分类及工作原理。还简洁介绍了PID限制技术。 2针对供水系统的恒压限制的设计。本

12、次设计接受选用三菱FX2N32MR系列的可编程限制器，变频器选用型号为三菱的FRA540，首先通过介绍了三菱FX2N32MR的PID限制器引入主题，通过运用PLC的编程限制、变频器的主电路对电机的限制以及变频器内部PID功能模块对供水输出水压的反馈限制，我们仅需运用两者变实现对恒压供水系统的限制。本章还介绍了供水系统的组成、PLC编程软件等的内容。 4 其次章 PLC和变频器技术基础 PLC是特地应用于工业限制的一种计算机，也就是人们所说的可编程限制器，在工业限制领域，它作为整个系统的限制中心，执行规律、依次、计数、定时等功能，通过模拟量和数字量的输入输出信号，来限制工业生产的正常运行。 2.

13、1 可编程限制技术 2.1.1 可编程限制器的进展过程及应用 PLC起源于美国，在1969年，美国数设备公司胜利研制出第一台可编程限制器PDP-14，由于技术的局限，该产品功能比较简洁，但这是首次接受程序化的手段应用于工业限制，因此被世界公认为第一台PLC。1971年，日本从美国引进了这项技术，很快也研制出本土的第一台PLC ，被命名为DSC-18。1973年西欧国家也相继研发出他们的产品。我国可编程限制器进展较晚，是从1974起先研制，1977年才应用于工业限制领域。从20世纪70年头起先，随着电子技术的迅猛进展，PLC接受通讯微处理器的技术慢慢进展成熟，使得PLC限制功能得到进一步的增加。

14、20世纪80年头，随着集成电路等微电子技术的进展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC，使得PLC功能进一步加强，如工作速度快，抗干扰实力强、牢靠性高、本钱低、编程及故障检测更加灵敏简洁等。目前，PLC已进入成熟阶段，广泛应用于我们的日常生活领域和工业生产领域，如石油、化工、电力、建筑、汽车、环保、水力等各个行业。 2.1.2可编程限制器的组成和工作原理 可编程限制器组成包括CPU限制单元、I/O输入输出单元、内存单元、电源模块、底板或机架。 1.CPU限制单元 CPU限制单元是PLC的核心部分，CPU主要由运算器、限制器、寄存器及实现他们之间联系的数据、限制及状态总线构成，CPU单元还

15、包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU按PLC的系统程序给予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不行缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，他们确定了PLC的工作速度，I/O输入输出信号点的数量及软件的容量等，因此是PLC限制规模确实定性因素。 2. I/O输入输出模块 5 PLC输入输出模块是PLC限制系统接收信号和发出信号的模块，也就是与电气回路的接口。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输

16、入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入DI，开关量输出DO，模拟量输入AI，模拟量输出AO等模块。 常见的I/O信号的分类有： 开关量信号：输入输出信号按电压凹凸分类，有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式划分，有集体管隔离和继电器隔离两种。 模拟量信号：按信号类型分，有电流型4-20mA,0-20mA、电压型0-10V,0-5V,-10-10V等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。 除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I

17、/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的实力，即受最大的底板或机架槽数的限制。我们在设计过程中需要根据输入输出信号点的数量以及信号类型来选择PLC的类型。 3. 编程器 编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器又称图形编程器，不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作便利且功能强大。 4. 电源 PLC电源用于为PLC各模块的集成电路供应工作电源。同时，有的还为输入电路供应24V的工作电源。电源输入类型有：沟通电源220VAC或110VAC，

18、直流电源常用的为24VDC。 可编程限制器的工作原理: PLC的工作方式与一般的计算机是不同的，它对I/O状态和用户程序作周期性的循环扫描、说明并加以执行，这一周期称为基本扫描周期，由程序长短和CPU指令执行时间所确定，一般为数十毫秒。开关限制输出方式可为继电器、晶闸管或晶体管，连续量输出可为电流或电压。 PLC工作的全过程可用图 2-1 所示的运行框图来表示。 6 图 2-1 可编程限制器运行框图 2.1.3可编程限制器的分类及特点 (一)小型PLC 小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O 以及

