变频流量自动控制系统设计

电力拖动控制系统课程设计成绩题目：变频流量自动控制系统设计教学单位：控制工程学院专业：自动化学号：1109101046姓名：王磊指导教师：王宁2014年11月目录1工程概况.....................................................................................................................11.1系统概述..........................................................................................................11.2系统控制要求：..............................................................................................11.3流量自动控制系统结构框图..........................................................................21.4主电路设计......................................................................................................21.5控制线路设计..................................................................................................32元器件的选择............................................................................................................42.1变频器的选型.................................................................................................52.2变频器接线图.................................................................................................52.3涡街流量计的选型.........................................................................................62.4PLC的选型....................................................................................................73PID在PLC中实现.....................................................................................................73.1PLC实现PID控制的方式..........................................................................73.2PID控制器的数字化......................................................................................73.3输入输出变量的转换......................................................................................83.4PID指令及其回路表....................................................................................103.5PID在PLC中实现的梯形图........................................................................114小节与体会..............................................................................................................13参考文献......................................................................................................................1311工程概况1.1系统概述汽提塔废水处理流量自动控制系统用涡街流量计、PLC与变频器构成反馈的闭环流量控制系统。用调节5.5KW化工泵转速，保证废水流量稳定、满足汽提塔的工艺要求、并可根据现场处理情况自动切换流量（两挡），满足工业现场废水处理要求。两台变频器、两台化工泵一用一备（互为备用）保证系统运行可靠。涡积流量计1#水泵PLCPc工控机1#变频器2#变频器阀门止回阀污水罐汽提塔热交换器压力表隔离开关SF1断路器SF2断路器KM1KM2M2M12#水泵处理后废水蒸汽电动调节器电磁阀隔离变压器SF3断路器回收废气安全阀液位传感器图1.1汽提塔流量控制系统的工作原理(1)由流量传感器测量污水管的进水口流量，流量变化信号变换成标准4～20mA电流信号(便于远距离传送信号)、液位传感器将缓冲罐液位开关信号传送PLC实时控制。(2)把信号传到有相关软件的PLC、根据汽提塔工艺要求、现场污水排放量进行智能型PI调节控制。1.2系统控制要求：本系统恒压变量供水系统是在2台5.5ｋＷ电机拖动的水泵机组能够满足废水总量设计要求的前提下,达到全自动闭环液位控制系统,21)污水流量进行智能型PI调节控制。