變頻器綜合設計變頻器綜合設計 變頻器控制恒壓供水系統變頻器控制恒壓供水系統 專業班級 專業班級 1515 電氣普招電氣普招 設計人 設計人 王于風王于風 學號 學號 7 7 指導教師 指導教師 雷鋼雷鋼 設計時間 設計時間 20172017 年年 1010 月月 2020 日日 摘 要 恒壓供水在城市自來水管網系統 住宅小區生活消防用水系統 樓宇中央空調 冷卻循環水系統等眾多領域中均有應用 恒壓供水是指用戶端在任何時候 不管用 水量的大小總能保持管網中水壓的基本恒定 在恒壓供水系統中可根據壓力給定的 理想值信號及管網水壓的反饋信號進行比較 變頻器根據比較結果調節水泵的轉速 達到控制管網水壓的目的 本文主要針對當前供水系統中存在的自動化程度不高 能耗嚴重 可靠性低的 缺點加以研究 開發出一種新型的并在這三個方面都有所提高的變頻式恒壓供水自 動控制系統 全文共分為四章 第一章闡明了供水系統的應用背景 選題意義及主 要研究內容 第二章闡明了供水系統的變頻調速節能原理 第三章詳細介紹了系統 硬件的工作原理以及硬件的選擇 第四章詳細闡述了系統軟件開發并對程序進行解 釋 關鍵詞關鍵詞 恒壓供水 PLC 變頻技術 I 目 錄 摘 要 II 1 變頻控制系統簡介 1 1 1 變頻調速供水控制系統簡介 1 1 2 變頻調速在供水行業中的應用 1 2 供水系統的變頻調速節能原理 4 2 1 水泵調速運行的節能原理 4 2 2 本系統總體介紹 5 3 系統硬件的工作原理及硬件選擇 7 3 1 PLC 的工作原理及選擇 7 3 2 變頻調速系統原理及選擇 9 3 3 壓力傳感器的選擇 12 3 4 水泵的選擇 13 3 5 鑒頻鑒相問題 14 3 6 控制電路 16 4 系統軟件開發 18 4 1 PLC 編程簡介 18 4 2 PLC 程序解釋 26 致 謝 29 參考文獻 30 0 1 變頻控制系統簡介 1 11 1 變頻調速供水控制系統簡介變頻調速供水控制系統簡介 變頻調速供水控制系統是集現代變頻調速技術 PLC 技術 監控技術和計算機技術為 一體的新一代給水控制系統 該系統完全可以取代傳統的水塔 高位水箱和氣壓罐等給 水方式 與傳統的給水方式相比 該系統不但滿足了現代工礦企業 城鎮居民和高層建 筑對新型給水系統的要求 系統采用內置變頻調速器 先進的可編程控制器等現代控制技術 對水泵機組進行 閉環控制 確保壓力波動小 達到設定壓力時間短 且可隨用水量的變化自動調節水泵 轉速及工作水泵臺數 確保恒壓變量供水 系統采用現代計算機數字控制技術和模塊化 標準化的設計 滿足多種本地和遠程聯網協議 系統的可擴展性強 系統具有手動 自動操作方式 系統壓力 電機電流 電機頻率和電機累計運行千瓦 時 LED 顯示 變頻器 電機工況與故障指示及防誤操作等功能 系統具有輸入電源缺相 不平恒 過壓 過流 過載 短路 電機過熱 飛速啟動 斷水及低水位停機等完善的 安全保護功能 有效的提高了給水成套設備的安全可靠性 該系統還配有完善的故障自診斷 故障檢修手動工作方式等功能 使維修工作十分 輕松快捷 由于控制回路與負載回路之間是通過中間繼電器實現電隔離和信號耦合的 因此系統的抗干擾能力強 系統自動檢測瞬時水壓 并據此調節水泵的供水量 機組特 性曲線接近管網損失特性曲線 節能效果顯著 由于變頻器對電機實行的是循環軟啟動 控制 啟動平穩無沖擊 提高了電機 水泵和管道等的壽命 減少了管網的泄露 此外 由于系統無需高位水箱等設備 不但節省了投資 而且無水質二次污染問題 本系統還 可以將生產 生活 消防等系統合為一體 投資省 占地少 經濟效益明顯 1 21 2 變頻調速在供水行業中的應用變頻調速在供水行業中的應用 作為高性能的調速傳動 直流電動機調速控制方法長期以來一直應用廣泛 但是直流 電動機由于換向器和電刷維護保養很麻煩 價格也相當昂貴 使異步電機實現性能好的 調速一直是人們的理想 異步電機的調速方法很多 例如變極調速 有極調速 定子調 壓調速 串級調速 變頻調速等 但是因為各種各樣的缺點沒有得到廠泛的應用 70 年代以后 由于微電子技術 電力電子技術和微處理機技術的發展 促使晶體管 1 變頻器的誕生 晶體管變頻器不但克服了以往交流調速的許多缺點 而且調速性能可以 和直流電動機的調速性能相媲美 三相異步電動機具有維修方便 價格便宜 功率和轉 速適應面寬等優點 其變頻調速技術在小型化 低成本和高可靠性方面占有明顯的優勢 到 80 年代末 交流電機的變頻調速技術迅速發展成為一項成熟的技術 它將供給交流電 機的工頻交流電源經過二極管交流變成直流 再逆變成頻率可調的交流電源 以此電源 拖動電機在變速狀態下運行 并自動適應變負荷的條件 它改變了傳統工業中電機啟動 后只能以額定功率 定轉速的單一運行方式 從而達到節能目的 現代變頻調速技術應 用于電力水泵供水系統中 較為傳統的運行方式是可節電 40 60 節水 15 30 由于變頻調速具有調速的機械特性好 效率高 調速范圍寬 精度高 調整特性曲 線平分 可以實現連續的 平穩的調速 體積小 維護簡單方便 自動化水平高等一系 列突出的優點而倍受人們的青睞 尤其當它應用于風機 水泵等大容量負載時 可以獲 得其它調速方式無法比擬的節能效果 變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器 變頻器可分成交流 