19、其他各种特殊功能模块。它能执行包括规律运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。 (二)中型PLC 中型PLC 接受模块化结构，其I/O 点数一般在2561024 点之间，I/O 的处 7 理方式除了接受一般PLC 通用的扫描处理方式外，还能接受干脆处理方式即在扫描用户程序的过程中干脆读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 (三)大型PLC 一般I/O 点数在1024 点以上的称为大型PLC，大型PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工

20、厂生产管理自动化，大型PLC 还可以接受冗余或三CPU 构成表决式系统使机器的牢靠性更高。 2.2 变频器技术 变频器的产生解决了启动电流过大而损耗电机和工作电网不稳等问题，确定程度上它增加了电机的运用寿命，也起到了确定节能的效果。变频器的产生主要是变频技术和微电子技术进展的产物。变频器是通过变更电机电源频率的方式来限制电机的速度。变频器最大特点是可以变更电源的频率，通过变更频率，来实现对沟通异步电机的变频调速、软启动、过流爱惜、过载爱惜、节能等功能。 2.2.1变频器的组成 变频器通常有四部分组成：整流单元、高容量电容、逆变器、限制器。 整流单元：整流单元的主要是通过变流器或者可逆变流器，将

21、工频沟通电源转换为直流电源。 高容量电容：存储转换后的电能。 逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。 限制器：按设定的程序工作，限制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的沟通电，驱动沟通电动机。 2.2.2变频器工作原理 主电路是给异步电动机供应调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为沟通的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为沟通的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器，汲取在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路，以及将直流功

22、率变换为沟通功率的“逆变器。依据变换环节有无直流环节，变频器可分为交一交变频器和交始终一交变频器。 交始终一交变频器主电路可分三部分： 8 +三相沟通电源VT1VT2VT3ZAUVT4ABVT5VT6CZBZCO-整流电路逆变电路滤波电路 图2-2交始终一交变频器主电路 1. 整流电路：交始终部分整流电路通常由二极管或是可控硅构成的桥式电路组成。根据输入电源不同，可以分为单相和三相桥式整流电路。常用的小型变频器通常为单相220V输入，而较大功率变频器通常为380V三相输入。 2. 中间环节：滤波电路 滤波电路一般可分为电感滤波电路和电容滤波电路。由于流过电感的电流不能突变，电容两端的电压不能突

23、变，所以用电感滤波就构成电流源型变频器，用电容滤波就构成了电压源型变频器。 3. 逆变电路：直一交部分 逆变电路部分是交始终一交变频器的核心之处，其中6个三极管按其导通依次分别用VT1VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。 按每个三极管的导通角度又分为120导通型和180导通型两种类型。 逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是彼此相差120的沟通电压，即实现了从直流电到沟通电的逆变。输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率，到达了变频的目的。 除此之外，逆变电路还有爱惜半导体元件的缓冲电路，三极管也可以用门极可关断晶闸管代替。 交一交变频器是指无直流中间环节，干脆将电网

24、固定频率的恒压恒频沟通电源变换成变压变频沟通电源的变频器，被人们称为干脆变压变频器，也称为周波变频器。 交一交变频器的基本原理如下： 在有源逆变电路中，若才用两组反向并联的可控整流电路，适当限制各组可控硅的关断和导通，就可以在负载上得到电压极性和大小都变更的直流电压。若再适当限制正反两组可控硅的切换频率，在负载两端就能得到交变的输出电压，从而实现交一交干脆变频。 9 2.3 PID限制 在工业电气限制方面，依据限制方式可分为开环限制和闭环限制两种，PID限制是比例积分微分限制的简称，也是闭环限制的一种经典的限制规律。 开环限制方式是指限制装置与被控对象之间，只有顺向作用而没有反向联系的限制过程

25、，按这种方式组成的系统称之为开环限制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的限制作用发生影响。开环限制系统可以按给定量限制方式组成，也可以依据扰动限制方式组成。 闭环限制也称为反馈限制，其限制方式是依据偏差进行限制的，其特点是不管什么缘由使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的限制作用去削减或者是消退这个偏差，使被控量与期望值接近相等。按闭环限制方式组成的闭环限制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的实力，有较高的限制限制精度。 闭环限制的基本框图如下： 给定值+-调整器D/A转换器被控量执行器过程A/D转换测量变送图2-3 闭环限制框图 上图是闭环限制的一个经典的闭环限制系

