計(jì)算機(jī)控制論文

1、變頻恒壓供水工藝恒壓供水就是能夠自動(dòng)保持水管內(nèi)水壓恒定的供水過(guò)程。供水管道有一個(gè)壓力檢測(cè)裝置，能夠檢測(cè)出當(dāng)前管網(wǎng)瞬間壓力變化，并把當(dāng)前的水壓值傳遞給控制裝置。當(dāng)用水量增大的時(shí)候，水壓減小，控制裝置得到水壓持續(xù)減小的信號(hào)，于是控制裝置會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速和投入數(shù)量，進(jìn)而提升水壓；當(dāng)用水量減小的時(shí)候，控制裝置會(huì)降低水泵的轉(zhuǎn)速和投入數(shù)量來(lái)減小水壓，使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，通過(guò)這樣的控制過(guò)程保持水壓恒定，滿(mǎn)足用戶(hù)的用水要求，使整個(gè)系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。根據(jù)流體力學(xué)的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電動(dòng)機(jī)軸上消耗的功率與轉(zhuǎn)速的平方成正比?？梢?jiàn)，采用交流變頻調(diào)速恒壓供水方式

2、，既可以保證供水水壓穩(wěn)定，又可以有效降低電能的消耗。變頻恒壓供水基本原理是通過(guò)安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)水壓在水流量變化時(shí)，能夠穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，具有水壓恒定，波動(dòng)小，節(jié)能效果明顯等特點(diǎn)。系統(tǒng)的技術(shù)要求(1) 供水壓力正常設(shè)定為值0.5MPa。最大供水壓力為0.6MPa，最小供水壓力為0.1MPa，壓力允許波動(dòng)范圍為。(2) 采用四個(gè)水泵供水，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)控制。(3) 水泵機(jī)組采用循環(huán)軟啟動(dòng)工作方式運(yùn)行：系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，第一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，當(dāng)水壓滿(mǎn)足不了要求時(shí)，先將第一臺(tái)水泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，再投入第二

3、臺(tái)變頻自動(dòng)運(yùn)行，依此類(lèi)推，直到第四臺(tái)水泵起動(dòng)；停泵時(shí)先停第一臺(tái)工頻泵，依此類(lèi)推，然后停變頻泵。(4) 系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，如果其中任意一臺(tái)水泵故障停機(jī)，該系統(tǒng)能保證正常運(yùn)行；具有短路、過(guò)載、欠電壓、掉電保護(hù)、缺相、硬件自鎖、互鎖、故障聲光報(bào)警指示、遠(yuǎn)程報(bào)警等保護(hù)功能。(5) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、采集、監(jiān)控、管理、實(shí)時(shí)顯示等功能。(6) 水泵流量、揚(yáng)程和功率分別為6.3m3/h、8m和1.5kW。(7) 水箱容積為lm3，設(shè)有溢流口、排污口和防溢流控制功能。(8) 各水泵出口設(shè)有止回閥以防止回灌，并在進(jìn)、出設(shè)有閘閥；管路要求采用螺紋聯(lián)接，以便系統(tǒng)重組及維修方便。 (9) 系統(tǒng)能夠避免用水高峰時(shí)，水

4、壓波動(dòng)造成頻繁起動(dòng)、停車(chē)現(xiàn)象?？刂品桨高x擇本系統(tǒng)采用目前較為先進(jìn)的交流變頻調(diào)速恒壓供水的控制方案。變頻恒壓供水通常有兩種運(yùn)行方式，即補(bǔ)償式和循環(huán)軟啟兩種。 補(bǔ)償式也稱(chēng)變頻泵固定式，這種方式往往配置多臺(tái)水泵，組成水泵機(jī)組。在運(yùn)行時(shí)，一般只有一臺(tái)水泵由變頻器拖動(dòng)。當(dāng)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速即達(dá)到工頻50Hz時(shí)，此時(shí)的供水壓力如果低于設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)降低變頻泵的工作頻率，并以工頻方式起動(dòng)下一臺(tái)水泵，使其投入運(yùn)行進(jìn)行供水。系統(tǒng)在運(yùn)行中會(huì)根據(jù)反饋的壓力值來(lái)確定水泵機(jī)組的投入和切出，并調(diào)整變頻泵，以達(dá)到實(shí)際壓力值和設(shè)定值一致。在短時(shí)間內(nèi)降低變頻泵的工作頻率是為了防止系統(tǒng)超壓。此種方式電控系

