【正文】 圖 2— 1 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了 V/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制。 3．系統(tǒng)硬 件設(shè)計(jì)（主電路、控制電路）； P LC 接線圖設(shè)計(jì)，包括輸出輸入上元件的分配及編號(hào)， PLC 模塊由 CPU226，兩塊數(shù)字?jǐn)U展模塊，一塊擴(kuò)展模塊所構(gòu)成。 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)，我的主要任務(wù)是應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)和模糊控制器的設(shè)計(jì)，大體為以下五項(xiàng)內(nèi)容： 1． 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義，變頻器的發(fā)展史一直到廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越性越來(lái)越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術(shù)的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強(qiáng)、無(wú)公害化發(fā)展；介紹了 SIEMENS 公司的產(chǎn)品系列史， PLC 與其它工 業(yè)裝置的比較： PLC與繼電器控制系統(tǒng)，與集散控制系統(tǒng)，與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 由于采用模 4 塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過(guò)更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。 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(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知 識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 3．采用模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。而且，為 了進(jìn)一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片 ，大大提高了 PLC 軟、硬件功能。 70 年代初期，體積小、功能強(qiáng)和價(jià)格便宜的微處理器被用于 PLC，使得 PLC 的功能 大大增強(qiáng) 。 可編程序控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用 早期的可編 程序控制器 (Programmable Logic Controller， PLC)，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制，多品種 系列化的方向發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來(lái)越強(qiáng)。 自從通用變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運(yùn)行方式是可節(jié)電40％～ 60％，節(jié)水 15％～ 30％ [1]。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點(diǎn)，而且調(diào)速性能可以和直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能相媲美。使異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。 實(shí)踐證明，本系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)的需要，提高了整個(gè)水廠的整體管理水平，而且僅 節(jié)約用 2 電一項(xiàng)就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于 水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個(gè)完全依靠值班人員手動(dòng)控制的系統(tǒng)，所以對(duì)該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)進(jìn)行，設(shè)計(jì)一套取水和供水的自動(dòng)控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制帶來(lái)的控制不方便、控制系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問(wèn)題，降低能源消耗和資源浪費(fèi)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低自來(lái)水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn) 管理水平的目的。長(zhǎng)期以來(lái)水廠各部門的管理人員采用傳統(tǒng)的人工管理模式，通過(guò)手工從事繁重的業(yè)務(wù)管理、各種日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表的統(tǒng)計(jì)匯總等工作。在用水高峰期時(shí)，清水池的水位達(dá)不到要求高度 ,管網(wǎng)壓力達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力，造成高層建筑斷水。供水廠以前雖然也進(jìn)行過(guò)一些技術(shù)改造，但是生產(chǎn)系統(tǒng)大部分仍然采用人工手動(dòng)控制，生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)仍然依靠人工定時(shí)記錄，例如清水池水位、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、耗電量等都是由值班人員定時(shí)記錄。 在用水量高峰期時(shí)供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。 1 第一章 緒 論 變頻調(diào)速恒水位供水的目的和究意義 近年來(lái)我國(guó)中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。由于每天不同時(shí)段用水對(duì)供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的 達(dá)到目的。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)用水量大幅度上升。用水低峰期時(shí)，管 網(wǎng)壓力經(jīng)常超過(guò)規(guī)定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴(yán)重。由于對(duì)大量的統(tǒng)計(jì)報(bào)表的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)的分析手段，因此很難為運(yùn)行管理以及調(diào)度提供強(qiáng)有力的決策支持。 依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制和管理，提高設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 由于 中小型自來(lái)水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國(guó)有著廣泛的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r(jià)值。異步電機(jī)的調(diào)速方法很多，例如無(wú)極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。三相異步電動(dòng)機(jī)具有維修方便、價(jià)格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢(shì)。 由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機(jī)械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、自動(dòng)化水平高等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的青睞。變頻調(diào)速恒水位供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國(guó)供水行業(yè)的技術(shù)裝備水 平從 90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化 3 是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、 智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展 ，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動(dòng)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中 得到了廣泛的應(yīng)用。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊 和 各種特殊功能模塊。 在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家， PLC 已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。 2．具有豐富的 I/O 接口模塊 。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)。 5． 安裝簡(jiǎn)單，維修方便 。 由于 PLC強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)，使得 PLC在我國(guó)的水工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用。以及其特點(diǎn)。 4．應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)（ PLC 程序設(shè)計(jì)） 主要介紹了編程軟件的特點(diǎn)、語(yǔ)言和梯形圖其本繪制規(guī)則；控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要包括七大程序，分別是初始化程序、停機(jī)程序、閥門開關(guān)程序、水泵電機(jī)啟動(dòng)程序、小功率電機(jī)變頻 /工頻切換程序、報(bào)警程序；整個(gè)系統(tǒng)程序的工作過(guò)程以及編程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)。 