26、统的框图。图中用“号代表比较元件，它将测量元件检测出的值与输入值进行比较，“号代表两者的符号相反，也就是所谓的负反馈；“+号表示被控量与输入量的符号相同，即正反馈。信号从输入端经过调整器、执行结构等到达输出端，称为前向通道；系统输出量经过测量元件的测量变送，反馈给输入值，此段通道称之为反馈通道。 通常，闭环限制系统的外作用有两种形式，一种是系统的输入量，另一种为外界的干扰因素，即扰动量。在正常的工业生产中，扰动是不行避开的，不同的生产环境，扰动的因素也有所不同，而且它可以在整个限制系统的任何元部件进行干扰作用。也正是因为干扰因素的作用，我们才引入了闭环限制系统。 闭环限制是过程限制的一种类型。

27、过程限制是通过通过各种检测仪表、限制仪表、电子计算机等自动化技术元件，对整个工艺生产过程进行自动检测自动限制、自动监控。对于一个过程限制系统来说，是由被控过程及过程检测仪表两部分构成的，过程限制系统主要有调整器、检测元件、调整阀、变送器等构成。对于过程限制系统的设计阅历而讲，主要有两方面，一是工业过程的工艺要求，其 10 次是过程特性，设计时可以根据实际生产需求来选用相应的过程限制仪表，进而创建系统，最终通过PID参数的设定，实现对工业生产过程的最正确限制。 在选择限制器时，我们可根据过程特性来选择，若无法精确的建模或者是过程的数学建模很困难时，可根据何种限制规律适用于何种过程特性与工艺要求来

28、选择，常用的限制规律有比例限制P、比例积分限制PI、比例微分限制PD、比例积分微分限制PID。 1. 比例限制规律P： 接受比例限制规律能较快地克服扰动的影响，使得系统稳定下来，但是存在余差。它适用于限制通道滞后较小、负荷转变不大、限制要求不高、被控参数允许在确定范围内有余差的场合。 2. 比例积分限制PI 在工程设计上，比例积分限制是应用最常见的一种限制方式，其最大的特点是能消退余差，它适用于限制滞后较小、负荷转变不大、被控参数不允许有余差等范畴。如某些流量、液位等要求无余差的限制系统。 3.比例微分限制PD 比例微分限制的特点是具有超前作用，对于具有容量滞后的限制特性，可以运用微分限制规律

29、来改善系统的动态性能指标。因此对于限制通道的时间常数或是容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，削减动态偏差等可选择运用比例微分限制，但是对于纯滞后较大，测量信号有噪声或是周期性扰动的系统，则不宜接受微分限制。 4.比例积分微分限制PID 比例积分微分限制是一种较志向的限制规律，它在比例的基础上应用积分的作用，来消退余差，再通过微分的作用，可以提高系统的稳定性。它适用于限制系统时间常数或是容量滞后较大、限制要求高的现场。如恒压、恒温的限制等。 PID限制器参数的设定是整个限制系统的核心内容，它确定了整个系统稳定性能，参数设定主要包括PID限制器的比例系数、微分时间和积分时间。PID限制参数设

30、定方法主要分为两大类：一是工程设定方法，主要通过工程的积累阅历，干脆通过在限制系统的调试中进行，由于其通俗易懂、简洁驾驭，被工程调试广泛应用。二是通过数学理论设定，它主要是根据数学理论模型，依据确定的数学运算规律来确定限制器的各个参数变量，这种参数计算方法一般不能干脆应用到工业调试中，还需要结合现场实际状况进行调整和修改。 现场调试一般运用工程整定的方法来调整参数，主要有临界比例法、衰减法和反应曲线三种方法。临界比例法是最常见的一种设定方法。其整定步骤如下： 1 预设定一个足够短的采样周期来让限制系统工作。 2仅加入比例限制参数进行调整，直到限制系统对输入的阶跃响应出现临界 11 震荡现象，登

