基于plc控制的智能恒压供水系统

基于plc控制的智能恒压供水系统内容摘要：

4 SB2 关阀 太原科技大学毕业设计（论文） 14 X12 SB3 选择（ 1和 2）水泵电机运行 X34 SB4 选择（ 3和 4）水泵电机运行 XBJ1 BJ1 1电机报警开关 XBJ2 BJ2 2电机报警开 关 XBJ3 BJ3 3电机报警开关 XBJ4 BJ4 4电机报警开关 YFWD FWD 变频器的 FWD— CM 端子 YBX BX 变频器的 BX— CM 端子 YVF11 YVF1 1变频运行 YWF11 YWF1 1工频运行 YWF12 YWF2 2工频运行 YKF11 YKF1 1开阀 YGF11 YGF1 1关阀 YKF12 YKF2 2开阀 YGF12 YGF2 2关阀 YBJ1 YBJ1 1报警 YBJ2 YBJ2 2报警 YBJ3 YBJ3 3报警 YBJ4 YBJ4 4报警 YFM YFM 蜂鸣报警器 YVF21 YVF3 3变频运行 YWF21 YWF3 3工频运行 YWF22 YWF4 4工频运行 YKF21 YKF3 3开阀 YGF21 YGF3 3关阀 YKF22 YKF4 4开阀 YGF22 YGF4 4关阀 3． PLC 的模拟量输入、输出点 太原科技大学毕业设计（论文） 15 自动控制系统 PLC 的模拟输入端口包括压力传感器检测的水位信号，水位信号是以标准电流信号 4～ 20mA 进行传输的；变频器反馈的电机频率信号，电机频率信号是 0～ 10V的电压信号。 4． PLC 的选型 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，为以后新设备的介入或设备调整留有余地，因此选用的 S7200 型 PLC 的主模块为 CPU226，其开关量输出（ DQ）为 16 点，输出形式为 AC220V 继电器输出；开关量输入 CPU226 为 24点，输 入形式为＋ 24V 直流输入。 由于实际的开关量输出有 22点，所以需要扩展，扩展模块选择的是两个 EM222 型模块，该模块有 8个开关量输出点，输出形式为 AC220V 继电器输出。 此外，为了方便的将水位信号、电机频率信号和同相比较信号传输给 PLC,经比较计算后转换为相应的控制信号，选择了 EM235 模拟量扩展模块。 该模块有 4个模拟输入（ AIW），1个模拟输出（ AQW）信号通道。 输入输出信号接入端口时能够自动完成 A/D 的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（ 16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A 的转 换，一个字长（ 16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。 EM235 模块可以针对不同的标准输入信号，通过 DIP 开关进行设置。 系统中 PLC 的选型包括一个 CPU226 主模块，两个 EM222 扩展模块，一个 EM235 模拟量扩展模块。 如此 PLC 总共有 24 个数字信号输入， 32 个数字信号输出 ,以及 4 个模拟输入信号， 1 个模拟输出信号。 输入和输出均有余量，可以满足日后系统扩充的要求。 3． 1． 5 PLC 的程序设计流程图 PLC 的程序设计语言主要有：语句表（ STL）语言、梯形图（ LAD）语言、功能块图（ FBD）语言、指令 表（ IL）和顺序功能图（ SFC）。 根据实际情况和 PLC 的编程知识，并考虑到设计维修人员设计的易懂性，其程序设计流程图如下图 ： 太原科技大学毕业设计（论文） 16 系统启动延时 10s 1水泵电机变频工作 变频器启动 2水泵电机工频工作 数值稳定延时 5s T37 1水泵电机变频工作 变频器启动延时 1s 初始 T37 1水泵电机变频工作 变频器启动 1水泵电机变频工作延时 2min 数值稳定延时 5s T38 VD108≥ T39 T38 T40 T40 T41 2水泵电机变频工作 变频器启动延时 1s T41 T42 T44 电机切换延时 10s T44 VD108≤ T45 T39 T45 启动 T46 VD108≤ 2水泵电机变频工作 变频器启动 1水泵电机工频工作 数值稳定延时 5s T46 T43 R ,9 T47 T47 ～ 复位 SBR_0 =9 INT_2 =23 INT_0 INT_1 通信程序初始化 =10 发送完成中断 接收完成中断 10ms 定时中断 VB301=‘ Q’ VB301=‘ T’ PID回路控制 PID回路控制 2水泵电机变频工作 变频器启动 2水泵电机变频工作延时 2min 数值稳定延时 5s T42 VD108≥ T43 PID回路控制 PID回路控制 电机切换延时 10s 停止 太原科技大学毕业设计（论文） 17 3． 2 变频器的介绍 3． 2． 1 变频器的概念 变频器是把工频电源 (50Hz 或 60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电 [1]。 3． 2． 2 变频器的工作原理 我们知道，交流电动机的同步转速表达式位 ： n＝ 60f(1－ s)/p (31) 式中 n——— 异步电动机的转速； f——— 异步电动机的频率； s——— 电动机转差率； p——— 电动机极对数。 由式 (1)可知，转速 n 与频率 f 成正比，只 要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f在 0～ 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。 变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 3． 2． 3 变频器的操作方式及使用 1． 非智能控制方式 在交流变频器中使用的非智能控制方式有 V/f 协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。 (1) V/f 控制 V/f 控制是为了得到理想的转矩 速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控 制方式。 V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。 (2) 转差频率控制 太原科技大学毕业设计（论文） 18 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在 V/f 控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。 