PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)程序,plc,控制,節(jié)制,變頻,調(diào)速,供水系統(tǒng),程序 信息與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 1．本課題所涉及的問(wèn)題在國(guó)內(nèi)(外)的現(xiàn)狀綜述 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到1998年。我國(guó)人均日生活用水量(包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水)由175.7升增加到241.1升，增長(zhǎng)了37.2％，與此同時(shí)我國(guó)城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國(guó)的666個(gè)城市中有330個(gè)不同程度缺水，其中嚴(yán)重缺水的達(dá)108個(gè)；在32個(gè)百萬(wàn)人口以上的特大城市中，有30個(gè)城市長(zhǎng)期受缺水的困擾，特別是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2300億元；同時(shí)給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會(huì)中的一種隱患。 在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設(shè)備的維護(hù)管理費(fèi)用。在生產(chǎn)成本中占有很大的比例：水泵電機(jī)作為一種高耗能通用機(jī)械，其耗電量占全國(guó)總耗電量的21％以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門(mén)來(lái)控制供水量的，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門(mén)和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此，這種調(diào)控方式雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)約能耗的角度來(lái)看。很不經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，電機(jī)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為水泵電機(jī)的節(jié)能開(kāi)辟了一個(gè)新途徑。它可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進(jìn)行設(shè)備管理與維護(hù)，對(duì)節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。 2．設(shè)計(jì)(論文)要解決的問(wèn)題和擬采用的研究方法 本課題要解決的問(wèn)題: 本課采用和變頻調(diào)速技術(shù)研制控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。通過(guò)該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個(gè)水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。由于中小型自來(lái)水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價(jià)值。 （1）由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門(mén)來(lái)控制供水量的，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門(mén)和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此，這種調(diào)控方式雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)約能耗的角度來(lái)看。所以我們采用變頻調(diào)速控制水泵用來(lái)改善水泵的能量浪費(fèi)問(wèn)題。 （2）S7-200控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)完成泵組軟啟動(dòng)及無(wú)沖擊切換，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變以往“先啟后?！狈绞?，使水壓平穩(wěn)過(guò)渡。采用硬件/軟件備用及時(shí)鐘控制功能，使各泵進(jìn)行輪休，延長(zhǎng)設(shè)備的機(jī)械使用壽命。變頻器故障時(shí)系統(tǒng)仍可運(yùn)行，保證不間斷供水。因此要設(shè)置好各泵的啟動(dòng)方式及順序。 （3）變頻轉(zhuǎn)工頻開(kāi)關(guān)切換時(shí)間T 設(shè)置Ｔ是為了確保在加泵時(shí)，泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻的過(guò)程中，同一臺(tái)泵的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行各自對(duì)應(yīng)的交流接觸器不會(huì)同時(shí)吸合而損壞變頻器，同時(shí)為了避免工頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，所以在允許范圍內(nèi)Ｔ必須盡可能的小。 （4）上下限頻率持續(xù)時(shí)間TH和TL 變頻器運(yùn)行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，系統(tǒng)以變頻器運(yùn)行的頻率是否達(dá)到上限（下限）、并保持一定的時(shí)間為依據(jù)來(lái)判斷是否加泵（減泵），這個(gè)判斷的時(shí)間就是TH（TL）。如果設(shè)定值過(guò)大，系統(tǒng)就不能迅速的對(duì)管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng)；如果設(shè)定值過(guò)小，管網(wǎng)用水量變化時(shí)就很可能引起頻繁的加減泵動(dòng)作；兩種情況下都會(huì)影響恒壓供水的質(zhì)量。所以要設(shè)置好上下限頻率持續(xù)時(shí)間。 （5）對(duì)常用的調(diào)速方式進(jìn)行分析，并決定選用的調(diào)速方式 調(diào)速方式的大致分類(lèi)： 1、變級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)速，2、變頻調(diào)速。 變頻調(diào)速又可以分為： Ⅰ、交--直--交變頻器，Ⅱ、交--交變頻器。 因?yàn)榻弧蛔冾l調(diào)速方式比較適用于低速度，大功率的電機(jī)，因此我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中選用交—直—交方式的變頻調(diào)速。 3．本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路 3.1調(diào)速控制節(jié)能分析 水泵的設(shè)計(jì)負(fù)荷是按最不利條件下最大時(shí)流量及相應(yīng)揚(yáng)程設(shè)定的。但實(shí)際運(yùn)行中水泵每天只有很短的最大時(shí)流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚(yáng)程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個(gè)工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制。通常采用的方法有閥門(mén)控制和調(diào)速控制。閥門(mén)控制是通過(guò)增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量：而電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制可以通過(guò)改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)變更水泵的工況點(diǎn)，使其流量與楊程適應(yīng)管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達(dá)到節(jié)能效果。 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速與出水流量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，水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即： ； 圖1-1 ； ； ； 式中k,k1,k2,k3為比例常數(shù)。 當(dāng)系統(tǒng)出水流量減小時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉(zhuǎn)速調(diào)小，則水泵的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理田如圖1-1所示。圖中曲線1、2、3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線4為水泵轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的運(yùn)行特性曲線，曲線5為水泵轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的運(yùn)行特性曲線。水泵原來(lái)的工作點(diǎn)為曲線3和曲線4的交點(diǎn)A，此時(shí)出水流量為Q1，管網(wǎng)壓力為H1，水泵轉(zhuǎn)速為n1。當(dāng)系統(tǒng)的出水流量減小到Q2，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1。曲線1和曲線4的交點(diǎn)B為運(yùn)行工作點(diǎn)。此時(shí)管網(wǎng)壓力為H2，水泵的輸出功率正比于H2×Q2。由于H2>H1，高出的壓力能量被浪費(fèi)了，同時(shí)過(guò)高的壓力對(duì)管網(wǎng)和設(shè)備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時(shí)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至n2，曲線5和曲線2的交點(diǎn)C為水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)。