毕业设计（论文）-基于PLC的恒压供水控制系统设计.doc

河南理工大学毕业设计(论文)说明书11绪论本设计介绍了一套采用PLC和变频器进行压力调解多台水泵变频控制方案。控制系统通过PLC调节变频器的输出，自动控制给水泵投入的台数和电机的转速，实现闭环自动调解恒压供水。运行结果表明,该系统具有压力稳定、操作简便、节约能源以及可靠性强等特点。采用变频器和可编程控制器等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的必然趋势，以往采用的水塔供水既不卫生又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，本文介绍的变频调速恒压供水系统以其有效的实用性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用价值的调速系统，为已有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。PLC自问世以来，发展异常迅猛。时至今日已拥有门类齐全的各种功能模块和强大的网络通讯能力，其应用范围可以覆盖现代工业的各个领域，满足各类受控对象的不同控制要求。变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特的控制性被广泛应用在速度控制领域。将PLC与变频器结合可大大优化传统的供水系统。传统的供水系统，大体有两种：一种是采用高位水箱，另一种是采用恒速泵打水。前者造价较高，投资成本大。后者使泵满负荷运转，无法调节水量，因此浪费电能。以上两种方式还有着共同缺点，就是管道中水压不稳，时高时低。如今，供水系统已越来越多地采用变频恒压供水。例如，某化工厂的废水处理采用循环系统，将生产车间的废水收集至废水池，经一系列物理、化学处理后，回送至车间使用。该控制系统主要由两部分组成，即水处理系统和自动恒压供水系统。自动恒压供水系统可根据生产车间瞬时变化的用水量，以及与其对应的压力两种参数，通过PLC和变频器自动调节水泵的转数及台数，来改变水泵出口的压力和流量，使车间的用水压力保持恒定值。针对以往供水系统的弊端，本课题采用恒压供水控制方案，即供水管道的压力始终恒定。具体的做法是通过安装在供水管道里的压力传感器所获得的模拟信号（4200A）传至PLC，经CPU运算处理后与设定的信号进行比较，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制令和变频器的频率设定河南理工大学毕业设计(论文)说明书2值，控制泵站投水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。(1)本课题的主要任务是:实现水泵的变频调速以及恒压供水实现水泵的软启、软停该控制方案具有手动和自动操作功能具有消防和报警功能实现节能(2)本课题的意义及背景:近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。可以说，变频技术已为大多数用户所接受。但是，不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距。目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6%左右，而工业发达国家已达60%70%；日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10%，而我国还不足0.01%；在日本，空调器的70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术尚有很大的发展空间，我们应该锲而不舍地做好推广应用工作。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市供水不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市发展和人民生活的需要。自八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市河南理工大学毕业设计(论文)说明书3的自来水公司。变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能源。在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示:中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右,若推广新型电机调速技术,可节电40%左右,即可以节约全国发电量的1/5.由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在我国一方面水电供应紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人.节电节水,不仅潜力巨大,而且意义深远。用户用水的多少是经常变动的,因此,供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用户和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上:用户多而供水少,则压力小；用户少而供水多,则压力大.保持供水的压力恒定,可使供水和用户之间保持平衡,即用水多时供水也多,用水少时供水也少,从而提高了供水的质量。恒压供水对于某些工业或特殊用户是非常重要地.例如在某些生产过程中,若自来水因故压力不足或短时缺水,可能影响产品质量,严重时使产品报废和设备损坏.又如当发生火警时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以,某些用水区采用恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义。1.1供水系统组成该控制系统主要装置包括：可编程控制器（PLC），变频器，PID控制器以及相关软件控制单元，该装置形成一套完整的，智能的恒压供水控制系统。采用PLC作为中心控制单元，利用变频器与PID结合，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果以及明显的节能效果。