變頻器恒壓供水系統(tǒng)多泵課程設(shè)計報告書

1、成績評定表學(xué)生姓名班級學(xué)號專業(yè)自動化課程設(shè)計題目變頻器恒壓供水系統(tǒng)（多 泵）評語組長簽字：成績?nèi)掌?0 年 月日課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)自動化學(xué)生姓名班級學(xué)號課程設(shè)計題目變頻器恒壓供水系統(tǒng)(多泵)實踐教學(xué)要求與任務(wù)：技術(shù)參數(shù)及控制要求：(1)工2參數(shù)：供水系統(tǒng)由3臺水泵組成：母管壓力 H> 0.8時，一臺定速，一臺變速，一臺備用。母管壓力hK 0.64時，f 定速或變速，二臺備用。母管壓力HK 0.52時，一變速，二臺備用。(2)水泵參數(shù)：型號：125H-13額定流量：793 m3/h揚程：32.3 m 功率：80.3 KW額定轉(zhuǎn)速：1450 r/min配用電機功率：10

2、0KW(3)電動機參數(shù)：型號： JD-L-39-4 功率：100KW額定頻率：50Hz額定電壓：380VAC額定轉(zhuǎn)速：1470 r/min 額定電流：188.2 A(4)水泵電機的起動/停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。(5)變頻器采用遠方控制方式。(6)變頻器的頻率由4 20mA電流信號控制。(7)變頻器的運行狀態(tài)指示(如運行、停止、過流、低壓等)。(8)變頻器的報警處理。設(shè)計要求：(1)根據(jù)變頻器恒壓供水系統(tǒng)控制要求，選擇變頻器型號。(2)選擇其他電器設(shè)備型號。(3)變頻器恒壓供水系統(tǒng)的電氣控制線路的設(shè)計(包括主回路和控制回路)。(4)電氣圖按A4大小設(shè)計。(5)電氣圖形符號和文字符號要符合國家最新標(biāo)

3、準(zhǔn)。進度安排：(1)查閱資料一天(2)設(shè)計四天(3)實驗操作四天(4)撰寫報告及答辯一天指導(dǎo)教師：專業(yè)負(fù)責(zé)人：學(xué)院教學(xué)副院長：201年月 日201 年月 日201 年 月日摘要本次設(shè)計采用“一臺變頻器控制多臺水泵”的多泵控制系統(tǒng)。在這里利用PLC設(shè)計一套變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化自動調(diào)節(jié)某臺水泵的轉(zhuǎn)速和多臺水泵的投入及退出，使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)?？蓪崿F(xiàn)恒壓變量、雙恒壓變量等控制方式，多種啟?？刂品绞剑撓到y(tǒng)可以通過人意修改參數(shù)指令（如壓力設(shè)定值、控制順序、控制電機數(shù)量、壓力上下限、PID 值

4、、加減速時間等）；具有完善的電氣安全保護措施，對過流、過壓、欠壓、過載、斷水等故障均能自行診斷并報警。為保證小區(qū)的供水正常，利用 PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，按照用戶的需求按需調(diào)節(jié)水泵流量，根據(jù)夜間用水少可以只開一個小流量泵，并滿足用戶的流量需求，使真?zhèn)€系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。關(guān)鍵詞 ：恒壓供水；變頻器；可編程控制器1 變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡介11.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 11.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理 11.1.2 變頻恒壓控制理論模型 31.2 恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成 31.3 變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 52 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計62.1 設(shè)計任務(wù)及要求 62

5、.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計 62.3 系統(tǒng)工作過程 73 器件的選型及介紹93.1 變頻器簡介 93.1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類 93.1.2 變頻器的控制方式 93.2 變頻器選型 103.2.1 變頻器的控制方式 103.2.2 變頻器容量的選擇 113.2.3 變頻器主電路外圍設(shè)備選擇 133.3 可編程控制器(PLC) 153.3.1 PLC的定義及特點 153.3.2 PLC的工作原理 163.3.3 PLC及壓力傳感器的選擇 164 PLC 編程及變頻器參數(shù)設(shè)置171717212121224.1 PLC 的 I/O 接線圖 4.2 PLC 程序 4.3 變頻器參數(shù)的設(shè)置4.3.1 參

