任務(wù)二 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計舉例資料

1、2022/7/252022/7/25一、變頻(bin pn)調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)任務(wù)二 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計(shj)舉例 應(yīng)用交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)和微機控制技術(shù)的高度自動化供水系統(tǒng)，適用于一切需要壓力供水的場合，可取代水塔、高位水箱和氣壓罐。共三十三頁2022/7/25目的：了解變頻調(diào)試恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(shj)過程；掌握系統(tǒng)設(shè)計原則、方法的具體運用；把握實際供水系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)技術(shù)點及相關(guān)知識點的綜合運用。重點：工藝要求分析(fnx)，總體方案設(shè)計，硬件功能電路設(shè)計，控制算法設(shè)計。 一、明確工藝要求 二、總體方案設(shè)計 三、硬件電路設(shè)計 四、控制算法設(shè)計共三十三頁2022/7/25（一） 明確

2、(mngqu)工藝要求 高層建筑的生活、消防供水，住宅小區(qū)的生活、消防供水，工廠(gngchng)、企業(yè)中水處理、循環(huán)用水中的壓力供水，建筑施工、流動作業(yè)中的臨時供水，噴泉、水上樂園等場所的壓力供水，農(nóng)村、園藝灌溉設(shè)備的壓力供水。（1）主要適用范圍流量：102500m3/h，揚程20200m。（2）供水量共三十三頁2022/7/251）可根據(jù)(gnj)水壓和用水量的大小合理選配水泵。（3）性能(xngnng)特點2）無壓力罐，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，便于集中管理。3）全自動運行，達到無人操作。4）系統(tǒng)具有欠電壓、過電壓、過電流、短路、過熱等多種故障保護和報警裝置。5）全部水泵循環(huán)軟起動，減少電氣

3、和機械沖擊，延長設(shè)備使用壽命。 通過采用降壓、補償或變頻等技術(shù)手段，電壓由零慢慢提升到額定電壓，使電機啟動的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)電動機及機械負載的平滑起動，減少起動電流對電網(wǎng)的影響程度，使電網(wǎng)和機械系統(tǒng)得以保護。共三十三頁2022/7/256）具有水池水位(shuwi)自動控制水泵的起動和停止。7）具有定時開停功能，可白天自動開機，夜間(y jin)自動停機。8）為確保消防水泵功能正常，系統(tǒng)可定時巡檢或隨時手動巡檢。9）具有小流量自動停機功能。10）具有與消防控制中心聯(lián)網(wǎng)的控制功能。11）全部設(shè)備均可自動和手動操作。共三十三頁2022/7/25（二） 總體方案設(shè)計(shj)1控制(kn

4、gzh)任務(wù)(1)控制泵數(shù)4臺主泵+1臺附屬小泵(主泵個數(shù)可在14臺內(nèi)設(shè)定)。(2)供水壓力閉環(huán)榨制粹制精彥0.01 MPa。(3)所有泵均采用軟起動。(4)恒壓變量控制。 (5)變壓變量控制將壓力變送器安置在管網(wǎng)末梢，可以實現(xiàn)管網(wǎng)末梢恒壓、泵出口變壓的目的。也可將流量計瞬時輸出信號轉(zhuǎn)換為05v電信號進行變壓控制。共三十三頁2022/7/25(6)內(nèi)增量方式采用泵組運行時(即無變頻器)，利用水泵的開停次數(shù)進行(jnxng)變電壓控制。(7)定時換泵功能(gngnng)切換時間由用戶設(shè)定，達到換泵時間時，工作泵與休息泵自動切換。(8)定時開關(guān)機功能開機時間到水泵自動運行，關(guān)機時間到水泵自動停止。

5、 (9)預(yù)置消防壓力功能按下消防按鈕時系統(tǒng)立刻以第二恒壓值為給定壓力進行工作。共三十三頁2022/7/25(10)無水停機功能蓄水池?zé)o水時水泵自動(zdng)停機，水位回升到一定高度水泵自動開起。(11)小流量補壓功能當(dāng)夜間用水量減小，管網(wǎng)壓力升高時，若恒壓泵全關(guān)后，反饋(fnku)壓力還略大于給定壓力，則起動附屬小泵，維持供水；當(dāng)反饋(fnku)壓力大于給定壓力較多時，附屬小泵自動停機。(12)抗干擾設(shè)計和故障保護功能。系統(tǒng)具有自診斷功能，遇故障自動報警停機，有效保護變頻器和整個供水系統(tǒng)。共三十三頁2022/7/252控制(kngzh)計算機選擇 對于給定的控制任務(wù)，選擇何種機型不是唯一的。

