DZ114PLC控制的变频调速恒压供水系统程序
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- 5 -恒压供水的控制与节能的探索摘要:在简要分析国内外给水系统现状的基础上,介绍了系统的组成 ,提出了以变频调速为核心所构成的全自动给水系统控制方式,并以实例详细分析了该系统的组成、工作原理以及在控制与节能方面所表现出的优越性.文中根据作者的实际使用经验,简要阐述了该系统在应用中应注意的一些问题。关键词: 变频调速;恒压供水。PID 调节器中图法 一、引言目前,我国居民小区与高层建筑的生活供水,普遍采用工频方式.它存在着能耗大,噪音高,水源存在二次污染等诸多问题.而用变频调速控制的给水装置是一种较为理想的模式.进入 90 年代中后期,随着变频调速技术的不断发展与完善,基于该项技术的全自动恒压给水方式已在发达国家得到广泛的应用,且日趋成熟.近几年来,作者在变频调速给水控制系统的设计与施工方面做了些实际工作,积累了一些经验,并形成了对于一些问题的看法.水泵节能原理变频调速系统之所以得到推广,一个很重要的原因就是它有较好的节能效果.一台水泵的实际扬程与电源频率的平方成正比.因而通过变频器改变水泵电机的供电频率,就可控制水泵的供水压力.恒压供水自动控制变频恒压供水原理框图如图 1 所示. 为给定的压力值, 为压力传感器从管道上所测得的实际压力值,PID调节器通过对两者的误差运算,并经过控制变频器的频率输出,从而使管道的压力始终保持在设定值上。该系统能自动检测用户的瞬时水压,据此调节给水量的多少及电机的运行状况.还可根据所需的给水压力设定控制压力值,让设备始终处于恒压状态,从负载电机的特性可知,所配电机的轴功率与其转速的三次方成正比,即 .例如,当变频器输出频率为 35Hz(最高设定为 50Hz),也就是实际转速为额定转速的 70%时,调速器的用电量为 0.343,约占额定的 35%.也就是说,水泵总处于恒压变流量匹配方式的工作状态,从而消除了超压和回流的无功损耗.恒速与变频调速轴功率变化曲线如图 2所示,比较可知,变频调速方式节能效果最为明显。二、实例分析:恒压供水是通过变频调速来调节水的流量从而达到恒压的目的,它最终控制的目标是水压.控制对象具有非线性、滞后特性.PID 调节器性能的好坏,在很大程度上决定了恒压供水的质量.当系统在启动与停止阶段,或压力设定值大幅度变化时,由于在短时间内存在很大的偏差,因而无论 PID 调节器的控制算法采用增量式还是位置式,其积分项将取蓄水池、水泵组(1M,2M)及相关辅配件构成.本系统的核心是变频调速控制柜,它通过压力传感器对管网压力进行实时监测,并转换为电信号提供给变频器进行运算,通过变频器、可编程控制器 PLC 与继电器阵列的共同控制,构成了完善的全自动变频调速给水系统。变频器的品种繁多,如三菱、富士、三肯及 ABB 等型号.一般常选用泵类、风机专用系列.以三菱 FR-A140E 为例,它除了一般品牌所具有的功能外 ,还有如下特点:内部采用 IPM 智能功率模块 ,使电机的噪音减至最低; 变频器与工频电源之间可进行切换,用户只需通过 PLC 输入启动、停止及自动切换指令,就可方便地通过接触器的互锁动作来切换不同的水泵,而不需要像以往那样自行设计繁琐的控制程序,这是该变频器所特有的功能之一;内置的瞬时停电再启动与再试启动功能 ,在无人看管的情况下,即使变频器停机后也可自行启动,完全实现了以自动化方式的- 6 -运行.本系统中的 PID 调节器可用变频器内置式值很大,这就会存在偏差调节.在消除偏差调节的过程中,必然导致系统出现较大的超调和长时间的振荡,同时还会产生严重的积分饱和现象,从而影响了设备的正常运行.要把这种影响降至最低,就应在控制算法中采用积分分离的 PID 控制方式,以达到预期效果.经这样处理后,可大大缩短系统达到稳定的过渡过程时间.系统中配备两台 11kW 水泵(1M 为主泵,2M 为备用泵)供 600 余户居民用水.两台泵同时工作时提供最大高峰流量 ,单台则满足小流量和夜间供水.另外,所有水泵均能以变频方式运行,即可以循环方式软启动,这样能减小对电网和管网的冲击.值得注意的是,两泵在变频与工频之间切换时,仅有程序互锁是不够的,输出必须采用机械联锁接触器,这样可避免两个接触器瞬间同时闭合的情况,以免造成电源的瞬间短路。变频调速系统的主回路原理图,压力传感器 P 实时监测水压信号的大小,信号经PID 处理,输入至变频器.小流量时,水泵电机 1M 运转 (1KM1 吸合),并通过反馈通道不断调整其转速,以保持压力的恒定;在大流量的情况下 ,经压力比较电路通过PLC 发出“变频/工频切换”与“运行联锁” 指令,机械联锁接触器(2KM(2KM1+2KM2)中的 2KM2、接触器 3KM 得电.这时,电机 2M 以变频方式启动,1M 则切换至工频全速运行.这样,本系统能始终将用水量维持在一个恒定的压力上.前述小区建成初期,供水采用工频方式,因能耗大,可靠性差,住户反映强烈.改用变频供水后,装机总容量较原设备减小 25%,实际综合节电指标接近 30%,效果显著。三、应用中的几个问题在大多数情况下,现场的使用环境较为恶劣.变频器虽然本身具有很强的保护功能,如欠压、过压、过流、电流限幅选择整定、过载、过热、缺相、短路及断水保护功能等,但仍应做到防患于未然.经使用发现,三菱、富士两种品牌,由于在设计和制造中充分考虑了各种恶劣的运行环境.在同样条件下的可靠性和使用寿命较某些品牌高.湖北鄂西山区某小城市,平均海拔 1200m,常年大部分时间湿度偏高(80% 左右),二氧化硫污染严重,某厂生产的一套变频供水设备,因未考虑上述因素,以至于不到一年的时间,设备的有关部件严重腐蚀.而我们在同一地区设计、安装的同类产品,因充分考虑了各种不同的情况,在设备与元件的选型上,采用了船用标准.经两年多的使用,运行良好,经受了各种严峻的考验.在实际使用中发现,变频器本身就是一个强大的干扰发生源,往往会影响设备的正常运行.特别是水泵低转速运转时,变频器上显示的频率与实际运行频率不符.干扰的传播途径一般有两种:线路串扰和空间辐射干扰.根据现场的实际情况可采取相应的措施予以解决.例如,对可编程控制器的电源端增加滤波与吸收回路,PID 调节器单元的输入输出一定要有可靠屏蔽,将变频器、电机上的接地端子牢固地与接地桩子相连,控制线与动力线要留有一定的距离,以增强抗电磁干扰的能力.只有这样,才能使系统在高温、潮湿、霉菌、强干扰等严酷的条件下保持长期稳定的工作状态。四、结束语以变频调速为核心的供水方式,节水、节电效果明显,可广泛适用于 2010000 户居民生活区、高层建筑、宾馆、饭店、消防或小区加压供水,也是中小型自来水厂给水的理想设施.其供水质量高,经济效益明显,社会效益巨大,随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高,它一定会在我国逐步得到应用与推广。五、参考文献张万忠,王民权.一种新型变频恒压供水泵站的设计方案.电气时代,1999(10):22232- 7 -刘迎春.传感器原理设计与应用.北京:国防科技大学出版社 ,1989.59623吕光大.建筑电气安装工程手册.北京:水利电力出版社 ,1995.2222244给排水自动化工程编写组.给排水自动化工程.北京:水利电力出版社,1997.3013121本课题所涉及的问题在国内(外)的现状综述随着社会经济的飞速发展,城市建设规模的不断扩大,人口的增多以及人们生活水平的不断提高,对城市供水的数量、质量,经济、稳定性提出了越来越高的要求。据统计,从 1990 年到 1998 年。我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)由 175.7 升增加到 241.1 升,增长了 37.2,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面,在全国的 666 个城市中有 330 个不同程度缺水,其中严重缺水的达 108 个;在 32 个百万人口以上的特大城市中,有 30 个城市长期受缺水的困扰,特别是水资源短缺地区的城市,水的供需矛盾尤为突出。由于供水不足,城市工业每年的经济损失达 2300 亿元;同时给城市居民生活造成许多困难和不便,成为城市社会中的一种隐患。在供水企业中,水泵的电能消耗及设备的维护管理费用。在生产成本中占有很大的比例:水泵电机作为一种高耗能通用机械,其耗电量占全国总耗电量的 21以上,具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的,而轴功率与转速的三次方成正比,造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此,这种调控方式虽然简单,但从节约能耗的角度来看。很不经济。近年来,电机调速技术的应用,为水泵电机的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化,使水泵始终在高效区工作,将大大地降低水泵能耗,合理地进行设备管理与维护,对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。 