直流 交流變頻器和交流 交流變頻器兩大類 目前國內大都使用交 直 交變頻器 自從通用變頻器問世以來 變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用 變頻調速 恒壓供水設備以其節能 安全 高品質的供水質量等優點 使我國供水行業的技術裝備 水平從 90 年代初開始經歷了一次飛躍 恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速 依據 用水量的變化自動調節系統的運行參數 在用水量的變化自動調節系統的運行參數 在 用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求 是當今最先進 合理的節能型供水系 統 在實際應用中得到了很大的發展 隨著電力電子技術的飛速發展 變頻器的功能也 越來越強 充分利用變頻器內置的各種功能 對合理設計變頻調速恒壓供水設備 降低 成本 保證產品質量等方面有著非常重要的意義 新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比 不論是設備的投資 運行的經濟性 還是系統的穩定性 可靠性 自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢 而且具有顯著的節能效果 恒壓供水調速系統的這些優越性 引起國內幾乎所有供水設 備廠家的高度重視 并不斷投入開發 生產這一高新技術產品 目前該產品正向著高可 靠性 全數字化微機控制 多品種系列化的方向發展 追求高度智能化系列標準化是未 來供水設備適應城鎮建設成片開發 智能樓宇 網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨 勢 在短短的幾年內 變頻調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發展過程 早期的 2 單泵調速恒壓系統逐漸被多泵調速系統所代替 雖然單泵調速系統設計簡易可靠 但由 于單泵電機深度調速造成水泵 電機運行效率低 而多泵調速系統投資更為節省 運行 效率高 被實際證明是最優的系統設計 很快發展成為主導產品 2 供水系統的變頻調速節能原理 2 12 1 水泵調速運行的節能原理水泵調速運行的節能原理 全自動變頻調速供水控制系統采用專用供水控制器控制變頻調速器 通過安裝在管 網上的遠傳壓力表 把水壓轉換成電信號 通過接口輸入控制器內置的 PID 控制器上 用以改變水泵轉速 當用戶用水量增大 管網壓力低于設定壓力時 變頻調速器的輸出 頻率將增大 水泵轉速提高 供水量加大 當達到設定壓力時 水泵恒速運轉 使管網 壓力穩定在設定值上 反之當用戶用水量少 管網壓力高于設定壓力時 變頻調速器的 輸出頻率將降低 水泵轉速下降 供水量減少 使管網壓力穩定在設定壓力 這樣反復 循環就達到了恒壓變量供水的目的 水泵 配 電 柜 控 制 柜 至用戶 壓力信號 壓力傳感器 水池 圖 2 1 供水系統原理圖 供水系統的工作原理如圖 2 1 所示 由自來水管網或其它水源提供的水進入蓄水池經 加壓水泵進入用戶管網管路 通過壓力傳感器按提供網的壓力信號 傳送給控制系統的 PID 經 PID 運算后輸出信號控制變頻器的輸出頻率 從而控制水泵的轉速進而保持供水 管道的壓力基本恒定 用戶用水量大時 管網管路壓力下降變頻器頻率就升高 水泵轉 3 速加快 反之頻率下降 水泵減速運行 從而維持恒壓供水 當用水量大于一臺水泵的 最 大供水量時 通過 PLC 自動切換電路工作再投入一臺水泵 根據最多用水量的大小 可投入數臺水泵 在供水系統中 控制對象是水泵 控制目標是保持管網水壓恒定 控 制方法是壓力信號的反饋閉環控制 它的自動控制原理圖見圖 2 2 圖 2 2 變頻式恒壓供水自動控制原理圖 2 22 2 本系統總體介紹本系統總體介紹 本系統針對的用戶是自來水公司供水系統和水廠 泵站等各種泵類電機的調速和控 制 控制對象應盡量做到通用型 系統功能設計和設備選擇主要立足于通用性 可靠性 和經濟性和節能效果 而對于特殊情況下的供水系統不在本系統控制范圍之列 事實上特 殊供水系統也只是在通用系統功能實現的基礎上充分考慮到特殊性 最根本的還是在于 一般系統的研制 在本論文中 我們以四臺水泵為控制對象 建立一個模型 研制一種 新型的控制系統使得水泵轉速跟隨用水量的變化而變化 實現變頻 恒壓 無級調速的 供水系統 從而達到節能 節水 充分利用設備 高可靠性 高自動化程度的目的 如圖 2 3 所示 供水系統由四臺泵 二用二備 組成 由一臺可編程控制器和一臺變頻 器切換控制任一臺電機調速 水泵可變供電回路由工頻回路和變頻器提供的變頻回路組 成 通過 PLC 和變頻器將各臺水泵按照一定的規律順序投入運行和順序停止運行 使整 個的供水回路處于最佳的配置狀態 變頻器則具體的微調當前水泵的轉速 使轉速變化 跟隨管網壓力變化 實際上是跟隨用戶用水量的變化 1 號泵 2 號泵 3 號泵 4 號泵 水泵切換電路 變頻器 PID 壓力傳感器 PLC 4 3 系統硬件的工作原理及硬件選擇 3 13 1 PLCPLC 的工作原理及選擇的工作原理及選擇 3 1 13 1 1 PLCPLC 的簡介的簡介 PLC是以微機控制技術為基礎 通過編程 