基于PLC的变频恒压供漆系统设计文档格式.docx
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用漆量一般是动态的,因此供漆不足或供漆过剩的情况时有发生。
而用漆和供漆之间的不平衡集中反映在供漆的压力上,即用漆多而供漆少,则压力低;
用漆少而供漆多,则压力大。
保持供漆压力的恒定,可使供漆和用漆之间保持平衡,即用漆多时供漆也多,用漆少时供漆也少,从而提高了供漆的质量。
恒压供漆系统对于生产是非常重要的。
在生产供漆时,若自来漆供漆因故压力不足或短时断漆,可能影响生产质量。
所以,采用恒压供漆系统,在生产中是非常有必要的。
随着电力技术的发展,变频调速技术的日臻完善,以变频调速为核心的智能供漆控制系统取代了以往的供漆设备,起动平稳;
由于泵的平均转速降低了,从而可延长泵的使用寿命。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能,将使供漆实现节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的。
1.2PLC概述
1.2.1可编程控制器的定义
可编程控制器,简称PLC(ProgrammablelogicController),是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会(InternationalElectricalCommittee)颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.2.2PLC的发展和应用
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司(DEC)研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展漆平,早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器,使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言[5],并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;
从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;
从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业,被称为现代技术的三大支柱之一。
1.2.3西门子S7-200PLC简介
西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。
S7系列是传统意义的PLC,S7-200属于小型PLC,在1998年升级为第二代产品,2004年升级为第三代产品,其特点如下[6]:
(1)功能强大。
S7-200有5种CPU模块,最多可扩展7个扩展模块,扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O,最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间;
(2)先进的程序结构,功能强大、使用方便的编程软件;
(3)灵活方便的寻址方法;
(4)强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面;
(5)有竞争力的价格;
(6)完善的网上技术支持等。
1.3本课题的主要研究内容
本设计是以生产漆包线的供漆系统为控制对象,采用PLC和变频技术相结合技术,设计一套集中恒压供漆系统,并引用计算机对供漆系统进行管理保证整个系统运行可靠,安全节能,获得最佳的运行工况。
PLC控制变频恒压供供漆系统主要由变频器、可编程控制器、压力变送器、温度变送器和漆泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,本设计中有3台漆泵,一个漆箱,一台补漆泵,三台漆泵只有一台在变频器控制下作变速运行,其余漆泵做恒速运行。
PLC根据回路压力自动控制各个漆泵之间切换,并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算,输出给变频器控制其输出频率,调节流量,使供漆管道压力恒定。
各漆泵切换遵循先起先停、先停先起原则。
根据以上控制要求,进行系统总体控制方案设计。
硬件设备选型、PLC选型,估算所需I/O点数,进行I/O模块选型,绘制系统硬件连接图:
包括系统硬件配置图、I/O连接图,分配I/O点数,列出I/O分配表,熟练使用相关软件,设计梯形图控制程序,对程序进行调试和修改。
2系统的理论分析及控制方案确定
2.1变频恒压供漆系统的理论分析
2.1.1电动机的调速原理
电机多采用三相异步电动机,而其转速公式为:
N=60f/p(1-s)(2.1)
式中:
f表示电源频率,p表示电动机极对数,s表示转差率。
从上式可知,三相异步电动机的调速方法有:
(l)改变电源频率
(2)改变电机极对数
(3)改变转差率
改变电机极对数调速的调控方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有级调速,而且级差比较大,即变速时转速变化较大,转矩也变化大,因此只适用于特定转速的生产机器。
改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式,其最大优点是它可以回收转差功率,节能效果好,且调速性能也好,但由于线路过于复杂,增加了中间环节的电能损耗[7],且成本高而影响它的推广价值。
下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。
根据公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。
连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。
但是,单一地调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展,已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们促进了变频调速的广泛应用。
2.1.2变频恒压供漆系统的节能原理
供漆系统的扬程特性是以供漆系统管路中的阀门开度不变为前提,表明漆泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线,如图2.1所示。
