第5章 PLC控制变频器闭环的电机运行.ppt

PLC控制变频器闭环的电机运行,课题五,,PLC控制变频器闭环的电机运行,,,第一节变频调速恒压供水控制系统,第一节变频调速恒压供水控制系统,一、能力目标1.熟练掌握变频与工频切换的外部接线。2.掌握变频与工频切换各参数的预置方法。3.能按要求正确操作变频与工频的切换。4.能理解压力变送器构成的负反馈的意义。5.能够正确分析、理解和进一步设计PLC控制程序。6.能够对运行过程中出现的问题正确分析、处理。,第一节变频调速恒压供水控制系统,二、使用材料及工具变频器、可编程序控制器、低压断路器、交流接触器、按钮、指示灯、导线、常用电工工具、万用表、低压配电盘、三相异步电动机及水泵、压力变送器等。三、项目要求1.控制要求（1）通过三位转换开关手动控制系统的变频与工频运行，转换开关左位工频状态运行，转换开关右位变频状态运行。（2）工频运行状态下，通过交流接触器实现电动机的工频运行，红灯指示工频运行。（3）在变频运行状态下，变频器的通、断电通过交流接触器实现，绿灯指示变频器通电。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（4）在变频器通电的前提下，电动机的运行通过交流接触器实现，红灯指示变频器运行。（5）要求控制系统有完善的保护环节，系统通、断电顺序符合安全操作的要求。并且在变频运行状态下，当变频器出现故障时要求黄灯闪烁报警，变频器停止工作，系统自动切换为工频运行。（6）压力变送器构成的恒压负反馈能根据管网压力自动进行调节，达到恒压供水的目的。本项目的控制要求通过PLC实现，以森兰变频器BT12S和松下PLCFP1-C24为例进行。,第一节变频调速恒压供水控制系统,2.主电路及变频器端子系统主电路及变频器端子接线如图19-1所示。各接触器的功能是KM1主触点用于将电网电源接至变频器的输入端（R、S、T）；KM2用于将变频器的输出端（U、V、W）接至水泵电动机；KM3用于将工频电源直接接至水泵电动机。当接触器KM1、KM2主触点接通而接触器KM3主触点断开时，水泵电动机可在“变频运行”状态工作；当接触器KM1、KM2主触点断开而接触器KM3主触点接通时，水泵电动机工作在“工频运行”状态。,第一节变频调速恒压供水控制系统,自动空气开关QF为供水控制系统总开关，同时具有短路、过压、过流等保护功能。接触器KM1、KM2、KM3等具有失压、欠压保护功能。在工频运行时，变频器不可能对水泵电动机的过载进行保护，所以接入热继电器FR，用于工频运行时水泵电动机的过载保护。变频器可外接可调电位器RP（5k）。由于电位器实际用处不大，故本系统未接电位器。变频器的安全接地端子PE必须可靠接地注RP--外接可调电位器（5k），可不接SP--压力传感器,第一节变频调速恒压供水控制系统,图19-1变频调速恒压供水控制系统主电路及变频器端子接线,第一节变频调速恒压供水控制系统,3.I/O分配PLC的I/O分配如表19-1所示。,表19-1变频调速恒压供水控制系统I/O分配,第一节变频调速恒压供水控制系统,4.元器件明细表系统所用设备、元器件如表19-2所示。,表19-2变频调速恒压供水控制系统元器件明细表,第一节变频调速恒压供水控制系统,因所选用的森兰变频器BT12S已经内置PI调节器，故未额外选用PID调节器。5.配电盘布置图如图19-2所示完成配电盘上各器件的布置和安装，并用万用表逐个检查元器件的好坏。,图19-2变频调速恒压供水控制系统配电盘布置图,第一节变频调速恒压供水控制系统,6.控制/指示面板元器件布置图如图19-3所示完成控制/指示面板上各器件的布置和安装，并用万用表逐个检查元器件的好坏。,图19-3变频调速恒压供水控制系统控制/指示面板元器件布置图,第一节变频调速恒压供水控制系统,系统控制柜内端子排接线图如图19-4所示。图19-3、图19-4中HL1（红）为水泵电动机工频运行指示灯，其电路图如图19-5所示。,图19-4变频调速恒压供水控制系统控制柜内端子排接线图,图19-5工频运行指示灯HL1电路图,第一节变频调速恒压供水控制系统,7.I/O接线如图19-6所示完成I/O的实际接线，并用万用表检查I/O接线的正确性。,图19-6变频调速恒压供水控制系统I/O接线图,第一节变频调速恒压供水控制系统,8.PLC程序（1）松下PLCFP1是日本松下电工生产的整体式小型PLC产品，它集CPU、I/O、通信等诸多功能模块为一体，具有体积小、功能强、性能价格比高等特点。