变频流量自动控制系统设计.doc

电力拖动控制系统课程设计成绩 题目： 变频流量自动控制系统设计 教学单位： 控制工程学院 专 业： 自动化 学 号： 1109101046 姓 名： 王 磊 指导教师： 王 宁 2014年11月目 录1工程概况11.1系统概述11.2系统控制要求：11.3流量自动控制系统结构框图21.4主电路设计21.5控制线路设计32 元器件的选择42.1 变频器的选型52.2 变频器接线图52.3 涡街流量计的选型62.4 PLC的选型73 PID在PLC中实现73.1 PLC实现PID控制的方式 73.2 PID控制器的数字化73.3输入输出变量的转换83.4 PID指令及其回路表103.5 PID在PLC中实现的梯形图114 小节与体会13参考文献131工程概况1.1系统概述汽提塔废水处理流量自动控制系统用涡街流量计、PLC与变频器构成反馈的闭环流量控制系统。用调节5.5KW化工泵转速，保证废水流量稳定、满足汽提塔的工艺要求、并可根据现场处理情况自动切换流量（两挡），满足工业现场废水处理要求。两台变频器、两台化工泵一用一备（互为备用）保证系统运行可靠。图1.1 汽提塔流量控制系统的工作原理(1)由流量传感器测量污水管的进水口流量，流量变化信号变换成标准420mA电流信号(便于远距离传送信号)、液位传感器将缓冲罐液位开关信号传送PLC实时控制。(2)把信号传到有相关软件的PLC、根据汽提塔工艺要求、现场污水排放量进行智能型PI调节控制。1.2系统控制要求：本系统恒压变量供水系统是在2台5.5电机拖动的水泵机组能够满足废水总量设计要求的前提下,达到全自动闭环液位控制系统, 1) 污水流量进行智能型PI调节控制。2)具有短路、欠压、过载、过流等诸多保护功能。1.3流量自动控制系统结构框图图1.2流量自动控制系统结构框图变频调速系统将管道流量作为控制对象，涡街流量器将管道的流量转变为电信号送给PLC，通过PLC实现PID算法控制。在PLC中，将流量信号与流量给定值进行比较，并根据差值的大小按预先设定好的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和频率，调整水泵的转速，从而使实际流量始终维持在给定流量上。另外，采用该方案后，水泵从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时大电流对电网的冲击和启动给水泵带来的机械冲击。1.4主电路设计控制过程为：根据液位开关给定的档位，经过PLC的PID控制算法计算，将输出量输出给变频器再控制水泵送水。有两台变频器和水泵互为备用。在必要时还可以切换成手动控制。图1.3主电路图1.5控制线路设计 PLC控制线路如图1.4、1.5所示，控制电路控制正常运行、停车、手动切换，但当主变频器1出现故障时，变频器内部继电器R1的常闭触点R1（R1B，R1C）断开，交流接触器KM1、KM2线圈断电，切断变频器与交流电源和电动机的连接。同时R1的常开触点R1（R1A，R1C）闭合，一方面接通由蜂鸣器HA和指示灯HL组成的声光报警电路，另一方面PLC内部定时器定时，其常开触点延时闭合，自动接通备用变频器2运行电路。此时操作人员应及时将SA拨到备用变频器位置，声光报警结束，及时检修变频器。在变频器运行时，不能通过SB1停车，只能通过SB3以正常模式停车，与SB1并联的KA常开触点保证了这一要求。图1.4 PLC控制线路图1.5 PLC的输入端口2 元器件的选择2.1 变频器的选型根据我们所用的水泵功率为5.5kW，因此我们选用施耐德Altivar31型变频器。性能描述：功率范围：0.18-15KW； 电压等级：200500V； 加减速时间、曲线调整； 点动、电动电位器、给定值记忆； 给定值切换； PI调节器，预置PI设定，PI调节器自动手动切换； 摆频控制，限位开关控制； 马达切换，抱闸控制； I/o设置：3个模拟输入，1模拟逻辑混合输出；逻辑端口可配置，支持正负逻辑；自动直流注入；降低噪声的开关频率控制；混合模式（给定、控制命令源的组合）； 故障停车模式管理（自由停车，快速停车，直流制动停车）； 飞车起动断电时受控停车，可在供电电压低至50情况下工作电机热保护。2.2 变频器接线图本课题采用的是2线控制，模拟电压信号由PLC输出经AI1端子给定。参数设置如下：1）drCFCSInI恢复出厂设置；2）FLtOPLnO电机缺相不检测；3）I-OtCC2C设置控制方式；4）I-OrrSLI2设置反转（变频器默认，可以不设置）；5）CtLFr1AI1设置给定方式；PLC控制KA1、KA2、KA3、KA4闭合，电机正转，变频器显示运行频率。PLC输出模拟量至变频器AI1端，控制变频器运行频率，继而控制水泵电机的转速。图2.1变频器接线图2.3 涡街流量计的选型 本系统采用LUGB型涡街流量计，LUGB 型涡街流量计是根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。并可作为流量变送器应用于自动化控制系统中。参比条件下涡街流量传感器工况流量范围表如表2.1所示，其主要参数如下： 精度等级：1、1.5 ；连接方式：法兰夹装、法兰连接等；介质温度：-40250、-40350； 公称压力：2.5Mpa(2.5 Mpa)；输出方式：脉冲输出、4-20mA标准信号； 供电电源：24V；3.6V锂电池；仪表结构：组合型、分离型； 防爆标志：ExibCT6 ；传输距离：传感器至显示仪距离可达1000m。2.4 PLC的选型本系统采用的是西门子S7-200可编程序控制器。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。