計算機(jī)控制論文

1、變頻恒壓供水工藝恒壓供水就是能夠自動保持水管內(nèi)水壓恒定的供水過程。供水管道有一個壓力檢測裝置，能夠檢測出當(dāng)前管網(wǎng)瞬間壓力變化，并把當(dāng)前的水壓值傳遞給控制裝置。當(dāng)用水量增大的時候，水壓減小，控制裝置得到水壓持續(xù)減小的信號，于是控制裝置會自動調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速和投入數(shù)量，進(jìn)而提升水壓；當(dāng)用水量減小的時候，控制裝置會降低水泵的轉(zhuǎn)速和投入數(shù)量來減小水壓，使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，通過這樣的控制過程保持水壓恒定，滿足用戶的用水要求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。根據(jù)流體力學(xué)的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電動機(jī)軸上消耗的功率與轉(zhuǎn)速的平方成正比?？梢姡捎媒涣髯冾l調(diào)速恒壓供水方式

2、，既可以保證供水水壓穩(wěn)定，又可以有效降低電能的消耗。變頻恒壓供水基本原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)水壓在水流量變化時，能夠穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，具有水壓恒定，波動小，節(jié)能效果明顯等特點(diǎn)。系統(tǒng)的技術(shù)要求(1) 供水壓力正常設(shè)定為值0.5MPa。最大供水壓力為0.6MPa，最小供水壓力為0.1MPa，壓力允許波動范圍為。(2) 采用四個水泵供水，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動、手動控制。(3) 水泵機(jī)組采用循環(huán)軟啟動工作方式運(yùn)行：系統(tǒng)啟動時，第一臺水泵變頻運(yùn)行，當(dāng)水壓滿足不了要求時，先將第一臺水泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，再投入第二

3、臺變頻自動運(yùn)行，依此類推，直到第四臺水泵起動；停泵時先停第一臺工頻泵，依此類推，然后停變頻泵。(4) 系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，如果其中任意一臺水泵故障停機(jī)，該系統(tǒng)能保證正常運(yùn)行；具有短路、過載、欠電壓、掉電保護(hù)、缺相、硬件自鎖、互鎖、故障聲光報警指示、遠(yuǎn)程報警等保護(hù)功能。(5) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、采集、監(jiān)控、管理、實(shí)時顯示等功能。(6) 水泵流量、揚(yáng)程和功率分別為6.3m3/h、8m和1.5kW。(7) 水箱容積為lm3，設(shè)有溢流口、排污口和防溢流控制功能。(8) 各水泵出口設(shè)有止回閥以防止回灌，并在進(jìn)、出設(shè)有閘閥；管路要求采用螺紋聯(lián)接，以便系統(tǒng)重組及維修方便。 (9) 系統(tǒng)能夠避免用水高峰時，水

4、壓波動造成頻繁起動、停車現(xiàn)象。控制方案選擇本系統(tǒng)采用目前較為先進(jìn)的交流變頻調(diào)速恒壓供水的控制方案。變頻恒壓供水通常有兩種運(yùn)行方式，即補(bǔ)償式和循環(huán)軟啟兩種。 補(bǔ)償式也稱變頻泵固定式，這種方式往往配置多臺水泵，組成水泵機(jī)組。在運(yùn)行時，一般只有一臺水泵由變頻器拖動。當(dāng)水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速即達(dá)到工頻50Hz時，此時的供水壓力如果低于設(shè)定壓力時，系統(tǒng)會在短時間內(nèi)降低變頻泵的工作頻率，并以工頻方式起動下一臺水泵，使其投入運(yùn)行進(jìn)行供水。系統(tǒng)在運(yùn)行中會根據(jù)反饋的壓力值來確定水泵機(jī)組的投入和切出，并調(diào)整變頻泵，以達(dá)到實(shí)際壓力值和設(shè)定值一致。在短時間內(nèi)降低變頻泵的工作頻率是為了防止系統(tǒng)超壓。此種方式電控系

