1、題 目 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 英文題目作 者 聲 明本人以信譽(yù)鄭重聲明:所呈交的學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 ,是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下 由本人獨(dú)立撰寫(xiě)完成的,沒(méi)有剽竊、抄襲、造假等違反道德、學(xué)術(shù)規(guī)范和其他侵權(quán)行為。 文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出,不包含他人成果及為獲得東 華理工大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。對(duì)本設(shè)計(jì)(論文的研究做 出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文引起的法 律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文成果歸東華理工大學(xué)所有。特此聲明。畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文作者(簽字 :年 月 日本人聲明:該學(xué)位論文是本人指導(dǎo)學(xué)生完成

2、的研究成果, 已經(jīng)審閱過(guò)論文的全部?jī)?nèi)容, 并能夠保證題目、關(guān)鍵詞、摘要部分中英文內(nèi)容的一致性和準(zhǔn)確性。學(xué)位論文指導(dǎo)教師簽名:年 月 日摘要摘 要本論文根據(jù)中國(guó)城市小區(qū)的供水要求, 設(shè)計(jì)了一套基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) , 并利用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)良好的運(yùn)行管理界面。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、 水泵機(jī)組、壓力傳感器等構(gòu)成。系統(tǒng)包含三臺(tái)水泵電機(jī),它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。采 用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速,運(yùn)行切換采用 “ 先啟先停 ” 的原則。壓 力傳感器檢測(cè)當(dāng)前水壓信號(hào), 送入 PLC 與設(shè)定值比較后進(jìn)行 PID 運(yùn)算, 從而控制變頻器的 輸出電壓和頻率,進(jìn)而改

3、變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變供水量,最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定 值附近。通過(guò)工控機(jī)與 PLC 的連接,采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控, 實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯 示及數(shù)據(jù)、報(bào)警的查詢。變頻恒壓技術(shù)集低成本、高度自動(dòng)化、高穩(wěn)定性、高可靠性、高效節(jié)能、方便調(diào)試等 優(yōu)點(diǎn)于一身。當(dāng)前變頻恒壓控制正逐步走向全數(shù)字化控制和各種體系化的發(fā)展方向。追求 高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化,在將來(lái)給水系統(tǒng)設(shè)備將占領(lǐng)城鎮(zhèn)各個(gè)樓層、各個(gè)用水單位 的絕大部分市場(chǎng)。關(guān)鍵詞:變頻器; PLC; 傳感器; 恒壓供水; 調(diào)速AbstractAccording to the requirements of the Chinese urban comm

4、unity water supply, this paper designed a set of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system based on PLC, and by using configuration software to develop a good operation management interface. Frequency constant pressure water supply system by programmable controll

5、er, inverter, pump, pressure sensor, etc. System consists of three water pump motor, their operation mode of frequency conversion cycle. Adopt inverter for three-phase pump motor soft start and frequency control of motor speed, running switch based on the principle of inception to stop. The current

6、hydraulic pressure sensor signal, into after compared with the set value of PID of PLC, frequency converter to control the output voltage and frequency, and change the water pump motor speed to change water supply, eventually maintain stability of the pipe network pressure near the set point. Throug

7、h the industrial computer and PLC connection, using configuration software to complete the system monitoring, the dynamic running state display and data, alarm queries.Frequency conversion constant pressure technology collection of low cost, high automation, high stability, high reliability, high ef

8、ficiency and energy saving, convenient debugging, etc. Current frequency conversion constant pressure control is gradually towards the development direction of full digital control and a variety of systematism. Pursuit of highly intelligent, seriation, standardization, and in the future water supply

9、 system equipment will be occupied towns each floor, each unit of water most of the market.Key words: transducer; PLC ; sensor constant; pressure water supply; speed regulation目 錄緒論 . . 1 1.1課題的提出及其意義 . . 1 1.2供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀 . . 1 1.3 PLC概述 . . 2 1.4西門(mén)子 S7-200PLC 簡(jiǎn)介 . . 21.5本課題的主要研究?jī)?nèi)容 . . 22系統(tǒng)的理論分析和控

10、制方案確定 . 4 2.1電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 . . 4 2.2恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 . . 4 2.3控制方案的對(duì)比和確定 . . 5 2.4 本系統(tǒng)的工作原理 . 62.5 水泵的實(shí)際增減條件分析 . 63 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . . 8 3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 . 8 3.2系統(tǒng)的主電路分析以及設(shè)計(jì) . . 93.4 PLC的 I/O端口分配及外圍接線圖 . . 104系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) . 12 4.1軟件設(shè)計(jì)分析 . . 12 4.2 PLC的程序設(shè)計(jì) . . 12 4.2.1控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì) . 12 4.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì) . 16 4.3 PID控制及其算法 . . 18

11、 4.3.1 PID控制原理簡(jiǎn)介 . 184.3.2 PID參數(shù)整定及波形圖仿真 . 195監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 21 5.1組態(tài)軟件及其通信參數(shù)設(shè)置 . . 21 5.2新建工程和組態(tài)變量 . . 22 5.3組態(tài)畫(huà)面 . . 23 5.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面 . 23 結(jié) 論 . . 25 致 謝 . . 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。 參考文獻(xiàn) . . 26 附錄 . . 27緒論1.1課題的提出及其意義.目前,不論城市還是農(nóng)村用水量都在增長(zhǎng)。不同的時(shí)間,不同的季節(jié),不同的地理環(huán) 境和人口數(shù)量等都或多或少的會(huì)影響到用水量,老的供水方式不能滿足居民的用水需求和 用水安全。供水壓力是否恒定對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和一些用戶來(lái)