由于在阀门开度和漆泵转速都不变的情况下,流量的大小主要取决于用漆情况,因此,扬程特性所反映的是扬程H与用漆量Qu间的关系H=f(Qu)。
而管阻特性是以漆泵的转速不变为前提,表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线,如图2-1所示,由于阀门开度的改变,实际上是改变了在某一扬程下,供漆系统向用户的供漆能力。
因此,管阻特性所反映的是扬程与供漆流量Qc之间的关系H=f(Qc)。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供漆系统的工作点,如图2-1中A点。
在这一点,用漆量Qu和供漆系统的供漆流量Qc处于平衡状态,供漆系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统稳定运行。
图2-1恒压供漆系统的基本特征
在供漆系统中,通常以流量为控制目的,常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。
阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量,漆泵电机转速保持不变。
由于实际用漆中,对于漆量的需求是变化的,若阀门开度在一段时间内保持不变,必然要造成超压或欠压现象的出现。
转速控制法是通过改变漆泵电机的转速来调节流量,而阀门开度保持不变,是通过改变漆的动能改变流量。
因此,扬程特性将随漆泵转速的改变而改变,但管阻特性不变。
变频调速供漆方式属于转速控制。
其工作原理是根据用漆量的变化自动地调整漆泵电机的转速,使回路压力始终保持恒定,当用漆量增大时电机加速,用漆量减小时电机减速。
由流体力学可知,漆泵给回路供漆时,漆泵的输出功率P与回路的漆压H及出流量Q的乘积成正比;
漆泵的转速n与出流量Q成正比;
回路的漆压H与出流量Q的平方成正比。
由上述关系有,漆泵的输出功率P与转速n三次方成正比,即:
(2.2)
(2.3)
(2.4)
(2.5)
式中k、k1、k2、k3为比例常数。
图2-2回路及漆泵的运行特性曲线
当用阀门控制时,若供漆量高峰漆泵工作在E点,流量为Q1,扬程为H0,当供漆量从Q1减小到Q2时,必须关小阀门,这时阀门的摩擦阻力变大,阻力曲线从b3移到b1,扬程特性曲线不变。
而扬程则从H0上升到H1,运行工况点从E点移到F点,此时漆泵的输出功率正比于H1×
Q2。
当用调速控制时,若采用恒压(H0),变速泵(n2)供漆,管阻特性曲线为b2,扬程特性变为曲线n2,工作点从E点移到D点。
此时漆泵输出功率正比于H0×
Q2,由于H1>
H0,所以当用阀门控制流量时,有正比于(H1-H0)×
Q2的功率被浪费掉,并且随着阀门的不断关小,阀门的摩擦阻力不断变大,管阻特性曲线上移,运行工况点也随之上移,于是H1增大,而被浪费的功率要随之增加。
所以调速控制方式要比阀门控制方式供漆功率要小得多,节能效果显著。
2.2变频恒压供漆系统控制方案的确定
2.2.1控制方案的比较和确定
恒压变频供漆系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、漆泵机组以及低压电器组成。
系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台漆泵或循环控制多台漆泵,实现回路漆压的恒定和漆泵电机的软起动以及变频漆泵与工频漆泵的切换,同时还要能对运行数据进行传输和监控。
根据系统的设计任务要求,有以下几种方案可供选择[8]:
(1)有供漆基板的变频器+漆泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单,它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供漆基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
它虽然微化了电路结构,降低了设备成本,但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦,无法自动实现不同时段的不同恒压要求,在调试时,PID调节参数寻优困难,调节范围小,系统的稳态、动态性能不易保证。
其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,数据通信困难,并且限制了带负载的容量,因此仅适用于要求不高的小容量场合。
(2)通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便,具有较高的性价比,但开发周期长,程序一旦固化,修改较为麻烦,因此现场调试的灵活性差,同时变频器在运行时,将产生干扰,变频器的功率越大,产生的干扰越大,所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供漆中。
(3)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
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口,可以方便地与其他的系统进行数据交换,通用性强;
由于PLC产品的系列化和模块化,用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上,只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线,当控制要求发生改变时,可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序,所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高,因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供漆场合,并且与供漆机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析,可以看出第三种控制方案更适合于本系统。
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。
2.2.2变频恒压供漆系统的组成及原理图
PLC控制变频恒压供漆系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的漆泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,该系统的控制流程图如图2-3所示:
图2-3变频恒压供漆系统原理图
从图中可看出,系统可分为:
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分,具体为:
(l)执行机构:
执行机构是由一组漆泵组成,它们用于将漆供入用户回路,其中由一台变频泵和两台工频泵构成,变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的漆泵,用以根据用漆量的变化改变电机的转速,以维持回路的漆压恒定;
工频泵只运行于启、停两种工作状态,用以在用漆量很大(变频泵达到工频运行状态都无法满足用漆要求时)的情况下投入工作。
(2)信号检测机构:
在系统控制过程中,需要检测的信号包括回路漆压信号、漆箱漆位信号和报警信号。
回路漆压信号反映的是用户回路的漆压值,它是恒压供漆控制的主要反馈信号。
此信号是模拟信号,读入PLC时,需进行A/D转换。
另外为加强系统的可靠性,还需对供漆的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测,检测结果可以送给PLC,作为数字量输入;
漆箱漆位信号反映漆泵的进漆漆源是否充足。
信号有效时,控制系统要对系统实施保护控制,以防止漆泵空抽而损坏电机和漆泵。
此信号来自安装于漆箱中的液位传感器;
报警信号反映系统是否正常运行,漆泵电机是否过载、变频器是否有异常,该信号为开关量信号。
(3)控制机构:
供漆控制系统一般安装在供漆控制柜中,包括供漆控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。
供漆控制器是整个变频恒压供漆控制系统的核心。
供漆控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集,对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法,得出对执行机构的控制方案,通过变频调速器和接触器对执行机构(即漆泵机组)进行控制;
变频器是对漆泵进行转速控制的单元,其跟踪供漆控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速控制。
根据漆泵机组中漆泵被变频器拖动的情况不同,变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式,变频循环式即变频器拖动某一台漆泵作为调速泵,当这台漆泵运行在50Hz时,其供漆量仍不能达到用漆要求,需要增加漆泵机组时,系统先将变频器从该漆泵电机中脱出,将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台漆泵电机;
变频固定式是变频器拖动某一台漆泵作为调速泵,当这台漆泵运行在50Hz时,其供漆量仍不能达到用漆要求,需要增加漆泵机组时,系统直接启动另一台恒速漆泵,变频器不做切换,变频器固定拖动的漆泵在系统运行前可以选择[9],本设计中采用前者。
作为一个控制系统,报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的供漆领域,所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行,防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供漆漆源中断造成故障,因此系统必须要对各种报警量进行监测,由PLC判断报警类别,进行显示和保护动作控制,以免造成不必要的损失。
变频恒压供漆系统以供漆出口回路漆压为控制目标,在控制上实现出口总回路的实际供漆压力跟随设定的供漆压力。
设定的供漆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回路的实际供漆压力维持在设定的供漆压力上[10]。
变频恒压供漆系统的结构框图如图2-4所示:
图2-4变频恒压供漆系统框图
恒压供漆系统通过安装在用户供漆管道上的压力变送器实时地测量参考点的漆压,检测回路出漆压力,并将其转换为4—20mA的电信号,此检测信号是实现恒压供漆的关键参数。
由于电信号为模拟量,故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较,将比较后的偏差值进行PID运算,再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号,控制变频器的输出频率,从而控制电动机的转速,进而控制漆泵的供漆流量,最终使用户供漆管道上的压力恒定,实现变频恒压供漆。
2.2.3变频恒压供漆系统控制流程
变频恒压供漆系统控制流程如下:
(l)系统通电,按照接收到有效的自控系统启动信号后,首先启动变频器拖动变频泵M1工作,根据压力变送器测得的用户回路实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率,控制Ml的转速,当输出压力达到设定值,其供漆量与用漆量相平衡时,转速才稳定到某一定值,这期间Ml工作在调速运行状态。
(2)当用漆量增加漆压减小时,压力变送器反馈的漆压信号减小,偏差变大,PLC的输出信号变大,变频器的输出频率变大,所以漆泵的转速增大,供漆量增大,最终漆泵的转速达到另一个新的稳定值。
反之,当用漆量减少漆压增加时,通过压力闭环,减小漆泵的转速到另一个新的稳定值。
(3)当用漆量继续增加,变频器的输出频率达到上限频率50Hz时,若此时用户回路的实际压力还未达到设定压力,并且满足增加漆泵的条件(在下节有详细阐述)时,在变频循环式的控制方式下,系统将在PLC的控制下自动投入漆泵M2(变速运行),同时变频泵M1做工频运行,系统恢复对漆压的闭环调节,直到漆压达到设定值为止。
如果用漆量继续增加,满足增加漆泵的条件,将继续发生如上转换,将另一台工频泵M3投入运行,变频器输出频率达到上限频率50Hz时,压力仍未达到设定值时,控制系统就会发出漆压超限报警。
(4)当用漆量下降漆压升高,变频器的输出频率降至下限频率,用户回路的实际漆压仍高于设定压力值,并且满足减少漆泵的条件时,系统将工频泵M2关掉,恢复对漆压的闭环调节,使压力重新达到设定值。
当用漆量继续下降,并且满足减少漆泵的条件时,将继续发生如上转换,将另一台工频泵M3关掉。
2.2.4漆泵切换条件分析
在上述的系统工作流程中,我们提到当变频泵己运行在上限频率,此时回路的实际压力仍低于设定压力,此时需要增加漆泵来满足供漆要求,达到恒压的目的;
当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率,此时回路的实际压力仍高于设定压力,此时需要减少工频泵来减少供漆流量,达到恒压的目的。
那么何时进行切换,才能使系统提供稳定可靠的供漆压力,同时使机组不过于频繁的切换呢?
