《基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（45頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

摘 要 I 摘 要 隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展 人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷 提高 再加上目前水電資源緊張 利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù) 控制技術(shù)以及通 訊技術(shù) 設(shè)計(jì)高性能 高節(jié)能 能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨 勢(shì) 本設(shè)計(jì)選擇PLC和變頻器來構(gòu)成恒壓供水控制系統(tǒng) 完成了控制系統(tǒng)的 硬件選擇 資源分配以及控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與仿真等任務(wù) 闡述了系統(tǒng)的組 成 系統(tǒng)的功能 工作原理以及安全措施 利用變頻器和PLC技術(shù)相結(jié)合的 方式實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水 能取得恒壓供水的效果 能提高水泵的運(yùn)行效率 滿足了自動(dòng)化要求 甚至不需要人員的值守 也達(dá)要節(jié)能可靠的目的 可以 提供穩(wěn)定壓力的水源 關(guān)鍵詞 恒壓供水 變頻調(diào)速 S7 2OO PLC ABSTRACT II ABSTRACT With the rapid social and economic development people on water quality and water supply to demand for improved system reliability coupled with the current water resource constraints the use of advanced automation technology control technology and communication technology design high performance high energy able to adapt Water supply system in different fields has become an inevitable trend Select the PLC and frequency converter designed to form the constant pressure water supply control system of the control system hardware selection resource allocation and program design and simulation of control systems and other tasks The composition of the system are described the system function working principle and safety measures Use of inverter and PLC technologies to achieve a combination of constant pressure water supply can achieve the effect of constant pressure water supply pump efficiency can increase to meet the automation requirements even without staff on duty but also of the purpose to energy saving and reliablecan provide a stable source of water pressure Key words Constant pressure water supply frequency control s7 200 PLC 目 錄 1 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒 論 1 1 1 本課題研究的背景 1 1 1 1 恒壓供水的現(xiàn)狀 1 1 1 2 可編程控制器的重要性 2 1 2 可編程序控制器在恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用 3 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其控制要求 5 2 1 系統(tǒng)的工藝流程 5 2 1 1 系統(tǒng)工作原理 5 2 2 2 系統(tǒng)的工作流程 6 2 2 系統(tǒng)的控制要求 8 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 11 3 1 變頻器的選型 11 3 1 1 變頻器的原理 11 3 1 2 變頻器的特點(diǎn) 12 3 1 3 變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速原理 12 3 1 4 變頻器的選型 13 3 2 壓力傳感器的選擇 13 3 3 PLC 及擴(kuò)展模塊的選擇 14 3 3 1 PLC 機(jī)型選擇 14 3 3 2 擴(kuò)展模塊的選擇 15 3 3 3 PLC 的 I O 配置及外圍接線 15 4 PID 回路的計(jì)算 18 4 1 PID 控制算法及特點(diǎn) 18 4 2 PID 參數(shù)整定 20 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 21 5 1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及仿真 21 5 2 系統(tǒng)初始化程序及仿真 32 5 3 PID 子程序設(shè)計(jì)及仿真 34 目 錄 2 結(jié) 論 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 1 緒 論 1 1 緒 論 1 1 本課題研究的背景 1 1 1 恒壓供水的現(xiàn)狀 近年來我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展 城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速 人 們生活水平的大大提高 同時(shí)也對(duì)小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求 小區(qū)供水的可靠性 穩(wěn)定性 經(jīng)濟(jì)性能直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生 活 傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有 氣壓罐供水 恒速泵加壓供水 水塔高位水箱 供水 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式 其優(yōu) 缺點(diǎn)如下 氣壓罐供水的優(yōu)點(diǎn) 具有體積小 技術(shù)簡單 不受高度限制 氣壓罐供水的缺點(diǎn) 這種供水方式對(duì)水的調(diào)節(jié)量比較小 水泵電機(jī)是硬 起動(dòng)并且起動(dòng)頻繁 對(duì)電機(jī)耗損比較大 系統(tǒng)維護(hù)工作量巨大 對(duì)電器設(shè)備 要求較高 而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù) 停泵壓力往往比較高 致使水泵在低 效段工作 而出水壓力過高 也使電和水的浪費(fèi)加大 從而限制了其發(fā)展 恒速泵加壓供水方式優(yōu)點(diǎn) 容易建設(shè)實(shí)現(xiàn) 設(shè)備簡單 容易操作 恒速泵加壓供水方式缺點(diǎn) 無法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)快速的反應(yīng) 水泵的增減都需要依賴人工進(jìn)行手工操作 自動(dòng)化程度過低 而且為了保證 供水 水泵電機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行 不但效率低 耗電量巨大 而且在用 水量較少時(shí) 管網(wǎng)長期處于超壓運(yùn)行狀態(tài) 管道爆損現(xiàn)象嚴(yán)重 破壞性非常 大 水塔高位水箱供水優(yōu)點(diǎn) 具有控制方式簡單 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理 短時(shí)間 維修或停電可不停水等 水塔高位水箱供水缺點(diǎn) 基建投資大 占地面積大 維護(hù)不方便 水泵 電機(jī)為硬起動(dòng) 啟動(dòng)電流過大 頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 能做到變頻調(diào)速 自動(dòng)化程度要優(yōu)于 上面 3 種供水方式 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)缺點(diǎn) 系統(tǒng)開發(fā)周期比較長 對(duì)操作員的文化 素質(zhì)要求比較高 可靠性比較低 維修不方便 并且不適用于惡劣的環(huán)境 1 由此可知傳統(tǒng)的供水方式普遍存在不同程度的浪費(fèi)水力 電力資源 可 靠性差 效率低 自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn) 這樣的供水系統(tǒng)嚴(yán)重影響了居民 安全穩(wěn)定的用水 目前的居民的供水方式朝著高效節(jié)能 自動(dòng)可靠 快速控 1 緒 論 2 制的方向發(fā)展 變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式 1 緒 論 3 在調(diào)速水泵效果上尤為突出 其優(yōu)越性表現(xiàn)在 