基于PLC的恒压供水系统设计(2)

1.2恒压供水系统的控制原理

变频恒压供水系统实现恒压的工作过程和原理如图1.3：安装于供水母管和主管道上的压力传感变送器将供水管网压力转换成4~20mA（0~20mA、0~10V等）的标准电信号，送到PID调节器（或过程控制器、PLC、DCS等），经过运算处理后仍以标准信号的形式送到变频器并作为变频器调速的给定信号，也可将压力传感变送器的标准信号直接送到具有内置PID调节功能的变频器；变频器根据调速的给定信号或通过对压力传感变送器的标准点信号进行运算处理后，决定其输出频率实现对驱动电机的转速调节，从而实现对供水的水量及供水压力调节，最终实现了对供水管网的压力调节。

图1.3 自动恒压供水系统原理图

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1.3 系统的结构与控制要求

PLC控制的恒压供水泵站，市网自来水用高低水位控制器EQ控制注水阀YV1，自动把水注满蓄水池。只要水位低于高水位，则自动往水箱注水。水池的低水位信号也直接送给PLC做为低水位报警信号。为了保证供水的连续性，水位上下传感器高低距离较小。生活用水和消防用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。 恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。所以本系统采用另一种方案是三台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。

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第2章 恒压供水系统的设计

2.1变频器的设计

变频调速技术(vaiahle vaiahle firequency technology)是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。

变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系，即均匀改变电动机定子绕组的电源频率，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵变频调速的节能作用。

水泵消耗功率与转速的三次方成正比，即P=Kn3。其中P为水泵消耗功率；n为水泵运行时的转速；K为比例系数。变频调速和智能控制技术，可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。用阀门控制水泵流量时，部分有功功率被损耗浪费掉了，且随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。如果采用降低电机转速的方式进行控制，就避免了消耗在阀门的有功功率。这样，在转运同样流量的情况下，仅需要输入较低的功率，获得节能效果。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗。

交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。而交流电动机的同步转速

60f1P

N1

（2.1）

式中N1---同步转速，r/min；

f ---定子频率，Hz；

P

---电机的磁极对数。

而异步电动机转速

60f1P

N N1(1 s) (1 s) （2.2）

式中s---异步电机转差率，

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s (N1 N)/N1，一般小于3%。

均与送入电机的电流频率/成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。

根据设计要求，选用通用变频器。其带有PID功能。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上；U、V、W输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器线包连接到PLC的四个输出点上，由PLC控制其工频、变频切换工作。

通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。

变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。

2.2 PID控制器的设计 2.2.1 PID控制器的选择

PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制力式之一。它的原理通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：

(1)硬件型，即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P，I，D 参数及目标值的设定。

(2)软件型，使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器上做 PID控制器。 在该系统中我们用硬件型设计这样可以减少编程。

2.2.2 PID控制算法及特点

PID控制器是根据目标值(设定值)r(t)与反馈值(测量值)c(t)构成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) 。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控

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对象进行控制。其控制规律为：

u(t) Kp[e(t)

1T1

de(t)t

] （2.3） 0e(t) T

dd(t)

de(t)d(t)

] （2.4）

或

式中

KC： 调节器的比例系数 Ti ： 调节器的积分时间

1

[e(t)

1

t

e(t) Td

Td ： 调节器的微分时间

e： 调节器的偏差信号

δ： 比例带，它是惯用增益的倒数 u： 输出

图2.1 PID控制原理图

简单来说 ，PID控制器各校正环节的作用是这样的：

(1)比例环节： 即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。

(2)积分环节 ：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

(3)微分环节 ：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

PID调节器的传递函数是：

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Gc(s)

1

[1

1n

Td(s)] （2.5）

当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例(P)作用，只包含第二项时，称为积分(I)作用;但只包含第三项的单纯微分(D)作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是PI作用;只包含第一、三项的是PD作用;同时包含这三项的是PID作用。

仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载 …… 此处隐藏：2588字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……