信息与电子工程 系毕业设计 (论文 )- 1 -2设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法本课题要解决的问题:本课采用 和变频调速技术研制 控制变频调速恒压供水系统,与现场液PLCPLC位传感器、压力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。每天 24 小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水,保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应用,不仅能够节约宝贵的水、电资源,降低了生产成本,减少设备维护,降低维修成本;而且提高了整个水厂的生产调度管理水平,减轻工人劳动强度,有效的提高了生产率。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景,本控制系统具有较大的发展潜力和较高的推广价值。(1)由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的,而轴功率与转速的三次方成正比,造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此,这种调控方式虽然简单,但从节约能耗的角度来看。所以我们采用变频调速控制水泵用来改善水泵的能量浪费问题。(2)S7-200 控制的变频调速恒压供水系统采用变频调速方式自动完成泵组软启PLC动及无冲击切换,自动调节水泵电机转速,改变以往“先启后停”方式,使水压平稳过渡。采用硬件/软件备用及时钟控制功能,使各泵进行轮休,延长设备的机械使用寿命。变频器故障时系统仍可运行,保证不间断供水。因此要设置好各泵的启动方式及顺序。(3)变频转工频开关切换时间 T设置是为了确保在加泵时,泵由变频转为工频的过程中,同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器,同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击,所以在允许范围内必须尽可能的小。(4)上下限频率持续时间 TH 和 TL变频器运行的频率随管网用水量增大而升高,系统以变频器运行的频率是否达到上限(下限) 、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵(减泵) ,这个判断的时间就是 TH( TL) 。如果设定值过大,系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应;如果设定值过小,管网用水量变化时就很可能引起频繁的加减泵动作;两种情况下都会影响恒压供水的质量。所以要设置好上下限频率持续时间。(5)对常用的调速方式进行分析,并决定选用的调速方式调速方式的大致分类:1、变级对数调速,2、变频调速。变频调速又可以分为:、交-直-交变频器,、交-交变频器。因为交交变频调速方式比较适用于低速度,大功率的电机,因此我们在本次设计中选用交直交方式的变频调速。 信息与电子工程 系毕业设计 (论文 )- 2 -3本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路3.1 调速控制节能分析水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量,其流量随外界用水情况在变化,扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点,需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的,因而浪费了能量:而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点,使其流量与杨程适应管用水量的变化,维持压力恒定,从而达到节能效果。由流体力学可知,水泵给管网供水时,水泵的输出功率 与管网的水压 H 及出水p流量 Q 的乘积成正比;水泵的转速 与出n水流量 Q 成正比:管网的水压 H 与出水流量 Q 的平方成正比。由上述关系有,水泵的输出功率 与转速 的三次方成正比,n即:; 图 1-11PkH;2n;3;式中 k,k1,k2,k3为比例常数。当系统出水流量减小时,通过变频调速装置将供水水泵转速调小,则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理田如图 1-1 所示。图中曲线 1、2、3为管网阻力特性曲线,曲线 4 为水泵转速为 n1时的运行特性曲线,曲线 5 为水泵转速为 n2时的运行特性曲线。水泵原来的工作点为曲线 3 和曲线 4 的交点 A,此时出水流量为 Q1,管网压力为 H1,水泵转速为 n1。当系统的出水流量减小到 Q2,系统管网特性为曲线 1。曲线 1 和曲线 4 的交点 B 为运行工作点。此时管网压力为 H2,水泵的输出功率正比于 H2Q2。由于 H2H1,高出的压力能量被浪费了,同时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置,将此时水泵的转速调至 n2,曲线 5 和曲线 2 的交点 C 为水泵的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为 H1,出水流量为口 Q2,水泵的输出功率正比于 H1Q2。从图中可见,阴影部分正比于浪费的功率输出。例如,当 Q2为 Q1的 80%时,通过调速将 n2调为 n1的 80,则水泵的输出功率 P2为 P1的 51.2。如不采用调速控制,48.8的能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观。 信息与电子工程 系毕业设计 (论文 )- 3 -3.2 常用的调速方式水泵多配用交流异步电机拖动,当电机转速降低时,既可节约能量,经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式: 0611fnssp式中: :异步电动机的同步转速0n:异步电动机转子的转速:电动机的磁极对数p:电源频率,电动机定子电压频率f:转速差:s因此改变电动机极对数 、改变转速差 及改变电源频率 都可以改变转速。psf3.21 变级对数调速在电源频率定的情况下,电动机的同步转速与极对数成反比,改变电动机极对数,就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数以电动机一相绕组为例,电流方向都是一致的,只要改变定子绕组的连接方法,就可以成倍地改变磁极对数 。如果使 =1,2,3 等,就可以得到 =3000,1500,1000 等不同的p 0n/minr同步转速,从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有极调速,而且级差比较大,只适用于特定转速的生产机器。3.22 变频调速变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电,然后供给电动机,使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率 可以平滑地调节同f步转速 ,相应地也就改变转子转速 ,而转差率 可保持不变或很小。但对电动机0nns来说,定子频率改变后,其运行影响,如果电压不变,频率增加时,磁通减少,电动机转矩下降,严重时会使电机堵转:频率增减少,磁通增加,会使磁路饱和,励磁电流上升,导致铁芯损失急剧增加而发热,是不允许的。因此,在实用上,要求调频的同时,改变定子电压,保持磁通基本不变,既不使铁芯发热,又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种:交-直-交变频器。交-交变频器。01%nS 信息与电子工程 系毕业设计 (论文 )- 4 -(1)交-直-交变频器它是由三个环节组成:可控硅整流电路,其作用是将电压,定频率的交流电路变为电压可调的直流电:可控硅逆变电路,其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电:滤波环节,它在整流电路和逆变电路之间,一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。在交-直-交变频器中,根据滤波方式不同,又有电压型变频器和电流型变频器。近年来,由于电力电子器件和微机控制技术的发展,脉冲宽度调制型(简称)变频器技术获得了飞速的发展。 交频器也有电压型和电流型两种,目PWMPWM前以电压为主,由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压,而且具有抑制谐波功能,是一种比较理想的方式。