变频器一拖三恒压供水系统实现及监控

童克波

【摘 要】The system from one drag three inverter constant pressure water supply control scheme , the principle of variable frequency speed control proceed with , introduced PID converter control and in-verter frequency to set the parameters , the control program of the S 7-300 PLC and the hardware system design and configuration .According to the practical need and the trend of development of science and technology , designed the PROFIBUS DP as the control constant pressure water supply system bus , and the touch screen is used as signal monitoring , implementation of the system pressure , liquid level and fre-quency of monitoring .The whole system level of clear , rational structure .The experiments and tests , the design fully meet the requirements .% 从变频器一拖三恒压供水的控制方案、变频调速的原理入手，分别介绍了变频器PID控制和变频器频率到达的参数设置，S7-300 PLC的控制程序及监控系统的硬件系统设计与组态。根据实际需要和科技发展趋势，设计了PROFIBUS DP作为恒压供水系统的控制总线，并使用触摸屏作为信号监控，实现对整个系统中压力、液位和频率的监控。整个系统层次清晰，结构合理。经试验和测试，该设计完全符合要求。 【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》 【年(卷),期】2013(000)003 【总页数】6页(P84-88,97)

【关键词】一拖三;PID控制;工频变频切换;Flexible监控 【作 者】童克波

【作者单位】兰州石化职业技术学院电子电气工程系，兰州730060 【正文语种】中 文 【中图分类】TP277.2 0 引言

城市生活中由于用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。再加上目前能源紧缺，无论从节能还是从供水质量，传统的供水方式已不能满足要求。而采用PLC、变频器与组态监控的恒压供水系统能根据用水量的变化，实现PID控制，控制水泵电机的无级调速和变频工频自动切换，从而实现供水量与用水量的匹配，保证恒压供水。 1 变频调速恒压供水工作原理 1．1 恒压供水系统组成

系统使用1台S7-300(CPU315 2DP)PLC控制1台西门子MM440变频器，变频器拖动3台水泵电动机。水泵电动机的启动、停止、工频和变频切换由S7-300 PLC控制。为了达到水管压力的动态恒定，系统采用变频器的PID闭环控制，实现恒压供水。供水系统方案如图1所示。

系统的监控则由S7-300 PLC和西门子W inCC Flexible触摸屏组成一个主从网站，通过PROFIBUSDP总线将变频器、压力变送器和液位变送器的数据实时采集，通过触摸屏对储水罐的水位、市政供水管道、用户用水管道压力和水泵电动机进行监控和报警。

图1 供水系统方案图 1．2 恒压供水系统工作原理

系统将通往用户水管中的压力变化经压力传感器进行采集，经压力变送器转换为标准电量作为负反馈传送给变频器，与变频器中的设定值进行比较，根据变频器内置的PID功能进行运算处理，将处理的结果以运行频率的形式进行输出，从而控制水泵电机的转速。

当供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高，反之则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。由于系统采用了负反馈，当压力在上升到接近设定值时，反馈值接近设定值，偏差减小，PID运算会自动减小执行量，从而降低变频器输出频率的波动，进而稳定压力。

当水网中的用水量增大时，会出现“变频泵”效率不够的情况，这时就需要增加水泵参与供水。PLC根据检测变频器频率输出的上下限信号来判断变频器的工作频率，从而发出增加或减小水泵电机工作数量的控制信号。 2 变频调速恒压供水PID框图及需要设定的主要参数 2．1 变频器PID工作过程框图

现代的变频器一般都具有PID调节功能，其内部的框图如图2所示，SP和PV两者是相减的，其合成信号MV=(SP-PV)，经过PID调节处理后得到频率给定信号，决定变频器的输出频率f。当用水流量减小时，供水能力QG大于用水流量QU，则供水压力 PV上升，合成信号(SP-PV)下降，变频器输出频率f下降，电动机转速n下降，供水能力QG下降直至压力大小回复到目标值，供水能力与用水流量重新平衡(QG=QU)时为止。反之，当用水流量增加，使QG＜QU时，则PV↓→MV=(SP-PV)↑→ f↑→ n↑→QG↑→QG=QU，又达到新的平衡。 图2 变频器PID调节框图 2．2 变频器PID参数设置框图

要使供水系统稳定，必须有PID调节，其中P为比例调节，I为积分调节。D为微分调节。供水系统压力要求不是很精确，故只要 PI调节即可，MM440变频器PI框图及主要参数设置框图如图3所示。 图3 变频器PI参数设置框图 2．3 主要参数设置

1)控制参数的设置。P0003=3(专家级)，P0004=0(显示全部参数)，P0700=2(命令由端子输入)，P0701=1(由端子DIN1控制变频器的启停)，P1000=1(频率设定由面板设置)，P1080=20(下限频率)，P1082=50(上限频率)，P2200=1(PID功能有效)。

2)目标参数设置。P2253=2250(面板键盘设定给定值)，P2240=70(给定值设定为70%)，P2257=1(设定值上升时间为l s)，P2258=1(设定值下降时间为l s)。 3)反馈参数设置。P22=755.0(反馈通道由AIN1端子输入)，P2265=0(反馈无滤波)，P2267=100(反馈信号的上限为100%)，P2268=0(反馈信号的下限为0%)，P2269=100(反馈信号的增益是100%)，P2271=0(反馈形式是负反馈)。 4)PI参数的设置(以下数据供参考，不同系统其值有变化)。P2280=10(比例系数)，P2285=5(积分时间)，P2291=100(PID输出上限是100%)，P2292=0(PID输出下限)。