12、說(shuō)是非常重要的,如果遇到緊急 情況,由于水壓的不穩(wěn)定而導(dǎo)致發(fā)生的火災(zāi),甚至導(dǎo)致了人員的傷亡,那將后悔莫及。而 由于用水量的多少是時(shí)時(shí)刻刻都在變動(dòng)的,人多的時(shí)候自然壓力大,人少時(shí)壓力低。確保 管道壓力變化很小,實(shí)現(xiàn)用水與供水基本平衡。這不僅保障了用戶用水安全,減少事故的 發(fā)生,還起到了節(jié)約水資源的目的。因此老的給水設(shè)計(jì)早已不能達(dá)到人們的需求。要想滿 足人們的這一需求減少水資源的浪費(fèi),采用變頻恒壓給水設(shè)計(jì),摒棄以前的設(shè)計(jì),無(wú)疑是 目前非常合理、可高、方便、安全、節(jié)能、省心的選擇。我國(guó)是個(gè)水資源缺乏的國(guó)家,另外我國(guó)的水泵機(jī)雖然數(shù)量多、范圍廣、類型多,在技 術(shù)上也有自己的一定水平,但是和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還

13、有不小的差距。使用變頻恒壓技術(shù)不僅 具有上述意義,還能為我國(guó)水泵機(jī)的研究發(fā)展出力。因此,本論文的研究設(shè)計(jì)具有多個(gè)重 要意義。1.2供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展快速的后幾年內(nèi)變頻恒壓也快速的發(fā)展起來(lái),由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻 器的功能一般都限于速度控制,從制動(dòng)控制、頻率控制、變頻調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制、控制和 各種保護(hù)功能。變頻恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)施機(jī)構(gòu),為滿足不同的供水規(guī)模的需求,以確保恒 定的壓力管道,需要增加壓力控制器和外部的壓力傳感器,與外部的壓力傳感器,形成閉 環(huán)控制。目前,這類項(xiàng)目的恒壓供水系統(tǒng)中存在著大量的企業(yè)在做;其中絕大部分水管的 調(diào)節(jié)、管網(wǎng)壓力的檢測(cè)和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等都是用的發(fā)達(dá)國(guó)

14、家的變頻器,還有些廠家用的是單 片機(jī);有的采用 PLC 來(lái)控制及相應(yīng)軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在一些其他方面還達(dá)不到特殊客戶的 具體要求。如穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)平衡性等。從搜查的文件資料來(lái)看,有多數(shù)國(guó)外的設(shè)計(jì)采用的 是一臺(tái)變頻器控制只控制了一臺(tái)水泵機(jī)組,因此存在成本較高的情況。德國(guó)人在 1964年 最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制和 PWM 技術(shù)結(jié)合到交流傳動(dòng)中。從 20世紀(jì) 80年代后 半期開(kāi)始,從上世紀(jì) 80年代的后半部分,基于變頻調(diào)速技術(shù)的通用變頻器已經(jīng)商業(yè)化并 廣泛應(yīng)用于美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。在我國(guó),通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗掉的電量占了 60%, 因此如何通過(guò)電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)來(lái)達(dá)到節(jié)約電能的目的, 一直備

15、受到國(guó)家相關(guān) 單位和 專業(yè)人士的重視。目前,我國(guó)從事變頻恒壓設(shè)計(jì)的工作單位約有 200家左右,但自己研發(fā) 生產(chǎn)的變頻產(chǎn)品和發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)的同類產(chǎn)品相比,還存在比較大的技術(shù)水平差距的。 1968年, 丹弗斯公司獨(dú)創(chuàng)并第一個(gè)設(shè)計(jì)出產(chǎn)變頻器后, 變頻器技術(shù)的提高表現(xiàn)在體系的穩(wěn)定性、 高效性、節(jié)能性以及自動(dòng)化水準(zhǔn)等方面。另外其顯著地節(jié)能效果被廣泛發(fā)現(xiàn)認(rèn)可。此后, 國(guó)外大部分研究變頻器工廠開(kāi)始注重具備帶有恒壓給水功效的變頻器且大力研發(fā)生產(chǎn);像瑞士 ABB 集團(tuán)推出的空調(diào)變頻技術(shù);法國(guó)的施耐德公司首先研發(fā)出恒壓給水基板,基板上 附帶著 PID 和 PLC 控制器,通過(guò)相應(yīng)的程序代碼實(shí)現(xiàn)的可編程控制器和控制功

16、能,如電子 控制系統(tǒng),配有配套恒壓供水系統(tǒng)。這將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的直接控制,在一些內(nèi)置的電磁 接觸器的工作,可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)七個(gè)電機(jī)在同一時(shí)間的供水系統(tǒng)。但美中不足的是,它的輸 出端的擴(kuò)展靈敏性不夠強(qiáng),導(dǎo)致體系的動(dòng)靜性能與穩(wěn)定性相對(duì)低些,在與其他監(jiān)控系統(tǒng)或 組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙方的通信上存在一定障礙,另外限制了帶負(fù)載的容量,因此在適用范 圍這塊比其他窄。顯而易見(jiàn),如今變頻調(diào)速恒壓系統(tǒng)的研究領(lǐng)域要解決的問(wèn)題有:能在各種用水環(huán)境下 運(yùn)行:能完美的與當(dāng)前的控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)并且一齊統(tǒng)籌體系的電磁兼容 性恒壓系統(tǒng)給水閉環(huán)監(jiān)控,在這一領(lǐng)域仍然存在技術(shù)的缺乏。所以說(shuō),變頻恒壓給水體系 的研發(fā)在全球范圍