調(diào)速后管網(wǎng)的壓力仍保持為H1，出水流量為口Q2，水泵的輸出功率正比于H1×Q2。從圖中可見(jiàn)，陰影部分正比于浪費(fèi)的功率輸出。例如，當(dāng)Q2為Q1的80%時(shí)，通過(guò)調(diào)速將n2調(diào)為n1的80％，則水泵的輸出功率P2為P1的51.2％。如不采用調(diào)速控制，48.8％的能量將被浪費(fèi)?？梢?jiàn)變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。 3.2常用的調(diào)速方式 水泵多配用交流異步電機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式： 式中： ：異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 ：異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 ：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù) ：電源頻率，電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率 ：轉(zhuǎn)速差： 因此改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)速差及改變電源頻率都可以改變轉(zhuǎn)速。 3.21變級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)速 在電源頻率—定的情況下，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比，改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變定子繞阻的接線方法來(lái)改變極對(duì)數(shù)以電動(dòng)機(jī)一相繞組 為例，電流方向都是一致的，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對(duì)數(shù)。如果使=1，2，3等，就可以得到=3000，1500，1000等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專(zhuān)門(mén)的變極電機(jī)，是有極調(diào)速，而且級(jí)差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。 3.22變頻調(diào)速 變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動(dòng)機(jī)，使其可在變速的情況下運(yùn)行。改變電動(dòng)機(jī)定子頻率可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)差率可保持不變或很小。但對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，定子頻率改變后，其運(yùn)行影響，如果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通減少，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)堵轉(zhuǎn)：頻率增減少，磁通增加，會(huì)使磁路飽和，勵(lì)磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實(shí)用上，要求調(diào)頻的同時(shí)，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種：交--直--交變頻器。交--交變頻器。 (1)交--直--交變頻器 它是由三個(gè)環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓，定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電：可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電：濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無(wú)電源電容或電抗器對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。 在交--直--交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。 近年來(lái)，由于電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡(jiǎn)稱(chēng))變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。交頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。 (2)交--交變頻器 它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過(guò)交頻電路同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。 交--交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好。但調(diào)速范圍小，控制線路復(fù)雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。 變頻技術(shù)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。 由于交—交變頻調(diào)速方式比較適用于低速度，大功率的電機(jī)，因此我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中選用交—直—交方式的變頻調(diào)速。 4．完成本課題所必須的工作條件(如工具書(shū)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)環(huán)境條件、某類(lèi)市場(chǎng)調(diào)研、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)條件等等)及解決的辦法 工具書(shū) [1]、黃云龍.可編程控制器教程，北京:科學(xué)出版社,2003. [2]、袁任光.可編程控制器選用手冊(cè),北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002. [3]、陳宇.可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧,廣州:華南理工大學(xué)出版社,1999. [4]、李景學(xué)、金廣業(yè).可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,北京:電子工業(yè)出版社,1995. [5]、黃立培、張學(xué)編.變頻器應(yīng)用技術(shù)及電動(dòng)機(jī)調(diào)速,人民郵電出版社,1999. [6]、黃大雷、吳庚申.可編程控制器及其應(yīng)用，人民交通出版社 1993. [7]、洱洪濤 .可編程序控制器（）原理及應(yīng)用,中國(guó)水利水電出版社 1999. [8]、韓焱青.控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào) 2000年04期 [9]、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網(wǎng)站有關(guān)S7-200、變頻器、低壓電器、自動(dòng)化軟件的查詢(xún)，下載step—7編程軟件，學(xué)習(xí)相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。 實(shí)驗(yàn)室 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系過(guò)控實(shí)驗(yàn)室 設(shè)備與環(huán)境 1.S7-200一臺(tái) 2.三菱S500變頻器一臺(tái) 3.計(jì)算機(jī)一臺(tái) 4.西門(mén)子的STEP 7-MicroWIN V4.0編程環(huán)境 5．設(shè)計(jì)(論文)完成進(jìn)度計(jì)劃 （1）第01周至第03周：查閱相關(guān)網(wǎng)站及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集有關(guān)S7-200、變頻器、低壓電器、Siemens Step7 編程軟件的資料。 （2）第04周至第04周：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告。 （3）第05周至第12周：根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定的供水流量、壓力和電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行變頻器、S7-200模擬量擴(kuò)展單元、壓力傳感器等的選型，設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)，設(shè)定變頻器特性，編制程序，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)具有定時(shí)換泵和系統(tǒng)聲、光報(bào)警等多種保護(hù)功能，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并分析仿真結(jié)果。 （4）第13周至第15周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文； （5）第16周：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）小組答辯； （6）第17周：答辯。 6．指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn) 指導(dǎo)教師(簽字)：　　　　　　 年 月 日 7．教研室主任意見(jiàn) 教研室主任(簽字)：　　　　　 系(簽章) 年 月 日 說(shuō)明： 1. 本報(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)”、正式開(kāi)始做畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的第2周或第3周末之前獨(dú)立撰寫(xiě)完成，并交指導(dǎo)教師審閱。 2.每個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題撰寫(xiě)本報(bào)告一份，作為指導(dǎo)教師、教研室主任審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查。 - 7 -