PLC变频恒压供水论文

摘要
随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。

本设计是针对居民生活用水或消防用水而设计的。

由变频器及PLC组成控制系统，调节水泵的输出流量。

电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。

本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。

系统通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。

运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。

关键词：变频调速；恒压供水；PLC
目录
绪论 (1)
第一章PLC概述 (1)
1.1 PLC的组成 (1)
1.2 PLC的定义及特点 (1)
1.3 PLC的性能指标 (2)
1.4 PLC的分类及工作原理 (2)
1.5 PLC与继电器控制系统的区别 (3)
第二章变频器 (4)
2.1变频器的定义 (4)
2.2变频器的构成 (4)
2.3变频器的控制方式 (5)
第三章系统硬件设计 (6)
3.1 PLC选型原则 (7)
3.2恒压供水系统的基本构成 (7)
3.3恒压供水系统的主电路图 (9)
3.4恒压供水系统的工作原理 (9)
3.5恒压供水系统的I/O分配表 (10)
3.6 变频器参数设定 (10)
3.7恒压供水系统的综合接线图 (11)
第四章系统程序设计 (11)
4.1 SFC (11)
4.2 梯形图 (14)
第五章总结 (17)
参考文献 (17)
谢词 (18)
绪论
长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化设备提供了非常可靠的控制应用，它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合于当前工业，企业对自动化的需要。

进入20世纪80年代，由于计算机技术和微电子技术的迅猛发展，极大地推动了PLC的发展，使得PLC的功能日益增强，目前，在先进国家中，PLC已成为工业控制的标准设备，应用面几乎覆盖了所有工业，企业。

由于PLC综合了计算机和自动化技术，所以它发展日新月异，大大超过其出现时的技术水平，它不但可以很容易的完成逻辑，顺序，定时，计数，数字运算，数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自动化控制。

特别是超大规模集成电路的迅速发展以及信息，网络时代的到来，扩展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛的运用于众多行业。

基于PLC的变频调速恒压控制是现代供水控制系统的主要方式。

它利用PLC、传感器、电气控制设备、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使供水管网压力保持恒定。

由于具有自动化程度高、高效节能、安全卫生、维护方便等特点，在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了良好的控制效果和社会效益。

第一章PLC概述
1.1 PLC的组成
通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析，PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。

由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入、无源接入、绝缘问题、隔离问题和互相干扰问题。

输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。

输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行
元器件的重要因素。

1.2 PLC的定义及特点
最初，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。

只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。

1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。

它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。

可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统
连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。

特点如下：
（1）可靠性高。

在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。

系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。

（2）控制功能强。

PLC采用的CPU一般是具有较强位处理功能的位处理机，为了增强其复杂的控制功能和连网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。

（3）体积小、重量轻、功耗低。

（4）性价比高。

（5）模块化结构，扩展能力强。

根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。

（6）维修方便，功能更灵活。

程序的修改就意味着功能的修改，因此功能的改变非
常灵活。

1.3 PLC的性能指标
（1）存储容量
这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。

大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB~2MB。

（2）I/O点数
I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。

I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。

它是衡量PLC性能的重要指标之一。

（3）指令的多少
它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。

限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。

（4）内部寄存器的配置和容量
它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。

（5）扩展能力
扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。

（6）特殊功能单元
特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。

典型的特殊功能单元有模拟量、模糊控制连网等功能。

1.4 PLC的分类及工作原理
不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。

（1）按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。

（2）按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。

工作原理：CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。

CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等等内容。

循环扫描有如下特点：
（1）扫描周期周而复始地进行，读输入、输出和用户程序是否执行是可控的。

（2）输入映像寄存器的内容是由设备驱动的，在程序执行过程中的一个周期内输入映像寄存器的值保持不变，CPU采用集中输入的控制思想，只能使用输入映像寄存器的值来控制程序的执行。

（3）对同一个输出单元的多次使用、修改次序会造成不同的执行结果。

（4）各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟，这是PLC的主要缺点。

在读输入阶段，CPU对各个输入端子进行扫描，通过输入电路将各输入点的状态锁入映像寄存器中。

紧接着转入用户程序执行阶段，CPU按照先左后右、先上后下的顺序对每条指令进行扫描，根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序，同时将执行结果写入输出映像寄存器。

