1、課題名稱 PLC恒壓供水控制系統設計 專業名稱：班 級：學 號：姓 名：指導教師：日 期：2012.3.14-2012.5.7 目 錄摘 要第一章 緒 論1.1變頻恒壓供水系統的國內研究現狀1.2課題來源及本文的主要研究內容1.3本論文中所做的工作1.4恒壓供水系統的基本構成第二章 PLC功能選擇及應用2.1可編程控制器的產生2.2 PLC的命名與定義2.3 PLC的工作原理2.4 PLC的主要特點及應用范圍2.4.1 PLC的特點2.5 PLC的分類及發展趨勢2.5.1 PLC的分類2.5.2 PLC的發展第三章 變頻器和壓力傳感器3.1變頻器的分類及工作原理3.2 變頻器硬件選擇3.3 壓

2、力傳感器第四章 系統設計4.1 系統要求4.2控制系統的I/O分配4.3 電氣控制系統原理圖4.3.1主電路圖4.3.2 控制電路4.4 變頻器的參數設置4.5 系統程序設計4.6系統調試參 考 文 獻 PLC恒壓供水控制系統設計(電氣自動化專業0933班，徐慧虹）摘要：本文介紹基于變頻器、觸摸屏和PLC的恒壓供水系統的構成及工作原理。系統采用變頻調速的方式，自動調節水泵電機轉速，保持供水壓力的恒定，PLC控制投入工作水泵的臺數，在用水量的高峰及低谷都能滿足系統的需要。系統具有節能、工作可靠、自動化程度高等優點，提高了供水質量。關鍵詞： 變頻器、觸摸屏、PLC、恒壓供水1.引言隨著社會經濟的迅

3、速發展，水對人民生活與工業生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統的新要求。變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控;同時系統具有良好的節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。1.1變頻恒壓供水系統的國內研究現狀變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主

4、要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本三菱公司，就推出了恒

5、壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環方式”兩種模式。它將PID調節器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多7臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統(如BA系統)和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管管網壓力的閉環

6、調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現;有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。艾默生電氣公司和成都希望集團(森蘭變頻器)也推出恒壓供水專用變頻器(5。5kW-22kW)，無需外接PLC和PID調節器，可完成最多4臺水泵的循環切換、定時起、停和定時循環。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 可以看出 ，目前在國內外變頻調速

7、恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制研究得不夠。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使其能被更好的應用于生活、生產實踐。1.2課題來源及本文的主要研究內容1、課題來源本課題來源于生產、生活供水的實際應用。2、研究的主要內容本系統是2個水泵生活/消防雙恒壓供水系統，變頻恒壓供水系統主要由變頻器、可編程控制器、觸摸屏、壓力傳感器組成。本文研究的目標是對恒壓控制技術給予提升，使系統的穩定性和節能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數據傳輸。該系

8、統可以生活供水和消防供水的雙用供水系統。1.3本論文中所做的工作根據系統要求，設計出滿足要求的恒壓供水系統，對PLC、變頻器、觸摸屏、壓力傳感器進行選型，根據系統要求設計出能滿足控制要求的控制電路和控制程序。1.4恒壓供水系統的基本構成 恒壓供水泵站一般需沒多臺水泵及電機，這比設單臺水泵及電機節能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費的電機選小了用水量大時供水會不足。而且水泵與電機都有維修的時候，備用是必要的。恒壓供水的主要目標是保持管網水壓的恒定，水泵電機的轉速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機供電。這也有兩種配置方案，一是為每

9、臺水泵電機配一臺變頻器，這當然方便，電機與變頻器間不須切換，但購變頻器的費用較高。另一種方案是數臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行。其余水泵工頻運行，以滿足不同用水量的需求。調節器是一種電子裝置，在系統中完成以下幾種功能：(1)設定水管壓力的給定值。恒壓供水水壓的高低依需要設定。 供水距離越遠，用水地點越高，系統所需供水壓力越大。給定值即是系統正常工作時的恒壓值。另外有些供水系統可能有多種用水目的， (2)接收傳感器送來的管網水壓的實測值。管網實測水壓回送到泵站控制裝置成為反饋，調節器是反饋的接收點。 (3)根據結定值與實測值的綜合，依一定的調節規律發出系