一是節(jié)能十分明顯 二是在 開 停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊和供水水壓對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊 三是能 減小水泵 電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗 1 1 2 可編程控制器的重要性 PLC 已經(jīng)非常普遍的在現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備上使用 取代了很大一部分傳統(tǒng) 繼電器控制電路 這是因?yàn)?PLC 具有先天的綜合優(yōu)勢(shì) 功能強(qiáng) 性能價(jià)格比高 一臺(tái)小型 PLC 內(nèi)有成百上千個(gè)可供用戶使用的編程元件 如計(jì)時(shí)器 計(jì) 數(shù)器 繼電器等 有很強(qiáng)的功能 可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能 PLC 與 相同功能的繼電器相比較 具有很高的性價(jià)比 硬件配套齊全 使用方便 適應(yīng)性強(qiáng) 可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 系列化 模塊化 配備有品種齊全的 各種硬件裝置供用戶選用 用戶能夠靈活方便的進(jìn)行系統(tǒng)配置 組成不同的 功能 不規(guī)模的控制系統(tǒng) 可編程序控制器的安裝接線也很十分的方便 一 般用接線端子可以直接連接外部接線 PLC 具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力 不需要 驅(qū)動(dòng)模塊 直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁閥和交流接觸器 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng) 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器 時(shí)間繼電器 由于 繼電器的觸點(diǎn)接觸不良 容易出現(xiàn)故障 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器 和時(shí)間繼電器 僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量接觸點(diǎn) 接線可減少互繼電 器控制系統(tǒng)的 1 10 1 100 所以觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施 具有很強(qiáng)的抗干擾能力 平 均無故障時(shí)間達(dá)到數(shù)萬小時(shí)以上 可以直接用于有強(qiáng)烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) PLC 已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一 編程方法簡單 梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言 其電路符號(hào)和表達(dá) 方式與繼電器電路原理圖相似 梯形圖語言形象直觀 易學(xué)易懂 熟悉繼電 器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時(shí)間就可以熟悉梯形圖語言 并用來編 制用戶程序 梯形圖語言實(shí)際上是一種面向用戶的一種高級(jí)語言 可編程序控制器在 執(zhí)行梯形圖的程序時(shí) 用解釋程序?qū)⑺?翻譯 成匯編語言后再去執(zhí)行 體積小 能耗低 對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng) 使用 PLC 后 可以減少大量的中間繼電器和時(shí)間 繼電器 小型 PLC 的體積只有幾個(gè)繼電器大小 因此可將開關(guān)柜的體積縮小 1 緒 論 4 到原來的確 1 2 1 10 PLC 的配線比繼電器控制系統(tǒng)的配線要少得多 因此 可以省下大量的配線和其他的附件 減少大量的安裝接線工時(shí) 可以減少大 量費(fèi)用 能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊 PLC 可以與電腦及智能儀表等通過通信聯(lián)網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)分散控制 集中管理 的集散控制 并能實(shí)現(xiàn)地顯示出當(dāng)前機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)和工作流程 對(duì)生 產(chǎn)管理和現(xiàn)場(chǎng)維修帶來極大的方便 1 2 可編程序控制器在恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用 可編程序控制器 PLC 是集計(jì)算機(jī) 儀器儀表 電氣控制等技術(shù)于一 身的電子設(shè)備 具有高可靠性 強(qiáng)抗干擾能力 編程簡單 低成本等特點(diǎn) 再加上 PLC 發(fā)展過程中產(chǎn)品的系列化 產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化 使 PLC 從早期的基 本邏輯控制 簡單的順序控制迅速發(fā)展到了現(xiàn)在的復(fù)雜的連續(xù)控制 開始進(jìn) 入批量控制和過程控制領(lǐng)域 并迅速成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心 由于 PLC 的強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn) 使 PLC 在我國的基礎(chǔ)水工業(yè)自動(dòng)化控制系 統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用 PLC 在水工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有自來水 廠監(jiān)控系統(tǒng) 自動(dòng)加氯加礬控制系統(tǒng) 水泵的變頻調(diào)速和水工業(yè)自動(dòng)控制等 其他的系統(tǒng)中 其主要功能是采集工藝參數(shù) 控制生產(chǎn)過程 處理信息 監(jiān) 測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及監(jiān)測(cè)水質(zhì)等 恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺(tái)電機(jī)和水泵 這比設(shè)單臺(tái)電機(jī)和水泵供水系 統(tǒng)可靠 穩(wěn)定 延長了電機(jī)和水泵的壽命 避免水泵長時(shí)間使用而快速老化 如果配單臺(tái)電機(jī)和水泵 它們的功率必須足夠的大 在用水量少時(shí)開一臺(tái)大 電機(jī)肯定是浪費(fèi) 不僅浪費(fèi)電能 也浪費(fèi)水資源 也會(huì)造成管網(wǎng)的壓力過大 使管道有爆破的危險(xiǎn) 如果電機(jī)選小了 當(dāng)用水量大時(shí)供水會(huì)不足 并且水 泵和電機(jī)都有維修的時(shí)候 備用電機(jī)泵是必要的 恒壓供水的主要目標(biāo)是保 持管壓網(wǎng)水壓的恒定 為用戶提供穩(wěn)定可靠的水源 變頻器可以使水泵電機(jī) 的轉(zhuǎn)速跟隨用水量的變化而變化 這就要用變頻器為水泵供可變頻率的電源 調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速 為水泵電機(jī)配變頻器有兩種配置方式 一是為每臺(tái)水泵電 機(jī)配一臺(tái)變頻器 這中配置很方便 電機(jī)與變頻器間不需要進(jìn)行切換 但是 購買變頻器的費(fèi)用較高 成本很高 另一種方案是幾臺(tái)電機(jī)配一臺(tái)變頻器 變頻器與水泵電機(jī)見可以進(jìn)行切換 當(dāng)供水運(yùn)行時(shí) 一臺(tái)水泵連接變頻器進(jìn) 行變頻運(yùn)行 其余水泵工頻運(yùn)行 以滿足不同用水兩的需求 2 基于 PLC 的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)原理 壓力傳感器把壓力傳給 PLC PLC 實(shí)時(shí)跟蹤管網(wǎng)當(dāng)前壓力值 并與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較 通過 PID 運(yùn) 1 緒 論 5 算 PLC 輸出一個(gè)變化的直流電壓信號(hào) 直流電壓信號(hào)作為變頻器頻率給定 的輸入 調(diào)整電機(jī)輸入電源的頻率 控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速 從而達(dá)到保持供 水壓力恒定的目的 比如 當(dāng)管網(wǎng)水壓力下降時(shí) PLC 通過 PID 運(yùn)算 輸出 的直流電壓值會(huì)升高 變頻器的輸出頻率和電壓值會(huì)增加 水泵轉(zhuǎn)速加快 水管網(wǎng)水壓達(dá)到給定壓力值 當(dāng)管網(wǎng)壓力超過給定值時(shí) PLC 輸出的直流電 壓會(huì)減小 變頻器的頻率和電壓值開始下降 水泵的轉(zhuǎn)速減慢 從而維持了 管網(wǎng)的壓力值恒定 在恒壓供水系統(tǒng)中電機(jī)和變頻器是主要的控制對(duì)象 可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作 水泵切換以及工作泵變頻和工頻工作狀態(tài)的改變 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 6 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其控制要求 2 1 系統(tǒng)的工藝流程 2 1 1 系統(tǒng)工作原理 整個(gè)系統(tǒng)由三臺(tái)水泵 