(2)交-交变频器它是由两组反并联的整流电路组成,直接将电网的交流电通过交频电路同时调节电压和频率,变成电压和频率可调的交流电输出。交-交变频器由于直接交换,减少换流电路,减少损耗,效率高,波型好。但调速范围小,控制线路复杂,功率因数低,目前较少采用。变频技术对水泵电动机进行调速,以获得优良的运行特性和明显的节能效果,是目前常用的技术。由于交交变频调速方式比较适用于低速度,大功率的电机,因此我们在本次设计中选用交直交方式的变频调速。 信息与电子工程 系毕业设计 (论文 )- 5 -4完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法工具书1、黄云龙.可编程控制器教程,北京:科学出版社,2003.2、袁任光.可编程控制器选用手册,北京:机械工业出版社,2002.3、陈宇.可编程控制器基础及编程技巧,广州:华南理工大学出版社,1999.4、李景学、金广业.可编程控制器应用系统设计方法,北京:电子工业出版社,1995.5、黄立培、张学编.变频器应用技术及电动机调速,人民邮电出版社,1999.6、黄大雷、吴庚申.可编程控制器及其应用,人民交通出版社 1993.7、洱洪涛 .可编程序控制器( )原理及应用,中国水利水电出版社 1999.PLC8、韩焱青. 控制变频调速恒压供水系统,武汉化工学院学报 2000 年 04 期PLC9、http:/www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/网站有关 S7-200 、变频器、低压电器、自动化软件的查询,下载 step7 编程软件,学习相关的应用实例。实验室浙江工业大学浙西分校信电系过控实验室设备与环境1.S7-200 一台PLC2.三菱 S500 变频器一台3.计算机一台4.西门子 的 STEP 7-MicroWIN V4.0 编程环境 信息与电子工程 系毕业设计 (论文 )- 6 -5设计(论文)完成进度计划(1)第 01 周至第 03 周:查阅相关网站及英文资料(并翻译一篇外文资料) ,收集有关 S7-200 、变频器、低压电器、Siemens Step7 编程软件的资料。PLC(2)第 04 周至第 04 周:根据设计任务书的要求,完成毕业设计(论文)开题报告。(3)第 05 周至第 12 周:根据系统组成原理及给定的供水流量、压力和电机参数,进行变频器、S7-200 模拟量扩展单元、压力传感器等的选型,设计恒压供水系统硬件原理系统,设定变频器特性,编制 程序,通过软件设计具有定时换泵和系统PLC声、光报警等多种保护功能,进行仿真试验,并分析仿真结果。(4)第 13 周至第 15 周:整理相关资料,完成毕业设计(论文)手稿及最终电脑打印的毕业论文;(5)第 16 周:毕业设计(论文)小组答辩;(6)第 17 周:答辩。 信息与电子工程 系毕业设计 (论文 )- 7 -6指导教师审阅意见指导教师(签字): 年 月 日7 教研室主任意见教研室主任(签字): 系(签章)年 月 日说明:1.本报告必须由承担毕业设计(论文)课题任务的学生在接到“毕业设计(论文)任务书” 、正式开始做毕业设计(论文)的第 2 周或第 3 周末之前独立撰写完成,并交指导教师审阅。2.每个毕业设计(论文)课题撰写本报告一份,作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计(论文)课题任务的依据,并接受学校的抽查。文献综述摘 要:传统的供水系统存在着占地面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、供水质量低下等缺点和不足。为了解决这些问题,本文采用 控制技术和变PLC频调速技术相结合的方法来研究恒压供水系统,该系统与现场液位传感器、压力传感器一起组成了两个独立的闭环控制子系统。设计好的系统每天 24 小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水,保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应用,不仅能够节约宝贵的水、电资源,降低了生产成本,减少设备维护,降低维修成本;而且提高了整个水厂的生产调度管理水平,减轻工人劳动强度,有效的提高了生产率。关键字:恒压供水, 控制,变频器,PIDPLC一、引言随着社会经济的飞速发展,城市建设规模的不断扩大,人口的增多以及人们生活水平的不断提高,对城市供水的数量、质量,经济、稳定性提出了越来越高的要求。据统计,从 1990 年到 1998 年。我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)由 175.7 升增加到 241.1 升,增长了 37.2,与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面,在全国的 666个城市中有 330 个不同程度缺水,其中严重缺水的达 108 个;在 32 个百万人口以上的特大城市中,有 30 个城市长期受缺水的困扰,特别是水资源短缺地区的城市,水的供需矛盾尤为突出。由于供水不足,城市工业每年的经济损失达2300 亿元;同时给城市居民生活造成许多困难和不便,成为城市社会中的一种隐患。在供水企业中,水泵的电能消耗及设备的维护管理费用。在生产成本中占有很大的比例:水泵电机作为一种高耗能通用机械,其耗电量占全国总耗电量的 21以上,具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的,而轴功率与转速的三次方成正比,造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此,这种调控方式虽然简单,但从节约能耗的角度来看。很不经济。近年来,电机调速技术的应用,为水泵电机的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化,使水泵始终在高效区工作,将大大地降低水泵能耗,合理地进行设备管理与维护,对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。二、恒压供水技术的发展现状本课采用 和变频调速技术研制 控制变频调速恒压供水系统,与现PLCPLC场液位传感器、压力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。每天 24 小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水,保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应用,不仅能够节约宝贵的水、电资源,降低了生产成本,减少设备维护,降低维修成本;而且提高了整个水厂的生产调度管理水平,减轻工人劳动强度,有效的提高了生产率。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景,本控制系统具有较大的发展潜力和较高的推广价值。1、PLC 的发展现状浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(文献综述)- 1 -进入 80 年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,使得各种类型的 所采用的微处理器的档次普遍提高。而且,为了进一步提高 的PLC PLC处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得 软、硬件功能发生了巨大变化。是一门综合技术,其发展与微电子技术和计算机技术密切相关。随着可编程序控制器应用领域的不断扩大,它本身也在不断发展。目前 主要朝小型化和大型化两个方向发展。2、变频调速技术在恒压供水技术中的发展状况近年来,交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易,从而造就了一个庞大的电力行业。但长期以来,交流电的频率却一直固定而不能受人为控制。变频调速技术的出现使频率变成可以利用的资源。随着科学技术的进步,人民生活正趋向于高标准、高质量和现代化。在居民生活用水供水系统中,由于高层建筑越来越高,采用传统设备不能满足高层建筑高水压、大流量的快速供水需求。另外,在现代供水需求中,供水量是随机变化的,如果采用传统供水方式,难以保证供水的实时性,且能量浪费严重。随着交流电机变频调速技术的日臻完善,变频调速恒压供水方式可以很好地克服传统供水方法的缺点,成为一种很有发展前途的供水方式。3、模糊控制理论在恒压供水系统中的应用6、8、9、12在变频调速恒压供水系统中,利用模糊控制的相关理论,把系统输入的压力、流量等传感器信号以及系统的输出变量进行了模糊化处理,然后结合根据操作经验等制成的控制规则表,经过模糊推理,得到了系统控制的模糊控制表。