FP1-C24提供输入点16个和输出点8个，能满足本项目的I/O要求。FP1-C24内部寄存器存储区域分配如下外部输入继电器编号为X0～XF，输入16点信号；外部输出继电器编号为Y0～Y7，可输出8点信号；内部继电器编号为R0～R62F，共63个字，每个字16位，一共可提供1008点信号；定时器编号为T0～T99，可提供100个定时器；计数器编号为C100～C143，可提供44个定时器。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（2）程序按图19-7所示的梯形图输入程序，并连接下载到PLC。,图19-7变频调速恒压供水控制系统梯形图,第一节变频调速恒压供水控制系统,（3）梯形图分析①工频运行段首先将三位旋钮选择开关SA向左旋至“工频运行”位，使输入继电器X0动作，为工频运行作好准备。按下工频运行起动按钮SFl，输入继电器X2动作，使输出继电器Y2动作并保持，从而使接触器KM3动作其主触点闭合，水泵电动机在工频电压下起动并运行。按下工频运行停止按钮STl，输入继电器X3动作，使输出继电器Y2“复位”，从而使接触器KM3失电其主触点断开，电动机停止运行。如果水泵电动机过载，热继电器FR常开触点闭合，输入继电器X7动作，输出继电器Y2、接触器KM3相继复位，电动机停止运行。,第一节变频调速恒压供水控制系统,②变频器通电段首先将三位旋钮选择开关SA向右旋至“变频运行”位，使输入继电器X1动作，为变频运行作好准备。按下变频器通电控制按钮SFl，输入继电器X2动作，使输出继电器Y1动作并保持。一方面使接触器KM2动作，将水泵电动机接至变频器的输出端。另一方面，又使输出继电器Y0动作，从而接触器KMl动作其主触点闭合，使变频器接通电源。按下变频器断电控制按钮STl，输入继电器X3动作，在Y3未动作或已经复位的前提下，使输出继电器Y1“复位”，接触器KM2复位，切断水泵电动机与变频器之间的联系。同时，输出继电器Y0与接触器KMl也相继复位，切断变频器的电源。,第一节变频调速恒压供水控制系统,③变频运行段按下变频运行起动控制按钮SF2，PLC输入继电器X4动作，在Y0已经动作的前提下，输出继电器Y3动作并保持，使继电器KA动作，变频器的FWD端（正转运行端）与CM端（公共端）被继电器KA常开触点接通，电动机开始升速并运行，进入变频运行阶段。同时，Y3的常闭触点使变频器断电控制按钮STl暂时不起作用，防止在电动机运行状态下直接切断变频器的电源。按下变频器运行停止控制按钮ST2，输入继电器X5动作，输出继电器Y3复位，继电器KA失电，变频器的FWD与CM端断开，水泵电动机开始降速并停止运行。,第一节变频调速恒压供水控制系统,④变频器跳闸段如果变频器因故障而跳闸，变频器的故障继电器输出端“30B-30A”闭合，则PLC的输入继电器XA动作，一方面使Y1和Y3复位，从而输出继电器Y0、接触器KM2和KMl、继电器KA也相继复位，变频器停止工作。另一方面，输出继电器Y6断续接通，变频器故障指示灯HL4闪烁，进行指示报警。同时，在Y1已经复位的情况下，PLC时间继电器T1开始计时，其常开触点延时2S后闭合，使输出继电器Y2动作并保持，接触器KM3动作，电动机进入工频运行状态。,第一节变频调速恒压供水控制系统,⑤故障处理段报警后，操作人员应立即将三位旋钮选择开关SA向左旋至“工频运行”位。这时，输入继电器X0动作，一方面使控制系统正式转入工频运行方式；另一方面，使PLC输出继电器Y6复位，停止指示灯报警。当变频器的故障处理完毕，重新通电后，须首先按下变频器故障后复位控制按钮SB，使X6动作，从而使PLC输出继电器Y7动作，变频器的故障复位控制端RESET接通，使变频器的故障状态复位。,第一节变频调速恒压供水控制系统,9.变频器参数预置（1）压力变送器信号的接入将压力变送器SP的反馈信号一端接入变频器控制端子的GND端，即模拟输入信号的公共端子；另一端接入变频器控制端子传感器信号输入的VPF端，即传感器反馈电压信号输入端。压力变送器提供DC4～20mA的标准电流信号，由于变频器内部模拟量输入电阻为250Ω，即将反馈信号自动转换为DC1～5V的电压信号。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（2）参数预置按要求在变频器通电的状态下，如表19-3所示完成变频器参数的预置。