变频器在恒压供水系统中应用课程设计.docx
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变频器在恒压供水系统中应用课程设计
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords1
引言2
1恒压供水方案选择与设计2
1.1恒压供水方案比较3
1.2恒压供水方式的选择4
1.3恒压供水系统的设计方案和工作原理4
1.3.1恒压供水的设计方案4
1.3.2系统的工作原理4
2恒压供水控制系统的硬件设计5
2.1电气控制系统原理图5
2.2变频器的选择6
2.2.1变频器的组成6
2.2.2变频器的控制方式7
2.2.3变频器的选择7
2.2.4变频器的接线7
2.2.5变频器的参数8
2.3传感器的选择10
2.4水泵电机的选择10
2.5可编程控制器的硬件设计10
2.5.1PLC的简介10
2.5.2PLC的选型11
2.5.3PLC的I/O地址分配12
2.5.4PLC的接线12
2.6其他硬件的选择12
3控制系统的程序设计13
3.1PLC控制流程图13
3.1.1手动运行14
3.1.2自动运行14
3.2控制系统梯形图程序15
总结15
参考文献17
致谢22
变频器在恒压供水系统中的应用
摘要:
本文介绍了变频恒压供水系统的原理以及组成结构，提出了具有可实施性不同的控制方案，采用调节电动机速度的装置和可编程控制器（PLC）共同组成供水控制系统，对水泵组的进行控制，并自动调节泵组运行台数，实现供水压力闭环控制，当管网的流量变化时到达供水压力稳定值与节省电能。
论文对变频调速恒压供水系统的节能原理做了较详细的分析和研究。
为防止自动运行部分发生故障，设计了手动运行控制部分。
关键词：
变频器；恒压供水系统；PLC
TheApplicationofFrequencyConverterinConstant
PressureWaterSupplySystem
Abstract:
ThispaperanalyzesthestructureofVFspeedregulatingconstant-pressurewatersupply,andproposesseveralcontrolmethods.installthecontrolsystemwithmotorspeedadjustmentandprogrammablelogiccontroller（PLC）,itcarriesoutoptimizationcontrolpumporganizationoftheoperationofspeedadjustment,andadjuststhenumberofrunningpumps,completespressureofwatersupplyclosed-loopcontrolsystem,reachesthesteadypressureofwatersupplyinthechangingofrateofflowinthepipenetandthepurposeofeconomizingelectricalenergy.Inordertopumpwaterforthepeopleundertheuncommonconditionofthefrequencyinvertor,thissystemhasdesignedmanual-controller.
Keywords：
Inverter；ConstantPressureWaterSupplySystem；PLC
引言
随着社会的进步和发展，城乡居民以及各种工厂对水的需求量日渐提升，而原先的供水方法和供水技术已不能满足需求。
主要表现在用水量与供水公司无法保持一致，使得用水不能满足，也会造成资源的浪费，同时还可能造成用水设备的损坏。
原先供水压力的方式，多采用频繁停/启电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者耗能大，且对电网中其他负荷造成影响，设备不断停启会造成设备的使用寿命；后者则需要大量的投资和占地，而且还不能保证供水水质的安全。
而变频调速式运行稳定可靠，没有频繁的启动、停止现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了机械、电气冲击，也没有二次供水所造成的二次污染的危险。
可见，变频器调速恒压供水系统具有供水稳定，节省投资，节约能源，运行稳定可靠，调节能力大的优势，具有广阔的发展前景。
由于系统等多方面的综合技术指标如动态性、稳定性、抗干扰性以及开放性，还离用户的要求还差的很远很远。
