【正文】 ....................................................... 8 課題背景及意義 .................................................... 8 國內(nèi)外變頻調(diào)速技術的發(fā)展與現(xiàn)狀 .................................... 9 可編程控制器 (PLC)的特點及應用 .................................... 10 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點及其安全性討論 ............................... 15 本課題的主要研究內(nèi)容 ............................................. 16 第 2 章 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 ........................................ 17 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 ......................................... 17 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理 .................................... 17 變頻恒壓控制的理論模型 ...................................... 19 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學模型 .............................. 20 2． 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 .................................. 20 供水系統(tǒng)的控制流程及其控制流程圖 ............................ 20 供水系統(tǒng)中水泵切換條件分析 ................................. 28 本章小結(jié) ......................................................... 31 第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計 ........................................ 32 系統(tǒng)主要配置的選型 ............................................... 32 水泵機組的選型 .............................................. 32 變頻器的選型 ................................................ 33 PLC 及其擴展模塊的選型 ...................................... 35 壓力變送器及數(shù)顯儀的選型 .................................... 36 繼電器，軟啟動器的選型 ...................................... 37 系統(tǒng)主電路分析及設計 ............................................. 37 系統(tǒng)控制電路分析及設計 ........................................... 39 可編程邏輯控制器 (PLC)的 I／ 0端子分配 ............................. 40 變頻器接線及功能的設定 ........................................... 42 本章小結(jié) ......................................................... 43 第四章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設計 ........................................ 44 系統(tǒng)水泵運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析 ................................... 44 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 7 PLC 程序設計方法的分析 ............................................ 46 系統(tǒng)控制程序設計 ................................................. 49 變 頻器 P l D 控制功能參數(shù)的設置 ................................... 53 PID 控制及其控制算法 ........................................ 53 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析 .................................... 55 變頻器 PID 控制參數(shù)的設置 .................................... 55 可靠性分析 ....................................................... 57 本章小結(jié) ......................................................... 57 第五章 變頻恒壓供水遠程監(jiān)控系 統(tǒng)的設計 ................................... 59 S7200 系列 PLC 的監(jiān)控方法 ......................................... 59 本系統(tǒng)計算機監(jiān)控內(nèi)容及原理圖 ..................................... 59 本章小結(jié) ......................................................... 61 第六章 結(jié) 論 ............................................................. 62 本課題研究結(jié)論 ................................................... 62 課題存在問題與展望 ............................................... 62 參考文獻 ................................................................. 63 外文翻譯 ................................................................. 64 致 謝 .................................................................... 88 附 錄 .................................................................... 89 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 8 第一章 緒 論 課題背景及意義 眾所周知，水是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低，而隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區(qū)建設發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎設施建設提出了更高 的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低 ?。 傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方 式，其優(yōu)、缺點如下 ： l、恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時， 管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴重，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應，破壞性大，目前較少采用。 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應用于高層建筑。 氣壓罐供水具有體積小、技術簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設備要求較高、系統(tǒng)維護工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在 低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點是價格低廉，結(jié)構簡單明了，維修方便。 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面 4 種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自 動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 9 供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系 統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗 。 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現(xiàn)代 控制技術于一體。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，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(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。 國內(nèi)外變頻調(diào)速技術的發(fā)展與現(xiàn)狀 變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術、計算機技術和自動控制技術及電機控制理論的發(fā)展。 1964年，最先提出把通信技術中的脈寬調(diào)制 P刪技術應用到交流傳動中的是德國人。 20世紀 80年代初，日本學者提出了基于磁通軌跡的磁通軌跡控制方法。此方法以三相波形的整體生成效 果為基礎，以逼近電機氣息的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成兩相調(diào)制波形，使變壓變頻 VVVF(VableVoltage Variable Frequency)成為變頻調(diào)速技術的核心。從 20世紀 80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的基于 VVVF技術的通用變頻器已商品化并廣泛應用。 1980年，德國人在應用微處理器的矢量控制研究中取得了進展，促進了矢量控制的實用化。此后，日本廠商竟相研究矢量控制技術，并在產(chǎn)品性能和價格兩方面取得進展；理論界則應用現(xiàn)代控制理論把矢量控制的理論進一步深化，取得了解耦控制、速 度觀測、參數(shù)自適應、無速度傳感器矢量控制等方面的理論成果。自 1992年開始，德國西門子公司相繼開發(fā)了 6SE70系列通用變頻器，通過 FC、VC、 SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制等；至 1994年該系列通用變頻器的容量就擴展到 315kw以上。 1985年，德國人提出了基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理論 (DSC)。這種方法不需要復雜的坐標變換 而是直接在電動機定子坐標上計算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤，實現(xiàn)脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能 H3。最初，這種控制方法主要在高壓、大功率且 開關頻率較低的逆變器控制中應用；目前被應用于通用變頻器的控制方法的一種改進的、適合于高開關頻率逆變器的方法。 1995年， ABB公司首先推出的直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，目前已成為其各系列通用變頻器的核心技術。 國外在交流變頻調(diào)速技術的發(fā)展方面特點為：市場需求量大；功率器件發(fā)展迅速；控制理論和微電子技術的支持。 變頻器的發(fā)展水平是由電力電子技術、電機控制方式以及自動化控制水平三個方面蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 10 決定的。在現(xiàn)代自動化控制領域中，以現(xiàn)代控制論為基礎，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等新的控制理論，為高性能變頻調(diào)速提供了理論基 礎； 16位、 32位高速微處理器以及信號處理器 (DSP)和專用集成電路 (ASIC)技術的快 速發(fā)展，則為實現(xiàn)變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了硬件手 。 在我國， 60％的發(fā)電量是通過電動機消耗掉的，因此，如何利用電機調(diào)速技術進行電機運行方式的改造以節(jié)約電能，一直受到國家和業(yè)界人士的重視。我國電氣傳動產(chǎn)業(yè)始于 1954年。當時，在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，即現(xiàn)在的天津電氣傳動設計研究所的前身。現(xiàn)在，我國約有 200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術的工作，但自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品 和國際市場上的同類產(chǎn)品相比，還有比較大的技術差距。隨著改革開放和經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國采取要么直接從發(fā)達國家進口現(xiàn)成的變頻調(diào)速設備，要么