6、數(shù)復(fù)位4.3.2 電機參數(shù)設(shè)置4.4 控制系統(tǒng)接線實物圖5 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計235.1 組態(tài)軟件簡介 235.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 235.2.1 組態(tài)王的通信參數(shù)設(shè)置 235.2.2 新建工程與組態(tài)變量 245.2.3 組態(tài)畫面 255.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面 266 總 結(jié) 27281變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡介1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析1.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Q),如圖1-1所示。圖1-1供水系統(tǒng)的基本特征圖1-2管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線由圖可以看出，流量Q

7、越大，揚程H越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的 情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q(u)間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔?表明閥門在某一開度 下，揚程H與流量Q之間的關(guān)系H J (Qu )。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵 系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度 下，揚程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下， 供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關(guān)系H f (Qc ) o揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)

8、的工作點，如圖中 A點。在這一點，用戶的用水流量 Qu和供水系統(tǒng)的供水流量 Qc處于平衡狀態(tài)，供水系 統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。圖1-1供水系統(tǒng)的基本特征。變頻包壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通 常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器 調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水 系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定 子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)

9、閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率P 與管網(wǎng)

10、的水壓H 及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的 平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P與轉(zhuǎn)速n三次方成正比，即：P k1HQ（ 2.2）n k2Q（ 2.3 ）2H k3Q（2.4）P kn3（2.5）式中k、 k1、 k2、 k3 為比例常數(shù)。當(dāng)用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流量為Q,揚程為當(dāng)供水量從Q減小到Q時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到bi, 揚程特性曲線不變。而揚程則從 代上升到Hi,運行工況點從E點移到F點，此時水泵 的輸出功率正比于HXQ2。當(dāng)用調(diào)速控制時，若采用恒壓（Ho）,變速泵（n2

11、）供水，管阻 特性曲線為b2,揚程特性變?yōu)榍€ 窕，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率正 比于HXQ2,由于H>H,所以當(dāng)用閥門控制流量時，有正比于（Hi H） XQ2的功率被浪 費掉， 并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是Hi 增大，而被浪費的功率要隨之增加。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。1.1.2變頻恒壓控制理論模型變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實 際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時 間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是

12、一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，包壓控制的目 標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上從圖1-2中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力， 控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出頻率的增 加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當(dāng)前 的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增 大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復(fù)，直到實際供水壓力和 設(shè)定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變 頻的輸出頻率將會降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實際供水

13、壓力因此而減小。同樣，最后調(diào) 節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等。圖1-2變頻恒壓控制原理圖1.2 恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成變頻包壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通常由 異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵連成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步 電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實 質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的圖1-3恒壓供水系統(tǒng)方框圖水壓由壓力傳感器的信號4-20mAf入變頻器內(nèi)部的PID模塊，與用戶設(shè)定的壓力值 進行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率

14、調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電機的 電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不 失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試 更為簡單、方便。圖1-4供水系統(tǒng)方案圖西門子系列PLCS?采用STEP軟件，它是西門子PLC勺視窗軟件支持工具，提供完 整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實現(xiàn)梯形圖與語句表的相互 轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)程序包括主程序和起動子程序，主程序包括參與調(diào)節(jié)程序和電機切換程序；電機切換程序又包括加電機程序和減電機程序。起動子程序?qū)嶋H上是清零子程序。

15、在主程序中，設(shè)置兩個變頻器頻率上下限到達濾波時間繼電器，用于穩(wěn)定系統(tǒng)。1.3 變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對國民經(jīng)濟有重大意義。我過泵站的特點是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計中忽視動能經(jīng)濟觀點以及機電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等原因，至使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟效益指標(biāo)等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動能消耗在水泵、風(fēng)機負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略

16、方法是目前較為重要的一件事。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠程監(jiān)控技術(shù)與一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便的實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。2 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計2.1 設(shè)計任務(wù)及要求本系統(tǒng)是以一個供水系統(tǒng)作為被控對象，PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制電機的轉(zhuǎn)速與啟動和停止。系統(tǒng)控制要求:

17、(1) 工藝參數(shù): 供水系統(tǒng)由3 臺水泵組成：母管壓力H> 0.8時，一臺定速，一臺變速，一臺備用。母管壓力HK 0.64時，一臺定速或變速，二臺備用。母管壓力HK 0.52時，一臺變速，二臺備用。(2) 電動機參數(shù)：型號：JD-L-39-4功率： 75KW額定頻率：50Hz額定電壓：380VAC；額定轉(zhuǎn)速：1470 r/min額定電流：126.6 A(3) 水泵電機的起動/停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。(4) 變頻器采用遠方控制方式。(5) 通過母管壓力變送器測得實際壓力大小，同時和壓力給定組成閉環(huán)控制。(6) 變頻器的運行狀態(tài)指示(如運行、停止、過流、低壓等)。(7) 變頻器的報警處理。2.

