基于plc和變頻器的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-資料下載頁(yè)

　　

【正文】 反饋信號(hào)。為提高系統(tǒng)的可靠性，需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)。⑵液位信號(hào)：它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號(hào)來(lái)自在安裝于水源處的小浮球式液位傳感器。⑶消防信號(hào)：它用于在系統(tǒng)得到消防報(bào)警后，供水系統(tǒng)保持消防壓力供水。通常采用手動(dòng)控制。 系統(tǒng)工作過(guò)程詳細(xì)分析整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測(cè)到的輸入信號(hào)的狀態(tài)，按照系統(tǒng)的控制流程，通過(guò)變頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對(duì)水泵組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水目的。控制流程如下：系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)調(diào)速水泵，通過(guò)恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以達(dá)到控制調(diào)速泵轉(zhuǎn)速的目的，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值。當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值，反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz 時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時(shí)，在變頻的控制方式下，系統(tǒng)將電機(jī) 1 水泵切換至工頻電網(wǎng)供電后，1 水泵恒速運(yùn)行，同時(shí)使2 水泵投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投入并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)最后一臺(tái)水泵投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將先運(yùn)行的那臺(tái)恒速水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。當(dāng)系統(tǒng)中只有調(diào)速泵在工作，而調(diào)速泵的運(yùn)行頻率已降至下限頻率時(shí)，且滿足關(guān)泵條件，此時(shí)關(guān)閉調(diào)速泵，系統(tǒng)進(jìn)入靠附屬小泵進(jìn)行少量補(bǔ)水的狀態(tài)。在這種情況下，若實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力，則延時(shí)后開(kāi)啟附屬小泵進(jìn)行補(bǔ)水，附屬小泵開(kāi)啟后，若實(shí)際壓力高于附屬小泵的工作壓力(設(shè)定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差)，則關(guān)掉附屬小泵。待實(shí)際壓力再次低于設(shè)定壓力后，重復(fù)上述過(guò)程。在附屬小泵開(kāi)啟后，壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，關(guān)掉附屬小泵，開(kāi)啟調(diào)速泵進(jìn)行控制，工作過(guò)程同 4。 主要設(shè)備選取 PLC的選取根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，并且考慮到為日后的擴(kuò)展提供預(yù)留點(diǎn)，我將選用的S7200型PLC的主模塊定為CPU266，其開(kāi)關(guān)量輸出（DQ）為16點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開(kāi)關(guān)量輸入CPU266為24點(diǎn)，輸入形式為＋24V直流輸入。此外，為了方便的將水位信號(hào)、電機(jī)頻率信號(hào)和同相比較信號(hào)傳輸給PLC，經(jīng)比較計(jì)算后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號(hào)，選擇了EM235模擬量擴(kuò)展模塊。該模塊有4個(gè)模擬輸入（AIW），1個(gè)模擬輸出（AQW）信號(hào)通道。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)（16bit）的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)（16bit）的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。EM235模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)中PLC的選型包括一個(gè)CPU266主模塊，兩個(gè)EM222擴(kuò)展模塊，一個(gè)EM235模擬量擴(kuò)展模塊。如此PLC總共有24個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入，32個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出，以及4個(gè)模擬輸入信號(hào)，1個(gè)模擬輸出信號(hào)。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴(kuò)充的要求。 變頻器的選取本系統(tǒng)中，采用富士通用變頻器FRN11P11S4CX，此為低噪聲高性能多功能變頻器，屬風(fēng)機(jī)、泵用的P11S系列，～500KW，該系列有自帶操作面板。功率大于75KW以上的，有自帶直流電抗器，可以使用延伸電纜選件，可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作。高性能和多功能的理想結(jié)合，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，能在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的最佳控制，具有PG反饋更高性能的控制系統(tǒng)，新方式在線自整定系統(tǒng)，能使電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)脈動(dòng)大大減小，方便使用的鍵盤(pán)面板，適應(yīng)了各種環(huán)境的結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)為：采用富士電機(jī)獨(dú)自開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，%；具有包括自整定功能在內(nèi)的許多方便功能；小型、全封閉防護(hù)結(jié)構(gòu)(22KW)，～400KW，機(jī)種規(guī)格齊全。