多机组恒压变频PLC控制系统的设计.docx
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多机组恒压变频PLC控制系统的设计
内容摘要
本文是以三台水泵为例做的多机组恒压变频PLC控制系统的设计。
多机组恒压变频PLC控制系统主要是由PLC(可编程控制器)和变频器组成的恒压供水系统。
由三菱FX2N-4BMRPLC作为控制机构控制西门子MM440变频器的运行和三台水泵的工频和变频的相互切换;压力传感器把供水管道的水压经过AD模块送回到PLC,再通过PLC的PID比较检测结果和目标值的偏差计算出输出结果,把结果通过DA模块输入到变频器最终形成闭环控制,本系统重点解决的是PLC与VVVF的链接以及MM440变频器控制的水泵的工频变频切换。
最终实现供水系统的可靠稳定运行,满足人们对供水质量的要求。
关键字
多机组;恒压供水;变频器;PLC;变频/工频切换
Abstract
ThispaperisthedesignofmultiunitConstantpressurefrequencyconversionPLCcontrolsystemwiththreewaterpumpsasanexample.MultiunitConstantpressurefrequencyconversionPLCcontrolsystemisaconstantpressurewatersupplysystemthatmainlybeconsistedofPLC(programmablelogiccontroller)andthefrequencyconverter.ByMitsubishiFX2N-48MRPLCasacontrolmechanismtocontrolSiemensMM440frequencyconverterrunningthreepumpsandpowerfrequencyandfrequencyconversionswitcheachother;PressuresensorofwatersupplypipelinehydraulicpressureafterADmodulebacktoPLC,throughthePLCtocomparetestresultsandthetargetofthePIDoutputthedeviationofcalculatedresults,theresultsthroughtheDAmoduleinputtotheinverterfinallyformaclosedloopcontrol,thissystemisthekeytosolvethePLCandVVVFlinksandMM440invertercontrolofpumpfrequencyconversionpowerfrequencyswitching.Finallyrealizethestableandreliableoperationofwatersupplysystem,thenmeettherequirementsofqualityofwatersupply.
Keywords
Manyunits;Constantpressurewatersupply;Frequencyconverter;PLC;
Variablefrequency/powerfrequencyswitching
多机组恒压变频PLC控制系统的设计
1.绪论
随着社会的不断发展,人们对供水质量的要求也在不断提高,这就使得供水系统不断向稳定、可靠、经济等方向发展。
随着电力电子变流技术、微电子技术、控制理论的不断发展,自上世纪八十年代变频器应用于我国开始,变频调速不断发展壮大,这就使得供水系统也得到了突飞猛进的发展。
1.1.传统供水系统
传统供水系统主要由高位水箱或者水塔来供水的,这样不仅不能保证供水的稳定平衡,还有可能造成供水污染并且会额外增加土建的投资。
1.2.现代供水系统
随着变频技术的不断发展和变频技术的广泛应用,高性能的供水系统也已采用了变频技术,并且已经发展成熟且广泛应用于市政、工业供水。
现在的供水系统主要由可编程控制器(PLC)、变频器组成主要统;PLC作为主控制器,变频器作为执行机构来驱动电机的运行,压力传感器将压力信号反馈回PLC形成闭环控制系统。
这种供水系统具有较高的看可靠性、稳定性,并且运行比较经济。
现在基本已经取代传统供水系统,广泛应用于民用和工业。
2.可编程控制器简介
可编程控制器(Programmablelogiccontroller)又叫做PLC。