可以執行諸如邏輯判斷 順序控以時 計 數 運算等功能 并通過數字或模擬I O組件控制機械設備 與傳統的繼電器控制盤相比 PLC控制系統體積小 可靠性高 更易使用和維護 且 能在工廠環境下進行編程 便于擴充和修改功能 又具有向中央數據采集系統傳遞信息的 能力 通過接插件 所有輸入端點能直接和工業現場的開關 接點直接相連 所有輸出端 點能直接驅動繼電器 電磁閥 電機啟動器的線圈等 它的發展大致經歷了三個發展時 期 1 形成期 1970 1974年 早期的PLC采用小規模的IC構成專用的邏輯處理芯片 CPU 采用機器語言或匯編語言編程 僅有邏輯控制指令 控制點少 功能簡單 并沒有獲得 廣泛重視 2 成熟期 1974 1978年 隨著單電源的8位處理器的出現 在小型化 高可靠性多功能 及價格等方面 PLC的研制和應用水平有了飛速發展和提高 PLC開始具有了多個CPU 設 置了定時器 計算器并具有了算術運算功能 圖 地址總線 數據總線 行程開關 模擬量輸入 繼電器觸點 開關或傳感器 地址總線 控制總線 照明 電磁裝置 電動機 其他執行 裝置或觸 點 數據總線 編程 單元 輸 入 單 元 中 央 存 儲 單 元 存 儲 器 輸入 輸出 數據 存儲 輸 出 單 元 電源單元 5 3 1 PLC結構示意圖 3 加速發展期 1978年以來 從70年代末到80年代 PLC的應用和制造呈現了蓬勃發展 的趨勢 一方面研制出了高性能不同規模的PLC控制系統 開發了多種智能I O模塊 充 分吸收了計算機和通訊技術 實現了分布式分級控制的PLC網絡系統 另一方面也逐一生 產一般機械加工邏輯控制而價格較為便宜的微小型PLC 對PLC普及應用起了重要推動作 用 PLC的典型硬件系統構成見圖3 1 3 1 23 1 2 PLCPLC的選擇的選擇 可編程控制器 programmable logical controller 簡稱PLC 已經越來越多地應用 于工業控制系統中 并且在自動控制系統中起著非常重要的作用 所以 對PLC的正確選 擇是非常重要的 1 工作量 這一點尤為重要 在自動控制系統設計之初 就應該對控制點數 數字量及模擬量 有一個準確的統計 這往往是選擇PLC的首要條件 一般選擇比控制點數多10 30 的 PLC 本設計中開關量16個 控制量6個 1個模擬量輸出 3個模擬量輸入 2 工作環境 工作環境是PLC工作的硬性指標 自控系統將人們從繁忙的工作和惡劣的環境中解脫 出來 就要求自控系統能夠適應復雜的環境 諸如溫度 濕度 噪音 信號屏蔽 工作 電壓等 各款PLC不盡相同 一定要選擇適應實際工作環境的產品 該設計環境正常 故不用特殊型號 3 通信網絡 現在PLC已不是簡單的現場控制 PLC遠端通信已成為控制系統必須解決的問題 故 盡量選取比較常用的品牌 4 編程 程序是整個自動控制系統的 心臟 程序編制的好壞直接影響到整個自動控制系統 的運作 編程器及編程軟件有些廠家要求額外購買 并且價格不菲 這一點也需考慮在 內 要求有良好的編程軟件 5 可延性 這里包括三個方面含義 1 產品壽命 大致可以保證所選擇的PLC的使用年限 盡量購買生產日期較近的產 6 品 2 產品連續性 生產廠家對PLC產品的不斷開發升級是否向下兼容 這決定是否有 利于現系統對將來新增加功能的應用 3 產品的更新周期 當某一種型號PLC 或PLC模塊 被淘汰后 生產廠家是否能夠 保證有足夠的備品 或備件 這時應考慮選擇當時比較新型的PLC 6 性價比 由上面的的挑選規范 我挑選西門子公司的S7 200 CPU226作為本系統采用的PLC 它 的具體性能如下 本機集成24輸入 16輸出共40個數字量I O 點 可連接7個擴展模塊 最大擴展至248 路數字量I O 點或35路模擬量I O 點 13K字節程序和數據存儲空間 6個獨立的30kHz高 速計數器 2路獨立的20kHz高速脈沖輸出 具有PID控制器 2個RS485通訊 編程口 具 有PPI通訊協議 MPI通訊協議和自由方式通訊能力 I O端子排可很容易地整體拆卸 用 于較高要求的控制系統 具有更多的輸入 輸出點 更強的模塊擴展能力 更快的運行速 度和功能更強的內部集成特殊功能 可完全適應于一些復雜的中小型控制系統 3 23 2 變頻調速系統原理及選擇變頻調速系統原理及選擇 3 2 13 2 1 變頻調速系統簡介變頻調速系統簡介 在變頻器沒有出現以前 調速系統一般采用直流調速圖 但是由于結構上的原因 直 流電動機存在著很多缺點 諸如需要定期更換電刷和換向器 維護保養困難 壽命短 機 構復雜 難以制造大容量 高轉速 高電壓的直流電動機等 所以人們一直在尋找交流 調速系統 而變頻器的出現剛好解決了這個問題 與傳統的交流拖動系統相比 利用變 頻器對交流電動機進行調速控制的交流拖動系統有許多優點 如節能 容易實現對現有 電動機的調速控制 可以實現大范圍內的高效連續調速控制 容易實現電動機的正反轉 切換 可以進行高頻度的起停運轉 可以進行電氣制動 可以對電動機進行高速驅動 可以適應各種工作環境 可以用一臺變頻器對多臺電動機進行調速控制 電源功率因數 大 所需電源容量小 可以組成高性能的控制系統等等 特別是對于工業中大量使用的 風扇 鼓風機和泵類負載來說 通過變頻器進行調速控制可代替傳統上利用擋板和閥門 進行的風量 流量和揚程的控制 所以節能效果非常明顯 