畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書11緒論本設(shè)計介紹了一套采用PLC和變頻器進(jìn)行壓力調(diào)解多臺水泵變頻控制方案?？刂葡到y(tǒng)通過PLC調(diào)節(jié)變頻器的輸出，自動控制給水泵投入的臺數(shù)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)解恒壓供水。運行結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定、操作簡便、節(jié)約能源以及可靠性強(qiáng)等特點。采用變頻器和可編程控制器等現(xiàn)代控制設(shè)備和技術(shù)實現(xiàn)恒定水壓供水，是供水領(lǐng)域技術(shù)革新的必然趨勢，以往采用的水塔供水既不衛(wèi)生又不經(jīng)濟(jì)，更重要的是浪費了大量的能源，本文介紹的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)以其有效的實用性，徹底解決了上述問題，是一項頗有實用價值的調(diào)速系統(tǒng)，為已有的供水系統(tǒng)技術(shù)改造提供了切實可行的途徑。PLC自問世以來，發(fā)展異常迅猛。時至今日已擁有門類齊全的各種功能模塊和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，其應(yīng)用范圍可以覆蓋現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域，滿足各類受控對象的不同控制要求。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機(jī)無級調(diào)速驅(qū)動技術(shù)，它以其獨特的控制性被廣泛應(yīng)用在速度控制領(lǐng)域。將PLC與變頻器結(jié)合可大大優(yōu)化傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，大體有兩種：一種是采用高位水箱，另一種是采用恒速泵打水。前者造價較高，投資成本大。后者使泵滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)，無法調(diào)節(jié)水量，因此浪費電能。以上兩種方式還有著共同缺點，就是管道中水壓不穩(wěn)，時高時低。如今，供水系統(tǒng)已越來越多地采用變頻恒壓供水。例如，某化工廠的廢水處理采用循環(huán)系統(tǒng)，將生產(chǎn)車間的廢水收集至廢水池，經(jīng)一系列物理、化學(xué)處理后，回送至車間使用。該控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，即水處理系統(tǒng)和自動恒壓供水系統(tǒng)。自動恒壓供水系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)車間瞬時變化的用水量，以及與其對應(yīng)的壓力兩種參數(shù)，通過PLC和變頻器自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)數(shù)及臺數(shù)，來改變水泵出口的壓力和流量，使車間的用水壓力保持恒定值。針對以往供水系統(tǒng)的弊端，本課題采用恒壓供水控制方案，即供水管道的壓力始終恒定。具體的做法是通過安裝在供水管道里的壓力傳感器所獲得的模擬信號（4200A）傳至PLC，經(jīng)CPU運算處理后與設(shè)定的信號進(jìn)行比較，得出最佳的運行工況參數(shù)，由系統(tǒng)的輸出模塊輸出邏輯控制令和變頻器的頻率設(shè)定河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書2值，控制泵站投水泵的臺數(shù)及變量泵的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動確定泵組的水泵循環(huán)運行，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及供水的質(zhì)量。(1)本課題的主要任務(wù)是:實現(xiàn)水泵的變頻調(diào)速以及恒壓供水實現(xiàn)水泵的軟啟、軟停該控制方案具有手動和自動操作功能具有消防和報警功能實現(xiàn)節(jié)能(2)本課題的意義及背景:近十年來，變頻技術(shù)的應(yīng)用在我國有很大的發(fā)展，并取得了良好的效果。可以說，變頻技術(shù)已為大多數(shù)用戶所接受。但是，不能不指出，我國在變頻技術(shù)的應(yīng)用方面，與發(fā)達(dá)國家的水平尚有很大差距。目前，我國在用的交流電動機(jī)使用變頻調(diào)速運行的僅6%左右，而工業(yè)發(fā)達(dá)國家已達(dá)60%70%；日本在風(fēng)機(jī)、水泵上變頻調(diào)速的采用率已達(dá)10%，而我國還不足0.01%；在日本，空調(diào)器的70%采用了變頻調(diào)速，而我國才剛剛起步。從這個現(xiàn)實出發(fā)，變頻技術(shù)尚有很大的發(fā)展空間，我們應(yīng)該鍥而不舍地做好推廣應(yīng)用工作。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市人口和城市居民的不斷增加，城市供水不足成為一種普遍現(xiàn)象，傳統(tǒng)的供水方式已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展和人民生活的需要。自八十年代以來，變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)開始應(yīng)用于我國許多城市河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書3的自來水公司。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)不僅能夠保證城市供水的穩(wěn)定，而且可以節(jié)約能源。在我國，節(jié)電節(jié)水的潛力非常大。據(jù)有關(guān)國際組織發(fā)表的資料顯示:中國的單位國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值所消耗的電是美國、德國等的4倍左右，消耗的水是他們的2倍左右。