森兰变频器在自来水厂的恒压供水系统解决方案

第一篇：森兰变频器在自来水厂的恒压供水系统解决方案

森兰变频器在自来水厂的恒压供水系统解决方案

一、前言

自来水厂的供水泵站中，供水系统一般由若干台扬程相近的水泵组成，调节水压和流量的传统方法是，按期望输出的水压和流量用人工控制水泵运行的台数。如供水能力4-6万吨/日的自来水厂，水泵的配置方案有多种，其中一种可行的方案是三台160kW和一台90kKW水泵组成。系统工作时，传统的方法是，若供水量较大，显然，流量和管网水压已经不能满足要求，这时需人工投入水泵，根据现场管网水压情况由工人来决定投入160kW水泵还是90kW水泵；若供水量减小，管网水压会升高，此时又需人工切除水泵。在深夜用水量较小时，为节能考虑用一台90kW水泵供水。由于水泵的流量较大，为避免“水锤”效应，人工投切时，投入泵时应遵循“先开机，后开阀”、切除泵时应遵循“先关阀，后停机”的操作程序。若是小功率的水泵，水泵的出水侧都装有普通止回阀，其本上能自动保证以上的操作程序，只是停机时止回阀关闭前的瞬间还是有“水锤”效应产生，如果安装的是“微阻缓闭止回阀”，停机时基本上也不存在“水锤”效应。

二.变频恒压供水的控制方案

由于城市自来水的用量随季节的变化而变化，随每日时段不同而变化。为使供水的水压恒定，最常见的办法是采用变频恒压供水系统，即压力变送器装在主管网上检测管网压力信号，再将此压力信号送到变频器（PLC）的模拟信号输入端口，由此构成压力闭环控制系统，管网压力的恒定依赖变频器的调节控制。对于多泵情况，可以两种不同的控制系统方案，一种是“顺序控制方案”，系统图如图一所示：

图一 顺序控制方案系统图 图中：BP1—变频器；BU2～BU4--软起动器,PT—压力变送器。由图一可见，变频器连接在第一台水泵电机上，需要加泵或减泵时，由变频器RO1～RO3端口输出信号起动或停止其他的水泵，这时水泵的起动采用自耦降压起动装置或软起动器。这种方案的特点是水泵电机不需要在变频和工频之间切换；第一台水泵永远连接在变频器上，没有切换过程中的失压现象；由于变频泵以外的泵都有软起动器，所以不需要再做备用系统，当变频器故障时，可用软起动器手动起动M2～M4水泵，保证供水不致中断；每台电机都有起动器，初始投资较大。另一种是“循环投切”方案，系统图如图二所示

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图二 变频恒压供水循环投切方案系统图

图中：BP1—变频器，BU1—软启动器，PT－压力变送器，ZJ1、ZJ2－用于控制系统的起动/停止和自动/手动转换。由图二可见，变频器连接在第一台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口RO1～RO3输出信号到PLC，由PLC控制切换过程。切换开始时，变频器停止输出（变频器设置为自由停车），利用水泵的惯性将第一台水泵切换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上起动并运行，照此，将第二台水泵切换到工频运行，变频器连接到第三台水泵上起动并运行；需要减泵时，系统将第一台水泵停止，第二台水泵停止，这时，变频器连接在第三台水泵上。再需要加泵时，切换从第三台水泵开始循环。这种方式保证永远有一台水泵在变频运行，四台水泵中的任一台都可能变频运行。这样，才能做到不论用水量如何改变都可保持管网压力基本恒定，且各台水泵运行的时间基本相同，给维护和检修带来方便，所以，大部分的供水厂家都钟情于循环投切方案。但此方案也有不足之处，就是在只有一台变频器运行并切换到工频过程中会造成管网短时失压，在设计时应充分的引起重视。另外，必须设置一套备用系统，图中的软启动器就是作为备用。当变频器或PLC故障时，可用软起动器手动轮流起动各泵运行供水。

三.循环投切的工作过程

众所周知，变频器的输出端不能连接电源，也不能运行中带载脱闸，切换过程应按以下的程序进行。循环投切恒压供水系统投入运行时，当变频器的输出频率已达到50Hz或52Hz时，能否将变频器的上限频率设为52Hz，取决于水泵电机运行在52Hz时是否超载。在50Hz频率下运行60s管网水压未达到给定值，此时，该台水泵需切换到工频运行。切换过程是：先关该台水泵电动阀，然后变频器停车(停车方式设定为自由停车)，水泵电机惯性运转，考虑到电机中的残余电压，不能将电机立即切换到工频，而是延时一段时间，到电机中的残余电压下降到较小值，这个值保证电源电压与残余电压不同相时造成的切换电流冲击较小，在某水厂160kW水泵电机的切换时间为600ms。连接在电机工频回路中的空气开关容量为400A，经现场调试切换过程的电流冲击较小，每一次切换都百分之百的成功。关阀后停车，水泵电机基本上处于空载运转，到600ms时电机的转速下降不是很多，使切换时电流冲击较小。切换完成后，再打开电动阀；已停车的变频器切换到另外的水泵上起动并运行，再开电动阀。切除工频泵时，先关阀，后停车，这样无“水锤”现象产生。这些操作都是由PLC控制自动完成。