17、內(nèi)還有較大鉆研空間,使其能更好的服務(wù)于社會(huì)各個(gè)層面。1.3 PLC概述可編程控制器,簡(jiǎn)稱 PLC ,它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用控制裝置。國(guó)際電工委員會(huì) 在 1987年頒布了 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案,對(duì) PLC 做了以下概念 :“ PLC 是一種電子裝置,運(yùn)用于產(chǎn) 業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的數(shù)字運(yùn)算操作。它遠(yuǎn)用能夠編程的存儲(chǔ)器,在內(nèi)置的存儲(chǔ)器中進(jìn)行各種各 樣的復(fù)雜的操作指令, 能夠以控制輸入和輸出的數(shù)字量、 模擬量來(lái)監(jiān)控各類生產(chǎn)制作過(guò)程。 正是因?yàn)?PLC 的強(qiáng)大功能,被廣泛用于各種制造生產(chǎn)和加工過(guò)程的自控系統(tǒng)中。可編 程控制器在民用和家庭自動(dòng)化中得到了廣泛的應(yīng)用,其功能強(qiáng)大、操作開(kāi)放性強(qiáng),不僅是 應(yīng)用最廣泛的控

18、制設(shè)備。 PLC 的廣泛應(yīng)用程度、強(qiáng)大的功能是其他控制設(shè)備難以超越的。 1.4西門(mén)子 S7-200PLC 簡(jiǎn)介西門(mén)子公司具有品種多樣的 PLC 產(chǎn)品。 S7系列是經(jīng)典的 PLC , S7-200屬于小型 PLC , 分別在 1998年和 2004年進(jìn)行了 2次升級(jí),其特點(diǎn)如下:(1 體型小,但功能多。可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能;(2 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué);(3 硬件配套齊全,用戶使用方便;(4 抗干擾性強(qiáng),可靠性高;(5 能耗低,體積小;(6 維修方便等。1.5本課題的主要研究?jī)?nèi)容本次策劃是以小區(qū)給水為控制目標(biāo), PLC 結(jié)合變頻器,設(shè)計(jì)一套包含 PLC 、變頻器、 傳感器、水泵機(jī)組、監(jiān)控系統(tǒng)及用戶等

19、組成的恒壓供水系統(tǒng),力求做到可靠,安全節(jié)能。 該系統(tǒng)由三個(gè)泵馬達(dá),形成一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換周期。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相水泵電機(jī)的工 頻調(diào)速和變頻調(diào)速,運(yùn)行切換采用 “ 先變后工 ” 的原則。即先啟動(dòng)一臺(tái)水泵機(jī)從變頻慢慢加 速,當(dāng)達(dá)到最大值時(shí),保持不變進(jìn)入工頻。壓力傳感器檢測(cè)到當(dāng)前的實(shí)際水壓信號(hào),并在 可編程控制器和人工設(shè)定值之間的比較后發(fā)送控制偏差操作,得到的偏差信號(hào)用來(lái)控制輸出頻率,輸出頻率的改變帶動(dòng)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速改變實(shí)現(xiàn)給水量的變化,最后確保持管道壓力 值與設(shè)定值相差不大,這不僅供水量達(dá)到了用戶要求還使管道得到了保護(hù)。經(jīng)過(guò)工控機(jī)與 PLC 相結(jié)合,利用組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控,達(dá)到了動(dòng)態(tài)顯示工作狀態(tài)、數(shù)

20、據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)報(bào) 警的監(jiān)控目的。2系統(tǒng)的理論分析和控制方案確定2.1電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理水泵是三相異步電動(dòng)機(jī),其轉(zhuǎn)速公式為:60(1 f n s p=- (2.1 式中, f 是頻率, p 是電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù), s 是轉(zhuǎn)差率。很明顯,改變式中出現(xiàn)的字母就是調(diào)速方法,即 ;(l f調(diào)速法(改變 f (2 p調(diào)速法(改變 p (3 s調(diào)速法(改變 s 改變 p 的調(diào)控方式為有級(jí)調(diào)速,其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、費(fèi)用少、節(jié)能效果好、效率高;其缺 點(diǎn)是要有專門(mén)的變極電機(jī),級(jí)差較大(變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化大只適用于一些特定的場(chǎng)合的特 定生產(chǎn)。改變 s 的調(diào)節(jié)方式一般采用串級(jí)調(diào)速方法, 其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)轉(zhuǎn)差功率的回收起較好的作用, 節(jié)能效果明顯