變頻調速的原理非常簡單 由于異步電動機的轉速為 7 n sf n 1 120 式中n為電動機轉速 r min f為電源頻率 Hz p為異步電動機磁極個數 s為轉差 所以 理論上說 只要改變f就能改變電機轉速n 3 2 23 2 2 變頻調速控制方式變頻調速控制方式 常見的變頻調速模式有兩種 一種是開環控制 另一種是速度反饋閉環控制 如圖3 2 所示 本系統根據恒壓的控制要求 采用的是PID調節方式 內含在變頻器中 的閉環控 制 變 頻 器 主 控 機 器 主 控 機 器 變 頻 器 壓力傳感器 水泵 水泵 閉環控制 欠壓信號 超壓信號 變頻器故障信號 信號 開環控制 變頻器故障信號 信號 圖3 2 變頻調速系統的控制方式 3 2 33 2 3 變頻器的輸入輸出電路變頻器的輸入輸出電路 本系統中變頻器的輸入信號有兩種 一種是控制信號 它包括PLC輸給的變頻器FWD信 號BX信號和VI 12 電壓信號 0 5V FWD信號BX信號由PLC輸出 控制變頻器的工作 開關 VI 12 控制變頻器頻率 另一種是輸入電源信號 本系統采用的三相380V的交流 電源 三相電流輸入連接在端子L1 R L2 S L3 T上 采用三相輸入的話 則用主電路 的電源端子L1 R L2 S L3 T通過線路保護用斷電器或帶漏電保護的斷路器連接至三相 交流電源 不需考慮連接相序 如果有條件的話 還可以在電源電路中串入一個電磁接 觸器 這樣就可以保證變頻器保護功能動作時能切除電源和防止故障擴大 以保證安全 盡量不要用主電路電源ON OFF的方法控制變頻器的停止和運行 應該用控制電路端子 8 FWD BX 變頻器的輸出信號也有兩種 一是送PLC的超壓信號 欠壓信號和變頻器故障信號這 三個輸出控制信號 另一是送水泵的變頻器輸出電源信號 送PLC的超壓 欠壓信號由變 頻器的Y1 Y2端子送出 Y1的內部功能設定選為頻率檢測 FDT 功能 幅值為50Hz 滯后 值為0 5Hz Y2的內部功能設定選為0速度輸出功能 變頻器輸出頻率為0Hz時輸出ON信 號 控 制 面 版 變頻器故障輸出 欠壓信號 超壓信號 送信號 送信號 送0 5電壓信號 接觸器電源 圖3 3 變頻器的I O端點連接 送PLC的變頻器故障信號我們選擇從Y3輸出 Y3的內部功能設定選擇為報警功能 變 頻器發生指定的故障時輸出信號 變頻器的輸出電源接接觸器 它給所有的工頻回路的 接觸器都提供電源信號 但是具體的哪一臺接觸器接通由PLC控制 變頻器的輸出端子 U V W 按正確的相序連接至交流接觸器的輸入電源端子上 如果電機旋轉方向不對 則說 明連接相序有錯 則改變U V W中的任意兩相的接線 變頻器和電動機 水泵 間配線很 長時 由于線間分布電容產生較大的高頻電流 可能造成變頻器過電流跳閘 另外 漏電 流增加 電流值指示精度變差 對于本系統中的變頻器 變頻器和電動機 水泵 之間的 距離最好小于50米 如果配線很長時 則必須連接輸出側濾波器選件 OFL濾波器 接線 時還有一點需要注意的是 為了安全和減少噪聲 變頻器的接地端子G必須良好接地 為 了防止電擊和火警事故 電氣設備的金屬外殼和框架均應按照國家電氣規程要求接地 接地線要粗而短 變頻器系統應連接專用接地極 及不要和別的系統串聯接地或共同接 地 具體接法見圖3 3 在最后的程序中 因本人能力有限 故將報警裝置去除 在實際 9 應用中應當加入 采用變頻器驅動異步電動機調速 在異步電動機確定后 通常應根據異步電動機的 額定電流來選擇變頻器 或者根據異步電動機實際運行中的電流值 最大值 來選擇變頻 器 當運行方式不同時 變頻器容量的計算方式和選擇方法不同 變頻器應滿足的條件 也不一樣 選擇變頻器容量時 變頻器的額定電流是一個關鍵量 變頻器的容量應按運 行過程中可能出現的最大工作電流來選擇 該系統用一臺變頻器使多臺電機并聯運轉 對于一臺電機開始起動后 再追加投入其 他電機起動的場合 此時變頻器的電壓 頻率已經上升 追加投入的電機將產生大的起 動電流 因此 變頻器容量與同時起動時相比需要大些 綜合上面因素 我們選擇佳靈JP6C T9280系列變頻器 性能見表3 1 表 3 1 佳靈 JP6C T9280 性能 型號JP6C T9280 JP6C T9280 適用電機容量 kW 280 額定容量 KVA 400 額定電流 A 520 額定過載電流額定電流的150 1分鐘 相數 電壓 頻率三相 380V至440V 50Hz 60Hz 容許波動電壓 10V 15 頻率 5 抗瞬時電壓降低 310V以上可連續運行 電壓從額定值降到310V以下時 繼續運行15ms 最高頻率50 400Hz可變設定 基本頻率50 400Hz可變設定 啟動頻率0 5 60Hz可變設定 載波頻率2 6KHz可變設定 冷卻方式強制風冷 3 33 3 壓力傳感器的選壓力傳感器的選擇擇 檢測元件的精度直接影響系統的控制質量 通常可以選用各種壓力傳感器檢測管網 壓力 傳統的壓力傳感器有利用彈性元件的 如電感壓力傳感器 電容壓力傳感器等 PMC 系列壓力傳感器的構造與之不同 屬于一體化的高精度儀器 它采用電子陶瓷技術 10 測量元件完全是固體形式 其工作原理是 使壓力直接作用于電子陶瓷膜片 膜片出現 位移后所產生的電容量被與其同體的電子元件檢測 放大 最后轉換成4 20mA的標準信 號輸出 PMC型傳感器具有如下特點 