18、2 系統(tǒng)主電路設(shè)計FU圖2-1系統(tǒng)主電路圖由恒壓供水主電路圖可見，接觸器 1KM2 2KM2和3KM訓(xùn)于變頻器輸出，分別接 到水泵Ml M2和M3而接觸器1KM3 2KM劑3KM3等工頻電源接到3臺水泵。變頻器 可以對任何一臺水泵啟動和恒壓供水控制?？諝忾_關(guān)（QD是當(dāng)電動機過載時自動將電動機從電網(wǎng)中斷開熱繼電器（FR）是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護電路，它在電路中用作電動機的過 載保護。2.3 系統(tǒng)工作過程 1、減泵過程當(dāng)用水量減少、水壓上升、變頻器輸出頻率低于下限值時，但管網(wǎng)壓力仍偏高時，則各泵將依次退出運行，依次退出運行的方式有兩種。（1）先開先停方式。PLC接收到下限頻率到達信號，延時

19、一定時間后，接觸器1KM以電復(fù)位，水泵M1脫離工頻電源停止運行。變頻器輸出頻率仍然低于下限值，重復(fù)上述過程，水泵M2脫離工頻電源停止運行，變頻器驅(qū)動水泵 M3恒壓供水，水壓穩(wěn)定在設(shè)定值 上。這種方式稱為循環(huán)方式，通常用于各臺水泵的容量都相等的供水系統(tǒng)中。其優(yōu)點是可以自動的使各泵運行的時間比較均衡；缺點是工頻運行狀態(tài)直接停機時，可能由于停 機太快而使管網(wǎng)壓力發(fā)生較大波動。先開后停方式。首先使正在變頻運行的 M3減速停機，然后使變頻器的輸出頻率升至 50Hz,將M2切換為變頻工作，依此類推這種方式通常用于各臺水泵的容量不相等的供 水系統(tǒng)中，其優(yōu)點是水泵的停機比較緩慢，管網(wǎng)壓力比較穩(wěn)定；缺點是不能自

20、動地循環(huán) 變換。2、加泵過程首先由M1在變頻控制的情況下工作。當(dāng)用水量增大、水壓下降，變頻器輸出頻率上升到50Hz時水壓仍然不足，經(jīng)過短暫的延時，將M1切換為工頻工作，同時變頻器的輸出頻率迅速降低為 0,然后使M2投 入變頻運行。當(dāng)M2也達到額定頻率而水壓仍不足時，重復(fù)開始運行時的過程，水泵 M2 脫離變頻器驅(qū)動，由工頻供電全速運行，變頻器驅(qū)動水泵M3變頻運行，使水壓恒定在設(shè)定值上。3 器件的選型及介紹3.1 變頻器簡介3.1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類1、變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備。變頻器包括控制電路、整流電路

21、、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPUZ及一些相應(yīng)的電路。2、變頻器的分類變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM空制變頻器、PWME制變頻器和高載頻PWMI制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器

22、、單相變頻器和三相變頻器等。3.1.2 變頻器的控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f 協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。(1) V/f 控制V/f 控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩- 速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。 V/f 控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。(2) 轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f 控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源

23、頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要 安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動有良好的響應(yīng)特性。(3) 矢量控制矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、 q、 0 坐標(biāo)軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWMt達到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PW班以減少開關(guān)損耗。目

24、前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負(fù)荷平衡功能。(5) 最優(yōu)控制最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采

25、用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。3.2 變頻器選型3.2.1 變頻器的控制方式控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產(chǎn)的共約 5O多種。選用變頻器時不要認(rèn)為檔次越高越好，其實只要按負(fù)載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。下表中參數(shù)供選用時參考。表3-1控制方式的比較控制方式U/f=C控制電壓空間矢量控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制反饋 才毋m帶PG或PID裝置不市PG調(diào)節(jié)器不要速比I<1:401:601:1001:1001:10001:100M為在起轉(zhuǎn)I3H150%150%150%dc