6、本系統(tǒng)由于控制對象單一，卻不需要(xyo)多級聯(lián)網(wǎng)控制，控制精度要求不是很高，所以采用了89C52單片機。根據(jù)需要擴展了A/D、D/A通道和開關(guān)量輸入/輸出通道，設(shè)計成了最小系統(tǒng)。共三十三頁2022/7/25 蓄水池與水泵機組距離不到30m，壓力(yl)傳感器選用遠傳壓力表，安裝在總管網(wǎng)水口處，負責(zé)將00.1MPa的水壓轉(zhuǎn)換成05V的反饋電壓信號送至單片機。3現(xiàn)場設(shè)備(shbi)選擇 執(zhí)行機構(gòu)為變頻器，單片機經(jīng)過運算后輸出010V電壓信號，控制變頻器的輸出電壓和頻率，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。YTZ-150遠傳壓力表共三十三頁2022/7/25（二） 硬件(yn jin)電路設(shè)計1強電(qin d

7、in)線路設(shè)計 水泵軟起動由變頻器實現(xiàn)。由于變頻器昂貴，所以在多泵系統(tǒng)中采用了“一變多恒”的控制原則，即多臺水泵共用一個變頻器，任意時刻只有一臺水泵處于變頻狀態(tài)，利用增、減運行水泵的個數(shù)進行粗調(diào)，利用變頻泵加、減速進行微調(diào)，使供水壓力趨于恒定。系統(tǒng)具有手動/自動兩種控制切換功能開關(guān)。4個變頻通道的交流接觸器設(shè)置機械互鎖。 每個水泵電動機設(shè)置正反轉(zhuǎn)交流接觸器。 系統(tǒng)設(shè)置三個空氣開關(guān)，控制電路通/斷。共三十三頁2022/7/25強電(qin din)線路原理圖控制器遠傳壓力表停止/運行010V教材此處有錯機械互鎖進水上限輸入進水下限輸入污水上限輸入污水下限輸入KM6KM4KM2KM0KM1KR1K

8、M0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1KM6KM4KM2KM0KM1KR1KM0KM1變頻故障火警缺水欠壓超壓軟起動輸入1手動起動/自動消防信號輸入管網(wǎng)過壓輸入KAR US VT 變頻器 WGVRF ACM DCM FR VC GND COM RUN H/A M1M2M3 VM4 PFOPCOM GNDWHWLDHDL COMB0 H3H0 B3B1 H2H1 B2FOP CFP FOR CFR TA TC M13KM0KM1M23KM2KM3M33KM4KM5M43KM6KM7QF1QF2QF3L1L2L3NKM0KM1KM

9、2KM3KM4KM5KM6KM7KA選擇開關(guān)H/A軟起動輸入2軟起動輸入3軟起動輸入4單片機控制器工作(gngzu)指示燈控制輸入水泵電機工作控制內(nèi)部控制邏輯強電互鎖電路共三十三頁2022/7/25 變頻器的R、S、T端子接380V交流輸入，U、V、W是變頻器的三相電壓輸出。由于(yuy)采用了一變多恒的控制方案，故4個變頻通路上的變頻切入接觸器KM0、 KM2、 KM4、 KM6采取了機械互鎖。 機械互鎖：通過(tnggu)機械部件實現(xiàn)互鎖，比如兩個開關(guān)不能同時合上，可以通過(tnggu)機械杠桿，使得一個開關(guān)合上時，另一個開關(guān)被機械卡住無法合上。 電氣互鎖就是通過繼電器、接觸器的觸點實現(xiàn)互