5、統(tǒng)比較簡單，可節(jié)約一部分成本。缺點(diǎn)是在水泵機(jī)組工頻投入時對電網(wǎng)的沖擊較大，般水泵功率較小時，可采用此種工作方式。循環(huán)軟啟動的主要特點(diǎn)在水泵的切換程序。變頻泵運(yùn)行到工頻50Hz時，如果此時的實(shí)際供水壓力還沒有達(dá)到設(shè)定的供水壓力時，不是直接起動另外一臺水泵，而是首先將當(dāng)前以變頻運(yùn)行的水泵切換到工頻方式運(yùn)行，以變頻方式起動另外臺水泵，從而達(dá)到維持系統(tǒng)壓力的目的。在切換水泵時，按照先起先停的方式進(jìn)行，這樣的好處是機(jī)組中的每一臺水泵在工作中都可以被使用到，按照大循環(huán)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可有效防止水泵機(jī)組長期閑置而銹死的現(xiàn)象發(fā)生。通過以上的分析，所設(shè)計的變頻恒壓供水系統(tǒng)采用循環(huán)軟啟動的工作方式。主機(jī)的選擇及控

6、制系統(tǒng)的組成。主機(jī)的選擇變頻恒壓供水系統(tǒng)技術(shù)要求能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的通信、采集、監(jiān)控、管理、實(shí)時顯示等功能，因此本系統(tǒng)采用主-從控制結(jié)構(gòu)，即上下兩級計算機(jī)控制。上位計算機(jī)采用PC機(jī)，通過串行口對下位機(jī)進(jìn)行控制管理，利用組態(tài)軟件，配合Windows軟件平臺，形成功能強(qiáng)大的控制管理系統(tǒng)，提供優(yōu)質(zhì)友好的圖形界面。由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需要確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以靈活地改變存儲器中的控制程序，現(xiàn)場調(diào)試方便。因此，采用PLC作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的變頻控制以及溫度、壓力、流量、液位等過程量的監(jiān)視和

7、控制?？刂葡到y(tǒng)的組成變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)由水箱、管路、閥門和水泵機(jī)組，電氣操作系統(tǒng)和各種傳感器、儀表等組成。電氣操作系統(tǒng)由PLC、變頻器、小型斷路器、交流接觸器、熱繼電器、直流電源、小型電磁繼電器以及各種指示燈和主令器件組成；傳感器和儀表包括溫度傳感變送器、壓力變送器、電壓變送器、電流變送器、功率變送器等。圖1 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖水泵機(jī)組變頻恒壓流程根據(jù)控制要求，水泵機(jī)組由四臺水泵組成，第一臺水泵變頻啟動運(yùn)行，當(dāng)水壓不足時，將第一臺水泵切入工頻運(yùn)行，再投入第二臺變頻泵，依此類推，直到第四臺水泵啟動;停泵時先停第臺工頻泵，依此類推，最后停變頻泵，即遵循先開先停的原則

8、。 本系統(tǒng)水泵機(jī)組變頻恒壓控制流程如圖2所示。 圖2 水泵機(jī)組變頻恒壓控制流程控制對象模型分析及控制器設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水是一個具有時變、非線性、滯后時間短、模型不穩(wěn)定的控制對象。系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為被控量，實(shí)現(xiàn)出口管網(wǎng)的實(shí)際壓力與設(shè)定的供水壓力相一致。 設(shè)定的供水壓力可以是一常數(shù)，也可以是一個時間分段常數(shù)，在每一個時間段是一常數(shù)。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運(yùn)行至管網(wǎng)壓力達(dá)到要求時，需經(jīng)歷兩個過程: （1）水泵將水送到管網(wǎng)，這個階段管網(wǎng)壓力基本保持在初始壓力，是一個純滯后過程。（2）水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過

9、程。系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比，可以忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，包含管網(wǎng)、水箱、水泵機(jī)組的被控對象可以近似成一個純滯后的一階慣性環(huán)節(jié) 控制對象模型分析及控制器設(shè)計式中，K為系統(tǒng)的總增益;TP為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù);為系統(tǒng)滯后時間。 通常情況下，被控對象的慣性時間常數(shù)TP為100 s左右，滯后時間小于10 s，TP，常規(guī)PID控制器完全可以滿足控制要求，而且可編程序控制器的CPU模塊內(nèi)部嵌有計算機(jī)控制技術(shù)PID指令系統(tǒng)，用戶不必自行開發(fā)PID控制程序，實(shí)現(xiàn)簡單方便。因此，恒壓供水控制系統(tǒng)采用PID控制

