PLC变频恒压供水控制系统设计资料

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二：变频恒压供水控制系统简介

• 恒压供水系统的目的和意义
  

    泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等原因，至使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的动能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当大的比例。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法是目前较为重要的一件事。

变频恒压供水系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便的实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

• 恒压供水系统的特点
  

变频频恒压供水系统在水量增加时，变频器频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大；用水量减少时，变频器频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应减小，保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水品质和供水效率的目的；采用该设备不需建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水设备。  变频恒压供水系统的主要特点：  

①:均配有稳压泵或稳压罐稳压，在用水量小到一定值时，主泵可停止运转，减少水泵电机的机械磨损并且节约电能。与传统供水方式相比变频恒压供水能节能30%-60%。  

②:结构紧凑，占地面积小，安装快，投资省，运行稳定，无污染，效率高。  ③:配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

三：变频恒压供水控制系统理论分析

1.变频恒压供水控制系统构成

     变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。

   水压由远传压力表的信号0-10V电压（或者是压力变送器的信号4-20mA）送入变频器内部的PID模块，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，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。

• 变频恒压供水控制系统理论模型
  

变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管 网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可 以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内， 恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上 。  

在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压 力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量 和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率 使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复， 直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。

四：变频恒压供水控制系统设计与选型

1.变频恒压供水系统设计

变频恒压供水系统由控制柜，压力传感器，异步电动机及水泵组成，由此构成一个压力负反馈闭环控制系统。压力传感器将管道中的水压值变换成电信号(0~10V)，送入系统内置数字PID控制器进行比较，其偏差值经控制运算后，去控制变频器的输出频率，通过上位机对当前压力信号的反应，改变水泵的运转状态和转速，实现压力调节。

传感器选用了设计中需要测量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。

2.变频器简介

1）变频器的基本结构与分类

变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器包括控制电路、整流电路、中间直流电路及逆变电路组成。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

• 变频器的选型
  

（1）：控制方式

控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。

（2）：变频器容量的选择

变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。

①从电流的角度：  

大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。

选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。 ②从效率的角度：  

系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：  

变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。

在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。  

当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。  

经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。  

当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。

• 变频恒压供水系统系统主电路的设计
  

G600高性能矢量变频器供水

①供水系统的主电路图

• 接线图
  

• PID控制
  

1.原理

PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的原理如图所示。

PID控制原理图

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的控制 偏差

e(t)=y(t)一r(t)                       

将偏差e(t)的比例、积分和微分通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

• 变频恒压控制系统调试
  

具体实验流程及参数调制：

• 连接好线，通电，首先设置参数P0-02=0面板调试，若设置成其他参数，则不能面板启动电机，默认为0.
• 设置P0-03，此参数设置主频率源，之前做过一个实验不用PID调节，即设置P0-03=2设置AI1反馈信号为主频率源，也可以实现恒压供水，缺点是压力恒定而不能改变，不能满足多用户的用水要求。意识到这样情况后，知道P0-03参数设置的问题，之后把P0-03设置成8，即主频率源由PID控制，设置完这一参数后，即跳到调制PID具体设置参数的PA组。
• PA组
  

1.PA-00设置PID给定源，即设置目标值，PA-00=0表示PID给定源由PA-01设定。

2.PA-01 PID数值给定，为百分数形式，出厂默认50%，鉴于所使用的远传压力表总量程为1MPA，测试水泵电机以50hz频率工作时给予远传压力表最大的压力才接近0.2MPA，所以设置此数值为15%，即让它在达到总量程的15%处0.15KPA处通过调节频率稳定压力。

3.PA-02设置PID反馈源，由接线知道此参数应该设置成0，即AI1反馈。

4.PA-03设置PID作用方向，理论上因为远传压力表在一开始没有压力的时候输出的电压也几乎为0，随着用水量的减少即阀门的慢慢关闭压力会慢慢增大，它所反馈的电压值也在慢慢增大，此时电压值反馈给变频器PID控制，它与目标值（PA-01所设的压力值转化成的电压信号）比较，发现变大了，变频器会降低频率以使它趋于目标值，所以PID的作用方向是正作用，负反馈。PA-03=0。

5.PA-05比例增益kp1，默认值20，设定范围0-100，数值越大PID调节强度速度越快，此参数要根据实际变频器运行情况设定

6.PA-06积分时间Ti1，默认值2s，设定范围0.01-10s，数值越小调节速度越快。

7.PA=07微分时间Td1，默认值0s，设定范围0-10s，微分时间越长调节速度越快。以上三个参数在具体应用中需要反复尝试以寻求最好的“追踪”性能，一般只调节比例增益和积分时间就能达到很好的效果，在此试验中，追求的是变频器频率调整能更快的追随反馈量的变化，以使能够在调节流量导致反馈量变化时能更快的看见变频器频率的变化，所以设置PA-05=90，PA-06=1让调节速度最快，以便观察。实际应用时应按实际状况调节至合适。

设置完以上参数，理论上是能够运行的，但是不能实际运行，具体一运行之后，在阀门关闭的情况下，频率很快升到50hz，二压力也达到了0.2MPA，超出设定值0.15MPA，没有根据反馈量降低频率使压力维持在设定值左右，经反复思考排查原因，最后想到可能是设的目标值不起作用，遂改换了另一套方案。

方案2

在变频器输入信号端子AI2上接电位计（AI1已作为远传压力表的反馈输入），取代以上PA组设定1,2步骤设置给定源目标值，即设置PA-00=2，AI2输入，通过调节电位计数值实现给定目标值，让变频器频率变化随着电位计的变化而变化，当电位计不变时，随着阀门的开关变化，变频器也在时刻调整着。经测试，能实现其功能。

PID实际值随目标值变化曲线

• 总结
  

通过几天的学习和反复的尝试，让我好好地认识了变频器，了解了它具体是干什么的，应用于什么方面，能实现什么功能，也让我认识到还有很多东西需要我去钻研，去学习。人在发明创造的潜力是巨大的，变频器的出现让我们节省了大量的体力劳动，方便了我们的生活，服务于我们的社会，给社会带来巨大的经济效益。

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