10、統調節信號。調節器接收了水壓的實測反饋信號后，將它與結定值比較，得到給定值與實測值之差。如給定位大于實際值，說明系統水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉速如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉速。這些都由調節器的輸出信號控制。為了實現調節的快速性與系統的穩定性，調節器工作中還有個調節規律問題，傳統調節器的調節規律多是比例-積分-微分調節，俗稱PID調節器。調節器的調節參數，如P、I、D參數均是可以由使用者通過觸摸屏設定的。PID調節過程視調節器的內部構成有數字式調節及模擬量調節兩類，以微計算機為核心的調節器多為數字式調節。 調節器的輸出信號一般是模擬信號，420mA變化的電流信號或010V間變

11、化的電壓信號。信號的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅動執行設備工作。在變頻恒壓供水系統中，執行設備就是變頻器。第二章 PLC功能選擇及應用2.1 PLC模擬量擴展單元的配置及應用 PLC的普通輸入輸出端口均為開關量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可將外部模擬量轉換為PLC可處理的數字量及將PLC內部運算結果轉換為機外所需的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數轉換的，單獨用于數/模轉換的，也有兼具模/數及數/模兩種功能的。以下介紹三菱FX系列PLC的模擬量模塊以及，它們分別具有FX-4AD及FX-2DA，它們分別具有4路模

12、擬量輸入及2路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中。 2.2 模擬量輸入模塊的功能及與PLC系統的連接 FX-4AD 4模擬量輸入模塊具有4個通道，可同時接受并處理4路模擬量輸入信號， 最大分辨率為12位。輸入信號可以是-10+10V的電壓信號（分辨率為5Mv），也可以420mV（分辨率為16A）或-20+20mA（分辨20A）的電流信號。模擬量信號可通過雙絞屏蔽電纜接入，連接及方法如圖2-1所示，當使用電流輸入時，需將V+及I+端短接。 圖2-1 FX-4AD模塊的連接圖FX-4AD的寬及高與FX相同，在安裝時裝在FX基本單元的右邊，將總線連接器接入左側單元的總線插孔中。FX系列可編程控制器中

13、，與PLC連接的特殊功能擴展模塊位置從左至右依次編號（擴展單元不所示。占編號），如圖4-所示FX-4AD將消耗基本單元或電源擴展單元的+5VDC電源（內部電源）30mA電流，+24VDC電源（外部電源）55mA電流。其通常轉換速度為15ms/ 道，高速轉換速度為6/ms道。2.3 模擬量輸入模塊緩沖存儲器（BFM）的分配為了能適用于多種規格的輸入、輸出量，模擬量處理模塊都設成可編程的。FX-4AD模塊利用緩沖存儲器(簡稱模BFM)的設置完成編輯工作。FX-4AD擬量量輸入模塊共有32個緩沖存儲器，但目前只使用了以下21個BFM：L1FX-32MR A/D FX-8EX A/D D/A FX基本

14、單元 #0 #1 #22-1特殊功能模塊2.4 模擬量輸出模塊的功能及PLC系統連接FX-2DA模塊用來將12位數字信號轉換成模擬電壓或電流輸出。它具有2個模擬量輸出通道。這兩個通道都可以輸出010VVDC(分辨率2。5mV)、05DVC（分辨率1。25mV）的電壓信號，或420Ma(分辨率為4A)的電流信號。模擬量輸出可通過雙絞屏蔽電纜與驅動負載相連，當使用電壓輸出時，需要IOUT和COM端短接。COM IOUT VOUTCOM IOUT VOUT基本單元FX-2DA記錄儀器電流輸出變頻器等電壓輸出圖2-2 FX-2DA模塊的連接圖FX-2DA安裝時裝在FX基本單元的右邊。FX-2DA將消耗

