【正文】 位，軟件可以通過組態(tài)實現(xiàn)，而對于特殊的需要則必須進行專項的軟件開發(fā)。當(dāng)然牛頓模塊不僅僅是模數(shù)轉(zhuǎn)模塊，還有： 數(shù)字 IO模塊 DO 輸出模塊 測頻計數(shù)模塊 熱電偶測量模塊 熱電阻測量模塊 協(xié)議轉(zhuǎn)換模 塊 協(xié)議中繼模塊 嵌入式控制模塊 無線通訊模塊 正是由于模塊的多樣性才使得構(gòu)筑系統(tǒng)時更加容易。 16 第 5 章 水位 控制 系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)硬件 1．牛頓模塊 牛頓模塊具有組態(tài)簡單、采集的信號穩(wěn)定、抗干擾能力強、編程容易等眾多優(yōu)點，它被廣泛地應(yīng)用于需要數(shù)據(jù)采集的場合。 (2)數(shù)據(jù) ,就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫 ,并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性 ,比如水位、流量等。對用戶而言 ,操作簡單易學(xué)且編程簡單 ,參數(shù)輸入與修改靈活 ,具有多次或重復(fù)仿真運行的控制能力 ,可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線 ,能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線 ,這些很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。 實踐 ： (1)圖形界面的設(shè)計 (2)構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 (3)建立動畫連接 (4)運行和調(diào)試 : 15 (1)實驗全部用軟件來實現(xiàn) ,只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗 ,從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。 第五步：進行運行系統(tǒng)的配置 對運行系統(tǒng)、報警、歷史數(shù)據(jù)記錄、 網(wǎng)絡(luò)、用戶等進行設(shè)置，是系統(tǒng)完成用于現(xiàn)場前的必備工作。 第三步：制作圖形畫面并定義動畫連接 按照實際工程的要求繪制監(jiān)控畫面并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產(chǎn)生動態(tài)效果。 建立工程的一般步驟 通常情況下，建立一個應(yīng)用工程大致可分為以下幾個步驟： 第一步：創(chuàng)建新工程 為工程創(chuàng)建一個目錄用來存放與工程相關(guān)的文件。而且，它能充分利用 Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢 曲線 等，可便利的生成各種報表。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。 特點 它具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期 短等優(yōu)點。 工程瀏覽器： 工程瀏覽器是一個工程開發(fā)設(shè)計工具，用于創(chuàng)建監(jiān)控畫面、監(jiān)控的設(shè)備及相關(guān)變量、動畫鏈接、命令語言以及設(shè)定運行系統(tǒng)配置等的系統(tǒng)組態(tài)工具。 組態(tài)王軟件結(jié)構(gòu) 由工程管理器、工程瀏覽器及運行系統(tǒng)三部分構(gòu)成。采用組態(tài)王軟件開發(fā)工業(yè)監(jiān)控工程，可以極大地增強用戶生產(chǎn)控制能力、提高工廠的生產(chǎn)力和效率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、減少成本及原材料的消耗。 組態(tài)王軟件是一種通用的工業(yè) 監(jiān)控軟件，它融過程控制設(shè)計、現(xiàn)場操作以及工廠資源管 理于一體，將一個企業(yè)內(nèi)部的各種生產(chǎn)系統(tǒng)和應(yīng)用以及信息交流匯集在一起，實現(xiàn)最優(yōu)化管理。近年來，變頻器在功能上，利用先進的控制理論，開發(fā)出了諸如卷取、提升、主從等控制功能，使應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)成更加方便和容易，使變頻器的應(yīng)用技術(shù)提高到一個新的水平 [6]。