PLC是微电子技术、自动控制技术、通信技术相结合的一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
PLC具有可靠性高、抗干扰能力强;配套齐全、功能完善、实用性强;易学易用、深受工程技术人员欢迎;系统设计周期短、维护方便、改在容易;体积小、重量轻、能耗低等特点。
在国内外已广泛应用于机械制造、石油、交通运输、化工、电力、建材、钢铁、汽车、轻纺、环保及文化娱乐等行业。
特别是近年来可编程控制技术在工业自动化、传统产业技术改造等方面的应用越来越广泛,已成为现在工业重要组成基础。
PLC主要用梯形图来实现大多数功能,随着近年来的发展,为了实现更多高级的功能,大多大中型的PLC都具有兼容PASCAL、BASIC、C语言等高级语言的能力。
目前主流的PLC品牌主要有三菱、西门子、松下、施耐德、欧姆龙等。
本系统采用的型号是三菱的FX2N-48MR。
3.变频器简介
变频器(Variable-frequencyDrive,VFD)是随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的发展和人们对电机驱动等技术的需要而产生的一种驱动电机的电力控制装置。
变频器主要由整流器、中间电路、逆变器、控制电路组成,如图3-1所示。
整流器的功能就是把交流电变为直流电;中间电路的功能就是滤波,把由整流器变成的直流电变得更稳定;逆变器的作用就是把直流电变为所需要的频率的交流电;控制电路就是根据用户的需求调节整流器、中间电路、逆变器相互协调工作,最终变换出人们需要的交流电。
图3-1
变频技术的发展和应用,使得直流调速逐渐被交流调速所取代。
直流电机主要存在以下缺点:
a)需要定期更换电刷和换向器,维护包困难,寿命较短;
b)直流电动机存在换向火花,难于应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;
c)结构复杂,难以制造出高转速、高电压、大容量的直流电动机。
交流电动机和直流电动机相比,具有以下优点:
a)结构简单、坚固、工作可靠、易于维护和保养;
b)不存在换向火花,可用于存在易燃易爆气体的恶劣环境;
c)容易制造厂高转速、高电压、大容量的交流电动机。
变频技术的快速发展,使得交流调速拖动系统也不断向前发展。
与传统的交流调速系统相比,使用变频器实现交流调速拖动控制,不但具有节能的优点,还可以很方便的实现调速,得到较宽的调速范围和较高的调速精度,很容易实现电动机的正反切换,减小电动机的启动电流,减小电动机的功率损耗,还可实现高转速、高电压大电流控制,使用变频器实现交流调速拖动控制系统还具有运行可靠、维护简单的优势。
通用的变频外部端口主要包含数字输入输出端口、模拟输入输出端口、频率给定输入端口、通信端口、继电器输出端口等。
其变频功能的实现主要是根据人们的需求来链接外部端口电路和设定变频器的内部参数来实现的。
目前变频器的主要品牌有西门子、三菱、松下、富士、施耐德、ABB、欧姆龙、东芝等。
本系统采用的是西门子MM440变频器。
4.设计方案
4.1.总体设计构架
本文的设计的是多机组恒压供水系统,其框架结构如图4-1所示;其主要结构还是变频器和PLC。
其中PLC作为控制装置,供水系统的启动/停止、压力传感器对水管压力信号的采集都归入PLC控制系统。
变频器就作为电机的驱动装置,接受PLC的控制信号。
多机组恒压供水系统此处以三个水泵为例做设计。
之所以设计三台水泵,是根据小区的日常需水情况而设计的;一般用水高峰期为做饭、洗澡用水,夜间用水量就很小,考虑到这些因素,基本上就可以满足高峰期的供水需求。
图4-1
在无塔恒压供水系统中,电机转速能够实现连续无极调速是关键,而电动机的输出力矩是隐含的、无需关注的量——除非电动机在额定转速下依然不能满足用户需求,但是即便如此,提升其输出力矩已经基本没有空间了。
这时应该考虑的是增大电机容量或增设水泵。
也就是说,对于这一类系统而言,电机的特性是不重要的,所以通常无需转速反馈。
在此系统中,压力变送器采集的信号可设为电流信号,经过PLC的AD转换模块传给PLC,PLC再经过内部的PID控制模块计算出相应的输出值,然后根据PLC的编程控制经过PLC的DA转换模块把数字信号转换为电流信号,此信号再传入变频器做为频率给定信号,使得变频器输出相应频率的交流电来驱动电机的运行,三台水泵可以根据相应的控制要求进行启/停、变频/工频运行。
4.2.控制要求
1、应用一台变频器、一台PLC、三个水泵;
