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1、计算机控制技术电子课程设计第一章 设计目的及系统概述1.1 引言目前，恒压供水控制在工业生产，建筑给水等方面扮演着日益重要的角色。而用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。用水区域采用恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益。水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属
2、性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义1.2 系统概述学校锅炉房的锅炉供水需要从软化水箱中出水，通过泵组将软化水送入锅炉中。若水压波动较大，易引起管道损坏、电压不稳、供暖效果不好等状况，造成
3、对设备维护的不便。从而控制泵组保证供水压力恒定成为一个需要解决的问题。控制泵组恒压供水的关键方法是调整机组运行的速度，也就是控制频率，目前采用较多的方法是变频器调速。变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，因其具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点而受到越来越多的青睐，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，其显著的节能效果带来了巨大的经济效益。1.3 设计目的恒压供水系统设计保证了锅炉管网中压力的恒定，保证了供暖的效果。并使用变频器对机组的运行进行控制，实现有效的节能。恒压供水控制系统的基本控制策
4、略是：采用变频器装置与工控机系统构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵组总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU经PID运算处理后，发出控制指令，控制电动机组的投运台数和运行泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。第二章 控制系统设计2.1 控制要求锅炉房的供水系统机组有两台泵，要求在流量充足时只启动一台泵，压力不足时将第二台泵启动（工频运行）。两台泵均手动可调。由水泵管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有两种
5、方法：一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。二是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合，采用调速调节流量，并具有优良的节能效果。除调节流量外，要求出水压力恒定，则需要压力变送器检测并返回压力值控制变频器和执行器，从而构成控制回路。整体结构框图如下2.2设备选型及介绍根据控制要求需要选用变频器控制电机转速模拟量模块采集管道出水压力信号，控制变频器运行开关量模块采集控制泵的运行和停止1.变频器的选型（1） 型号：FRENIC 5000G11S-P11S（2） 工作特性：用于三项感应电动机的变速控制。由模拟量采集模块输出端控制（4-2
6、0mA）。其他参数见铭牌及具体说明（3） 选型说明：（4） 电机接线与控制接线电动机和电源的接线下图是控制电路端子内部控制端接线FWDCM(如果要外部控制正反转可以把两端接到开关量模块)DX+DX-控制信号模拟量采集模块输出端36高I+C1 I-11外部用电流控制时变频器内部需设参数如下：F00:0 功能：数据保护设定范围 01 0：可改变数据1：不可改变数据F01:2功能：频率设定设定范围 0110：面板按钮设定 1：电压输入设定（端子12 010V）2：电流输入设定(端子C1 4-20mA) 3：电流加电压输入设定(端子12+端子C1)E43:0 功能：LED监视功能设定范围 0-120：
7、显示频率H20:0 功能：PID控制设定范围 02 0：不动作1：正动作2:反动作2.模拟量模块介绍一路输入模拟信号：管道压力一路输出控制信号：变频器（4-20mA并精密250欧姆电阻）并通过485信号和计算机交换数据。技术指标：可采集8通道标准1-5V DC（八位精度）G是模拟信号公共端可控制2通道输出其中每通道包含：2路电压信号1-5V DC2路电流信号4-20mA DC电源电压：220V AC通讯接口：含有485通讯端，使用ModbusRTU协议。3.开关量模块介绍二路输入数字信号：1号泵运行/停止，2号泵运行停止三路输出控制数字信号：控制1号/2号泵运行，1号/2号泵停止并通过485信
8、号和计算机交换数据技术指标：可采集8路隔离开关量输入，可有源或无源干接点，COM1/COM2为公共端可控制8路开关量输出，每通道由继电器控制电源电压：220V AC通讯接口：含有485通讯端，使用ModbusRTU协议。2.3 控制方式介绍及选择1.变频器控制电机方式由于锅炉房供水系统中的单个泵容量足够大，每个泵单独运行都可以达到压力的设定值，所以采用变频器控制双泵交替运行方式。正常工作方式下，变频器带动第一台泵运行，通过变频器控制转速调整水压，另一台泵不运行；如果第一台泵出现故障需要维修，则通过手动切换到第二台泵运行，停第一台泵，同时控制变频器控制第二台泵运行，保证水压稳定。两台泵运行停止通
9、过电气互锁连接，保证运行安全。使用一组两台泵，保证了系统足够稳定。2.PID调节方式介绍恒压供水系统为闭环系统，压力检测部分提供反馈信号，电机转速应根据实际水压和设定水压的差值不断调节，最好使用PID调节方式。PID调节原理根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过工组态软件加变送器可时现该算法，同时对
10、组态软件的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用组态软件参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。2.4 设计特点一、恒压供水系统特点1、节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；2、节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；3、运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲
11、击、避免管网压力超限，管道破裂。4、联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。5、控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。6、自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。二、变频器调速的优点1、变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。2、变频调速恒压供水具有优良的节能效果。3、目前，变频器技术已很成熟，市场上
12、有很多国内外品牌的变频器，为变频调速供水提供了充份的技术和物质基础。第三章 人机界面及系统接线3.1 力控6.0界面设计及IO设备变量设定需要定义的设备模拟量模块数字量模块定义方法一样变频器频率值数据库变量压力值数据库变量3.2 力控程序设计PID调节过程是在控制过程中一直运行。即在工程项目栏中选取动作，在展开的目录中选择应用程序动作，再打开的窗口中选择进入程序周期运行。变量说明：Set.PV压力设定值 Celiangzhi.PV压力测量值 Pinlvzhi.PV 变频器输出频率Pidshuchu.PV PID计算后的频率值（与输出频率值相等）手动控制部分程序，利用力控中的按钮和动作左键动作禁
13、止动作中K1.PV=1;BK1=1;K2.PV（表达式为真）左键动作禁止动作K2.PV=1;BK2=2;K1.PV（表达式为真）用禁止动作实现界面操作互锁，防止误操作 左键动作STOP.PV=1; BK1.PV=0;BK2.PV=0;K1.PV=0;K2.PV=0;3.3 电气连接示意图使用电气互锁电路，防止手动误操作，并保证电机稳定运行。参考文献 1 张宏建，蒙建波.自动检测技术与装置.化学工业出版社:2006.1831842 张燕宾.SPWM变频调速应用技术(第二版).北京:机械工业出版社:2002.86873 深圳康沃电气技术有限公司.康沃变频调速器使用手册.1126.深圳:2006.48494 冯垛生，张森.变频器的应用与维护.广州:南华理工大学出版社:2001.9.565 高湘.给水工程技术及工程实例.北京:化学工业出版社:2002.56 王建民.变频调速恒压供水系统在住宅区供水中的应用J.工业用水与废水,2004.47 蒋瑞敏. 上海供水行业水泵调速的经验与教训.上海节能,19988 陈伯时.电力拖动自动控制系统（运动控制系统）.机械工业出版社:2006.9.1551569 毛允明.传统变频调速供水设备能耗问题分析及2