5)变频器输出继电器的参数设置。“一拖三”恒压供水调速系统加泵的关键是变频器在输出频率为50 Hz时，能送出一个信号给PLC，故只需设置变频器输出继电器1在变频器输出频率为50 Hz时动作，使“19～20”闭合即可。而减泵的关键是变频器在输出频率为下限频率时，能送出一个信号给PLC，故只需设置变频器输出继电器2在变频器输出频率为下限频率(P1080)时动作，使“21～22”闭合即可。

P0731=53.4(变频器实际频率大于门限频率f—1时继电器1闭合)，

P0732=53.2(变频器实际频率低于下限频率P1080时继电器2闭合)，P0748=0(数字输出不反相)，P2155=50 Hz(门限频率f—1)。 3 恒压供水变频调速系统设计 3．1 主电路

主电路接线如图4所示，KM1、KM3、KM5分别为水泵电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机 M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器，QF1为接通变频器电源的断路器。 图4 系统主电路图 3．2 PLC控制电路

PLC接线图如图5所示，图中Q4.0～Q4.5分别控制继电器KA0～KA5，继电器KA0～KA5再去控制KM0～KM5。为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电的情况，设计了电气互锁。例如在控制M1电动机的2个继电器KA1、KA0的线圈中分别串入了对方的常闭触点形成电气互锁。

供水压力设定值通过实际调试设定，压力变送器传送的压力值作为反馈传给变频器的第一路模拟量输入端子AIN1(3、4端子)上，频率检测的上/下限信号分别控制变频器输出继电器1的19、20端子和变频器输出继电器2的21、22端子，它们分别连接到PLC的输出继电器I2.2、I2.3上，作为PLC增泵、减泵的控制信号。 图5 PLC接线图

在系统的切换中，对变频器的保护是切换控制可靠运行的关键。系统中可采用硬件和软件的双重互锁保护。启动过程中，必须保证每台电动机由零转速开始升速。为减少电流冲击，必须在达到50 Hz时才可切换至电网。KA0断开前，必须首先保证变频器没有输出，KA0断开后，才能闭合KA1，KA0和KA1不可同时闭合。PLC控制程序必须有软件互锁。 3．3 PLC程序设计

PLC程序设计由三部分组成:参数表，PLC控制主程序，通信程序。S7-300 PLC作为主站，主程序和通信程序都集中在S7-300 PLC中。

在S7-300 PLC程序中，程序块DB100是个特殊的程序块，专门用于HMI对智能模块的设定;OB1和OB100分别为主循环和初始化程序;OB82和OB86为异步故障组织块;FC1为故障判断子程序;FC2为触摸屏状态读取子程序;FC3为触摸屏设定子程序;FC4为机号分配子程序;FC5和FC6为通信控制子程序;FC7和FC8为站点是否在线判定子程序。 块分配如图6所示。 图6 S7-300的程序块

总线的硬件组态中，所有智能设备均连接在PROFIBUS总线上，网络传输率设为1.5 Mbps，所有智能设备与CPU315之间的数据交换均为个字节，包含32字节读和32字节写。硬件组态结构如图7所示。

经过S7-300 PLC的控制，所有站点的状态数据被集中在S7-300 PLC中，便于HMI的监控，同时上位机的控制命令发给S7-300 PLC，再由S7-300 PLC发给各个智能设备。

图7 监控系统的总线的硬件组态 3．4 变量表

为了将管道压力、水泵电机的运行频率及储水罐的液位在触摸屏上监视，需要在二者之间建立一个变量表，使触摸屏和它们之间能建立实时通信。变量表如表1所示。

表1 PLC程序变量表名称及符号 变量 注 释启动变频器运行SB2 I2.1 停止变频器运行变频器输出继电器2 I2.2 变频器运行频率等于下限频率，输出继电器2常开触点闭合变频器输出继电器1 I2.3 变频器运行频率等于上限频率，输出继电器1常开触点闭合FR1 I2.4 电动机M1的过载保护FR2 I2.5 电动机M2的过载保护

FR3 I2.6 电动机M3的过载保护KM0 Q4.0 控制M1变频运行KM1 Q4.1 控制M1工频运行KM2 Q4.2 控制M2变频运行KM3 Q4.3 控制M2工频运行KM4 Q4.4 控制M3变频运行KM5 Q4.5 控制M3工频运行VW400 DB.DBW0 组号与机号设定VW402 DB.DBW2 控制字IB10～IB33 DB.DBW4 触摸屏设定字QB10～QB33 DB.DBW4 SB1 I2.0触摸屏设定字 4 结束语

Flexible触摸屏连接在总线上，通过PROFIBUS网络与S7-300 PLC进行关联。读取总线上所有智能设备的状态，并可对所有设备的运行进行设置和监控。 系统从变频器一拖三恒压供水的控制方案、变频调速的原理入手，分别介绍了变频器PID控制和变频器频率到达的参数设置，S7-300 PLC的控制程序及监控系统的硬件系统设计与组态。根据实际需要和科技发展趋势，设计了PROFIBUSDP作为恒压供水系统的控制总线，并使用触摸屏作为信号监控，实现对整个系统中压力、液位和频率的监控。整个系统层次清晰，结构合理。经试验和测试，该设计完全符合设计要求。 参考文献:

［1］ 向晓汉.西门子PLC高级应用实例精解［M］.北京:机械工业出版社，2010. ［2］ 李绍铭，闫晖.基于S7-300 PLC的行车电机状态数据采集系统设计［J］.自动化与仪器仪表，2010(2):35.

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［5］ 孟晓芳，李策.西门子系列变频器及其工程应用［M］.北京:机械工业出版社，2008.