一臺(tái)變頻調(diào)速器 一臺(tái)PLC和一個(gè)壓力傳感器及 其他輔助部件構(gòu)成 三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管都裝有手動(dòng)閥 以供維修和 調(diào)節(jié)水量手動(dòng)控制使用 三臺(tái)泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要 變頻供水系統(tǒng)中 檢測(cè)管路壓力的壓力傳感器 一般采用電阻式傳感器 反饋0 5V電壓信號(hào) 或壓力變送器 反饋4 20mA電流 變頻器是供水系統(tǒng)的核心 通過改變電 機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速 無波動(dòng)穩(wěn)壓和其他的各項(xiàng)功能 該系統(tǒng)的原 理框圖如圖2 1所示 用戶 M 壓力變送器 變頻器 P L C 含 P I D 液位變送器 水池 水泵機(jī)組 管網(wǎng)壓力信號(hào) 報(bào)警信號(hào) 水池水位信號(hào) 圖 2 1 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理框圖 整個(gè)系統(tǒng)以 PLC 為核心 完成系統(tǒng)的控制功能 當(dāng)壓力傳感器傳送來的 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)后 PLC 將此電流信號(hào)與其內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的初值進(jìn)行比較 若兩個(gè)值存在偏差 PLC 就會(huì)輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電流控制信號(hào) 把信號(hào)傳送給 變頻器的模擬量調(diào)節(jié)控制端 變頻器根據(jù)送來的電流值的大小 產(chǎn)生一個(gè)與 之對(duì)應(yīng)的控制水泵速度的頻率值 使水泵的供電頻率發(fā)生變化 改變了水泵 的運(yùn)轉(zhuǎn)速度 從而改變了向管道供水的壓力大小 使管道的實(shí)際水壓值恢復(fù) 到預(yù)先設(shè)定好的值上 PLC 在系統(tǒng)中另一個(gè)作用是控制變頻器的交流接觸器組進(jìn)行工頻 變頻 的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 7 2 2 2 系統(tǒng)的工作流程 本系統(tǒng)的工作流程如圖 2 2 所示 手動(dòng) 自動(dòng) 夜晚 白天 頻率下限 頻率上限 圖 2 2 程序流程圖 本 系 統(tǒng) 設(shè) 置 了 手 動(dòng) 和 自 動(dòng) 兩 種 工 作 運(yùn) 行 方 式 手 動(dòng) 運(yùn) 行 方 式 選 擇 此 方 式 時(shí) 按 啟 動(dòng) 按 鈕 或 停 止 按 鈕 可 根 據(jù) 需 要 而 分 別 啟 停 各 水 泵 這 種 方 式 可 以 供 檢 修 或 控 制 系 統(tǒng) 出 現(xiàn) 故 障 時(shí) 使 用 自 動(dòng) 運(yùn) 行 方 式 啟 動(dòng) 程 序 在 自 動(dòng) 運(yùn) 行 方 式 下 開 始 啟 動(dòng) 運(yùn) 行 時(shí) 首 先 檢 測(cè) 水 池 水 位 若 水 池 水 位 符 合 設(shè) 定 水 位 要 求 1 水 泵 首 先 啟 動(dòng) 如 果 檢 測(cè) 到 壓 力 值 達(dá) 不 到 要 求 將 變 頻 器 的 交 流 接 觸 器 吸 合 電 機(jī) 與 變 頻 器 連 通 水 泵 變 頻 啟 動(dòng) 變 頻 器 輸 出 頻 率 從 0Hz 開 始 上 升 此 時(shí) 壓 力 變 送 器 檢 測(cè) 壓 力 信 號(hào) 反 饋 給 PLC 由 PLC 經(jīng) PID 運(yùn) 算 后 控 制 變 頻 器 的 頻 率 輸 出 如 果 管 道 壓 力 不 夠 則 頻 率 上 升 最 大 達(dá) 到 50Hz 達(dá) 到 50Hz 時(shí) 壓 力 還 達(dá) 不 到 要 求 延 時(shí) 一 定 時(shí) 間 后 將 變 頻 泵 切 換 為 工 頻 另 一 變 頻 交 流 接 觸 器 吸 合 開始 手動(dòng) 自動(dòng) 手動(dòng)模式 根據(jù)輸 入按鈕執(zhí)行相應(yīng)動(dòng) 作 白天 夜晚 執(zhí)行夜晚壓力值 執(zhí)行白天壓力值 頻率變化執(zhí)行減泵程序 執(zhí)行增泵程序 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 8 變 頻 啟 動(dòng) 2 水 泵 頻 率 逐 漸 上 升 直 至 管 道 壓 力 達(dá) 到 設(shè) 定 壓 力 依 次 類 推 增 加 水 泵 水 泵 切 換 程 序 如 若 用 水 量 減 小 出 水 壓 力 值 超 過 了 設(shè) 定 壓 力 則 PLC 控 制 變 頻 器 降 低 變 頻 器 的 輸 出 頻 率 控 制 水 泵 轉(zhuǎn) 速 減 少 出 水 量 來 穩(wěn) 定 出 水 壓 力 若 變 頻 器 輸 出 頻 率 低 于 設(shè) 定 值 而 出 水 壓 力 仍 高 于 設(shè) 定 壓 力 值 時(shí) PLC 開 始 計(jì) 時(shí) 若 在 一 定 時(shí) 間 內(nèi) 出 水 壓 力 降 低 到 設(shè) 定 壓 力 PLC 放 棄 計(jì) 時(shí) 繼 續(xù) 變 頻 調(diào) 速 運(yùn) 行 若 在 一 定 時(shí) 間 內(nèi) 出 水 壓 力 仍 高 于 設(shè) 定 壓 力 根 據(jù) 先 開 先 停 的 原 則 PLC 將 停 止 正 在 運(yùn) 行 的 水 泵 中 運(yùn) 行 時(shí) 間 最 長 的 工 頻 泵 直 至 出 水 壓 力 達(dá) 到 設(shè) 定 值 啟 動(dòng) 夜 晚 模 式 對(duì) 于 居 民 生 活 供 水 或 其 它 用 水 時(shí) 段 性 較 強(qiáng) 的 供 水 系 統(tǒng) 可 設(shè) 置 的 壓 力 值 比 白 天 壓 力 值 小 例 如 在 晚 上 12 點(diǎn) 到 凌 晨 5 點(diǎn) 居 民 生 活 用 水 很 少 如 果 還 是 使 用 用 水 量 比 較 大 的 壓 力 值 的 話 會(huì) 造 成 電 能 和 水 源 的 浪 費(fèi) 在 夜 晚 是 可 以 使 用 另 一 個(gè) 比 較 小 的 壓 力 值 水 池 水 位 檢 測(cè) 在 自 動(dòng) 供 水 的 過 程 中 若 水 位 低 于 設(shè) 定 的 報(bào) 警 水 位 時(shí) 蜂 鳴 器 發(fā) 出 缺 水 報(bào) 警 信 號(hào) 若 水 位 低 于 設(shè) 定 的 停 機(jī) 水 位 時(shí) 停 止 全 部 水 泵 工 作 防 止 水 泵 干 抽 并 發(fā) 出 停 機(jī) 報(bào) 警 信 號(hào) 若 水 池 水 位 高 于 設(shè) 定 的 水 池 上 限 水 位 時(shí) 自 動(dòng) 關(guān) 斷 水 池 給 水 管 電 動(dòng) 閥 門 停 止 向 供 水 池 供 水 自 動(dòng) 啟 動(dòng) 有 時(shí) 候 會(huì) 停 電 若 無 人 值 班 恢 復(fù) 供 電 后 若 系 統(tǒng) 無 法 啟 動(dòng) 而 造 成 斷 水 為 此 本 系 統(tǒng) 設(shè) 置 了 通 電 后 自 動(dòng) 變 頻 啟 動(dòng) 方 式 當(dāng) 電 源 恢 復(fù) 后 PLC 會(huì) 發(fā) 出 報(bào) 警 指 令 蜂 鳴 器 發(fā) 出 警 告 聲 音 然 后 按 自 動(dòng) 運(yùn) 行 方 式 變 頻 啟 動(dòng) 1 泵 直 到 穩(wěn) 定 地 運(yùn) 行 在 給 定 水 壓 值 故 障 處 理 變 頻 器 的 故 障 處 理 是 按 照 冗 余 設(shè) 計(jì) 原 則 考 慮 的 也 就 是 變 頻 器 發(fā) 生 故 障 時(shí) 系 統(tǒng) 也 要 不 間 斷 供 水 當(dāng) 變 頻 器 突 然 發(fā) 生 故 障 蜂 鳴 器 報(bào) 警 PLC 會(huì) 發(fā) 指 令 使 全 部 的 水 泵 停 止 工 作 然 后 使 1 泵 工 頻 運(yùn) 行 經(jīng) 過 一 定 延 時(shí) 后 根 據(jù) 管 道 網(wǎng) 內(nèi) 水 壓 力 變 化 情 況 再 使 2 泵 工 頻 運(yùn) 行 此 時(shí) PLC 切 換 泵 則 根 據(jù) 實(shí) 際 水 壓 的 變 化 在 工 頻 泵 間 切 換 當(dāng) 出 現(xiàn) 水 池 無 水 停 機(jī) 電 動(dòng) 機(jī) 欠 壓 過 壓 錯(cuò) 相 電 機(jī) 故 障 等 情 況 時(shí) 蜂 鳴 器 均 能 發(fā) 出 警 報(bào) 聲 如 果 條 件 許 可 時(shí) 可 以 添 加 MODEM 模 塊 在 變 頻 器 電 動(dòng) 機(jī) 發(fā) 生 故 障 時(shí) 能 通 過 遠(yuǎn) 程 通 信 口 撥 叫 值 班 人 員 電 話 通 知 有 關(guān) 人 員 前 來 維 修 所 有 故 障 解 決 恢 復(fù) 正 常 后 自 啟 動(dòng) 前 也 要 發(fā) 出 報(bào) 警 信 號(hào) 3 2 2 系統(tǒng)的控制要求 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用多種場(chǎng)合的供水要求 該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) 系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓力值 壓力是一個(gè)過程控制量 同 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 9 其他一些過程控制量 如 溫度 速度 濕度等 一樣 對(duì)控制作用的響應(yīng)具 有滯后性 同時(shí)用于控制水泵轉(zhuǎn)速的變頻器也存在一定的滯后性 