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PLC与变频器自动控制的小区供水系统.doc
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2023-08-29
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PLC与变频器自动控制的小区供水系统.doc
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摘要:本文介绍了以可编程逻辑控制器与变频器为核心的控制系统,并
对其控制原理、硬件选择、软件设计进行重点阐述,从而对传统的城市供水系
统进行改造,可以有效的解决以前供水压力波动大、系统故障率高、能源浪费
严重等一系列问题。同时,系统具有自动和手动两种控制方式,便于对系统进
行维护修理,并能通过应用软件对供水系统进行监控和远距离控制。提高效率,
实现自动化供水。
关键字:PLC; 变频器 ;自动控制
Abstract: This article has introduced the control system with Programmable
Logical Controller and Frequency Converter at the core, and emphatically describe
this control system’s control principle, the hardware choosing and software design.
Thus transformed the traditional city water -supply system. Effective settlement
supply water pressure to fluctuate heavy , the system publishes fault rate high,
energy series waste such as these problems. Meanwhile, the system has automatic
and manual two kinds of control way. Can be convenient maintain and repairing to
the system. And Monitor the water -supply system through the application software
and with Large distance. Raise the efficiency, realize automation supplies water.
Key Words: PLC;Frequency Converter;Automatically Control
1 引言
一般规定城市管网的水压只保证 6 层以下楼房的用水,而对 6 层以上的则
须提升水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、气压罐式的增压设
备,或是通过在楼顶建蓄水池来实现的,蓄水池中的水是由一个或多个水泵提
供,而且这些水泵电机有很大一部分是不能变速的拖动系统,不能变速电机的
电能大多消耗在为了适应供水量的变化而不得不频繁的启、停水泵中。这样不
但会使水泵电机工作在低效率区,缩短电机的使用寿命,而且电机的频繁启动
和停止会产生很大的冲击,从而导致设备故障率很高,造成水资源的严重浪费,
而且使系统的维护、维修费用较多,工作量较大。并且这些水泵都是以高出实
际用水高度的压力来提升水压,其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。
随着社会主义现代化建设的迅速发展和人们住房条件的提高,高位生活用
水和工业用水逐渐增多,传统的控制方法已经落后。以前采用人工进行控制蓄
水池的水位,由于不可能每时每刻对水位进行准确的定位监测,并且带有很大
的主观性,所以很难准确控制水泵电机的起停;使用浮子或其它机械水位控制
装置使供水状况有了一些改善,但由于机械控制装置的故障率高,可靠性差,
给日常维护和维修带来很大的麻烦。
针对以上所存在的问题,结合工控行业的发展,特别是 PLC 和变频技术在
社会各个领域的应用,可以用它来解决水压控制系统存在的以上问题。并且变
频技术在城市供水领域有节能、安全与恒压方面的优越性。
为了实现供水的自动控制,一般选用以单片机与变频器或 PLC 与变频器结
合为核心,这样所构成的系统都能达到较为理想的控制效果。对 PLC 与单片机
在供水系统中应用的一些主要方面做了简单的比较如表 1 所示:
表 1 PLC 与单片机在供水系统中应用的比较
硬件
软件
抗干扰能力
经济成本
单片机
电路相对复杂
需要有较多的外围元件
程序设计复杂
程序修改麻烦
较差
低
PLC
体积小、高集成
有多种扩展模块
编程简洁直观
程序修改简单
很强
高
通过上表的比较,从经济方面考虑,由于 PLC 工艺的日渐成熟,小型 PLC
的成本与单片机相差不大,为了实现通用性,要求能够根据现场的使用情况方
便的修改、调整系统控制参数,对于供水系统来说,时间参数变化较多,与单
片机相比 PLC 的软件中时间参数的调整更简单。
基于以上原因,选用了 PLC 与变频器结合来实现对高楼的恒压供水,再加
上变频器内置的 PID 调节与 DBS 316A 型压力变送器,使软件程序的设计简单
化,硬件接口简易可行、提高系统运行的可靠性,特别是整个系统的稳定性和
抗干扰能力很强,不仅改变传统用阀门控制水量的多少,也改善了传统控制方
法的故障率较高的弱点,而且在节能、恒压控制等方面均有非常好的使用效果。
2 控制系统的工作原理
2.1 变频调速原理
变频供水设备主要由变频器、控制系统及传感器等部分组成。控制系统通
过控制变频调速器,将 50Hz的交流电调到以 0~50Hz之间任意频率输出,实
现交流电机的无极调速,最终达到生产过程的定量控制及最优化控制,当变频
系统为开环时,设备可以人为设定输出任意频率控制电机转速;当变频系统为
闭环时,随着反馈等要求的变化,根据设定的系统供水压力值,自动跟踪输出
相应的频率。
