基于PLC控制的恒压供水系统设计毕业论文设计40论文41.docx
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基于PLC控制的恒压供水系统设计毕业论文设计40论文41
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毕业设计(论文)
基于PLC控制的恒压供水系统设计
北京航空航天大学
本科毕业设计(论文)任务书
Ⅰ、毕业设计(论文)题目:
基于PLC控制的恒压控制供水系统设计
Ⅱ、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求:
1、基于PLC的变频恒压供水系统的设计
2、基于PLC和变频器的恒压供水泵站系统设计
3、基于PLC的恒压变频供水系统的研制
4、PLC及变频器恒压供水控制系统设计
Ⅲ、毕业设计(论文)工作内容:
1、查阅相关专业方面的资料,选题
2、根据资料撰写开题报告
3、继续搜集并翻阅相关资料书籍,完成论文初稿
4、根据指导老师的修改意见,完成论文的终稿
Ⅳ、主要参考资料:
1、岂兴明.PLC与变频器
2、李方园.西门子S7-200PLC从入门到实践
3、彭小红,刘志东.基于PLC的变频调速恒压供水系统的设计
4、林俊赞,李雄松,尹元日.PLC在恒压供水控制系统中的应用
5、姜兴忠,戴恒阳.变频恒压控水系统的机理分析
校外学习中心理工科类专业类
学生(学号)12934202146
毕业设计(论文)时间:
自2014年6月20日至2014年10月20日
指导教师:
陈燕
兼职教师(并指出所负责部分):
校外毕设组织协调小组(签字):
注:
任务书应该附在已完成的毕业设计(论文)的首页。
本人声明
我声明,本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的,在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
作者:
王静
签字:
时间:
2014年10月
基于PLC控制的恒压供水系统设计
摘要
本设计根据城市小区的供水要求,设计了一套基于PLC控制的变频调速恒压供水系统。
该系统由PLC、变频器、水泵机组、压力变送器等构成。
本系统利用变频器实现对三相水泵电机的变频调速,采用“先启先停”的原则切换运行水泵。
压力传感器检测水压信号,送入PLC并与设定值比较进行PID运算,从而控制变频器的输出电压和频率,进而改变水泵电机的转速和供水量。
这样使管网水压力始终保持在设定值附近,从而实现恒压供水。
关键词:
PLC,变频调速,PID控制,恒压供水
DesignOfConstantPressureWaterSupply ControlSystemBasedOnPLC
Abstract
Accordingtothedesignof city watersupply requirements, designedasystembasedon variablefrequencyspeed constantpressurewatersupply systemcontrolledbyPLC. Thesystemiscomposedof PLC, inverter, waterpump,pressuretransmitter form.
Thesystemusesthe frequencyconvertertorealizethe variablefrequencyspeedcontrol ofthree-phase motorpump, using "openfirst principleofswitching operationofthepump to stop". Thepressure sensortodetectthepressure signal intoPLC, and comparedwiththesetvalue forPIDoperation,soasto controltheinverter output voltageandfrequency, andthen changethespeedand volumeofwatersupply pumpmotor. Sothatthe pipenetworkwater pressureisalwayskeptina nearsetvalue, soastorealizethe constantpressurewatersupply.