目前推出了专用变频器应用于恒压供水系统，PLC和PID调节器集成在专用变频器的内部。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时由于操作不方便得原因也不具有数据的及时通信功能，因此适合用于小容量，控制要求不高的供水场所。
使用变频调节后，系统将实现软起动，电机起动的电流会从零逐渐增加到额定电流，起动时间相应延长，电网不会受到较大的影响，同时减轻了启动时起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效延长了电机的使用寿命。
稳定水压是这种调控方式的基本目的，各种优化方案都是以保持母管进口压力值恒定为条件[1]。
变频恒压供水系统目前日益发展成为集成化、操作维护简单化的供水系统。
在国内外，专门供水的变频器集成化程度越来越高，PLC或PID集成在了变频器内部，甚至也集成了压力传感器。
于此同时操作维护也变得更加的繁琐，维护成本也明显增加，高于国内同等产品。
目前在国内从事于变频恒压供水的研制和推广的公司越来越多，在国内实现恒压供水变频器需要结合PLC或PID调节，而变频器主要采用进口元件组装的国产变频器或直接进口国外变频器，因此国产变频器发展较快，主要应用领域为小容量、控制要求较低的变频恒压供水领域，大部分小容量变频恒压供水采用这种方法，因为其成本低廉。
但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。
1恒压供水方案比较与设计
在生活中，哪一方面都离不开水的作用，在水资源日益缺乏的今天，节水是时代的主要话题，运用先进的技术实现节能减排是新时代的必然发展趋势。
本文以某工厂为例，进行恒压供水系统的设计，解决传统的恒压供水控制方式所面对的问题，改善其恒压供水控制质量。
按照实际要求供水进口压力一般为0.8Mpa,而出水供水压力在高峰用水时期达到3Mpa才能满足工厂用水需求，而工厂原先的供水控制方式已经很难满足要求，主要表现在工厂的用水需求量与供给量很难保持一致，此时将会造成能量的浪费，同时还可能导致用水设备的损坏，影响供水设备的使用寿命。
结合工厂用水的实际情况，设计出一个符合某工厂发展、便于控制的恒压供水系统是本设计的重要内容。
1.1恒压供水方案比较
通过查阅和学习恒压供水的相关资料，了解到在我国大多数工厂的恒压供水方式都比较落后，综合它们的供水方式来看，主要有以下几种方式。
（1）一台恒速泵直接供水方式
送往的水是由恒速泵直接从蓄水池中抽水加压得到的，有的工厂甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用用水网中抽水，对城市公共管网水压压力值的稳定造成的严重影响。
此种供水方法，恒压泵整天不停工作，既浪费电又不能保持用水量与供给量一致。
（2）恒速泵+水塔的供水方式
该方式是水泵先对水塔供水，而后由水塔向各工厂提供水。
根据需要水塔的最低水位要高于供水系统所要求压力，设计合理水塔高度。
水注满水塔后水泵停止工作，水塔的水位远低于一定位置后再重新启动水泵，使水泵不停的工作。
此种供水方法，水泵会在额定扬程和额定流量的条件下处于高效能工作状态。
但此种供水方法的缺点是占地面积大，设备投资大，而且水压也不可调，不能兼顾距离近与远的需要，而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力的下降而变化，故还存在一些能量损失和二次污染问题。
（3）射流泵十水箱的供水方式
这种供水方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用来水管径的压差，出水管细的变径工艺来实现供水，但其技术和管径工艺的不完善，容易出现有压力而没有流量的现象。
（4）恒速泵十高位水箱的供水方式
这种供水方式与水塔供水方式相类似，只是在建筑物的层设高位水箱。
由于外界因素的干扰和影响，可能污染水质，故造成二次污染问题。
水箱的水位监控装置一般寿命较短，由于完全用人工操作系统的开、停，使系统消耗更多的电能，供水质量也下降。
（5）变频调速供水方式
变频器恒压供水系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统管网口压力信号与设定压力值进行比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。
使系统管网口水压值不管流量怎么变化始终稳定在一定的范围内。
变频调速的方式在节能效果上也明显优于其他几种恒压供水方式。
变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压基本一致，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗比较小。
