供暖气水恒压补水控制系统.docx
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1、供暖气水恒压补水控制系统内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书(毕业论文)题 目:供暖气水恒压补水控制系统学生姓名:牛军学 号:2专 业:自动化班 级:自05-3指导教师:任彦57 / 58供暖气水恒压补水控制系统摘 要工业锅炉属于高温、高压设备,其安全性必须放在首位。在锅炉运行时,必须保证补水压力保持在给定恒压点附近,以及把锅炉的热量及时的传送出去。本文对系统采用了PLC控制的变频调速控制方式.传感器实时的把管网的压力和锅炉的出入口温度传送给PLC,经过PLC内部的PID运算然后控制补水部分和循环部分的变频器,实时的控制管网的压力和锅炉的温度。设计利用PLC和变频器实现自动恒压补水的控制系统。采
2、用PLC内置的PID调节器,选用两台变频器分别控制补水部分的水泵和循环部分的水泵。补水部分用两个水泵,一备一用。循环部分用也用两个水泵,一备一用。基于PLC和变频器技术的恒压供水系统的组成和工作原理,给出了控制系统的硬件组成和软件设计方案。由于系统采用了可编程控制器及变频调速技术,因此具有很高的可靠性,抗干扰能力强,节能效果明显。关键词:PLC;变频器;恒压补水;PID;锅炉;Constant pressure for water supplied control system used for HeatingAbstractIndustrial boiler is classified to
3、 high temperature and high pressure equipment, so its safety must be put prime consideration。 When the boiler runs, water supplied pressure should be maintained in the vicinity of a given constant pressure, moreover, the thermal energy generated in the boiler should be sent away as soon as possible.
4、 This dissertation adopts PLC control frequency conversion to drag motors, The sensor transfers the temperature of the boiler and the pressure of the tunnel to the internal PLC in a real-time way, after PID calculation by PLC, PLC controls the frequency convertor contained in water supplied system a
5、nd water circulation system , which controls the pressure of the tunnel and the temperature of the boiler. This design utilizes PLC and frequency convertor automatic to actualize the automatic constant pressure water controlled system. The system adopts the PLC builtin PID adjustor and chooses two f
6、requency convertor to control the pump of the water supplied part and the pump of water circulation part respectively. The water supplied part comprises two water pumps, one for utilization and the other for accident。The dissertation based on PLC and frequency convertor technology and introduced the
7、 composition and the theory of constant pressure water supplied system, it also introduced the hardware and software design proposal。Since the system uses a programmable logic controller with VVVF technology, the system possesses high reliability, strong antiinterference ability and remarkable energ
8、y-saving function。Keywords: PLC; Frequency convertor; Constant pressure water supplied system; PID; Boiler;目录摘 要IAbstractII目录III第一章 引言11。1设计背景11.2 系统的工艺流程及工作原理21。2.1系统的工艺流程21.3 本章小结3第二章 系统设计42.1系统设计中的PLC概述42。2系统设计中PID概述42。2.1 PID介绍42。2。2PID控制器的改进92.2.3经验凑试法整定PID参数102。3系统组成112。4本章小结12第三章 硬件设计133.1 PL