Keywords:
PLC; Frequencycontrol; PIDcontrol; Constantpressurewatersupply
1绪论………………………………………………………..………………..…………….4
1.1课题背景及意义……………………………………………………………………4
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状……………………………………………4
1.3本课题主要研究内容………………………………………………………………5
2恒压供水系统总体方案设计………………………………………………..…………...5
2.1系统的主要结构及组成…..………………………………………………………..5
2.2PLC概述及其系统组成…………...………………….…………………………...6
2.3变频器简介及选型……….………………………………………………………...6
2.3.1变频器简介……………………………………….………………………...6
2.3.2变频器的基本结构…………………………………………………………7
3系统硬件选择及系统电路设计…………………………...……………….…………....9
3.1硬件选择…………………………………………………………………………...9
3.2系统主电路分析及其设计………………………………………………………...12
3.3系统控制电路分析及其设计……………………………………………………...12
3.4PLC的IO端口分配及外围接线图……………………………………………...15
4系统的软件设计…………………………………………………………………………18
4.1系统软件设计分析………………………………………………………………...18
4.2PLC程序设计……………………………………………………………………..19
4.3PID控制器参数整定……………………………………………………………...26
结论…………………………………………………………………………………………..29
致谢…………………………………………………………………………………………..30
参考文献……………………………………………………………………………………..31
1绪论
1.1课题背景及意义
城市中各类小区的供水系统是小区众多基础设施当中的一个重要组成部分。
由于传统的小区供水方式具有各自不同的缺陷,如恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水泵的增减都依赖人工进行手工操作,供水机组运行效率低、耗电量大,电动机硬启动易产生水锤效应等缺点,传统供水系统的工作性能直接影响到小区居民的正常生活。
另一方面,由于供水的随机性,采用传统方法供水难以保证实时,水泵的选择往往是由最大供水确定,而最高水位时间短,不仅泵效低,水压不稳定,造成了浪费大量电力,远远不能满足生活和生产需要。
随着电力电子技术和计算机技术的发展,变频调速供水系统由于成本低,施工简便,节能效果显着,自动化控制,无二次污染,已被越来越广泛的应用。
PLC性能稳定,成本低,功能强大,编程方便的特点,采用变频控制技术相结合,设计了基于可编程控制器的变频调速供水系统。
该设计以最小的投资体制,实现了多功能供水系统要求。
在提倡节能减排的今天,具有很好的经济和社会意义。
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状
从查阅的资料的情况来看,国外的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器只带一台水泵的方式,几乎没有用一台变频器拖动多台水泵的情况,因而投资成本高。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性提高,国外厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器,日本Samc公司,就推出了恒压供水基板,备有“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”两种模式。
它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能,只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作。
虽然这些设备采用微型电路结构,降低设备成本,但缺乏灵活性输出接口,系统的动态性能和稳定性不高,和其他监测系统和组态软件是很难实现数据通信,带负荷能力的限制,所以在实际使用的范围将是有限的。
由此可以看出,国内和国际研究变频调速恒压供水系统中,在与现代控制技术,网络和通信技术系统相结合,闭环压力控制方面做的是不够的。
因此,需进一步研究,以提高恒压供水系统的性能,使其能更好地应用于生活和生产实践。
1.3本课题主要研究内容
本课题从实际应用出发,针对一般系统中存在的几个缺陷,设计出了基于PLC的变频调速恒压供水系统,具有以下优点:
(l)系统具有较高的恒压精度。
(2)系统能长时间稳定可靠运行。
(3)有友好的用户操作界面。
2恒压供水系统总体方案设计
2.1系统的主要结构及组成
本设计中,系统的控制机构由PLC和通用变频器构成,系统的整体结构如图2-1所示。
可以看出,水泵拖动机组﹑供水管道﹑水泵机组的控制单元以及信号检测环节构成生活小区的供水系统。
图2-1中,液位检测机构把测量的水箱水位信号送入到变频控制柜,经过PLC程序的运算处理,输出运行与停止控制信号,控制水泵启动与停止工况的转换。
图2-1 生活小区公示系统示意图
2.2PLC概述及其系统组成
PLC是一种数字运算操作的电子系统,它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,逻辑运算,顺序控制,定时可编程记忆,计数等面向用户的指令,通过数字输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器和外部设备和工业控制系统轻松地联成一个整体,以扩大其功能设计的原则。
图2-2 可编程控制器的基本结构。
PLC有着其它工业控制设备难具备的优点:
高可靠性,丰富的IO接口模块,采用模块化结构,编程方便,易于使用。
2.3变频器简介及选型
2.3.1变频器简介
交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。
微计算机是变频器的核心,电力电子器件构成了变频器的主电路。
我们知道,从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的,在我国是每秒50Hz。
而交流电动机的同步转速
式中
---同步转速,rmin;
---定子频率,Hz;
---电机的磁极对数。
而异步电动机转速
式中
---异步电机转差率,
,一般小于3%,均与送入电机的电流频率成正比例。
因而,改变频率可以方便地改变电机的运行速度,也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。
2.3.2变频器的基本结构
依据频率变换的形式来分,变频器分为交-交和交-直-交两种形式。
交-交变频器将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电,称为直接式变频器。