5、統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，可節(jié)約一部分成本。缺點(diǎn)是在水泵機(jī)組工頻投入時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大，般水泵功率較小時(shí)，可采用此種工作方式。循環(huán)軟啟動(dòng)的主要特點(diǎn)在水泵的切換程序。變頻泵運(yùn)行到工頻50Hz時(shí)，如果此時(shí)的實(shí)際供水壓力還沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的供水壓力時(shí)，不是直接起動(dòng)另外一臺(tái)水泵，而是首先將當(dāng)前以變頻運(yùn)行的水泵切換到工頻方式運(yùn)行，以變頻方式起動(dòng)另外臺(tái)水泵，從而達(dá)到維持系統(tǒng)壓力的目的。在切換水泵時(shí)，按照先起先停的方式進(jìn)行，這樣的好處是機(jī)組中的每一臺(tái)水泵在工作中都可以被使用到，按照大循環(huán)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可有效防止水泵機(jī)組長(zhǎng)期閑置而銹死的現(xiàn)象發(fā)生。通過(guò)以上的分析，所設(shè)計(jì)的變頻恒壓供水系統(tǒng)采用循環(huán)軟啟動(dòng)的工作方式。主機(jī)的選擇及控

6、制系統(tǒng)的組成。主機(jī)的選擇變頻恒壓供水系統(tǒng)技術(shù)要求能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的通信、采集、監(jiān)控、管理、實(shí)時(shí)顯示等功能，因此本系統(tǒng)采用主-從控制結(jié)構(gòu)，即上下兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制。上位計(jì)算機(jī)采用PC機(jī)，通過(guò)串行口對(duì)下位機(jī)進(jìn)行控制管理，利用組態(tài)軟件，配合Windows軟件平臺(tái)，形成功能強(qiáng)大的控制管理系統(tǒng)，提供優(yōu)質(zhì)友好的圖形界面。由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶(hù)可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需要確定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)，可以靈活地改變存儲(chǔ)器中的控制程序，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。因此，采用PLC作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的變頻控制以及溫度、壓力、流量、液位等過(guò)程量的監(jiān)視和

7、控制?？刂葡到y(tǒng)的組成變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)由水箱、管路、閥門(mén)和水泵機(jī)組，電氣操作系統(tǒng)和各種傳感器、儀表等組成。電氣操作系統(tǒng)由PLC、變頻器、小型斷路器、交流接觸器、熱繼電器、直流電源、小型電磁繼電器以及各種指示燈和主令器件組成；傳感器和儀表包括溫度傳感變送器、壓力變送器、電壓變送器、電流變送器、功率變送器等。圖1 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖水泵機(jī)組變頻恒壓流程根據(jù)控制要求，水泵機(jī)組由四臺(tái)水泵組成，第一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)水壓不足時(shí)，將第一臺(tái)水泵切入工頻運(yùn)行，再投入第二臺(tái)變頻泵，依此類(lèi)推，直到第四臺(tái)水泵啟動(dòng);停泵時(shí)先停第臺(tái)工頻泵，依此類(lèi)推，最后停變頻泵，即遵循先開(kāi)先停的原則

8、。 本系統(tǒng)水泵機(jī)組變頻恒壓控制流程如圖2所示。 圖2 水泵機(jī)組變頻恒壓控制流程控制對(duì)象模型分析及控制器設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水是一個(gè)具有時(shí)變、非線性、滯后時(shí)間短、模型不穩(wěn)定的控制對(duì)象。系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為被控量，實(shí)現(xiàn)出口管網(wǎng)的實(shí)際壓力與設(shè)定的供水壓力相一致。 設(shè)定的供水壓力可以是一常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段常數(shù)，在每一個(gè)時(shí)間段是一常數(shù)。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_(kāi)始啟動(dòng)水泵運(yùn)行至管網(wǎng)壓力達(dá)到要求時(shí)，需經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程: （1）水泵將水送到管網(wǎng)，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持在初始?jí)毫Γ且粋€(gè)純滯后過(guò)程。（2）水泵將水充滿(mǎn)整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性過(guò)

9、程。系統(tǒng)中其他控制和檢測(cè)環(huán)節(jié)，如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測(cè)等的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比，可以忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，包含管網(wǎng)、水箱、水泵機(jī)組的被控對(duì)象可以近似成一個(gè)純滯后的一階慣性環(huán)節(jié) 控制對(duì)象模型分析及控制器設(shè)計(jì)式中，K為系統(tǒng)的總增益;TP為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù);為系統(tǒng)滯后時(shí)間。 通常情況下，被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)TP為100 s左右，滯后時(shí)間小于10 s，TP，常規(guī)PID控制器完全可以滿(mǎn)足控制要求，而且可編程序控制器的CPU模塊內(nèi)部嵌有計(jì)算機(jī)控制技術(shù)PID指令系統(tǒng)，用戶(hù)不必自行開(kāi)發(fā)PID控制程序，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便。因此，恒壓供水控制系統(tǒng)采用PID控制