9、C介绍143。1。1 PLC简介143。1.2 PLC的基本结构143.1。3 PLC的特点163。1.4 PLC的功能173.2 PLC的选型193。3变频器介绍223.3.1变频器的分类233.3.2变频器的构成253.3.3变频器的控制方式283。4变频器选型303.4.1变频器内部功能参数设置313.5检测装置设备选型323。5.1温度传感器选型323.5。2压力传感器选型343。6 电源设计353。7电路设计363.6.1 主电路设计393.6.2控制电路的实现413。7 本章小结45第四章 软件设计464.1主要控制功能464.2 软件的实现464.3 程序流程图484.4本章小结
10、48结束语49参考文献50附录52致谢69第一章 引言1.1设计背景目前,我国北方地区冬季生活供暖仍然以锅炉供暖为主,锅炉房自动控制系统配置相对落后,电机的控制主要依赖值班人员的手工操作,采用独立的电机对锅炉的循环及补水部分进行手动控制,对于循环泵和补水泵电机,不是让电机实时的根据系统的需要进行动态调节,只是对电机开关进行简单的开或关动作,控制过程繁琐,耗电耗煤,手动控制无法对锅炉供水温度和管网压力变化及时做出适当的反应。锅炉内部产生的热量是在时刻变化,这样,当锅炉内部产生热量多的时候也因为循环泵的问题不能有效地传递出去,造成了很大的资源浪费,同时,由于没有对管道内部的压力进行控制,使管道的压
11、力产生震荡,对设备在一定程度上造成了很大的损坏。针对这一系列的问题,采用PLC控制的变频调速系统对其进行改造,对循环泵、补水泵进行自动控制,稳定性得到大大的提高,节能效果显著;减少了对电器和机械的冲击,延长了其使用寿命,有效的减少了维护量。因此,采用PLC控制的变频调速系统不仅可大大节约能源,促进环保,而且可以提高生产自动化水平,具有显著的经济效益和社会效益恒压补水是指在小区供暖系统中用水量发生变化时,始终保持回水压力不变,这样既保证了供水能力,使系统管网压力稳定,又使供暖质量大大提高。用变频调速来实现恒压供水,及用调节阀门来实现恒压供水相比较,节能效果十分显著。其优点是:起动平稳,起动电流可
12、限制在额定电流以内,从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了,从而可延长水泵的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应;在锅炉和其它燃烧重油的场合,恒压供油可使油的燃烧更加充分,大大地减少了对环境的污染.变频技术的迅猛发展使变频调速在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水系统具有节能、安全、高品质的供水质量等优点,为人民生产、生活带来极大的方便,也为企业带来巨大的经济效益。交流变频器的诞生和PLC及PID控制的综合运用为水泵转速的平滑性连续恒定调节提供了方便.PID控制恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速,依据设定量及用水量的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
13、压恒定以满足用水要求,是当前先进、合理的节能型供水系统.在我们日常工作实践中,采用PID调节变频调速恒压供水系统主要选用两种方式:1、利用PLC自身的PID调节指令完成变频调速恒压供水控制。2、利用变频器内置的PID功能配合PLC完成变频调速恒压供水控制.1.2 系统的工艺流程及工作原理1。2.1系统的工艺流程锅炉设备是一个复杂的控制对象,在保证锅炉运行安全性和稳定性和经济性方面,采用变频器控制电动机从而实现锅炉系统的恒压补水和循环系统的稳定性.水由锅炉加热后经过管道输送到用户,然后循环流动回到锅炉进行再加热,如此循环,此过程中循环遇到的管道压力由循环电机提供。循环水泵的作用是将锅炉中的热水抽
14、送到任意高度的热用户,并促使热水克服系统阻力不断循环运行.同时,在循环过程中,由于水的汽化,管道渗漏,或者用户的不合理使用等造成循环系统总水量发生变化,需要及时的对系统进行补水。锅炉管网压力的控制采用水泵变频恒压供水,通过安装在管网上的压力变送器,把管网压力信号变成420mA的标准信号送入PLC(可编程控制器),PLC通过PID程序运算后,输出转速信号送给变频器,由变频器控制水泵电机的转速,调节水泵的供水量,使供水管网上的压力保持在给定的压力值上。当用水量超过或少于运行泵的供水量时,通过PLC控制切换进行加泵或减泵,即根据用水量的多少由PLC控制工作泵的数量增减以及变频器对运行泵的转速调节,实
15、现恒压供水的目的。温度传感器采集到信号,作为循环系统PID的反馈信号,同时,系统内部程序给出循环泵控制部分的给定,在PLC内部进行PID运算,然后系统将结果输出到PLC模拟扩展EM235的输出端口,输出420mA电流信号,信号然后送到循环泵变频器,作为变频器模拟量控制的输入,系统启动后,当温度反馈大于温度给定时,循环泵变频调速运行,PLC 对出、回水温度差进行PID运算,如果该台水泵在最高运行频率下运行,PLC 准备发出换泵指令,该状态由PLC 定时,维持一段时间后,系统开始换泵操作。PLC 对变频器发出复位信号,断开当前水泵变频接触器,经过短暂延时后闭合当前水泵工频接触器,使该循环泵投入工频