,表19-3变频调速恒压供水控制系统变频器参数设定值,第一节变频调速恒压供水控制系统,10.系统运行，记录数据将系统按要求运行，在变频调速恒压供水控制系统稳态运行时，将以下相关数据记录在表19-4中。,表19-4变频调速恒压供水控制系统运行参数,第一节变频调速恒压供水控制系统,四、工艺要求1.系统的通、断电操作符合安全操作规程的要求。2.元器件画法符合IEC的有关标准。3.元器件布置和所有接线符合国标对低压配电盘的有关规定。4.按照电气制图的原则绘制图形。5.操作面板布置合理，便于操作。,第一节变频调速恒压供水控制系统,五、学习形式本项目的学习形式建议以小组的形式进行，为保证每名学生的动手能力每组以2-4人为宜。指导教师在讲解项目要求时可采用集体的形式进行，学生动手进行项目时，指导教师在各组巡视、辅导，并可对个别学生现场提问和重点辅导。通过本项目的训练，着重培养学生的团结协作能力、与人相处的能力和一定的语言表达能力，按照职业规范要求进行操作的能力。,第一节变频调速恒压供水控制系统,六、检测标准1.通、断电顺序按要求正确操作。2.正确、合理使用工具和仪表。3.主回路接线规范，I/O接线合理、排列有序，正确使用万用表检查PLC的I/O接线。4.PLC的程序输入正确，会连接和下载程序。5.正确预置变频器的有关功能参数，特别是反馈信号参数。6.控制系统按要求工频和变频能手动选择和变频故障自动切换。7.正确进行压力变送器的接线及反馈信号的设置。8.对通电运行中出现的问题能够正确分析和处理。,第一节变频调速恒压供水控制系统,七、原理说明1.恒压供水有关知识（1）恒压供水的概述在生产、生活的实际中，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。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。,第一节变频调速恒压供水控制系统,恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出水口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用内部包含用PID调节器、单片机、PLC等器件有机结合的供水专用变频器，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（2）恒压供水的意义变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时水泵供水量也发生变化，从而保持供水管网水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（3）恒压供水的优点①节约电能变频调速恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论在设备的投资、运行的经济性，还是在系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面，都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。因为由离心泵原理可知，在相似情况下水泵的流量、扬程（压力）和轴功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。当水泵（或风机）运转速度降低以后，其轴功率随转速的三次方下降，驱动电动机所需要的功率也相应减少，从而取得明显得节电效果。,第一节变频调速恒压供水控制系统,②节约用水采用变频器进行变频恒压供水，管道保持恒压，可杜绝崩管现象，减少跑、冒、滴、漏，从而节约用水。③延长系统的使用寿命利用供水专用变频器进行变频恒压供水，可保持系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，管道的压力一直可维持在合理的范围内，延长了更换周期，减少了维修投入，并且避免了管道崩裂事故。,第一节变频调速恒压供水控制系统,变频调速控制的水泵在起动时，电机频率逐渐上升到工频频率，水的压力也逐渐升高，这样就避免了水流对管网、仪表、阀门、法兰地等冲击，延长了供水设备的使用寿命。