变频调速的运行十分稳定可靠，启动也不频繁，加上以软启动方式启动，设备平稳运行，消除了电气、机械冲击。
在工厂供水中，由于调速式是经过供水泵加压直接输送给工厂的，没有水质的二次污染，水质安全、可靠[2]。
1.2恒压供水方式的选择
对上面几种方案的比较可以得到，具有节省投资、节约能源、调节性能好、运行可靠稳定等优点的变频调速式供水系统，具有广阔的应用前景。
于是在供水领域应用先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络等技术，成为对供水系统的新需求。
又因为工厂供水量的不断增加，对城市管网的实时检测提出公告的要求。
所以本设计采用变频器调速恒压供水系统进行设计，实现工厂对管网水压的灵活性控制。
1.3恒压供水系统的设计方案和工作原理
1.3.1恒压供水的设计方案本系统以西门子PLC（S7-200）作为控制器，应用变频器MM430作为变速调节装置，用KYB压力传感器把用户管网的供水压力情况反馈给变频器，经变频器内部自带PID进行调节，将调节结果送往PLC作为电动机工频与变频运行的执行条件，从而实现水压的控制，系统的设计方框图如图1-1所示。
图1-1变频器恒压供水系统总体方框图
1.3.2系统的工作原理水泵启动后，压力传感器向控制器提供控制点的反馈压力值。
当反馈压力值比控制器设定参考压力值低时，变频调速器向控制器发送提高水泵转速的控制信号；当反馈压力值比参考压力值高时，则发送降低水泵转速的控制信号。
变频调速器则依此调节水泵工作电源的频率，改变水泵的转速，由此构成以设定压力值为参数的恒压供水自动调节闭环控制系统。
图1-2给出了由三台电动机组成的典型恒压给水系统。
图1-2恒压供水系统原理图
设电动机组分别以M1、M2、M3构成，三台接触器分别以KM1、KM2、KM3构成。
M1通过微机开关系统从变频器的输出端得到逐渐上升的频率和电压，开始旋转（软启动）。
频率上升到供水管网供水压力和流量要求的响应频率，并随供水管网的供水流量变化而做出响应，调整频率实现电动机的调速运行。
当这时供水管网的供水量增加到大于1/3Q、小于2/3Q值时，设备的输出频率达到工频还不能满足供水管网的供水要求，这时微机发出指令M1会自动转化为工频运行，待M1完全不受变频器控制，立即指令M2开始以变频方式启动，当满足频率要求时，水管网压力和流量的要求自动相应。
如果此时管网的供水流量继续上升，大于2/3Q小于Q值时，则类似，微机发出指令M2亦转化到工频运行，待M2完全不受变频器控制，立即指令M3投入变频启动，并响应至满足该时供水系统的流量和压力所需的频率运行。
如果这时供水管网供水流量降至小于2/3Q,大于1/3Q值时，则微机发出指令M3停止变频运行（M3停止后，处于临界频率的M2立即响应该时流量相应的频率）[4]。
如果这时供水流量继续下降至小于1/3Q，则微机发出指令M2停止工频运行，只有M1电动机立即响应该时间流量相应的频率，变频运行。
如图1-3所示为水泵工作示意图。
图1-3水泵工作示意图
2恒压供水控制系统的硬件设计
2.1电气控制系统接线图
如下图2-1所示为电控系统主电路图。
三台电机分别为M1、M2、M3。
电动机M1、M2、M3的工频运行分别由接触KM1、KM2、KM3控制；电动机M1、M2、M3的变频运行分别由接触器KM5、KM6、KM7控制，FR1、FR2、FR3分别为热继电器用于三台水泵电机过载保护；变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关为QS；主电路的熔断器为FU。
防止系统工频与变频同时运行，变频器工作时的切断与闭合用KM4。
本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行。
因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的L1、L2、L3端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。
当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。
主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。
不允许同时接通变频和工频两个回路。
而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，所以必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。
为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器（4-20mA）电流信号送至上位机来显示。