自來水管網(wǎng)中因?yàn)榇嬖谧枇退N效應(yīng)等因素的影響 同時(shí)水泵自身 有一些固有的特性 使水泵轉(zhuǎn)速快慢的的變化與管網(wǎng)壓力大小的變化成正比 因此本次設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng) 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中 由于有工頻泵的加入到系統(tǒng)中 而工頻 泵的控制停止和運(yùn)行是時(shí)時(shí)發(fā)生的 同時(shí)工頻泵的運(yùn)行狀態(tài)也直接影響供水 系統(tǒng)的中的模型參數(shù) 使系統(tǒng)不確定性地發(fā)生變化 因此可以這樣認(rèn)為 變 頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)時(shí)變化的 當(dāng)出現(xiàn)意外的情況 比如突然停水 斷電 泵 變頻器或軟啟動(dòng)器出 現(xiàn)故障等 時(shí) 系統(tǒng)能可以根據(jù)泵及變頻器狀態(tài) 電網(wǎng)狀況 水源水位及管 網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換 停止及報(bào)警 保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定 在故障 發(fā)生時(shí) 執(zhí)行專門的故障程序 保證在緊急情況下的仍能為用戶進(jìn)行供水 水泵的電氣控制柜 其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口 能 與控制信號(hào)或控制軟件相連 能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送 以便顯示 和監(jiān)控以及報(bào)表打印等功能 用變頻器 調(diào)節(jié)泵和固定泵的相組合進(jìn)行恒壓供水 節(jié)能效果顯著 對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng) 啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流 減少了啟動(dòng)電流 對(duì)電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊 延長了設(shè)備 的使用壽命 結(jié)合以上特點(diǎn)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下 由于白天和夜間居民小區(qū)用水量明顯不同 本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜 間供水兩種模式 兩種模式下設(shè)定的水壓值不同 在白天 小區(qū)的用水量大 系統(tǒng)在高恒壓值下運(yùn)行 在夜晚 小區(qū)的用水量小 系統(tǒng)在低恒壓值下運(yùn)行 在用水量比較小的情況下 如果一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行工作時(shí)間超過了 3 小時(shí) 需要切換下一臺(tái)水泵運(yùn)行 避免因一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長而使水泵壽 命受損 換泵的條件只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長時(shí)間工作的情況下 考慮到節(jié)能和水泵壽命等因素 各個(gè)水泵切換順序應(yīng)該遵循先啟先 停 先停先啟原則 有效避免單個(gè)水泵長時(shí)間工作 系統(tǒng)中的三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能 對(duì)水泵的操作要有手 動(dòng) 自動(dòng)控制的功能 手動(dòng)可以在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能 該系統(tǒng)電控系統(tǒng)主電路圖如下圖 2 3 所示為 三臺(tái)電機(jī)分別為 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 10 M1 M2 M3 M1 M2 M3 三臺(tái)電機(jī)的工頻運(yùn)行接觸開關(guān)分別是 KM1 KM3 KM5 M1 M2 M3 的變頻運(yùn)行分別由接觸器 KM2 KM4 KM6 控制 FR1 FR2 FR3 分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器 QS1 QS2 QS3 QS4 分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān) VVVF 為變頻器 圖 2 3 電控系統(tǒng)主電路 熱繼電器 FR 是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路 電流過大溫度 升高而自動(dòng)斷開 它在電路中的用作電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù) 熔斷器 FU 是電路中的的短路保護(hù)裝置 使用中 由于電路中電流過 大超過允許值產(chǎn)生的熱量可以使串連在主電路中的熔體熔化而切斷電路供電 防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過載 由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電機(jī)都為軟啟動(dòng) 又規(guī)定各臺(tái)水泵必須 交替使用以保護(hù)水泵 延長水泵壽命 多泵組的投運(yùn)需要要有一個(gè)合理的水 泵切換方案 控制要求中規(guī)定如果系統(tǒng)中任意一臺(tái)水泵連續(xù)工作運(yùn)行時(shí)間不 得超過三個(gè)小時(shí) 因此每次啟動(dòng)的新泵或切換的變頻泵后 新運(yùn)行泵為變頻 運(yùn)行是合理的 具體的運(yùn)行操作是 將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻泵從變頻器上切除下 來 并接上工頻電源工作運(yùn)行 將變頻器復(fù)位并接上新的運(yùn)行泵 使新運(yùn)行 泵變頻運(yùn)行 此外 泵組管理方案中應(yīng)還有一個(gè)問題就是泵的工作循環(huán)控制 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 11 這里我們的方案是使用泵號(hào)加1的方法來實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)工作控制 3加1 等于1 用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的切換 循環(huán)工作 系統(tǒng)通 電后 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)變頻泵 M1工作 根據(jù)壓力變送器測(cè)得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力值的偏差調(diào)節(jié) 變頻器的輸出頻率 控制Ml的轉(zhuǎn)速 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)定運(yùn)行在某一定值 這期間Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài) 當(dāng)用水量增加管網(wǎng)水壓減小時(shí) 壓力變送器反饋的水壓信號(hào)減小 偏差 變大 PLC的輸出信號(hào)變大 變頻器的輸出頻率變大 所以水泵的轉(zhuǎn)速開始 增大 供水量增大 最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值使壓力達(dá)到設(shè)定 值 反之 當(dāng)用水量減少水壓管網(wǎng)增加時(shí) 通過壓力閉環(huán)反饋 減小水泵的 轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值使壓力達(dá)到設(shè)定值 如果當(dāng)用水量繼續(xù)增加時(shí) 變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz 此時(shí) 用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力值還是沒有達(dá)到設(shè)定壓力值 并且滿足了增加水泵運(yùn)行 的條件 在變頻循環(huán)方式的控制下 在PLC的系統(tǒng)控制下自動(dòng)把投入水泵M2 變頻運(yùn)行 同時(shí)切換變頻泵M1進(jìn)行工頻運(yùn)行 系統(tǒng)是對(duì)水壓進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào) 節(jié)的 直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止 如果用水量繼續(xù)增加 壓力小于設(shè)定值 滿足了增加水泵的條件 這時(shí)PLC會(huì)將另一臺(tái)泵M3投入變頻運(yùn)行 如果變頻 器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí) 壓力仍然沒有達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí) 控制 系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(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時(shí) 用戶管網(wǎng) 的實(shí)際水壓值仍高于設(shè)定壓力值 并且滿足減少水泵的條件時(shí) 系統(tǒng)將工頻 泵M2關(guān)掉 恢復(fù)系統(tǒng)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 