具有相當強的抗沖擊和抗過載能力 過壓量達額定量程的百倍以上 由于壓力測量元件中不采用傳統的介質物質 所以 測量精度極高 且幾乎不受 溫度梯度的影響 采用脈沖頻率調制方式傳輸信號 大大減少了現場干擾的影響 信號傳輸用普通 導線完成 簡單方便 重量輕 體積小 安裝維護非常方便 我們選PMC133型壓力傳感器作為出水口端壓力檢測元件 檢測泵出口附近管網內壓 力作反饋信號 該元件可承受的相對壓力最大測量范圍達O 40MPa 最小測量范圍為O lkPa 所需電源要求電壓為12 5 30V 精度 0 1 壓力傳感器將出水口的壓力信 號線性轉換為4 20mA DC 標準信號送到PLC 在該系統中 我選取0 500kPa 3 43 4 水泵的選擇水泵的選擇 選取2種型號的水泵 小泵為常開泵 能夠調節到工頻 大泵只能在變頻狀態下工 作 其中 小泵為Y355M1 4 大泵為Y355 M2 4 參數見表3 2 按實際需要選取 我選 了2種比較常用的型號 表3 2 水泵性能參數表 轉速流量揚程效率汽蝕裕量 軸功率 清水 配帶電機 Sm 1 2 Rpmm3 hl sm mkW 型號 kW 1100435 5121 063 750 04 0151 1Y355M1 4 220kW 850511 0141 962 554 03 0161 1Y355M2 4 250kW 3 53 5 鑒頻鑒相問題鑒頻鑒相問題 3 5 13 5 1 大功率電機變頻轉工頻存在的問題大功率電機變頻轉工頻存在的問題 11 大功率電機變頻轉工頻工作原理如圖 3 4 所示 KN1 KN2 為交流接觸器 M 為 圖 3 4 電機變頻轉工頻原理圖 水泵機 VVVF 是變頻器裝置 BX FWD CM 是變頻器的外控端子 當 FWD CM 接通時 電機正轉運行 當 FWD CM 斷開時 電機正轉運行停止 當 BX CM 接通時 變頻器斷開 所有輸出 電機處于自由運轉模式 變頻器正常運轉時 必需保證 BX CM 斷開 當 KN1 斷開 KN2 吸合 水泵在變頻器驅動下 從 0Hz 開始升頻 這一過程稱水泵電機軟起動 當變頻器頻率上升到 50Hz 后 如果系統水壓仍舊達不到壓力設定值時 自控系統將進行 水泵電機切換操作 斷開 KN2 吸合 KN1 使電機直接接入電網電壓下運行 變頻器再對 另一臺水泵電機實現軟起動 并進行調速以保證系統水壓穩定在設定值 從上述過程可以看出 大功率電機變頻轉工頻的問題和自耦降壓起動有些許類似之 處 自耦降壓起動是利用自耦變壓器 使電機在低電壓狀態時起動 來達到降低起動電 流的目的 變頻器拖動電機軟起動時 起動電流也很小 二者在起動過程中 就減少電 動機起動電流的功效來說是相似的 但二者在接觸器的切換過程中卻存在本質的差別 當自耦降壓起動的轉速接近額定值時 通過接觸器的動作切除自耦變壓器 切換過程前 后電動機的三相電源存在一致性 即切換前后加在電動機每一相電源電壓盡管大小不等 但相位和頻率仍是一致的 而在變頻轉工頻的過程中 由于變頻器電壓輸出起始相位具 有隨機性 它所輸出的三相電源和工頻電源并不一致 即使變頻器的輸出電壓頻率等于 工頻電壓頻率 它輸出的三相電源和工頻電源的初始相位也不一致 由于這種相位不一 致造成了大功率電機變頻轉工頻的問題和自耦降壓起動問題的本質不同 也直接導致大 12 功率電機變頻轉工頻的復雜性 正是由于變頻器電壓輸出起始相位具有隨機性 變頻器 輸出的三相電源和工頻電源的初始相位不一致 直接導致了電機切換時產生的瞬時電流 具有隨機性 有時會遠大于電機的額定電流 在現場生產中表現為電機的電流或電壓過 載 而使空氣開關跳閘 燒毀熔斷器 嚴重時還會損壞電機設備 變頻器的輸出切換問題 目前尚未得到足夠的重視 在認識上還存在著一些誤區 一種看法是將變頻器當作一般的交流電源 因而可以將電動機在變頻器與供電電網之間 任意切換 另一種看法則認為由于變頻器自身的設計原理 是不允許變頻器在運行中進 行切換的 這兩種看法都不免有失偏頗 有關變頻器在拖動系統應用的文章中 碰到變 頻器切換問題時 不作具體描述 用簡單的一句 切換到電網運行 了之 即使有些文 章在切換問題上進行了一些探索 但也沒有將這個問題的本質揭示出來 3 5 23 5 2 鑒頻鑒相器在大功率電機平穩切換中應用鑒頻鑒相器在大功率電機平穩切換中應用 針對上述問題 在理論分析的基礎上 我們采用以下方法成功地解決了這一技術難 題 并且進行了工業試驗 在變頻轉工頻的過程中 引入鑒頻鑒相控制器 對工頻電源 和變頻輸出電源進行相位檢測 當二者相位頻率完全一致時 對電機實現從變頻到工頻 運行的無沖擊切換 1 鑒頻鑒相控制器的選用鑒頻鑒相控制器是采用單片機控制的智能相位頻率跟蹤控 制器 能準確跟蹤變頻器輸入輸出的相序 相位和頻率 保證變頻器輸入輸出相序 相 位頻率一致時 對電機實現從變頻到工頻運行的無沖擊切換 現場選用的鑒頻鑒相控制 器具有相位跟蹤準確 技術先進 工作可靠 能顯著延長電控元件機電機水泵等設備的 使用壽命等特點 2 鑒頻鑒相控制器的工作原理 變頻器的三相輸入和三相輸出作為智能控制器的輸入信號 信號經過整形 放大電 路 以及頻率 相位的跟蹤電路處理 進入單片機 經由軟件計算判斷后 單片機發出 指令完成相應的動作 在顯示單元顯示相應的輸入輸出頻率 指示燈也指示各個狀態 當變頻器輸入輸出相位 頻率一致時 控制器可分別給出集電極開路輸出信號 