DOC《毕业设计论文》

毕业设计论文目录前言

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一、PLC控制的变频恒压供水的概况

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(一)PLC技术

2

(二)变频器技术

2

二、变频驱动方式和调节方式以及压力传感变送器的使用

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(一)恒压供水系统的驱动方式

3

(二)恒压供水调节方式

3

(三)关于压力传感变送器的使用

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三、常见的供水方式及变频恒压调节的基本原理

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四、水泵的转速与其扬程H、流量Q及功率的关系

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五、PID控制及调节

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六、PLC、变频器控制的恒压供水系统方案

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(一)方案特点

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(二)变频-工频双回路恒压供水方案优点

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(三)设备选型

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七、系统设计

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(一)电动机调速方案的比较

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(二)模拟供水系统的拟定

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(三)主电路设计

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(四)电气控制系统接线原理图及说明

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(五)控制流程图

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(七) 输入输出元件与PLC地址对照表

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(八)PLC程序设计

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八、结束语

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(一)变频调速常用的闭环调节方法

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(二)投资回报

24 致谢25 参考文献

26 前言 随社会经济的迅速发展,人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高,再加上目前能源紧缺,利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术,设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势.

本设计是针对居民生活用水/消防用水而设计的.由变频器、PLC及PID调节器组成控制系统,调节水泵的输出流量.电动机泵组由三台水泵并联而成,由变频器或工频电网供电,根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度,使系统运行在最合理的状态,保证按需供水. 本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统,由PLC进行逻辑控制,由变频器进行压力调节.在经过PID运算,通过PLC控制变频与工频切换,实现闭环自动调节恒压供水.运行结果表明,该系统具有压力稳定,结构简单,工作可靠操作方便等优点. 随着科学技术的不断发展和进步,PLC、变频器以其优异的性能将越来越多的被应用于各个行业中.

一、PLC控制的变频恒压供水的概况 变频供水的一种典型方式是变频恒压供水.变频恒压供水时使用扁平器的调速功能通过调节供水的水泵的转速,以维持供水始端压力,变使之保持相对的恒定,故又称恒压供水.现在变频供水以逐步渗透到各种行业,品种也从单一简单的变频恒压供水向专业多功能和高级的变频、变压供水及职能化控制的方向发展. 基于触摸屏和PLC作为控制变频器作为驱动调速的恒压供水技术,相对于传统的技术而言具有节能效益明显、控制和保护功能完善、可实现机组的软启软停机、输入电压范围宽、电磁冲击小、泵机运行组合切换灵活方便等优越性,目前广泛应用于水厂送水泵站、二次加压站、工业锅炉个水、小区和高楼给水、其他工业供水等领域. 触摸屏和PLC在对现场系统和设备的自动控制上显示出令人鼓舞的优势,现代的供水系统已随着微型计算机及电力电子技术的发展,在传统的供水基础上将触摸屏、PLC和变频器等应用到其中,不断的提高供水的质量以及整个供水系统的自动化程度.

(一)PLC技术 PLC即可编程控制器,是针对工业自动化控制领域开发设计的、适用于工业现场工作的、以现代微处理技术为核心的控制器.PLC的控制功能可以根据使用者所编辑的软件的不同而不同,且可实现多种功能. 从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种.固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体.模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置. CPU的构成 CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等.进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路. CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路.内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元.

(二)变频器技术 变频器是以电子技术、微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用为基础上发展起来的智能型的调速设备.变频器原用于交流电动机的调速,其性能不仅超过以往的多种交、直流调速方式,而且结构简单、调速范围宽、调速精度高、控制灵活、安装调试使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠,并且极大地简化了调速系统的应用,这也使得变频器在各行各业的调速系统及节能降耗中被越来越多的使用.值得一提的是当变频器用在变转矩的负载时,其节能效果尤为显著,已经成为变转矩回转设备节电的最佳方式及选择,解决了传统的调速系统所无法解决的问题.变频器在各种调速领域已逐渐成为必不可少的设备,并成为最有发展前途的一种交流调速方式.

