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變頻器與PLC在恒壓供水中的成功應(yīng)用

1.引言

    隨著變頻調(diào)速技術(shù)和可編程控制器的飛速發(fā)展，以及其應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要裝置之一，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛使用，在其它領(lǐng)域(如民用和家庭自動化)的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。

    由于變頻調(diào)速技術(shù)和可編程程序控制器的應(yīng)用靈活方便，在恒壓供水系統(tǒng)中亦得到廣泛的應(yīng)用。采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。

    2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖一;它主要有PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動力及控制線路以及泵組組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號變成4～20mA標準信號送入變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得到4～20mA參數(shù)，4～20mA信號送至變頻器?？刂葡到y(tǒng)由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速不同、工作頻率也就不同，在變頻器設(shè)置中設(shè)定一個上限頻率和下限頻率檢測，當(dāng)用水量大時，變頻器迅速上升到上限頻率，此時，變頻器輸出一個開關(guān)信號給PLC;當(dāng)用水處于低峰時，變頻器輸出達到下限頻率，變頻器也輸出一個開關(guān)信號給PLC;兩個信號不會同時產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生任何一個信號時，信號即反饋給PLC，PLC通過設(shè)定的內(nèi)部程序驅(qū)動I/O端口開關(guān)量的輸出來實現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機臺數(shù)，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。

    3、工作原理

    該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式。手動方式時，按下按鈕啟動和停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#~3#泵的啟停，該方式主要供設(shè)備調(diào)試、自動有故障和檢修時使用。自動運行時，首先由1#水泵變頻運行，變頻器輸出頻率從0HZ上升，同時PID調(diào)節(jié)器把接收的信號與給定壓力比較運算后送給變頻器控制。如壓力不夠，則頻率上升到50HZ，變頻器輸出一個上限頻率到達信號給PLC，PLC接收到信號后經(jīng)延時，1#泵變頻迅速切換為工頻，2#泵變頻啟動，若壓力仍達不到設(shè)定壓力，則2#泵由變頻切換成工頻，3#泵變頻啟動;如用水量減少，PLC控制從先起的泵開始切除，同時根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行，始終保持管網(wǎng)壓力。

    若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機，待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)到初始狀態(tài)開始運行。變頻自動功能是該系統(tǒng)基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵的啟動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。

    4、變頻器

    變頻器采用艾默生電氣公司生產(chǎn)的EV2000系列變頻器。EV2000采用*的控制方式，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速驅(qū)動，滿足通用變頻器高性能化的要求，具有超出同類產(chǎn)品的防跳閘功能和適應(yīng)惡劣電網(wǎng)溫度、濕度和粉塵能力，*提高產(chǎn)品可靠性。

    EV2000具有實用的PI(圖二)、簡易PLC、靈活的輸入輸出端子、脈沖頻率給定、停電和停機參數(shù)存儲選擇。頻率給定通道與運行命令通道捆綁，零頻回差控制等，為設(shè)備提供集成度一體化解決方案，對降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性具有*價值。PI參數(shù)的設(shè)定將直接反饋變頻器控制中的響應(yīng)速度和精度，零頻運行閾值和零頻回差的設(shè)定可以避免變頻器在低頻率輸出水泵低速運行(水泵在變頻器輸出15HZ以下時的效率很低)，使變頻器低于某一頻率時自動停止輸出，即不影響恒壓供水的要求，又把效率提至高。

    5、PLC控制系統(tǒng)

    該系統(tǒng)采用三菱FX-1s30MR，I/O點數(shù)為30點，繼電器輸出，PLC編程采用FX—20P—E手持式編程器或三菱PLC編程軟件SWOPC—FX/WIN—C，PLC可編程程序控制器及軟件提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程、在線連接和調(diào)試。為了提高整個系統(tǒng)的性價比，該系統(tǒng)采用可編程控制器的開關(guān)量輸入輸出來控制電機的起停、自動投入、定期切換，供水泵的變頻及故障的報警等，而電機的轉(zhuǎn)速、設(shè)定壓力、頻率、電流、電壓等模擬信號量及實際運行參數(shù)則由變頻器及其內(nèi)置PID來顯示和控制。

    三菱PLC的編程指令簡單易懂且程序設(shè)計靈活，本系統(tǒng)PLC主體程序用STL指令與狀態(tài)繼電器S，STL指令可以編制生產(chǎn)流程和工作與順序圖非常接近的程序，順序功能圖中的每一步與其他步是*隔離開的，根據(jù)控制要求將這些程序段按一定的順序組合在一起，就可以成功地完成控制任務(wù)。FX系列PLC的狀態(tài)繼電器編制順序控制程序時一般與STL指令一起使用。

