PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料

目錄

二：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

• 恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義
  

    泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大意義。我國(guó)泵站的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計(jì)中忽視動(dòng)能經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)以及機(jī)電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問(wèn)題等原因，至使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動(dòng)能消耗在水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法是目前較為重要的一件事。

變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便的實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

• 恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)
  

變頻頻恒壓供水系統(tǒng)在水量增加時(shí)，變頻器頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量相應(yīng)增大；用水量減少時(shí)，變頻器頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量亦相應(yīng)減小，保證了供水效率用戶對(duì)水壓和水量的要求，同時(shí)達(dá)到了提高供水品質(zhì)和供水效率的目的；采用該設(shè)備不需建造高位水箱，水塔，水質(zhì)無(wú)二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水設(shè)備。  變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：  

①:均配有穩(wěn)壓泵或穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，在用水量小到一定值時(shí)，主泵可停止運(yùn)轉(zhuǎn)，減少水泵電機(jī)的機(jī)械磨損并且節(jié)約電能。與傳統(tǒng)供水方式相比變頻恒壓供水能節(jié)能30%-60%。  

②:結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，安裝快，投資省，運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)污染，效率高。  ③:配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。

三：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論分析

1.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成

     變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。

   水壓由遠(yuǎn)傳壓力表的信號(hào)0-10V電壓（或者是壓力變送器的信號(hào)4-20mA）送入變頻器內(nèi)部的PID模塊，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過(guò)變頻器內(nèi)置PID運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)，以調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡(jiǎn)單、方便。

• 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論模型
  

變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管 網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可 以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)， 恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上 。  

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓 力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量 和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率 使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過(guò)程中該過(guò)程將被重復(fù)， 直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。

四：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型

1.變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制柜，壓力傳感器，異步電動(dòng)機(jī)及水泵組成，由此構(gòu)成一個(gè)壓力負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力傳感器將管道中的水壓值變換成電信號(hào)(0~10V)，送入系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字PID控制器進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)控制運(yùn)算后，去控制變頻器的輸出頻率，通過(guò)上位機(jī)對(duì)當(dāng)前壓力信號(hào)的反應(yīng)，改變水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。

傳感器選用了設(shè)計(jì)中需要測(cè)量管道出口處的壓力值，故采用遠(yuǎn)傳壓力表�？删偷仫@示壓力值，還可以將信號(hào)送到控制器。

2.變頻器簡(jiǎn)介

1）變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。

變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開(kāi)關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。

• 變頻器的選型
  

（1）：控制方式

控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國(guó)產(chǎn)的共約5O多種。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，其實(shí)只要按負(fù)載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

（2）：變頻器容量的選擇

變頻器的容量直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實(shí)際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補(bǔ)充。

①?gòu)碾娏鞯慕嵌龋?nbsp; 

大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國(guó)或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。

選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過(guò)變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的額定電流要大于普通籠形異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保證在無(wú)故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過(guò)變頻器的額定電流。 ②從效率的角度：  

系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時(shí)，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：  

變頻器功率值與電動(dòng)機(jī)功率值相當(dāng)時(shí)最合適，以利變頻器在高的效率值下運(yùn)轉(zhuǎn)。

在變頻器的功率分級(jí)與電動(dòng)機(jī)功率分級(jí)不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率，但應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)的功率。  

當(dāng)電動(dòng)機(jī)屬頻繁起動(dòng)、制動(dòng)工作或處于重載起動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級(jí)的變頻器，以利用變頻器長(zhǎng)期、安全地運(yùn)行。  

經(jīng)測(cè)試，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確實(shí)有富余，可以考慮選用功率小于電動(dòng)機(jī)功率的變頻器，但要注意瞬時(shí)峰值電流是否會(huì)造成過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作。  

當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)功率不相同時(shí)，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達(dá)到較高的節(jié)能效果。

• 變頻恒壓供水系統(tǒng)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)
  

G600高性能矢量變頻器供水

①供水系統(tǒng)的主電路圖

• 接線圖
  

• PID控制
  

1.原理

PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制方式之一。它的原理如圖所示。

PID控制原理圖

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成的控制 偏差

e(t)=y(t)一r(t)                       

將偏差e(t)的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。

• 變頻恒壓控制系統(tǒng)調(diào)試
  

具體實(shí)驗(yàn)流程及參數(shù)調(diào)制：

• 連接好線，通電，首先設(shè)置參數(shù)P0-02=0面板調(diào)試，若設(shè)置成其他參數(shù)，則不能面板啟動(dòng)電機(jī)，默認(rèn)為0.
• 設(shè)置P0-03，此參數(shù)設(shè)置主頻率源，之前做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)不用PID調(diào)節(jié)，即設(shè)置P0-03=2設(shè)置AI1反饋信號(hào)為主頻率源，也可以實(shí)現(xiàn)恒壓供水，缺點(diǎn)是壓力恒定而不能改變，不能滿足多用戶的用水要求。意識(shí)到這樣情況后，知道P0-03參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題，之后把P0-03設(shè)置成8，即主頻率源由PID控制，設(shè)置完這一參數(shù)后，即跳到調(diào)制PID具體設(shè)置參數(shù)的PA組。
• PA組
  

