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变频流量自动控制系统
变频流量自动控制系统
本科生课程设计
题目:
变频流量自动控制系统的设计
课程:
电力拖动自动控制系统
专业:
电气工程及其自动化
班级:
姓名:
学号:
指导教师:
完成日期:
扬州大学能源与动力工程学院
电力拖动自动控制系统设计任务书
1.题目
变频流量自动控制系统的设计
2.原始资料
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。
1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。
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,
1)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。
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。
图1.4PLC控制线路
图1.5PLC的输入端口
2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。
(1)变频器常用参数
1、上限频率(高速)SEt-HSP与下限频率(低速)SEt-LSP
上限频率是最大给定所对应的频率,下限频率是最小给定所对应的频率。
上下限频率的设定是为了限制电动机的转速,从而满足设备运行控制的要求。
2、加速时间(加速斜坡时间)SEt-ACC与减速时间(减速斜坡时间)SEt-dEC
加速时间是变频器从0Hz加速到额定频率(通常为50Hz)所需的时间,加速斜坡类型由FUn—rPC-rPt设置。
减速时间是变频器从额定频率减速到0Hz所需的时间。
设定加、减速时间必须与负载的加、减速相匹配。
电机功率越大,需要的加、减速时间也越长。
一般11kW以下的电机,加、减速时间可设置在10s以内。
对于大容量的电机,若设置加速时间太短,可能会使变频器过流跳闸;设置减速时间太短,可能会使变频器过压跳闸。
对于多电机同步运行的情况,若设置加速时间太短,可能会使变频器过流跳闸,设置加速时间太长,会使开车时同步性能变坏;设置减速时间太短,可能会使变频器过压跳闸,设置减速时间太长,由于各电机功率不同,负载差异较大,可能会使各电机不能同时停转,造成下次开车困难。
因此,多电机同步运行时,需要精确设置加、减速时间,这也是设备调试的主要项目之一。
3、保存配置drC(或I-O、CtL、FUn)—SCS
对于经常使用的设置或经现场调试可行的设置,可以保存起来,在需要的时候可以恢复。
但保存配置只能保存一次,再次保存时,原来保存的设置就被新保存的设置所替代。
SCS参数一被保存,就自动变为nO。
4、返回出厂设置/恢复配置drC(或I-O、CtL、FUn)—FCS
变频器在调试期间,可能出现由于操作不当等原因,偶尔发生功能、数据紊乱等现象,遇到这种情况可以恢复配置(FCS参数设置为rECI)或者返回出厂设置(FCS参数设置为InI),然后重新设置参数。
FCS参数一被保存,就自动变为nO。
5、电机缺相检测FLt-OPL
电机缺相检测是变频器的基本功能,也是实际使用时必需的。
但在济南星科的实验台中,由于配备的电机功率太小且空载,电机电流几乎等于零,变频器检测不到电机电流,认为没有接电机。
所以,在实验室必须把OPL参数设置为nO(电机缺相不检测),否则变频器无法运行。
但实际使用时一定把OPL参数设置为yES(电机缺相检测)。
(2)变频器的操作运行
1、本机控制
本机控制是通过变频器操作面板上的RUN和STOP键控制变频器的运行与停止,通过I-O菜单tCC参数设置为LOC激活此功能,即I-O-tCC=LOC。
如果功能访问等级CTL-LAC设置为L3高级功能,本机控制功能不可用,即I-O-tCC不出现LOC。
如果控制柜安装在操作现场,并且变频器的操作面板露在控制柜的操作面板上,可采用本机控制。
通常情况下,本机控制很少采用。
本机控制的默认设置是FUn-PSS—PS2=LI3,FUn-PSS—PS4=LI4,所以要使用LI3和LI4端子,FUn-PSS—PS2和FUn-PSS—PS4参数必须设置为nO。
2、外部端子控制
(1)2线控制
2线控制是通过变频器端子LI1和LIX(X为2~6)控制变频器的运行与停止,通过I-O菜单tCC参数设置为2C激活此功能。
2线控制的接线图如图2.1所示。
在2线控制方式中,LI1为正转控制端子,接入24V,变频器正转运行,断开24V变频器停止,不需要设置;LIX为反转控制端子,接入24V,变频器反转运行,断开24V变频器停止,通过I-O菜单rrS参数设置具体端子,变频器的默认设置为LI2,一般使用默认设置。