2、设有手动控制和自动控制;手动运行时自动控制不起作用,即变频器不控制水泵,可有相应的启动停止按钮控制相应的水泵的启(工频)/停;当自动控制时,手动控制电机的启/停不起作用;并且设有自动控制和手动控制的指示灯;
3、自动控制运行时,当水压低于设定的水压下限并且变频器所控制的电机已达到设定的最大频率时将变频器现在控制的电机切换为工频运行,然后启动另外一台进入变频运行,然后以此类推;
4、自动控制运行时,当水压高于设定的水压上限并且变频器所控制的电机已在变频器所设的最小频率运行时将变频器现在控制的电机停机,然后将另外正在工频运行的一台电机切换为变频运行,然后依次类推;
5、为每个电机设置运行指示灯,当电机运行时电机相对应的指示灯会亮起;
6、设置报警装置,当变频器故障时警铃响起,并且变频器故障指示灯亮起;三台水泵全部工频运行并且水压低于设定水压下限持续2s和三台水泵全部停机并且水压高于设定水压上限持续2s,此时警铃也响起,并且对应的水压过高指示灯或者对应的水压过低指示灯亮起;
7、其他的控制要求可根据需要自行设定。
5.器材选定
在此系统中选用的部分器材如下表5-1;
器材
数量
西门子MM440通用变频器
一台
三菱FX2N-48MR-001PLC
一台
三菱FX2N-4AD模块
一台
三菱FX2N-4DA模块
一台
压力变送器(具体型号根据需要选取)
一个
指示灯(具体型号根据需要选取)
若干
警铃(根据需要选择)
一个
接触器(具体型号根据需要选取)
若干
表5-1
其他所需器材根据需要选定,下面将简单介绍所选用的MM440变频器、三菱FX2N-48MR-001、三菱FX2N-4AD模块、三菱FX2N-4DA模块。
5.1.MM440变频器
MM440变频器是西门子公司生产的一款具有代表性的三相交流异步电动机驱动设备,属于通用型矢量变频器。
所谓“通用型”,是指基于三相交流异步电动机稳态数学模型的控制方式,其基本思想是通过协调控制电压(V)、频率(f),最大程度保证电动机气隙磁通稳定于额定值。
MM440变频器提供的此类控制模式有:
线性V/f控制、抛物线V/f控制、可编程多点设定V/f控制、磁通电流控制等。
此外,MM440变频器还具有矢量控制功能。
所谓矢量控制,是建立在异步电动机动态数学模型基础之上的一类新型控制方式,其基本思想是利用矩阵变换等数学手段,实现励磁电流、转矩电流的解耦,将三相异步电动机等效为直流电动机,从而实现对三相定子电流的实时调节。
以下从硬件端口、参数设置等几个方面简单介绍MM440变频器的应用。
如表5-2所示为MM440的端子功能介绍但是其具体功能要根据需要参看手册来进行参数设置。
端子号
标识符
功能
说明
1
——
输出+10v
10V直流电源,用于给定电位器,产生0~10V电压型频率给定信号
2
——
输出0V
3
AIN1+
模拟输入1(+)
模拟输入通道1。
对于电流输入,对应的DIP开关应置于ON
4
AIN1-
模拟输入1(-)
5
DIN1
数字输入1
1~4号数字量输入端子
6
DIN2
数字输入2
7
DIN3
数字输入3
8
DIN4
数字输入4
9
——
直流+24V输出
可用作外接开关元件公共端,最大100mA
10
AIN2+
模拟输入2(+)
模拟输入通道2。
对于电流输入,对应的DIP开关应置于ON
11
AIN2-
模拟输入2(-)
12
AOUT1+
模拟输出1(+)
模拟输出1端子,0~20mA
13
AOUT1-
模拟输出1(-)
14
PTCA
连接温度传感器PTC/KTY84
电动机热保护端子
15
PTCB
连接温度传感器PTC/KTY84
16
DIN5
数字输入5
5~6号数字量输入端子
17
DIN6
数字输入6
18
RL1-A
数字输出1,常闭
变频器内部继电器触点,可外接直流30V/5A电阻性、交流250V/2A电感性负载
19
RL1-B
数字输出1,常开
20
RL1-C
数字输出1,公共端
21
RL2-B
数字输出2
变频器内部继电器触点,常开,外接负载同上
22
RL2-C
数字输出2
23
RL3-A
数字输出3,常闭
变频器内部继电器触点,外接负载同上
24
RL3-B
数字输出3,常开
25
RL3-C
数字输出3,公共端
26
AOUT2+
模拟输出2(+)
模拟输出2端子,0~20mA
27
AOUT2-
模拟输出2(-)
28
——
0V
直流24V电源的负端
29
P+
RS-485串口
RS-485串行通讯端口
30
N-
RS-485串口
表5-2
变频器控制电路的核心元件是CPU,所有的控制算法、控制参数均由软件实现。
