变频流量自动控制系统.doc

本科生课程设计题 目： 变频流量自动控制系统的设计 课 程： 电力拖动自动控制系统 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 完成日期： 扬州大学能源与动力工程学院电力拖动自动控制系统设计任务书1题 目 变频流量自动控制系统的设计2原始资料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 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。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。3具体任务及技术要求1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出流量自动控制系统结构框图；2) PLC、变频器、选择； 3) 画出该控制系统的原理图。(主电路、plc控制电路、变频器控制电路)4)流量自动控制系统变频器的节能控制分析；5)PID原理分析与选用；PID在PLC中实现。 4实物内容及要求课程设计报告文本内容包括：1.封面；2.任务书；3.目录；4.正文；5.参考文献6.附录（课程设计有关程序）。5完成期限任务书写于2011年2月16日，完成期限为2011年2月25日6指导教师王永华 吴远网目 录1工程概况- 5 -1.1系统概述- 5 -1.2系统控制要求：- 5 -1.3流量自动控制系统结构框图- 6 -1.4主电路设计- 6 -1.5控制线路设计- 7 -2 元器件的选择- 8 -2.1 变频器的选型- 9 -2.2 变频器接线图- 13 -2.3 涡街流量计的选型- 14 -2.4 PLC的选型- 15 -3 PID在PLC中实现- 16 -3.2 PID控制器的数字化- 17 -3.3输入输出变量的转换- 18 -3.4 PID指令及其回路表- 19 -4 小节与体会- 22 -5 参考文献- 24 -1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。（1） 变频器常用参数1、上限频率（高速）SEtHSP与下限频率（低速）SEtLSP 上限频率是最大给定所对应的频率，下限频率是最小给定所对应的频率。上下限频率的设定是为了限制电动机的转速，从而满足设备运行控制的要求。2、加速时间（加速斜坡时间）SEtACC与减速时间（减速斜坡时间）SEtdEC 加速时间是变频器从0Hz加速到额定频率（通常为50Hz）所需的时间，加速斜坡类型由FUnrPCrPt设置。减速时间是变频器从额定频率减速到0Hz所需的时间。设定加、减速时间必须与负载的加、减速相匹配。电机功率越大，需要的加、减速时间也越长。一般11kW以下的电机，加、减速时间可设置在10s以内。对于大容量的电机，若设置加速时间太短，可能会使变频器过流跳闸；设置减速时间太短，可能会使变频器过压跳闸。对于多电机同步运行的情况，若设置加速时间太短，可能会使变频器过流跳闸，设置加速时间太长，会使开车 时同步性能变坏；设置减速时间太短，可能会使变频器过压跳闸，设置减速时间太长，由于各电机功率不同，负载差异较大，可能会使各电机不能同时停转，造成下次开车困难。因此，多电机同步运行时，需要精确设置加、减速时间，这也是设备调试的主要项目之一。3、保存配置drC（或I-O、CtL、FUn）SCS 对于经常使用的设置或经现场调试可行的设置，可以保存起来，在需要的时候可以恢复。但保存配置只能保存一次，再次保存时，原来保存的设置就被新保存的设置所替代。SCS参数一被保存，就自动变为nO。4、返回出厂设置/恢复配置drC（或I-O、CtL、FUn）FCS 变频器在调试期间，可能出现由于操作不当等原因，偶尔发生功能、数据紊乱等现象，遇到这种情况可以恢复配置（FCS参数设置为rECI）或者返回出厂设置（FCS参数设置为InI），然后重新设置参数。FCS参数一被保存，就自动变为nO。5、电机缺相检测FLtOPL 电机缺相检测是变频器的基本功能，也是实际使用时必需的。但在济南星科的实验台中，由于配备的电机功率太小且空载，电机电流几乎等于零，变频器检测不到电机电流，认为没有接电机。所以，在实验室必须把OPL参数设置为nO（电机缺相不检测），否则变频器无法运行。但实际使用时一定把OPL参数设置为yES（电机缺相检测）。(2)变频器的操作运行1、本机控制 本机控制是通过变频器操作面板上的RUN和STOP键控制变频器的运行与停止，通过I-O菜单tCC参数设置为LOC激活此功能，即I-OtCCLOC。如果功能访问等级CTLLAC设置为L3高级功能，本机控制功能不可用，即I-OtCC不出现LOC。 如果控制柜安装在操作现场，并且变频器的操作面板露在控制柜的操作面板上，可采用本机控制。通常情况下，本机控制很少采用。 