我國的大量用電設(shè)備中，風(fēng)機(jī)和泵類電機(jī)的耗電量占全國發(fā)電量的50%左右,若推廣新型電機(jī)調(diào)速技術(shù),可節(jié)電40%左右,即可以節(jié)約全國發(fā)電量的1/5.由于我國人均占有水、電資源相對于別國又少很多,因此,在我國一方面水電供應(yīng)緊張,而另一方面,水電的浪費又十分驚人.節(jié)電節(jié)水,不僅潛力巨大,而且意義深遠(yuǎn)。用戶用水的多少是經(jīng)常變動的,因此,供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用戶和供水之間的不平衡集中地反映在供水的壓力上:用戶多而供水少,則壓力??；用戶少而供水多,則壓力大.保持供水的壓力恒定,可使供水和用戶之間保持平衡,即用水多時供水也多,用水少時供水也少,從而提高了供水的質(zhì)量。恒壓供水對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要地.例如在某些生產(chǎn)過程中,若自來水因故壓力不足或短時缺水,可能影響產(chǎn)品質(zhì)量,嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞.又如當(dāng)發(fā)生火警時,若供水壓力不足或無水供應(yīng),不能迅速滅火,可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以,某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng),具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。1.1供水系統(tǒng)組成該控制系統(tǒng)主要裝置包括：可編程控制器（PLC），變頻器，PID控制器以及相關(guān)軟件控制單元，該裝置形成一套完整的，智能的恒壓供水控制系統(tǒng)。采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達(dá)到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得管網(wǎng)水壓的實測值、根據(jù)給定值與實測值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)接信號等功能。用PLC代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作為恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書4值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)；它還控制水泵的運行與切換，在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻的磨損，水泵及電機(jī)是輪換的工作。PLC同時還是變頻器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端子接受到傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)PID處理后得出的模擬量信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。另外，泵站的其他控制邏輯也由PLC承擔(dān)，如:手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等等。變頻器有兩個控制信號：目標(biāo)信號XT：即給定端VR上得到的信號，該信號是一個與壓力的控制目標(biāo)相對應(yīng)的值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。目標(biāo)信號也可以由鍵盤直接給定，而不必通過外接電路來給定。反饋信號XF：是壓力變送器BP反饋回來的信號，該信號是一個反應(yīng)實際壓力的信號。目標(biāo)信號的確定：目標(biāo)信號的大小除了和所要求的壓力的控制目標(biāo)有關(guān)外，還和壓力傳感器的量程有關(guān)。舉例說明如下：設(shè)：用戶要求的供水壓力為0.3MPa，壓力傳感器的量程為0-1MPa，則目標(biāo)值應(yīng)設(shè)為30%。在恒壓供水控制系統(tǒng)中，關(guān)鍵技術(shù)主要是變頻技術(shù)。目前效率最高、性能最好的系統(tǒng)是變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。變頻器由主回路（包括整流器、濾波器、逆變器）和控制電路組成。整流器的作用是把三相交流整流成直流。濾波器是用來緩沖直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間的無功能量。逆變器最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個半導(dǎo)體器件開關(guān)組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律地控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出?？刂齐娐分饕峭瓿蓪δ孀兤鞯拈_關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。變頻器的基本原理是利用逆變器中的開關(guān)元件，由控制電路按一定的規(guī)律控制開關(guān)元件的通斷，從而在逆變器的輸出端獲得一系列等幅而不等寬的矩形脈沖波形，來近似等效于正弦電壓波。1.1.1恒壓供水的目的對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書5流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而如上所述，流量的大小又取決于揚程，但揚程難以進(jìn)行具體測量和控制?？紤]到在動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間的平衡情況有關(guān)。如：供水能力QG用水需求QU，則壓力上升；如：供水能力QG用水需求QU，則壓力下降；如：供水能力QG=用水需求QU，則壓力不變?？梢姡┧芰εc用水需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力的變化上。