據(jù)有關(guān)資料表明，我國變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)取得了相當(dāng)大的成績，每年有數(shù)十億元的銷售額，說明我國的變頻器應(yīng)用己非常廣泛從簡單的手動控制到基于 RS485 網(wǎng)絡(luò)的多機控制 ，與計算機和 PLC 聯(lián)網(wǎng)組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 變頻器技術(shù)的另外一個層面是應(yīng)用技術(shù)。 同樣是 V/F 控制的變頻器，國外的產(chǎn)品比國內(nèi)的產(chǎn)品品質(zhì)要好這可 能是生產(chǎn)工藝方面的差距。工業(yè)應(yīng)用中絕大部分都是這種負載，變頻器在這種場合應(yīng)用最重要的要求是可靠性，國產(chǎn)變頻器占國內(nèi)市場份額不高，主要原因是產(chǎn)品品質(zhì)不過硬。 其發(fā)展方向具有如下幾項 ： (1)實現(xiàn)高水平的控制 ； (2)開發(fā)清潔電能的變流器 ； (3)縮小裝置的尺寸 ； (4)高速度的數(shù)字控制 ； (5)模擬與計算機輔助設(shè)計 (CAD)技術(shù)。隨著變流器應(yīng)用領(lǐng)域深度和廣度的不斷開拓，變頻調(diào)速技術(shù)將越來越清楚地展示它在一個國家國民經(jīng)濟中的重要性 。16 位、32位高速微處理器以及信號處理器 (DSP)和專用集成電路技術(shù)的快 速發(fā)展，為變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了手段。在大功率交一交變頻器調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通己能提供單機容量達 30000KW 的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進系統(tǒng)，意大利 ABB 公司提供了單機容量為 6000OKW 的設(shè)備用于抽水蓄能電站，日本富士 BJT 變頻器最大單機容量可達 700KVA。其中，交流 直流 交流是目前中小型異步電動機變頻調(diào)速電源的主要形式，它不 像 交流 交流變頻器那樣直接將工頻電源轉(zhuǎn)變成所需頻率的電源，而是把工頻交流市電先經(jīng)整流變成直流，然后再通過逆變器把直流電轉(zhuǎn)變成所需頻率的交流電。變頻控 制理論方面經(jīng)歷了V/F 控制到矢量控制技術(shù)，使異步電動機變頻后的機械特性達到了可以和直流電動機變壓后的機械特性相媲美的程度。 變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。 11 變頻技術(shù)的發(fā)展 異步電動機是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種交流電機。 實現(xiàn)軟啟動、軟停車 、 降低了對電網(wǎng)的沖擊。 采用變頻器后運行速度一般都下降，這樣 :降低了對動設(shè)備沖擊、電機故障率降低、使用壽命增長、降低運行設(shè)備噪音。應(yīng)用變頻調(diào)速，可以大大提高電機轉(zhuǎn)速的控制精度，使電機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行。 變頻器的節(jié)能 在我國， 60%的發(fā)電量是通過電動機消耗的，我國電機的總裝機容量己達 4億千瓦，年耗電量達 6000 億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的 80%。不變，必然會使主磁通隨著 f的上升而減小，相當(dāng)于直流電動機弱磁通調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。圖 32中 1為 U1/f=C 時電壓頻率關(guān)系， 2為電壓補償時 (E1/f=C)的電壓 頻率關(guān)系。當(dāng)頻率較低時， U1和 E1都變小，定子漏阻抗壓降不能再忽略。當(dāng) E1和 f 值較高時，定子的漏阻抗壓降相對較小時，可忽略不計，即 U1約等于 E1，只要保持U1/f=C即可。但是。由式子 E1=， E1/f=C(常數(shù) )，即降低供電頻率，同時，降低供電電壓。 下面分兩種情況進行說明 : (l)基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速，即從電機額定頻率 f調(diào)速。磁通太弱，電動機帶負載能力下降，磁通太強，形成過飽和，將引起勵磁電流，波形畸變。 