26、no/零轉(zhuǎn)速時為零轉(zhuǎn)速時1 nfj /n150%為 >150%200%靜態(tài)速度 土 土精度(0.20.3 )(0.20.3)/%±0.2±0.2±0.02±0.2適用一般風(fēng)機、場合泵類等較高精度調(diào) 速，控制一般工業(yè)上的 調(diào)速或控制所有調(diào)速 或控制伺服拖動、 高精傳動、 轉(zhuǎn)矩控制負(fù)荷起動、起重 負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制系 統(tǒng)，包轉(zhuǎn)矩波動 大負(fù)載故選擇U/f=C控制3.2.2 變頻器容量的選擇變頻器的容量直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證 最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的 容量選擇方法，它們之間互為

27、補充。1、從電流的角度：大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。 其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動機給出，或隨變頻器輸 出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān) 鍵量。負(fù)載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出 的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、 繞線轉(zhuǎn)子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輾道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳

28、動。應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。2、從效率的角度：系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（ 1）變頻器功率值與電動機功率值相當(dāng)時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。（ 2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應(yīng)略大于電動機的功率。（ 3）當(dāng)電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（ 4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小

29、于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（ 5）當(dāng)變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達到較高的節(jié)能效果。3、從計算功率的角度：對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的變頻器必須同時滿足以下3 個計算公式： 滿足負(fù)載輸出：Pcn> PrrZri（3.1） 滿足電動機容量：Pcn>，3KUeIe cosdx 10-3（3.2）滿足電動機電流：Icn >KIe（3.3）式中Pcn為變頻器容量（單位kW , PM-負(fù)載要求的電動機軸輸出功率（單位kVV , Ue為電動機額定電壓（單位 V） , Ie為電動機額定電流（單位 A）,“為電動 機效率（通常約為

30、0. 85） , cos（|）為電動機功率因數(shù)（通常約為 0. 75） , k是電流 波形補償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應(yīng)有所增加，通常 K約為1. 051. 1）。將本系統(tǒng)參數(shù)帶入求得所取變頻 器容量最低為88KW：取100KW額定電流139.26A,故取150A根據(jù)計算所得的所需參數(shù)可以選取西門子MicroMaster430 （風(fēng)機水泵專業(yè)）變頻器,具體的可以選擇 MM430-110K號的變頻器，他配接電機的容量是 110kw,額定電 流為205A滿足使用需求，可以選擇。3.2.3 變頻器主電路外圍設(shè)備選擇1、斷路器當(dāng)變頻器需要檢修時，或者因

31、某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當(dāng)變頻器輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時，進行保護。選擇原則 :(1) 變頻器在剛接電源的瞬間，對電容器的充電電流可達額定電流的(2-3)倍；(2) 變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^額定電流；(3) 變頻器允許的過載能力為150%， 1min。為了避免誤動作，斷路器的額定電流I QN 應(yīng)選：IQN (1.31.4)IN(3.4)其中 I N 為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇210A根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以選擇斷路器DW15 400斷路器額定電壓為380V， 額定電流為300滿足要求可以選擇。2、接觸器(1) 主要作用：可通過按鈕開關(guān)

32、方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。(2) 選擇原則：由于接觸器自身并無保護功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流Ikn In ,應(yīng)該大于126.6A,可以選擇主觸點額定電流為130A的接觸器。根據(jù)上述數(shù)據(jù)施奈德的LC1 D15Q滿足參數(shù)要求，可以選擇3、主電路的線徑(1) 電源和變頻器之間的導(dǎo)線一般說來，和同容量普通電動機的電線選擇方法相同?？紤]到其輸入側(cè)的功率因數(shù)往往較低，應(yīng)本著宜大不宜小的原則來決定線徑。(2) 變頻器和電機之間的導(dǎo)線因為頻率下降時，電壓也要下降，在電流相等的情況下，線路電壓降U 在輸出電壓中的比例將上升，而電動機得到電壓的比例