当变频调速供水控制系统停止运行时，变频器输出交流电的频率逐渐降低直到停止输出，水泵的转速逐渐降低直到停止运行，有效防止了水锤现象的产生。④系统管理维护方便主要设备相对集中，配置简易，系统自动化程度高，便于管理维修，操作人员定期在泵房内巡查就可掌握整个系统的运行状态。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（4）恒压供水的应用场合①高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。②各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。③中央空调系统。④自来水厂增压系统。⑤农田灌溉，污水处理，人造喷泉。⑥各种流体恒压控制系统。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（5）恒压供水的原理由项目8交流异步电动机的转速表达式公式8--1可知改变异步电动机供电电源频率f1，电动机的转速n即随之改变。但是，只改变异步电动机供电电源频率f1实际上并不能正常调速。当电源频率f1增大时，电动机的拖动转矩将会降低，对恒转矩负载电动机会因为拖不动而堵转；当电源频率f1减小时，会引起异步电动机主磁通饱和，电动机励磁电流急剧升高，定子铁芯损耗急剧增加，从而导致电动机过热，严重影响电动机的使用寿命。为了避免出现上述情况，在改变供电电源频率的同时，必须同时调节供电电源电压，而变频器就可以实现这样的功能。,第一节变频调速恒压供水控制系统,变频器就是对交流电动机实现变频调速的装置。变频器的功能是，将电网电源提供的恒压恒频（CVCF）交流电变换为变压变频（VVVF）交流电，变频伴随变压，从而对交流电动机实现无级调速。（6）变频调速恒压供水控制系统压力控制原理变频调速恒压供水控制系统压力控制原理框图如图19-8所示。,图19-8变频调速恒压供水控制系统压力控制原理框图,第一节变频调速恒压供水控制系统,恒压供水的控制原理如下假设某一时刻用水量↑→压力↓→压力变送器输出↓→PID输出↑→VVVF（变频器）频率↑→电动机转速↑→水泵流量↑→压力↑。假设某一时刻用水量↓→压力↑→压力变送器输出↑→PID输出↓→VVVF（变频器）频率↓→电动机转速↓→水泵流量↓→压力↓。由上述控制原理可知，恒压供水的控制目的就是使供水管网的压力保持恒定。这种控制方式即可提高控制效果，又大大节省了电能。,第一节变频调速恒压供水控制系统,2.恒压供水控制系统分析实验室恒压供水装置如图19-9所示。系统由上、下水槽和蓄水池组成。下水槽（第二水槽）有进水孔和放水孔，水泵将水直接压入上水槽（第一水槽），上水槽的放水孔将水放入下水槽，下水槽的水流入通过放水孔流入下面的蓄水池，水泵再将蓄水池的水循环压入上水槽。改变下水槽放水孔放水挡板的位置，即可改变放水量，以此模拟恒压供水中的用户用水量的改变。,第一节变频调速恒压供水控制系统,图19-9变频调速恒压供水控制系统示意图,第一节变频调速恒压供水控制系统,（1）系统使用注意事项①系统控制柜外壳及水泵电动机外壳必须可靠接地②变频器运行时的操作顺序是变频器通电→变频器运行；变频器断电时的操作顺序是停止变频器运行→变频器断电。严禁在变频器运行时切断变频器电源，否则可能导致变频器故障。③系统停止运行后，三位旋钮开关SA应旋至“停止”位。④设定变频器参数时注意安全防止触电。⑤使用本系统前，须认真阅读森兰变频器BT12S系列使用说明书。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（2）系统操作说明接通压力变送器电源。将三相四线电源插头插在插座上，打开系统控制柜，合上自动空气开关，为系统运行做好准备。工频运行时将三位旋钮开关SA左旋至“工频运行”位，按下“工频运行起动/变频器通电”按钮，水泵电动机接通电网电源开始工频运行，同时“工频运行指示”灯亮起。按下“工频运行停止/变频器断电”按钮，水泵电动机停止工频运行，同时“工频运行指示”灯熄灭。,第一节变频调速恒压供水控制系统,变频运行时将三位旋钮开关SA右旋至“变频运行”位，按下“工频运行起动/变频器通电”按钮，变频器接通电网电源，变频器显示器显示相关数据，同时“变频器通电指示”灯亮起。此时，可打开控制柜对变频器的有关参数进行设定，变频器有关参数的设定方法详见森兰变频BT12S系列使用说明书。