同时线电压可经转换开关接电压表显示，也可用其来显示不同相间的线电压。
开始工作时，首先来看电动机的转动方向，让其满足要求。
假如反向转动，可用改变电源相序的方法来获得需要的转向。
图2-1电控系统主电路图
2.2变频器的选择
2.2.1变频器的组成变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，用来实现电机的变速运行设备。
通常由整流器、中间电路和逆变器组成[5]。
图2-2为变频器的方框图
图2-2变频器组成方框图
（1）整流电路—交-直部分
整流电路由二极管或晶闸管构成的桥式电路组成，把频率、电压都固定的交流电整流成直流电。
（2）直流中间电路部分—滤波电路
根据储能元件不同，滤波电路分为电容滤波和电感滤波两种，分别构成电压型变频器和电流型变频器。
（3）逆变电路—直-交部分
逆变电路是交-直-交变频器的核心部分，把直流电逆变成频率、电压都可调的三相交流电源，直接控制电机。
2.2.2变频器的控制方式常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制，如图2-3所示。
系统根据恒压的控制要求，采用的是PID调节方式（内含在变频器中）的闭环控制。
图2-3变频调速系统的控制方式
2.2.3变频器的选择根据电动机的功率和控制系统的要求可以选择西门子MM430变频器，该变频器配有PID功能。
通过外部电位器作为压力给定值。
管网上的压力传感器传来的压力信号（4至20mA）当成压力反馈到变频器的辅助输入端10端、11端。
变频器不停的追踪设定压力值与管网压力间的偏差程度。
通过变频器内PID的运算，改变变频器输出频率，调整水泵的转速。
且经过PLC控制水泵的变频供电与工频供电的转换，控制水泵的台数，实现闭环控制，来实现水压保持稳定。
2.2.4变频器的接线管脚5接PLC的Q0.7管脚，控制电机的正转。
I0.0接变频器的20接口，I0.3接变频器的18接口，I0.4接变频器的19接口。
频率检测的上/下限信号分别通过18脚和19脚输出至PLC的I0.3与I0.4输入端作为PLC增泵、减泵控制信号。
变频其接线图如图2-4所示。
图2-4变频器接线图
2.2.5变频器的参数系统的正常运行还需要进行相关的参数设置，以下是变频器在本系统中主要参数设置，如表2-1所示，变频器PID参数设置如表2-2所示。
表2-1常用参数设置
参数号
参数名称
Default
Level
DS
QC
P0003
用户参数访问级
1
1
CUT
—
P0004
参数过滤器
0
1
CUT
—
P0010
测试用参数过滤器
0
1
CT
N
P3950
访问隐含参数
0
4
CUT
—
P1000
频率设定值选择
2
2
C
Q
P0700
命令源控制方式
2
1
CT
Q
P3900
快速调试结束
0
1
C
Q
P0201
电源电压
380
3
CT
—
P1333
FCC的启动频率
10.0
3
CUT
—
P1350
电机软启动
0
3
CUT
—
P1300
电动机的控制方式
1
2
CT
Q
P1310
连续提升
50.0
2
CUT
—
P1311
加速度提升
0.0
2
CUT
—
P1312
启动提升
0.0
2
CUT
—
P1316
提升结束的频率
45.0
3
CUT
—
P0304
电动机的额定电压
380
3
CUT
—
P0305
电动机的额定电流
7.9
3
CUT
—
P0307
电动机的额定功率
3.0
3
CUT
—
P1081
电动机的最小工作频率
15.0
3
CUT
—
P1082
电动机的最大工作频率
45.0
3
CUT
—
P0311
电动机的额定转速
2800
3
CUT
—
P0970
复位工厂设定值
0
1
C
—
表2-2变频器PID参数设置
参数号
参数名称
Default
Level
DS
QC
P2203
固定的PID设定值3
20.0
3
CUT
N
P2204
固定的PID设定值4
30.0
3
CUT
N
P2205
固定的PID设定值5
40.0
3
CUT
N
P2216
固定的PID设定方式1
1
3
CT
N
P2217
固定的PID设定方式2
1
3
CT
N
P2218
固定的PID设定方式2
1
3
CT
N
P2255
PID设定值的增益因子
100.0
3
CUT
N
P2256
PID微调信号的增益因子
100.0
3
CUT
N
P2257
PID设定值斜坡上升时间
5.0
2
CUT
N
P2258
PID设定值斜坡下降时间
5.0
2
CUT
N
P2267
PID反馈最大值
20.0
3
CUT
N
P2268
PID反馈最小值
4.0
3