16、运行;然后再闭合备用水泵变频接触器,撤除复位信号,再向变频器发出运行指令,使备用泵变频调速运行;直到满足温差动态恒定。循环泵投入工频运行后,由热继电器进行过载保护。 每台泵的变频回路接触器和工频回路接触器之间在内部软件互锁的基础上加入外部电气互锁,以防止PLC 故障或其它原因造成的工频回路接触器和变频回路接触器的同时吸合,导致工频电源及变频器输出端相接而损坏变频器.系统的工艺流程示意图如图1。1。 图1.1 系统的工艺流程图1.3 本章小结本章首先分析了课题的研究背景,提出了研究的目的及意义.其次阐述了系统的工作原理和系统的工艺流程。最后叙述了系统的设计目标,完成后应具备的功能和达到的技术要求
17、.第二章 系统设计2.1系统设计中的PLC概述 PLC 能控制大量的过程参数, 例如: 温度、压力、流量、液位和速度等, PID使PLC 具有闭环控制的功能, 即一个具有PID 控制能力的PLC 可用于控制过程。当过程控制中某个变量出现偏差时, PID 控制算法会计算出正确的输出, 把变量保持在设定值上。以PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能, 提高了系统的可靠性。在有模拟量的控制系统中, 经常用到PID 运算来执行PID 回路的功能, PID 回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。对于PLC内部的PID运算,其输出作为控制补水泵变频器和循环泵变频器的信号。实际中用水量大部分时间
18、处于较低的状态,也就是说大部分时间只有一台水泵工作,这就存在着某台水泵寿命缩短的隐患,因此需长时期用一台水泵工作的情况下需要两台水泵交替工作。2。2系统设计中PID概述PID(Proportional-IntegralDerivative),即比例、积分、微分,指的是一项流行的线性控制策略.在PID控制中,差值信号(受控系统的压力及实际压力之间的差值)在加到压力控制电源驱动电流之前先分别以三种方式(比例、积分、微分)被放大。比例增益向错误信号提供瞬时响应.积分增益求出错误信号的积分,并将错误减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测压力信号的噪音,微分增益使驱动依赖于实测压力的变化率,正确
19、用微分增益能缩短响应定位点改变或其他干扰所需的稳定时间。然而,在许多情况下,比例积分(PI:Proportional-Integral,没有微分增益)控制策略也可以产生满足要求的结果,而且通常要比完全的PID控制器更容易调整到稳定的运行状态,并获得符合要求的稳定时间。2.2.1 PID介绍S7200系列的PLC都有配套的STEP7MICRO/WIN32编程软件,该软件可以在PC机上运行,为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供良好的编程环境。STEP7一Micro/WIN提供了PID指令向导,指导使用者定义一个闭环控制过程的PID算法,该算法程序由编程软件自动插入到主程序中。在稳态运行时,PI
20、D控制器调节其输出值以驱使误差为零。误差由给定点(SP,希望值)及过程变量(PV,实际值)之差来确定。PID控制的原理基于下面的方程,它描述了输出M(t)及比例项、积分项和微分项的运算参数关系: 式(2。1) 输出 比例项积分项微分项式中:为回路控制算法的输出(为时间的函数);为回路增益;e为误差(给定值及过程变量之差);为回路控制算法输出的初始值。为了在数宇式计算机中实现这一控制功能,上式所描述的连续函数必须先进行离散化,即误差进行周期性的采样井什算输出值。这一离散形式可表达为下列方程: 式(2.2) 输出 比例项 积分项 微分项式中:为在采样时刻计算出的回路控制输出值;为回路增益;为在采样
21、时刻n的回路误差;为上次误差(即在采样时刻n1的误差);为积分项的比例系数;为回路输出的初始值;比为微分项的比例系数。由此方程可看出,积分项包括自第一次采样到当前采样时刻的所有误差;微分项由本次和上次采样值所诀定;而比例项仅由本次采样值所诀定.在数字计算机中要存储所有采样的误差值是不实际的,也是不必要的。因为自第一个采样时刻开始,每次采样获得一个误差,要由数字计算机来计算一次输出,所以只需将上一次的误差值和上一次的积分项存储。利用数字计算机的迭代运算,可将上式化为递推形式。简化形式如下: 式(2.3)输出 比例项 + 积分项 + 微分项式中:为在采样时刻计算出的回路控制输出值;为回路增益;为在
22、采样时刻的回路误差;为上次误差(即在采样时刻n-1的误差);为积分项的比例系数;MX为上次(即在采样时刻n1)积分项;为微分项的比例系数.CPU将上述简化形式再进一步组合、简化,即得下面的方程,用来实际计算回路控制的输出值: 式(2。4)输出 比例项积分项微分项式中:为在采样时刻n所计算出的回路控制输出;为在采样时刻n所算出的比例项;为在采样时刻所算出的积分项;为在采样时刻n所算出的微分项。1。比例项比例项MP为增益(用于控制输出的敏感度)和误差(为给定值SP及过程变量PV在给定采样时刻的差值)的乘积。CPU采用的计算比例项的方程如下 : 式(2。5)式中:为在采样时刻n的回路控制输出中的比例
23、项;为回路增益;为在采样时刻n的给定值为在采样时刻n的过程变量值。2。积分项积分项MI正比于历次采样时刻的误差的累积值。采用的计算积分项的方程如下: 式(2.6)式中:为在采样时刻n的回路控制输出中的积分项;为回路增益;为采样周期;为积分时间常数;为在采样时刻的给定值;为在采样时刻的过程变量值; MX为在采样时刻n-1的积分项(也称为积分和)。积分和MX是所有采样时刻的积分项的总和。每计算一次,积分和MX就以的值更新一次(它可被进一步调整或限幅。积分和的初始值通常调定为,还有几个常数及积分项有关,即增益、采样周期和积分时间常数。3。微分项微分项正比于误差的变化。其方程为: 式(2.7)为了实现
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