33、則下降。這有可能導(dǎo)致電動機帶不動負(fù)載并發(fā)熱。 所以， 在決定變頻器和電動機之間導(dǎo)線的線徑時，最關(guān)鍵的因素便是線路電壓降U的影響。一般要求：U (2 3)%U N(3.5)U的計算公式是:. 3I MN R0l (V )1000(3.6)式中：U N額定相電壓，V;導(dǎo)線的電阻mQ /m ;Imn 電動機額定電流，Ro 單位長度（每米）l導(dǎo)線的長度m ,由上兩式可直接求出Ro的取值范圍。根據(jù)Ro值確定導(dǎo)線面積。由公式（3.5）得：U （7.6 11.4） V由公式（3.6）得：0.69 mQ/mR0 1.04 m Q/m根據(jù)表3-2判斷所需的導(dǎo)線截面積，為了滿足控制系統(tǒng)的要求，應(yīng)該選擇截面積為16

34、mm2的導(dǎo)線。表3-2 常用電動機引出線的單位長度電阻值。面 /mm21.01.52.54.06.010.016.025.035.0R0 /(m Q /m)17.811.96.924.402.921.731.100.690.494、制動電阻準(zhǔn)確計算制動電阻值十分麻煩，在實際工作中基本不用。許多變頻器的使用說明書 上給了一些計算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動電阻的規(guī)格。但按說明書上 選擇電阻時須注意下面問題，變頻器生產(chǎn)廠家為了減少制動電阻檔次，常常對若干種不 同容量的電動機提供相同阻值和容量的制動電阻。選用時，應(yīng)注意根據(jù)生產(chǎn)機械的具體 情況進行調(diào)整。對同一擋中電動機容量較小者，制動轉(zhuǎn)矩與

35、額定轉(zhuǎn)矩的比值偏大。為了 減小能量的消耗，應(yīng)根據(jù)制動過程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值 較大的制動電阻。對同一擋中電動機容量較大者，制動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏小。在 一些飛輪力矩較大，又要求快速制動的場合，或者如起重機械那樣，需要釋放位能的場 合，上述制動電阻有可能滿足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動電阻。3.3 可編程控制器(PLC)3.3.1 PLC 的定義及特點在PLC的發(fā)展過程中，美國電氣制造商協(xié)會(NEMA經(jīng)過4年的調(diào)查，于1980年把 這種新型的控制器正式命名為可編程序控制器(Programmable Controller ) ，英文縮寫為 PC， 并作如下定

36、義： “可編程序控制器是一種數(shù)字式電子裝置。 它使用可編程序的存 儲器來存儲指令，并實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、計數(shù)、計時和算術(shù)運算功能，用來對各種機械或生產(chǎn)過程進行控制。PLC的特點如下：1、高可靠性 所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與 PLC內(nèi)部電路之間電 氣上隔離。 各輸入端均采用R-C濾波器，具濾波時間常數(shù)一般為1020ms.(3) 各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4) 采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。(5) 對采用的器件進行嚴(yán)格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPL&即采用有效措施，以防止故障擴大。大型PLC還可以采用由雙

37、CPU勾成冗余系統(tǒng)或有三CPU勾成表決系統(tǒng)，使可靠性更進一步提高。2、豐富的I/O 接口模塊PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如：交流或直流；開關(guān)量或模擬量；電壓或電流；脈沖或電位；強電或弱電等。有相應(yīng)的I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如：按鈕 行程開關(guān)接近開關(guān)傳感器及變送器電磁線圈控制閥直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人- 機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用 模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及 電纜

38、將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要 具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各 種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示 裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā) 生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。3.3.2 PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程

39、序按先后順序存放，CPUA第一條 指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC®于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、 程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。3.3.3 PLC及壓力傳感器的選擇水泵M1、M2 M3可變頻運行，也可工頻運行，需要 6個輸出點，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要 求需要五個輸入點，則選擇西門子的 S7-200系列PLC壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對

40、傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實現(xiàn)壓 力測量的力-電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時， 敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。 傳感器的量程為02.5MPa,工作溫度為5c60C,輸出電壓為05V,作為本系統(tǒng)的 反饋信號供給PLG4 PLC編程及變頻器參數(shù)設(shè)置4.1 PLC的I/O接線圖220VAC1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0. 3Q0.4Q0.5NL1S7-200 PLC1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4ML+K4K5K6K1K2

