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变频
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变频恒压供水控制系统原型设计与开发,变频,供水,控制系统,原型,设计,开发
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变频恒压供水控制系统原型设计与开发机械工程及自动化专业 刘玄 指 导 老 师 陆宝春 摘要 本文以供水管网压力稳定控制为研究对象,综合应用变频器、PLC、组态软件等硬软件平台,研究并建立供水管网压力稳定控制的方案,设计一个变频恒压供水系统的实验原型,完成系统原型的部分软件开发工作。关键词 变频调速 恒压供水 PLC1 绪论在日常生活中,由于受陈旧的供水设备和输送管路的限制,例如在用水高峰期,水的供给量常常低于需求量,出现水压降低,水供不应求的现象;而在用水低峰期,水的供给量常常高于需求量,出现水压升高,水供过于求的现象,此时将会造成能量的浪费,同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。因此如何保证在供水量波动的时候水压恒定,采取变频调速恒压控制是现代供水控制系统的主要方式。它利用PLC、传感器、变频器及水泵机组组成闭环控制系统,使管网压力保持恒定,代替了传统供水控制方案,具有自动化程度高,高效节能的优点,在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用,并取得了明显的经济效益。2 变频恒压供水系统的理论分析2.1 变频调速供水原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体,通过变频器调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转速为: 式中:异步电机的定子绕组电源频率 异步电机的磁场极对数 异步电机的转差率 异步电机的同步转速(r/min) 异步电机转速(r/min) 由上面式子可以看出,要改变电机的转速,可以通过改变电源频率、极对数以及转差率三个方面来实现,各种交流电机的调速都是围绕着这三个方面来考虑的,其调速方法有:变极调速、变转差率调速和变频调速。在众多调速方式中,变频调速优于其它交流调速方式。在上面式子中,当极对数不变时,电机转子转速n与定子电源频率成正比,因此连续调节异步电机供电电源的频率,就可以连续平滑地调节电机的同步转速,从而调节其转子的转速。变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法,它被广泛地应用于对水泵电机的调速。2.2 变频恒压控制的原理框图变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标,在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数,也可以是一个时间分段函数,在每一个时段内是一个常数。所以,在某个特定时段内,恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。从图2.1中可看出,在系统运行过程中,如果实际供水压力低于设定压力,控制系统将得到正的压力差,这个差值经过PID计算和转换,计算出变频器输出频率的增加值,该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值,将这个增量和变频器当前的输出值相加,得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大,从而使实际供水压力提高,在运行过程中该过程将被重复,直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力,情况刚好相反,变频器的输出频率将会降低,水泵机组的转速减小,实际供水压力因此而减小。同样,最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。如图2.1所示: 图2.1 变频恒压控制的原理图2.3 变频恒压供水的PID调节原理在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为Proportional ( 比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制,简称PID控制,又称PID调节。在本供水系统的设计中,选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定,较好地满足系统的恒压要求。其原理框图如图2.2所示:图2.2 PID控制原理框图PID控制器是根据目标值(设定值)与反馈值(测量值)之间构成的偏差e(t): 经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t),对被控对象进行控制。其控制规律为: 式中: 为比例系数; 为积分时间常数; 为微分时间常数; 为偏差信号; 为输出;PID调节过程首先引入比例常数,在系统稳定的情况下,减小稳态误差,提高精度,但是加大只能减小稳态误差,不能消除稳态误差。