实际上，电机的传统起动方式也存在一定的电流冲击。对电机直接起动时，起动电流是额定电流的5～7倍，小功率的电机经常采用直接起动方式。电机功率较大时，常用星—三角或自耦降压起动器。自耦降压起动器起动电机时，首先加60%的电压，属恒频调压调速，数秒钟或数十秒钟后(根据电机的容量而定)，电机加速到60%电压时的速度，将60%的电压切除后立即连接到100%(380V)电源上。切除60%电压时，电机的速度较变频器投到工频时电机的速度要低，残余电压相对低一些，投切是在瞬间完成的，电流冲击可能性较大，为保证切换成功，回路上的空气开关容量一般都选得比较大。循环投切时，电机从变频往工频切换，只要切换的延时足够，电机由变频切换到工频时的电流冲击不大。一般残余电压的衰减时间为1—2秒，切换延时也不是越长越好，延时短，残余电压高，速度降落少；延时长，残余电压低，但速度降落大。选择延时需二者兼顾，以求得最小的冲击电流。如果要使切换过程无电流冲击，需采用同步切换方式，加入一些控制手段和控制元件就可实现，但考虑经济上是否合算。

四.循环投切对变频器和电机的影响

将电机从变频状态切换到工频状态时，变频器内的功率器件立即关闭，电机的电流不能跃变，功率器件旁的并联二极管提供了续流通路，残余电压经二极管整流器和中间环节电容流通，转子电阻消耗能量，电机的定子也能消耗部分能量，因此，残余电压的衰减比较快，虽然在切换时仍有一定的残余电压，但对变频器影响已经很小，对电机寿命也无多大的影响。自耦降压起动器切换时，电机内定子的残余电压无通路流通，只有转子回路是闭合回路，也只有转子电阻消耗能量，残余电压的衰减比较慢。切换时，因残余电压存在而形成的冲击电流较大，对电机有一定的影响，电机设计时已充分考虑了这些因素。

五.应用实例

四川遂宁市自来水二厂，供水能力6万吨/日，城市管网压力0.4MPa，泵组为3台160kW，1台90kW水泵，要求恒压供水并采用计算机监控，变频器或控制系统故障可由软起动器手动起动各泵。

（1）计算机监控内容

管网压力，流量，泵的运行状态，阀启闭状态，电机温度，各泵运行的电流，电压，功率和功率因素，并监控水质参数如余氯,浊度，含铁量，PH值等。

（2）原理框图

图三 计算机监控原理图

为保证系统的可靠性，上位机PC用于管理，用组态软件做出若干工艺流程图，实时显示系统的运行状况，并统计历史数据，如需要可随时打印报表；还用于故障的报警和处理。PC机为研华工业计算机，PLC为西门子S-7300,便于与总控室计算机联网，采用带有PROFIBUS接口的CPU315。CP5611是通信模块，PDM-820AC电参数综合分析仪用于检测系统的用电量。控制水泵的起/停，切换，阀的启/闭；电机电流，温度的检测，水泵使用时间的统计；压力，流量，水质参数的采集等，均由PLC完成。水压的给定值由变频器键盘设定。

图四 变频恒压供水电气原理图

如图四所示，与前述的循环投切方案基本相同，BP1为森兰SB200系列160kW变频器，DZ1—DZ6为LG ABE403a 400A空气开关，FU1 500A，FU2 600A为快熔，KM1-KM10为LG GMC-400交流接触器，PT为森纳斯压力变送器，量程1Mpa。系统调试时，水泵电机从变频状态切换到工频状态，延时从300ms起，到500ms时电流表显示也无明显的冲击，最后定为600ms。软起动器设定为限流起动方式，设定为2.5倍。软起动器起动时，起动电流接近800A,但在30s内下降到额定电流以下，查600A熔断器曲线，通过1000A电流在60s熔断，所以软起动器的熔断器定为600A。该系统已经投产两年，每日供水4-5万吨，运行良好。据厂家统计，电耗/吨减少20%.六.结论

多泵变频恒压供水系统常用的两种构成方案，两种方案各有优劣，采用循环投切方案的系统较多，在水泵电机从变频状态切换到工频状态时，只要严格遵循“先关阀，变频器自由停车，延时后再切换；停车时，先开机，后开阀”。这样，既可保证变频器的安全运行，又无“水锤”现象发生。

第二篇：变频器恒压供水教学演示系统设计

变频器恒压供水教学演示系统设计.txt31岩石下的小草教我们坚强，峭壁上的野百合教我们执著，山顶上的松树教我们拼搏风雨，严寒中的腊梅教我们笑迎冰雪。本文由shinyqb123贡献

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第 31 卷第 2 期 2010 年 2 月

通化师范学院学报 JOURNAL OF TONGHUA TEACHERS COLLEGE Vol 31 №2.Feb.2010 变频器恒压供水教学演示系统设计

王立忠 ,王广德 ,刘洪波 ,韩 ,孟昭晖 ,丛

强 琳(吉林师范大学 信息技术学院 ,吉林 四平136000)摘 : 为了锻练学生的职业技能 ,在分析和比较国内外供水自动控制系统的发展现状和特点的基础上 , 结合城市供水的现 要 状 ,设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水控制系统.该系统综合运用继电控制技术、变频调速技术以及自动控制技术 , 实 现了恒压供水的参数整定 ,保证了供水系统维持在最佳运行状况 ,同时培养了学生的系统设计能力和对专业的学习兴趣.关键词 : 恒压供水;变频调速;节能 中图分类号 : T M301.2 文献标志码 : A 文章编号 : 1008002310),男 ,吉林公主岭人 ,硕士 ,吉林师范大学信息技术学院副教授.传统的小区供水方式有恒速泵加压供水、水塔 高位水箱供水、气压罐供水等.这些传统的供水方式 不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高 等缺点 ,难以适应当前人们生活中供水的需要.目前 的供水方式正朝着高效节能、自动可靠方向发展.因 此开发自动的变频调速恒压供水系统 , 越来越受到 人们的重视.为满足供水质量的要求 , 降低能耗 , 实 现全自动、可靠稳定的供水 ,利用变频恒压供水具有 全自动恒压运行、自动工频运行、远程手动控制和现 场手动控制等功能.结合学生职业技能训练 , 在教师指导下学生设 计并安装调试变频恒压供水系统 , 可以锻炼学生的 综合设计能力和工程意识.作为教学演示系统也可 以通过演示效果激发学生对专业知识兴趣 , 了解变 频器的应用方法.系统通过对变频器内置 P I 模块参数的预置 , D 利用远程压力表的水压反馈量 ,构成闭环系统 ,根据 用水量的变化 ,在全流量范围内利用变频泵的连续 调节实现恒压供水.1 变频恒压供水演示系统的构成 [14] 成.系统构成如图 1 所示.变频恒压供水系统能 够实现水泵的软启动 , 进而减小水泵启动时的冲击

