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

河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)11緒論本設(shè)計(jì)介紹了一套采用PLC和變頻器進(jìn)行壓力調(diào)解多臺(tái)水泵變頻控制方案?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)PLC調(diào)節(jié)變頻器的輸出，自動(dòng)控制給水泵投入的臺(tái)數(shù)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)解恒壓供水。運(yùn)行結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、節(jié)約能源以及可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)恒定水壓供水，是供水領(lǐng)域技術(shù)革新的必然趨勢(shì)，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(fèi)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(shí)用性，徹底解決了上述問(wèn)題，是一項(xiàng)頗有實(shí)用價(jià)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(shí)可行的途徑。PLC自問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展異常迅猛。時(shí)至今日已擁有門(mén)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(gè)領(lǐng)域，滿足各類受控對(duì)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(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)，它以其獨(dú)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(jià)較高，投資成本大。后者使泵滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)法調(diào)節(jié)水量，因此浪費(fèi)電能。以上兩種方式還有著共同缺點(diǎn)，就是管道中水壓不穩(wěn)，時(shí)高時(shí)低。如今，供水系統(tǒng)已越來(lái)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(dòng)恒壓供水系統(tǒng)。自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)車間瞬時(shí)變化的用水量，以及與其對(duì)應(yīng)的壓力兩種參數(shù)，通過(guò)PLC和變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)數(shù)及臺(tái)數(shù)，來(lái)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(duì)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(guò)安裝在供水管道里的壓力傳感器所獲得的模擬信號(hào)（4200A）傳至PLC，經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較，得出最佳的運(yùn)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(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)2值，控制泵站投水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù)CPU指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶用水量的變化，自動(dòng)確定泵組的水泵循環(huán)運(yùn)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(shí)現(xiàn)水泵的變頻調(diào)速以及恒壓供水實(shí)現(xiàn)水泵的軟啟、軟停該控制方案具有手動(dòng)和自動(dòng)操作功能具有消防和報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)節(jié)能(2)本課題的意義及背景:近十年來(lái)，變頻技術(shù)的應(yīng)用在我國(guó)有很大的發(fā)展，并取得了良好的效果?？梢哉f(shuō)，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(guó)在變頻技術(shù)的應(yīng)用方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家的水平尚有很大差距。目前，我國(guó)在用的交流電動(dòng)機(jī)使用變頻調(diào)速運(yùn)行的僅6%左右，而工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)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(guó)才剛剛起步。從這個(gè)現(xiàn)實(shí)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(diǎn)，使我國(guó)供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開(kāi)始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)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(shí)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(lái)越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)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(guó)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(lái)，變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于我國(guó)許多城市河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)3的自來(lái)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(guó)，節(jié)電節(jié)水的潛力非常大。據(jù)有關(guān)國(guó)際組織發(fā)表的資料顯示:中國(guó)的單位國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值所消耗的電是美國(guó)、德國(guó)等的4倍左右，消耗的水是他們的2倍左右。我國(guó)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(guó)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(guó)發(fā)電量的1/5.由于我國(guó)人均占有水、電資源相對(duì)于別國(guó)又少很多,因此,在我國(guó)一方面水電供應(yīng)緊張,而另一方面,水電的浪費(fèi)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(dòng)的,因此,供水不足或供水過(guò)剩的情況時(shí)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(shí)供水也多,用水少時(shí)供水也少,從而提高了供水的質(zhì)量。恒壓供水對(duì)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(guò)程中,若自來(lái)水因故壓力不足或短時(shí)缺水,可能影響產(chǎn)品質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞.又如當(dāng)發(fā)生火警時(shí),若供水壓力不足或無(wú)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(huì)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(lái)得管網(wǎng)水壓的實(shí)測(cè)值、根據(jù)給定值與實(shí)測(cè)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(hào)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(shí)現(xiàn)水壓給定河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)4值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)；它還控制水泵的運(yùn)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(shí)還是變頻器的驅(qū)動(dòng)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(lái)的模擬信號(hào)，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(hào)，并依此信號(hào)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(dòng)、自動(dòng)操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報(bào)警，系統(tǒng)的自檢等等。