將另一臺(tái)工 頻泵M1關(guān)掉 4 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 12 控制指 令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控 制 指 令 控 制 指 令 網(wǎng)側(cè)變流器 整流器 逆變器 AC M 運(yùn)行指令 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3 1 變頻器的選型 3 1 1 變頻器的原理 從頻率變換的形式來說 變頻器可以分為交流 交流和交流 直流 交流兩 種形式 交流 交流變頻器可以將工頻交流電直接變換成頻率 電壓都可以 控制的交流電 這種變頻器稱為直接式變頻器 而交流 直流 交流變頻器則 是先把工頻交流電通過整流器整流變成直流電 再把直流電變換成頻率 電 壓都可以控制的交流電 這種變頻器稱間接式變頻器 通用的變頻器多是交 流 直流 交流變頻器 其基本結(jié)構(gòu)圖如圖 3 1 所示 圖3 1 交 直 交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻器由整流器 中間直流環(huán)節(jié) 逆變器和控制回路組成 現(xiàn)在將各個(gè) 部分的功能分述如下 整流器 電網(wǎng)側(cè)的變流器稱為整流器 它的功能是可以把三相 也可 以是單相 的交流電整流成直流電 直流中間電路 直流中間電路的作用是對(duì)整流電路的輸出電壓進(jìn)行平 滑過濾 以保證逆變電路和控制電源能夠得到比較穩(wěn)定的直流電源 由于逆 變器的負(fù)載大多是異步電動(dòng)機(jī) 而異步電動(dòng)機(jī)屬于感性負(fù)載 無論是電動(dòng)機(jī) 處于電動(dòng)或者發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)其功率因數(shù)不可能總不會(huì)為 1 因此 在中間的 直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)是有無功功率的交換 這種無功能量需要靠中間 直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件 電容器或電抗器 來緩沖一下 所以又常把直流中間環(huán) 節(jié)稱為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié) 逆變器 負(fù)載側(cè)的變流器稱為逆變器 逆變器的主要作用是將在控制 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13 電路的控制下的直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意 調(diào)節(jié)的交流電源 逆變電路的輸出頻率和電壓就是變頻器的輸出頻率和電壓 控制電路 變頻器的控制電路主要包括主控制電路 信號(hào)檢測(cè)電路 門極驅(qū)動(dòng)電路 外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分 控制電路的主要任 務(wù)是對(duì)逆變器進(jìn)行開關(guān)控制 對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù) 控制 電路是變頻器的核心部分 其性能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能 5 3 1 2 變頻器的特點(diǎn) 變頻器具有過壓 欠壓 過流 過載 短路等自動(dòng)保護(hù)功能 能夠?qū)崿F(xiàn) 電機(jī)的軟起動(dòng) 減小電氣和機(jī)械對(duì)電機(jī)的沖擊 延長設(shè)備使用壽命等 變頻器在恒壓供水系統(tǒng)主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn) 節(jié)能 變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備可以使整個(gè)供水系統(tǒng)始終保持在最優(yōu)工 作狀態(tài)下 節(jié)電率可以達(dá)到 35 60 這一特點(diǎn)已被廣大用戶所認(rèn)識(shí)并 帶來明顯的效益 占地面積小 投人少 效率高 設(shè)備結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)木o湊 占地面積少 維護(hù)十分的方便 維護(hù)費(fèi)也很低 安裝方便快速 如僅供幾棟居民樓生活用 水的小型供水設(shè)備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方就可以安裝 配置靈活 功能齊全 自動(dòng)化程度高 供水清潔 無污染 由于變頻恒壓調(diào)速是直接從水源供水 減少了原 有供水方式的二次污染 大大降低水質(zhì)污染的可能性 大家都知道南方的氣 候炎熱潮濕 細(xì)菌和微生物極易繁殖和滋生 尤其是高位水箱很容易生紅蟲 這就需要定期的清洗 通過通信控制 可以實(shí)現(xiàn)無人值守 節(jié)省了人力物力 6 3 1 3 變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速原理 水泵電機(jī)大多是采用三相異步電動(dòng)機(jī) 而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 式 3 1 60 1 fnsp 式中 f 表示電源頻率 p 表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù) s 表示轉(zhuǎn)差率 從上式可知 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有 改變電源頻率 改變電機(jī)極對(duì)數(shù) 改變轉(zhuǎn)差率 采用專門的變極電機(jī)進(jìn)行調(diào)控方式控制最簡單 投資省 節(jié)能效果顯著 效率高 但是專門的變極電機(jī)是有級(jí)調(diào)速 而且級(jí)差比較大 即變極控制變 速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大 轉(zhuǎn)矩也有很大的變化 因此變極電機(jī)只適用于特定轉(zhuǎn)速 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 14 的場(chǎng)合 為了保證較大的調(diào)速范圍可以采用改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 其最大優(yōu)點(diǎn)是 它可以回收轉(zhuǎn)差功率 節(jié)能效果明顯 并且調(diào)速的效果也很好 但是由于線 路過于復(fù)雜 組建和維護(hù)都不方便 也增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 并且成 本也會(huì)高 下面重點(diǎn)分析改變供電電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn) 根據(jù)公式可以知到 當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化很小時(shí) 電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度 n 基本上 與電源頻率 f 成正比 連續(xù)調(diào)節(jié)電源的頻率 就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速 但是 只調(diào)節(jié)電源頻率 將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能降低 隨著現(xiàn)在電力電子 技術(shù)的不斷發(fā)展 現(xiàn)在已出現(xiàn)了各種性能良好 工作可靠的變頻調(diào)速電源設(shè) 備 它們促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用 7 3 1 4 變頻器的選型 根據(jù)本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 可以選擇德國 Siemens MM440 系列變頻器 的 MICROMASTER 440 該型號(hào)的變頻器是西門子 SIMATIC S7 200 SIMATIC S7 300 400 TIA 或 SIMOTION 自動(dòng)化系統(tǒng)的理想配套設(shè)備 MICROMASTER 440 的功率范圍 0 12KW 至 250KW 內(nèi)部有 PID 控制器 6 個(gè)數(shù)字輸入 2 個(gè)模擬輸入 1 個(gè)用于電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)的 PTC KTY 輸入 3 2 壓力傳感器的選擇 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中傳感器檢測(cè)是非常重要的組成部分 傳感器將檢測(cè)到 控制量反饋給系統(tǒng) 系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 本系統(tǒng)所用的檢測(cè)控制量是水 壓 所以系統(tǒng)中選用壓力傳感器 它的作用是通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力 傳感器 把出口水壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成 4 20mA 變化的電流信號(hào)或 0 10V 間 變化的電壓信號(hào) 再將這些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入 PLC 的輸入端口進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié) 經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較計(jì)算 