在实时控制过程中,系统通过查找模糊控制表把实时采集的压力等输入信号转化成输出,然后通过模糊决策得到输出的清晰量,最后系统根据该清晰量进行电机变频控制,完成了恒压控制的模糊控制过程。三、变频调速的节能、调速原理1、水泵工况点的确定以及变化 2、7水泵工作点(工况点)是指水泵在确定的管路系统中,实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。如图 3-1、3-2、3-3 所示。图 3-1 水泵工作点的确定 图 3-2 水泵工况点的变化浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(文献综述)- 2 -图 3-3 水泵变速恒压工况 图 3-4 变频调速恒压供水水泵工况调节图2、 变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程交流电动机的转速 n 与电源频率 f 具有如下关系:(3-1)601sNp式 3-1 中: 极对数, 转差率ps因此不改变电动机的极对数,只改变电源的频率,电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中,通过变频器来改变电源的频率 来改变电f机的转速 改变水泵的转速,可以使水泵性能曲线改变,达到调节水泵工况目0n的。见图 3-4。当管网负载减小时,通过 VVVF 降低交流电的频率,电动机的转速从 降低到 。另外根据叶片泵工作原理和相似理论,改变转速 ,可使供水22 n泵流量 、扬程 和轴功率 以相应规律改变。QHN(3-12Qn2)212n(3-3)(3-212P4)或 (3-5) KQH式 3-5 是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程,在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况,所以称为相似工况抛物线。 3、变频调速恒压供水系统调速范围的确定考察水泵的效率曲线 ,水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内,也就是不要使变频器频率下降得过低,避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定,当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围,在根据用户的扬程确定具体最低调速范围,在实际配泵时扬程设定在高效区,水泵的调速范围将进一步变小,其频率变化范围在 40以上,也就是说转速下降在 20%以内,在此范围内,电动机的负载率在 50%-Hz100%范围内变化,电动机的效率基本上都在高效区。浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(文献综述)- 3 -四、系统的方案设计与工作过程变频调速恒压供水系统构成:系统采用一台变频器拖动 4 台电动机的起动、运行与调速,采用循环使用的方式运行。 未接工控计算机,压力传感器采PLC样水压力信号,变频器输出电机频率信号,这两个信号反馈给 控制器, PID控制器根据这两个信号经 运算,发出指令,对水泵电机进行工频和变PIDID频之间的切换。图 5-1 恒压供水系统方案图五、设计总结及展望S7-200 控制的变频调速恒压供水系统的设计是比较完备的,但是并非PLC没有有待改进之处,例如该系统设计为组泵,它的可扩充性就没有再设计中被充分考虑到,如果遇到大型水厂,需要更多泵组,那么该设计就基本没有用武之地,需要重新设计,又如,该系统的保护功能并不完整,系统应该设置组变频器, 防止其中一组出错时造成事故,这样也可以提高系统的稳定性,连续工作时间,减少故障损失。展望未来,以后的恒压供水系统设计应该改进我上述不足之处,以提高整体系统的性能。降低错误率。参考文献1 宋序彤.我国城市供水发展有关问题分析J.城镇供水.2001, 2: 2227.2 崔玉川,傅涛.我国城市给水发展现状与特点J.中国给水排水.1999,(2):5254.3 刘黎成,孙伟.离心泵压力自控调速系统的节能J.中国给水排水.1993, (5):5861.4 赵相宾,刘国林.变频调速和软起动技术的现状和发展J.自动化博览.2000,(6): 16.5 蒋艺,杨俊生.变频调速器在供水系统中的应用闭.山东冶金.1999, 21(5):4950.6 邱文渊,童国道.国内外变频器技术的现状及我国发展策略初探J.电子与自动化,1995, (5): 35.7 黄金波,郭丽春.可编程控制器在自动给水系统中的应用J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2002, (3): 338339.8 贺玲芳等.基于 控制的全自动变频恒压供水系统J.西安科技学院学报,PLC浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(文献综述)- 4 -2000,(3): 243245.9 罗锁玉.“南化”自备水厂变频改造实现恒压自动供水J.电力需求与管理,2002,(2): 4344.10 丁学又,金大海.交流电机变频软起动时的问题及解决方法J.电力电子技术,2001,(5): 15.11 胡纲衡,唐瑞球.高(中)压变频器应用基础许座,第三讲高压交频器的切换J.变频器世界,2001(10): 4345 .12 杨凌云 . 调节器在恒压供水系统中的应用闭.微机算计信息, 1996, 12(5):PID4951.13 郁汉琪.基于专家 调节的变频调速恒压供水系统的研究J.电气传动自动化,1998, 1(20): 6568.14 田家山.水泵及水泵站M.上海:上海交通大学出版社,1989: 92105.15 王维新,流体力学,北京:煤炭工业出版社,1986, 10: 7278.16 周漠仁.流体力学、泵与风机M.北京:中国建筑工业出版社,1994: 310324.17 崔金贵,变频调速恒压供水系统在建筑给水应用的理论探讨J.兰州铁道学院学报,2000, 19(1): 8488.18 丁云飞.变频调速水泵的能耗分析J.流体机械,2001. 12 ,29(3): 2527.19 吕树清.恒压供水系统在高层建筑中的应用探讨 J.南昌水专学报,2001, 9,20(3): 3934.20 廖常初.可编程程序控制器应用技术M.重庆:重庆大学出版社,1998, 10:5965.21 耿红旗,吕冬艳.可编程序控制器应用教程M.北京:中国水利水电出版社,2001,12:4560.22 常斗南.可编程序控制器原理、应用及通信M.北京:机械工业出版社,1997:6896.23 张桂香,王辉编著.计算机控制技术M.成都:电子科技大学出版社,199924 SIEMENS Company. S7-200 manual, 2001,3.25 黄一大.微型计算机控制技术.北京M:机械工业出版社,1998.26 王占奎.变频调速应用百例M.北京:科学出版社,1999.27 高新陵,宋晓平.变频调速恒压供水系统研制J.河海大学学报, 2001, 1, 28 宁耀斌,明正峰.变频调速恒压供水系统的原理与实现J.西安理工大学学报,2001,5,17(3): 305308.29 张戟.单台变频器实现多台水泵软起动空调恒压供水方法J.计算技术与自动化,1999. 4: 1820.30 汤蕴#l.电机学.北京:机械工业出版社M , 1999, 5: 140142.31 邓巍. 及变频器在多台泵自动恒压供水系统中的应用J.石油学院学报,PLC2001,6. 13(2): 6769.32 武雅莉,王鹊.利用 8031 单片微机在线检测相位差J.西安:现代电子技术,1995,2:2527.33 任冠众等.相位测量技术LJ.电测与仪表,1990, 27(9): 4160.34 史健芳.用单片机测量相位差的新方法J.电脑开发与应用,2000, 13(7): 3031.35 Paul.C.l. Phase measuring with increased accuracy. Electron .Eng, 1991,4: 5255.36 田会山,杨爱华.水泵及水泵站M.北京:中国建筑工业出版社,1986.37 陈国华,风机水泵调速节能手册M.北京:机械工业出版社社,1987, 12:92105.38 张海藩编著.软件工程导论M.北京:清华大学出版社,1992, 6.39 金以慧主编.过程控制J.清华大学出版社,2001, 7.40 (美)Steve Teixeira Xavier Pacheco(徐新华译).Delphi4 开发大全(上、下)M.北京:人民邮电出版社,1999, 8.41 蒋方帅,潇湘工作室编著.Delphi5 程序员指南M.北京:人民邮电出版社,2001,8.42 李睿,方坤等编著。Delphi 开发高级界面实例M.北京:人民邮电出版社,2000,10.浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计(文献综述)- 5 -I摘 要传统的供水系统存在着占地面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、供水质量低下等缺点和不足。为了解决这些问题,本文采用 控制技术和变频调速技PLC术相结合的方法来研究恒压供水系统,该系统与现场液位传感器、压力传感器一起组成了两个独立的闭环控制子系统。设计好的系统每天 24 小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水,保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应用,不仅能够节约宝贵的水、电资源,降低了生产成本,减少设备维护,降低维修成本;而且提高了整个水厂的生产调度管理水平,减轻工人劳动强度,有效的提高了生产率。关键字:恒压供水, 控制,变频器,PIDPLCIIABSTRACTTraditional water supply system has the shortages including occupying wide surface area、high expenses、management complex and difficult、water pollution again, and so on. In order to solve these problems, this paper combines control technology and transducer PLCtechnology to research constant pressure water supply system. Two independent sub-systems are irrespectively built with water place sensor and pressure sensor. The finished system can fulfill constantly supplying water to city day and night according to the water pressure given to assure the continuously produce.With the research and use of this project, we can save large sum of precious water、electrical source, and decrease the produce price, reduce device management and lessen repair price. Moreover, this system also can improve the lever of produce and management, lighten the works strength, and increase the productivity.Key Words: constant water supply system, control transducer, PIDPLCIII目 录第 1 章 绪论 .11.1 采用恒压供水系统的目的和意义 1、2、7、9 .11.2 恒压供水的特点 .11.2.1 恒压供水方式讨论 .11.2.2 恒压供水的实现 .21.3 现行高楼供水的模式 19 .21.3.1 恒速泵供水 .21.3.2 高位水箱供水 .21.3.3 气压罐供水 .31.4 毕业设计的主要任务 .3第 2 章 变频调速恒压供水分析 .42.1 变频恒压供水的工艺调节过程介绍 6.42.2 调速系统的构建 25-29 .42.2.1 调速原理 .42.2.2 恒压供水系统的组成 .52.2.3 调节系统的计算方法 12、13 .52.2.4 变频恒压供水频率变化分析 .72.3 节能分析 3.82.3.1 水泵的基本参数和特性 14-18,36,37 .82.3.2 水泵调速运行的节能原理 .11第 3 章 恒压供水系统 .133.1 系统概述 31 .133.2 控制系统的组成 .133.2.1 供水系统的组成 .133.2.2 系统功能说明 .133.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理 .143.3.1 恒压供水系统的工作原理 .143.3.2 调速泵系统构成 .143.4 变频器 6.143.4.1 变频器输入输出接口 .143.4.2 变频器外围设备的选择及保养 .153.5 变频调速恒压供水系统的特点 .16第 4 章 可编程控制器 PLC.174.1 PLC的定义 20-22.174.2 的发展阶段及发展方向 .174.3 的特点与应用领域 .184.3.1 可编程序控制器的特点 .184.3.2 可编程序控制器与继电器控制系统的比较 .194.3.3 可编程序控制器的应用领域 .194.3.4 PLC在现代自动控制系统应用中所面临的问题 .204.4 我国常用 的性能比较研究 .204.4.1 的一般结构 .20IV4.4.2 PLC基本工作原理 .224.5 我国常用 的性能特点 .234.5.1 SIMATIC S7 系列 PLC 24 .234.5.2 S7-200 系列可编程序控制器 .234.5.3 控制系统设计内容 .244.5.4 L控制系统设计步骤 .244.5.5 PC控制系统的硬件设计 .254.6 控制系统的软件设计 .264.6.1 软件设计概述 .264.6.2 软件设计 .274.6.3 L程序设计的常用方法 .284.6.4 程序设计步骤 .29第 5 章 PLC 控制系统的设计 .315.1 概述 .315.2 PC输入输出 /IO分配.315.2.1 输入口 .315.2.2 输出口 .315.2.3 辅助触点 .315.3 L控制系统功能介绍 .325.4 恒压供水系统 L的流程图 .335.5 PC控制系统的可 靠性及应用程序设计 .345.5.1 程序的优化设计 .345.5.2 应用程序的设计 .355.5.3 故障检测程序的设计 .37第 6 章 系统调试 .386.1 变频器关键参数的设定 .386.2 PLC的调试 .38致 谢 .43附录 PLC 程序 .441第 1 章 绪论1.1 采用恒压供水系统的目的和意义 1、2、7、9随着社会经济的飞速发展,城市建设规模的不断扩大,人口的增多以及人们生活水平的不断提高,对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。我国中小城市水厂尤其是老水厂自动控制系统配置相对落后,机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐,而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。为了保证供水,机组通常处于超压状态运行,不但效率低、耗电量大,而且城市管网长期处于超压运行状态,曝损也十分严重 7。本文从我国中小城市供水厂的现状出发,设计了一套基于 的变频调速恒压供水系统。PLC1.2 恒压供水的特点恒压供水是指用户段不管用水量大小,总保持管网水压基本恒定,这样,既可满足各部位的用户对水的需求,又不使电动机空转,造成电能的浪费。1.2.1 恒压供水方式讨论水泵多配用交流异步电机拖动,当电机转速降低时,既可节约能量,经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式:(1-1)0611fnSSp式中:异步电动机的同步转速0n:异步电动机转子的转速:电动机的磁极对数p:电源频率,电动机定子电压频率f:转速差:s(1-2)%10ns因此改变,电动机极对数 、改变转速差 及改变电源频率 都可以改变转速。pf变级对数调速在电源频率定的情况下,电动机的同步转速与极对数成反比,改变电动机极对数,就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数以电动机一相绕组为例,电流方向都是一致的,只要改变定子绕组的连接方法,就可以成倍地改变磁极对数 。如果使 等,就可以得到 等不同的p3,21 min/10,530rn同步转速,从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单,投资省,节能效果显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有极调速,而且级差比较大,只适用于特定转速的生产机器。变频调速变频凋速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电,然后供给电2动机,使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率 可以平滑地调节同步转f速 ,相应地也就改变转子转速 ,而转差率 可保持不变或很小。