    泵組切換示意圖如圖三，工作條件滿足，開始工作時，1#泵變頻啟動，泵的轉(zhuǎn)速隨變頻器輸出頻率的上升而逐漸升高，如變頻器的頻率達到50HZ而此時水壓還未達到設(shè)定值，變頻器檢測到上限頻率并輸出一個開關(guān)信號給PLC，延時一段時間后，1#泵迅速切換至工頻運行，同時解除變頻器運行信號，使變頻器頻率降為0HZ，然后2#泵變頻啟動，若壓力仍未達到，則2#泵切換至工頻，3#泵變頻啟動，在運行中始終保持一臺泵變頻運行，當(dāng)壓力達到設(shè)定值時變頻輸出將為0HZ，同時變頻器輸出一個下限頻率信號至PLC，由PLC決定切除1#工頻泵，此時由一臺工頻泵和一臺變頻泵運行，如果此時壓力達到設(shè)定值，變頻器的輸出為0HZ，同時輸出下限信號給PLC，PLC解除2#工頻泵，只由3#泵變頻運行來維持管網(wǎng)壓力。當(dāng)壓力下降，變頻器頻率升至50HZ輸出信號，延時后3#泵切換為工頻，1#泵變頻啟動，若壓力仍不滿足則1#變切換為1#工，2#泵變頻運行，如果壓力仍達不到，2#變切換為2#工，啟動3#變，三臺泵同時工作以保證供水要求。

    這樣的切換過程有效地減少泵的頻繁起停，同時在實際管網(wǎng)對水壓波動做出反應(yīng)之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發(fā)生。

    以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常時采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調(diào)節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切換工頻的方式*，但其容易引起泵組的頻繁起停，從而減少設(shè)備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中采用直接停工頻泵的運行方式，同時由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時間缺水的現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。

    6、注意事項

    要使系統(tǒng)穩(wěn)定快速準確的運行，應(yīng)注意一下參數(shù)：

    1)變頻、工頻切換時間T

    切換時間T在PLC程序中設(shè)定，設(shè)置T時為了確保在加泵時，泵由變頻轉(zhuǎn)換為工頻過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對對應(yīng)的交流接觸器不會同時吸合，而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流大而對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，所以在允許的范圍內(nèi)時間T必須盡可能小。

2)上、下限頻率持續(xù)時間TH和TL

    變頻器運行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，本系統(tǒng)以變頻運行的頻率是否達到上限(下限)，并保持一定的時間來判斷是否加、減泵，這個判斷時間就是TH(TL),如果設(shè)定值過大，系統(tǒng)就不能迅速的對管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng);如果設(shè)定值過小，管網(wǎng)用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵工作。

    7、結(jié)束語

    該系統(tǒng)采用PLC和變頻器結(jié)合，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，實現(xiàn)了真正意義上的無人職守的全自動循環(huán)倒泵、變頻運行，保證了各臺水泵運行效率和設(shè)備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)啟動平穩(wěn)，消除了啟動大電流沖擊，由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時的水錘效應(yīng)。該設(shè)計系統(tǒng)是大型公共社區(qū)如高校、居民小區(qū)等處的性能、價格比較高的優(yōu)選方案。并通過在青島科技大學(xué)一期泵房近兩年的使用，運行穩(wěn)定，節(jié)能*，得到了用戶*好評。

西門子MM440變頻器

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在變頻器領(lǐng)域，也存在著一些難以控制的東西。直到西門子功能強大的變頻器問世之后，情況才有了改觀。MICROMASTER 440 是專門針對與通常相比需要更加廣泛的功能和更高動態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用而設(shè)計的。這些高級矢量控制系統(tǒng)可確保*的高驅(qū)動性能，即使發(fā)生突然負載變化時也是如此。由于具有快速響應(yīng)輸入和定位減速斜坡，因此，甚至在不使用編碼器的情況下也可以移動至目標位置。該變頻器帶有一個集成制動斬波器，即使在制動和短減速斜坡期間，也能以突出的精度工作。所有這些均可在 0.12 kW (0.16 HP) 直至 250 kW (350 HP) 的功率范圍內(nèi)實現(xiàn)。

中文名

西門子MM440變頻器

名詞類型

變頻器

名詞領(lǐng)域

電氣

功    率

0.12kW(0.16 HP)~250kW(350 HP)

目錄

1. 1 工作原理
2. 2 優(yōu)點
3. 3 技術(shù)數(shù)據(jù)

1. 4 典型用途
2. 5 選型
3. 6 調(diào)試

1. 7 故障復(fù)位
2. 8 手冊下載

工作原理

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根據(jù)電機轉(zhuǎn)速的公式

n=n1(1-s)(1)

N1=60f/p(2)

式中：n-電機轉(zhuǎn)速;n1-電機的同步轉(zhuǎn)速;s-滑差;f-旋轉(zhuǎn)磁場頻率;P-電機極對數(shù)