调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定河南理工大学毕业设计(论文)说明书4值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节；它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。PLC同时还是变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如:手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。变频器有两个控制信号：目标信号XT：即给定端VR上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。目标信号也可以由键盘直接给定，而不必通过外接电路来给定。反馈信号XF：是压力变送器BP反馈回来的信号，该信号是一个反应实际压力的信号。目标信号的确定：目标信号的大小除了和所要求的压力的控制目标有关外，还和压力传感器的量程有关。举例说明如下：设：用户要求的供水压力为0.3MPa，压力传感器的量程为0-1MPa，则目标值应设为30%。在恒压供水控制系统中，关键技术主要是变频技术。目前效率最高、性能最好的系统是变压变频调速控制系统。变频器由主回路（包括整流器、滤波器、逆变器）和控制电路组成。整流器的作用是把三相交流整流成直流。滤波器是用来缓冲直流环节和负载之间的无功能量。逆变器最常见的结构形式是利用六个半导体器件开关组成的三相桥式逆变电路，有规律地控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。控制电路主要是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。变频器的基本原理是利用逆变器中的开关元件，由控制电路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一系列等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。1.1.1恒压供水的目的对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，河南理工大学毕业设计(论文)说明书5流量是供水系统的基本控制对象。而如上所述，流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡情况有关。如：供水能力QG用水需求QU，则压力上升；如：供水能力QG用水需求QU，则压力下降；如：供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。1.1.2用于恒值系统的控制方案对于被控对象的数学模型比较复杂，生产工艺提出的恒定值的精确度又不高的变频调速控制系统，如果采用PID调节器方案进行调节变频器往往效果不理想，有时还不如开环控制的效果好。在这种情况喜爱采用BANG-BANG控制方案，效果比较理想。但是对于被控对象的数学模型比较复杂，生产工艺提出的恒定值的精确度又很高的变频调速控制系统，如果采用大范围用BANG-BANG控制、小范围用PID调节器进行调节变频器的方法，往往效果也不是那么理想。在这种情况下采用模糊控制方案，效果比较理想。下面简要介绍PID算法函数的实现以及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)式中积分系数为Ki=ciKTT式中微分系数为KdcdKTT河南理工大学毕业设计(论文)说明书6（2）PID控制整定方法它主要根据经验直接在控制系统的实验中进行，方法简单、易于掌握。速度PID比例增益P对系统性能的影响：比例增益P设定V/F闭环控制时误差值的增益，比例增益P加大，使系统的动作灵敏，速度加快，P偏大，振荡次数增多，调节时间加长。当P太大时，系统会趋于不稳定、容易产生振荡；若P太小，又会使系统动作缓慢。速度PID积分时间I对系统性能的影响：积分环节I设定V/F闭环控制时PID动作的相应速度，以缓解因速度PID比例增益设定过大而引起的超调，通常使系统的稳定性下降。I偏大，对系统性能的影响减小。当I合适时，过渡过程比较合适。速度PID微分时间D对系统性能的影响：速度PID设定PID动作的衰减作用，以缓解因速度PID积分时间设定过大的缺点。微分控制D可以改善动态特性，当D偏大或偏小时，超调量较大，调节时间也较长，只有D合适时，可以得到比较合适的过渡过程。（3）系统参数的确定该供水系统的用水量变化较大，要求系统具有快速反应能力及良好的稳定性。因此在确定PID参数时要兼顾系统的稳固性和灵敏度，P参数尽可能大，以保证系统有良好的稳定性，在集中供水时保证系统压力在设计要求的恒压范围内；I、D参数的选取应保证系统具有良好的灵敏度和抗干扰性。经过反复试验得出各参数的取值，P:6080；I:1015；D:13。变频到工频的切换采用时间原则，即水泵电机变频工作到额定转速后，撤销变频，自由减速一定时间，待转速略有降低后立即投入工频工作。时间的长短要使工频接入时其启动电流在额定电流的150%内，而且保证电机与变频器连接的接触器安全断开。1.2常见的压力变送器（1）远传压力表：其基本结构是在压力表的指针轴上附加了一个能够带动电位器的滑动触点的装置。因此，从电路器件的角度看，实际上是一个电阻值随压力而变的电位器。使用时，需另行设计电路，将压力的大小转换成电压或河南理工大学毕业设计(论文)说明书7电流信号。远传压力表的价格较低廉，但由于电位器的滑动点总在一个地方摩擦，故寿命较短。（2）压力传感器：其输出信号是随压力而变的电压或电流信号。当距离较远时，应取电流信号，以消除因线路电压降引起的误差。通常取4-20mA，以利区别零信号和无信号。该控制系统采用压力传感器作为压力变送器。（3）电接点压力表：这是比较老式的一种，在压力的上限位和下限位都有电接点。这种压力表比较直观，为相当一部分用户所熟悉。1.3方案论证以往的供水利用阀门调节供水量，此种供水方案经过多年的使用存在种种弊端，有如下问题制约生产的安全、稳定运行：(1)用户的用水量随季节、时间的变化而变化，使供水量难以控制；而整个供水系统为能满足最大供水量的要求，做出了较大的设计余量，这样使得在用水量较低时浪费了大量的电能。(2)操作人员频繁增减泵的运行台数或者通过调节阀门来保持水量的平衡，这样不但增加了操作人员的劳动强度，而且难以保证供水压力的恒定