变频器和PLC恒压供水变频器系统的设计

1摘要随着社会的不断发展，工业自动化领域不断走入正规和壮大。对于人们日常生存等需求日益增加，实现工业自动化与智能化已经迫在眉睫。其中在城市供水系统中，可以通过可编程控制器（PLC）、变频器控制电机的转速以及PID控制来实现对城市恒压供水。从上个世纪80年代至90年代中期，PLC领域得到了快速的发展，在这期间，PLC在处理模拟信号、数字信号以及人机交互等方面的发展，促使PLC技术大量应用于工业自动化控制领域。PLC具有通用性强、使用便捷简单、抗干扰能力强等优点，也使得PLC在工业控制中的地位，在可预见的未来，是无法替代的。本文是依照西门子三菱PLC为控制系统，来实现对恒压控制系统的手动及自动控制，通过三菱变频器来直接控制三相异步电动机的转速，从而实现恒压输出。变频器可以接收来自PLC的信号，主要分为手动和自动方式来调节水压。本文主要针对恒压供水来设计，需要PID控制系统来调节水压，而一些变频器内置了PID功能，这也显示了变频器在工业领域的可实施性。通过压力设定值与压力变送器返回值进行比较，将偏差反馈给变频器内部的PID调节器，PID调节器经过运算处理，得出调节信号，从而实现闭环控制。关键词：PLC、变频器、恒压、PID控制2第一章绪论随着社会的迅速发展，工业也逐渐步入了4.0时代，机器人等一些智能化控制也逐渐进入了我们的生活。恒压供水一直以来是工业以及生活中维持生存的命脉。为了实现日常生活和工业生产的正常供水，我们必须寻找一种稳定的供水系统来解决昼夜用水量不同以及用户日益增加的问题。PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。1.1PLC变频调速恒压供水系统的意义近年来，由于工业迅猛的发展和人们日常物质的需求不断提高，这使得高塔供水系统的水压不稳定，从而影响工业生产和人们日常生活需求。为了提高供水水压的稳定性和恒速输出，我们可以通过三相异步电动机的转速来控制水压以及水速，三相异步电动机可以通过变频器来调节频率来控制电机的转速，为了实现整个恒压供水控制系统的手动以及自动控制，我们可以通过PLC来控制整个系统。PLC是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备。由于PLC体积小、功能强、速度快、可靠性高，又具有较大的灵活性和可扩展性，目前已被应用到机械制造、冶金、化工、交通、电子、纺织、印刷、建筑等诸多领域。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、控制单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得3到了非常广泛的应用。通过变频器、PLC以及继电器等元件组成的恒压控制系统具有较高的可靠性，对外界具有较高的抗干扰能力，PLC编程通俗易懂，易于控制，所需成本低等优良特点，使得PLC变频调速恒压供水系统在日常生活用水以及工业生产用水成为可能。恒压供水系统在无人操作的情况下，可以完成对供水管道的恒压输出，保持供水的恒压输出也就是供水流量的稳定，根据力学原理，水泵的流量与电机的转速成正比。变频恒压供水系统的基本原理是依照系统中的压力传感器对系统供水管道中的压力进行实时检测，并通过过程控制的原理将压力信号和设定值进行比较，反馈给处理器，通过执行机构变频器，来完成对泵机转速的控制，使得在外界干扰的作用下，水压及水流量能稳定在某一范围内，这就是所谓的恒压控制系统。其意义可显而易见，保障恒压供水，可以使人们日常生活及工业生产更加方便和稳定。1.2国内外研究现状及发展现在社会上，随着计算机的普及以及工业技术的不断完善，使得对供水的恒压控制已经成为可能。PLC技术的不断发展以及变频器的广泛应用，也使得恒压供水系统可靠性、实用性等性能得到体现。从查阅的资料来看，国内供水系统发展比较缓慢，最开始是通过高塔供水系统来提供生活及工业生产供水，高塔供水系统最大缺点就是供水水压不稳定，随着社会的不断发展以及工业技术的不断进步，恒压供水系统是在变频器技术不断改善的基础上发展起来的，最先由于国外生产的变频器功能的局限性，在恒压供水控制系统中，变频器仅仅作为执行机构，就是单单接收控制器信号来控制电机的转速。为了满足供水时的恒压稳定输出，变频器也随之改进，人们在变频器内部囊括了PID控制，通过外部控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。