CUT
N
P2269
PID的反馈增益
100.0
3
CUT
N
P2280
PID的比例增益系数
3.0
2
CUT
N
P2285
PID的积分时间
2.0
2
CUT
N
P2291
PID的输出上限
100.0
2
CUT
N
P2292
PID的输出下限
0.0
2
CUT
N
P2293
PID输出斜坡上升、下降时间
5.0
3
CUT
N
2.3传感器的选择
系统控制的质量由检测元件的精度直接决定。
在恒压供水系统中，一般用各种压力传感器测量管网的压力。
传统压力传感器主要利用弹性元件，如电感、电容压力传感器等。
KYB型号压力传感器的结构与其不同，是一种高精度的仪器。
它内含的A/D和D/A转换电路恒压更加方便了供水中反馈调节[6]。
根据要求选用KYB-800KT型压力传感器。
KYB-800KT压力传感器由扩散硅压力芯片和信号处理电路组成，当外加压力时，将引起压力芯片的输出电压以生变化，再经信号处理电路将其放大，并转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。
KYB-800KT型压力传感器由压力敏感部件、恒流源供电电路、信号放大处理电路组成。
压力敏感部件采用国际高品质扩散硅压阻式压力传感器，其利用两个单晶硅片结合在一起，上面硅片通过微机械加工工艺构成一个惠斯通电桥，该电桥电压输出与作用在硅片上的压力差成比例；恒流源供电电路可产生2（mA）DC的电流，用于激励压力传感器工作。
信号放大处理电路用于将惠斯通电桥产生的电压信号线性放大处理后并转换成0-5（V）DC和4-20（mA）DC等多种工业标准化信号。
KYB-800KT系列产品采用国际先进生产工艺及电子元部件，在严格的质量保证体系的保障下生产制造，具有精度高、体积小、重量轻、安装方便、工作稳定可靠等优点。
2.4水泵电机的选择
根据工厂的需要及保证系统的稳定性，这里选取2种型号的水泵，小泵（电机功率30kW、转速1450r/min）为常开泵能够调节到工频，大泵只能在变频状态下工作。
扬程用H表示，单位为米（m）。
泵的压力用P表示，单位为Mpa，H=P/ρ.如P为1kg/cm2，则H=（lkg/cm2）/（1000kg/m3）=（10000kg/m2）/1000kg/m3=10m，1Mpa=10kg/cm2，H=（P2-P1）/ρ（P2=出口压力P1=进口压力）,根据工厂要求选择小泵为QW150-180-30-30，大泵为QW150-180-30-45。
参数如表2-3所示。
表2-3水泵型号参数表
水泵型号
口径
流量
参考扬程
额定功率
转速
配备电机型号
QW150-180-30-30
150mm
180m3/h
30mm
30kw
1450r/h
Y220L-4
QW150-180-30-45
150mm
180m3/h
30mm
45kw
1450r/h
Y220L-4
2.5可编程控制器的硬件设计
2.5.1PLC简介在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会（NEMA）经过4年的调查，于1980年把这种新型的控制器正式命名为可编程序控制器（ProgrammableController），英文缩写为PLC，并作如下定义：
“可编程序控制器是一种数字式电子装置。
它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制[7]。
PLC采用循环扫描的工作方式，简言之，就是集中输入、集中输出，周期性循环扫描的过程工作。
扫描一次全过程所需的时间称为扫描周期[8]。
扫描分为“输入采样阶段”、“程序执行阶段”和“输出刷新阶段”。
PLC特点如下：
（1）高可靠性
光电隔离应用于所有的I/O接口，工业现场外电路与PLC内部路采用电气上隔离。
R-C滤波器应用于各输入端。
各模块采用屏蔽的措施有效减少干扰辐射。
采用优良的开关电源。
采用严格筛选的器件。
当有异常情况，自诊断功能会使CPU立刻采取措施，防止增大故障，如电源、软，硬件异常等。
增强大型PLC可靠性可用由双CPU组成的冗余系统或三CPU组成表决系统。
（2）丰富的I/O接口模块
PLC应用于不同的工况，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备进行连接。
人-机对话的接口模块提高了操作性能，此外多种通讯联网的接口模块形成了工业的局部网络等。
（3）模块化结构的应用
为了符合各种工况需要，除了小型PLC以外，绝大多数PLC都用模块化的结构。
PLC各部件，包括CPU，电源，I/O等都用模块化的设
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