3 PID在PLC中实现3.1 PLC实现PID控制的方式用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法：(1)使用PID过程控制模块：这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的，并放在模块中，用户使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便。(2)使用PID功能指令：它是用于PID控制的子程序，与模拟量输入输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制的效果，但价格便宜得多。如S7-200的PID指令。(3)用自编的程序实现PID闭环控制：在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下，仍希望采用某种改进的PID控制算法，此时用户需要自己编制PID控制程序。3.2 PID控制器的数字化 PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础，将其数字化，写成离散形式的PID方程，再根据离散方程进行控制程序的设计。 在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图3.1所示。图1中sp(t)是给定值；pv(t)为反馈量；c(t)为系统的输出量，PID控制器的输入输出关系如下式所示：式中：M(t)为控制器输出；Mo为输出的初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)为误差信号；Kc为比例系数；T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。等号右边前三项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的1项或2项，可以组成P，PD或PI控制器。 图3.1 闭环控制系统框图假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式1离散化，第n次采样时控制器的输出如式(2)所示：式中：en-1为第n-1次采样时的误差值；K1为积分系数；KD为微分系数。 基于PLC的闭环控制系统如图2所示，图中虚线部分在PLC内，spn，pvn，en，Mn分别为模拟量sp(t)，pv(t)，e(t)，M(t)在第n次采样的数字量。在许多控制系统中，可能只需要P，I，D中的1种或者2种控制类型。例如，可能只要求比例控制或比例与积分控制，通过设置参数可对回路控制类型进行选择。 图3.2 PLC的闭环控制系统框图3.3输入输出变量的转换 PID控制有输入量2个：给定值sp和过程变量pv。给定值通常是固定值，过程变量通常是经过AD转换和计算后得到的被控量的实测值。给定值和过程变量都是和被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样，对于PID指令的输出，在将其送给DA转换器之前，也需要进行转换。回路输入的转换：首先，将给定值或AD转换后得到的整数值由16位整数转换为浮点数，可以用下面的程序实现这种转换： 然后，将实数进一步转换成0.01.0之间的标准数，可用式3对给定值及过程变量进行标准化：式中：RNorm为标准化实数值；RRaw为标准化前的值；offset为偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5；Span为取值范围，等于变量的最大值减去最小值，单极性变量的典型值为32 000，双极性变量的典型值为64 000。 下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span=64 000)转换为0.01.0之间的实数的转换程序为：回路输出的转换： 回路输出即PID控制器的输出，它是标准化的0.01.0之间的实数。将回路输出送给DA转换器之前，必须转换成16位二进制数，这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的式(4)将回路输出转换为实数：式中，RScal是回路输出对应的实数值；Mn是回路输出标准化的实数值。将回路输出转换为对应的实数的程序为：将代表回路输出的实数转化为16位整数的指令为：3.4 PID指令及其回路表PID指令如图3.3所示。 指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)，引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。回路表如表3.1所示： 图3.3 PID指令表3.1 过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输入值Mn，它被限制在0.01.0之间。如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM 1.1(溢出或非法数值)被置为1，并将中止PID指令的执行，想要消除这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。3.5 PID在PLC中实现的梯形图有涡街流量计送入PLC的模拟量输入端的数据只是4-20mA的电流，需要经过一些转换才能为PID程序模块所使用。首先，将电流转换成电压，再经过数据格式转换后送入PID模块数据区进行相关控制。其梯形图如图3.4所示。图3.4 PID在PLC中实现梯形图 4 小节与体会在这次课程设计中，我的收获颇多。在老师的指导下我学会了用 用plc软件编程。同时在设