基于plc控制的變頻調速恒壓供水系統設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路。逆變電路最常見的結構形式是利用 6個半導體主開關器件組成的三橋式逆變電路。有規律的控制逆變器中主開關的通與斷，可 以得到任意頻率的三相交流輸出。現代變頻器控制電路的核心器件是微型計算機，全數字化控制為變頻器的優良性能提供了硬件保障 。圖 32為電流型變頻器主電路基本結構示意圖。 圖 32 電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結構 (a)電壓型變頻器主電路； (b)電流型變頻器主電路 電源 M~ 電動機 平 滑 電 容 + M~ 電動機 平滑電感 電源 （ a） （ b） 11 Fig23 Voltage frequency changer and current mode frequency changer main circuit basic structure (a) voltage frequency changer main circuit； (b) current mode frequency changer main circuit 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） fU 控制。 fU 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。 fU 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 fE控制。采用 fU 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 fE 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式。更重要的是，在 fE =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12 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。 變頻器的操作方式及使用 和 PLC一樣，變頻器是一種可編程的電氣設備。在變頻器接入電路工作前，要根據通用變頻器的實際應用修定變頻器的功能碼。功能碼一般有數十甚至上百條， 涉及調速操作端口指定、頻率變化范圍、 力矩控制、系統保護等各個方面。功能碼 在出廠時已按默認值存儲。修訂是為了使 變頻器的性能與實際工作任務更加匹配。 變頻器與外界交換信息的接口很多，除了主電路的輸入與輸出接線端外，控制電路還設有許多輸入輸出端子，另有通 信接口及一個操作面板，功能碼的修訂一般就通過操作面板完成。 變頻器的輸出頻率控制有以下幾種方式： （ 1）操作面板控制方式。這是通過操作面板上的按鈕手動設置輸出頻率的一種操作方式。具體操作又有兩種方法，一個按面板上頻率上升或頻率下降的按鈕調節輸出頻率，另一個方法是通過直接設定頻率數值調節輸出頻率。 （ 2）外輸入端子數字量頻率選擇操作方式。變頻器常設有多段頻率選擇功能。各段頻率值通過功能碼設定，頻率段的選擇通過外部端子選擇。變頻器通常在控制端子中設置一些控制端，如圖 4端子 XX X3，他們的 7種組合課選定 7種工作頻率值。這些端子的接通組合可通過機外設備，如 PLC控制實現。 (3)外輸入端子模擬量頻率選擇操作方式。為了方便與輸出量為模擬電流或電壓的調節器、控制器的連接，變頻器還設有模擬量輸入中的端，如圖 34中的 C1端為電流輸入端，端為電壓輸入端，當接在這些端口上的電流或電壓量在一定范圍內平滑變化時，變頻器的輸13 出頻率在一定范圍內平滑變化。 (4)通信數字量操作方式。為了方便與網絡接口，變頻器一般都設有網絡接口，都可以通過通信方式接 收頻率控制指令，不少變頻器生產廠家還為自己的變頻器與 PLC 通信設計了專用的協議 。 變 頻器硬件 選擇 根據設計要求， 變頻器選用日本安川變頻器 CIMRP5A45P5 產品。 該產品可以和三菱 PLC 工作協調。 變 頻器選用日本安川變頻器CIMRP5A45P5 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 (0～ 10 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。 M 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，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 M M 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 (0～ 10V)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14 變水泵轉速。變頻器端子的 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。變頻控制系統主回路如圖 62所示。 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 33為日本安川變頻 器 CIMRP5A45P5在電路中的接線圖。 圖 33 日本安川變頻器 CIMRP5A45P5在電路中的接線圖 Fig 33 Japan39。s converter CIMRP5A45P5 Yasukawa in the circuit in the wiring diagram 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，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 4～ 20mA 變化的電流信號或 0～ 10V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R S T S1 U S2 V S3 W VVVF FI FC M1 M2 M3 M4 接 PLC 接 PLC 接指示燈 接 電 機 ~380V 7 8 15 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，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。 供水系統的壓強是 gh??P ，下面單位都是估計標準單位310?? ， g=，一般情況下， h60 米，所以本系統供水系統輸出壓力一般小于或等于 ， 系統選用 YTZ150 型帶電接點式的壓力傳感器， 其水壓檢測范圍為 0～ 1MPa，檢測精度為土 ，該傳感器將 0～ 1MPa 范圍的壓力對應轉換成 0～ 10V 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。 16 4 PLC選擇及應用 PLC 在恒壓供水泵站中的主要任務 (1)代替調節器實現水壓給定值與反饋值的綜合與調節工作，實現數字式 PID調節一只傳統調節器往往只能實現一路 PID設置，用PLC作調節器可同時實現多路 PID設置在多功能供水泵站的各類情況 中 PID參數可能不一樣，使用 PLC作數字式調節器就十分方便。 (2)控制水泵的運行與切換。在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設備均勻地磨損，水泵及電機是輪換工作的。在設單一變頻器的多泵組泵站中，如規定和變頻器相連接的泵為主泵，主泵也是輪流擔任的。主泵在運行時達到最高頻率時 。 增加一臺工頻泵投入運行 PLC則是泵組管理的執行設備。 (3)變頻器的驅動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采 PLC的模擬量控制模塊 ， 該模塊的模擬量輸入端接受傳感器送來的模擬信號 。 輸出端送出經給定值與反饋值比較并經 PID處理后得出的模擬量控制信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。 (4)泵站的其他邏輯控制。除了泵組的運行管理工作外，泵站還有許多邏輯控制工作 ， 如手動、自動操作轉換，泵站的工作狀態指示，泵站工作異常的報警，系統的自檢等 ， 這些都可以 在 PLC的控制程序中安排。 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17 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 N2 系列 PLC的模擬量模塊 以及 ，它們分別具有 FX N2 4AD及 FX N2 2DA， 它們分別具有 4路模擬量輸入及 2路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中。 模擬量輸入模塊的功能及與 PLC 系統的連接 FX N2 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 4～ 20mV（ 分辨率為 16μ A）或 20～ +20mA（ 分辨 20μ A） 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 31所示，當使用電流輸入時，需將V+及 I+端短接。 圖 41 FX N2 4AD模塊的連接方法 Fig41 FX N2 4AD method of connecting module FX N2 4AD的寬及高與 FX N2 相同，在安裝時裝在 FX N2 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 ， 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 42所示 FX N2 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 ，24+ 地 24 FG VI I+ V+ FG VI I+ V+ 24VDC 電流輸入 4～ 20mA 電壓輸入 10～ +10V 18 FU2 SA 1 0 2 KM1 KM3 KM6 KM5 KM5 FR3 HL5 KM3 FR2 HL3 KM4 HL4 14 KM5 KM6 HL6 YV2 HL10 KA 基本單元 0 1 2 +24VDC電源 （ 外部 電源） 55mA電流。其通常轉換速度為 15ms/ 通道，高速轉換速度為 6/ms通道。 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 N2 4AD模塊利用緩沖存儲器 (簡稱 模 BFM)的設置完成編輯工作。 FX N2 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： L1 FX N2 32MR A/D FX N2 8EX A/D D/A F