基于PLC与变频器实现恒压供水控制系统
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基于PLC与变频器实现恒压供水控制系统 一、项目描述
传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，
水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。 恒压供水控制系统的基本控制策略 采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(4－20ｍＡ)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。 供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。 二、项目要求 1.水泵功率：7.5kw. 2.恒定压力：3.5mpa 三、现恒压供水的方案设计 供水系统采用一台三菱（FX2N系列）PLC控制一台三菱(FR-E500)变频器，并通过接触器切换实现一台变频器控制三台水泵的运转，为保证系统的可靠性，本系统采用转换开关来实现工频/变频之间的转换，在变频操作方式下，交流接触器之间采用互锁控制方式，同理，在工频操作方式下，交流接触器之间也采用互锁控制方式。 变频器采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为4~20mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器作工频/变频切换起动另一台水泵，使实际管网压力与设定压力相一致。另外，随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率，达到了节能的目的。
四、控制系统硬件选择及组成图： 电器件选择： 由于电机功率为7.5KW，供水负载为泵类，选用7.5KW E500系列变频器；PLC选用FX2N48MR；接触器选用CJX2-2510，线圈电压AC220V；热继电器选用JRS1系列,整定电流20A；熔断器选用RT0-200A/500V；开关选用梅兰日兰NSD160K，额定电流160A；电位器选用1K 2W。
变频器及外部接线图
M1M2M3
FR2FR3FR1
KM0KM1KM2KM3KM4KM5
FUQSKM6
L2L3L1
F500变频器KA0RP 2K 2W
4-20mA
STFSD10254RUNSUIPFFUSE反馈信号
压力上限压力下限第二输出第一输出
公共端
FUPFDNFU2FU
X6X10X7
X5
COM
1#泵2#泵
3#泵
图1 变频器及外部接线图 PLC外部接线图 KM0KM1KM2KM3KM4KM5KM6
KM1KM3KM5
KM3KM5KM0
KM1KM5KM2
KM1KM3
KM2
Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6
COM0
COMX0X1X2X3X4X5
X6X7X10X11X12X13X14
X16
SE手动/自动切换
系统启动1#泵热过载2#泵热过载3#泵热过载
频率上限
频率下限压力上限
压力下限手动1#泵工频
手动2#泵工频手动3#泵工频手动1#泵变频手动2#泵变频手动3#泵变频X15
FX2N-48MR
X17急停X20相序保护
X21液面下限
AC220VY10Y11Y12Y14Y15COM4DC24V
FUKA0M1故障报警M2故障报警M3故障报警变频启动相序保护报警
FUFUPFU2FDN
1#泵工频1#泵变频2#泵工频
3#泵工频2#泵变频
3#泵变频急停
AC220V电源
DC24V电源停止
X22
图2 PLC外部接线图 五、PLC控制程序及说明 1、PLC控制程序说明 当管道内实际压力低于设定压力时，启动系统，1#泵变频运行，当1#泵变频器频率超出49HZ时，1#泵退出变频器运行，切换到工频；如果实际压力仍然低于设定压力时，启动2#泵变频运行，当2#泵变频器频率超出49HZ时，2#泵退出变频器运行，切换到工频；如果实际压力仍然低于设定压力时，启动3#泵变频运行，当3#泵变频器频率超出49HZ时，3#泵退出变频器运行，切换到工频，三台泵全部工频运行，达到供水量的最大值；如果这时管道内实际压力高于设定压力，3#泵由工频切换到变频器运行，若实际压力仍然高于设定压力，3#泵频率继续降低，当低于30HZ时，3#泵退出运行；若实际压力仍然高于设定压力，2#泵、1#泵依次由工频切换到变频器运行，并在频率低于30HZ时，依次退出运行。
2、I/O分配表 输入 输出 符号 名称 符号 名称 X0 手/自动转换 Y0 1#泵工频接触器 X1 启动 Y1 1#泵变频接触器 X2 1#泵热保护 Y2 2#泵工频接触器 X3 2#泵热保护 Y3 2#泵变频接触器 X4 3#泵热保护 Y4 3#泵工频接触器 X5 上限频率 Y5 3#泵变频接触器 X6 压力上限 Y6 急停接触器 X7 频率下限 Y10 M1故障 X10 压力下限 Y11 M2故障 X11 1#泵工频 Y12 M3故障 X12 2#泵工频 Y14 启动继电器 X13 3#泵工频 Y15 相序保护报警 X14 1#泵变频 X15 2#泵变频 X16 3#泵变频 X17 急停开关 X20 相序保护 X21 液位下限 X22 停止按钮
3、PLC程序 六、变频器主要设定参数 参数号 参数名称 设定值 设定功能 Pr.1 上限频率 60 上限频率设定值 Pr.2 下限频率 0 下限频率设定值 Pr.7 加速时间 2S 加速时间设定值 Pr.8 减速时间 2S 减速时间设定值 Pr.38 5V（10V）输入时频率 50HZ Pr.42 输出频率检测 49 频率超49HZ时有输出信号 Pr.50 第二输出频率检测 30 Pr.73 输入电压 0 0-5V Pr.79 操作模式 2 外部操作模式 Pr.128 PID动作选择 20 PID为反作用 Pr.129 PID比例常数 30% Pr.130 PID积分时间 1S Pr.131 上限 70% 压力上限 Pr.132 下限 50% 压力下限 Pr.133 设定值 60% 压力设定值 Pr.190 RUN端子功能选择 14 PID下限 Pr.191 FU端子功能选择 15 PID上限 Pr.192 IPF端子功能选择 5 第二输出
Pr.194 FU端子功能选择 4 第一输出
七、心得体会: 恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。 水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。 由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。正因为此，系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。 在实际应用中，采用PLC控制恒压供水，还能容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更大的灵活性和通用性。 从电控系统运行结果看，采用PLC进行逻辑控制，采用带PID功能的变频器进行压力调节，系统工作可靠，使用方便，压力稳定，无冲击，水压稳定在用户需要的0.35MPa上，而且根据需要这个压力值可通过改变压力给定值进行改变，水压在0.35±0.01MPa范围内波动，很好地满足了恒压供水的要求。 总体来说本次课程设计还是成功的，完成了起初的设计要求及预想目标。