而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。
然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电.又称间接式变频器。
市售通用变频器多是交-直-交变频器,其基本结构图如图2-3所示,
图2-3 交-直-交变频器的基本结构
它由主回路,包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成,现将各部分的功能分述如下:
(1)整流器。
电网侧的变流器是整流器,其作用是把三相(可以是单相)交流整流成直流。
(2)直流中间电路。
直流中间电路的作用是平滑输出电流,以确保逆变电路和控制电源得到高品质的直流电。
由于逆变器的负载多为异步电动机,属于感性负载。
所以其功率因数总不会为1。
因此,中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换。
(3)逆变器。
负载侧的变流器为逆变器。
逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。
逆变电路的输出就是变频器的输出。
(4)控制电路。
变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、栅极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制,对整流器的电压控制及完成各种保护功能。
一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。
直流中间电路的储能元件在整流电路是电压源时是大容量的电解电容,在整流电路是电流源时是大容量的电感。
逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。
有规律的控制逆变器中主开关的通与断,可以得到任意频率的三相交流输出。
图2-4为电流型变频器主电路基本结构示意图。
图2-4 电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构
(a)电压型变频器主电路;(b)电流型变频器主电路
3系统硬件选择及系统电路设计
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理,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)水泵机组、(4)压力变送器、(5)液位变送器。
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
水泵机组
SFL系列水泵3台(上海熊猫机械有限公司)
压力变送器及显示仪表
普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪
液位变送器
分体式液位变送器DS26
3.1硬件选择
3.1.1PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心,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、带扩展模块的能力等多方面因素。
由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少,因此PLC选用SIEMENS公司的S7-200型。
S7-200型PLC具有较高的性价比,广泛适用于一些小型控制系统;又具有可靠性高,可扩展性好,有较丰富的通信指令,且通信协议简单等优点。
根据控制系统实际所需端子数目,考虑PLC端子数目要有一定的预留量,因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226,其开关量输出为16点,输出形式为AC220V继电器输出;开关量输入为24点,输入形式为+24V直流输入。
由于实际中需要模拟量输入点1个,模拟量输出点1个,所以需要扩展,扩展模块选择的是EM235,该模块有4个模拟输入(AIW),1个模拟输出(AQW)信号通道。
输入和输出信号,可自动完成AD转换,标准输入信号可以转换成一个字数字信号,输出信号则可以自动完成端口的DA转换,一个字的数字信号转换成标准的输出信号。
EM235模块由DIP设置不同的标准,切换输入信号。
3.1.2变频器的选型
变频器是本系统控制执行机构的硬件,通过频率的改变实现对电机转速的调节,从而改变出水量。
变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号,为了方便PLC和变频器之间的通信,选择西门子的MicroMaster440变频器。
它是用于三相交流电动机调速的系列产品,由微处理器控制,采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件,具有很高的运行可靠性和很强的功能。
它采用模块化结构,组态灵活,有多种完善的变频器和电动机保护功能,有内置的RS-485232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器,可以根据用户的特殊需要对IO端子进行功能自定义。
MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW,适用于要求高、功率大的场合,恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。
3.1.3水泵机组的选型
水泵机组选型基本原则,一是要确保平稳运行;二是要经常处于高效区运行,以求取得较好的节能效果。
要使泵组常处于高效区运行,则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。
本设计的要求为:
电动机额定功率75KW,供水压力控制在0.3±0.01Mpa。
根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况,最终确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组(电机功率75KW)。
它可用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。
3.1.4压力变送器的选型
压力变送器用于检测管网中的水压,常装设在泵站的出水口,作为模拟输入模块(AD模块)的输入。
在选型时,为防止传输过程中的干扰与损耗,通常采用4~20mA输出压力变送器。
在运行过程中,当压力变送器出现故障时,系统有可能启动所有的水泵,如果此时的用水量又达不到,则会造成水压过高。
为防止爆管和超高水压损坏用水设备,本设计中的供水系统采用电极点压力表的压力上限输出,作为PLC的一个数字量输入,当压力超出上限时,系统关闭所有水泵并报警输出。
供水系统的压强是
,下面单位都是估计标准单位
,g=9.8,一般情况下,(以消除水压波动的干扰)后执行工频泵台数加一(或减一)操作,并产生相应的泵变频启动脉冲信号。
水泵的软启动程序
增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备,同时变频泵号加一,并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号,延时后启动运行。
