【正文】 .............................................27 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ........................................................................................31 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 ...............................................................................31 PLC 程序設(shè)計(jì) ........................................................................................33 PID 控制器參數(shù)整定 ............................................................................40 5 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ........................................................................................46 組態(tài)軟件簡介 .......................................................................................46 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ...................................................................................46 6 結(jié)束語 ..........................................................................................................51 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄 參考文獻(xiàn) ..........................................................................................................53 致謝 ....................................................................................................................55 附錄 ....................................................................................................................56 附錄 A 英文文獻(xiàn) ........................................................................................56 附錄 B 中文翻譯 ........................................................................................65 附錄 C 主程序梯形圖 ................................................................................71 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 1 1 緒論 課題的提出 水和電是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能源短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度 較 低，而隨著我 國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在 ： 一是節(jié)能顯 著 ；二是在開、 停機(jī)時(shí)能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的 沖擊 ； 三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗 [2]。現(xiàn)在，我國約有 200 家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作，但自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國際市場上的同類產(chǎn)品相比，還有比較大的技術(shù) 差距。目前國內(nèi)有不少公司在做變 頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn) ； 有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 20 世紀(jì) 70 年代中末期， 可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂等各個(gè)行業(yè) ，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。 根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率 ，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 中 A 點(diǎn)。其實(shí)質(zhì)是通過改變水 路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 11 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰水泵工作在 E 點(diǎn)，流量為 Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供 水量從 Q1 減小到 Q2 時(shí)，必須關(guān)小閥 門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從 b3 移到 b1，揚(yáng)程特性曲線不變。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求，在調(diào)試時(shí)， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。信號有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電 機(jī)和水泵。 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在 控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。 (3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓 力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件 (在下 節(jié) 有詳細(xì)闡述 )時(shí)，在變頻 循環(huán) 式的控制方式下，系統(tǒng)將 在 PLC 的控制下自動(dòng)投入 水 泵 M2(變速 運(yùn)行 )， 同時(shí) 變頻泵 M1 做工頻運(yùn)行， 系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命 。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)， 對自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器 還 應(yīng)具有通訊功能 。 另外選擇西門子的變頻器可以通過 RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門子 PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。 因此本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為 75KW 的上海 熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵 3 臺(tái)。 系統(tǒng) 主 電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 所示 ：三臺(tái)電機(jī)分別為 M M M3，它們分別帶動(dòng)水泵 3。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。同理，可以通過按下 SB SB5 啟動(dòng)電機(jī) M M3，通過按下 SB SB6 來使電機(jī)M M3 停機(jī)。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高 恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。AC。它忽略了以下因素： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表 。當(dāng) 輸出 1 時(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 HL9 點(diǎn)亮； 當(dāng) 輸出 1 時(shí)，報(bào)警電鈴 HA響起；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，中間繼電器 KA的線圈得電，常開觸點(diǎn) KA閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點(diǎn)亮。 SB1 按下時(shí)由于 KM2 常閉觸點(diǎn)接通電路使得 KM1 的線圈得電， KM1 的常開觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī) M1 可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。圖 中 SA 為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA打在 1 的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。 主電路中的低壓 熔 斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位： 2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號（ 4~20mA 電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號，輸入PLC。 SFL 型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高 5%以上 ； 采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低 (室外噪音 60 分貝 )、磨損小、壽命更長 ； 下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長 ； 采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠 ?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(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。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 21 變頻器的選型 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。 由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 18 時(shí)又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個(gè)在 工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉 。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ。 (2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)， 壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終 水泵的轉(zhuǎn)速 達(dá) 到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。 作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過 PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。系統(tǒng)主要的 任務(wù)是利用 恒 壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒 定 和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸 和監(jiān)控 。 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供 水時(shí)，水泵的輸出功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比 ； 水泵的轉(zhuǎn)速 n與出水流量 Q 成正比 ； 管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量 Q 的平方成正比。 在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。 根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f成正比。 PLC 根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制各個(gè)水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要