PID 閉環(huán) 控制系統(tǒng)的組成 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)組成如圖 21所示： 圖 21 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)組成 本次設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖 22所示： PID 變頻器 調(diào)速泵 傳感器 7 圖 22 系統(tǒng)設(shè)計框圖 計算機 牛頓模塊 壓力傳感器 儲水箱 液位傳感器 變頻器 水泵 出水箱 出水閥 進水閥 8 第 3 章 變頻調(diào)速技術(shù)簡介 變頻調(diào)速的基本原理 交流電動機分為同步電動機和異步電動機兩大類型，其轉(zhuǎn)速表達式分別為 ： N0=60f/p (31) N=60f(1S)/p (32) S=f(U,R1,X1,R2,X2) (33) 式中 : N0同步電動機轉(zhuǎn)數(shù) N異步電動機轉(zhuǎn)數(shù) f電源頻率 p定子繞組級對數(shù) S異步電動機轉(zhuǎn)差率 U電源電壓 Rl定子繞組電阻 Xl定子繞組電抗 R2轉(zhuǎn)子繞組電阻 X2轉(zhuǎn)子繞組電抗 根據(jù)式 (31)和式 (32)可知 ，交流電動機的轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比，通過變頻裝置將電網(wǎng) 50 赫茲的固定頻率轉(zhuǎn)變成為可調(diào)頻率，即可實現(xiàn)交流電動機無級調(diào)速 [4]。這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 微分 (D)控制 在微分 控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。 6 積分 (I)控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的 [13]。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之 一。快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時間來描述 [14]。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的 。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸 出之差。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。 PID 控制改善系統(tǒng)的動態(tài)特性一般由三種典型調(diào)節(jié)作用組成，它們是比例、積分和微分作用，即 PID作用 [10]。 PID 控制 目前控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制 理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。作為實用來說，為了防止用水量恰巧在一臺泵全速供水量的上下變動時，將會出現(xiàn)兩臺泵來回切換的狀態(tài) 。 但要實現(xiàn)雙泵之間的自動切換 /手動切換，如果控制回路設(shè)計不完善，可能出現(xiàn)水泵之間的頻繁切換的問題，因此控制回路相對復(fù)雜。 第二種方案 : 一臺水泵變頻運行 ，反饋控 制信號串接在變頻器上，進行恒壓供水。 在這種運行狀況下，當(dāng)?shù)诙_電機運行頻率較低，接近停止時，切除第一臺電機，由第二臺電機單獨調(diào)頻恒壓控制。 4 第 2 章 控制方案選擇 變頻器控制方案 有兩種可選方案，一種是 ： 由兩臺水泵供水，其中一臺電機為變頻控制 ， 另一臺在工頻下運行 ； 另一種方案是 ： 一臺水泵變頻運行 [3]。 本課題完成的工作 本課題以 單 泵實現(xiàn)變頻恒壓供水作為研究對象 。因為變頻泵固定不變，當(dāng)用水流量變化時，變頻泵始終處于運行狀態(tài)，因此變頻泵的運行時間最長。 由上述可見，變頻供水 系統(tǒng) 通常有兩種工作方式 ，一是變頻泵固定方式，二是變頻循環(huán)軟起動工作方式。這就是循環(huán)軟起動投入方式。變頻器則另外起動一臺并聯(lián)泵投入工作。在這種供水模式中，當(dāng)用水流量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量時，由變頻器控制該泵自動調(diào)速供水，當(dāng)用水流量增大時，該泵的轉(zhuǎn)速增高。上述頻率自動上升、下降由變頻供水控制器控制。在投入時，變頻泵的轉(zhuǎn)速自動下降，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。反之，當(dāng)用水流量下降時，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降 ， 當(dāng)頻率下降到零流量的時候，變頻供水控制器發(fā)出一個指令，自動關(guān)閉一臺工頻泵使之退出并聯(lián)供水。該工頻泵提供的流量是恒定的。除節(jié)能外，變頻恒壓供水的優(yōu)點還包括以下幾點 : 起動平衡，起動電流可限制在額定電流之內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊 ； 由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長