参数设定完毕，按下“变频运行起动”按钮，变频器输出变压变频（VVVF）交流电，水泵电动机开始变频运行，同时“变频运行指示”灯亮起。按下“变频运行停止”按钮，变频器停止输出变压变频交流电，水泵电动机停止变频运行，同时“变频运行指示”灯熄灭。此时可对变频器有关参数进行再次设定或调整。,第一节变频调速恒压供水控制系统,在系统变频运行时，按下“变频运行停止”按钮，变频器停止运行；按下“工频运行停止/变频器断电”按钮，变频器断开电源；然后将三位旋钮开关SA左旋至“停止”位，断开自动空气开关。（3）开环或闭环运行变频调速恒压供水控制系统可实现开环变频运行或闭环变频运行。若将变频器的参数F44（控制对象）设定为0（通用变频器），系统即可运行在开环变频方式；若将变频器的参数F44设定为4（压力），系统即可运行在闭环变频方式。通过设定变频器参数F48（目标设定值），即可设定供水管网或水箱的压力值。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（4）闭环运行有关参数的调试①压力变送器（SP）的反馈信号在变频调速供水控制系统正常运行时，压力变送器（SP）的正常反馈信号应为DC1到5V之间。当变频调速供水系统处于停止运行状态时，将水槽（第二水槽）内的水放完，放水挡板应处于正常插入状态，当水位保持在最低值时（水位与挡板放水孔的低限一致），此时通过调整水槽右后角处小水槽水位的高低，使压力变送器（SP）的反馈信号为DC1V即可。,第一节变频调速恒压供水控制系统,②F60反馈增益变频器功能参数F60比例常数设定的是误差值的增益，此参数越大，比例调节越强。比例常数若设置的太小，则导致系统响应慢。F60的设定范围为1－8000，而出厂值设定为10，将F60设定为5000－8000后，系统可正常起动运行。总之，在系统反应太慢时，应调大比例常数Kp（F60）和减小积分时间（F61）；在发生振荡时，应调小比例常数Kp或加大积分时间；在某些对反应速度要求较高的系统中，应考虑增加微分环节。,第一节变频调速恒压供水控制系统,③F48目标设定值F48目标设定值设定的是供水管网或水箱的压力值，其设定范围为0.1～100％。F48设定的压力实际设定值＝F48％*压力传感器最大量程。例如，现有压力传感器量程为0-10Mpa，实际需要5Mpa压力，则F48可设定为50。如果系统调整合适（如阀门开度等），则供水系统稳态运行时的频率大约应为F48的目标设定值。供水系统停止运行或正常运行时，在显示设定值状态下可用触摸面板上的∧/∨键或外接旋钮（可调电位器）直接设定F48的值。,第一节变频调速恒压供水控制系统,F47目标给定方式确定的是F48目标设定值的设定方式。F47的设定范围为0、1或2。当F47＝0（触摸面板控制）时，用触摸面板上的∧/∨键直接设定F48值；当F47＝1（模拟电压0－5V或0-10V）时，用外接旋钮（可调电位器）直接设定F48的值。④供水管网阀门开度的调节变频器稳态运行频率与F48目标设定值存在的偏差主要是由于供水管网的阀门开度大小造成的。通过调节供水管网的阀门开度，从而使变频器稳态运行频率接近目标频率给定值。例如F48目标设定值为40时，应使变频器稳态运行频率为40Hz左右。注意，当变频器稳态运行频率大于F48目标给定值时，应增大管网阀门开度；反之亦然。,第一节变频调速恒压供水控制系统,（5）节能理论的验证在变频调速恒压供水控制系统运行时，测得并计算的相关数据表19-5所示,表19-5频调速恒压供水控制系统运行数据,第一节变频调速恒压供水控制系统,以电动机消耗的视在功率S＝UI作为水泵消耗的功率。由上表可知，随着变频器输出频率的降低，水泵（电动机）的转速亦相应降低（n60f1（1-s）/p）,而水泵所消耗的功率也相应地大幅度降低。例如表中所示当变频器/电动机运行频率为f151.64Hz时，水泵消耗的功率为1411.32VA；当变频器/电动机运行频率降为f226.73Hz时，水泵消耗的功率为174.59VA。转速降低为原来的1/2左右，水泵消耗的功率降为原来的1/8左右（1411.32/8176.415VA）。根据理论，水泵消耗的功率与其转速的三次方成正比。如今频率由f1＝51.64Hz降为f226.73Hz，水泵（电动机）的转速（n60f1（1-s）/p）降为原来的1/2左右，故水泵消耗的功率应该为原来的1/8左右，符合理论。,