但对电动机来0nns说,定子频率改变后,其运行影响,如果电压不变,频率增加时,磁通减少,电动机转矩下降,严重时会使电机堵转:频率增减少,磁通增加,会使磁路饱和,励磁电流上升,导致铁芯损失急剧增加而发热,是不允许的。因此,在实用上,要求调频的同时,改变定子电压,保持磁通基本不变,既不使铁芯发热,又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种:交-直-交变频器。交-交变频器。 交-直-交变频器它是由三个环节组成:可控硅整流电路,其作用是将电压,定频率的交流电路变为电压可调的直流电:可控硅逆变电路,其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电:滤波环节,它在整流电路和逆变电路之间,一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。在交-直-交变频器中,根据滤波方式不同,又有电压型变频器和电流型变频器。近年来,由于电力电子器件和微机控制技术的发展,脉冲宽度调制型(简称)变频器技术获得了飞速的发展。PWM 交频器也有电压型和电流型两种,目前PWM以电压为主,由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压,而且具有抑制谐波功能,是一种比较理想的方式。 交-交变频器它是由两组反并联的整流电路组成,直接将电网的交流电通过交频电路同时调节电压和频率,变成电压和频率可调的交流电输出。交-交变频器由于直接交换,减少换流电路,减少损耗,效率高,波型好。但调速范围小,控制线路复杂,功率因数低,目前较少采用。变频技术对水泵电动机进行调速,以获得优良的运行特性和明显的节能效果,是目前常用的技术。1.2.2 恒压供水的实现恒压供水是指用户段不管用水量大小,总保持管网水压基本恒定,这样,既可满足各部位的用户对水的需求,又不使电动机空转,造成电能的浪费。而变频调速是指靠改变电源的频率,电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中,通过变频器来改变电源的频率 来改变电机的转速 改变水泵的f 0n转速,可以使水泵性能曲线改变,达到调节水泵工况目的。1.3 现行高楼供水的模式 191.3.1 恒速泵供水恒速运行时,一般采用节流调节,这种方式的缺点是效率低、能耗大。也就是依靠阀门来控制供水量。1.3.2 高位水箱供水3采用电流及电压的相位大小等变化特性对高位水箱泵组进行控制。供水系统利用高位水箱及地下水池的水位变化来自动启闭水泵,以向各水箱供水。改供水方式可控性差。1.3.3 气压罐供水气压供水设备是利用压缩空气的涨力将水送往用水点的通用供水设备。气压供水整套设备高压密封,没有外部污染,内部不长青苔。并且供水压力可以根据需要很方便地在控制器上进行调整,不象高位水箱当放置的高度确定后,水压就已确定,无法调整。但是气压供水能耗大,且控制水压能力有限,不如水泵供水的压力控制。1.4 毕业设计的主要任务随着变频调速技术的发展,变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,变频恒压供水已广泛应用于厂矿企业及生活、消防等供水系统。S7-200 控制的变频调速恒压供水系统采用变频调速方式自动完成泵组软PLC启动及无冲击切换,自动调节水泵电机转速,改变以往“先启后停”方式,使水压平稳过渡。采用硬件/软件备用及时钟控制功能,使各泵进行轮休,延长设备的机械使用寿命。变频器故障时系统仍可运行,保证不间断供水。4第 2 章 变频调速恒压供水分析2.1 变频恒压供水的工艺调节过程介绍 6泵组的切换开始时,若硬件、软件皆无备用(两者同时有效时硬件优先) ,1 泵变频启动,转速从 开始随频率上升,如变频器频率到达 ,而此时水压还0 Hz50在下限值,延时一段时间(由 内部时间继电器控制,目的是避免由于干扰而PLC引起误动作)后,1 泵切换至工频运行,同时变频器频率由 滑停至 ,2 z0泵变频启动,如水压仍不满足,则依次启动 3 、4 泵;若开始时 1 泵备用,则直接启 2 变频,转速从开始随频率上升,如变频器频率到达 ,而此时水压还z在下限值,延时一段时间后,2 泵切换至工频运行,同时变频器频率由 滑停5至 ,3 泵变频启动,如水压仍不满足,则启动 4 泵;若 1 、2 泵都备用,Hz0则直接启 3 变频,具体泵的切换过程与上述类同。同样,如水压在上限值,若台泵(假设为 1 、2 和 3 )运行时,3 泵变频运行降到 ,此时水压仍处于上限值,则延时一段时间后使 1 泵停止,3 泵z变频器频率从 迅速上升,若此后水压仍处于上限值,则延时一段时间后使 2泵停止。这样的切换过程,有效地减少泵的频繁启停,同时在实际管网对水压波动做出反应之前,由变频器迅速调节,使水压平稳过渡。以往的变频恒压供水系统在水压高时,通常是采用停变频泵,再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式,理论上要比直接切工频的方式先进,但其容易引起泵组的频繁启停,从而减少设备的使用寿命。而我们这次的设计的系统中,要求直接停工频泵,同时由变频器迅速调节,只要参数设置合适,即可实现泵组的无冲击切换,使水压过渡平稳,有效的防止水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象,提高供水品质。2.2 调速系统的构建 25-292.2.1 调速原理异步电动机定子三相对称绕组空间相隔 120,当通以三相对称电流时,产生旋转磁场,旋转磁场的转速,即同步转速为:(2-1)160fnp异步电动机的转差率为:(2-2)1()s(2-3)160fsnp式中:5:定子绕组电源频率1f:磁场极对数p:转差率s:同步转速( )1nmin/r:异步电动机转速( )2.2.2 恒压供水系统的组成变频恒压供水系统原理如图 2-1 所示,它主要是由 (包括一块模PLCS207拟量扩展模块 ) 、变频器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及若235EM干台水泵等组成。通过控制柜面板上的按钮、转换开关和指示灯来控制系统的运行。图 2-1 供水系统组成2.2.3 调节系统的计算方法 12、13算法:PID内设定了一个 算法,所有泵的自动切换,变频器的工作全部依赖这LCPID个 。原理I算法控制原则基于以下公式:(2-4)dteKCMedtKCtMintal0)(输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项 式中:作为时间函数的回路输出()Mt: 回路增益DT: 回路错误(设定值和进程变量之间的差别)E:回路输出的初始值intal为了在数字计算机中运行该控制函数,必须将连续函数量化为错误值的定期样6本,并随后计算输出。数字计算机运算以下列相应的公式为基础:(2-5)11()nnitalnMKCeIMKDe输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项式中:采样时间 的回路输出计算值Mnn:回路增益KC: 采样时间 的回路错误值e: 回路错误的前一个数值(在采样时间 )1n 1n: 积分项的比例常数I: 微分项的比例常数ital: 微分项的比例常数D在该公式中,积分项被显示为全部错误项的函数,从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数,而比例项仅是当前样本的函数。在数字计算机中,既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。因为从第一个样本开始,每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值,因此仅需存储前一个错误值和前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性,可在任何采样时间对公式进行简化。简化后的公式为:(2-6)1()nnMKCeIXKDe输出=比例项 + 积分项 + 微分项式中: 采样时间 的回路输出计算值Mnn: 回路增益KC: 采样时间 的回路错误值e: 回路错误的前一个数值(采样时间 )1n 1n: 积分项的比例常数I: 积分项的前一个数值(采样时间 )X: 微分项的比例常数D计算回路输出值时, 使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为:CPU(2-7)nnMPID输出=比例项+积分项+微分项式中: 采样时间 的回路输出计算值Mnn: 采样时间 的回路输出比例项数值P: 采样时间 的回路输出积分项数值I: 采样时间 的回路输出微分项数值nD比例项比例项 是增益 和错误( )的乘积,其中增益控制输出计算的敏感度,KCe错误是在某一特定采样时间设定值( )和进程变量( )之间的差。 