系统启动时首先闭合空气开关 , 把转换开关达 到变频位置 ,三相交流电通过开关送到交流接触器 和热继电器加载到变频器上 , 变频器输出驱动变频 电机启动运行 ,把蓄水池的水抽到上水池中 ,在此过 ?23? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.xiexiebang.comki.net 1

All rights

第三篇：西门子MM430变频器在恒压供水系统中的应用

西门子MM430变频器在恒压供水系统中的应用

2009-10-15

来源：工控商务网

浏览：88 摘要：本文主要介绍西门子公司MICROMASTER430变频器在恒压供水系统中的应用，详细阐述了系统的原理、组成及调试方法。

一：引言

城市规模的不断扩大，高层建筑的不断增长，城市供水的公用管网的压力已远远不能满足用户的要求，对供水的二次加压已被广泛采用。其中变频恒压供水由于自动化程度高，维护方便、具有节能功能，成为主要的二次加压方式。按供水的特性，变频恒压供水主要有分为：恒压变流量和变压变流量两大类，在本文的中采用恒压变流量的供水方式。

二：系统组成及工作原理

系统为宾馆的供水系统，分为冷水、热水两大供水系统，系统单线如图1

Q1控制的变频器为冷水供水系统，Q2控制的变频器为热水供水系统，系统为1拖1的恒压供水，两台电机为互备，可选择使用1#泵或2#泵运行，KM3、KM8为手动工频运行选择，作为变频的维修系统备用，KM2，KM3、KM7，KM8为机械互锁的接触器，保证选择变频运行和工频运行的正确切换。

变频恒压供水的基本原理:以压力传感器和变频器组成闭环系统，根据系统管网的压力来调节电机的转速，实现高峰用户的水压恒定，和低峰时的变频的休眠功能，得到恒压供水和节能的目的。

系统的硬件组成如下：

热水系统：电机参数： Pe=15kw Ue=380v Ie=26.8A Ne=1490rpm 变频器型号： 6SE64430-2AD31-8DA0 Pe=18.5kw Ie=38A 压力传感器： GYG2000 反馈信号4-20mA 供电+24V 量程0-0.5Mpa 冷水系统：电机参数： Pe=22kw Ue=380v Ie=39.4A Ne=2940rpm 变频器型号： 6SE64430-2AD33-7EA0 Pe=30.5kw Ie=62A 压力传感器： GYG2000 反馈信号4-20mA 供电+24V 量程0-0.5MPa 三：PID闭环控制功能的实现及调试方法

西门子MICROMASTER430变频器的内置PID功能，利用装在水泵附近的主出水管上的压力传感器，感受到的压力转化为4-20mA电信号作为反馈信号。根据宾馆的层高设定压力值作为给定值，变频器内置调节器作为压力调节器，调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算，其结果作为频率指令输送给变频器，调节水泵的转速使出口压保持一定。即当用水量增加，水压降低时，调节器使变频器输出频率增加，电机拖动水泵加速，水压增大；反之，当用水量减少，水压上升，调节器使变频器输出频率减少，电机拖动水泵减速，水压减小。

由于压力传感器是两线传感器在接线必须采用正确的接线方式，将变频器的+24V控制电源连接到传感器的+端，传感器的-连接到PID的+输入，同时还必须将PID的-端连接到变频器控制电源的0V端。具体接线图如图2

图2中把传感器送回的电流信号送入到变频器的模拟量输入2作为反馈值，根据宾馆的层高设定的压力值为0.35MPa,对应输出频率为35Hz，对应反馈电流15.2mA.PID闭环控制功能的具体参数设置如图3

参数的设定方法：PID主设定值P2253可选择的源有以下几种，模拟输入、固定PID设定值、已激活的PID设定值，在本系统中采用固定给定值。PID反馈值P2264可选择的源为模拟输入1或模拟输入2在系统中采用模拟输入2，系统的PID参数设定如下： P0701=99 P2200=722.0 P2016=1 P2201=70% P2253=2224 设定主给定值固定值为35Hz。

P2264=755.1设定反馈值为模拟量输入2。

上述参数设定好以后，设定P2200=1，使能PID功能，设定P2250=1进行PID自整定，整定完成后，采用了整定后的积分和比例参数基本满足了系统的工艺要求。

PID调试的注意事项：使能PID功能后系统的加减速时间为P2257、P2258的设定值，而不是原来的P1120、P1121。使能PID功能后 PID的限幅值的上升、下降时间P22936必须根据系统要求进行设定,否则变频器将报故障F0002。为提高系统的抗干扰能力,要求根据现场的实际情况,对反馈值进行滤波环节处理，在本系统中因为主给定设定值采用固定给定，所以对主给定设定值不必进行滤波环节处理。

四：节能功能的实现

在PID控制过程中，当反馈信号大于主设定频率时，系统偏差（ΔP）为负，此时电动机的频率逐渐降低，但仍在不停运转，在系统偏差不断调节的同时，系统不断消耗电能。为了实现节能，西门子对MM430变频器设计了节能控制功能。出发点如下：当电机的频率降低到某一比较频率（P2390）时，激活节能定时器（P2391），当定时时间到期时，按斜坡下降时间停车，即输出功率为零，在无输出的情况下，系统偏差会迅速从负到正变化，当偏差超过某一设定值（P2392）时，再起动电机，当电机频率按斜坡上升时间升到某一值时（此值稍大于P2390设定频率），投入PID，使系统恢复正常控制。

