变频流量自动控制系统设计分析

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 (1)1.1系统概述 (1)1.2系统控制要求： (1)1.3流量自动控制系统结构框图 (2)1.4主电路设计 (2)1.5控制线路设计 (3)2 元器件的选择 (4)2.1 变频器的选型 (5)2.2 变频器接线图 (5)2.3 涡街流量计的选型 (6)2.4 PLC的选型 (7)3 PID在PLC中实现 (7)3.1 PLC实现PID控制的方式 (7)3.2 PID控制器的数字化 (7)3.3输入输出变量的转换 (8)3.4 PID指令及其回路表 (10)3.5 PID在PLC中实现的梯形图 (11)4 小节与体会 (13)参考文献 (13)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。

汽提塔图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1.4 PLC控制线路图1.5 PLC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。

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(＞2.5 Mpa)；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。

2.4 PLC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。

3 PID在PLC中实现3.1 PLC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。

3.2 PID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3.2 PLC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32 000，双极性变量的典型值为64 000。

下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span=64 000)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：3.4 PID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3.3 PID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SM 1.1(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。

3.5 PID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。