【正文】 .... 44 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 PLC 程序設(shè)計(jì)方法的分析 ............................................ 46 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) ................................................. 49 變 頻器 P l D 控制功能參數(shù)的設(shè)置 ................................... 53 PID 控制及其控制算法 ........................................ 53 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析 .................................... 55 變頻器 PID 控制參數(shù)的設(shè)置 .................................... 55 可靠性分析 ....................................................... 57 本章小結(jié) ......................................................... 57 第五章 變頻恒壓供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系 統(tǒng)的設(shè)計(jì) ................................... 59 S7200 系列 PLC 的監(jiān)控方法 ......................................... 59 本系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控內(nèi)容及原理圖 ..................................... 59 本章小結(jié) ......................................................... 61 第六章 結(jié) 論 ............................................................. 62 本課題研究結(jié)論 ................................................... 62 課題存在問題與展望 ............................................... 62 參考文獻(xiàn) ................................................................. 63 外文翻譯 ................................................................. 64 致 謝 .................................................................... 88 附 錄 .................................................................... 89 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 第一章 緒 論 課題背景及意義 眾所周知，水是人類生活、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)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)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)化程度低，而隨著我國(guó)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(duì)小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高 的要求。 基于水泵供水流量和水泵轉(zhuǎn)速的三次方成正比，論文分析了采取變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水相對(duì)于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī)理。給出了實(shí)現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案和 PLC控制程序設(shè)計(jì)方案。 水塔高位水箱供水具有控制方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。 1985年，德國(guó)人提出了基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理論 (DSC)。 4)產(chǎn)品可靠性及工藝水平低。 PLC針對(duì)不同的工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，有相應(yīng)的 I／ O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備直接連接。 PLC可分為以下幾個(gè)部分： 1） 中央處理單元 (CPU)：同一般微處 理機(jī)一樣，中央處理單元是可編程 控制的核心部件， 它通過輸入裝置將外設(shè)的狀態(tài)讀入并按照用戶程序去處理，根據(jù)處理結(jié)果通過輸出裝置去控制外設(shè)。為確保 PLC機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性， CMOS RAM存貯器有預(yù)防電源掉電故障的鏗電池保護(hù)措施，以防電源掉電后破壞它的存貯內(nèi)容?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是 o． 5伏和 o． 10伏兩種，模擬電流主要是 4． 20mA兩種。編程器工作方式主要 有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在 PLC機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對(duì)已有的程序予以編輯和修改。另外，一些特殊功能模塊也帶有自己的操作系統(tǒng)軟件。 7)節(jié)能性：系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從 0到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊的同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 命。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 第 2 章 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H與流量 Q之間的關(guān)系曲線 f(Q)如圖 2． 1所示。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。由公式 (2． 7)可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著，所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。多泵并聯(lián)代替一、二臺(tái)大泵單獨(dú)供水不會(huì)增加投資，而其好處是多方面 的。 3)控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC系統(tǒng) )、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。待實(shí)際壓力再次低于設(shè)定壓力后，重復(fù)上述過程。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入 PLC時(shí)，需進(jìn)行 A／ D轉(zhuǎn)換。這類型用水需求在較長(zhǎng)時(shí)間段表現(xiàn)為低流量，t（時(shí)） 流量 Q 100% 50% 流量 Q 100% 50% t（時(shí)） 流量 Q 100% 50% t（時(shí)） 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 相對(duì)于設(shè)計(jì)流量有較大的余量，采用變頻調(diào)速方式來實(shí)現(xiàn)低流量時(shí)的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設(shè)備相比平均節(jié)能可達(dá) 30％。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 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。此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為 （ 0， Q2,D,H0)圍成的矩形面積，其值為： （ 25） 可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為（ H0,D,F,H1)圍成的矩形面積，其值為： （ 26） 所以，當(dāng)用閥門控制流 量時(shí)，有 功率 被浪費(fèi)掉， 并且隨著閥 門 的不斷關(guān)小，閥 門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是 H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。 3)論文就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析和研究。 4)時(shí)變性：在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量 泵的加入控制，而定量泵的控制 (包括定量泵的停止和運(yùn)行 )是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。 當(dāng)己運(yùn)行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時(shí)， PLC可以隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)或改版，所作 的工作僅僅是替換或增加擴(kuò)展模板和修改相應(yīng)的控制軟件。使用圖形編程器可以月多種編程語言編程，梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。模擬量輸入／輸出模塊主要用來實(shí)現(xiàn)模擬量一數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，即 A／ D或 D／ A轉(zhuǎn)換。 用戶存貯器主要用來存放用戶的應(yīng)用程序。 PLC在水工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)加氯、自動(dòng)加礬、水泵變頻調(diào)速、 SCADA系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管 理系統(tǒng)等。在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家， PLC己經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門?？傊m然國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績(jī)，但是總體上來說國(guó)內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱， 對(duì)國(guó)外公司的依賴還很嚴(yán)重。從 20世紀(jì) 80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的基于 VVVF技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。并和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)的結(jié)合，提升了系統(tǒng)的總體性能。通過對(duì)計(jì)算機(jī)和 PLC之間通信協(xié)議的研究，完成了上、下位機(jī)的通信設(shè)置，給出了計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序編寫方法，通過通信模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障報(bào)警。 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，對(duì)電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在 低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。這種方法不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換 而是直接在電動(dòng)機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能 H3。 可編程控制器 (PLC)的特點(diǎn)及應(yīng)用 可編程序控制器 (program logical controller)，簡(jiǎn)稱 PLC，是一種專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，它是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展 起來的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置，是當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一。另外為了提高操作性能，它還有多種人機(jī)對(duì)話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。常用的 cPU有通用微處理器，如 MOTOROLA 6800，單片機(jī)有 803l， 8051和雙極型位式微處理器，如 AMD2903。 數(shù)據(jù)存貯器用來存放 PLC的數(shù)據(jù)。另外還有 O． 50mV，O． 1V、． 5+5V、一 10lOV， 010mA等。 監(jiān)控工作方式可以對(duì)運(yùn)行中的控制器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，一般可以對(duì)某一線圈或觸點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，也可以對(duì)成組器件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，還可以跟蹤某一器件在不同時(shí)間的工作狀態(tài)，除搜索、監(jiān)視、跟蹤外，還可以對(duì)一些器件進(jìn)行操作。通常，一個(gè) PLC機(jī)架只能容納一定數(shù)量的模塊插件，這種包含主機(jī)模塊和部分 I／ O模塊的機(jī)架稱為基本控制單元。影響供水系統(tǒng)安全性的一大因素便是水錘效應(yīng)，所謂的水錘效應(yīng)就是在極短時(shí)間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲 ，猶如錘子敲擊管子一樣的現(xiàn)象。由圖 2． 1可以看出，流量 Q越大，揚(yáng)程 H越小。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。 變頻恒壓控制的理論模型 變頻恒壓控制系統(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。 通用變頻器 +PLC(包括變頻控 制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用少：其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便； 其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺(tái)泵來配置變頻器容量，減少投資。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。在附屬小泵開啟后，壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過一定的延時(shí)后，關(guān)掉附屬小泵，開啟調(diào)速泵進(jìn)行控制，工作過程同 4步。 4)當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí) 際水壓蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件 (在下文有詳細(xì)的闡述 )時(shí)，系統(tǒng)將上次轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行的水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重 1新達(dá)到設(shè)定值。水壓信號(hào)反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。 2 3 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 a）連續(xù)型（全流量變化型） 流量 Q 100% 50% t（時(shí)） 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書