41、K3SB4SB1SB3SDSB2圖4-1 PLC的I/O接線圖輸出端接中間繼電器控制電機的工頻與變頻工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，輸入點I0.0控制系統(tǒng)電機的停止工作，I0.1控制系統(tǒng)電機工作及變頻器工作的開始。I0.2點用于在一號 泵有故障時手動啟用三號泵代替一號泵的工作。I0.4為當(dāng)變頻器輸出頻率達到上限值時手動閉合，使電動機切換為工頻工作。4.2 PLC程序啟動變頻器工作10.010.3PLC接收壓力變送器反饋的值，與設(shè)定值進行以系列計算之后輸出一個值控制變頻 器的輸出頻率，同時根據(jù)輸出 AC0的值判斷電動機工作的臺數(shù)與狀態(tài)。其中壓力變送器 反饋值為05,內(nèi)部數(shù)據(jù)為032767,對應(yīng)進行轉(zhuǎn)換之后通過下

42、面的程序進行判斷， 以控制電動機的運行。判斷反饋值為H>0.8,則使一號水泵定速工作，同時使二號水泵變速工作AGOIM0.2b'l()+29359判斷反饋值為0.52 &HC 0.64,則一號變頻器定速或變速，當(dāng)變頻器輸出頻率達到上限值時則手動輸入有效水泵變?yōu)槎ㄋ龠\行，否則變速運行判斷反饋值為H< 0.52時，則一號水泵變速運行10 0QO.OIH R )1QO 1(R )1Q02T R )1Q0 3104(R )1Q0.5(R )1停止按鈕按下，所有水泵停止供水I0.3ACOW +32767ACOQ0.5b'l()+29359號水泵的此段程序的功能為在一號

43、水泵有故障時，通過手動切換使三號水泵代替 工作。達到穩(wěn)定供水4.3 變頻器參數(shù)的設(shè)置4.3.1 參數(shù)復(fù)位1、P0003= 3（選擇級別為專家級）2、設(shè)定 P0012 303、設(shè)定P097g 1 （設(shè)定P097g 1后變頻器將自動進入?yún)?shù)恢復(fù)程序，大約要 1020秒鐘后才能將所有參數(shù)恢復(fù)為出廠缺省值，恢復(fù)的過程中變頻器顯示busy（ 忙 ） 字樣并閃爍。）4、顯示P0970則復(fù)位操作完成4.3.2 電機參數(shù)設(shè)置P0010=1 （快速調(diào)試）P0100=0例率單位為KW f的缺省值為50Hz）P0304=380（電動機的額定電壓）P0305=126.6（電動機的額定電）P0307=75 （電動機的額

44、定功率）P0310=50（電動機的額定頻率）P0311=147O（電動機的額定轉(zhuǎn)速）P0700=2（變頻器命令源選擇為模入端子/數(shù)字輸入）P1000=2（模擬設(shè)定值）P1080=5（電動機最小頻率）P1082=50（電動機最大頻率）P1120=10（電動機從靜止停車加速到最大電動機頻率所需時間）P1121=10（電動機從最大頻率減速到靜止停車所需的時間）P3900=1（結(jié)束快速調(diào)試）控制系統(tǒng)接線實物圖圖4-2控制系統(tǒng)接線實物圖（a）圖4-2控制系統(tǒng)接線實物圖（b）圖4-2控制系統(tǒng)接線實物圖（c）5監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計5.1 組態(tài)軟件簡介組態(tài)軟件一般有圖形界面系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、第三方程序接口組件和

45、控制功 能組件組成。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場過程圖形畫面；實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于實時存儲 現(xiàn)場控制點的參數(shù)；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)；控制 功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。本設(shè)計中選擇北京亞控公司的“組態(tài)王”軟件 制作監(jiān)控系統(tǒng)。5.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計5.2.1 組態(tài)王的通信參數(shù)設(shè)置本設(shè)計中用S7-200的PPI編程電纜實現(xiàn)計算機與CPU模塊的通信。由于使用串行 通信接口 1,故雙擊工程瀏覽器的設(shè)備文件夾中的“ COM1圖標(biāo)，在出現(xiàn)的對話框中設(shè)置波特率為19200bit/s ,如圖5.1所示圖5-1串行通信接口參數(shù)設(shè)置選中“COM1后，雙擊右側(cè)工作區(qū)出現(xiàn)的“新建”圖標(biāo)