21、, 調(diào)速性能突出。 其缺點(diǎn)很明顯就是線路比較復(fù)雜, 由此增加了能源的損耗。 此外其成本高,難以推廣。改變 f 的調(diào)試方法,即我們常說(shuō)的變頻調(diào)速。從公式中我們可以看出,當(dāng) s 基本穩(wěn)定 時(shí),轉(zhuǎn)速 n 基本與 f 成正比。通過(guò)調(diào)節(jié)電源頻率,就可以改變水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速,變化的快 慢程度隨電源頻率變化快慢而變化。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,目前已經(jīng)研發(fā)出了各 類功能良好、穩(wěn)定的變頻調(diào)速裝配,并廣泛應(yīng)用于變頻恒壓系統(tǒng)中。綜上述說(shuō),改變 f 的調(diào)速方法最適合本設(shè)計(jì)課題。2.2恒壓供水系統(tǒng)的基本特征在供水系統(tǒng)中,揚(yáng)程 H 與供水水流量 Q 之間的關(guān)系我們稱之為揚(yáng)程特性, 它是本系統(tǒng) 中重要的描述 H 與 Q

22、關(guān)系的特性。在閥門(mén)開(kāi)度一定,水泵機(jī)的轉(zhuǎn)速一定時(shí),用戶的用水情 況直接決定了水流量的多少,即用水頻率。因此, H=f*Q。另一管阻特性是指泵的轉(zhuǎn)速是 恒定的,該閥在一個(gè)特定的開(kāi)啟度與曲線之間的關(guān)系。如下圖所示,由于水管不論大小、 水位不論高低等都存在一定的阻力因素,當(dāng)上述情況一定時(shí),水泵的一小部分水的動(dòng)能必 定要用以平衡液位差和網(wǎng)道存在的一定阻力,而管阻特性正是用來(lái)反應(yīng)這一現(xiàn)象的。如圖2.1 的 A 點(diǎn)中,用戶的用水流量 Qu 和系統(tǒng)供水量 Qc 處于平衡狀態(tài),此時(shí)系統(tǒng)既滿足了揚(yáng) 程特性。又滿足了管阻特性,系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。 H圖 2.1系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的基本特性曲線本系統(tǒng)的節(jié)能原理在于:在實(shí)際用

23、水中,客戶在不同時(shí)間不同地點(diǎn)的用水量是不斷變 化的,如果說(shuō)閥門(mén)開(kāi)度在一段時(shí)間內(nèi)不變的話,必然回出現(xiàn)超壓或者低壓的情況,導(dǎo)致能 源的浪費(fèi)。而變頻恒壓調(diào)速是通過(guò)改變水的動(dòng)能來(lái)控制流量的。換言之,當(dāng)用水量增大時(shí) 水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速加快;反之,轉(zhuǎn)速減小,從而使官網(wǎng)壓力恒定,達(dá)到節(jié)能的目的。2.3控制方案的對(duì)比和確定當(dāng)前我國(guó)變頻恒壓給水設(shè)備的控制方式主要有:邏輯控制模式;單片機(jī)控制模式以及 可編程控制模式。1. 邏輯電子控制這種類型的控制基本上是用在一個(gè)單泵是固定在變頻狀態(tài)下,而且很難做到所有的水 泵機(jī)組的軟啟動(dòng)和全流量變頻,所以控制精度低。2. 單片機(jī)控制方式這類方式優(yōu)于前著,但其缺點(diǎn)是:處理不同的水管以及

24、用水波動(dòng)較大時(shí),調(diào)試依然麻 煩。想要對(duì)系統(tǒng)增加其他附加功能時(shí)要對(duì)電路重新設(shè)計(jì),不方便,功能性不強(qiáng),穩(wěn)定性偏 弱。3.PLC 控制方式該方式中可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速,能夠較好的解決前兩者方式的不足之處,調(diào)試簡(jiǎn) 單,抗干擾性強(qiáng),控制精確,高效節(jié)能,穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。綜上所述,本設(shè)計(jì)適合采用第三種控制方式。如下圖所示: 圖 2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)組成方案圖從圖中可以看出,該系統(tǒng)由一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器(帶比例控制,一個(gè)可編程控制器,一 個(gè)壓力傳感器,泵裝置(3個(gè)單位的設(shè)計(jì),報(bào)警裝置和一些輔助設(shè)備組成。其中壓力傳 感器有電阻式和壓力式兩種選擇。前者用來(lái)反饋 05V 電壓信號(hào),后者用來(lái)反饋 420mA 電流信號(hào),

25、本設(shè)計(jì)選用前者電阻方式。變頻器是本次設(shè)計(jì)的核心,通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速頻 率來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速、無(wú)波動(dòng)穩(wěn)壓的效果。2.4 本系統(tǒng)的工作原理當(dāng)合上空氣開(kāi)關(guān),將系統(tǒng)調(diào)到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)已啟動(dòng)了變頻器,壓力傳感器的實(shí) 際值和偏差信號(hào)的壓力值設(shè)置傳送給可編程控制器(經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,得出給定信號(hào)的 頻率(通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換,然后發(fā)送到變頻器。此時(shí)變頻器會(huì)依據(jù)所給信號(hào)和預(yù)先設(shè)定的信 號(hào)來(lái)監(jiān)制水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)確保管道壓力在壓力允許偏差范圍內(nèi),達(dá)到恒壓控制的目的。在變 頻器的頻率增加到 50HZ 時(shí),會(huì)把這一信號(hào)送給可編程器,此時(shí)可編程控制器根據(jù)該信號(hào) 和管道允許的壓力范圍信號(hào)來(lái)判斷是否需要啟動(dòng)下一臺(tái)水泵機(jī)。當(dāng)頻率在 50H

