基于plc的水廠變頻調速恒壓供水系統設計_畢業論文-資料下載頁

【導讀】學習可編程序控制器及組態王監控軟件;設計基于“組態王”的泵站監測系統;設計以西門子S7-200為下位機的泵站控制系統；編寫畢業設計說明書;查閱20篇以上參考文獻，其中外文文獻不少于5篇并翻譯1篇。圖紙、實驗數據各種標準資料的運用和引用符合學校和學科(專。業)國家標準規定。本設計是針對居民生活用水而設計的。在對茂名河東水廠進行調研，對工業。究的基礎上，本文提出西門子S7-200系列作為下位機的方案。及PID調節器組成控制系統來調節水泵的輸出流量。電動機泵組由三臺水泵和一。低能耗，保證了供水系統維持在最佳運行狀況，提高生產管理水平。安裝維護方便，運行穩定可靠;監控軟件功能齊全，人機界面友好，使用方便。

　　

【正文】 水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了 ，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0HZ，具體數值與水泵特性及系統所使用的場所有關，一般在 20HZ 左右。由于在變頻運行狀態下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調節的下限頻率 [14]。 從上面的分析可以看出，當變頻器的輸出頻率已經到達上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設定壓力時，存在的實際供水壓力差己經不能夠使輸出頻率增大，實際供水壓力也不會提高。當變頻器的輸出頻率己經下降到下限頻率，實際的供 水壓力卻仍高于設定的供水壓力時，存在的壓力差不會使輸出頻率繼續降低，實際的供水壓力也不會降低。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的，但要做以下考慮。 首先把上面的判別條件簡寫如下 [15]： f= UPf fS PP? （ 31） f= LOWf fS PP? （ 32） 式中 ： UPf ： 上限頻率 LOWf ： 下限頻率 SP ： 設定壓力 fP ： 反饋壓力 對于第一個判別條件，可能出現這種情況 :輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。并 且使新投入運行的機組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運行，對供水作用很小。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態下運行的機組停掉。假設這一段時間內用戶的用水狀況保持不變 (其實在一個穩定的供水時段可以看作這種情況 )，那么按照要求停掉了一個工頻狀態下運行的機組之后，機組的整體運行情況與增加運行機組之前完全相同?？梢灶A見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入分切出崢再投入分再切 出地循環下去，這增加了機組切換的次數，使系統一直處于不穩定的狀態之中。同時，在切換過程和變頻器從啟動到穩定的過程中，系統的供水情況是不穩定的，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內震蕩。這樣的工作狀態既無法提供穩定可靠 的供水壓力，也使得機組由 第三章 變頻調速恒壓供水系統的設計 21 于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命 [16]。對于第二個判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結論。所以，在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。相應的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質就是增加了回滯環的應用和判別條件的延時 成立。在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關系相對應?？紤]到只有當變頻器的輸出頻率在上下限頻率時才可能發生切換，并且上限頻率時不可能減泵，下限頻率時不可能增泵，所以，可以采用回滯環思想進行判別如圖 35 表示。 圖 35 用于壓力判斷的回滯環 如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當實際的供水壓力比設定壓力小 △ Pd/2的時候才允許進行機組增加 。如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當實際的供 水壓力比設定壓力大 △ Pd /2 的時候才允許進行機組的增加。回 滯環的應用提供了這樣一個保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時實際供水壓力在當前機組的運行狀況下滿足不了設定的要求。但這個判別條件的滿足也不能夠完全證明當前確實需要進行機組切換，因為有兩種情況可能使判別條件的成立有問題 :實際供水壓力超調的影響以及現場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內滿足，造成判斷上的失誤，引起機組切換的誤操作。這兩種情況有一個共同的特點，即創門維持的時間短，只能夠使機組切換的判別條件在一個瞬間滿足。根據這個特點，在判別條件中加入延 時的判斷就顯得尤為必要了。 所謂延時判別，是指系統僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時的時間內切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作 。如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作 [17]。 設定壓力 實際壓力Δ Pd / 2減泵下限頻率增泵設定壓力 實際壓力上限頻率廣東石油化工 學院本科畢業 (設計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調速恒壓供水系統 的設計 22 經過上面的討論，將實際的機組切換的實際條件定為 ： 增泵條件 ： f = UPf 2dsf PPP ??? 并且延時判別成立 減泵條件： f = LOWf 2dSf PPP ??? 并且延時判別成立 本章小結 本章首先分析了變頻恒壓供水系統節能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數學模型 。確定變頻恒壓供水系統的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理 。最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件 。 第四章 變頻調速恒壓供水系統的 PID 調節 23 第四章 變頻調 速恒壓供水系統的 PID 調節 變頻調速恒壓供水的 PID 調節 在供水系統的設計中，選用了具有 PID 調節模塊的變頻器來實現閉環控制保 證供水系統中的壓力恒定，較好地滿足系統的恒壓要求。 PID 控制及其控制算法 在連續控制系統中，常采用 Proportional（比例）、 Integral（積分）、 Derivative（微分）控制方式，稱之為 PID 控制。 PID 控制是連續控制系統中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有以下優點：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。 