最初由于变频器技术的不成熟，国外的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器控制一台电机的方式，很少使用一台变频器控制多台电机组的形式，这使得整个恒压供水控制系统成本高。随着变频技术的不断改善，以及PLC技术的巩固，使得变频恒压供水系统的稳定性、可靠性的性能显著提高。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国内外，专门4针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.3本课题主要研究内容本设计是按照中小城市自来水厂为研究背景，应用变频技术、PLC技术、过程控制技术等，实现对供水系统的恒压控制。本设计采用三菱PLC和变频器，通过PLC系统的控制和变频器的变频变压，并且利用变频器内置的PID控制器来完成恒压的闭环控制。本文主要研究内容及结构如下：1）针对PLC及变频器技术基础展开全文，介绍PLC的发展过程及应用、PLC的基本组成、工作原理等；简单介绍了变频器，包括变频器的基本组成单元、变频器的分类及工作原理。还简单介绍了PID控制技术。2）针对供水系统的恒压控制的设计。本次设计采用选用三菱2NFX～32MR系列的可编程控制器，变频器选用型号为三菱的FR—A540，首先通过介绍了三菱2NFX～32MR的PID控制器引入主题，通过使用PLC的编程控制、变频器的主电路对电机的控制以及变频器内部PID功能模块对供水输出水压的反馈控制，我们仅需使用两者变实现对恒压供水系统的控制。本章还介绍了供水系统的组成、PLC编程软件等的内容。5第二章PLC和变频器技术基础PLC是专门应用于工业控制的一种计算机，也就是人们所说的可编程控制器，在工业控制领域，它作为整个系统的控制中心，执行逻辑、顺序、计数、定时等功能，通过模拟量和数字量的输入输出信号，来控制工业生产的正常运行。2.1可编程控制技术2.1.1可编程控制器的发展过程及应用PLC起源于美国，在1969年，美国数设备公司成功研制出第一台可编程控制器PDP-14，由于技术的局限，该产品功能比较简单，但这是首次采用程序化的手段应用于工业控制，因此被世界公认为第一台PLC。1971年，日本从美国引进了这项技术，很快也研制出本国的第一台PLC，被命名为DSC-18。1973年西欧国家也相继研发出他们的产品。我国可编程控制器发展较晚，是从1974开始研制，1977年才应用于工业控制领域。从20世纪70年代开始，随着电子技术的迅猛发展，PLC采用通讯微处理器的技术逐渐发展成熟，使得PLC控制功能得到进一步的增强。20世纪80年代，随着集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC，使得PLC功能进一步加强，如工作速度快，抗干扰能力强、可靠性高、成本低、编程及故障检测更加灵活简单等。目前，PLC已进入成熟阶段，广泛应用于我们的日常生活领域和工业生产领域，如石油、化工、电力、建筑、汽车、环保、水力等各个行业。2.1.2可编程控制器的组成和工作原理可编程控制器组成包括CPU控制单元、I/O输入输出单元、内存单元、电源模块、底板或机架。1.CPU控制单元CPU控制单元是PLC的核心部分，CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，他们决定了PLC的工作速度，I/O输入输出信号点的数量及软件的容量等，因此是PLC控制规模的决定性因素。2.I/O输入输出模块6PLC输入输出模块是PLC控制系统接收信号和发出信号的模块，也就是与电气回路的接口。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。常见的I/O信号的分类有：开关量信号：输入输出信号按电压高低分类，有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式划分，有集体管隔离和继电器隔离两种。模拟量信号：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数的限制。我们在设计过程中需要根据输入输出信号点的数量以及信号类型来选择PLC的类型。3.编程器编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器（又称图形编程器），不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。4.电源PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流