参数的设定方法： P2390要低于PID主设定值所对应频率一定幅度，以保证系统实现正常的PID控制，如果P2390太小，节能又不易投入，在本系统中设定2390=20Hz，P2391定时器时间的设定要依据系统的响应速度，如果系统响应时间快，则P2391应设定较小的值。在本系统中，P2391= 900秒，P2292=0.5。设定参数的注意事项：系统的节能功能投入后，PID功能则解除，所以系统的加减速时间P1120、P1121必须根据需要进行设定，最高、最低频率必须设定。

五：结束语

系统调试完毕后已投入运行，从运行效果看，系统的运行水压稳定，响应速度快，得到了设计要求，节能效果比较明显。

MM430能够实现压力,流量等的PID闭环.PID闭环的三个要素: 1.给定 2.反馈 3.PID控制器 正确设置与这三个要素的相关参数就可实现PID闭环.相关参数如下: 1.P2200 PID 控制器使能 2.P2253 PID 给定值 3.P2264 PID 反馈值 4.P2280 PID 比例增益系数 5.P2285 PID 积分时间

PID 比例增益系数和PID 积分时间应根据实际应用进行调整,不同的应 用,P2800.P2285 所设置的数值都不一样.实际应用中PID 给定值和PID 反馈值可由多种通道输入,以下例子给予说明.例子1: 模拟输入1 为PID 给定 模拟输入2 为PID 反馈 调试步骤如下: 1.参照手册3-12,3-13 页进行快速调试: 2.P2200 = 1 PID 调节器使能

3.P2253 = 755:0 模拟输入1 为PID 给定 4.P2264 = 755:1 模拟输入2 为PID 反馈 5.P2280 = 8 PID 比例增益系数(仅供参考)P2285 = 80 PID 积分时间(仅供参考)

变频器在工业锅炉给水系统上的应用(1)

收藏本文章 引言工业蒸汽锅炉的过程控制系统包括汽包水位控制系统和燃烧过程控制系统，两系统在锅炉运行过程中互相耦合，所以控制起来非常困难。在此，我们暂不考虑系统间的耦合，只是对蒸汽锅炉的给水系统进行变频改造。某企业有2台20t燃煤蒸汽锅炉，如图1所示。这2台锅炉通过1个给水母管分别给各自汽包供水，用汽量小的季节，2台锅炉只运行1台，当用汽量较大时，则必须2台锅炉同时运行。由于给水泵额定功率为37kw，一般情况下，1台锅炉运行时，只开1台给水泵裕量仍较大，而2台锅炉同时运行且用汽量较大时，只开1台给水泵无法满足需要，而开2台给水泵后，相对单台锅炉运行时，裕量更大。由于2台锅炉分别由2套dcs系统控制各自的电动阀门调节各自汽包的给水量，运行中，阀门开度较小造成给水母管压力较大，不仅浪费了大量的电能，较高的水压还对管道、水泵叶轮和阀门造成损害 变频改造方案基于系统运行现状，本着既能节能降耗，又能控制简便、安全且投资较少的原则，我们设计了1套1台变频器拖动3台电机的方案。具体如图2所示。

图1 给水原理图

在本方案中，充分利用了锅炉层有的dcs控制系统，同时增加了变频器、可编程序控制器(plc)和控制信号转换装置。(1)硬件控制系统a)西门子mm430变频器mm430变频器是西门子公司最新研制生产的一种适用于各种变速驱动应用场合的高性能变频器(调试简单、配置灵活)，它具有最新的igbt技术和高质量控制系统，完善的保护功能和较强的过载能力以及较宽的工作环境温度，安装接线方便，两路可编程的隔离数字输入、输出接口以及模拟输入、输出接口等优点，使其配置灵活多样，控制简单方便，易于操作维护。

图2 控制原理图

b)西门子s7-200型plc西门子s7-200型plc可靠性高、抗干扰能力强，可直接安装于工业现场而稳定可靠的工作。适应性强，应用灵活。(2)当1台锅炉运行时由于只开1台给水泵，就足够锅炉汽包所需用水量，故此时，系统只对运行锅炉的汽包水位进行恒液位控制即可。将切换开关置于相应位置，通过锅炉原有dcs控制系统中的手动操作器将控制该锅炉汽包进水量的电动阀完全打开后，再通过控制信号转换装置切断该控制信号，使原有控制回路断开，电动阀保持全开状态，同时，将该锅炉汽包液位信号切入plc，让plc将该锅炉汽包液位信号进行pid运算处理后，再由控制信号转换装置，将plc输出的4~20ma模拟信号传递给变频器，从而控制变频器的输出转速。在本控制过程中，关键的问题是过程参数pid(p:比例系数i:积分系数、d:微分系数)的整定。由于工业锅炉运行过程中，用汽量的多小和蒸汽压力的大小，决定了给水流量的大小和给水压力的大小。为了保证系统的相对稳定运行，不出现大的波动，对生产造成影响，在调试过程中，应多次反复调整pid参数，直至出现最佳控制过程。(3)当两台锅炉同进运行时由于2台锅炉分别由两套dcs系统控制，在运行过程，虽然蒸汽并网后压力相同，但由于燃烧过程中存在不确定性，两台锅炉汽包各自的液位就必然存在差异。因此，单台锅炉运行中所用的恒液位控制方案在此就不再适合。通过给水原理图(图1)我们不难发现，要对2台锅炉汽包的液位分别控制，最理想的方案是将1个给水母管向2台锅炉给水的现状彻底改变，将给水系统分开，使每个锅炉都有自己独立的给水系统，再在此基础上加装变频控制，由1台变频器单独控制1台锅炉的给水。但此方案不仅改动较大，投资较高，且要停产改造，显然是行不通的。为了能在不改变原有系统现状的前提下，更好的利用变频装置，节能降耗，减小系统运行，维护费用，提高原有系统的自动化程度，我们针对该企业2台锅炉的运行特点，设计了一套专用于2台(或2台以上)锅炉同时运行时的控制方案，即:蒸汽压力和母管给水压力的恒压差控制方案。