然后引入积分控制,消除系统的稳态误差,提高控制系统的控制精度。最后引入微分控制,减小系统的超调量,改善系统品质。3 变频恒压供水系统的方案确定3.1 变频恒压供水控制系统方案设计与选择通过几种方案的论证,选取采用了“通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器”的控制方式。由于PLC的特点,这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点,又能达到系统稳定性及控制精度的要求。为提高系统的控制灵活性和方便性,本系统在此方案基础上增加上位监控计算机。3.2 变频恒压供水系统的构成由于本文的供水系统主要用于小区居民生活用水,其水量主要集中在早、晚两个用水高峰段,平时处于低流量状态,因此我们采用多台水泵并联供水,根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合,使供水压力始终保持为设定值。本文采用四台水泵,其中三台主泵和一台附属小泵组成了供水系统。由图3.1结构框图所示,变频恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。如图3.1所示:图3.1 供水系统结构框图3.3 变频恒压供水系统的控制流程系统包含四台水泵电机,其中三台主泵电机组成变频循环运行方式,采用通用变频器实现对三相水泵电机的变频调速,运行切换采用“先启先停”的原则;另一台小泵电机采用工频恒速运行方式,使系统在用水量很低时,可以停止所有的主泵,用小泵进行补水。整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。4 变频恒压供水系统的软硬件设计4.1 系统主要硬件构成根据第3章中所阐述的变频恒压供水系统的原理,系统所需的主要硬件包括:水泵机组、变频器、PLC及其扩展模块、触摸屏、压力变送器及数显仪。则其系统的电气控制结构图如图4.1所示:图4.1 系统的电气控制结构图4.2 系统电路设计遵循设计思路,对系统的主电路及控制电路设计,如图4.2、图4.3所示:图4.2 系统主电路图4.3 系统控制电路4.3 PLC程序设计本系统中PLC型号为三菱FX2N-32MR。其输入输出总点数为32点,采用8进制编号,其中输入、输出点数各16点,输出类型为继电器型,其扩展输出模块FX2N-16ETR有16个输出点。本系统的程序是建立在变频恒压供水的方案和控制流程基础上,按照PLC应用的步骤开发完成的。程序控制的目的是实现整个供水系统恒压运行,为此必须控制变频器的频率以及四台水泵的顺序投入与切换,使得供水量的变化与用户用水量的变化基本保持同步,保证水网水压的恒定,同时保证系统的安全性与可靠性。PLC控制程序有一个主程序及若干子程序。包括:系统运行主程序、故障检测子程序、数字PID控制子程序、水泵切换子程序、与计算机进行通讯子程序。5 变频恒压供水监控系统设计监控系统采取上、下位机的组成方式。上位机采用计算机,主要任务是获取现场水泵、变频器等运行状况信息,完成实时显示,并对故障及时报警通过PLC控制可以实现变频恒压供水系统的自动运行。下位机为三菱FX2N-32MR的PLC,其主要任务是完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。5.1 PLC与上位机的通信本系统必须实现PLC与计算机之间的通讯。三菱FX2N系列PLC的通讯接口为RS422,而计算机采用RS232串行通讯接口,要实现通讯,必须进行接口类型的转换。与计算机链接,是用专用协议进行数据传输,考虑到距离原因,选用RS-485通信方式。为此在PLC和计算机之间增加扩展的通讯模块RS232C/RS485信号转换器FX-485PC-IF、RS485通信适配器FX0N-485ADP和RS-485通信用功能扩展板FX2N-CNV-BD。如图5.1所示:图5.1 通信系统硬件结构在对PLC通信程序设置设计中,PLC通讯程序设计只需对D8120、D8121和D8239三个特殊功能寄存器的内容进行设置,确定通信格式和通信协议即可。选择的通信参数为波特率9600,偶校验,7位数据,1位停止位,站点位为1,校验时间为10ms,其梯形图如图5.2所示:图5.2 PLC通信参数设置梯形图5.2 上位机监控界面设计本文选用昆仑通态的MCGS组态软件作为上位机软件开发监控平台,实现供水状况的远程监控。监控系统的主要功能要求,包括控制功能、监控功能、通信功能、故障报警功能。其监控主界面,如图5.3所示:图5.3 监控主界面6 结束语变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体,采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性,方便地实现供水系统的集中管理和监控,同时系统具有良好的节能性。研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。参 考 文 献1 魏景田. 基于变频调速的恒压
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