10、。變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。圖3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理圖從圖3可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，將供水管網(wǎng)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力比較，得到的壓力差經(jīng)過PID控制器計算與轉(zhuǎn)換，得到變頻器輸出頻率的變化值，據(jù)此調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的運(yùn)行方式和運(yùn)行速度，最終使實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力相等。 硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計 硬件系統(tǒng)設(shè)計（1）主電路設(shè)計 圖4是系統(tǒng)主電路原理圖。主要由四個水泵、小型斷路器、交流接觸器、熱繼電器以及各種指示燈和主令器件組成，另外還配有電壓表、數(shù)字電流表和功率表等。水泵機(jī)組由四臺TLS40-200單級單吸立式離心泵組成，技術(shù)參數(shù)為:流量2.5 m3 /h， 揚(yáng)程32 m，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為283

11、0 r/min，功率0.75 kW，效率25%。這種水泵運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，維修方便。圖4 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路原理（2）控制系統(tǒng)設(shè)計I/O模塊點(diǎn)數(shù)估算 PLC系統(tǒng)所要求的I/O點(diǎn)數(shù)與接入的輸入/輸出設(shè)備類型有關(guān)。例如，1個按鈕或信號燈各需1個輸入，1個光電開關(guān)需1個或2個輸入，1個雙線圈電磁閥需3個輸入及2個輸出，波段開關(guān)有幾個波段就需幾個輸入。對于控制交流電動機(jī)所需的I/O點(diǎn)數(shù)，根據(jù)其運(yùn)行方式不同，所需要的I/O點(diǎn)數(shù)也不相同，控制一個Y-啟動的交流電動機(jī)一般需4個輸入點(diǎn)及3個輸出點(diǎn)，控制一臺可逆運(yùn)行的籠型電動機(jī)需5個輸入點(diǎn)及2個輸出 點(diǎn)等等。實(shí)際選用時一般還需留有10%15%的I/O余量。

12、 根據(jù)控制要求，估算出本系統(tǒng)有20個開關(guān)量輸入/輸出點(diǎn)，另外有電壓、電流、功率、 壓力、液位、溫度、流量等10個模擬量輸入/輸出點(diǎn)。 存儲器容量的估算PLC的程序存儲器容量通常以字節(jié)為單位。用戶程序所需存儲器容量可以預(yù)先估算。一般情況下用戶程序所需存儲的字?jǐn)?shù)可按照如下經(jīng)驗公式來計算:（）開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng) 開關(guān)量輸入:用戶程序所需存儲的字?jǐn)?shù)=輸入點(diǎn)總數(shù)×10。 開關(guān)量輸出:用戶程序所需存儲的字?jǐn)?shù)=輸出點(diǎn)總數(shù)×8。 （）模擬量輸入/輸出系統(tǒng) 每一路模擬量信號大約需要120字的存儲容量，當(dāng)模擬輸入和輸出同時存在時，所需 內(nèi)存字?jǐn)?shù)=模擬量路數(shù)×250。 （）定時器/計

13、數(shù)器系統(tǒng) 所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=定時器/計數(shù)器數(shù)量×2 針對本系統(tǒng): 開關(guān)量輸入所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)10×10=100字節(jié); 開關(guān)量輸出所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)12×8=96字節(jié); 模擬量輸入/輸出所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)10×250=2500字節(jié); 定時器/計數(shù)器容量5×2=10字節(jié)。 開關(guān)量和模擬量共需2706字節(jié)，另外考慮程序存儲空間和備用存儲空間，初步估計系統(tǒng)共需5 K字節(jié)。 系統(tǒng)I/O模塊點(diǎn)數(shù)和存儲器容量的估算為以下PLC的主機(jī)型號選擇和模塊擴(kuò)展提供了依據(jù)。 主機(jī)型號選擇和模塊擴(kuò)展 變頻恒壓供水系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的PLC，主機(jī)為CPU224模塊，I/O點(diǎn)數(shù)和存儲