26、Z 并運(yùn)行一 小段時(shí)間(可以是 1-2分鐘上述條件仍然滿足時(shí), PLC 會(huì)立即把當(dāng)前的變頻水泵切換到 工頻保持其轉(zhuǎn)速,同時(shí)用變頻啟動(dòng)下一臺(tái)水泵,再按照上述條件控制直到滿足用水需求和 允許的壓差。2.5 水泵的實(shí)際增減條件分析在上述的系統(tǒng)工作原理流程中,已經(jīng)闡明增泵條件,減泵條件大同小異,即當(dāng)變頻水 泵和工頻水泵都工作在下限頻率時(shí),管道的實(shí)際壓力仍然高于設(shè)定壓力,為了達(dá)到恒壓的 目的,此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減少工頻水泵。這些理論分析其實(shí)和實(shí)際是存在一定差距的,接下 來(lái)進(jìn)行實(shí)際分析。我們知道 50HZ 是上限頻率,那下限頻率是 0嗎?答案是否定的,實(shí)際控制中, 由于管 道中的水會(huì)給水泵機(jī)一個(gè)反向的水壓阻力

27、,同時(shí)在一定程度上會(huì)阻礙管道進(jìn)水,所以當(dāng)頻 率降低到一定數(shù)值時(shí),已經(jīng)抽不上水了。這個(gè)值跟水泵的特性和系統(tǒng)有關(guān),從查詢的資料中了解到在 1020HZ左右。 實(shí)際的機(jī)組增減判別條件如下:當(dāng) UP f f = 2df s P P P +(2.2 且延時(shí)判別成立時(shí),減泵。 式中: UP f :上限頻率 LOW f :下限頻率s P :設(shè)定壓力 f P :反饋壓力 P d :偏差壓3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)上述 PLC 設(shè)計(jì)原理以及增減泵分析思想,現(xiàn)將系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如下: 圖 3.1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖圖中包含的系統(tǒng)組成主要有:變頻器;水泵機(jī)組;可編程控制器;通訊模塊;壓力 變送器

28、及顯示儀表;液位變送器等。現(xiàn)將它們的選型制作如下表。表 3.1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單這里提一下變頻器的選擇:由于本設(shè)計(jì)中 PLC 選擇的西門(mén)子 S7-200型號(hào),為了方便 PLC 和變頻器之間的通信, 我們選擇西門(mén)子的 MicroMaster440變頻器。 它采用模塊化結(jié)構(gòu), 組態(tài)靈活,有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能,有內(nèi)置的 RS-485/232C接口和用于簡(jiǎn) 單過(guò)程控制的 PI 閉環(huán)控制器,可以根據(jù)用戶的特殊需要對(duì) I/O端子進(jìn)行功能自定義。快 速電流限制實(shí)現(xiàn)了無(wú)跳閘運(yùn)行,磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,低頻時(shí)也可以輸出大 力矩。 MicroMaster440變頻器的輸出功率為 0.

29、7590KW,適用于要求高、功率大的場(chǎng)合, 恰好其輸出信號(hào)能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。另外選擇西門(mén)子的變頻器可以通過(guò) RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門(mén)子 PLC 相連,更便于設(shè)備之間的通信。 3.2系統(tǒng)的主電路分析以及設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)采用 3臺(tái)水泵循環(huán)變頻的工作模式。 為避免有某一臺(tái)水泵長(zhǎng)期運(yùn)行, 而存在 其余水泵長(zhǎng)期休停的情況, 在 PLC 編程中設(shè)定當(dāng)有水泵連續(xù)工作超過(guò) 3小時(shí), 則切換另一 臺(tái)休停的水泵來(lái)代替運(yùn)行,即系統(tǒng)具備人性化的“輪休功能”。承接上文的設(shè)計(jì)思路,現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路圖如下: 圖 3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖圖中 M1、 M2、 M3為三臺(tái)電機(jī) ,它們分別帶

30、動(dòng)水泵 1、水泵 2、水泵 3(圖中未畫(huà)出 轉(zhuǎn)動(dòng)抽水。 M1、 M2、 M3由接觸器 KM1、 KM3、 KM5控制其在工頻狀態(tài)下運(yùn)行; M1、 M2、 M3由接觸器 KM2、 KM4、 KM6控制其在變頻狀態(tài)下運(yùn)行。 M1、 M2、 M3這 3臺(tái)水泵電的過(guò)載保 護(hù)由 FR1、 FR2、 FR3來(lái)實(shí)現(xiàn);變頻器和 2臺(tái)水泵電機(jī)的電路隔離開(kāi)關(guān)依次是 QF1、 QF2, FU當(dāng)電機(jī)處于工頻狀態(tài)時(shí),接到變頻器的隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi),輸出端的接觸器斷開(kāi),接通工 頻接觸器和工頻可離開(kāi)關(guān)。 熔斷器 FU 實(shí)現(xiàn)短路保護(hù); 熱繼電器 FR 實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。 在運(yùn)行 中, 禁止變頻和工頻同時(shí)進(jìn)行, 并且不允許輸出的轉(zhuǎn)換器被