在程序执行期间，即使输入端子状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变——输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入。

1.5 PLC与继电器控制系统的区别
PLC梯形图与继电器控制电路图非常相似，主要原因是PLC梯形图大致上沿用了继电器控制的元件符号和术语，仅个别之处有不同。

同时，信号的输入/输出形式及控制功能也基本上是相同的，但是PLC的控制与继电器的控制又有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面。

（1）逻辑控制
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想改变或增加功能都很困难。

另外，继电器触点数目有限，每个只有4——8对触点。

因此，灵活性和扩展性很差。

而PLC采用存储器逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。

因此灵活性和扩展性都很好。

（2）工作方式
电源接通时，继电器控制电路中各个继电器都同时处于受控状态，即该吸合的都应该吸合，不该吸合的都因受某种条件限制不能吸合，它属于并行工作方式。

而在控制逻
辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，属于串行工作方式。

（3）可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。

触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性和可维护性差。

而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。

PLC还配有自我监督功能，能检查出自身的故障，并随时显示给操作人员，还能动态的监视控制程序的执行情况，为现场调试和维护提供了方便。

从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。

但是在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统。

第二章变频器
2.1变频器的定义
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制
装置。

主要由整流（交流变直流）、滤波、再次逆变（直流变交流）、制动单元驱动单
元、检测单元微处理单元等组成的。

2.2变频器的构成
变频器实际上就是一个逆变器。

它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行动作变为交流电。

一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。

变频器广泛用于交流电机的调速中。

变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。

变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。

因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。

一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。

（1）整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。

整流电路一般都是单独的一块整流模块.
（2）平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了抑制电压波动采用电感和电容吸收脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。

（3）控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，
从而实现全数字化控制。

变频器是输出电压和频率可调的调速装置。

提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。

运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路
变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式
（4）逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。

从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120°电角度的三相交流电压。

2.3变频器的控制方式
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。

其控制方式经历了以下四代。

（1）U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。

但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。

另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。

因此人们又研究出矢量控制变频调速。

（2）电压空间矢量（SVPWM）控制方式。

以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。

经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。

但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。

（3）矢量控制（VC）方式。

量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。

通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

矢量控制方法的提出具有划时代的意义。

然而
在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

（4）直接转矩控制（DTC）方式。

985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。

该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。

目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。

它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

（5）矩阵式交—交控制方式。

VVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。

其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。

为此，矩阵式交—交变频应运而生。

由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。

它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。

该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。

其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。

具体方法是：——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；
——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；
——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；
——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG 反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。

本设计采用矩阵式交—交控制方式。

第三章系统硬件设计
随着PLC功能的不断完善和提高，PLC几乎可以完成工业领域的所以控制任务。

但是PLC还是有最适合它的应用场合，所以接到一个控制任务以后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制设备来完成该任务最合适。

其实现在的可编程不仅
处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。

所以在很多情况下也可以取代工业控制
计算机（IPC）作为主控器
控制对象以及控制装置确定后，还要进一步确定PLC的控制范围。

一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由
PLC控制来完成。

3.1 PLC选型原则
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。

一方面要选择多大容量的PLC ,另一方面是选择什么公司的PLC及外设。

对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O 以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。

控制系统输出点的类型非常关键，如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC 的输出点数有可能大于实际点数。

因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。

所以一旦它们是交流220V的负载负载使用。

则直流24V的负载只能使用其他的输出端了。

这样有可能造成输出点浪费，增加成本。

所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。

一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。

对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：
（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。

如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC 的位置控制有特殊要求等。

这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。

（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O 点数相当的PLC的价格能相差40%以上。

在使用PLC较多的情况下，这样的差价当然是必须考虑的因数。

PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。

本设计选用三菱系列FX2N－64MR来实现控制。

3.2恒压供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需设多台水泵及电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。

下图为恒压供水泵站的系统结构示意图。

如图3.1所示，图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。

当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。

水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。

图3.1 恒压供水系统结构图
该系统由三台泵组成；PLC部分由三菱可编程控制器FX2N系列，文本显示器SLJDTP200组成；变频器采用三菱FR-A540系列。

用户所需的生活用水压力、消防用水压力、运行方式等参数在SLJDTP200文本显示器上设定，压力传感器把用户管网压力转换为0-10V标准信号送进PLC模拟量模块EM235，PLC通过采样程序及PID闭环程序与用户设定压力构成闭环，运算后转换为PLC模拟量输出信号送给变频器，调节水泵电机转速，达到恒压供水的目的。