这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性， 并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、 q、 0 坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。 通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种 PWM 波，达到各种不同的控制目的。 例如形成开关次数最少的 PWM 波以减少开关损耗。 目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 基于转差频率的矢量控制方式与转 差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。 因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。 但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。 这种控制方式调速范围 宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。 (4) 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。 即使在开环的状态下，也能输出 100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。 (5) 最优控制 最优控制在实 际中的应用根据要求的不同而有所不同，可以根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。 例如在高压变频器的控制应用中，就成功的采用了太原科技大学毕业设计（论文） 19 时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。 (6)其他非智能控制方式 在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。 2． 智能控制方式 智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。 在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的 范例。 本系统主要采用了专家控制方式： 专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。 专家库与推理机制的设计是尤为重要的，关系着专家系统控制的优劣。 应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。 3． 2． 4 变频器的选型 随着社会的进步和技术的发展，大部分制造厂都专门生产了水泵专用型变频器系列。 它们在过载能力、功能设置等方面与普通型变频器有较大的区别。 一般来说，选用水泵 专用型变频器就可以满足用户的需求。 根据这个特点和国内外变频器的价格，本供水系统选用了上海 日卅电气有限公司 制造的 SR6000G/P 系列全数字高性能智能变频器。 它具有 高过载能力，适合多种场所，但己最大容量为 630KW ； 110kw 以下可内置再生能耗制动单元 ；支持 RS485 或 CANBUS 通用模式 多种防护等级 ； 电压适应强，波动可达 20%～ +20%；高压出扭距； RS458 通讯界面等。 产品规格齐全，最大单机容量达 500KW；价格低廉等特点。 变频恒压供水设计 变频节能供水 在供水系 统中，最根本的控制对象是流量。 因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。 常见方法有阀门控制法和转速控制法两种 [1]。 1．阀门控制法 即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变（通常为额定转速）。 阀们控制法的实质是：水泵的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行太原科技大学毕业设计（论文） 20 改变流量，以适应用户对流量的需求。 这时，管阻特性将随阀们开度的改变而改变，但扬程特性则不变。 如下图 ，设用户所需的流量 QX为额定流量的 60%（即 QX=60%QN），当通过关小阀们来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而 扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至 E点，这时：流量减少为 QE（ =QX）；扬程增加为 HE；由式子 P=CPHTQ知，供水功率 PG与面积 0DEJ 成正比。 2．转速控制法 即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度）。 转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。 当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。 仍以用户所需流量等于 60%QN为例，当通过降低转速使 QX=60%QN时，扬程特性为曲线④，管阻特性则仍为曲线，故工作点移至C点。 这时，流量 减小为 QE（ =QX），扬程减小为 HC，供水功率 PC与面积 0DCK 成正比。 3．两种方法的比较 比较上述的两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量（ QX〈 100%QN〉的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小的多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。 两者之差 ∆P 便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积 KCEJ（图中的阴影部分）成正比。 这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的方面。 4．从水泵的工作效率看节能 （ 1）工作效率的定义 水泵的供水功率 PC与轴功率 PP之比，即为水泵的 工作效率 η P： η P =PG/PP 在转速控制方式时 ,由。