31、直接連接到電源。 在變頻與工 頻轉(zhuǎn)換時(shí), 必須現(xiàn)將所連接的接觸器斷開(kāi)。 即每?jī)膳_(tái)接觸器不能同時(shí)動(dòng)作, 兩兩只間要有 互鎖設(shè)計(jì)。在電機(jī)剛開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)需注意其轉(zhuǎn)向,若反向,可通過(guò)改變電源的相序來(lái)調(diào)整。 另外值得注意的是, 當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)為了保護(hù)人體安全, 須采用軟啟動(dòng)或者自耦變壓器 降壓?jiǎn)?dòng)來(lái)減小電流,在此次設(shè)計(jì)中采用軟啟動(dòng)。3.3系統(tǒng)內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)及分析S7-200系列 PLC 性能優(yōu)越是本次設(shè)計(jì)的控制中心,要實(shí)現(xiàn)控制的功能有:(1能夠 自動(dòng)有序的控制 3臺(tái)水泵的運(yùn)行;(2能夠在 3者之間將完成工、變頻的相互轉(zhuǎn)換;(3在每臺(tái)水泵啟動(dòng)時(shí)要能達(dá)到軟啟動(dòng);(4水泵機(jī)組要有手動(dòng)擋和自動(dòng)擋(自動(dòng)擋便于應(yīng)急

32、和調(diào)試或者修檢;(5系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。3.4 PLC的 I/O端口分配及外圍接線圖本設(shè)計(jì)需要考慮的因素綜合如下 :1. 考慮到用戶在白天和晚上的用水量有明顯的不同,故設(shè)計(jì)了白天和黑夜 2種運(yùn)行模 式,一般情況下,白天用水量大,故水壓設(shè)定值相對(duì)高;夜晚用水量相對(duì)少,故水壓設(shè)定 值低些;2. 為避免在用水量小而存在某臺(tái)水泵機(jī)長(zhǎng)期工作,其余長(zhǎng)期休停情況,如上文提到須 設(shè)計(jì)切換另外 1臺(tái),即“輪休功能”。超過(guò) 3小時(shí)進(jìn)行切換。結(jié)合 3.1所提到的功能要求,統(tǒng)計(jì)輸入輸出信號(hào)、地址和代碼匯總?cè)缦? 表 3.4-1輸入點(diǎn)代碼及地址編號(hào)匯總系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)綜合上述表格,設(shè)計(jì)可編程控制器接線圖如下所示: 圖

33、 3.4-2主電路接線圖 (截圖不太清楚已單獨(dú)打印 由表 3.4-1可見(jiàn)本次設(shè)計(jì)有 5個(gè)輸入量,其中 4個(gè)數(shù)字量 1個(gè)模擬量。圖中 SA1是用 來(lái)控制白天與夜間之間的轉(zhuǎn)換的開(kāi)關(guān), 輸入 I0.0; 模擬量的壓力輸入信號(hào)來(lái)源于壓力變送 器對(duì)管壓的測(cè)量;圖中作為模擬量的水位信號(hào)來(lái)自于液位變送器對(duì)液位的監(jiān)測(cè);做 A/D轉(zhuǎn) 換后送入窗口比較器。當(dāng)檢測(cè)到水位不在設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí), I0.1得到輸出為 1的高電平; 故障輸出端與可編程控制器的 I0.2連接,組成故障報(bào)警裝置。由表 3.4-2可知, 本系統(tǒng)有 12個(gè)輸出信號(hào), 其中 11個(gè)數(shù)字量, 1個(gè)模擬量。 Q0.0Q0.5分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻 /

34、變頻運(yùn)行信號(hào); Q1.1輸出水位超限報(bào)警信號(hào); Q1.2輸出變 頻器故障報(bào)警信號(hào); Q1.3輸出白天模式運(yùn)行信號(hào); Q1.4輸出報(bào)警電鈴信號(hào); Q1.5輸出變 頻器復(fù)位控制信號(hào); AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)分析上述硬件連接好后,接下來(lái)就是軟件的設(shè)計(jì)編寫(xiě)了。結(jié)合設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)對(duì)軟件設(shè)計(jì)分 析:1. 恒壓的實(shí)現(xiàn)為了達(dá)到恒壓這一目的, 在水壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)須改變變頻器的輸出頻率, 當(dāng)達(dá)到增減 水泵的條件時(shí)還必須通過(guò)增減水泵來(lái)達(dá)到恒壓。 可通過(guò)比較指令來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能, 另外在 程序中應(yīng)采用 時(shí)間濾波,忽略偶然的頻率波動(dòng)引發(fā)的到達(dá)上限的假象。2. 水泵機(jī)組

35、的合理運(yùn)行機(jī)制為了保護(hù)水泵機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行下去, 每次的啟動(dòng)都應(yīng)該是軟啟動(dòng), 加上上文提到 的“輪休功能”,即某臺(tái)水泵不能連續(xù) 3小時(shí)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。處理方法是:將正在運(yùn) 行的變頻器移除,接工頻電源,再將其復(fù)位并用來(lái)啟動(dòng)新的水泵 .3. 程序的結(jié)構(gòu)其功能實(shí)現(xiàn)程序分為 3部分:主程序,中斷程序和子程序。為節(jié)省掃描時(shí)間,子程序中放置初始 化程序;用定時(shí)器中斷來(lái)完成 PID 的定時(shí)采樣和輸出監(jiān)控。主程序功能有:白天、夜間模 式到達(dá)設(shè)定值的控制切換;各個(gè)水泵切換信號(hào)處理;報(bào)警裝置控制等。其中白天模式設(shè)定 在滿量程的 80%左右,夜間設(shè)置在 60%左右比較合理。4.2 PLC的程序設(shè)計(jì)S7-200的