当2台锅炉同时运行时，由于外供蒸汽并管，故蒸汽压力相同，又由于2锅炉由同一母管给水，故给水压力也相同。但由于蒸汽用量的变化不定和锅炉燃烧情况的不同，蒸汽压力是时刻变化的。这样，为了能保证给锅炉汽包供上水，就必须要求给水的压力始终高于蒸汽压力，由图2我们看到，由plc采集蒸汽压力和母管给水压力，通过处理、比较后，得到二者的差值，再将此差值通过pid运算处理，输出4~20ma的模拟信号给控制信号转换装置。再由该装置将信号传输给变频器，从而控制变频器的运行速度。这样虽然可以保证给水母管压力始终高于锅炉蒸汽压力(压力差的大小可以通过plc在一定范围内任意调节)，但锅炉各自汽包的液位却无法再通过调节变频器的转速去控制。在此，我们充分利用了原有给水控制装置，即汽包各自的进水电动阀门。仍由锅炉原有dcs控制系统采集各自汽包的液位，蒸汽压力，给水压力和给水流量等信号，去相应的调整进水电动阀的开度，从而控制各汽泡液位和进水流量。此方案由于存在阀门的调节，所以理论上不能最大限度的节能降耗，但实际应用中，由于减小了给水母管与蒸汽压力之间的压力差，使电动阀门的开度由原来的平均10%左右开大到75%左右，系统回水阀门关闭，仍大大节约了能源。且本方案充分考虑了系统运行的安全性，一旦变频器故障，系统可立即自动由变频运行状态切换至原有工频运行状态，完全恢复改造前的运行状态，保证锅炉正常运行。变频故障解除后，仍可方便的手动切换为变频状态，使变频器方便的投入运行，且不影响锅炉的运行。plcplc是本系统的核心控制器件，它不仅辨识、处理各种运行状态，进行系统间的逻辑运算和联锁保护，还对输入的多个模拟信号进行处理、运算后，输出标准的模拟信号控制变频器的运行速度。主程序结构较复杂，其中，对液位信号进行pid运算的子程序，原理图和程序框图如图

3、图4所示。

图3 pid原理图 注意事项(1)由于变频器产生高次谐波，会对通讯产生干扰，同时由于plc采集模拟信号，要进行a/d和d/a转换处理，在此过程中，容易受到变频器高次谐波的影响而失真。因此，必须将变频器零地分接且加装液波装置，对plc用隔离变压器供电，最好将plc安装于距离变频器较远的位置

第四篇：变频器及PLC控制技术在恒压供水系统中的应用

变频器及PLC控制技术在恒压供水系统中的应用

1引言

供水系统在各行各业的生产和生活中都起着至关重要的作用。如何保证供水系统安全、可靠、稳定地运行是很多行业都很关注的问题。把先进的PLC控制技术和变频技术等自动化控制技术应用到供水领域，成为对供水系统的要求。

在供水系统中，如果用户用水量需要变化时，利用改变阀门开度变化传统的调整方法，会造成供水压力不足或过大情况，容易造成资源浪费和产生安全隐患。因此，在一些用水量变化大、水压控制高且流量完全由用户确定的供水系统采用变频调速技术则显得尤为重要。

图1变频恒压供水系统原理图

2变频恒压供水工作原理

变频恒压供水就是变频调速技术在供水中的应用，其采用PID调节技术，使供水压力恒定在一个设定范围，其具有恒水压力波动小，节能效果明显。实验中采用循环软启方式。

它的工作原理是：当变频泵运行到工频50Hz时，此时的实际供水压力若还没有达到设定的供水压力，不是直接启动另外一台水泵，而是将当前以变频运行的水泵直接切换到工频方式运行，而以变频方式启动另外一台水泵，以达到维持系统压力的目的。在切换水泵时，按照先启先停的方式进行。这样的好处是机组中的每一台水泵在工作中都可以被使用到。变频恒压供水系统的原理图，如图1所示。

从图1可以看出，在系统运行过程中，将供水管网实际压力与设定压力比较，将得到的压力差经过PID控制器计算与转换，得到变频器输出频率的变化值后，调节水泵机组的运行方式和运行速度，最终使实际供水压力与设定压力值相等。

图2 系统结构框图 系统硬件设计

变频恒压供水系统结构原理图[1][2]如图2所示。系统由水箱、管路、阀门和水泵机组、电气操作系统和各种传感器、仪表等组成。电气操作系统由PLC(德国SIEMENS公司的S7-200型)、变频器(MM440)、小型断路器、交流接触器、热继电器、直流电源、小型电磁继电器以及各种指示灯和主令器件组成；传感器和仪表包括温度传感器、压力传感器、电压变送器、电流变送器、功率变送器等。

在此系统中，传感器将供水管中的压力转换成电量信号后，传送到PLC的特殊功能模块，进行数据处理后传给变频器控制电动机。变频器[3]是这个系统中的核心器件，通过PLC对变频器的控制，就可以改变供水管中的压力[4]，实现恒压供水的要求。PLC将模拟量输入、输出模块经过转换后的数据进行PID运算，然后将计算值输出变频器，变频器根据输入的模拟量，改变输出的电压及频率，从而实现对电机转速的调节，改变管内压力值。