当只有一台变频泵长时间运行时,对连续运行时间进行判断,超过3h则自动倒泵变频运行。
各水泵变频运行控制逻辑程序
各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的,现在只以1#水泵为例进行说明。
当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时,Q0.1置1,KM2常开触点闭合接通变频器,使1#水泵变频运行,同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电,从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁,KM2的常开触点还可实现自锁功能。
各水泵工频运行控制逻辑程序
水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号,还取决于工频泵的台数。
由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的,现在只以1#水泵为例进行说明。
产生当前泵工频运行启动脉冲后,若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0,或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1,则Q0.0置1,KM1线圈得电,使得KM1常开触点闭合,1#水泵工频运行,同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电,从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁,KM1的常开触点还可实现自锁功能。
报警及故障处理程序
本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。
当故障信号产生时,相应的指示灯会出现闪烁的现象,同时报警电铃响起。
而试灯按钮按下时,各指示灯会一直点亮。
故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数,在故障结束后产生故障结束脉冲信号。
由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂,不便全部画出,在此仅画出其控制过程的流程图。
主程序流程图如图4-1所示。
由于在图4-1中并未对各台水泵的变频和工频运行控制做详细介绍,因此图4-2和4-3对其作了完整的补充。
其中图4-2是以2#泵为例的变频运行控制流程图,图4-3是以2#泵为例的工频运行控制流程图。
1#、3#泵的运行控制情况与2#泵相似,在此就不再重复。
如图4-1所示。
本设计主程序大体包括以下几部分:
(1)调用初始化子程序,设定各初始值;
(2)根据增、减泵条件确定工频泵运行数;
(3)根据增泵、倒泵情况确定变频泵号;
(4)通过工频泵数和变频泵号对各泵运行情况进行控制;
(5)进行报警和故障处理。
图4-1 变频恒压供水系统主程序流程图
图4-2 2#泵变频运行控制流程图图4-3 2#泵工频运行控制流程图
4.2.2控制系统子程序设计
(1)初始化子程序SBR_0
首先初始化变频运行的上下限频率,在水泵切换分析中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为50HZ和20HZ。
假设所选变频器的输出频率范围为0~100HZ,则上下限给定值分别为16000和6400。
在初始化PID控制的各参数(Kc、Ts、Ti、Td),各参数的取值将在下一节中详细介绍。
最后再设置定时中断和中断连接。
具体程序梯形图如图4-4所示。
图4-4 初始化子程序SBR_0梯形图
(2)PID控制中断子程序
首先将由AIW0输入的采样数据进行标准化转换,经过PID运算后,再将标准值转化成输出值,由AQW0输出模拟信号。
具体程序梯形图如图4-5所示。
图4-5 PID控制中断子程序INT_0梯形图
4.3PID控制器参数整定
4.3.1PID控制及其控制算法
在供水系统的设计中,采用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。
在连续控制系统中,常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式,称之为PID控制。
PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。
具有理论成熟,算法简单,控制效果好,易于为人们熟悉和掌握等优点。
PID控制器是一种线性控制器,它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差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,故称PID控制器。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成,其控制系统原理框图如图4-6所示,图中u(t)为PID调节器输出的调节量。
图4-6 PID控制原理框图
PID控制规律为:
式中:
Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。
相应的传递函数形式:
PID控制器各环节的作用及调节规律如下:
(1)比例环节:
成比例地反映控制系统偏差信号的作用,偏差e(t)一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差,但不能彻底消除系统偏差,系统偏差随比例系数Kp的增大而减少,比例系数过大将导致系统不稳定。
(2)积分环节:
表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。
只要偏差存在,控制就要发生改变,直到系统偏差为零。
积分环节主要用于消除静差,提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越大,积分作用越弱,易引起系统超调量加大,反之则越强,易引起系统振荡。
(3)微分环节:
对偏差信号的变化趋势做出反应,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。
微分环节主要用来控制被调量的振荡,减小超调量,加快系统响应时间,改善系统的动态特性。
4.3.2系统的近似数学模型及参数取值
由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变,非线性,迟滞,模型不稳定的对象,很难得出精确的数学模型而只能近似等效。
水泵由初始状态向管网进行恒压供水,供水管网从初始压力开始启动水泵运行,至管网压力达到稳定要求时需经历两个过程:
首先是水泵将水送到管网中,这个阶段管网压力基本保持初始压力,这是一个纯滞后的过程;其次是水泵将水充满整个管网,压力随之逐渐增加直到稳定,这是一个大时间常数的惯性过程;由于系统中其他控制和检测环节,如变频环节、继电控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比可
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