P11S系列有它內(nèi)在的性能以及功能，即動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制、帶PG反饋更高的性能的控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)脈動(dòng)大大減小、新方式在線自整定系統(tǒng)、優(yōu)良的環(huán)境兼容性。 變送器的選取監(jiān)控技術(shù)是依靠變送器等設(shè)備來(lái)檢測(cè)信息的，根據(jù)系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集裝置，來(lái)自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)經(jīng)過(guò)變送器測(cè)量變送后變?yōu)? ~20mA的標(biāo)準(zhǔn)儀表信號(hào)，經(jīng)電纜傳送至儀表室的PLC，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。在該設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)用到的測(cè)量、變送裝置是壓力傳感器。力學(xué)傳感器的種類(lèi)繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。在本設(shè)計(jì)中將采用壓阻式壓力傳感器。 本章小節(jié)本章介紹了基于PLC和變頻器的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)變頻運(yùn)行。變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。本章的重點(diǎn)內(nèi)容包括變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的功能設(shè)定、構(gòu)成和工作過(guò)程，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。主要概括如下: ⑴變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)以及接觸器、控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，PLC上接工控計(jì)算機(jī)。 ⑵控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)含有主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)以及主要硬件的選型與配置。在硬件系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)中，采用一臺(tái)變頻器連接4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，電機(jī)通過(guò)兩個(gè)接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)。第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 變頻恒壓供水系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)變頻恒壓供水系統(tǒng)的核心是恒壓控制，它是根據(jù)水壓給定值與供水管道中實(shí)際壓力值的偏差大小，來(lái)控制變頻器輸出頻率，使變頻器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)管路中壓力的變化。PID控制和模糊控制是目前使用的兩種主要方法。PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制方式之一。[18]。 PID控制原理圖通過(guò)傳感器等檢測(cè)、變送裝置將被控變量檢測(cè)出來(lái)，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，若有偏差，則通過(guò)PID功能的控制作用使偏差為零。即它是使反饋量與設(shè)定值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過(guò)程量的控制。在恒壓供水中常見(jiàn)的控制器的PID控制實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：。即通用PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和P、I、D參數(shù)及設(shè)定值的設(shè)定即可。使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器或（單片機(jī)）上做PID控制器。 PID控制算法及特點(diǎn)一、PID控制算法的一般形式PID控制器根據(jù)目標(biāo)值（設(shè)定值）r(t)與反饋值(測(cè)量值)c (t)構(gòu)成的控制偏差： （51）將偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）和微分(D)運(yùn)算，并經(jīng)線性組合后構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為： （52）或 （53）式中：KP—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti—調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；Td—調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間；e—調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)；δ—比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)；u—輸出。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的：：及時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： (54)當(dāng)上述控制算法公式只包含第一項(xiàng)時(shí)，稱(chēng)為比例(P)作用，只包含第二項(xiàng)時(shí)，稱(chēng)為積分（I）作用，但只包含第三項(xiàng)的單純微分(D)作用是不采用的，因?yàn)樗荒芷鸬绞贡豢刈兞拷咏O(shè)定值的效果，只包含第一、二項(xiàng)的是PI作用，只包含第一、三項(xiàng)的是PD作用，同時(shí)包含這三項(xiàng)的是PID作用。