46、， 在出現(xiàn)的對話框的“ PLC 文件夾中選擇西門子的S7-200系列，通信協(xié)議為PPI （見圖5-2）,設(shè)置好單擊“下一步”直至“完成”，這樣在右側(cè)會出現(xiàn)剛生成的“新IO設(shè)備”圖標(biāo)，通信設(shè)置結(jié)束圖5-2通信協(xié)議的設(shè)置5.2.2新建工程與組態(tài)變量圖5-3定義變量對話框雙擊”組態(tài)王6.52”啟動工程管理器，新建一個工程，名為“恒壓供水系統(tǒng)”，雙 擊新建工程打開工程瀏覽器，點擊工程瀏覽器中的“數(shù)據(jù)詞典”圖標(biāo)，右面工作區(qū)會出 現(xiàn)系統(tǒng)定義好的內(nèi)存變量。雙擊最下面的“新建”圖標(biāo)，彈出“定義變量”對話框（見 圖5-3）,開始定義輸入輸出變量。用同樣的方法組態(tài)所有變量（見圖 5-4） o5.2.3組態(tài)畫面（1

47、）建立新畫面單擊工程瀏覽器左側(cè)的“畫面”圖標(biāo)，雙擊工作區(qū)”新建”圖標(biāo)，彈出“新畫面” 對話框，輸入名稱點擊確定進入組態(tài)王的開發(fā)系統(tǒng)。心工睚瀏覽黑-恒壓供水系統(tǒng)盅控工程H1配置比查看 工具I口都助工程黑黛蜃您盛忘或烹！索使書市飄晝一，好座后一回國理E1-O文件 口畫面小Q曲令語言1Ps配方E3萍線性表 mg蜀據(jù)庫 肺結(jié)構(gòu)變盤 ,L Q數(shù)據(jù)詞典 務(wù)報警組 己,設(shè)備此 D0M15»qdh2讀 DDE.板卡 等OFC服務(wù)器 我網(wǎng)籍站點 燙系統(tǒng)配置k 設(shè)置開發(fā)系野 ! !-國覆置運行購.C報警配置：區(qū)彳歷史數(shù)據(jù)記茅 麴網(wǎng)絡(luò)配置 C用尸配置i才打印配置 由圖EQL訪問管理器 招表格模板L冒記錄體

48、- 1 Web發(fā)布畫面后發(fā)布實時信啟 日發(fā)布?xì)v史信息 發(fā)布數(shù)據(jù)庫倨聰隆秒內(nèi)存實型16峪$網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)內(nèi)存整型17放供水模式信號離散21新工口設(shè)備10 0略水池水位上下限信號口。離教22新工。設(shè)備10.瞼變頻器報警信號H0離題23 新工口設(shè)備10.2略試燈技鈕I/哂激24 新工。設(shè)備10. 3一號殺工頻運行接觸器展指示燈工用離散2S新工。設(shè)備U0.C聒變頻運行拇勺器及指示燈工/口離散26新工U設(shè)密 QO. 1二號泵工頻運行接觸器及指示燈I川離散21 新工。設(shè)備 QQT除二號泵變頻運行接觸器及指示燈工內(nèi)離散組新工。設(shè)備Q0；略三號泵工頻運行接觸器及指示燈H 口離散29 新哂備00.4三號泵變頻運行接觸

49、器及指擊燈"0離散30薪工。設(shè)備»,5略水s也水位上下F金警指示燈I/O離散31 新工航第備QI. 1防變瓶器散障報資前燈I網(wǎng)離散32 新工口設(shè)備RLE瞧白天膜式運行指示燈工川離散33 新工。設(shè)備QI；略報警電驗I/O離觸34新工。設(shè)備Q1.4變頻器頻率復(fù)性控制工/口離散35 薪工。設(shè)備 Q1 5電故僮結(jié)束脈沖信號I/口離散36科工哦密«0.0略增泵時水泵變頻啟動脈沖口口離散3T 新工。設(shè)備MO 1粉減泵時水泵變頻啟動脈沖1I/0KB38 新工。設(shè)備M0.2峪倒泵變頻后動脈沖I/O離散39新工。設(shè)備M0.3聒復(fù)位當(dāng)前變頻暴運行齷沖"。寓散40 罌工口強備M0.4敏當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖i/omst41