LI1LI2LIX+24V
变频器
K1
K2
K3
图2.23线控制接线图
LI1LIX+24V
变频器
图2.12线控制接线图
K1
K2
若只需要电机正转运行,反转控制端不接线,即不用开关K2就可以了,但该端子不能用作其它用途,除非I-O菜单rrS参数设置为nO。
2线控制的另一个默认设置是把LI3和LI4端子分配给2段和4段速度控制,即FUn-PSS—PS2=LI3,FUn-PSS—PS4=LI4,所以要使用LI3和LI4端子,FUn-PSS—PS2和FUn-PSS—PS4参数必须设置为nO。
2线控制是用得最多的一种控制方式,一般的控制电路都采用2线控制。
(2)3线控制
3线控制是通过变频器端子LI1、LI2和LIX(X为3~6)控制变频器的运行与停止,通过I-O菜单tCC参数设置为3C激活此功能。
3线控制的接线图如图2.2.2所示。
在3线控制方式中,LI1为停止端子,接入24V,为变频器运行做准备;断开24V,已运行的变频器停止,没运行的变频器不能起动,LI1端子的功能不需要设置。
LI1一般接常闭触点,如图2.2中的K1。
(3)变频器的给定方式
变频器的给定方式也就是如何使变频器升速和降速,Altivar31变频器有两个给定配置,给定配置1为CtL-Fr1,给定配置2为CtL-Fr2。
Fr1和Fr2通过CtL-rFC选择或切换。
常有以下几种方式。
1、本机给定
本机给定就是通过变频器的操作面板升降速。
施耐德Altivar31变频器是通过操作面板上的电位器升降速,以前的变频器多数采用这种方式,现在的变频器多数是通过操作面板上的▲▼键升降速,面板上没有升降速电位器。
Altivar31变频器是通过CtL菜单Fr1或Fr2参数设置为AIP激活此功能。
Altivar31变频器的默认给定通道为Fr1,默认给定方式为本机给定,即CtL-rFC=Fr1,CtL-Fr1=AIP。
如果控制柜安装在操作现场,变频器的操作面板露在控制柜的操作面板上,并且不需要同步调速时,可使用本机给定。
2、模拟输入端子给定
Altivar31变频器有3个模拟输入端子,分别是AI1、AI2、AI3,公共端为COM。
(1)AI1端子给定
AI1端子给定就是通过变频器的控制端子AI1给定,给定信号为0~10V电压信号,0V对应低速(SEt-LSP参数),10V对应高速(SEt-HSP参数),通过CtL菜单Fr1参数设置为AI1激活此功能。
若CtL-rFC=Fr2或需要两个给定通道切换时,通过CtL菜单Fr2参数设置为AI1激活此功能。
(2)AI2端子给定
通过变频器控制端子AI2给定,给定信号为0~±10V电压信号,“+”电压电动机正转,“-”电压电动机反转,通过CtL菜单Fr1参数设置为AI2激活此功能。
若CtL-rFC=Fr2或需要两个给定通道切换时,通过CtL菜单Fr2参数设置为AI2激活此功能。
(3)AI3端子给定
通过变频器控制端子AI3给定,给定信号为X~YmA电流信号,通过CtL菜单Fr1参数设置为AI3激活此功能。
若需要两个给定通道切换时,通过CtL菜单Fr2参数设置为AI3激活此功能。
X对应下限频率(低速),通过I-O菜单CrL3参数设置,设置范围为0~20mA,通常设置为4mA。
Y对应上限频率(高速),通过I-O菜单CrH3参数设置,设置范围为4~20mA,通常设置为20mA。
如果Y小于X,则电流越大,频率越低。
3、逻辑输入端子给定
逻辑输入端子给定也就是通过按钮升降速。
它是Altivar31变频器的高级功能,必须将功能访问等级CtL-LAC设置为L2或L3,才能进行设置。
通过按钮升降速就是在逻辑输入端子上接入升速按钮和降速按钮,如图2.2.3所示。
按下升速按钮SB1开始升速,松开SB1按钮停止升速;按下降速按钮SB2开始降速,松开SB2按钮停止降速。
逻辑输入端子LIX1和LIX2由下列参数设置,但必须保证LIX1和LIX2是其它功能没用过的端子,包括变频器的默认设置。
CtL-LAC=L2或L3——设置功能访问等级;
CtL-Fr2=UPdt——设置给定方式;
CtL-rFC=Fr2——选择给定通道;
FUn-UPd-USP=LIX1——设置升速逻辑输入端子位置;
FUn-UPd-dSP=LIX2——设置降速逻辑输入端子位置
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);
5)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1.6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;