或繼電 器輸出信號 當變頻器輸入輸出缺相 反序時 控制器有故障代碼和指示燈同時報警 用戶據此作相位判斷 13 圖 3 5 鑒頻鑒相比較器和 PLC 擴展模塊的接線圖 當變頻器輸出頻率達到 50Hz 時 先由鑒頻鑒相控制器檢測工頻電源和變頻電源相位 是否一致 若相位一致 EM235 的 AIW6 端口接受控制器 3 4 端子的 0V 電壓信號 經由 PLC 比較計算 PLC 執行一系列動作 M3 0 閉合 BX CM K1 接通 切斷變頻器的輸出 使變頻器的輸出電流為零 經 T33 瞬間延時后 迅速切斷 KN2 和變頻器端子 FWD CM K2 在此狀態下 切斷 N2 既保證了在切換時工頻電源和變頻電源相位一致 也從根本上消 除了接觸器的觸頭間的電弧 然后再由 PLC 迅速發出命令 快速吸合 KN1 如此便實現了 快速切換的目的 若相位不一致 控制器在 3 4 端子輸出 5V 的電壓信號 送入 EM235 的 AIW6 口 經 PLC 比較計算 并不完成切換動作 從而保證變頻器和水泵電機的安全運 行 3 63 6 控制電路控制電路 因為控制電路圖具有相似性 故只介紹下面3個就能解釋整個電路圖 圖3 6 指示燈控制電路 如圖3 6為1號泵變頻指示燈 即當1號泵處于變頻狀態時 燈E1 2亮 圖3 7 工頻變頻切換電路 14 如圖3 7為1號水泵的變頻工頻切換電路 當JNW 1接通時 RJ2 1導通 且JNV1不通 1號泵就會變頻運行 其中 RJ2 1為熱繼 電器 作為1號水泵過載保護 KN1 KN2作為自鎖保護裝置 當JNW1導通 則KN1得電 于是下面的KN1常閉開關斷路 反之KN2也一樣 這樣自鎖能保證1號水泵只能工頻變頻選 其一 不會發生既連接了變頻又連接了工頻的錯誤 圖3 8 蝶閥控制電路 圖3 8為1號蝶閥的開閥控制圖 即當該電路得電時 蝶閥開閥 JF1接通 且KV2 2 ZDK2 1不得電時 蝶閥開始關閥 其中KV2 1 KV2 2構成自鎖裝 置 使得蝶閥只能處于開閥和關閥中的一種狀態 15 4 系統軟件開發 本系統的程序開發主要是PLC的程序開發 我們采用的是根據系統的控制流程和控制 目標 在計算機上先編輯好PLC軟件 然后傳給PLC的方法 所用軟件是廠家提供的STEP 7 Micro WIN 32版 這是整個供水系統軟件開發的重點 系統的重要功能實現和順序控 制都依靠于它 它的開發好壞直接影響對了整個控制系統的質量好壞和功能實現 下面 就詳細敘述 4 14 1 PLCPLC 編程簡介編程簡介 4 1 14 1 1 PLCPLC 應用的開發步驟應用的開發步驟 PLC的應用設計 一般應按下述幾個步驟進行 具體流程見圖4 1 圖4 1 PLC應用的系統開發流程圖 1 熟悉被控制對象 首先要全面詳細的了解被控對象的機械結構和生產工藝過程 了解機械設備的運動內 容 運動方式和步驟 歸納出工作循環圖或狀態 功能 流程圖 2 明確控制任務與設計要求 16 要了解工藝過程和機械運動與電氣執行元件之間的關系和對電控系統的控制要求 例 如機械部件的傳動與驅動 液壓 氣動的控制 儀表 傳感器的連接與驅動等 歸納出 電氣執行元件的動作節拍圖 電控系統的根本任務就是實現這個節拍圖 以上兩個步驟得到的圖 表 綜合而完整的反映了被控對象的全部功能和對被控系統 的全部要求 是整個系統設計的依據 也是系統設計的目的和任務所在 必須仔細分析 和掌握 3 制定電氣控制方案 根據生產工藝和機械運動的控制要求 確定電控系統的工作方式 例如全自動 半 自動 手動 單機運行和多機聯線運行等 還要確定電控系統應有的其他功能 例如故 障診斷與顯示報替 緊急情況的處理 管理功能 聯網通信功能等 4 確定電控系統的輸入輸出信號 通過研究工藝過程和機械運動的各個步驟 各種狀態 各種功能的發生 維持 結束 轉換和其他相互關系 來確定各種控制信號和各種檢測反饋信號 相互的轉換和聯系信 號 并且確定哪些信號需要輸入PLC 哪些信號需要PLC輸出或者哪些負載要由PLC驅動 分類統計出各種輸入輸出量的性質與參數 5 PLC的選型和硬件配置 根據以上的各個步驟所得到的結果 選擇合適的PLC型號井確定各種硬件配置 本系 統選定了西門子公司的S7 200 CPU226 6 PLC元件的編號分配 對各種輸入輸出信號占用的PLC輸入輸出端點及其其他元件進行編號分配 并設計出 PLC的外部設計圖口 7 程序開發 用PLC廠家提供的專用軟件包按照特定的規則 開發出梯形圖程序或語句表程序 8 模擬運行與調試程序 將開發好的程序傳入PLC中 在逐條檢查與驗證 并修改開發時的語法 數據錯誤 然后可以在實驗室里進行模擬運行和調試程序 觀察在各種可能情況下各個輸入量 輸 出量之間的變化關系是否符合設計要求 發現問題及時修改開發和己傳送到PLC中的內容 直到完全滿足工作循環圖或狀態流程圖的要求 在進行程序開發和模擬調試的同時 可以平行的進行電控系統的其他部分工作 例如 PLC外部電路和電氣控制柜 控制臺等的設計 裝配 安裝和接線工作 17 9 現場運行調試 完成以上各種工作后 即可將己初步調試好的程序傳送到現場使用的PLC存儲器中 PLC接入實際輸入信號和實際負載 進行現場運行調試 及時解決調試中發現的問題 直 到完全滿足設計要求 即可交付使用 4 1 24 1 2 PLCPLC 的工作方式的工作方式 