10、。變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。圖3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理圖從圖3可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，將供水管網(wǎng)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力比較，得到的壓力差經(jīng)過(guò)PID控制器計(jì)算與轉(zhuǎn)換，得到變頻器輸出頻率的變化值，據(jù)此調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的運(yùn)行方式和運(yùn)行速度，最終使實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力相等。 硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1）主電路設(shè)計(jì) 圖4是系統(tǒng)主電路原理圖。主要由四個(gè)水泵、小型斷路器、交流接觸器、熱繼電器以及各種指示燈和主令器件組成，另外還配有電壓表、數(shù)字電流表和功率表等。水泵機(jī)組由四臺(tái)TLS40-200單級(jí)單吸立式離心泵組成，技術(shù)參數(shù)為:流量2.5 m3 /h， 揚(yáng)程32 m，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為283

11、0 r/min，功率0.75 kW，效率25%。這種水泵運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小，維修方便。圖4 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路原理（2）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)I/O模塊點(diǎn)數(shù)估算 PLC系統(tǒng)所要求的I/O點(diǎn)數(shù)與接入的輸入/輸出設(shè)備類(lèi)型有關(guān)。例如，1個(gè)按鈕或信號(hào)燈各需1個(gè)輸入，1個(gè)光電開(kāi)關(guān)需1個(gè)或2個(gè)輸入，1個(gè)雙線圈電磁閥需3個(gè)輸入及2個(gè)輸出，波段開(kāi)關(guān)有幾個(gè)波段就需幾個(gè)輸入。對(duì)于控制交流電動(dòng)機(jī)所需的I/O點(diǎn)數(shù)，根據(jù)其運(yùn)行方式不同，所需要的I/O點(diǎn)數(shù)也不相同，控制一個(gè)Y-啟動(dòng)的交流電動(dòng)機(jī)一般需4個(gè)輸入點(diǎn)及3個(gè)輸出點(diǎn)，控制一臺(tái)可逆運(yùn)行的籠型電動(dòng)機(jī)需5個(gè)輸入點(diǎn)及2個(gè)輸出 點(diǎn)等等。實(shí)際選用時(shí)一般還需留有10%15%的I/O余量。

12、 根據(jù)控制要求，估算出本系統(tǒng)有20個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出點(diǎn)，另外有電壓、電流、功率、 壓力、液位、溫度、流量等10個(gè)模擬量輸入/輸出點(diǎn)。 存儲(chǔ)器容量的估算PLC的程序存儲(chǔ)器容量通常以字節(jié)為單位。用戶(hù)程序所需存儲(chǔ)器容量可以預(yù)先估算。一般情況下用戶(hù)程序所需存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)可按照如下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算:（）開(kāi)關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng) 開(kāi)關(guān)量輸入:用戶(hù)程序所需存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)=輸入點(diǎn)總數(shù)×10。 開(kāi)關(guān)量輸出:用戶(hù)程序所需存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)=輸出點(diǎn)總數(shù)×8。 （）模擬量輸入/輸出系統(tǒng) 每一路模擬量信號(hào)大約需要120字的存儲(chǔ)容量，當(dāng)模擬輸入和輸出同時(shí)存在時(shí)，所需 內(nèi)存字?jǐn)?shù)=模擬量路數(shù)×250。 （）定時(shí)器/計(jì)

13、數(shù)器系統(tǒng) 所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=定時(shí)器/計(jì)數(shù)器數(shù)量×2 針對(duì)本系統(tǒng): 開(kāi)關(guān)量輸入所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)10×10=100字節(jié); 開(kāi)關(guān)量輸出所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)12×8=96字節(jié); 模擬量輸入/輸出所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)10×250=2500字節(jié); 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器容量5×2=10字節(jié)。 開(kāi)關(guān)量和模擬量共需2706字節(jié)，另外考慮程序存儲(chǔ)空間和備用存儲(chǔ)空間，初步估計(jì)系統(tǒng)共需5 K字節(jié)。 系統(tǒng)I/O模塊點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量的估算為以下PLC的主機(jī)型號(hào)選擇和模塊擴(kuò)展提供了依據(jù)。 主機(jī)型號(hào)選擇和模塊擴(kuò)展 變頻恒壓供水系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200系列的PLC，主機(jī)為CPU224模塊，I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)