根据控制要求[5]，水泵机组由四台水泵组成。第一台水泵变压不足时，将第一台水泵切入工频运行，再投入第二台变频泵第四台水泵启动。停泵时先停第一台工频泵，再停第二台工频先开先停。

图3 主程序流程图 系统软件设计 4.1程序模块设计

软件系统设计基于Windows平台的32位编程软件包STEP-7 Micro WIN，采用模块化设计方法，主程序的流程图如图3所示。

除主程序的流程以外，程序模块设计还涉及到定时器T0初始化程序、中断服务程序、故障报警子程序等相应的模块。

4.2组态软件

本系统我们采用WINCC组态软件[6]。WINCC是一个工控系统中的一个电脑控制组态软件，它他可以和PLC通讯，可以点击组态中的按钮来操作一些设备的运行或停止；PLC是可编程控制器[7]，可以利用自己的程序来控制一些设备的运行顺序和状态，是工业中必不可少的一种控制方式。

因组态软件不能直接读取AIW通道中的数据，所以运用STEP7中的传送指令，将AIW通道中的数据传送到变量存储区中，以便组态软件从中读取数据。

4.3WINCC与S7-200PLC的通信

WINCC与S7-200系列PLC的通信，可以采用PPI和PROFIBUS两种协议之一进行。通过PROFIBUS协议进行WINCC与S7-200系列PLC通信的实现,需要以下几点：(1)软硬件要求

PC机，Windows98操作系统；S7-200系列PLC；CP5412板卡或者其他同类板卡，如：CP5613，CP5611；EM277 Profibus DP模块；Profibus电缆及接头；安装CP5412板卡的驱动；安装WINCC 4.0或以上版本；安装COM Profibus软件。(2)组态

首先，打开SIMATIC NETCOM Profibus，重新建立一个组态，主站为SOFTNET-DP，从站是EM277 Profibus-DP。(3)设置PG/PC interface 在设置完成后可以诊断硬件配置是否正确、通信是否成功。(4)WINCC的设置

在WINCC变量管理器中添加一个新的驱动程序，新的驱动程序选择PROFIBUS DP.CHN，设定参数。(5)建立变量

WINCC中的变量类型有In和Out。In和Out是相对于主站来说的，即In表示WINCC从S7-200系列PLC读入数据，Out表示WINCC向S7-200系列PLC写出数据。In和Out与数据存储区V区对应。(6)优缺点

优点：该方法数据传输速度快，易扩展，实时性好；

缺点：传送数据区域有限(最大64字节)，在PLC中也必须进行相应的处理，且硬件成本高，需要Profibus总线等硬件，还需要Com Profibus软件。

应用场合：适用于要求高速数据通信和实时性要求高的系统。

图4 系统实时监测界面

5系统运行实时监测界面 图4为系统实时监测界面。

6结束语

文中介绍的新型供水方式不论在设备的投资运行的经济性，还是系统的稳定性和可靠性，自动化程序等方面，都是具有无法替代的优势，而且具有显著的节能效果。目前，该系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种的方向发展，而追求高度智能化、系列化、标准化将成为必然趋势。

于平

第五篇：基于PROFIBUS-DP总线控制的G150变频器和S7-300PLC在泵站恒压供水控制系统中的应用

摘 要 】

提出并实现了一种以S7-300可编程逻辑控制器作为核心控制装置，使用工业控制计算机通过Visual Basic 6和MS SQL Server数据库实现上位机画面监控和系统管理,以OPC作为软硬件通讯接口，以Profibus-DP现场总线方式控制西门子G150变频器在城市供水泵站中的应用。实现了调节城市管网供水压力及节约能源和系统管理的目的。

【关键词 】

变频恒压供水；SINAMICS G150；PLC； OPC；VB6；DP现场总线

1．引言

经随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统（以下简称系统）变量供水方式在稳定城市管网压力、节约能源、系统监视管理方面已显现出极大的优越性。

2．系统组成情况

2.1 SINAMICS G150变频器

源于西门子最新传动家族的SINAMICS G150高性能单机变频调速柜适用于所有单电机传动的应用，满足多种负载特性的要求，包括平方转距，线性转距，恒转距及恒功率负载类型.。采用紧凑高品质威图(RITTAL)柜式设计，节省占地面积30%~70%。柜内强电保护，安静运行(低于67dB)。使用全新主控制板CU320，智能化设计，采用CF软件存储卡，提供光缆接口和ProfiBus接口，功能操作面板AOP30和功能强大的软件工具

STARTER进行选型，调试，节能计算。SINAMICS G150变频器配合N-Compact电机非常适用于使用平方律扭矩特性驱动泵和风机的变频器操作。

2.2 可编程序控制器（PLC）

选用西门子S7-300系列通用型PLC。该系列PLC能适合自动化工程中的各种应用场合，使用模块化结构，各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。使用

CPU313C-2DP为核心控制单元，该模块带MPI和ProfiBus-DP通信接口，配有MMC存储卡，免维护，集成了24DI/16DI的数字量IO，再扩展一个8AI的模拟输入模块用于管网压力，流量，蓄水池水位及电机轴承温度等模拟量的检测。

2.3工业控制计算机(IPC)系统

使用研华IPC610工控机，以MS Windows2000为系统平台，配置CP5611用于ProfiBus-DP现场总线通信，SIMATIC NET 软件配置OPC Server 使用VB6开发系统监控软件，MS SQL Server为后台数据库管理平台。使用SIMATIC SETP7 软件进行对系统的组态和编程调试，使用STARTER 软件进行对SINAMICS G150变频器的配置调试。