采SPPVCPU用的计算比例项的公式为:(2-8)()Mcn式中: 采样时间 的回路输出比例项数值MPn7: 回路增益Kc: 采样时间 的设定值数值SPnn: 采样时间 的进程变量数值V积分项积分项 MI 在时间上与错误( )和成比例。 采用的积分项公式为:eCPU(2-9)()SnITMIKcnVMX式中: 采样时间 的回路输出积分项数值nMIn: 回路增益Kc: 回路采样时间ST: 积分时间(亦称为积分时间或复原)I: 采样时间 的设定值数值P: 采样时间 的进程变量数值Vnn: 采样时间 的积分项数值(亦称为积分和或偏差)X1积分和或偏差( )是积分项所有先前数值的运行和。每次 计算后,根MX nMI据 的数值更新偏差,该数值可能被调节或截取(详情请参阅变量和范围一节)nI。偏差的初始值通常被设为第一次回路输出计算之前的输出值。其他几个常数也是积分项的一部分,例如增益 、采样时间 (即 回路重新计算输出值的循环KcSTPID时间)以及积分时间或复原 (即用于控制积分项对输出计算影响的时间) 。IT微分项微分项 与错误变化成比例。计算微分项的公式为:D(2-10)()()DSMcnVSn为了避免步骤改变或由于对设定值变化求导带来的输出变化,对该公式进行修改,假定设定值为常数 。如下所示,会导致计算进程变量的变化,而不1nSP计算错误的变化:(2-11)1()Dn nSTKcPnSP或者(2-12)1()nnSMV: 采样时间 的回路输出微分项数值nMDn: 回路增益Kc: 回路采样时间ST: 回路微分阶段(亦称为微分时间或速率): 采样时间 的设定值数值P: 采样时间 的设定值数值1n1n: 采样时间 的进程变量数值V: 采样时间 的进程变量数值必须保存进程变量,而不必保存错误,用于下一次微分项计算。第一次采样时,数值 被初始化,等于 。1nPnPV变频恒压供水频率变化分析8交流电机的转速 与电源频率 的关系如下:nf(2-13)60(1)fnsp式中: 是级对数, 是转差率 ps因此不改变电动机的极对数,只改变电源的频率,电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中,通过变频器来改变电源的频率 来改变电机的转速 。fn改变水泵的转速,可以使水泵性能曲线改变,达到调节水泵工况目的。图 2-2 变频调速的水泵特性曲线2.3 节能分析 32.3.1 水泵的基本参数和特性 14-18,36,37水泵工作参数共有六个,即:流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。在六个参数中,流量、扬程和转速是基本参数,只要其中一个发生变化,其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化。1.流量 Q水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量,可分为体积流量和质量流量两种。2.扬程 H相 似 工 况 抛 物 线 管 路 性 能 曲 线水 泵 性 能 曲 线 c AQcQAABC9水泵扬程也称水头,是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量,可以由水泵进水口、出水口断面上的单位总能量 , 的差值表示,其单位以 计。水泵扬程1E2 m可用下式表示为(2-14)21212121VHZHg式中:Z 1, Z2分别为真空表测压点、压力表零位点至基准面的垂直距离,低于基准面时取负值( )。m式中:分别为真空表、压力表读数 ( )。12,Hm为水泵进,出水口断面的流速水头( )。Vg3.功率水泵功率有以下两种,有效功率 和轴功率 。MPN有效功率 为泵内液体实际所获得的净功率( ),可以根据流量和扬程来计算。MPKW(2-15)10MQHP式中:为液体的比重( ) 3/mkgf为液体的流量( )Qs为水泵的扬程( ) 。H轴功率 是水泵在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率,即由动力机传NP给水泵轴上的功率( )。轴功率不可能全部传给液体,而要消耗一部分功率后,KW才成为有效功功率。(2-16)10%10MNPQH式中: 水泵效率(%)4.效率有效功率与轴功率的比值为效率 。(2-17)10MNP水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度,亦即反映了泵内功率损失的大小,是一项重要的技术经济指标。它由泵内水力效率、机械效率及容积效率等三个局部效率组成。(1)机械损失与机械效率机械损失包括轴与轴承的磨擦损失、轴与填料函的磨擦损失以及叶轮在水中旋转时引起的损失即轮盘损失。水泵克服了机械损失之后,把剩下的功率传给所抽的水,这部分功率叫做水功率 。WP(2-18)thHqQ式中:10: 流过叶轮的全部流量qQ: 漏损量: 水泵理论扬程thH机械损失的大小用机械效率表示(2-19)10%WjNP(2)容积损失与容积效率在流过叶轮的全部流量中,除了出水量 外,另有一部分流量,经过减漏环的Q间隙或轴流泵叶轮外缘与泵壳的间隙流回进水侧,以及经过填料函渗出泵外,流量带走的功率为(2-20)LthPqH剩余的功率为:(2-21)SW容积损失 可用容积效率 ,表示LPj(2-22)10%rsP各式带入上式后的:(2-23)()rthQHq(2)水力损失与水力效率水泵吸入室、叶槽、压出室中的磨擦阻力、旋涡及撞击等引起的水力损失,可用水力效率表示(2-24)10%MsWthtPQH用 乘以上式右端可的:WSP(2-25)SMjrsNWnP由上式可见水泵效率,是三个局部效率的乘积。要提高水泵效率,必须尽量减少机械磨擦和漏水量,并力求改善过流部分的设计和提高制造、装配质量。5.转速 n转速 是指叶轮每分钟的转数。水泵铭牌上所标明的额定转速是设计工况时的转速,当转速改变后,水泵工作性能也随着改变。6.允许吸上真空高度 或临界气穴余量yzH1h二者是表征水泵吸水性能曲线或气穴性能的参数,它们是确定水泵安装高度和评述水泵发生气穴与气蚀问题的主要参数。工况点调节方法:在选择和使用水泵的实践中,常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点较远,以至引起水泵装置效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象,这就必须采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点,使其符合要求。这种方法叫做水泵工况的调节。现将常用的几种调节方法分述如下。1.车削调节11沿外径车小离心泵的叶轮,可以改变水泵的性能曲线,从而扩大水泵的使用范围,这种方法称为车削调节。离心泵叶轮车削不能超出某一范围,否则原来的构造被破坏,使叶片末端变粗,使叶轮和泵壳之间间隙过大,增加回流损失,以致水利效率降低。因而使用单位一般不采用这种调节方法来改变水泵工作点。2.变角调节通过改变叶片安装角,使水泵性能曲线改变的方法成为水泵工况的变角调节,它适用于叶片安放角可以改变的轴流泵及混流泵,并不适合离心泵,因此这里不作详述。3.节流调节对于出水管路中装有闸阀的水泵装置来说,当把闸阀关小时,由于在管路中增加了一个局部阻力,则管路性能曲线变陡,于是,其工作点就沿着水泵的 HQ 曲线朝着流量减小的方向移动。闸阀关得越小,附加阻力越大,流量就变得越小。这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法,称为节流调节。4.变速调节变速调节是通过改变水泵的转速,可以使水泵性能曲线改变,达到调节水泵工况以扩大水泵使用范围的目的。变速调节就是对水泵相似理论的应用。2.3.2 水泵调速运行的节能原理水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量,其流量随外界用水情况在变化,扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点,需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的,因而浪费了能量:而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点,使其流量与杨程适应管用水量的变化,维持压力恒定,从而达到节能效果。图 2-2 变频调速节能原理由流体力学可知,水泵给管网供水时,水泵的输出功率 P 与管网的水压 H 及出水流量 Q 的乘积成正比;水泵的转速 与出水流量 Q 成正比:管网的水压 H 与出水n流量 Q 的平方成正比。由上述关系有,水泵的输出功率 P 与转速 的三次方成正比,n即:12(2-26)1PkHQ(2-27)2n(2-28)3(2-29)k上面各式中 为比例常数。123,k当系统出水流量减小时,通过变频调速装置将供水水泵转速调小,则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理田如图 2-2 所示。