2)具有短路、欠压、过载、过流等诸多保护功能。1.3流量自动控制系统结构框图图1.2流量自动控制系统结构框图变频调速系统将管道流量作为控制对象，涡街流量器将管道的流量转变为电信号送给PLC，通过PLC实现PID算法控制。在PLC中，将流量信号与流量给定值进行比较，并根据差值的大小按预先设定好的PID控制模式进行运算，产生控制信号去控制变频器的输出电压和频率，调整水泵的转速，从而使实际流量始终维持在给定流量上。另外，采用该方案后，水泵从静止到稳定转速可由变频器实现软启动，避免了启动时大电流对电网的冲击和启动给水泵带来的机械冲击。1.4主电路设计控制过程为：根据液位开关给定的档位，经过PLC的PID控制算法计算，将输出量输出给变频器再控制水泵送水。有两台变频器和水泵互为备用。在必要时还可以切换成手动控制。3图1.3主电路图1.5控制线路设计PLC控制线路如图1.4、1.5所示，控制电路控制正常运行、停车、手动切换，但当主变频器1出现故障时，变频器内部继电器R1的常闭触点R1（R1B，R1C）断开，交流接触器KM1、KM2线圈断电，切断变频器与交流电源和电动机的连接。同时R1的常开触点R1（R1A，R1C）闭合，一方面接通由蜂鸣器HA和指示灯HL组成的声光报警电路，另一方面PLC内部定时器定时，其常开触点延时闭合，自动接通备用变频器2运行电路。此时操作人员应及时将SA拨到备用变频器位置，声光报警结束，及时检修变频器。在变频器运行时，不能通过SB1停车，只能通过SB3以正常模式停车，与SB1并联的KA常开触点保证了这一要求。4图1.4PLC控制线路图1.5PLC的输入端口52元器件的选择2.1变频器的选型根据我们所用的水泵功率为5.5kW，因此我们选用施耐德Altivar31型变频器。性能描述：功率范围：0.18-15KW；电压等级：200－500V；加减速时间、曲线调整；点动、电动电位器、给定值记忆；给定值切换；PI调节器，预置PI设定，PI调节器自动手动切换；摆频控制，限位开关控制；马达切换，抱闸控制；I/o设置：3个模拟输入，1模拟逻辑混合输出；逻辑端口可配置，支持正负逻辑；自动直流注入；降低噪声的开关频率控制；混合模式（给定、控制命令源的组合）；故障停车模式管理（自由停车，快速停车，直流制动停车）；飞车起动断电时受控停车，可在供电电压低至－50％情况下工作电机热保护。2.2变频器接线图本课题采用的是2线控制，模拟电压信号由PLC输出经AI1端子给定。参数设置如下：1）drC－FCS＝InI——恢复出厂设置；2）FLt－OPL＝nO——电机缺相不检测；3）I-O－tCC＝2C——设置控制方式；4）I-O－rrS＝LI2——设置反转（变频器默认，可以不设置）；65）CtL－Fr1＝AI1——设置给定方式；PLC控制KA1、KA2、KA3、KA4闭合，电机正转，变频器显示运行频率。PLC输出模拟量至变频器AI1端，控制变频器运行频率，继而控制水泵电机的转速。图2.1变频器接线图2.3涡街流量计的选型本系统采用LUGB型涡街流量计，LUGB型涡街流量计是根据卡门涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。并可作为流量变送器应用于自动化控制系统中。参比条件下涡街流量传感器工况流量范围表如表2.1所示，其主要参数如下：精度等级：±1％、±1.5％；连接方式：法兰夹装、法兰连接等；介质温度：-40℃～250℃、-40℃～350℃；公称压力：2.5Mpa(＞2.5Mpa)；输出方式：脉冲输出、4-20mA标准信号；供电电源：24V；3.6V锂电池；7仪表结构：组合型、分离型；防爆标志：ExibⅡCT6；传输距离：传感器至显示仪距离可达1000m。2.4PLC的选型本系统采用的是西门子S7-200可编程序控制器。S7-200是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。3PID在PLC中实现3.1PLC实现PID控制的方式用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法：(1)使用PID过程控制模块：这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的，并放在模块中，用户使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便。(2)使用PID功能指令：它是用于PID控制的子程序，与模拟量输入／输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制的效果，但价格便宜得多。如S7-200的PID指令。(3)用自编的程序实现PID闭环控制：在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下，仍希望采用某种改进的PID控制算法，此时用户需要自己编制PID控制程序。3.2PID控制器的数字化PLC的PID控制器的设计是以连续的PID控制规律为基础，将其数字化，写成离散形式的PID方程，再根据离散方程进行控制程序的设计。在连续系统中，典型的PID闭环控制系统如图3.1所示。图1中sp(t)是给定值；pv(t)为反馈量；c(t)为系统的输出量，PID控制器的输入／输出关系如下式所示：8式中：M(t)为控制器输出；Mo为输出的初始值；e(t)=sp(t)-pv(t)为误差信号；Kc为比例系数；T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。等号右边前三项分别是比例、积分、微分部分，它们分别与误差、误差的积分和微分成正比。如果取其中的1项或2项，可以组成P，PD或PI控制器。图3.1闭环控制系统框图假设采样周期为TS，系统开始运行的时刻为t=0，用矩形积分来近似精确积分，用差分近似精确微分，将式1离散化，第n次采样时控制器的输出如式(2)所示：式中：en-1为第n-1次采样时的误