由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制,50HZ成为频率调节的上限频率。
另外,变频器的输出频率不能够为负值,最低只能是0HZ。
其实,在实际应用中,变频器的输出频率是不可能降到0HZ。
因为当漆泵机组运行,电机带动漆泵向回路供漆时,由于回路中的漆压会反推漆泵,给带动漆泵运行的电机一个反向的力矩,同时这个漆压也在一定程度上阻止源漆箱中的漆进入回路,因此,当电机运行频率下降到一个值时,漆泵就己经抽不出漆了,实际的供漆压力也不会随着电机频率的下降而下降。
这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。
这个频率远大于0HZ,具体数值与漆泵特性及系统所使用的场所有关,一般在20HZ左右。
所以选择50HZ和20HZ作为漆泵机组切换的上下限频率。
当输出频率达到上限频率时,实际供漆压力在设定压力上下波动。
若出现时就进行机组切换,很可能由于新增加了一台机组运行,供漆压力一下就超过了设定压力。
在极端的情况下,运行机组增加后,实际供漆压力超过设定供漆压力,而新增加的机组在变频器的下限频率运行,此时又满足了机组切换的停机条件,需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。
如果用漆状况不变,供漆泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入—切出—再投入—再切出地循环下去,这增加了机组切换的次数,使系统一直处于不稳定的状态之中,实际供漆压力也会在很大的压力范围内震荡。
这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供漆压力,也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损,减少运行寿命。
另外,实际供漆压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰,这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。
所以,在实际应用中,相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的,其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。
实际的机组切换判别条件如下[11]:
加泵条件:
且延时判别成立(2.6)
减泵条件:
且延时判别成立(2.7)
:
上限频率
下限频率
设定压力
反馈压力
3系统的硬件设计
3.1系统主要设备的选型
根据基于PLC的变频恒压供漆系统的原理,系统的电气控制总框图如图3-1所示:
图3-1系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分:
(1)PLC及其扩展模块、
(2)变频器、(3)漆泵机组、(4)压力变送器、(5)液位变送器(6)温度变送器。
主要设备选型如表3-1所示:
表3-1本系统主要硬件设备清单
主要设备
型号及其生产厂家
可编程控制器(PLC)
SiemensCPU226
模拟量扩展模块
SiemensEM235
变频器
SiemensMM440
漆泵机组
SFL系列漆泵3台
压力变送器及显示仪表
普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪
温度变送器
赛亿凌STYC一体化温度变送器
3.1.1PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个变频恒压供漆控制系统的核心,它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。
因此我们在选择PLC时,要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。
由于恒压供漆自动控制系统控制设备相对较少,因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC的结构紧凑,价格低廉,具有较高的性价比,广泛适用于一些小型控制系统。
SIEMENS公司的PLC具有可靠性高,可扩展性好,又有较丰富的通信指令,且通信协议简单等优点;
PLC可以上接工控计算机,对自动控制系统进行监测控制。
PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆,支持点对点接口(PPI)协议,PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换,用户程序有三级口令保护,可以对程序实施安全保护。
根据控制系统实际所需端子数目,考虑PLC端子数
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