V/F 控制 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率 f 和極對(duì)數(shù)有關(guān)，改變 f 就可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，但是頻率 f 的上升或者下降可能會(huì)引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變 f的同時(shí)，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動(dòng)機(jī)的效率不下降，這就是V/F 控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，獲得和直流電動(dòng)機(jī)一樣的優(yōu)良的調(diào)速性能。若把水泵的效率曲線 η Q 也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 22 中可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 HA、流量 QA以及效率 ?A。 在變頻調(diào)速恒水位供水過(guò)程中，水泵工況點(diǎn)的變化如圖 2— 3所 曲線 圖 2— 3 水泵工況點(diǎn)的變化 當(dāng) P P2 高于 P0 時(shí)，說(shuō)明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線 A A2 向 A0 方向變化，此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由 P P1 逐漸下降，當(dāng) P’低于 P0 時(shí)，其工況點(diǎn)變化與上述相反即由 A1’逐漸向 A0 移動(dòng)，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。 在變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵工況的 調(diào)節(jié)是通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率f 來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在 H0,因此水泵工作點(diǎn)又沿著轉(zhuǎn)速 n2 所對(duì)應(yīng)的水泵性能曲線從點(diǎn) B 移至 C 點(diǎn)，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運(yùn)行在新的工作點(diǎn) C 點(diǎn)，在圖 3 中可以找出 C 點(diǎn)的揚(yáng)程 HC、流量 QC 以及效率 ?C ，工作點(diǎn) C 的軸功率即為 CH0OQC四點(diǎn)所圍的面積。 系統(tǒng)的方案設(shè) 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、水位傳感器、工控機(jī)以及接觸器控制柜等構(gòu)成。如圖 26所示 : 9 圖 26 變頻調(diào)速恒水位供水自動(dòng)控制系統(tǒng)組成 系統(tǒng)工作過(guò)程 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際情況，白天一般只需開動(dòng)一臺(tái)大泵和一臺(tái)小泵，就能滿足生產(chǎn)需 要，小機(jī)工頻運(yùn)行作恒速泵使用，大機(jī)變頻運(yùn)行作變量泵；晚上用水低峰時(shí)，只需開動(dòng)一臺(tái)大機(jī)就能滿足供水需要。一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)源水的水位發(fā)生變化時(shí)，管網(wǎng)壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過(guò)程。接著 KM3 得電， 2電機(jī)接至變頻器輸出端 ,接通變頻器 FWD 端，變頻器 BX 端斷開 ,2電機(jī)開始軟起動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開啟 2泵閥門， 2水泵電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。 Ⅲ 由 2電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機(jī)變頻停止， 1電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)。 1和 2機(jī)組工作過(guò)程流程圖如下： 圖 27機(jī)組Ⅰ工作過(guò)程 流程圖 若選擇機(jī)組Ⅱ（ 3和 4水泵電機(jī)）運(yùn)行，其工作過(guò)程和上面類似。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量適當(dāng)選擇。 變頻器主電路電源輸入端子（ R、 S、 T）經(jīng)過(guò)空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子（ U、 V、 W）經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子（ U、 V、 W）的任意兩相。 水泵閥門主電路用兩個(gè)交流接觸器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí) 現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。 控制電路設(shè)計(jì) 圖 31 電流互感器的接線圖 12 在控制電路的設(shè)計(jì)中，首先要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問(wèn)題。 控制電路之中存在電路之間互鎖的問(wèn)題，由于控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)分組的組內(nèi)自動(dòng)循環(huán)，所以電 路的自鎖包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖?？刂齐娐返慕M間互鎖是通過(guò)輸入按鈕，控制 PLC 的輸入端口來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)選擇一組機(jī)組運(yùn)行時(shí)，按下另一組起動(dòng)按鈕則為無(wú)效操作。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高 ，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。變頻調(diào)速恒壓供 水自動(dòng)控制系統(tǒng)采用分組運(yùn)行的方式，把 1水泵電機(jī)（ 160KW）和 2水泵電機(jī)（ 220KW）分為機(jī)組Ⅰ， 3水泵電機(jī)（ 160KW）和 4水泵電機(jī)（ 220KW）分為機(jī)組Ⅱ。 （ 1）輸入端口 自動(dòng)控制系統(tǒng) PLC 的輸入端口包括機(jī)組Ⅰ啟動(dòng)按鈕，閥門關(guān)閉按鈕，電機(jī)停止按鈕， 13 以及機(jī)組Ⅱ啟動(dòng)按鈕 ，閥門關(guān)閉按鈕，電機(jī)停止按鈕。 PLC與這些交流接觸器的連接是通過(guò)中間繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)控 制系統(tǒng)中的強(qiáng)電和弱電之間的隔離，保護(hù) PLC 設(shè)備，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。 4． PLC 的選型 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU266，其開關(guān)量輸出（ DQ）為 16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入 CPU266 為 24點(diǎn)，輸入形式為＋ 24V直流輸入。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)（ 16bit）的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)（ 16bit）的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴(kuò)充的要求。功能塊圖 (FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端， 輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的 連接方式基本相同。梯形圖 (LAD)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣 控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比 ，梯形圖可以看作是 PLC 的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯 ，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程 工具。 （ 2）．編號(hào)分配 對(duì)于外接電路的各元件分配編號(hào)，編號(hào)的分配必須是主機(jī)或者擴(kuò)展模塊本身實(shí)際提供的，而且可以用來(lái)編程，兩個(gè)設(shè)備不能共用一個(gè)輸入輸出點(diǎn)。變頻器輸入電源前面接入一個(gè)自動(dòng)空氣開關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過(guò)流過(guò)載保護(hù)接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)大機(jī)的額定電流來(lái)確定。特別是對(duì)于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動(dòng)和變頻輸出電源拖動(dòng)兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否 16 則在變頻 ／工頻的切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無(wú)法成功。 在系統(tǒng)開始 工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)模擬量（管網(wǎng)壓力、電機(jī)頻率）數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值。 /工頻切換程序 小功率水泵電機(jī)變頻起動(dòng)后，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到 50Hz 時(shí)，先由鑒頻鑒相控制器檢測(cè)工頻電源和變頻輸出電源相位是否一致，若相位一致， PLC 的擴(kuò)展模塊接受控制器 4 端子的 0V電壓信號(hào)，經(jīng)由 PLC 比較計(jì)算， PLC 執(zhí)行一系