该系统有各个泵的运行时间累计功能，通过PLC的数据区保持可以断电记忆。

每次起动时先起动1# 泵，当用水量超过一台泵的供水能力时，PLC通过程序实现泵的延时上行切换，切换原则为另一台非备用水泵工频起动运行；当压力超过时，PLC通过程序实现泵的延时下行切换，切换原则为当前正在工频运行的泵机撤出。

直到满足设定压力为止。

追求的最终目标为压力恒定。

当供水负载变化时，变频器的输出电压与频率变化自动调节泵的电机转速，实现恒压供水。

系统还可通过PLC的实时时钟自动定时供水，用户在SLJDTP200上设定每天最多6段（段数也可设定）定时供水，比如早上6：00到8：30，中午11：20到1：30等。

系统可动态显示各种参数，如设定压力，运行压力，水位高度，运行方式，实时时间，日历，各个泵的运行时间累计（精确到秒），运行状态，故障信息等等。

为了不使系统中SLJDTP200画面显得死板，在PLC程序中控制SLJDTP200中的画面定时切换，
动态显示；
系统还有故障自诊断功能，各泵发生过载、缺相、短路、传感器断线、传感器短路、水位下限、水压超高、水压超低、变频器故障等，都会有声光报警，SLJDTP200上同时显示故障类型，通知设备维修人员处理，并可记忆故障发生时间及班次，以便追查原因
及相关责任。

3.3恒压供水系统的主电路图
下图为恒压供水系统的主电路图：
图3.2恒压供水控制主电路接线图
3.4恒压供水系统的工作原理
系统中共三台水泵，其中有两台运行，而另一台备用，并且每十天轮换一次，以便延长机器寿命，当用水高峰期时一台工频全速运行，一台变频运行；用水低谷时一台水泵变频运行。

KM1、KM3、KM5变频控制电机运行，KM2、KM4、KM6全速控制。

全部泵的运行依程序自动工作。

调速时变频器采用七段调速：
速度 1 2 3 4 5 6 7 接点RH RH RH RH 接点RM RL RM RM RM 接点RL RL RL HZ 15 20 25 30 35 40 45
上行过程：当在自动运行方式时，按下SLJDTP200上的起动软健，系统先起动1#
泵，PLC程序控制模拟量模块EM235给定变频器一固定频率输出，此时若用PID运算输出直接控制变频器则（设定压力大，运行压力为零，所以运算输出最大）变频器依设定的上升时间运行，升速太快，系统冲击很大。

等泵运行一会儿，管网压力积累后，再用PID运算输出控制变频器。

具体时间和频率与管网系统有关，在现场调试时这两个参数在TD200上设定调整。

管网越大，时间越长。

当1#泵到达45HZ后，系统压力仍偏低，则延时一段时间后，系统靠PLC程序把2#泵起动工频运行，同时1#泵仍在变频运行，不过频率应该是降低了。

下行过程：当系统压力偏高，变频器运行在18HZ左右（18HZ以下泵的效率很低，经验值）时，PLC程序把运行时工频投入的泵机撤出，在撤出的瞬间，PLC控制变频器运行频率在45HZ，要不系统冲击过大，容易有水垂现象，延时一会儿后，再把PID运算输出投入即可；以此类推。

3.5恒压供水系统的I/O分配表
下表为系统的I/O点及地址分配表：
输入端子功能输出端子功能输出端子功能
X0 起动按钮Y0 运行STF Y7 KM4
X1 水压下限开关Y1 运行RH Y10 KM5
X2 水压上线开关Y2 运行RL Y11 KM6
X5 停止Y3 KM1 Y12 FR报警
X6 FR1 Y4 KM2 Y37 MRS
X7 FR2 Y5 KM3
X10 FR3 Y6
3.6 变频器参数设定
1速：Pr.4=15Hz 2速：Pr.5=20Hz 3速：Pr.6=25Hz
4速：Pr.24=30Hz 5速：Pr.25=35Hz 6速：Pr.26=40Hz
7速：Pr.27=45Hz 加速时间：Pr.7。