其他设备包括水泵电机、出口阀门、压力传感器、液位计及相关电气控制设备等集成，进行变频调速全自动闭环控制管理监视功能，其系统组成示意见图1。

图1 系统组成3．系统的设计与实践

3.1 基本控制原理

由压力变送器测量管网压力和流量信号转换成标准模拟信号经PLD的A/D转换，和设定值比较，进行PID运算，通过DP总线控制变频器频率，调节水泵转速而达到恒压及节能原理。如图示。

3.2 变频参数设置

通过STARTER软件向导设置G150变频器站地址，和波特率等参数，使之连接到DP总线上，成为S7-300PLC 的一个从站。配置连接的电机类型、电流、功率等参数，配置变频器命令源和主参数设定源为Profibus方式，选择速度控制方式（Speed control），定义Profibus PZD数据格式，选择使用水泵风机负载类型。如图2所示。

图2 变频器设置向导

图3 驱动原理

图4 斜坡功能发生器(RFG)

图5 速度设定逻辑

3.3 下位机PLC程序开发

PLC本控制系统的核心元件。设备服务器（IPC）与S7-300数据通讯实现了两套冗余的通讯方式：其一为IPC经过自带的CP1613卡与PLC的扩展模块CP343-1通过工业以太网通讯；其二为IPC通过自带的CP5611卡与PLC的DP通讯口进行S7、Profibus-DP等现场总线通讯协议进行通讯。客户端PC可以在实验室局域网、校园网或Internet访问远程实验室网站并做实验。由于用户做实验不受时间和地点的限制，充分发挥了用户的主观能动性，也让有限的实验设备得到了更有效的分时复用。

(2)WRECS软件结构设计

图2 WRECS软件结构

为了让远程实验室能得到最大限度的普及，必须提供一个方便的客户端程序、实现客户

端程序“零安装”。因此采用B/S结构，以客户端浏览器作为通用客户端程序，整个实验系统的构成利用了Java Applet、JavaScript、JSP等交互式动态页面技术。此外，数据的存放和传送采用XML和OPC接口技术。

远程实验用户根据用户名和密码登陆WRECS网站后，通过Java Applet的Socket提交实验参数（控制命令、控制器参数等）给实验室服务器RLab Server。此时，Java Applet会简单判断用户的输入信息（如数据类型）。如果输入有误，则及时提示错误信息。RLab Server侦听的端口接收到实验信息后，解析并提取实验信息，经过一定处理后（如判断是否已经有用户在做实验、复杂控制算法实现、日志记录等），通过OPC接口传递给PLC。PLC是主要控制器，负责简单控制算法实现，并将控制对象信息经OPC接口传回给RLab Server。RLab Server除了可以对实时和历史实验数据在本地显示之外，还可以将它们分别以一定的格式保存进XML和文本文件内。其中，XML文件保存实时数据，好让客户端取用并显示；文本文件保存每次实验的历史数据，好让用户下载数据并离线分析。客户端浏览器Java Script通过定时读取XML数据，并将数据送给Java Applet。最后Java Applet以曲线和数据形式显示实验结果。另一方面，用户可以根据网络带宽决定是否启动视频流监控。

2.2 控制器的选择与设计

远程实验系统是一个让远程用户控制本地实验设备的系统。这样一个系统就对控制器提出了稳定、可靠、鲁棒性好等要求。PLC（Programmable Logic Controller）是计算机最新技术与工业自动化经典理论相结合的产物，是一种自动化控制领域重要的控制设备。它实现了工业控制领域接线逻辑到存储逻辑的飞跃，功能上有实现了逻辑控制到数字控制的进步。它通过光电隔离I/O接口模块、R-C滤波输入、屏蔽各个模块、自诊断、双CPU冗余等手段基本上满足了远程实验系统提出的要求。目前，PLC产品已在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业广泛应用。WRECS的控制器选择了西门子S-300PLC作为控制器。

2.3 通讯网络的选择与设计

PLC的发展除了功能越来越多、集成度越来越高外，网络功能也越来越强。选择好控制器之后，选择数据的传输方式——通讯网络也是非常重要的。从结构上看，PLC网络可以分为两种，一种在PLC模块上做了一个通信输出口，可以直接与计算机联接实现点对点通信（RS232）；另一种是通过多点联接（RS485），这适用于多层PLC。这方面，西门子的产品具有代表性。西门子根据不同自动化水平的要求(工厂级, 单元级, 现场和传感器/执行器级),提供了网络解决方案，包括多点接口(MPI)、Profibus、工业以太网、ProfiNet(基于工业以太网)、点对点连接(PtP)、执行器/传感器接口(ASI)。目前网络是一个发展趋势，一个好的网络系统可以大大降低成本。

2.4 客户端实验平台的设计

WRECS系统网站是遵循了稳定、可靠、安全、可扩展、开放性等原则进行设计的。为了开发出友好的人机交互界面，实验界面采用功能强大的跨平台网络编程语言Java编写，并以Applet形式嵌入到网页当中。将Java双缓冲技术与多线程技术相结合，实现动态数据波形曲线显示。用户可以通过Applet设定各种参数（如控制器参数）。此外，整个网站的开发还融合JSP(Java Server Pages)、JavaScript、XML（eXtensible Markup Language）和JDBC等技术。网站包括系统介绍、实验选择、BBS、相关链接和网站管理等子系统。

2.5 服务器的设计

(1)Web服务器

路由器将80端口映射到Apache Web服务器上。Web服务器侦听80端口并响应

HTTP请求。Web服务器是一台负责提供WRECS网页（包括HTML、JSP等）的计算机。当它接收到一个HTTP请求后根据用户权限，判断是否要为用户下载Java Applet客户端实验界面。此外，路由器将端口8832、8833和5050分别映射到了虚拟实验专用服务器、远程实验专用服务器和视频服务器侦听的端口。客户端可以根据权限直接通过Socket与这些服务器进行TCP或UDP数据交互。

