PLC恒压供水系统的设计-文献综述

本科生毕业设计(论文)文献综述

·

设计 (论文)题目

作者所在系别

~

PLC恒压供水系统的设计

机械工程系 测控技术与仪器

作者所在专业作 者 姓 名

作者所在班级 作 者 学 号

：

B08121 庄海全 108 赵保亚

指导教师姓名

指导教师职称 完 成 时 间

讲师

2012

年

）

2

月

北华航天工业学院教务处制

说 明

·

1．根据学校《毕业设计(论文)工作暂行规定》，学生必须撰写毕业设计(论文)文献综述。文献综述作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

2．文献综述应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成，由指导教师签署意见并经所在专业教研室审查。

3．文献综述各项内容要实事求是，文字表达要明确、严谨，语言通顺，外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现缩写词，须注出全称。

4．学生撰写文献综述，阅读的主要参考文献应在10篇以上（土建类专业文献篇数可酌减），其中外文资料应占一定比例。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。

5．文献综述的撰写格式按毕业设计(论文)撰写规范的要求，字数在2000字左右。文献综述应与开题报告同时提交。

《

毕 业 设 计（论 文）文 献 综 述

摘要 随着社会主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。 为实现恒压供水，采用 PLC 为主控器，变频器为执行机构，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计，并完成交频恒压供水系统的硬件和软件的设计。 变频恒压供水系统已在国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时性，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。 关键词:恒压供水，PLC 控制,变频器，PID Abstract With the rapid development of socialistic marketing economy,there is a growing demand for better quality of water supply and higher reliability of supply system. In addition,considering the current common energy crisis, achieving the scheme of automating the water supply system. So it is an inevitable tendency to design and create an energy-saving constant-pressure water supply system of excellent performance with the help of advanced techniques of automation,monitor-control system and communication. Meanwhile, the System can also adapt to various water Supply regions. Aiming at realizing constant pressure water supply ,using the PLC as the master, inverter as the executing agency ,and the paper shows the design of constant pressure supply water controller according to PID data, and the hardware and software was developed for Frequency Constant Pressure Water Supply System. The system has initially been completed with reliable performance and excellent energy-saving effect in our fact proves to possess high reliability and real-time quality, and it can not only remarkably improve the quality of water supply, but also economize on labor, which will surely bring us both economic and social benefits. Key words: constant pressure water supply ,PLC control design,inverters，PID 众所周知，水是人类生活和生产中不可缺少的一部分，没有了水可以说什么也做不了。而小区的日常供水是随着时间而变化的，因季节、昼夜相差很大，因此用水和供水的不平衡主要表现在水压土，即用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。就目前而言，我国在市政供水，工业生产循环供水等方面技术比较落后。随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，用PLC作为主控制器，变频器作为执行机构对供水系统进行设计，实现了高效、节水、节能的恒压供水，满足居民和工业用水的需要。新型变频恒压供水与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有元法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化做机控制，多品种系列化的方向展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设、开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势，早期的单泵调速恒压系统正逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵型产品投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计。 一、 PLC技术 PLC是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作系统。它采用可编程序的存储器存储执行逻辑运算、顺序控制、定时计数 及算术运算等操作指令，通过数字量、模拟量输入与输出，控制机械运动和生产过程。 1、可编程控制器的定义： 可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 的特点 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制，CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用优质的电子元件与合理的系统结构设计，内部电路采取光电隔离、数字滤波、故障诊断等硬件措施，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间很长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护，使得整个系统具有极高的可靠性。 还特别设立了警戒时钟WDT，PLC系统对警戒时钟进行定时刷新，一旦出现死循环，PLC能自动重新启动，对软件程序和硬件进行检查，给出错误报警，避免了个人电脑和单片机经常出现的死机现象。 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造周期大为缩短，同时维护变得容易起来。更重要的是可以使同一设备经过改变程序改变生产过程。 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，为面向工矿企业的工业控制设备。接口简单容易，编程语言易于为工程技术开发人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 二、变频恒压供水系统 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机变频调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：维持水压恒定；控制系统可手动或自动运行；多台泵自动切换运行；系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒。 1.变频恒压供水原理 所谓恒压供水是能够自动保持水管内水压不变的供水过程。保持水压恒定即保持水管中水的流量恒定，根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电动机轴土消耗的功率与转速的平方成正比。因此变频恒压供水基本原理是通过安装在系统中的压力检测装置将系统压力信号与设定值进行比较，再通过控制器调节变频器输出，元级调节水泵机组的转速和调水泵的数量，使系统水压在水流量变化时，稳定在一定的范围内。 2. 控制系统组成及控制过程 控制系统组成 根据系统的技术要求，本系统采用目前较为先进的交流变频调速恒压供水的控制方案。系统由PLC 、变频器、水箱、供水机组、供水管网和各种传感器、仪表组成。 系统的控制过程 通过压力表检测出当前管网的压力值，并把它传送给PLC ， PLC 通过检测值与设定值比较后，经过PID 调节，把控制量送给变频器来控制水泵机组。第一台水泵变频起动运行，当水压不足时，将第一台水泵切入工频运行，再投入第二台变频泵，依此类推，直到第四台水泵起动停泵时先停第一台工频泵，最后停变频泵，即遵循先开先停的原则。变频器通过对水泵机组投入运行水泵的数量和水泵转速的调节，达到控制管网压力的目的。 三、PID控制原理 控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确地数学模型是，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效地测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制技术实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统误差，利用比例、积分和微分计算出控制量进行控制的。 （1）比例部分（P) 用于保证控制量的输出含有雨系统偏差成线性的分量，能够快速反映系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。 （2）积分（I)控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with steady-state error).为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差近一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （3）微分（D)控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用。其变化总是滞后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差作用接近于零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分”项，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控制量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 2. PID控制器的参数整定 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器的参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行鉴定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 四、变频器原理 变频器主要是由主电路、控制电路组成。主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型和电流型。电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 控制电路是给异步电动机供电的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 五、结论 变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于居民生活和工业生产中。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好的节能效果。目前变频恒压供水系统正想着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 参考文献 [1] 满永奎 韩安荣 吴成东.通用变频器及应用版. 北京机械工业出版社，2005:7-17. [2] 王兆义.可编程控制器教程版.北京：机械工业出版社，2007:2-7. 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指导教师意见 指导教师： 年 月 日 专业教研室审查意见 负责人： 年 月 日 #