36、 3中編程語(yǔ)言分別是 ;STL(語(yǔ)句表 、 LAD(梯形圖 、 FWD (功能塊圖。其中 梯形圖是簡(jiǎn)單易學(xué)的,是最常用的語(yǔ)言,此次設(shè)計(jì)采用梯形圖編程。4.2.1控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)1. 系統(tǒng)初始化程序系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的初始化,檢測(cè)在各個(gè)地方的狀態(tài),如果有一個(gè)錯(cuò)誤則 立即報(bào)警,對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器的上限和下限頻率,控制參數(shù)實(shí)行初始化處理,并給出相應(yīng)的初 始值。初始化是主程序調(diào)用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2. 增減泵的判斷程序當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到滿足 2.5中式子 (2.1 時(shí), PLC 的控制程序進(jìn)行增泵控制, 當(dāng)滿足式 (2.2 時(shí),減泵。3. 水泵的軟啟動(dòng)程序復(fù)位變頻器為增加或減少泵或倒泵的軟啟動(dòng)做好準(zhǔn)備條

37、件,同時(shí)下一臺(tái)泵的變頻啟動(dòng) 指令信號(hào)和目前水泵的工頻啟動(dòng)指令都由變頻器產(chǎn)生。啟動(dòng)前做延時(shí)準(zhǔn)備工作,實(shí)現(xiàn)軟啟 動(dòng)。4. 各水泵工頻和變頻運(yùn)行控制邏輯程序上文已做描述。5. 報(bào)警及故障處理程序此次設(shè)計(jì)中包含水位出限預(yù)警、變頻器非正常工作報(bào)警和各個(gè)報(bào)警指示燈設(shè)備。一旦 出現(xiàn)故障事件,與其所對(duì)應(yīng)的報(bào)警裝置會(huì)立即閃爍,另外警鈴不停響起。當(dāng)調(diào)試燈按鈕置 1時(shí),則所有指示燈一直閃亮。故障出現(xiàn)后,需要再次設(shè)定工頻機(jī)的工作臺(tái)數(shù)和變頻水泵機(jī)號(hào)。故障停止信號(hào)在結(jié)束 時(shí)發(fā)出。綜上所述主程序設(shè)計(jì)主要包括一下幾個(gè)部分:(1 子程序的調(diào)用,用來(lái)賦予初始值;(2 根據(jù)增、減泵條件確定;(3 變頻泵號(hào)的確定;(4 對(duì)工、變頻泵

38、的控制;(5 報(bào)警及故障的處理。由于其主程序圖較復(fù)雜,在這里不變?nèi)慨?huà)出,只畫(huà)出控制流程圖。圖 4.2.1-1 系統(tǒng)主程序流程圖 1 圖 4.2.1-2系統(tǒng)主程序流程圖 4.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)(1初始化子程序 SBR_0上文提到下限頻率在 1020HZ之間,上限為 50HZ ,為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行,我們下限 選 20HZ 。設(shè)定輸出頻率范圍為 0 100Hz ,給定值分別為 16000和 6400的上限和下限。 首先初始化變頻運(yùn)行的上下限頻率,之后設(shè)定上下限頻率,定時(shí)中斷以及中斷連接在后續(xù) 給出,子程序梯形圖如下圖所示: 圖 4.2.2-1 初始化子程序 SBR_0梯形圖(2 PID 控制

39、中斷子程序AQW0輸出的模擬信號(hào)由自身的數(shù)據(jù)采集先通過(guò)標(biāo)化轉(zhuǎn)換后,再經(jīng) PID 運(yùn)算才得到的。 其程序梯形圖如下 : 圖 4.2.2-2 PID 控制中斷子程序 INT_0梯形圖4.3 PID控制及其算法在此次設(shè)計(jì)中,我們選用的是帶有 PID 調(diào)節(jié)的可編程控制器來(lái)達(dá)到閉環(huán)系統(tǒng)監(jiān)制的。 PID 分別指的是 P 比例、 I 積分、 D 微分。 PID 發(fā)展到今天有著理論與技術(shù)成熟, 控制操作 簡(jiǎn)單效果好,應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)。 4.3.1 PID控制原理簡(jiǎn)介其控制為線性控制,原理框圖如下: 圖 4.3 PID控制原理框圖u(t是調(diào)節(jié)量由 PID 調(diào)節(jié)得到,控制規(guī)律表示如下:1( ( ( ( p d i

40、de t y t K e t e t dt T T dt =+ (4.3-1式中:Kp 是系數(shù); Ti 是積分時(shí)間常數(shù); Td 是微分時(shí)間常數(shù)。所對(duì)應(yīng)的傳函是:( 1( (1 ( P d i U s G s K T s E s T s =+ (4.3-24.3.2 PID參數(shù)整定及波形圖仿真參數(shù)整定方法大致有兩大類:理論推理法和工程法。后者整定方法有:現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)法、 阻尼振蕩法、動(dòng)態(tài)特性法和穩(wěn)定邊界法。此次選用的是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法,它是指:依據(jù)體 系的廣義開(kāi)環(huán)過(guò)程(包含調(diào)節(jié)閥 W V (s、被控目標(biāo) W O (s和測(cè)量變送 Wm(s所產(chǎn)生的階躍 響應(yīng)特點(diǎn)來(lái)估摸運(yùn)算的辦法。結(jié)構(gòu)框圖如圖 4.3.2所