图中曲线 1、2、3为管网阻力特性曲线,曲线 4 为水泵转速为 时的运行特性曲线,曲线 5 为水泵转1n速为 时的运行特性曲线。水泵原来的工作点为曲线 3 和曲线 4 的交点 ,此时出2n A水流量为 ,管网压力为 ,水泵转速为 。当系统的出水流量减小到 ,系统1Q1H1 2Q管网特性为曲线 1。曲线 1 和曲线 4 的交点 为运行工作点。此时管网压力为 ,BH水泵的输出功率正比于 。由于 ,高出的压力能量被浪费了,同时过2Q21高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置,将此时水泵的转速调至 ,曲线 5 和曲线 2 的交点 为水泵的运行工作点。调速后管网的压力仍保持2nC为 ,出水流量为口 ,水泵的输出功率正比于 。从图中可见,阴影部分1H1HQ正比于浪费的功率输出。例如,当 为 的 80%时,通过调速将 调为 的21 2n180,则水泵的输出功率 为 的 51. 2。如不采用调速控制,48.8的能量将被2P1浪费。可见变频调速的经济效益十分可观。13第 3 章 恒压供水系统3.1 系统概述 31恒压供水是指用户段不管用水量大小,总保持管网水压基本恒定,这样,既可满足各部位的用户对水的需求,又不使电动机空转,造成电能的浪费。为实现上述目标,本系统利用 和数据采集模块根据给定压力信号和反馈PLC压力信号,通过 控制算法控制变频器调节水泵转速,从而达到控制管网水压的PID目的。3.2 控制系统的组成3.2.1 供水系统的组成图 3-1 恒压供水系统原理图3.2.2 系统功能说明本系统主要可以分为手动和自动两大块,手动状态下又可分为强制关闭和强制工频自动运行时能进行 调节,进行加泵,减泵,在手动状态下也能进行自动运PID行,能通过 运算及加,减泵控制水压,防止出现超压,欠压现象的出现。I143.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理3.3.1 恒压供水系统的工作原理1.当 处于手动状态下:PLC在手动状态下 会先检测是否有强制工频或强制关闭的泵,如果有则在开L始运行时就先把被强制的泵按要求运行或停止,如果处于手动档但又没有指定任何一台泵的工作状态则按自动状态运行。当有泵处于强制状态时,各泵对应的辅助触点会被置 1,其余泵如果按自动运行状态到一定时间(加泵或减泵) ,需要用到被强制的泵时会因辅助触点的状态自动跳过被强制的泵,而继续使再下一个泵工作或停止。2. 当 处于自动运行状态下:PLC在自动运行状态下, 是不会检测有无被强制的泵。因此,此时要注意使PLC用安全。3.启动泵:按 1,2,3,4 的顺序依次变频启动 4 个泵,当泵运行与 一段时间50Hz(具体时间由实验的出,暂定为 1 分钟)后 算法所得结果依然不满足水压要求PID会增加下一个泵。 (如所有泵已经工作则启动报警,提示全泵组工作,但依然欠压。此时可按取消报警停止报警)4.停止泵:停泵时并非按 4,3,2,1 的顺序停止,因为如果这样停会使泵的启动与停止过于频繁对泵组的损耗太大。因此在这里当 算法的出结果需要减泵时会直接关I断处于变频运行泵前面的,离变频运行的泵最近的,没有被强制的泵。 (如果所有泵全部处于关闭,只有一个泵处于变频运行状态则停止该泵并发出超压报警,此时可按取消报警来取消报警)3.3.2 调速泵系统构成由四台泵构成,无主次之分,使各泵对压力更为平均。因为变频器设计有停止特定泵的功能,所以检修时也更为方便。3.4 变频器 63.4.1 变频器输入输出接口下图为两相 220V 电压下的接线图图 3-3 变频器两相 220V 电压接线图15下图为三相 380V 电压下的接线图:图 3-2 变频器三相 380V 电压接线图3.4.2 变频器外围设备的选择及保养1、冷却风扇为冷却主回路半导体元件等发热零件而使用的冷却风扇轴承的寿命为 1-3.5 万小时。因此,在连续运行的装置中,通常 2-3 年为一个周期,应更换冷却风扇。此外,在检查时发现异常声音,异常振动时,冷却风扇必须立即更换。2、平波电容在主回路直流部分作为平滑用使用大容量的铝电解电容,在控制回路使用了稳定控制电源的铝电解电容,由于脉动电流等等的影响其特性会变差。这受周围环境16和使用条件的影响很大,在通常的空调环境下使用时,约 10 年更换一次。电容的恶化经过一定时期会急速地加快,因此,检查周期最少为一年(接近寿命的希望在半年以下)检查一次。检查时外观的判断基准外壳的状态:外壳的侧面,底面是否膨胀封口板的状态:显眼的弯曲,极端的裂痕是否有其它、外观、包装裂痕、变色和漏出液体等等,定量地当电容器到了额定容量 85%下时,就应更换电容。3.5 变频调速恒压供水系统的特点1、滞后性供水系统的控制对象是用户管网的水压,它是一个过程控制量,同其他一些过程控制量( 如: 温度、流量、浓度等)一样,对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2、非线性用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响,同时又由于水泵的一些固有特性,使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比,因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。3、多变性变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性,面向各种各样的供水系统。而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异,因此其控制对象的模型具有很强的多变性。4、时变性在变频调速恒压供水系统中,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运行)是时时发生的,同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数,使其不确定性地发生变化,因此可以认为,变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。17第 4 章 可编程控制器 PLC4.1 的定义 20-22PLC可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称 ,它主要用来代替继电器实现逻辑PLC控制。随着技术的发展,这种装置的功能已经大大的超过了逻辑控制的范围。因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称 PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer )的简称混淆,所以将可编程控制器简称 。为了使 生产和发展标准化,国际电工委(IEC)先后颁布了 标准草案第PLC PLC一稿,第二稿,并在 1987 年 2 月通过对它的定义:“可编程控制器是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境应用而设计的,它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计的 1,6。总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。4.2 的发展阶段及发展方向PLC1、 的发展阶段虽然 问世时间不长,但是随着微处理器的出现,大规模,超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通迅技术的不断进步, 也迅速发展,其发展过程PLC大致可分为三个阶段 17:(1)早期的 (60 年代末70 年代中期)PLC早期的 一般称为可编程逻辑控制器。这时的 多少有点继电器控制装置的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制,定时等。早期的 的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指使,能重复使用等。其中 特有的编程语言梯形图PLC一直沿用至今。(2)中期的 (70 年代中期80 年代中、后期)PLC在 70 年代,微处理器的出现使 发生了巨大变化。美国、日本、德国等一L些厂家先后开始采用微处理器作为 的中央处理单元( )。这样,使 得PUPLC功能大大增强。在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面,除了保持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程 模块、各种特殊功能模/IO18块,使 得应用范围得以扩大。PLC(3)近期的 (80 年代中、后期至今)进入 80 年代中、后期,由于超大规模集
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