PLC采取循環掃描的工作方式 其工作過程簡圖如圖4 2所示 這個過程可分為內部 處理 通信服務 輸入處理 程序執行 輸出處理幾個階段 整個過程掃描一次所 圖4 2 掃描過程 需的時間稱為掃描周期 在內部處理階段 PLC檢查CPU模塊內部硬件是否正常 復位監 視定時器 以及完成一些其它的內部處理 在圖4 2掃描過程通信服務階段PLC與帶微處 理器的智能裝置通信 響應編程器鍵入的命令 更新編程器的顯示內容 在PLC處于停止 運行 STOP 狀態時 只完成內部處理和通信服務工作 在RUN時 要完成全部的工作 1 輸入處理階段 PLC在輸入處理階段 以掃描方式順序讀入所有輸入端的通 斷狀態 并以此狀態存入 輸入輸出印象寄存器 接著轉入程序的執行階段 在程序執行時間 即使輸入輸出狀態 發生變化 輸入輸出印象寄存器的內容也不會發生變化 只有在下一個掃描周期的輸入 處理階段才能被讀入 2 程序執行階段 PLC在程序執行階段 按先左后右 先上后下的步序 逐條執行程序指令 從輸入印 象寄存器和其它元件印象寄存器讀出有關元件的通 斷狀態 根據用戶程序進行邏輯運算 運算結果再存入有關的元件印象寄存器中 即對每個元 件來說 元件印象寄存器中的內容會隨著程序的進程而變化 3 處理階段 在所有的指令執行完畢后 將輸出印象寄存器 即Y寄存器 的通 斷狀態 在輸出處 理階段轉存到輸出鎖存器 通過隔離電路 驅動功率放大電路 輸出端子 向外輸出控 制信號 這才是PLC的實際輸出 內部處理通信服務輸入處理程序執行輸出處理 18 PLC的掃描既可以按照固定的順序進行 也可以按用戶程序的指定的可變順序進行 這不僅因為有的程序不需要每掃描一次就執行一次 而且也因為在一個大的控制系統中 要處理的I O點數比較多 通過安排不同的組織模塊 采用分時分批的掃描辦法 可縮短 循環掃描的周期和提高系統控制的實時響應性 順序掃描的工作方式簡單直觀 簡化了程序的設計 并為PLC的可靠性運行提供了保 障 一方面 所掃描到的功能經解算后 其結果馬上就可以被后面要掃描到的邏輯解算 所利用 另一方面 還可以通過CPU內部設定的監視定時器來監視每次掃描是否超過規定 時間 診斷CPU內部故障 以避免程序異常運行而造成的不良影響 由PLC的工作過程可見 在PLC的程序執行階段 即使輸入發生了變化 輸入狀態寄存 器的內容也不會發生變化 要等到下一周期的輸入處理階段才能變改變 暫存在輸出狀態 寄存器中的輸出信號 也需要等到一個循環周期結束后 CPU集中將這些輸出信號全部輸 送輸出鎖存器 這才成為實際的CPU輸出 因此 全部的輸入 輸出狀態的改變 就需要 一個掃描周期 掃描周期是其一個比較重要的指標 一般為幾毫秒至幾十毫秒 PLC掃描 時間取決于程序的長短和掃描速度 因為PLC的輸入處理階段和輸出處理階段所需時間一 般很短 通常只要幾毫秒 由此可見 PLC的掃描時間對于一般的工業設備 改變狀態的 時間約為幾秒以上 通常是沒什么影響的 4 1 34 1 3 S7 200S7 200 編程語言和程序結構編程語言和程序結構 PLC 為用戶提供了完整的編程語言 以適應編制用戶程序的需要 PLC 提供的編程語 言通常有以下幾種 梯形圖 指令表 功能圖和功能塊圖 1 梯形圖 LAD 梯形圖 LAD 編程語言是從繼電器控制系統原理圖的基礎上演變而來的 PLC梯形圖與 繼電器控制系統梯形圖的基本思想是一致的 只是在使用符號和表達方式上有一定區別 梯形圖的一個關鍵概念是 能流 Power Flow 如果有 能流 從左至右流向線圈 則線圈被激勵 如沒有 則線圈末被激勵 能流 以通過被激勵 ON 的常開接點和未 被激勵 OFF 的常閉接點自左向右流 能流 在任何時候都不會通過接點自右向左流 在梯形圖中 觸點代表邏輯 輸入 條件 如開關 按鈕 內部條件等 線圈通常 代表邏輯 輸出 結果 如燈 電機接觸器 中間繼電器等 對S7 200 PLC來說 還有 一種輸出 盒 它代表附加的指令 如定時器 計數器和功能指令等 梯形圖語言簡單明了 易于理解 是所有編程語言的首選 2 指令表 STL 19 指令表 STL 編程語言類似于計算機中的助記符語言 它是可編程控制器最基礎的編 程語言 所謂指令表編程 是用一個或幾個容易記憶的字符來代表可編程控制器的某種 操作功能 3 順序功能流程圖 SFC 順序功能流程圖 SFC 編程是一種圖形化的編程方法 亦稱功能圖 使用它可以對具 有并發 選擇等復雜結構的系統進行編程 許多PLC都提供了用于SFC編程的指令 4 功能塊圖 FBD S7 200 的 PLC 專門提供了 FBD 編程語言 利用 FBD 可以查看到像普通邏輯門圖形的 邏輯盒指令 它沒有梯形圖編程器中的觸點和線圈 但有與之等價的指令 這些指令是 作為盒指令出現的 程序邏輯由這些盒指令之間的連接決定 也就是說 一個指令 例如 AND 盒 的輸出可以允許另一條指令 例如定時器 這樣可以建立所需要的控制邏輯 這 樣的連接思想可以解決范圍廣泛的邏輯問題 FBD 編程語言有利于程序流的跟蹤 但在目 前使用較少 在編程語言的選擇上 具體是用梯形圖編程還是語句表編程或使用功能圖編程 這 主要取決于以下幾點 有些 PLC 使用梯形圖編程不是很方便 則可用語句表編程 但梯形圖比語句表直 觀 經驗豐富的人員可用語句表直接編程 就像使用匯編語言一樣 本課題中 選擇用梯形圖作為編程語言 