31、记纯比例限制的放大系数和临界状态下的震荡周期 3在确定的限制力度下，运用公式计算得到相应的PID限制器的参数。 12 第三章 恒压限制电路的设计 本次设计是为了实现对供水系统的恒压限制，通过运用PLC和变频器可以完成对恒压供水系统的设计。通过查阅资料和现场实践，本文选用三菱FX2N32MR系列的可编程限制器，变频器选用型号为三菱的FRA540，FR-A540变频器内置PID限制模块。压力传感器选择没什么特殊的要求，我们在此选用一般的压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的显示、检测及传送信号的功能。接受两台泵机来供应动力，使得系统稳定保障大大提高。 3.1三菱FR-A540变频器的P

32、ID功能 三菱变频器在工业应用特殊广泛，在设计供/排水系统时选用三菱变频器后常会用到PID限制功能。目前全部的三菱变频器均有PID限制功能。FR-A540变频器接受矢量限制方式，使得驱动性能更加好，由于运用了智能功率模块和调制原理，使得变频器的噪声降低、抗干扰性能更高、变频器的输出波形更加稳定。同时FR-A540内部置入PID限制单元、依次制动、变频、工频依次切换、停电减速制动等功能，使得FR-A540变频器得到广泛的应用。 三菱变频器内部PID限制单元，通过对水压的给定值和压力检测装置的输入信号进行对比，将偏差干脆传送给内部PID限制单元，依据预先设定的调整规律进行计算，得出调整信号，再干脆

33、限制变频器的输出电压和频率，实现对泵机的转速限制，进而保持整个供水系统管道的恒压限制。 限制框图如下： 给定值+-反馈值偏差变频器驱动回路电机MPID运算测量变送图3-1 PID限制框图 3.2 恒压供水系统的设计思路 根据水厂的日常生产来看，工作人员通过操作系统限制面板上的按钮以及指示灯的提示来完成对恒压供水系统的实现。为了保障整个操作系统的稳定的前提下，必需尽可能的考虑到系统操作简便易懂，平安系数高等因素。 13 本文通过手动和自动两种运行形式来实现对变频恒压供水系统的限制。手动运行方式是通过操作面板上的按钮来限制相应的设备，比方各个泵机的运行、停止等。在水厂正常运行期间，很少运用手动运行

34、方式来限制供水的恒压输出，然而手动方式仍是必不行少的，手动运行方式的作用主要有： 1便利调试。在整个系统正处于测试阶段，还未进入生产时，可以通过手动的运行方式来试验是否整个系统的各个环节已具备自动运行的条件。 2有利于日后的维护、修理及保养。若出现某一电机不能正常运行或者警示灯闪烁等现象时，我们可以在手动运行的方式下进行检测、修理相应的故障设备，日后也可以对相应的设备进行保养等。 系统的自动运行方式主要是通过对输出水管的压力和设备运行状态的动态检测，从而保证管道的正常供水。通过自动启动的一键启动运行，整个系统便处于自动状态，之后整个系统无需人为的进行操作限制。启动系统时，变频器软启动其中的一台

35、水泵，水泵起先工作，供水管道的压力慢慢上升，同时，系统中的压力检测装置将检测的水压转换成电流或是电压的形式将电信号传给变频器中的PID限制器，再经过与设定的压力参数进行比较，得到的偏差再传送给该变频器的主电路，再由变频器来变更输出频率，从而实现供水管道的恒压限制。 3.3 恒压供水系统组成设计 现今，恒压供水系统主要由变频限制系统、PLC限制系统以及PID过程限制系统三部分组成。如图3-2所示，该图为中小型恒压供水系统的整体组成。主要组成单元有电气限制柜主要包括PLC及变频器等电控器件、泵机、压力传感器、蓄水池、通水管道等。 电气限制柜变频器主电路PLCPID限制器反馈信号蓄水池用户用水水泵电