可知改變電機轉(zhuǎn)速的方法有改變滑差s、改變旋轉(zhuǎn)磁場頻率f、改變電機極對數(shù)p三種。

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用把電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電源。是由由主電路和控制帶電路組成的。主電路是給異步電動機提供可控電源的電力轉(zhuǎn)換部分，變頻器的主電路分為兩類，其中電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波部分是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波部分是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的整流部分，吸收在轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生的電壓脈動的平波回路部分，將直流功率變換為交流功率的逆變部分?？刂齐娐肥墙o主電路提供控制信號的回路，它有決定頻率和電壓的運算電路，檢測主電路數(shù)值的電壓、電流檢測電路，檢測電動機速度的的速度檢測電路，將運算電路的控制信號放大的驅(qū)動電路，以及對逆變器和電動機進行保護的保護電路組成。

現(xiàn)在大多數(shù)的變頻器基本都采用交直交方式(VVVF變頻或矢量控制)，將工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換為直流電源，再把直流電源轉(zhuǎn)換成近似于正弦波可控的交流電以供給電動機。

三相交流電經(jīng)過VD1～VD6整流后，正極經(jīng)過RL，RL在這里是防止電流忽然變大。經(jīng)過RL電流趨于穩(wěn)定，晶閘管觸點會導(dǎo)通。之后直流電壓加在了濾波電容CF1、CF2上，這兩個電容的作用是讓直流電波形變得更加平滑。之所以是兩個電容是由于一個電容的耐壓有限，所以用兩個電容串聯(lián)起來使用。均壓電阻R1、R2是讓CF1和CF2上的電壓一樣，兩個電容的容量不同的話，分壓就會不同，所以各并聯(lián)了一個均壓電阻。而中間的放電回路作用則是釋放掉感性負載啟動或停止時的反電勢，用來保護逆變管V1～V6和整流管VD1～VD6。直流母線電壓加到V1～V6六個IGBT上，基極由控制電路控制。控制電路控制某三個管子的導(dǎo)通給電機繞組內(nèi)提供電流，產(chǎn)生磁場使電機運轉(zhuǎn)。 [1] 

優(yōu)點

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HMI純文本面板簡化了操作，并支持使用多種外國語言

動態(tài)驅(qū)動和制動

具有各種控制和制動類型

具有通訊功能

各種通訊接口可確保能夠用于較常見的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

技術(shù)數(shù)據(jù)

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電壓和功率范圍

200-240 V，± 10%，單相交流，0.12 - 3 kW (0.16 - 4 HP)

200-240 V，± 10%，0.12 - 45 kW (0.16 - 60 HP)

380-480 V，± 10%，0.37 - 250 kW (0.5 - 350 HP)

500-600 V，± 10%，0.75 - 90 kW (1.0 - 125 HP)

控制類型矢量控制，F(xiàn)CC（磁通電流控制），多點特性（可參數(shù)化的 V/f 特性），V/f特性

典型用途

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廣泛應(yīng)用于物流系統(tǒng)、紡織工業(yè)、升降機、舉升設(shè)備、機械工程以及食品飲料和煙草等領(lǐng)域。

選型

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作為企業(yè)一名采購員，有必要在選購自動化產(chǎn)品MM4變頻器選型時應(yīng)需要注意那些事項，只有在了解MM4變頻器選型八個原則才能為企業(yè)選購更好MM4變頻器。

一、以實際電機電流值作為變頻器選擇的根據(jù)。在選擇MM4變頻器應(yīng)充分考慮變頻器的輸出高次諧波比較高，高次諧波會使電動機的功率因數(shù)和效率變壞。所以在選擇電動機和變頻器時，應(yīng)考慮到這種情況，適當(dāng)留有余量，以防止溫升過高，影響電動機的使用壽命。

二、根據(jù)負載特性選擇變頻器。如負載為恒轉(zhuǎn)矩負載需選siemensMM4變頻器，如果是負載為風(fēng)機、泵類負載需選擇MM430變頻器。

三、需要長電纜變頻器運行的，應(yīng)采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不夠。

四、對于一些高環(huán)境溫度、高開關(guān)頻率（尤其是在樓宇自控等對噪音限制較高的應(yīng)用場所使用時需注意）、高海拔高度等，此時會引起變頻器的降容，變頻器需放大一檔選擇。如果變頻器的供電電源是自備電源，加上進線電抗器。

五、運用變頻器驅(qū)動齒輪減速電動機時，運用范圍遭到齒輪轉(zhuǎn)變有些光滑方法的制約。光滑油光滑時，在低速范圍內(nèi)沒有約束；在超越額外轉(zhuǎn)速以上的高速范圍內(nèi)，有可能發(fā)生光滑油用光的風(fēng)險。因而，不要超越高轉(zhuǎn)速容許值。