二、变频驱动方式和调节方式以及压力传感变送器的使用

(一)恒压供水系统的驱动方式 由于变频器的价格比常规电气设备高,故对于群泵系统,从节省投资的角度考虑,可以采用 一拖二 或一拖三 等的驱动方式,即只用一个变频器,其额定功率按需进行变频驱动的群泵中最大的额定功率考虑.本案例为 一拖二 的驱动方式.

(二)恒压供水调节方式 为了保持供水管道的压力恒定,使用的恒压供水控制方式以单级PID调节为主要手段,也有的采用了模糊控制等现代控制理论方法. 一般情况下,PID的调节方式就能够满足恒压供水管网压力的稳定调节.然而,这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题.如在系统的动态运行过程中,水泵电动机会出现速度超调甚至不稳定的现象,对整个的供水设备具有很大的破坏性,还会减小整个系统的效率.通常,这些问题是通过选用优化的PID算法来解决,具体的说,最好是使用专业的智能仪表、过程控制器等.一般来说,专业的智能仪表、过程控制器的PID调节功能要比变频器内置的PID功能强(见图2-1).

(三)关于压力传感变送器的使用 压力传感变送器的信号是弱电信号,其传输距离通常不易太长,同时不易与强电电缆近距离并行;

传输距离太长及与强电电缆并行会使信号衰减,同时容易受干扰,不能反映真实的数据,还易出现故障.对于较小范围的供水系统及单位供水系统等,在对供水压力的控制精度无特殊要求的情况下,常用供水母管或供水出口的压力作为反馈压力,这样做比较简单,压力传感器的信号的传输距离也不长,也便于应用;

而对于大型及整个供水管网的压力控制则选择供水管网中的多点压力或是终端压力等作为反馈压力,传输距离很长的会采用高级的信号传输系统,以保证信号的准确性;

当然,对于大型的整个供水管网的压力控制调节也不是简单的单级PID调节,这种调节会更为复杂.

三、常见的供水方式及变频恒压调节的基本原理 生产和生活中的供水方式有多种,常见的供水方式通常会设一台或多台泵;

有多台泵时会根据不同的用水量启动不同数量的泵运行,供水水压式波动的.要保证供水质量,稳定供水出口(或管网)的压力,变频恒压供水是最好的方式之一. 变频恒压供水系统实现恒压的工作过程和原理:安装于供水母管或主管道上的压力传感变送器将供水管网压力转换成4~20mA(0~20mA、0~10V)的标准电信号,送到PID调节器(或过程控制器、PLC、DCS等),经过运算处理后仍以标准电信号直接送到具有内置PID调节功能的变频器;

变频器根据调速的给定信号或对压力传感变送器的标准电信号进行运算处理后,决定其输出频率实现对驱动典动机的转速调节,从而实现对供水的水量及供水压力调节,最终实现了对供水管网的压力调节,即实现恒压供水. 实际应用中,除了要实现变频恒压供水系统的PID调节功能外,还需配备外围辅助电路及PLC和触摸屏控制系统,来实现切换选择等自动控制功能,以保证自动控制系统出现故障时刻通过人工调节方式维持系统运行,保证连续生产. 图3-1 控制原理示意图 水泵选择的一般性原则 1.供水系统的水泵应尽量选用先进的低噪音、节能型水泵,不可采用淘汰产品. 2.根据实际流量、扬程选泵.考虑因磨损等原因造成水泵出力下降,可按计算所得的扬程值乘以1.05~1.1后选泵,应能保证水泵工作在高效区. 3.对单位及小规模的供水系统因尽量减少泵的台数,以一用一备为宜,且配小型气压罐;

当一台运行能满足要求时,则不宜采用多台泵并联方式;

若必须采用多台并联运行或大小泵搭配方式时,其型号不宜太杂,台数不宜过多,型号一般不宜超过两种,泵的扬程范围应相同;

并联运行时仍能保证每台泵在高效区范围内运行 4.对于水厂及供水规模较大的供水系统及用水不均匀,且流量变化大的供水系统,则宜采用多台 水泵组合供水,群泵运行时,可按1或2台进行变频调速其余为工频恒速的方式运行. 5.同一供水系统所配水泵的扬程要相同,主供水泵之间的流量宜相同或相近,补压泵流量和主供水泵流量的流量之比以不小于1/3为宜. 6.应注意的问题:抽水扬程越低,电机负荷越小―这是种错误的认识