僅用P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動(dòng)作的P+I控制。用PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。但是，I動(dòng)作過(guò)強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用P動(dòng)作控制。對(duì)于PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú)D動(dòng)作還要大的操作量，以此來(lái)抑制偏差的增加。偏差小時(shí)，P動(dòng)作的作用減小。控制對(duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負(fù)載。利用I動(dòng)作消除偏差作用和用動(dòng)作D抑制振蕩作用，在結(jié)合P動(dòng)作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng)(即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類(lèi)系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合調(diào)節(jié))效果比較好。二、離散PID控制算法在用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、PLC等作為控制裝置進(jìn)行直接數(shù)字控制（DDC）時(shí)，對(duì)各個(gè)被控制變量的處理在時(shí)間上是離散進(jìn)行的。DDC控制方式的特點(diǎn)是采樣控制，每個(gè)被控制變量的測(cè)量值隔一定時(shí)間與設(shè)定值比較一次，按照預(yù)定的控制算法得到輸出值，通常把它保留到下一采樣時(shí)刻。離散PID控制算法主要有兩類(lèi)，第一類(lèi)叫做位置型算法，第二類(lèi)叫做增量型算法，第三類(lèi)為速度型算法。位置型算法如下： （55）上式可該寫(xiě)為： （56）增量算法如下： （57）上面各式中：T—采樣周期；e(k) —第k次采樣時(shí)的誤差值；e(k1) —第k1次采樣時(shí)的誤差值；Kp—比例系數(shù)；—積分系數(shù)；—微分系數(shù)。上述幾種離散型PID算法中，工業(yè)上最常采用的是增量型算法。為方便編程，將式57整理為： (58)其中，； （59）； （510）。 （511）三、離散控制特點(diǎn)把離散的PID算法與模擬的PID算法相比較，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴P、I、D三個(gè)作用是獨(dú)立的，可以分別整定，沒(méi)有調(diào)節(jié)器參數(shù)間的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，不需要考慮干擾系數(shù)。⑵在用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)或PLC實(shí)現(xiàn)時(shí)，等效的TI和TD可以在更大的范圍內(nèi)自由選擇，但在模擬式調(diào)節(jié)器中，由于線路和元件性能上的限制，可調(diào)范圍要小得多。⑶積分和微分控制作用的某些改進(jìn)，較之常規(guī)調(diào)節(jié)器更為靈活多變。考慮到離散的PID具有以上的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合本文研究的恒壓供水系統(tǒng)具有開(kāi)放數(shù)據(jù)通訊功能、良好的人機(jī)界面以及高的性價(jià)比等特點(diǎn)，我們采用增量型的離散PID控制算法對(duì)水壓進(jìn)行恒定控制。 PID參數(shù)整定的相關(guān)原則針對(duì)一個(gè)具體的系統(tǒng)，設(shè)置和調(diào)整PID參數(shù)，使調(diào)節(jié)過(guò)程達(dá)到滿意的品質(zhì)，稱(chēng)為參數(shù)整定，不管是用常規(guī)調(diào)節(jié)器還是數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，統(tǒng)稱(chēng)為調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。下面簡(jiǎn)單列舉一些的準(zhǔn)則：，調(diào)節(jié)器的比例增益是，整個(gè)系統(tǒng)總的開(kāi)環(huán)增益是，在其他因素相同的情況下，當(dāng)大的時(shí)候，應(yīng)該小一些，小的時(shí)候，應(yīng)該大一些。例如，變更了變送器量程以后，調(diào)節(jié)器的應(yīng)該成比例調(diào)整。若控制系統(tǒng)壓力變送器的測(cè)量范圍原為0~ MPa，如改為0~1MPa，應(yīng)降為原來(lái)的3/5。，可取作為特征值。值越大，系統(tǒng)越不易穩(wěn)定，因此應(yīng)該小一些。同時(shí)，和也應(yīng)取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。經(jīng)驗(yàn)上常取為左右，為左右。因此，如有的估計(jì)值，和值就不難定出了。、I、D三個(gè)作用中，P作用往往是最基本的控制作用。由這一點(diǎn)出發(fā)，可從兩條途徑之一進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)湊試:⑴ 先用單純的P作用，選出合適的值，作為基礎(chǔ)，然后適當(dāng)引入和，和值進(jìn)行挑選。⑵ 依據(jù)驗(yàn)前知識(shí)（如對(duì)的了解），把和置于合適的數(shù)值，然后主要對(duì)值進(jìn)行湊試，得出最合宜的數(shù)值。以上兩條途徑表面上看來(lái)截然相反，但它們都是以承認(rèn)P作用為主體作為前提的。（I）作用的引入既有利又有弊。必須盡量發(fā)揮它能消除余差的利，盡量縮小它不利于穩(wěn)定的弊。一般取或（是振蕩周期）在以上情況下，由I作用引起的相位滯后不超過(guò)，幅值比增加不超過(guò)20%。即使如此，在引入I作用后，應(yīng)比單純P作用時(shí)減小10%左右。，不宜引入微分作用，否則高頻分量放大得很厲害。，穩(wěn)定性的要求是前提。如果只有一個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)可以調(diào)整，則只能滿足一個(gè)品質(zhì)指示，通常就取衰減比作為指標(biāo)。如果有兩個(gè)參數(shù)可以調(diào)整，在可在衰減比之外，再添加一個(gè)指標(biāo)。 變頻器參數(shù)設(shè)置及原理分析該系列的變頻器功能豐富,下將列舉重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行原理說(shuō)明[16]。(1) 頻率設(shè)定 F01設(shè)定值 0：由鍵盤(pán)面板設(shè)定