六、變頻器驅(qū)動繞線轉(zhuǎn)子異步電動機時，大多是使用已有的電動機。繞線電動機與通常的鼠籠電動機比較，繞線電動機繞組的阻抗小。因而，容易發(fā)生因為紋波電流而導(dǎo)致的過電流跳閘表象，所以應(yīng)挑選比通常容量稍大的變頻器。通常繞線電動機多用于飛輪力矩GD2較大的場合，在設(shè)定加減速時間時應(yīng)多注重。

七、變頻器驅(qū)動同步電動機時，與工頻電源比較，會下降輸出容量10%～20%，變頻器的接連輸出電流要大于同步電動機額外電流與同步牽入電流的標幺值的乘積 。

八、關(guān)于壓縮機、振動機等轉(zhuǎn)矩動搖大的負載和油壓泵等有峰值負載狀況下，若是依照電動機的額外電流或功率值挑選變頻器的話，有可能發(fā)生因峰值電流使過電流維護舉措表象。因而，應(yīng)知道工頻運轉(zhuǎn)狀況，挑選比其大電流更大的額外輸出電流的變頻器。 [2] 

調(diào)試

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一、對于440變頻器的調(diào)試應(yīng)首先確認變頻器的一些初始狀態(tài)，在確認好電動機與變頻器的連接后，利用內(nèi)控先用操作器來控制電動機轉(zhuǎn)動，首先需要設(shè)置以下參數(shù)：P0003=3，P0700=1，P1070=1050。設(shè)置完成后，可以把操作權(quán)交給操作器來手動操作。

　　二、 在*步順利完成后，應(yīng)首先對電動機做快速調(diào)試，只有在這種模式下才可輸入電機參數(shù)，而做好快速調(diào)試有利于變頻器對電機參數(shù)的計算與優(yōu)化，但快速調(diào)試的前提是變頻器的另一端是空電機，如聯(lián)有機械部分有可能造成變頻器對電機模型計算的不準確，快速調(diào)試步驟如下：
　　P0003=3 P0004=0 P0010=1(啟用快速調(diào)試)
　　P0100=0 P0205=0 P0300=1
　　P0304=電動機額定電壓 P0305=額定電流 P0307=額定功率
　　P0308=功率因數(shù) P0310=額定頻率 P0311=額定轉(zhuǎn)速
　　P0335=0 P0640=過載倍數(shù) P0700=2(選擇命令源)
　　P1000=2 P1080=0 P1082=50
　　P1120=10 P1121=10 P1135=5
　　P1300=0線性V/F控制 P1500=0 P1910=1
　　P3900=1

　　三、 快速調(diào)試過后根據(jù)電機有無編碼器還有變頻器所控制的電機的數(shù)量來選擇對電機的控制方式(P1300)。再把P1070設(shè)置為755，也就是選擇由模擬量輸入1來控制電機的速度給定，根據(jù)操作臺電位計的實際情況來選擇端子上的ADC1與ADC2兩個開關(guān)，0－10V打成OFF，0－20mA打成ON。如果選擇第5口數(shù)字輸入DIN1為給定允許的話，將P0701=1，選擇有了速度給定后電機的運行方式為接通正轉(zhuǎn)，這樣就實現(xiàn)了變頻器速度的遠程控制。

　　四、 對于點動的控制應(yīng)首先根據(jù)設(shè)計中點動所對應(yīng)的數(shù)字輸入的端口，來選擇P701－P708之間所對應(yīng)的數(shù)字輸入的端口的參數(shù)，例如：端子的7和8口為正點與反點，應(yīng)把P703=99（BICO參數(shù)化），P704=99(BICO參數(shù)化)，將P1055=722.2（正點動使能），P1056=722.3（反點動使能），這樣就可以通過外控來控制點動了。通過改變P1058與P1059可改變點動的頻率值，而改變P1060與P1061可改變點動的響應(yīng)時間。

　　五、模擬量輸出口（功能圖8000）：輸出類型為0－20mA。選擇P0771(0)=27，（*組參數(shù)，將其修改為27）則將模擬量輸出1選擇為電流表模式，通過改變P2002的數(shù)值來修正電流表。將P0771(1)=21，（第二組參數(shù)選擇為21）則將模擬量輸出2定義為轉(zhuǎn)速表，通過改變P2000來確定轉(zhuǎn)速表的范圍，默認為50Hz，而一般的變頻器調(diào)速均為0－50Hz，所以采用默認值即可。[3] 

故障復(fù)位

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為使故障碼復(fù)位，可以采用以下3種方法中的1種：

1. 使變頻器斷電、再重新通電。

2. 按BOP或AOP上的Fn鍵。

3. 通過數(shù)字輸入3（缺省設(shè)置）。 [4] 

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