36、机通水管道压力传感器图3-2 恒压供水系统组成图 电气限制柜：电气限制柜在工业现场应用特殊广泛，它确定程度上保证了一些电气元件的工作环境的稳定。本设计电气限制柜主要安装PLC、变频器、接触器、继电器等元器件。电气限制柜是本设计的电气限制中心。 压力传感器：通水管道的压力作用于压力传感器上，压力传感器将检测的压 14 力值以确定的转换方式，转变为电信号，将电信号传送给限制器，起到测量、变送的功能。本设计选用压电式压力传感器，其工作原理是基于某些晶体材料的压电效应。压电效应指，某些离子型晶体电介质沿着某一个方向受力而发朝气械形变压缩或伸长时，其内部将发生极化现象，而在其某些外表上会产生电荷，此电荷

37、经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。当外力撤消后，又重新回到不带电状态。 泵机：泵机是整个系统的执行机构，它是供水的基础，水压可以通过泵机的转速来限制，结合变频器和PLC可以实现恒压输出的目的。 蓄水池：该设备是水厂的储水装置，是供水的保障。 通水管道：通水管道是输送用水的动脉，它是用户用水与供水厂的媒介。 3.4 恒压供水系统主电路设计 根据实际应用，恒压供水系统一般接受一台变频器限制多台泵机并联运行的限制方式，本次设计接受一台变频器对两台水泵的限制，主电路如图3-3所示。 KM1A泵机三菱变频器FR-540三相电源KM3B泵机KM2KM4 图3-3 恒压供

38、水系统主电路 在手动状态下，通过继电器和接触器的关断作用，可以分别对A、B泵进行变频限制和工频限制。留意的是在PLC编程设计时，手动状态下应当保证仅有一种工作状态运行，这种状况下，可以在软件上进行互锁的方式实现，或者在硬件上实现，比方通过运用接触器的常闭触点来进行关联。当自动运行的条件满意时，自动启动按钮按下，通过外部感应器件的检测变送、变频器、PLC限制器的限制执行，从而实现恒压供水正常的自动运行。 KM 1、KM2及KM 3、KM4的关断可以限制A和B泵在工频和变频之间的切换，通过PLC编程设计可以实现；接触器之间需要互锁，防止接触器同时吸合， 15 发生故障。在自动运行的状况下，通过PL

39、C的信号给出，首先给A泵通电信号，即KM1吸合，使得变频器仅作用A泵运行，变频器逐步限制A泵电机的输入频率，直至到达设定的信号值，若输入频率到达工频时照旧没有到达设定的信号值，即一台泵机无法满意流量及压力的需求，此时要将A泵机切换到工频的限制方式，同时以变频的启动方式启动B泵机，通过B泵机的变频调速，直至到达预期值。 当用户用水量的削减时，此时若不变更泵机的工作频率，水压会上升，所以当水压上升时，需要相应的削减泵机的工作频率，通过PLC及变频器的作用，首先将B泵机运行速度慢慢降低，直至使得管道压力到达预定值，若仍无法到达预定值时，可以将B泵机电源切断，同时将A泵机进入工频运行模式，最终通过回复

40、A泵机的变频模式来限制泵机运行，从而限制水压稳定输出。 在正常生产时，由于会出现一台泵机总是处于工作状态，然而另一台泵机处于待机状态。本设计可以通过PLC中的时间定时器来限制两台泵机在 上述状况下的运行切换。 3.5变频器设计 变频器端子接线图如下：变频器的L 1、L 2、L3端接三相电的供电端，U、V、W端为变频器的输出端，输出端的电压和频率会发生相应的变更，这主要取决于对变频器的人为设置。其次还有接入PLC的输入端和输出端的端子，主要有频率上限信号点、频率下限信号点、故障信号点、正转信号点、停止运行信号点。针对变频器中的内置PID限制模块，通过设定电位器设定，并将压力传感器检测的压力值传送