14、器容量完全符合要求。該模塊是具有較強(qiáng)的控制能力的控制器，集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，13 K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，6個獨(dú)立的30 kHz高速計數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，1個RS-485通信/編程口，具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力，I/O端子很容易整體拆卸。 本系統(tǒng)10個開關(guān)量輸入點(diǎn)I0.0I0.7、I1.3、I1.4分別接入4個水泵的故障信號、遠(yuǎn)程/近控選擇信號、PID控制器使能信號、氣壓供水輸入信號、循環(huán)/補(bǔ)償工作方式選擇信號等10路開關(guān)量輸

15、入信號，系統(tǒng)共有12個開關(guān)量輸出點(diǎn)，分別為1#4#水泵變頻/工頻的工作信號、故障報警信號、電磁閥1和電磁閥2驅(qū)動信號及變頻器驅(qū)動信號等。而主機(jī)CPU224只提供10個輸出點(diǎn)，所以系統(tǒng)擴(kuò)展了一個EM222模塊，該模塊提供8個開關(guān)量輸出點(diǎn)，能夠滿足系統(tǒng)數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的要求。系統(tǒng)具體配置示意圖如圖5所示圖5 CPU224模塊配置圖變頻器的選擇 變頻器控制電流與電網(wǎng)水壓的關(guān)系。管網(wǎng)中壓力變送器輸出的電流信號IP ，范圍為420 mA（4 mA和20 mA分別為壓力變送器測量下限、測量上限所對應(yīng)的電流輸出值），對應(yīng)水壓力 P測量范圍為0Pmax，管網(wǎng)允許的最低水壓力為 P1（管網(wǎng)水壓力最小設(shè)定值），對

16、應(yīng)壓力變送器輸出電流信號為I1 ;管網(wǎng)允許的最高水壓力為P2（管網(wǎng)水壓力最大設(shè)定值），對應(yīng)壓力變送器輸出電流信號I2。如圖6所示可得P為某一時刻的管網(wǎng)水壓力，單位為MPa。 圖6 壓力變送器輸入輸出關(guān)系曲線圖7 擴(kuò)展模塊EM222和EM235配置圖7注釋：當(dāng)處于變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時，只能在50 Hz運(yùn)行，由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電動機(jī)工作頻率的限制，50 Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。變頻器的輸出頻率不能是負(fù)值，最低只能是0 Hz。在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率不可能降低到0 Hz，因為當(dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運(yùn)行的電動機(jī)

17、一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止下位水箱中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行頻率下降到某一個值時，水泵就已經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會隨著電動機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電動機(jī)運(yùn)行的下限頻率，其值遠(yuǎn)大于0 Hz，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20 Hz左右。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電動機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。變頻器的控制電流與其輸出頻率的關(guān)系曲線為線性曲線，可由電動機(jī)頻率和水壓之間的關(guān)系得到變頻器控制電流與水壓之間的關(guān)系曲線，如圖8所示。 圖8 變頻器控制電流與水壓關(guān)系曲線工作

18、原理當(dāng)水壓 P小于P1時，變頻器得到最大控制電流信號20 mA（即變頻器按最高輸出頻率輸出所需的電流信號）;當(dāng)水壓 P大于P2時，變頻器得到最小控制電流信號4 mA（即變頻器按最低輸出頻率輸出所需的電流信號）。當(dāng) P介于P1與P2之間時，對應(yīng)變頻器的控制電流信號為 If=4+16（P2-P）/（P2P1） 將P=P max（IP -4）/16代入上式，得 If =4+16 P2-Pmax（IP-4）/（P2-P1） 變頻器的選擇變頻器是對水泵機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，跟蹤PID控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。本系統(tǒng)的變頻器采用循環(huán)工作方式，當(dāng)變頻器拖動的調(diào)速泵運(yùn)行在工頻狀態(tài)，其供水量仍達(dá)不到用水要求時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵中切換出，并將此泵切換為工頻狀態(tài)，同時用變頻器去拖動另一臺水泵電機(jī)