得出一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù) 送給變頻器 由 變頻器控制供電電源頻率改變水泵的轉(zhuǎn)速 從而控制了管網(wǎng)的供水量 使供 水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上 當(dāng)用水量超過了當(dāng)前的供水量或供 水量過剩時(shí) 傳感器將信號(hào)傳給 PLC PLC 通過控制切換器進(jìn)行加減泵 根據(jù)管網(wǎng)壓力值的大小由 PLC 控制工作泵數(shù)量的增減和變頻器對(duì)水泵的調(diào) 速 實(shí)現(xiàn)恒壓供水 當(dāng)供水量變化時(shí) 輸入電機(jī)的電源電壓和頻率也隨之變 化 這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng) 除此之外 系統(tǒng)中還 設(shè)置了很多種保護(hù)功能 可以充分保證水泵能夠及時(shí)的維修和系統(tǒng)的穩(wěn)定正 常的供水 供水系統(tǒng)的壓強(qiáng)可以根據(jù)液體壓強(qiáng)公式 計(jì)算 下面單位都是估gh P 計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單位 kg m3 g 9 8kg m 2 s 一般情況下居民的樓高 h 60 米 10 所以本系統(tǒng)供水系統(tǒng)管網(wǎng)輸出壓力值一般小于或等于 0 6Mpa 本系統(tǒng)選用 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 15 YTZ 150 型帶電接點(diǎn)式的壓力傳感器 該傳感器水壓檢測(cè)壓力范圍為 0 1MPa 檢測(cè)精度為土 0 01MPa 可以將 0 1MPa 范圍的壓力對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換 成 0 10V 的電壓信號(hào) 該傳感器還具有重量輕 體積小 結(jié)構(gòu)簡單 工作 可靠等特點(diǎn) 壓力傳感器的接線圖如 3 2 所示 圖 3 2 壓力傳感器的接線圖 3 3 PLC 及擴(kuò)展模塊的選擇 3 3 1 PLC 機(jī)型選擇 西門子公司的生產(chǎn)的 S7 200 系列可編程序控制器 適用于各行各業(yè) 各種場(chǎng)合中的檢測(cè) 監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化系統(tǒng)中 S7 200 系列的 PLC 具有 強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中 還是相連成網(wǎng)絡(luò)都能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜控制功能 S7 200 系列 PLC 出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 極高的可靠性 極豐富的指令集 易于掌握 便捷的操作 豐富的內(nèi)置集成功能 實(shí)時(shí)特性 強(qiáng)勁的通訊能力 豐富的擴(kuò)展模塊 由于西門子的 S7 200 PLC 具有以上優(yōu)點(diǎn)以及 S7 200 主機(jī)型號(hào)規(guī)格種類 較多 適用不同需求的控制場(chǎng)合 8 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需輸入輸出端口的數(shù)目 還需要考慮到 PLC 端口 數(shù)目要有一定的預(yù)留量 所以選用的西門子 S7 200 型 PLC 的主模塊為 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 16 CPU226 CPU226 的開關(guān)量輸入為 24 點(diǎn) 輸出為 16 點(diǎn) 輸入形式為 24V 直流輸入 輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 3 3 2 擴(kuò)展模塊的選擇 由于該系統(tǒng)中有壓力模擬量輸入 而 S7 200 PLCPLC 的普通輸入輸出端口均 為開關(guān)量處理端口 為了完成模擬的輸入 需要一個(gè)模擬量的擴(kuò)展模塊 模 擬量擴(kuò)展模塊可以將外部的模擬量轉(zhuǎn)化為 PLC 可處理的數(shù)字量 也可將 PLC 內(nèi)部運(yùn)算結(jié)果的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量進(jìn)行輸出 EM235 是最常用的模擬量擴(kuò) 展模塊 它實(shí)現(xiàn)了 4 路模擬量輸入和 1 路模擬量輸出的功能 EM235 模擬 9 擴(kuò)展模塊接線圖 3 3 所示 圖3 3 EM235模擬量擴(kuò)展模塊接線圖 3 3 3 PLC 的 I O 配置及外圍接線 本恒壓供水系統(tǒng)有 11 個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和 1 個(gè)模擬量輸出信號(hào) Q0 0 Q0 5 分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻 變頻運(yùn)行信號(hào) Q1 1 輸出水位超 限報(bào)警信號(hào) Q1 2 輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào) Q1 3 輸出白天模式運(yùn)行信號(hào) Q1 4 輸出報(bào)警電鈴信號(hào) Q1 5 輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào) AQW0 輸出的模擬 信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率 系統(tǒng)有五個(gè)輸入量 其中包括 4 個(gè)數(shù)字量和 1 個(gè)模擬量 壓力變送器將 測(cè)得的壓力值輸入 PLC 的擴(kuò)展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 17 手動(dòng)按鈕用來控制白天 夜間兩種模式之間的切換 它作為開關(guān)量輸入 I0 0 液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入比較器 在比 較器中設(shè)定水池水位的上下限 當(dāng)超出上下限時(shí) 窗口比較其輸出高電平 1 送入 I0 1 變頻器的故障輸出端與 PLC 的 I0 2 相連 作為變頻器故障 報(bào)警信號(hào) I0 3 作為試燈信號(hào)輸入口 用于手動(dòng)檢測(cè)各個(gè)指示燈是否正常 工作 根據(jù)控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱地址編號(hào)如下表 3 3 所示 表 3 1 輸入輸出點(diǎn)地址編號(hào) 名 稱 地址編號(hào) 供水模式信號(hào) 1 白天 0 夜間 I0 0 蓄水池的水位上下限信號(hào) I0 1 測(cè)試變頻器報(bào)警信號(hào) I0 2 指示燈測(cè)試信號(hào) I0 3 輸 入 信 號(hào) 壓力傳感器輸出模擬量電壓值 AIW0 1 泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 Q0 0 1 泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 Q0 1 2 泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 Q0 2 2 泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 Q0 3 3 泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 Q0 4 3 泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 Q0 5 蓄水池水位上下限報(bào)警指示燈 Q1 1 變頻器故障報(bào)警指示燈 Q1 2 白天模式運(yùn)行指示燈 Q1 3 報(bào)警電鈴 Q1 4 變頻器頻率復(fù)位控制 Q1 5 輸 出 信 號(hào) 變頻器輸入電壓信號(hào) AQW0 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖如圖 3 4 所示 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 18 圖 3 4 只是簡單的描繪出 PLC 及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況 并不是本 系統(tǒng)具體的外圍接線情況 它忽略了很多因素 直流電源的容量 電 源方面的抗干擾措施 輸出方面的保護(hù)措施 系統(tǒng)的保護(hù)措施等 1 M 0 0 0 1 1 0 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 7 1 6 2 M 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 L 0 0 L M 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 3 L 1 0 0 7 0 6 0 5 2 L 0 4 0 3 0 2 0 1 地 1 7 1 6 L 1 N A C C P U 2 2 6 C N 2 R S 4 8 5 M V 0 M 0 地 L R A A I 0 B B R B A D D R D C C R C 偏移 配置增益 E M 2 3 5 I 0 I 1 I 2 Q 0 Q 1 S A 1 窗口 比較器 液位 變送器 水位上下 限信號(hào) S U S L H L S B 7 4 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1 壓力變送器輸 出壓力信號(hào) 輸入變頻器 圖 3 4 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單如表 3 2 表 3 2 