41、给变频器 4、5号端子，两者互相比较，有内部PID限制模块处理，最终使变频器输出相应的频率和电压，与此同时变频器也会给PLC相应的信号，促使PLC做出相应的处理，PLC经过处理在将处理后的信号传送给继电器、变频器、接触器等执行机构。 16 变频器三相电源L1L2UV输出电源PLC输入X4X4X5COMPLC输出Y11Y12COMFR-A540-3.7CHL3W10254FUSUACSESTFMRSSD反馈信号压力传感器24VDC 图3-4 变频器接线图 变频器参数设定主要是在现场中根据实际状况，来进行调试确定，但参数的设定是具有确定规律的，从供水系统的特性以及泵机为平方律负载等方面来比较，变频

42、器的参数设置主要有一下几点需要留意： 1下限频率的设置。一般来说，转速过低，由于泵机的实际工作性质，泵机简洁产生“空转现象；再者，对于电机而言，在低频的状况下运行时间过长时，电机会发热厉害，对电机的寿命有确定的影响，所以下限频率不能太低。 2最高频率设置。由于泵机属于平方律负载，若泵机的实际转速超过额定转速时，转矩将以平方的形式增加，使得泵机的寿命缩短，且很简洁烧坏电机，因此变频器的最大输出频率不能超过泵机的额定工作频率，最高可以为泵机额定频率。 3上限频率设置。在恒压供水系统设计中，理论上将设置的上限频率与额定工作频率相等时，即在工频下运行最好，但实际状况下，由于变频器内部往往具有转差补偿的

43、功能，所以应当将上限频率设置的略低于额定频率。 4) PID限制器参数的设置。设置PID参数时，需要保证整个恒压限制系统稳定的条件下，来减小静态误差和提高动态响应。在调试过程中，通过对供水系统压力传感器的实际测量值的视察及分析，通过调整各参数，进而维持系统的稳定性。 17 3.6 恒压供水系统中PLC电气设计 3.6.1三菱FX2N系列PLC的概述 三菱FX2N系列PLC是高性能、高运行速度、小型化的限制装置，它也是FX系列中最高档的超小限制装置。FX系列的PLC具有无可匹及的运行速度，高级的定位限制及功能规律选件等优点。FX2N系列的可编程限制器的基本组成如下： 1基本单元包括CPU、存储器

44、、输入输出口及电源。 CPU: CPU的功能作用有接收并存储用户程序和数据；诊断电源、编程的语法错误及PLC的工作状态；接收输入输出信号，送入数据寄存器并保存；运行时依次读取、说明、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。FX2N系列有各种不同性能档次的CPU模块可供运用，各种CPU有各种不同的性能。 存储器：包括系统程序存储器、系统数据存储器和用户存储器。系统存储器其功能是存放系统工作程序；存放模块化应用功能子程序；存放叮嘱说明程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放存储系统参数。用户存储器作用是存放用户工作程序和存放工作数据。 输入输出口：包括输入单元和输出单

45、元，输入输出单元均为带光电隔离电路。输入单元有多种帮助电源类型，有AC电源DC24V输入、DC电源DC24V输入、DC电源DC12V输入、开关量信号、模拟量信号等类型。输出单元输出方式有晶体管、晶闸管和继电器三种方式，其中晶体管输出方式为驱动直流负载，晶闸管为驱动非频繁动作的交/直流负载，继电器为驱动频繁动作的交/直流负载。 通讯及编程接口：接受RS-485或RS-422串行总线。功能有连接专用编程器FX-20P、FX-10P；连接个人PC机，实现编程及在线监控；连接工控机，实现编程及在线监控；连接网络设备，实现远程通讯；连接打印机等计算机外设装置。 I/O扩展接口：接受并行通讯的方式。主要分为扩展I/O模块、扩展位置限制模块、扩展通讯模块、扩展模拟量限制模块。 3.6.2 PLC电气电路设计 针对电气PLC的电路设计，本文主要包括电气主控柜的设计、PLC限制器的外部端子接线设计、PLC编程设计。 1.电气限制柜设计 依据工业生产的需求以及平安生产的要求，需要对限制柜进行相应的操作和爱惜等设计。电气限制柜内装载了安装板，用来安装电气元件，在安装元器件时应当留意元器件的分布，尽可能将大功率大电流用电器与限制器及信号线远离， 18 在允许的条件下可以运用屏蔽措施屏蔽，工业现场特殊困难，外界干扰很难杜绝，也很难解决。通