14、器容量完全符合要求。該模塊是具有較強(qiáng)的控制能力的控制器，集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)，13 K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器，1個(gè)RS-485通信/編程口，具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力，I/O端子很容易整體拆卸。 本系統(tǒng)10個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)I0.0I0.7、I1.3、I1.4分別接入4個(gè)水泵的故障信號(hào)、遠(yuǎn)程/近控選擇信號(hào)、PID控制器使能信號(hào)、氣壓供水輸入信號(hào)、循環(huán)/補(bǔ)償工作方式選擇信號(hào)等10路開(kāi)關(guān)量輸

15、入信號(hào)，系統(tǒng)共有12個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)，分別為1#4#水泵變頻/工頻的工作信號(hào)、故障報(bào)警信號(hào)、電磁閥1和電磁閥2驅(qū)動(dòng)信號(hào)及變頻器驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。而主機(jī)CPU224只提供10個(gè)輸出點(diǎn)，所以系統(tǒng)擴(kuò)展了一個(gè)EM222模塊，該模塊提供8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的要求。系統(tǒng)具體配置示意圖如圖5所示圖5 CPU224模塊配置圖變頻器的選擇 變頻器控制電流與電網(wǎng)水壓的關(guān)系。管網(wǎng)中壓力變送器輸出的電流信號(hào)IP ，范圍為420 mA（4 mA和20 mA分別為壓力變送器測(cè)量下限、測(cè)量上限所對(duì)應(yīng)的電流輸出值），對(duì)應(yīng)水壓力 P測(cè)量范圍為0Pmax，管網(wǎng)允許的最低水壓力為 P1（管網(wǎng)水壓力最小設(shè)定值），對(duì)

16、應(yīng)壓力變送器輸出電流信號(hào)為I1 ;管網(wǎng)允許的最高水壓力為P2（管網(wǎng)水壓力最大設(shè)定值），對(duì)應(yīng)壓力變送器輸出電流信號(hào)I2。如圖6所示可得P為某一時(shí)刻的管網(wǎng)水壓力，單位為MPa。 圖6 壓力變送器輸入輸出關(guān)系曲線圖7 擴(kuò)展模塊EM222和EM235配置圖7注釋?zhuān)寒?dāng)處于變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50 Hz運(yùn)行，由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電動(dòng)機(jī)工作頻率的限制，50 Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。變頻器的輸出頻率不能是負(fù)值，最低只能是0 Hz。在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率不可能降低到0 Hz，因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，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)行的電動(dòng)機(jī)

17、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下位水箱中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率下降到某一個(gè)值時(shí)，水泵就已經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的下限頻率，其值遠(yuǎn)大于0 Hz，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20 Hz左右。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。變頻器的控制電流與其輸出頻率的關(guān)系曲線為線性曲線，可由電動(dòng)機(jī)頻率和水壓之間的關(guān)系得到變頻器控制電流與水壓之間的關(guān)系曲線，如圖8所示。 圖8 變頻器控制電流與水壓關(guān)系曲線工作

18、原理當(dāng)水壓 P小于P1時(shí)，變頻器得到最大控制電流信號(hào)20 mA（即變頻器按最高輸出頻率輸出所需的電流信號(hào)）;當(dāng)水壓 P大于P2時(shí)，變頻器得到最小控制電流信號(hào)4 mA（即變頻器按最低輸出頻率輸出所需的電流信號(hào)）。當(dāng) P介于P1與P2之間時(shí)，對(duì)應(yīng)變頻器的控制電流信號(hào)為 If=4+16（P2-P）/（P2P1） 將P=P max（IP -4）/16代入上式，得 If =4+16 P2-Pmax（IP-4）/（P2-P1） 變頻器的選擇變頻器是對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，跟蹤PID控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。本系統(tǒng)的變頻器采用循環(huán)工作方式，當(dāng)變頻器拖動(dòng)的調(diào)速泵運(yùn)行在工頻狀態(tài)，其供水量仍達(dá)不到用水要求時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵中切換出，并將此泵切換為工頻狀態(tài)，同時(shí)用變頻器去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)運(yùn)行。 圖9為系統(tǒng)變頻器單元接線圖。變頻器選用西門(mén)子MM440矢量型變頻器，采用模塊