4 1 44 1 4 編程軟件基本功能編程軟件基本功能 STEP7 Micro WIN 32 的基本功能是協助用戶完成開發應用軟件的任務 例如創建用 戶程序 修改和編輯原有的用戶程序 編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能 同時 它還有一些工具性的功能 例如用戶程序的文檔管理和加密等 此外 還可直接用軟件 設置 PLC 的工作方式 參數和運行監控等 程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數據類型方面的錯誤 梯形土中的錯誤處的下方自動加紅色曲線 語句表中錯誤前有紅色叉 且錯誤處的下 方加紅色曲線 軟件功能的實現可以在聯機工作方式 在線方式 下進行 部分功能的實現也可以在 離線工作方式下進行 聯機方式 有編程軟件的計算機與 PLC 連接 此時允許兩者之間做直接通信 20 離線方式 有編程軟件的計算機與 PLC 斷開連接 此時能完成大部分基本功能 如編 程 編譯和調試程序系統組態等 兩者的主要區別是 聯機方式下可直接針對相連的 PLC 進行操作 如上裝和下載用戶 程序和組態數據等 而離線方式下不直接與 PLC 聯系 所有程序和參數都暫時存放在磁 盤上 等聯機后再下載到 PLC 中 4 1 54 1 5 PLCPLC 接線圖接線圖 圖4 3 PLC接線圖 如圖所示 總共有24個輸入數字量I O口 其中的 SAN1 SAN2 SAN3 SAN4 SAN5 SAN6為輸入開關 總共有16個輸出數字量I 0口 JNW1 JNW2 JNV1 JNV2 JNV3 JNV4 JF1 JF2 JF3 JF4 JF5 JF6 JF7 JF8 F WD BX為PLC控制的開關量 PLC可以增加數字量輸出擴展模塊 假如該系統還要增加數字量輸出的話 可以增加 一個模塊 這樣也吻合數字量輸出I O口要預留10 30 的條件 EM235為模擬量輸入輸出模塊 其中A 端 A 端接壓力傳感器 接受4 20mA電流信號 進行模數轉換 輸入符合CPU標準要求的信號 B 端 B 端接變頻器頻率信號 接受0 5V 電壓 輸入同樣符合CPU標準要求的信號 C 端 C 端接鑒頻鑒相比較器 信號只有0伏 和5伏兩種狀態 我依然把他看作模擬量 當輸入為0時 變頻器的輸出頻率相位和電網 的頻率相位一致 能進行工頻轉變頻和變頻轉工頻的切換 輸出為5V時 不能進行工頻 21 轉變頻或變頻轉工頻的切換 4 1 64 1 6 恒壓供水的工藝流程恒壓供水的工藝流程 系統開始運行之前 應先把管壓參數 SP 賦給 PLC 按下啟動按鈕 系統開始運行 PLC 給變頻器 FWD 信號 然后判斷變頻器能否工作正常 正常的話采用全自動變頻恒壓控 制方式 現在假設變頻器工作正常 系統開始運行 水泵 1 變頻零轉速啟動 待運轉正 常后壓力傳感器開始采樣 隨著 PLC 的不斷掃描 系統不斷輸入管壓信號的采樣結果 采樣結果通過模擬輸入輸出單元將模擬輸入值轉換為 PLC 可以接受的數字信號 與目標 值作比較 將偏差調整為零 也就是提高或降低水泵轉速 使管網水壓達到目標值 如 果一臺水泵額定轉速運行仍不能使管網水壓達到設定值 將水泵 1 切換到工頻態運行 延時后變頻器的控制對象切換到水泵 2 同時保持水泵 1 維持工頻運行 水泵 2 從零轉速 開始運行 過程如上 泵 3 泵 4 的工作情況也是如此 在該種運行方式下 系統大部分時間是工作于其中一臺泵變頻運行進行微調 其它泵 或工頻或停止的狀態本系統為 2 組水泵輪流工作 2 組水泵的選擇由人工直接操作 因為 2 組水泵的原理型號相同 所以下面以水泵 1 組為例介紹恒壓供水的工藝流程 流程圖見 圖 4 4 該系統的主要運行過程如下 1 系統啟動 按下 SAN1 按鈕 系統水泵 1 組開始啟動 首先將水泵 1 組的兩個碟閥關閉 即 JF1 和 JF3 置 1 延時 1 秒鐘 確定蝶閥關閉后接通 1 號水泵變頻開關 隨后開變頻器 即 FWD 置 1 當變頻器 FWD 端置 1 時 變頻器將正轉運轉且頻率逐漸上升 當頻率到達 50Hz 時 水泵已經運轉正常 延時 4S 開碟閥 1 即將 JF1 置 0 JF2 置 1 隨后 PLC 的 PID 調節將控制變頻器頻率從而達到恒壓的效果 2 變頻轉工頻 變頻轉工頻的情況只可能發生在 1 號水泵 首先要進行條件判定 即只有當 1 號水泵 處于變頻狀態時才可能有變頻轉工頻現象 這在程序中用觸點來確定 然后 必須 1 號 水泵已經到了工作極限 程序中用 VD208 表示即 50Hz 且壓力依然小于設定值時才會出 現變頻轉工頻的現象 這在程序中用條件判定來確定 即 PID 計算結果 VD250 大于 VD208 當上述條件符合時 不能馬上切換到工頻 還要進行相位比較 當相位一致時 才能切換 程序中由鑒頻鑒相器來判斷 鑒頻鑒相器輸出為 0 時 頻率相位都相同 具體 見 3 6 章 具體切換過程是關變頻器然后馬上關閉 1 號水泵變頻開關再然后接通工頻開 關 切換過程中應該有短時間的延時 程序中延時為 0 1S 22 隨后 因該馬上將 2 號水泵變頻開關接通 然后開變頻器 隨后按照 1 啟動流程 的介紹來啟動 2 號水泵 3 工頻轉變頻 同樣 工頻轉變頻同樣只可能發生在 1 號水泵 前提為 2 臺水泵都在