模擬 PID 控制 及算法 PID 控制器是一種線性控制器，它是對給定值 r(t)和實際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)[18][19]： ? ? ? ? ? ?e t r t y t?? （ 41） 經比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）運算后通過線性組合構成控制量 u(t)，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 系統由擬 PID 控制器和被控對象組成，其控制系統原理框圖如圖 41。 圖 41 PID 控制系統原理框圖 圖中 u(t)PID 調節器輸出的調節量。 PID 控制規律為： p 11 ( )u ( t ) = K [ ( ) ( ) ]D d e te t e t d t TT d t??? （ 42） 式（ 42）中， Kp 表示比例系數； T1 表示積分時間常數； TD 表示微分時間常數 。相應地傳遞函數形式 ： 1( ) 1( ) (1 )() pDUsG s K T SE s T S? ? ? ? （ 43） PID 控制器各環節的作用及調節規律如下 。 比例 P微分 D積分 I 驅動 被控對象 r ( t ) e ( t ) u ( t )d ( t )y ( t )廣東石油化工 學院本科畢業 (設計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調速恒壓供水系統 的設計 24 （ 1）比例環節；成比例地反映控制系統偏差信號的作用，偏差 e (t)一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例環節反映了系統對當前變化的一種反映。比例環節不能徹底消除系統偏差，系統偏差隨比例系數 K 的增大而減少。比例系數過大將導致系統不穩定。 （ 2）積分環節：表明控制器的輸出與偏差持續的時間有關，即與偏差對時間的積分成線性關系。只要偏差存在，控制就要發生改變，實現對被控對象的調節。直到系統偏差為零。積分環節主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數 T1， T1 越大，積分作用越弱，易引起系統超調量加大，反之則越強，易引起系統振蕩。 （ 3）微分環節 ：對偏差信號的變化趨勢（變化速率）做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。微分環節主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快系統響應時間，改善系統的動態特性。但過大的 TD 對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。 PID 的三種作用是相互獨立，互不影響。改變一個調節參數，只影響一種調節作用，不會影響其他的調節作用。然而，對于大多數系統來說，單獨使用一種控制規律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當的配合，可以使調節器快速，平穩、準確的運 行，從而獲得滿意的控制效果 。 數字 PID 控制算法 [20][21] 自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬調節器來實現 PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數字 PID 控制算法是通過對式（ 42）離散化來實現的。 用一系列的采樣時刻點 kT 代表連續時間，用矩形法數值積分近似代替連續系統的積分，以一階后向差分近似代替連續系統的微分，得到 PID 位置控制算法表達式： 0( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }kDDp jTTu k K e k e j e k e k?? ? ? ? ?? （ 44） 式 (44)中， T 表示采用周期， k 表示采用序號， e(k)表示 第 k 時刻的偏差信號， e(k1)表示第 k1 時刻的偏差信號， u(k)表示第 k 時刻的控制量。 PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計算本次與上次的偏差信號e(k)， e(k1)， 而且還要把歷次的偏差信號 e(j)相加，計算繁鎖，占用內存大；另一方面計算機輸出的控制量 u(k)對應的是執行機構的實際位置偏差，如果位置 傳感器出現故障， u(k)可能出現大幅度變化，引起執行機構的大幅度變化，這是 不允許的。為此實際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達式為 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? 第四章 變頻調速恒壓供水系統的 PID 調節 25 1[ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]pDK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 45） 式 ()中， ()uk? 表示調節器輸出的控制增益，IDI TTK = K p K = KT PP T。 增量式算法中不需要累加，調節器輸出的控制增量Δ u (k)僅與最近幾次采樣有關，所以誤動作時影響較小，必要時可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權處理獲得比較好的控制效果。 變頻調速恒壓供水的 PID 調節過程 變頻調速恒壓供水的 PID 調節過程分析 變頻調速恒壓供水的目的就是要保證供水能力 QG適應用水 QU需求變化。當供水能力 QG和用水需求 QU之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。因此，可根據壓力的變化，來實現對供水流量的調節，維持供水能力 QG和用水需求 QU之間的乎衡。 在供水系統中，變頻器、 PID 調節器、壓力變送器、電機、水泵等構成了一個閉環控制系統，可以對供水能力實現有效的自動調節，從而實現恒壓供水。其實現方法是，首先據用戶對水壓的要求，給 PID 調節器預置一個目標壓力值，管道中的實際水壓，經壓力變送器轉換成 4～ 20mA 的模擬電流信號反饋 給變頻器內置的 PID 調節器， PID 調節器根據目標壓力值和實際壓力值的偏差，給出調節量，自動調節變頻器輸出頻率，調節電機轉速，使供水量適應用水量的變化，取得動態平衡，維持水壓不變。其具體調節過程如下 [22]： (1) 穩態運行 當供水能力 QG=用水需求 QU，目標壓力信號 和壓力反饋信號相等，偏差e=yr， PID 輸出的控制增量Δ U=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉速不變，處于穩態運行。如圖 42 中的 0～ t1 段 （ 2）用水量增加時 當用水量增加，用水需求 QU供水能力 QG，水壓下降，壓力反饋信號 y 減少，偏差 e=yr0， PID 輸出的控制增量Δ u0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉速升高，增加供水能力，最后達到一個新的平衡狀態，使壓力回復，維持供需平衡。 這是一個動態變化的過程，在達到新的平衡狀態之前，壓力反饋信號