15、基本單元或電源擴展單元的+5VDC電源單元的（內部電源）20mA電流，+24VDC電源5mA電流。轉換時間為4ms/通道。3.變頻器和壓力傳感器交流變頻器是微計算機及現代電力電子技術高度發展的結果。微計算機是變頻器的核心，電力電子器件構成了變頻器的主電路。大家都知道，從發電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒50Hz。而交流電動機的同步轉速。 （3-1）式中-同步轉速，r/min； -定子頻率，Hz； -電機的磁極對數。而異步電動機轉速 （3-2）式中-異步電機轉差率，一般小于3%。均與送入電機的電流頻率/成正比例或接近于正比例。因而，改變頻率可以方便地改變電機的運行速度，也就是說變

16、頻對于交流電機的調運來說是十分合適的。3.1變頻器的分類及工作原理變頻器的較詳細的工作原理還與變頻器的工作方式有關，通用變頻器按工作方式分類如下： （1）控制。控制即電壓與頻率成比例變化控制。 由于通用變頻器的負載主要是電動機，出于電動機磁場恒定的考慮，在變頻的同時都要伴隨著電壓的調節。控制由于忽略了電動機漏阻抗的作用，在低頻段工作特性不理想。因而實際變頻器中采用控制。采用控制方式的變頻器通常被稱為普通功能變頻器。（2）轉差頻率控制。轉差頻率控制是在控制基礎上增加轉差控制的一種控制方式。從電動機的轉速角度看，這是一種以電動機的實際運行速度加上該速度下電動機的轉差頻率確定變頻器的輸出頻率的控制方

17、式。更重要的是，在=常數的條件下，通過對轉差率的控制，可以實現對電機轉矩的控制。采用轉差頻率控制的變頻器通常屬于多功能型變頻器。（3）矢量控制。矢量控制是受調速性能優良的直流電動機磁場電流及轉矩電流可分別控制啟發而設計的一種控制方式。矢量控制將交流電動機的定子電流采用矢量分解的方法，計算出定子電流的磁場分量及轉矩分量，并分別控制，從而大大提高了變頻器對電動機轉速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的變頻器通常稱為高功能變頻器。通用變頻器按工作方式分類的主要工程意義在于各類變頻器對負載的適應性。普通功能型變頻器適用于泵類負載及要求不高的反抗性負載，而高功能變頻器可適用于位能性負載。3.2 變頻器

18、硬件選擇 根據設計要求，變頻器選用日本三菱變頻器FR-A500產品。該產品可以和三菱PLC工作協調。變頻器選用日本三菱變頻器FR-A500產品，適配電機15 kW，該變頻器基本配置中帶有PID功能。通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的壓力信號(010 V)接至變頻器的輔助輸入端FI、FC，作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速，控制管網壓力保持在給定壓力值上。M1、M2為變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號端，該信號進PLC，作為泵變頻與工頻切換的控制信息之一，變頻器的極限輸出頻率通過面板可以設定。MA、MC為變頻器發生故障的輸出信號，

19、該兩端連接信號燈，以顯示變頻器故障，變頻器面板上有故障復位按鍵，輕故障用復位按鍵復位，可重新啟動變頻器。S1和S2短接，并與S3連接到PLC的輸出點上，由PLC控制變頻器的運行與關斷；U、V、W輸出端并聯三個接觸器分別接M1、M2、M3泵電機，變頻器可分別驅動三臺泵，另外這三臺泵電機還通過另外三個接觸器并聯到工頻電源上，這6個接觸器線包連接到PLC的四個輸出點上，由PLC控制其工頻、變頻切換工作。通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給定值(14端)，壓力傳感器反饋來的壓力信號(010V)接至變頻器端子的7端、8端，作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速。變頻器

20、端子的19端和20端是傳感器壓力設定的上、下限值，該信號進PLC，作為工頻切換的控制信息，由PLC控制水泵的工頻或變頻運行。變頻器有2個作用，一是作為電機的軟起動裝置，限制電動機的啟動電流；二是改變異步電動機的轉速，實現恒壓供水。下圖3-1為日本三菱變頻器FR-A500在電路中的接線圖。R S TS1 US2 VS3 W FR-A500FIFCM1 接PLC接PLC 接指示燈接電機380V78圖3-1 日本三菱變頻器FR-A500在電路中的接線圖3.3 壓力傳感器在智能系統中檢測是非常重要的一部分，它將檢測到控制量反饋給系統，才能實現自動控制，給系統所用的檢測的是水壓，這個系統中選用壓力傳感器