41、示。 圖 4.3.2-1 恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖選擇 PI 控制器可以更好的做到更精確控壓,傳函為:11( 1C I W s T s =+ (4.3.2-1 本 系 統(tǒng) 可 大 概 的 看 作 是 一 階 慣 性 環(huán) 節(jié) , , 帶 純 滯 后 。 設(shè) 其 過(guò) 程 傳 函 為3002( 3001s O W s e s -=+;變頻器此時(shí)作為比例環(huán)節(jié),即 ( 50V W s =;則反饋回路傳函是:( 0.03m W s =。本系統(tǒng)具有自動(dòng)平衡能力。當(dāng) 0.21.5T時(shí),0.0812.60.6T-=+0.8I T T =解出:3=, 240I T =那么 PI 控制器的傳遞函數(shù)為:112401( 1

42、3240720C s W s s s+=+= 用 matlab 軟件仿真,輸入程序后得到的仿真波形圖如圖 4.3.2-2所示, 圖 4.3.2-2 恒壓供水系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真波形圖加入滯后環(huán)節(jié)如圖 4.3.2-3所示。 圖 4.3.2-3 加入純滯后環(huán)節(jié)后的仿真波形圖從圖中可以看出,系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)用時(shí)較短,而且輸出壓力信號(hào)穩(wěn)定,滿足設(shè)計(jì)要 求。5監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1組態(tài)軟件及其通信參數(shù)設(shè)置組態(tài)軟件是收集數(shù)據(jù)和監(jiān)制運(yùn)行過(guò)程的專業(yè)應(yīng)用軟件。 能以多種靈活方式為使用者給 出優(yōu)良的開(kāi)發(fā)界面及簡(jiǎn)易方便的操作。組態(tài)軟件主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、圖形界面系統(tǒng)、 第三方程序接口模塊和控制功能模塊組成。本設(shè)計(jì)中選擇“

43、組態(tài)王”軟件制作監(jiān)控系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)和 CPU 的通信由 PPI 來(lái)完成。使用串口 1,雙擊工程瀏覽器的設(shè)備文件 夾中的“ COM1”圖標(biāo),在出現(xiàn)的對(duì)話框中設(shè)置波特率為 19200bit/s,如圖 5.1-1所示: 圖 5.1-1 串口 1的參數(shù)設(shè)置此后, 點(diǎn)擊右側(cè)工作區(qū)的 “新建” 圖標(biāo), 在對(duì)話框的 PLC 文件夾中找到 S7-200型號(hào), 選擇 PPI 協(xié)議,再連續(xù)多次點(diǎn)擊下一步直到完成為止。 將會(huì)出現(xiàn)有“新的 IO 設(shè)備” 圖標(biāo), 設(shè)置完畢。如下圖所示: 圖 5.1-2 通信協(xié)議的設(shè)置5.2新建工程和組態(tài)變量雙擊“組態(tài)王”軟件并啟動(dòng)項(xiàng)目管理器,創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目“基于 PLC 控制的

44、恒壓供 水系統(tǒng)設(shè)計(jì)“。雙擊新建過(guò)程,點(diǎn)工程瀏覽器,再點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)字典”,將會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)設(shè)定 好的內(nèi)存變量。雙擊右下角的“新建”圖標(biāo),在彈出的對(duì)話框中(見(jiàn)下圖 5.2-1設(shè)定輸入 輸出的各個(gè)變量點(diǎn)。其他變量的定義也是如此設(shè)定。(見(jiàn)下圖 5.2-2。 圖 5.2-1 定義變量對(duì)話框圖 5.2-2 數(shù)據(jù)詞典中的變量列表5.3組態(tài)畫(huà)面建立組態(tài)畫(huà)面有一下幾個(gè)步驟:1. 建立一個(gè)新畫(huà)面:點(diǎn)擊“畫(huà)面”在瀏覽器的左邊,雙擊工作區(qū)的新圖標(biāo),在彈出的 對(duì)話框中輸入名稱單擊確認(rèn)進(jìn)入系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)界面。2. 動(dòng)態(tài)畫(huà)面的創(chuàng)造:點(diǎn)擊工具箱會(huì)出現(xiàn)各種繪圖工具以繪制監(jiān)控畫(huà)面,之后點(diǎn)擊動(dòng)畫(huà) 鏈接。3. 控制過(guò)程的流程編寫(xiě):點(diǎn)擊窗口 -文件 -命令語(yǔ)言 -應(yīng)用程序命令語(yǔ)言”進(jìn)行編程。4. 按鈕,指示燈配置:按鈕可用來(lái)執(zhí)行一些操作指令;指示燈多用于指示系統(tǒng)的工作 狀態(tài)。5.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面繼承前面的敘述本系統(tǒng)建立了 5個(gè)界面,包括啟動(dòng)界面、主界面、歷史和實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲 線界面、數(shù)據(jù)報(bào)表界面和報(bào)警界面。考慮到用戶的安全性問(wèn)題,為不同用戶提供了不同的 使用權(quán)限。 另外主菜單能夠調(diào)出每一個(gè)控制面, 在運(yùn)行的主界面中也能改變壓力給定值等。 主界面實(shí)時(shí)顯示了 3個(gè)變頻調(diào)速泵的速度、工作頻率、設(shè)定壓力值和目前壓力值,實(shí)時(shí)的 時(shí)間,自動(dòng) /手動(dòng)工作狀態(tài),設(shè)備故障報(bào)警顯示等。如下圖所示