硬件型號(hào)選擇 主要設(shè)備 型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器 PLC Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 壓力傳感器 YTZ 150 型帶電接點(diǎn)式的壓力傳感器 4 PID 回路的計(jì)算 19 4 PID 回路的計(jì)算 PID回路控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制方式之 一 它的控制原理是通過傳感器等檢測(cè)控制量 反饋量 將控制量與目標(biāo)值 溫度 流量 壓力等 進(jìn)行比較 結(jié)果若有偏差 則通過PID運(yùn)算結(jié)果控制 系統(tǒng)動(dòng)作使偏差達(dá)到零 也就是使控制量與設(shè)定的目標(biāo)值相結(jié)果一致 它比 較適用于流量控制 壓力控制 溫度控制等過程量的控制 PID控制的原理 圖如圖4 1所示 在恒壓供水中通過PID控制形式主要有以下兩種 圖4 1 PID 控制原理圖 硬件型 即通用專門的PID控制器 在使用時(shí)只需要在PID控制器上 進(jìn)行線路的連接以及P I D 參數(shù)和目標(biāo)值的設(shè)定 軟件型 就是通過使用PLC自身所帶的PID功能 進(jìn)行編程控制內(nèi)部 PID控制器 10 在該系統(tǒng)中我們用軟件型設(shè)計(jì)這樣比較經(jīng)濟(jì) 也可充分利用PLC的功能 4 1 PID 控制算法及特點(diǎn) PID控制根據(jù)目標(biāo)值 設(shè)定值 r t 與控制量 反饋量 y t 相比較 運(yùn)算出控 制偏差 e t r t y t 將偏差的比例 P 積分 I 和微分 D 通過線性組合 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 式 0 1 tdetTeTteKptu 4 1 或 4 PID 回路的計(jì)算 20 式 1 0tdeTtte 4 2 式中 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) CK 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT 調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間 d 調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào) e 比例帶 它是慣用增益的倒數(shù) u 輸出 PID控制器各個(gè)校正環(huán)節(jié)的功能作用有以下3點(diǎn) 比例環(huán)節(jié) 快速即時(shí)的成比例地反應(yīng)出控制系統(tǒng)中設(shè)定值與測(cè)量值的 偏差信號(hào)e t 偏差一旦產(chǎn)生 控制器會(huì)馬上產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)以減小偏差 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差 提高系統(tǒng)的無差度 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 Ti越小 積 分作用越強(qiáng) 微分環(huán)節(jié) 能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化速率 并且能夠在偏差信號(hào)值變的 超過一定限度之前 系統(tǒng)中會(huì)引入一個(gè)有效的修正信號(hào) 從而加快系統(tǒng)的調(diào) 節(jié)動(dòng)作速度 減小調(diào)節(jié)時(shí)間 1 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是 式 sTnsGcd 4 3 當(dāng)上述控制算法公式中只是包含第 項(xiàng)時(shí) 這種稱為比例 P 作用 只 包含第 項(xiàng)時(shí) 這種稱為積分 I 作用 但是如果只包含第 項(xiàng)的單純微分 D 作 用是不能采用的 因?yàn)樗荒苷{(diào)節(jié)控變量的值達(dá)到設(shè)定值的效果 如果只包 含第 項(xiàng)的稱為PI作用 只包含第 項(xiàng)的稱為 PD作用 同時(shí)包含 這三項(xiàng)的稱為PID作用 如果只是用P動(dòng)作控制 這樣是不能完全消除偏差的 為了消除殘留偏 差 一般采用增加I動(dòng)作的 采用P I進(jìn)行控制 用PI控制時(shí) 能夠有效的消 除由于改變目標(biāo)值和外部環(huán)境的偶然擾動(dòng)等引起的偏差 但是如果I動(dòng)作過 強(qiáng)時(shí) 會(huì)對(duì)快速變化偏差響應(yīng)比較遲緩 如果負(fù)載系統(tǒng)有積分元件的可以單 4 PID 回路的計(jì)算 21 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 控制方式適用于過程本身沒有制動(dòng)作用的負(fù)載 利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用 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 基本上能獲得無偏差 精度高和穩(wěn)定的控制過程 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) 上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng) 本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié) 效果比 較好 4 2 PID 參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容 它是根據(jù)被控過程 的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù) 積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小 PID 控制 器參數(shù)整定的方法很多 概括起來有兩大類 一是理論計(jì)算整定法 它主要 是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù) 這種方法所得到的 計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用 還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改 二是工程 整定方法 它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn) 直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行 且方法簡 單 易于掌握 在工程實(shí)際中被廣泛采用 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法 主要有臨界比例法 反應(yīng)曲線法和衰減法 三種方法各有其特點(diǎn) 其共同點(diǎn) 都是通過試驗(yàn) 然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定 但無論 12 采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù) 都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與 完善 現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法 利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的 整定步驟如下 首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作 僅加入比例控制環(huán)節(jié) 直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 記 下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期 在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù) PID 控制器參數(shù)的工程整定 各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 P I D 參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以下 可參照 溫度 T P 20 60 T 180 600s D 3 180s 壓力 P P 30 70 T 24 180s 4 PID 回路的計(jì)算 22 液位 L P 20 80 T 60 300s 流量 L P 40 100 T 6 60s 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 23 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 5 1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)及仿真 系統(tǒng)運(yùn)行主程序首先要進(jìn)行一系列的初始化工作 并使擴(kuò)展模塊 通訊 模塊 A D模塊等 變頻器等設(shè)備與PLC的數(shù)據(jù)傳輸正常 在系統(tǒng)運(yùn)行過程 中要及時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè) 防止設(shè)備損壞和意外發(fā)生 當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí) 及時(shí)報(bào) 警 方便維修人員維修 系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)后 進(jìn)行恒壓控制 其流程框圖如圖 5 1所示 手動(dòng) 自動(dòng) 圖 5 1 PLC 程序流程圖 