水泵电机通常由三相交流异步电动机来拖动,对水泵的调速是通过对其电
机转速的调节来实现。我们知道:异步电动机转速n=60f(1—S)/P。在这个公
式中,f为电机电源的频率,P 为电机的磁极对数,S 为转差率(0~3%或 0~6%)。
由上述电机的转速公式可见:要想改变电机的转速,可以通过三种方法来实现:
(1) 改变电动机的频率 f;
(2) 改变电动机的转差率 S;
(3) 改变电动机的磁极对数 P。
通过对上面三种方法的分析可以知道:改变电动机的转速的最好方法是改
变电动机电源的频率。因为,转差率 S 的范围在(0~3%或 0~6%)之间,由此
转差率 S 对电动机的影响不大,调速效果不明显,效率相对较低;改变磁极对
数 P 这种方法,首先它不容易实现,其次,由电机的工作原理决定了电机的磁
极数是固定不变的。由于该磁极数值不是一个连续的数值(为 2 的倍数,例如
极数为 2,4,6),所以一般不适合通过改变该磁极对数 P 来调整电机的速度。
电动机的转速n和供电电源的频率 f 成正比,要设法改变三相交流电动机
的频率f,就能十分方便地改变电动机的转速n,另外,频率 f 能够在电机的
外面调节后再供给电机,这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。比改变磁
极对数P和转差率S两个参数简单方便得多。而实际上如果仅仅改变电动机的
频率并不能获得良好的变频特性。如果电压不变,频率下调至小于 50Hz时,
会使电机气隙磁通φ(约等于V/f)饱和;反之,电压不变,频率上调至大于 50
Hz时,则使磁通减弱。所以真正应用变频调速时,需要同时改变电压 V 和频
率 f,以保持磁通基本恒定。
变频调速 装 置又称为 VVVF 装置。VVVF 是 Variable Voltage and
Variable Frequency 的缩写,意为改变电压和改变频率,也就是人们所说的
变压变频。根据水泵叶轮相似定律及其特例比律,水泵供水量Q与电机转速n
成正比,供水扬程 H 与n的平方成正比,水泵轴功率 N 与n的 3 次方成正比。
通常,电机产生的转矩要随频率的减小(速度降低)而减小。通过使用磁
通矢量控制的变频器,将改善电机低速时转矩的不足,甚至在低速区电机也可
输出足够的转矩。
失量控制具有转矩提升功能,它能增加变频器在低频时的输出电压,以补
偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失,从而改善电机的输出转矩。改善电
机低速输出转矩不足的情况,使用"矢量控制",可以使电机在低速时的输出转
矩可以达到电机在 50Hz 供电输出的转矩。对于常规的 V/F 控制,电机的电压
降随着电机速度的降低而相对增加,这就导致由于励磁不足,而使电机不能获
得足够的旋转力。为了补偿这个不足,变频器中需要通过提高电压,来补偿电
机速度降低而引起的电压降。
转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压,电
机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量
和其它分量。矢量控制把电机的电流值进行分配,从而确定产生转矩的电机电
流分量和其它电流分量的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应,
进行优化补偿,在不增加电流的情况下,允许电机输出大的转矩。
2.2 系统工作原理
整个控制系统是由 PLC、变频器、压力变送器、温度变送器,水泵电机等
组成,水泵均采用三相异步电动机来拖动,在这个控制系统中共有 4 台水泵电
机,因为在不同的时间段内人们所用水量是不同的,根据人们的用水规律:在
白天用水量很大,晚上特别是零点以后,人们的用水量又是特别小。为了不使
能源浪费,选用 1 台小功率电机和 3 台大功率电机。用一台小功率电机来拖动
一个水泵,以便于晚上或白天的某个时间段用水量很小的时候工作,在用水量
大的时候,就让 3 个大功率电机的某台或其中的两台电机工作,当用水量特别
大的时候就让 3 台电机同时运行,来满足人们用水的要求。同时,由于系统中
采用了压力变送器,可以方便的调节变送器,通过控制系统使管道内的水压稳
定在一个基本不变或者变化量极小的范围内,从而实现恒压供水。整个系统的
工作原理方框图如(图 1)所示。
由图 1 可知,控制信号的采集是由压力变送器和温度变送器来完成的,由
压力变送器采集的管道中的压力信号,经过 PLC 的智能扩展模块 A21 来进行
模数转换,A21 根据变送器传递来的标准的电流或电压信号的大小,把模拟量
按一定的关系转换成 PLC 内部的数字信号,然后由 PLC 将转换后的数字信号与
事先设定的压力值相比较,根据比较的结果,控制相应的输出来决定让哪一个
水泵电机工作,并且决定是以工频方式工作还是以变频方式工作,在这个恒压
供水系统中,一台变频器带 4 台水泵电机,每台水泵电机既可以在常规工频模
式下工作,也可以在变频模式下工作。但是每台水泵电机在任一时刻只能处于
变频工作模式或工频工作模式中的一种,在设计中通过 PLC 内部的输出继电器
进行互锁,为了确保水泵电机安全工作,同时在外部用两个交流接触器互锁来
保证它的安全与可靠。
AMB—G9—110T3
安邦信 变频器
温
度
变
送
器
压
力
变
送
器
图 1 系统工作原理方框图
变频器与其外围设备之间的接线图如(图 2)所示;
图 2 变频器与其外围调设备的接线图
在图 2 中,MCCB 的作用为:快速切断变频器的故障电流并防止变频器及
其线路故障导致电源故障;MC 的作用为:在变频器故障时切断主电源,并防
止停电及故障后的再起动。ALC 的作用为:用于改善输入功率因数,降低高次
谐波及抑制电源的浪涌;NF 的作用为:减小变频器产生的无线电干扰。电机
与变频器间配线距离小于 20 米时,连接在电源侧,配线距离大于 20 米时,连
松下 FP0—32CP
系列 PLC
A21
扩展单元
继电器组
水泵电机
风扇电机
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oligaga
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