10、鎖。共三十三頁2022/7/25 另外，同一時刻一臺泵只能工作在一種(y zhn)狀態(tài)，故每臺電變頻或恒壓機有兩個切入接觸器，分別用于變頻和恒壓工作控制，所以電路設(shè)計中KM0和KM1互鎖， KM2和KM3互鎖， KM4和KM5互鎖， KM6和KM7互鎖。共三十三頁2022/7/25 控制系統(tǒng)具有手動/自動兩種控制切換功能，當(dāng)年H/A閉合時進入(jnr)手動控制，此時M1與COM閉合為1號泵手動軟啟動，1號電動機上升到額定轉(zhuǎn)速時，自動切換到工頻。M2、M3、M4分別控制2、3、4號泵的手動軟起動。共三十三頁2022/7/25 設(shè)置(shzh)相關(guān)指示燈： KM0KM7、H/A、欠壓超壓、火警、缺

11、水、故障等。消防輸入鍵及水位報警(bo jng)等輸入觸點。共三十三頁2022/7/252單片機控制器設(shè)計(shj) 89C52單片機作為(zuwi)控制核心，將遠傳壓力表采集的實際壓力信號進行A/D變換后，與設(shè)定壓力進行比較，實現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。光 隔鎖存器光 隔鎖存器光 隔鎖存器繼電器繼電器現(xiàn)場繼電器D/A變頻器M1M4A/D供水管網(wǎng)380V顯示器看門狗鍵 盤附屬泵單片機89C52共三十三頁2022/7/25 給定壓力減去實際壓力的偏差信號糾正輸入壓力誤差，控制器模擬輸出信號為D/A變換后的010V電壓(diny)信號，作為變頻器的控制信號。共三十三頁2022/7/25 增泵過程：當(dāng)用戶用水

12、量增大時，CPU檢測到管網(wǎng)出水口壓力趨于下降(xijing)，讓變頻泵加速運行，增大出水量，使管網(wǎng)壓力恒等。共三十三頁2022/7/25若壓力上升到設(shè)定(sh dn)壓力，則穩(wěn)態(tài)后變頻泵維持瞬時轉(zhuǎn)速值不變；若變頻泵加速到額定轉(zhuǎn)速后，實際壓力低于設(shè)定(sh dn)壓力，則將變頻泵切換到工頻運行，同時起動下一臺泵變頻運行 如此循環(huán)，直到最后一臺機組投入(tur)運行，達到管網(wǎng)壓力恒定。共三十三頁2022/7/25 減泵過程：當(dāng)用戶用水量減小時，CPU檢測到管網(wǎng)出水口壓力趨于上升，讓變頻泵減速(jin s)運行，減小出水量，使管網(wǎng)壓力恒等。共三十三頁2022/7/25若變頻泵轉(zhuǎn)速已減到最低轉(zhuǎn)速，管網(wǎng)

13、壓力仍高于設(shè)定值，就給此機組斷電(dun din)，起動另一臺水泵機組變頻減速運行 如此循環(huán)，直到管網(wǎng)壓力等于設(shè)定值。共三十三頁2022/7/25 附屬小泵用于一定時間內(nèi)用水量急劇減少的供水場合，如大多數(shù)用戶夜間用水量為零，電動機若按照白天(bi tin)的轉(zhuǎn)速運行，管網(wǎng)壓力會超過設(shè)定壓力很多，此時將逐臺關(guān)斷所有的生活供水泵，起動附屬小泵運行維持管網(wǎng)壓力(yl)。當(dāng)管網(wǎng)壓力(yl)低于設(shè)定的休眠壓力(yl)時，系統(tǒng)自動喚醒變頻泵投入工作，當(dāng)管網(wǎng)壓力(yl)高于設(shè)定時，系統(tǒng)再次進入休眠狀態(tài)，只有附屬小泵運行。共三十三頁2022/7/25（1）多段定時(dn sh)定壓控制 適應(yīng)每天生活用水的高峰