我们应用变频器不需要具体了解变频器内部控制电路的原理、构造,而是需要了解变频器如何与外界其它设备进行有效的沟通,所以变频器的外部端口极其功能是必须了解清楚的。
与PLC相仿,MM440变频器的端口类型主要有DI/DO、AI/AO等,此外还有DC10V、24V两个直流电源,以及用于串行通讯的RS485串口。
与PLC稍显不同的是,变频器的端口通常都有较为具体的含义和规定。
每个端口大体上都被分配了几个特定功能,当用户需要使用其中某个功能时,则除了要在硬件上与外部设备进行正确连接外,还要在变频器参数中进行必要的设定。
根据控制要求并参考《西门子MM440变频器技术手册》进行如下参数设置,见下表5-3;
参数号
设定值
说明
P1300
2
抛物线v/f控制方式,可用于改变转矩负载,如风机和水泵
P0700
2
缺省值,由端子排输入控制变频器的正向ON/OFF
P0701
1
缺省值,5号端子(DIN1)为高电平正向启动,低电平停机
P1080
10
最小运行频率
P1082
50
最大运行频率
P1120
3
斜坡上升时间(可根据现场调试情况另行设定)
P1121
3
斜坡下降时间(可根据现场调试情况另行设定)
P0731
52.3
数字输出1的功能选择,变频器故障信号
P1000
2
缺省值,模拟输入1(ANI1)为频率设定值
表5-3
此参数设置只是一部分,具体其他参数可根据需要进行设定,例如电动机的参数设置可以根据所选电动机来设置,如果所选电动机不同,可多设置几组参数进行切换。
5.2.FX2N-48MR-001PLC
三菱FX2N-48MR-001PLC是日本三菱公司生产的一个有48个I/O点(24位输入,24位输出)的可编程控制器,其输出为继电器输出使用220V交流电源供电。
FX2N-48MR-001属于FX2N系类的PLC,它的基本指令执行时间高达0.08us每条指令,内置的用户用户存储器为8KB,可扩展到16KB,最大可以扩展到256个I/O点。
有多种特殊功能模块或者功能扩展版,可实现多轴定位控制,每个基本单元可扩展8个特殊单元。
机内有实时时钟,PID指令可实现模拟量闭环控制。
有功能很强的数学指令集。
其端子分布图如下图5-4所示;
图5-4
5.3.FX2N-4AD模块
FX2N-4AD模块是FX2N系列PLC的模拟输入模块。
FX2N-4AD模块有四个输入通道,输入通道接收模拟信号并将其转换成数字信号,这称为A/D模块,最大分辨率是12位。
基于电压或者电流的输入/输出的选择通过用户的配线完成,可选用的模拟值范围是-10V-10VDC(分辨率5Mv),或者4-20mA,-20-20mA(分辨率20uA)。
FX2N-4AD模块占用FX2N扩展总线的8个点,这8个点可以分配成输入或输出,FX2N-4AD模块消耗FX2N主单元或者有源扩展单元5V电源槽30mV的电流。
FX2N-4AD模块通过扩展总线与FX2N系列的基本单元连接,其外部接线连接入下图5-5所示。
外部模拟输入量通过双绞屏蔽电缆输入至FX2N-4AD模块的各个通道中,如果输入电压波动或有外部电器电磁干扰影响,可以在模块的输入口中加一个平滑电容,若外部是电流输入量,则把V+和I+相连接,若有过多的干扰存在,应将机壳的地FG端与FX2N-4AD模块的电源接地端GND相连。
图5-5
FX2N-4AD模块与FX2N基本单元的数据交换是通过FX2N-4AD模块的内部缓冲寄存器(BFM)进行的。
FX2N-4AD模块内部共有32个缓冲寄存器,每个缓冲寄存器的位数为16为RAM。
FX2N-4AD模块占用FX2N宽展总线的8个接点,这8个点可以是输出点也可以是输出点。
BFM的设定值可以改变FX2N-4AD模块的运行参数,可以调整其输入方式、输入增益和偏移量等。
具体的设定值可以参照《FX2N-4AD手册》和自己的需求进行设定。
FX2N-4AD模块可以通过FROM和TO指令与PLC基本单元进行数据交换。
下图5-6,所示为FX2N-4AD模块的基本应用程序。
FX2N-4AD与PLC基本单元的位置编号为0,计算平均数的采样次数设为4,并且由PLC的数据寄存器D0、D1来接受该平均值。
图5-6
增益和偏移量的编程设置可以采用PLC的TO指令可以改变FX2N-4AD的增益和偏移量,其程序如图5-7所示;
图5-7
5.4.FX2N-4DA模块
FX2N-4DA模块是FX2N系列PLC的模拟输出模块。
FX2N-4DA模块有4个输出通道(CH1-CH4),每个通道均可进行D/A转换。