系統(tǒng)起動(dòng)之后 檢測(cè)是自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(dòng)運(yùn)行模式 如果是手動(dòng)運(yùn) 行模式則進(jìn)行手動(dòng)操作 人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕 系統(tǒng)根據(jù)按 鈕執(zhí)行相應(yīng)操作 如果是自動(dòng)運(yùn)行模式 則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號(hào) 執(zhí)行相應(yīng)的操作 手動(dòng)模式主要是解決系統(tǒng)出錯(cuò)或器件出問題 在自動(dòng)運(yùn)行模式中 如果 PLC 接到頻率上限信號(hào) 則執(zhí)行增泵程序 增加水泵的工作數(shù)量 如果 PLC 接到頻率下限信號(hào) 則執(zhí)行減泵程序 減 少水泵的工作數(shù)量 沒接到信號(hào)就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài) 開始 系統(tǒng)初始化 調(diào)用壓力設(shè)定子程序 調(diào)用 PID 子程序 調(diào)用泵切換子程序 自動(dòng) 手動(dòng) 檢測(cè) 執(zhí)行手動(dòng)命令 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 24 利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn) PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制 白天供水時(shí) 系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90 夜晚供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70 在本 系統(tǒng)中 只是用比例 P 和積分 I 控制 其回路增益和時(shí)間常數(shù)可通過 工程計(jì)算初步確定 根據(jù)系統(tǒng)的要求 采用增益 K 0 25 采樣時(shí)間 T 0 2s 積分時(shí)間 T 30min 完成一個(gè)水壓數(shù)據(jù)采集的任務(wù) 每 200ms 采集 一個(gè)數(shù)據(jù) PID 功能 系統(tǒng)采用的是單極性模擬量 遠(yuǎn)程壓力表對(duì)水管的水 壓進(jìn)行采樣 利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn) PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制 程序中使用的 PLC 元器件及其功能如下表 5 1 所示 表 5 1 程序中使用的元器件及功能 器件地址 功能 器件地址 功能 VD100 過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值 T38 工頻泵減泵濾波時(shí)間控制 VD104 壓力給定值 T39 工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD108 PI 計(jì)算值 M0 0 故障結(jié)束脈沖信號(hào) VD112 比例系數(shù) M0 1 泵變頻啟動(dòng)脈沖 VD116 積分時(shí)間 M0 3 復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行泵脈沖 VD120 積分時(shí)間 M0 4 復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)動(dòng)泵脈沖 VD124 微分時(shí)間 M0 5 當(dāng)前泵工頻運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)脈沖 VD204 變頻起運(yùn)動(dòng)頻率下限值 M0 6 新泵變頻啟動(dòng)脈沖 VD208 白天變頻器運(yùn)動(dòng)頻率上限值 M2 0 泵工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD212 夜晚供水變頻器運(yùn)動(dòng)頻率上限值 M2 1 泵工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD250 PI 調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元 M2 2 泵工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD300 變頻工作泵的泵號(hào) M3 0 故障信號(hào)總匯 VD301 工頻運(yùn)行的泵的總臺(tái)數(shù) M3 1 水池水位上下限故障邏輯 VD310 倒泵時(shí)間存儲(chǔ)器 M3 2 水池水位上下限故障消鈴邏輯 T33 工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3 3 變頻器故障消鈴邏輯 T34 工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3 4 消鈴邏輯 T37 工頻泵增泵濾波時(shí)間控制 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 25 系統(tǒng)的主程序如下圖 5 2 所示 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 26 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 27 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 28 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 29 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 30 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 31 圖 5 2 系統(tǒng)主程序梯形圖 當(dāng)輸入端口 I0 0 為 1 時(shí) 即白天模式下 白天指示燈 Q1 3 正常工作 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 32 1 泵進(jìn)行變頻運(yùn)行 仿真結(jié)果如圖 5 3 所示 圖 5 3 白天模式下仿真結(jié)果 當(dāng)輸入端口 I0 1 為 1 時(shí) 即水池的水超過上限或低于下限 這時(shí)應(yīng)該報(bào) 警 仿真結(jié)果如圖 5 4 所示 仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)一致 水泵停止運(yùn)行 報(bào)警信 號(hào)燈發(fā)出警告 圖 5 4 水位達(dá)到上下限仿真結(jié)果 本系統(tǒng)要求當(dāng)一臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)間超過 3 個(gè)小時(shí) 會(huì)自動(dòng)切換到另一臺(tái)水 泵工作運(yùn)行 為了快速的得出仿真結(jié)果 我們把程序時(shí)間設(shè)置成為一分鐘 這樣不會(huì)影響仿真結(jié)果 開始運(yùn)行時(shí) 1 水泵變頻運(yùn)行 如圖 5 5 所示 當(dāng) 時(shí)間到后會(huì)自動(dòng)切換到 2 水泵 如圖 5 6 所示 再等時(shí)間到后 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng) 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 33 切換到 3 水泵 如圖 5 7 所示 圖 5 5 1 水泵變頻運(yùn)行 圖 5 6 2 水泵變頻運(yùn)行 圖 5 7 3 水泵變頻運(yùn)行 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 34 5 2 系統(tǒng)初始化程序及仿真 在系統(tǒng)開始工作的時(shí)候 先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化 即在開始啟動(dòng)的 時(shí)候 先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè) 如出錯(cuò)則報(bào)警 接著 對(duì)變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率 PID 控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理 賦予 一定的初值 在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接 系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主 程序中通過調(diào)用子程序來是實(shí)現(xiàn)的 在初始化后緊接著要設(shè)定白天 夜間兩 種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵號(hào)和工頻泵投入臺(tái)數(shù) 程序梯形圖如 圖 5 8 所示 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 35 圖 5 8 程序初始化梯形圖 系統(tǒng)調(diào)用初始化子程序后 對(duì)一些內(nèi)部寄存器設(shè)置了不同的初值 仿真 結(jié)果如圖 5 9 所示 圖 5 9 初始化子程序仿真內(nèi)存地址的值 5 程序設(shè)計(jì)及仿真 36 5 3 PID 子程序設(shè)計(jì)及仿真 在系統(tǒng)中 只需選擇一個(gè) 它同樣通過定時(shí)中斷來調(diào)用 通過對(duì)水泵轉(zhuǎn) 速的調(diào)節(jié)