14、期，控制系統(tǒng)提供了6段的定時定壓控制，每段時間按不、同的壓力供水，所有(suyu)參數(shù)通過面板上的按鈕設(shè)置。（2）定時輪換控制 通電一定時間后，系統(tǒng)自動檢測有無休息的泵，若有則讓休息的泵和工作泵輪換，可以均衡各泵的運行時間，延長系統(tǒng)的使用壽命，且能有效防止因備用泵長期不用而發(fā)生的銹死現(xiàn)象。單片機控制器功能設(shè)計共三十三頁2022/7/25（3）消防(xiofng)控制 當(dāng)有火警或消防信號時，系統(tǒng)自動(zdng)切換到消防壓力運行。（4）蓄水池液位檢測 當(dāng)液位傳感器檢測出低水位時，水泵自動停止運行，有效防止水泵無水運行而損壞；當(dāng)蓄水池水位正常時，系統(tǒng)自動恢復(fù)運行。共三十三頁2022/7/25（5）

15、密碼保護功能(gngnng) 為防止無關(guān)人員更改變頻器的參數(shù)設(shè)置而造成不可預(yù)計的后果，可設(shè)置密碼，只有密碼輸入正確后才能進行控制功能參數(shù)的查詢(chxn)和修改；否則，只能查看一些運行參數(shù)（如頻率、壓力等）。共三十三頁2022/7/25系統(tǒng)初始化開始有鍵按下？按鍵處理是消防狀態(tài)？起動第2壓力全部水泵停機蓄水池?zé)o水？定時運行？當(dāng)前是開機？開機時刻到？停機時刻到？全部水泵停機讀入實際壓力，計算偏差ePID運算，得控制量u水泵機組切換處理有錯誤？出錯處理系統(tǒng)主程序流程圖YYNNYYYYYNNNNNNY共三十三頁2022/7/253控制算法設(shè)計(shj) 由于用水量的隨機性和供水管網(wǎng)的差異性很難找到適

16、合的數(shù)學(xué)模型，采用PID控制算法。比例控制可以提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，積分控制可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差(wch)，微分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)慣性的影響。 PID控制算法的輸出： u(k)不僅與本次的偏差e(k)和上次的偏差e(k-1)有關(guān)，而且還要在積分項中對歷史上各次的偏差信號e(j)進行累加，容易產(chǎn)生大的累加誤差，故本系統(tǒng)采用增量型的PID控制算法。共三十三頁2022/7/25 系統(tǒng)(xtng)上電初始化時讓D/A轉(zhuǎn)換器輸出020V的中值5V，對應(yīng)變頻器的25Hz輸出，在此基礎(chǔ)上進行增量調(diào)節(jié)。變頻(bin pn)調(diào)速水泵PID控制結(jié)構(gòu)圖數(shù)字設(shè)定給定壓力reuD/A變頻器水泵A/D壓力傳感器增量式PI

17、D管網(wǎng)實際輸出壓力c共三十三頁2022/7/25采樣實際壓力c(k)結(jié)束計算偏差e(k)r(k)c(k)計算up(k)Kpe(k)- e(k-1)計算ur(k)Kre(k)計算uD(k)計算u(k)=up(k)+ur(k) +uD(k)相關(guān)參數(shù)移動，為下次運算做準備，即以e(k-1)作為新的e(k-2)以e(k)作為新的e(k-1)增量(zn lin)型PID運算流程圖共三十三頁2022/7/254抗干擾設(shè)計(shj) 供水設(shè)備的工作環(huán)境較惡劣，電源電壓波動(bdng)大，大功率交流接觸器、繼電器切換頻繁，產(chǎn)生較強的電磁干擾。 為了單片機能夠安全可靠的工作，本系統(tǒng)采用了有效的干擾措施，從干擾源、干擾路徑和干擾對象等方面采取抗干擾措施。 硬件方面采用工業(yè)電源和計算機專用接插件，輸入輸出開關(guān)量全部采用光電隔離；軟件方面：一是進行較高精度的數(shù)字濾波，二是出錯自診斷功能，系統(tǒng)在出現(xiàn)以下運算錯誤時將自行復(fù)位：共三十三頁2022/7/25同一臺水泵(shubng)即工作在變頻狀態(tài)，又工作在工頻狀態(tài)。兩臺(lin ti)以上水泵工作在變頻狀態(tài)。運行水泵數(shù)量大于系統(tǒng)設(shè)置的水泵數(shù)量。水泵臺數(shù)與系統(tǒng)設(shè)置不符。共三十三頁內(nèi)容摘要05:17。2022/2/25。流量：102500m3/h，揚程20200m。