21、，它的作用是通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成420mA變化的電流信號或010V間變化的電壓信號的標準信號送入PLC的端口進行PID調節，經運算與給定壓力參數進行比較，得出一個調節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使供水系統管網中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制切換器進行加減泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。此外，系統還設有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證

22、了水泵的及時維修和系統的正常供水。供水系統的壓強是，下面單位都是估計標準單位，g=9.8，一般情況下，h<60米，所以本系統供水系統輸出壓力一般小于或等于0.6Mpa，系統選用YTZ-150型帶電接點式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為01MPa，檢測精度為土0.01MPa，該傳感器將01MPa范圍的壓力對應轉換成010V的電信號。該傳感器還具有體積小，重量輕、結構簡單、工作可靠的特點。4.系統設計4.1 系統要求1）恒壓供水系統共有倆臺水泵供水，要求一臺運行，一臺備用，自動運行時運行累計達10個小時自動切換到備用泵，實行輪換一次，手動時候不切換；2）兩臺水泵分別由M1,M2電機拖動，由接觸

23、器KM,KM2控制；3)切換后啟動很停止后啟動必須5S報警，當運行泵運行異常是自動卻換到備用泵，并報警；4）設定水壓在0100Mpa可調，通過觸摸屏輸入調節；5)觸摸屏可以顯示設定水壓、實際水壓，水泵運行時間、電機轉速與報警信號等。4.2控制系統的I/O分配將系統所有的輸入信號和輸出信號統一進行編址，該系統有7個輸入信號和13個輸出信號，表4-1是將控制系統的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號。觸摸屏軟元件PLC輸入輸出觸摸屏輸入觸摸屏出入PLC輸入PLC輸入軟元件功能軟元件地址設備名稱地址設備名稱M500自動啟動Y01#泵運行時間X11#水流開關Y0KM1M100手動1#泵啟動Y12#泵運行

24、指示X22#水流開關Y1KM2M101手動2#泵啟動M201#泵故障Y41#泵故障指示M104清楚報請D502泵累計運行時間顯示Y52#泵故障指示M103運行時間復位D101當前水壓Y10變頻器正轉啟動端子STFM102停止M212#泵故障Y6開換指示燈D500水壓設定D102電動機轉速4.3 電氣控制系統原理圖電氣控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖。4.3.1主電路圖如圖4-1所示為電控系統的主電路圖。2臺電機分別為M1、M2。接觸器KM1、KM2、分別控制M1、M2的變頻運行；FRl、FR2分別為2臺水泵電機過載保護用的熱繼電器：QS1、QS2別為變頻器和觸摸屏主電路的隔離開關；圖4-1

25、電控系統的主電路圖4.3.2 控制電路 如下圖中當點擊觸摸屏手動按鈕，進入手動畫面；當點擊觸摸屏自動畫面，進入自動畫面。進入手動畫面后，可以控制M1，M2電機的啟動，可以調節水壓的大小。進入自動畫面后，會在plc程序下自動運行。1、 手動運行按下按鈕啟動或停止水泵，可根據需要分別控制1#、2#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。2 、自動運行合上自動開關后，點擊觸摸屏自動按鈕，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0 Hz上升，同時PID調節程序將接收到自壓力傳感器的標準信號，經運算與給定壓力參數進行比較，將調節參數送給變頻器，如壓力不夠，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，水泵的速度開始減慢，同時根據PID調節器給的調節參數使系統平穩運行。若有電源瞬時停電的情況，則系統停機；待電源恢復正常后，系統自動恢復運行，然后按自動運行方式啟動1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩定運行。4.4 變頻器的參數設置 （1）上限頻率pr1=50hz；（2）下線頻率pr2=30hz；（3）基底頻率pr3=50hz；（4）du面板的第三監視功能變為變頻器的輸出功率pr5=14；（5）加速時間pr7=3s；（6）減速時間pr8=3s；（7）電子