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:
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次采样时的误差值;K1为积分系数;KD为微分系数。
基于PLC的闭环控制系统如图2所示,图中虚线部分在PLC内,spn,pvn,en,Mn分别为模拟量sp(t),pv(t),e(t),M(t)在第n次采样的数字量。
在许多控制系统中,可能只需要P,I,D中的1种或者2种控制类型。
例如,可能只要求比例控制或比例与积分控制,
通过设置参数可对回路控制类型进行选择。
图3.2PLC的闭环控制系统框图
3.3输入输出变量的转换
PID控制有输入量2个:
给定值sp和过程变量pv。
给定值通常是固定值,过程变量通常是经过A/D转换和计算后得到的被控量的实测值。
给定值和过程变量都是和被控对象有关的值,对于不同的系统,它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。
应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前,必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。
同样,对于PID指令的输出,在将其送给D/A转换器之前,也需要进行转换。
回路输入的转换:
首先,将给定值或A/D转换后得到的整数值由16位整数转换为浮点数,可以用下面的程序实现这种转换:
然后,将实数进一步转换成0.0~1.0之间的标准数,可用式3对给定值及过程变量进行标准化:
式中:
RNorm为标准化实数值;RRaw为标准化前的值;offset为偏移量,对单极性变量为0.0,对双极性变量为0.5;Span为取值范围,等于变量的最大值减去最小值,单极性变量的典型值为32000,双极性变量的典型值为64000。
下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span=64000)转换为0.0~1.0之间的实数的转换程序为:
回路输出的转换:
回路输出即PID控制器的输出,它是标准化的0.0~1.0之间的实数。
将回路输出送给D/A转换器之前,必须转换成16位二进制数,这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。
用下面的式(4)将回路输出转换为实数:
式中,RScal是回路输出对应的实数值;Mn是回路输出标准化的实数值。
将回路输出转换为对应的实数的程序为:
将代表回路输出的实数转化为16位整数的指令为:
3.4PID指令及其回路表
PID指令如图3.3所示。
指令中TBL是回路表的起始地址,LOOP是回路编号。
编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围,CPU将生成编译错误(范围错误),引起编译失败。
PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查,应保证过程变量、给定值等不超限。
回路表如表3.1
所示:
图3.3PID指令
表3.1
过程变量与给定值是PID运算的输入值,在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。
每次完成PID运算后,都要更新回路表内的输入值Mn,它被限制在0.0~1.0之间。
如果PID指令中的算术运算发生错误,特殊存储器位SM1.1(溢出或非法数值)被置为1,并将中止PID指令的执行,想要消除这种错误,在下一次执行PID运算之前,应改变引起运算错误的输入值,而不是更新输出值。
3.5PID在PLC中实现的梯形图
有涡街流量计送入PLC的模拟量输入端的数据只是4-20mA的电流,需要经过一些转换才能为PID程序模块所使用。
首先,将电流转换成电压,再经过数据格式转换后送入PID模块数据区进行相关控制。
其梯形图如图3.4所示。
PID的参数整定程序如下(仅列出部分);
图3.4PID在PLC中实现梯形图
4小节与体会
5参考文献
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机械工业出版社,2000.
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机械工业出版社,2000.
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机械工业出版社,2000.
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