数字量转化为模拟量的最大分辨率是12位,输出的模拟电压范围是-10-10V时,分辨率为5mV,电流输出范围为0-20mA时,分辨率为20uA。
FX2N-4DA模块占用FX2N扩展总线的8个接点,这8个点可以是输入或输出点。
FX2N-4DA模块通过扩展总线与FX2N系列的基本单元连接,其外部接线连接入下图5-8所示。
外部模拟输入量通过双绞屏蔽电缆输入至FX2N-4DA模块的各个通道中,应远离干扰源。
输出电源的负载端使用单点接地。
有噪声或者干扰,可以在模块的输入口中加一个平滑电容。
FX2N-4DA与PLC基本单元的大地应接在一起。
电压输出端或电流输出端若短接的话可能会烧坏FX2N-4DA模块。
24V电源,电流200mA外接或者用PLC的24V电源。
不是用的端子,不要这在这些端子上链接任何单元。
图5-8
FX2N-4DA模块与FX2N基本单元的数据交换是通过FX2N-4AD模块的内部缓冲寄存器(BFM)进行的。
FX2N-4DA模块内部共有32个缓冲寄存器,每个缓冲寄存器的位数为16为RAM。
BFM的设定值可以改变FX2N-4AD模块的运行参数,可以调整其输入方式、输入增益和偏移量等。
具体的设定值可以参照《FX2N-4DA手册》和自己的需求进行设定。
FX2N-4DA模块的基本编程应用和FX2N-4AD模块的一样,也是通过FROM和TO指令和PLC基本单元进行数据交换的,其基本应用程序在此不在叙述。
其通道的I/O口调整编程和FX2N-4AD模块的也基本相同,在此也不做阐述。
5.5.其他器材选定说明
压力变送器可以根据需要来进行选定,变送的的是电流信号或者是电压信号均可,其供电可以采用变频器或者可编程控制器的24V直流电源输出供电。
指示灯、警铃、接触器都可按照节能环保的要求根据需要进行选择。
6.硬件电路图设计
6.1.主电路图设计
主电路图的设计如下图6-1所示,KM1、KM3、KM5分别为控制水泵1、2、3的工频运行接触器触电;KM0、KM2、KM4分别为控制水泵1、2、3变频运行的接触器触点;KM6为控制变频器的接触器触点。
KM0和KM1、KM2和KM3、KM4和KM5不能同时闭合,即一台水泵不能同时接受工频和变频的控制。
图6-1
6.2.控制电路部分
本系统的控制电路部分如下图6-2所示;主要由FX2N-48MR、FX2N-4AD模拟输入模块、FX2N-4DA模拟输出模块、MM440变频器组成。
压力变送计采集供水管道的压力然后输出4-20mA的电流输入到PLC的AD模块,然后经过PLC内部的PID计算从DA模块输出电流值到变频器控制变频器的频率。
有PLC控制三台水泵的切换,最终实现恒压供水。
图6-2
(注释:
FX2N-4AD模块为近端,FX2N-4AD模块为远端,即编程时FX2N-4AD模块编号为K0,FX2N-4DA模块为K1;这里为了画电路图方便和使电路图美观所以才把两个模块至于两端。
)
上图6-2中的部分按钮及接触器的I/O口分配如下表6-3;
名称
I/O口
功能
名称
I/O口
功能
SB0
X0
手动启动按钮
KM0
Y0
水泵1变频运行
SB1
X1
自动启动按钮
KM1
Y1
水泵1工频运行
SB2
X2
停止按钮
KM2
Y2
水泵2变频运行
SB3
X3
手动启动水泵1
KM3
Y3
水泵2工频运行
SB4
X4
手动停止水泵1
KM4
Y4
水泵3变频运行
SB5
X5
手动启动水泵2
KM5
Y5
水泵3工频运行
SB6
X6
手动停止水泵2
KM6
Y6
变频器通电
SB7
X7
手动启动水泵3
KM8
Y8
水压过高或者过低
SB8
X8
手动停止水泵3
KM9
MM440数字输出1
变频器故障输出
表6-3
手动运行时按下SB0,此时自动控制软件部分将不起作用,变频器也没有供电输入。
此时可以通过SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8来控制三个水泵的启动和停止,但是只能进行工频运行。
自动控制时按下SB1,此时手动控制部分按钮将不起作用,即SB3、SB4、SB5、SB6、SB7、SB8按钮不起作用,由PLC的程序来控制三台水泵的切换运行及变频的的运行。
具体控制过程在后面的软件部分介绍。
6.3.指示和报警部分电路
此部分电路可以指示出每台水泵的变频运行和工频运行以及报警时有扬声器响起和相应的灯亮起。
其电路图如下6-4所示;
图6-4
上图的各部分说明如下;
水泵1变频运行时,L0亮起;
水泵1工频运行时,L1亮起;
水泵
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