變頻器有兩個(gè)控制信號(hào)：目標(biāo)信號(hào)XT：即給定端VR上得到的信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)與壓力的控制目標(biāo)相對(duì)應(yīng)的值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。目標(biāo)信號(hào)也可以由鍵盤(pán)直接給定，而不必通過(guò)外接電路來(lái)給定。反饋信號(hào)XF：是壓力變送器BP反饋回來(lái)的信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)反應(yīng)實(shí)際壓力的信號(hào)。目標(biāo)信號(hào)的確定：目標(biāo)信號(hào)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(shuō)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(lái)緩沖直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間的無(wú)功能量。逆變器最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體器件開(kāi)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(kāi)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?duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制、對(duì)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(kāi)關(guān)元件，由控制電路按一定的規(guī)律控制開(kāi)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(lái)近似等效于正弦電壓波。1.1.1恒壓供水的目的對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)5流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而如上所述，流量的大小又取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制。考慮到在動(dòng)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?jiàn)，供水能力與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(lái)作為控制流量大小的參變量。就是說(shuō)，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(duì)于被控對(duì)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(shí)還不如開(kāi)環(huán)控制的效果好。在這種情況喜愛(ài)采用BANG-BANG控制方案，效果比較理想。但是對(duì)于被控對(duì)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(jiǎn)要介紹PID算法函數(shù)的實(shí)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(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)6（2）PID控制整定方法它主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行，方法簡(jiǎn)單、易于掌握。速度PID比例增益P對(duì)系統(tǒng)性能的影響：比例增益P設(shè)定V/F閉環(huán)控制時(shí)誤差值的增益，比例增益P加大，使系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。當(dāng)P太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定、容易產(chǎn)生振蕩；若P太小，又會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢。速度PID積分時(shí)間I對(duì)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(shí)PID動(dòng)作的相應(yīng)速度，以緩解因速度PID比例增益設(shè)定過(guò)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(duì)系統(tǒng)性能的影響減小。當(dāng)I合適時(shí)，過(guò)渡過(guò)程比較合適。速度PID微分時(shí)間D對(duì)系統(tǒng)性能的影響：速度PID設(shè)定PID動(dòng)作的衰減作用，以緩解因速度PID積分時(shí)間設(shè)定過(guò)大的缺點(diǎn)。微分控制D可以改善動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)D偏大或偏小時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)，只有D合適時(shí)，可以得到比較合適的過(guò)渡過(guò)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(shí)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(shí)保證系統(tǒng)壓力在設(shè)計(jì)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)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(shí)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(shí)間，待轉(zhuǎn)速略有降低后立即投入工頻工作。時(shí)間的長(zhǎng)短要使工頻接入時(shí)其啟動(dòng)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(kāi)。1.2常見(jiàn)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(gè)能夠帶動(dòng)電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)的裝置。因此，從電路器件的角度看，實(shí)際上是一個(gè)電阻值隨壓力而變的電位器。使用時(shí)，需另行設(shè)計(jì)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(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)7電流信號(hào)。遠(yuǎn)傳壓力表的價(jià)格較低廉，但由于電位器的滑動(dòng)點(diǎn)總在一個(gè)地方摩擦，故壽命較短。（2）壓力傳感器：其輸出信號(hào)是隨壓力而變的電壓或電流信號(hào)。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)取電流信號(hào)，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(hào)和無(wú)信號(hào)。該控制系統(tǒng)采用壓力傳感器作為壓力變送器。（3）電接點(diǎn)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(diǎn)。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(mén)調(diào)節(jié)供水量，此種供水方案經(jīng)過(guò)多年的使用存在種種弊端，有如下問(wèn)題制約生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行：(1)用戶的用水量隨季節(jié)、時(shí)間的變化而變化，使供水量難以控制；而整個(gè)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(jì)余量，這樣使得在用水量較低時(shí)浪費(fèi)了大量的電能。(2)操作人員頻繁增減泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)或者通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)保持水量的平衡，這樣不但增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且難以保證供水壓力的恒定