四、水泵的转速与其扬程H、流量Q及功率的关系 扬程:是指泵单位质量的液体通过泵后所获得的能量,通常称之为扬程.用H表示. 流量:流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量,常用的流量是体积流量,用Q表示,其单位是m3 /h. 根据流体力学原理可知,当水泵的转速发生变化时,其扬程H、流量Q及水泵功率P也随之变化,他们之间有以下关系: Q2/Q1=(n2/n1) H2/H1=(n2/n1)2 P2/P1=(n2/n1)3 即流量Q与转速n的一次方成正比;

扬程H与转速n的平方成正比;

水泵功率P与转速n的立方成正比.下面表1-1可较为直观的理解. 表4-1 离心水泵在不同转速(频率)下的流量、扬程及轴功率 频率f(Hz) 转速n% 流量Q% 扬程H% 轴功率P%

50 100

100 100

100 45

90 90

81 72.9

40 80

80 64 51.2

35 70

70 49 34.3

30 60

60 36 21.6

25 50

50 25 12.5 根据水泵的扬程H、流量Q及功率与水泵转速(频率)的关系式及表1-1可知改变水泵的转速就可改变水泵的功率.

五、PID控制及调节 PID控制是一种负反馈控制,它所组成的控制系统由PID控制器和被控对象组成,具有一般闭环反馈控制系统的结构,通过负反馈作用使被控系统趋于稳定.常规PID控制系统原理框图如图5-1所示. 图5-1 PID控制器原理 PID控制器综合了关于系统过去(I)、现在(P)和未来(D)三方I面的信息,对动态过程无需太多的预先知识,控制效果能够满足要求.PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(f)与实际输出值灭f)构成的控制偏差 e(t)=y(t)-r(t)5-1) 将偏差P(r)的的比例(Proportion)、积分(Integral)和微分(Differential),通 过线性组合构成控制器,对被控对象进行控制,故称PID控制器.其理想的控制规律为 u(t)=Kp[e(t)+1/T1∫e(t)dt+TDde(t)/dt]5-2) 对上式作拉氏变换可得: U(S)=Kp(E(S)+T1・E(S)/S+TD・SE(S)5-3) PID控制器的传递函数形式由式(5-4)描述. .G(S)=U(S)/E(S)=KP(1+1/T1S)=KP+K1/S+KDS (5-4) 式中KP一称为比例系数;

K1=T/T1一称为积分系数;

KD=TD/T一称为微分系数 T1一为积分时间常数;

TD一为微分时间常数;

PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下: (l)比例增益部分(P)用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量. 能够快速反应系统输出偏差的变化情况.由经典控制理论可知,比例环节不能彻底消除系统偏差,系统偏差随比例系数的增大而减少,但比例系数过大将导致系统不稳定. (2)积分部分(I)表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关,还与偏差持续的时间有关,即与偏差对时间的积分成线性关系.只要偏差存在,控制就要发生改变,实现对被控对象的调节,直到系统偏差为零.因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差,提高精度,改善系统的静态特性.积分作用的强弱取决于积分时间常数Z,正越大,积分作用越弱,反之则越强.然而,单纯的积分作用速度太慢,无法及时对系统的偏差变化做出快速反应. (3)微分部分(D)可以对输入的变化趋势做出反应,即它的输入与输出的大小无关,但与输入量的导数成线性关系.它是用来控制被调量的振荡,减小超调量,使系统趋向稳定,减小调节时间,用来改善系统的动态特特性.由于微分环节在系统 传递函数中引入了一个零点,如果使用不当会使系统不稳定. PID的三种作用是各自独立的,互不影响的.改变一个调节参数,只影响一种调节作用,不会影响其他的调节作用.显然,对于大多数系统来说,单独使用上面任意一种控制舰律都难以获得良好的控制性能.如果能将它们的作用作适当的配合,可以使调节器快速、平稳、准确的运行,从而获得满意的控制效果.一般来说,系统是使用它们的组合,如PI控制算法,PD控制算法和PID控制........