(2)远程实验专用服务器

远程实验专用服务器（RLab Server）负责侦听和接收客户端的控制和数据信号，并负责各种复杂控制算法的实现。根据客户控制算法的选择和控制参数的设定计算得到上位机的输出（如设定值、控制器参数等），通过OPC接口实现对实际对象的监控。同样的，对象系统的实时数据被采集后也是通过OPC接口经过RLab服务器返回到客户端, 同时把每个实验的历史数据以文本文件的形式保存下来，为用户提供离线数据下载。RLab Server通过简单排队管理保证在同一时刻最多只能有一个用户可以操作实验设备，其他用户可以读取XML实时数据文件，所以可有多个用户同时观看。

(3)设备服务器

OPC（OLE for Process Control）是以OLE/COM/DCOM机制作为应用程序级的通信标准。OPC技术的实现包括两个组成部分，即OPC Server和OPC Client。OPC Server是一个典型的现场数据源程序，它收集现场设备数据信息，通过标准的OPC接口传送给OPC Clients。OPC Client是一个典型的数据接收程序。OPC Client通过OPC标准接口与OPC Server通信，获取OPC Server的各种信息。只要符合OPC标准的所有客户应用程序都可以访问来自任何生产厂商的标准OPC服务器程序。与基于Windows信息传递技术建立起来的DDE（Dynamic Data Exchange）技术相比,OPC技术的优越性是显然的，例如数据传输速度更快（在远程客户数多时，OPC技术优势尤为突出）、更安全、开发成本更低、可靠性更高等。OPC可以看成是软总线，增加OPC服务器或OPC客户端就像增加总线节点那么简单。WRECS的OPC服务器负责RLab Server与PLC之间相关数据的传递。

(4)视频服务器

视频服务器通过5050端口进行侦听远程客户端用户连接请求和控制命令。并根据权限和控制命令通过串口实现对云台的控制来间接控制摄像头的视角和焦距。服务器对云台的控制信号由RS-232串口输出后，经过一个232/485转换器进行信号转换后再通过RS-485总线传输到各个云台上。采用RS-485进行信号传输是因为它具有传输距离远、可多点传输（理论上，最多可同时控制32个云台）、成本低等优点决定的。服务器由PCI视频采集卡来负责采集AV信号的视频流信息，对模拟信号进行A/D转换，对视频数字信号进行MPEG-4格式压缩后将它传给发送缓冲区发送，并将视频信息进行本地显示和保存。其中，服务器端的图像压缩方式为PCI视频采集卡直接硬件压缩，而客户端解压则采用软件解压方式。

(5)数据库服务器

数据库是指长期保存在计算机的存储设备上，并按照某种模型组织起来，可以被各种用户应用或共享的数据集合。它是信息系统不可或缺的工具，它常常是信息系统的核心，且是各种软件系统的基础。WRECS选择了采用客户机/服务器计算机模型的Oracle作为后台关系数据库服务器。数据库的设计是建立数据库及其应用系统的核心和基础，它要求对于指定的应用环境，构造出较优秀的数据库模式，建立起数据库应用系统，并使系统能够有效地存储数据，满足用户地各种应用需求。WRECS根据需要建立了用户注册信息表、权限表、日志表、BBS信息表、实验室资源表等。

3．WRECS实例——远程液位控制实验

WRECS的实验对象为一套FCS过程控制系统。该系统包含了两个串级的双输入单输出水箱、加热炉、强制对流换热器系统、纯滞后盘管等部件组成。系统中采用的过程检测仪表有上、下水箱扩散硅压力液位传感器、涡轮流量传感器、Pt100热电阻温度传感器和三个Profibus-PA总线型传感器（分别测量温度、液位和流量）。系统中采用的执行器装置有可控硅移相调压装置、电动单座调节阀和三菱变频器和Profibus总线型西门子变频器。基于该实验对象进行PLC的硬件组态和软件组态，然后通过Step7编程实现PLC控制算法，实现单元级控制。

PLC与本地远程实验专用服务器（RLab Server）的数据交互采用了先进的OPC接口实现。西门子公司为其S7-300PLC提供了OPC.SimaticNET OPC Server。通过Step7和SIMATIC NET可以快速实现OPC服务器的配置。RLab Server的OPC Client子系统负责与OPC服务器通讯。此外，RLab Server还完成了远程用户的控制命令和实验参数的处理和其它管理功能（包括用户、实验和网络等管理）。

图3 WRECS实验界面

远程用户登陆网站后，通过提交实验PID参数、设定值等信息给RLab Server实现对本地实验设备的控制。RLab Server根据远程用户发过来的控制命令和实验参数，通过OPC接口控制PLC的运行状态并获取有用信息，并将实验信息保存到XML和文本文件内。远程用户通过读取XML里面的实时数据或在实验结束后下载文本历史数据。把图3为采样简单PID控制液位实验界面。实验过程PID参数分别为4、0.1和0.025；液位设定值从25cm改为35cm，等系统稳定后再改回25cm。整个过渡过程的实验曲线如图3左边所示。图3右边为视频监控界面。通过控制视频界面内【上】【下】【左】【右】和【放大】【缩小】按钮，用户可以控制视频监控云台的视角和焦距，达到最佳视频监控效果。

4．结论

随着能源的相对紧缺，变频技术的不断发展和应用对于大功率的电机设备逐渐实现了变频改造。此外，由于计算机、网络通讯等技术的不断发展,潜移默化的改变着人们的学习、生活和工作等方式。对基于现场总线控制和远程、无线控制技术也将不断推广应用于各个行业。如对上述系统将IPC通过互连网络或PLC端加置无线通信(如GPRS)模块连接到自来水水总公司便可以实现网络的远程集中监控管理（包括远程智能监测和控制、远程故障诊断和维护等）、实现无人值班守泵站建设。

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