本机控制的默认设置是FUnPSSPS2LI3，FUnPSSPS4LI4，所以要使用LI3 和LI4端子，FUnPSSPS2 和FUnPSSPS4参数必须设置为nO。2、外部端子控制（1）2线控制 2线控制是通过变频器端子LI1和LIX（X为26）控制变频器的运行与停止，通过I-O菜单tCC参数设置为2C激活此功能。 2线控制的接线图如图2.1所示。在2线控制方式中，LI1为正转控制端子，接入24V，变频器正转运行，断开24V变频器停止，不需要设置；LIX为反转控制端子，接入24V，变频器反转运行，断开24V变频器停止，通过I-O菜单rrS参数设置具体端子，变频器的默认设置为LI2，一般使用默认设置。 LI1 LI2 LIX +24V 变 频 器 K1 K2 K3图2.2 3线控制接线图 LI1 LIX +24V变 频 器图2.1 2线控制接线图K1K2 若只需要电机正转运行，反转控制端不接线，即不用开关K2就可以了，但该端子不能用作其它用途，除非I-O菜单rrS参数设置为nO。 2线控制的另一个默认设置是把LI3和LI4端子分配给2段和4段速度控制，即FUnPSSPS2LI3，FUnPSSPS4LI4，所以要使用LI3 和LI4端子，FUnPSSPS2 和FUnPSSPS4参数必须设置为nO。 2线控制是用得最多的一种控制方式，一般的控制电路都采用2线控制。（2）3线控制 3线控制是通过变频器端子LI1、LI2和LIX（X为36）控制变频器的运行与停止，通过I-O菜单tCC参数设置为3C激活此功能。 3线控制的接线图如图2.2.2所示。在3线控制方式中，LI1为停止端子，接入24V，为变频器运行做准备；断开24V，已运行的变频器停止，没运行的变频器不能起动，LI1端子的功能不需要设置。LI1一般接常闭触点，如图2.2中的K1。（3） 变频器的给定方式 变频器的给定方式也就是如何使变频器升速和降速，Altivar31变频器有两个给定配置，给定配置1为CtLFr1，给定配置2为CtLFr2。Fr1和Fr2通过CtLrFC选择或切换。常有以下几种方式。1、本机给定 本机给定就是通过变频器的操作面板升降速。施耐德Altivar31变频器是通过操作面板上的电位器升降速，以前的变频器多数采用这种方式，现在的变频器多数是通过操作面板上的键升降速，面板上没有升降速电位器。Altivar31变频器是通过CtL菜单Fr1或Fr2参数设置为AIP激活此功能。 Altivar31变频器的默认给定通道为Fr1，默认给定方式为本机给定，即CtLrFCFr1，CtLFr1AIP。 如果控制柜安装在操作现场，变频器的操作面板露在控制柜的操作面板上，并且不需要同步调速时，可使用本机给定。2、模拟输入端子给定 Altivar31变频器有3个模拟输入端子，分别是AI1、AI2、AI3，公共端为COM。（1）AI1端子给定 AI1端子给定就是通过变频器的控制端子AI1给定，给定信号为010V电压信号，0V对应低速（SEtLSP参数），10V对应高速（SEtHSP参数），通过CtL菜单Fr1参数设置为AI1激活此功能。若CtLrFCFr2或需要两个给定通道切换时，通过CtL菜单Fr2参数设置为AI1激活此功能。（2）AI2端子给定 通过变频器控制端子AI2给定，给定信号为010V电压信号，“”电压电动机正转，“”电压电动机反转，通过CtL菜单Fr1参数设置为AI2激活此功能。若CtLrFCFr2或需要两个给定通道切换时，通过CtL菜单Fr2参数设置为AI2激活此功能。（3）AI3端子给定 通过变频器控制端子AI3给定，给定信号为XYmA电流信号，通过CtL菜单Fr1参数设置为AI3激活此功能。若需要两个给定通道切换时，通过CtL菜单Fr2参数设置为AI3激活此功能。 X对应下限频率(低速)，通过I-O菜单CrL3参数设置，设置范围为020mA，通常设置为4mA。 Y对应上限频率（高速），通过I-O菜单CrH3参数设置，设置范围为420mA，通常设置为20mA。 如果Y小于X，则电流越大，频率越低。3、逻辑输入端子给定 逻辑输入端子给定也就是通过按钮升降速。它是Altivar31变频器的高级功能，必须将功能访问等级CtLLAC设置为L2或L3，才能进行设置。 通过按钮升降速就是在逻辑输入端子上接入升速按钮和降速按钮，如图2.2.3所示。按下升速按钮SB1开始升速，松开SB1按钮停止升速；按下降速按钮SB2开始降速，松开SB2按钮停止降速。 逻辑输入端子LIX1和LIX2由下列参数设置，但必须保证LIX1和LIX2是其它功能没用过的端子，包括变频器的默认设置。CtLLACL2或L3设置功能访问等级；CtLFr2UPdt设置给定方式；CtLrFCFr2选择给定通道；FUnUPdUSPLIX1设置升速逻辑输入端子位置；FUnUPddSPLIX2设置降速逻辑输入端子位置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1.6 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