從而，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說，保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了使該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達(dá)到的目的。1.1.2用于恒值系統(tǒng)的控制方案對于被控對象的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，生產(chǎn)工藝提出的恒定值的精確度又不高的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，如果采用PID調(diào)節(jié)器方案進(jìn)行調(diào)節(jié)變頻器往往效果不理想，有時還不如開環(huán)控制的效果好。在這種情況喜愛采用BANG-BANG控制方案，效果比較理想。但是對于被控對象的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，生產(chǎn)工藝提出的恒定值的精確度又很高的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，如果采用大范圍用BANG-BANG控制、小范圍用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)變頻器的方法，往往效果也不是那么理想。在這種情況下采用模糊控制方案，效果比較理想。下面簡要介紹PID算法函數(shù)的實現(xiàn)以及PID控制整定方法：（1）PID算法采用增量式，其算法格式如下e(k)=SV-y(k)u(k)=kce(k)-e(k-1)+kie(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)u(k)=u(k-1)+u(k)式中積分系數(shù)為Ki=ciKTT式中微分系數(shù)為KdcdKTT河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書6（2）PID控制整定方法它主要根據(jù)經(jīng)驗直接在控制系統(tǒng)的實驗中進(jìn)行，方法簡單、易于掌握。速度PID比例增益P對系統(tǒng)性能的影響：比例增益P設(shè)定V/F閉環(huán)控制時誤差值的增益，比例增益P加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)P太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定、容易產(chǎn)生振蕩；若P太小，又會使系統(tǒng)動作緩慢。速度PID積分時間I對系統(tǒng)性能的影響：積分環(huán)節(jié)I設(shè)定V/F閉環(huán)控制時PID動作的相應(yīng)速度，以緩解因速度PID比例增益設(shè)定過大而引起的超調(diào)，通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。I偏大，對系統(tǒng)性能的影響減小。當(dāng)I合適時，過渡過程比較合適。速度PID微分時間D對系統(tǒng)性能的影響：速度PID設(shè)定PID動作的衰減作用，以緩解因速度PID積分時間設(shè)定過大的缺點。微分控制D可以改善動態(tài)特性，當(dāng)D偏大或偏小時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間也較長，只有D合適時，可以得到比較合適的過渡過程。（3）系統(tǒng)參數(shù)的確定該供水系統(tǒng)的用水量變化較大，要求系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力及良好的穩(wěn)定性。因此在確定PID參數(shù)時要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)固性和靈敏度，P參數(shù)盡可能大，以保證系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性，在集中供水時保證系統(tǒng)壓力在設(shè)計要求的恒壓范圍內(nèi)；I、D參數(shù)的選取應(yīng)保證系統(tǒng)具有良好的靈敏度和抗干擾性。經(jīng)過反復(fù)試驗得出各參數(shù)的取值，P:6080；I:1015；D:13。變頻到工頻的切換采用時間原則，即水泵電機(jī)變頻工作到額定轉(zhuǎn)速后，撤銷變頻，自由減速一定時間，待轉(zhuǎn)速略有降低后立即投入工頻工作。時間的長短要使工頻接入時其啟動電流在額定電流的150%內(nèi)，而且保證電機(jī)與變頻器連接的接觸器安全斷開。1.2常見的壓力變送器（1）遠(yuǎn)傳壓力表：其基本結(jié)構(gòu)是在壓力表的指針軸上附加了一個能夠帶動電位器的滑動觸點的裝置。因此，從電路器件的角度看，實際上是一個電阻值隨壓力而變的電位器。使用時，需另行設(shè)計電路，將壓力的大小轉(zhuǎn)換成電壓或河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)說明書7電流信號。遠(yuǎn)傳壓力表的價格較低廉，但由于電位器的滑動點總在一個地方摩擦，故壽命較短。（2）壓力傳感器：其輸出信號是隨壓力而變的電壓或電流信號。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時，應(yīng)取電流信號，以消除因線路電壓降引起的誤差。通常取4-20mA，以利區(qū)別零信號和無信號。該控制系統(tǒng)采用壓力傳感器作為壓力變送器。（3）電接點壓力表：這是比較老式的一種，在壓力的上限位和下限位都有電接點。這種壓力表比較直觀，為相當(dāng)一部分用戶所熟悉。1.3方案論證以往的供水利用閥門調(diào)節(jié)供水量，此種供水方案經(jīng)過多年的使用存在種種弊端，有如下問題制約生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定運行：(1)用戶的用水量隨季節(jié)、時間的變化而變化，使供水量難以控制；而整個供水系統(tǒng)為能滿足最大供水量的要求，做出了較大的設(shè)計余量，這樣使得在用水量較低時浪費了大量的電能。(2)操作人員頻繁增減泵的運行臺數(shù)或者通過調(diào)節(jié)閥門來保持水量的平衡，這樣不但增加了操作人員的勞動強(qiáng)度，而且難以保證供水壓力的恒定