1.PA-00設(shè)置PID給定源，即設(shè)置目標(biāo)值，PA-00=0表示PID給定源由PA-01設(shè)定。

2.PA-01 PID數(shù)值給定，為百分?jǐn)?shù)形式，出廠默認(rèn)50%，鑒于所使用的遠(yuǎn)傳壓力表總量程為1MPA，測(cè)試水泵電機(jī)以50hz頻率工作時(shí)給予遠(yuǎn)傳壓力表最大的壓力才接近0.2MPA，所以設(shè)置此數(shù)值為15%，即讓它在達(dá)到總量程的15%處0.15KPA處通過(guò)調(diào)節(jié)頻率穩(wěn)定壓力。

3.PA-02設(shè)置PID反饋源，由接線知道此參數(shù)應(yīng)該設(shè)置成0，即AI1反饋。

4.PA-03設(shè)置PID作用方向，理論上因?yàn)檫h(yuǎn)傳壓力表在一開(kāi)始沒(méi)有壓力的時(shí)候輸出的電壓也幾乎為0，隨著用水量的減少即閥門的慢慢關(guān)閉壓力會(huì)慢慢增大，它所反饋的電壓值也在慢慢增大，此時(shí)電壓值反饋給變頻器PID控制，它與目標(biāo)值（PA-01所設(shè)的壓力值轉(zhuǎn)化成的電壓信號(hào)）比較，發(fā)現(xiàn)變大了，變頻器會(huì)降低頻率以使它趨于目標(biāo)值，所以PID的作用方向是正作用，負(fù)反饋。PA-03=0。

5.PA-05比例增益kp1，默認(rèn)值20，設(shè)定范圍0-100，數(shù)值越大PID調(diào)節(jié)強(qiáng)度速度越快，此參數(shù)要根據(jù)實(shí)際變頻器運(yùn)行情況設(shè)定

6.PA-06積分時(shí)間Ti1，默認(rèn)值2s，設(shè)定范圍0.01-10s，數(shù)值越小調(diào)節(jié)速度越快。

7.PA=07微分時(shí)間Td1，默認(rèn)值0s，設(shè)定范圍0-10s，微分時(shí)間越長(zhǎng)調(diào)節(jié)速度越快。以上三個(gè)參數(shù)在具體應(yīng)用中需要反復(fù)嘗試以尋求最好的“追蹤”性能，一般只調(diào)節(jié)比例增益和積分時(shí)間就能達(dá)到很好的效果，在此試驗(yàn)中，追求的是變頻器頻率調(diào)整能更快的追隨反饋量的變化，以使能夠在調(diào)節(jié)流量導(dǎo)致反饋量變化時(shí)能更快的看見(jiàn)變頻器頻率的變化，所以設(shè)置PA-05=90，PA-06=1讓調(diào)節(jié)速度最快，以便觀察。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)按實(shí)際狀況調(diào)節(jié)至合適。

設(shè)置完以上參數(shù)，理論上是能夠運(yùn)行的，但是不能實(shí)際運(yùn)行，具體一運(yùn)行之后，在閥門關(guān)閉的情況下，頻率很快升到50hz，二壓力也達(dá)到了0.2MPA，超出設(shè)定值0.15MPA，沒(méi)有根據(jù)反饋量降低頻率使壓力維持在設(shè)定值左右，經(jīng)反復(fù)思考排查原因，最后想到可能是設(shè)的目標(biāo)值不起作用，遂改換了另一套方案。

方案2

在變頻器輸入信號(hào)端子AI2上接電位計(jì)（AI1已作為遠(yuǎn)傳壓力表的反饋輸入），取代以上PA組設(shè)定1,2步驟設(shè)置給定源目標(biāo)值，即設(shè)置PA-00=2，AI2輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)給定目標(biāo)值，讓變頻器頻率變化隨著電位計(jì)的變化而變化，當(dāng)電位計(jì)不變時(shí)，隨著閥門的開(kāi)關(guān)變化，變頻器也在時(shí)刻調(diào)整著。經(jīng)測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)其功能。

PID實(shí)際值隨目標(biāo)值變化曲線

• 總結(jié)
  

通過(guò)幾天的學(xué)習(xí)和反復(fù)的嘗試，讓我好好地認(rèn)識(shí)了變頻器，了解了它具體是干什么的，應(yīng)用于什么方面，能實(shí)現(xiàn)什么功能，也讓我認(rèn)識(shí)到還有很多東西需要我去鉆研，去學(xué)習(xí)。人在發(fā)明創(chuàng)造的潛力是巨大的，變頻器的出現(xiàn)讓我們節(jié)省了大量的體力勞動(dòng)，方便了我們的生活，服務(wù)于我們的社會(huì)，給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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