【文章內(nèi)容簡介】 4 SB2 關(guān)閥 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 14 X12 SB3 選擇（ 1和 2）水泵電機運行 X34 SB4 選擇（ 3和 4）水泵電機運行 XBJ1 BJ1 1電機報警開關(guān) XBJ2 BJ2 2電機報警開 關(guān) XBJ3 BJ3 3電機報警開關(guān) XBJ4 BJ4 4電機報警開關(guān) YFWD FWD 變頻器的 FWD— CM 端子 YBX BX 變頻器的 BX— CM 端子 YVF11 YVF1 1變頻運行 YWF11 YWF1 1工頻運行 YWF12 YWF2 2工頻運行 YKF11 YKF1 1開閥 YGF11 YGF1 1關(guān)閥 YKF12 YKF2 2開閥 YGF12 YGF2 2關(guān)閥 YBJ1 YBJ1 1報警 YBJ2 YBJ2 2報警 YBJ3 YBJ3 3報警 YBJ4 YBJ4 4報警 YFM YFM 蜂鳴報警器 YVF21 YVF3 3變頻運行 YWF21 YWF3 3工頻運行 YWF22 YWF4 4工頻運行 YKF21 YKF3 3開閥 YGF21 YGF3 3關(guān)閥 YKF22 YKF4 4開閥 YGF22 YGF4 4關(guān)閥 3． PLC 的模擬量輸入、輸出點 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 15 自動控制系統(tǒng) PLC 的模擬輸入端口包括壓力傳感器檢測的水位信號，水位信號是以標準電流信號 4～ 20mA 進行傳輸?shù)?；變頻器反饋的電機頻率信號，電機頻率信號是 0～ 10V的電壓信號。 4． PLC 的選型 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預留量，為以后新設備的介入或設備調(diào)整留有余地，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出（ DQ）為 16 點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出；開關(guān)量輸入 CPU226 為 24點，輸 入形式為＋ 24V 直流輸入。由于實際的開關(guān)量輸出有 22點，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是兩個 EM222 型模塊，該模塊有 8個開關(guān)量輸出點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出。 此外，為了方便的將水位信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給 PLC,經(jīng)比較計算后轉(zhuǎn)換為相應的控制信號，選擇了 EM235 模擬量擴展模塊。該模塊有 4個模擬輸入（ AIW），1個模擬輸出（ AQW）信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標準輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長（ 16bit）的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A 的轉(zhuǎn) 換，一個字長（ 16bit）的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標準輸出信號。 EM235 模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進行設置。 系統(tǒng)中 PLC 的選型包括一個 CPU226 主模塊，兩個 EM222 擴展模塊，一個 EM235 模擬量擴展模塊。如此 PLC 總共有 24 個數(shù)字信號輸入， 32 個數(shù)字信號輸出 ,以及 4 個模擬輸入信號， 1 個模擬輸出信號。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴充的要求。 3． 1． 5 PLC 的程序設計流程圖 PLC 的程序設計語言主要有：語句表（ STL）語言、梯形圖（ LAD）語言、功能塊圖（ FBD）語言、指令 表（ IL）和順序功能圖（ SFC）。根據(jù)實際情況和 PLC 的編程知識，并考慮到設計維修人員設計的易懂性，其程序設計流程圖如下圖 ： 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 16 系統(tǒng)啟動延時 10s 1水泵電機變頻工作 變頻器啟動 2水泵電機工頻工作 數(shù)值穩(wěn)定延時 5s T37 1水泵電機變頻工作 變頻器啟動延時 1s 初始 T37 1水泵電機變頻工作 變頻器啟動 1水泵電機變頻工作延時 2min 數(shù)值穩(wěn)定延時 5s T38 VD108≥ T39 T38 T40 T40 T41 2水泵電機變頻工作 變頻器啟動延時 1s T41 T42 T44 電機切換延時 10s T44 VD108≤ T45 T39 T45 啟動 T46 VD108≤ 2水泵電機變頻工作 變頻器啟動 1水泵電機工頻工作 數(shù)值穩(wěn)定延時 5s T46 T43 R ,9 T47 T47 ～ 復位 SBR_0 =9 INT_2 =23 INT_0 INT_1 通信程序初始化 =10 發(fā)送完成中斷 接收完成中斷 10ms 定時中斷 VB301=‘ Q’ VB301=‘ T’ PID回路控制 PID回路控制 2水泵電機變頻工作 變頻器啟動 2水泵電機變頻工作延時 2min 數(shù)值穩(wěn)定延時 5s T42 VD108≥ T43 PID回路控制 PID回路控制 電機切換延時 10s 停止 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 17 3． 2 變頻器的介紹 3． 2． 1 變頻器的概念 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備，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 [1]。 3． 2． 2 變頻器的工作原理 我們知道，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位 ： n＝ 60f(1－ s)/p (31) 式中 n——— 異步電動機的轉(zhuǎn)速； f——— 異步電動機的頻率； s——— 電動機轉(zhuǎn)差率； p——— 電動機極對數(shù)。 由式 (1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只 要改變頻率 f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率 f在 0～ 50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。 3． 2． 3 變頻器的操作方式及使用 1． 非智能控制方式 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 太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 18 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 控制的基礎上，按照知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應的電源頻率，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載變動有良好的響應特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通過矢量坐標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 PWM 波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的 PWM 波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應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。 基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn) 差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標變換對電動機定子電流的相位進行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應用范圍受到限制。 無速度傳感器矢量控制是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍 寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計算比較復雜，一般需要專門的處理器來進行計算，因此，實時性不是太理想，控制精度受到計算精度的影響。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，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，對于多拖動具有負荷平衡功能。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實 際中的應用根據(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用中，就成功的采用了太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 19 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。 (6)其他非智能控制方式 在實際應用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。 2． 智能控制方式 智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學習控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應用中有一些成功的 范例。本系統(tǒng)主要采用了專家控制方式： 專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個專家?guī)?，存放一定的專家信息，另外還要有推理機制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機制的設計是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。 3． 2． 4 變頻器的選型 隨著社會的進步和技術(shù)的發(fā)展，大部分制造廠都專門生產(chǎn)了水泵專用型變頻器系列。它們在過載能力、功能設置等方面與普通型變頻器有較大的區(qū)別。一般來說，選用水泵 專用型變頻器就可以滿足用戶的需求。根據(jù)這個特點和國內(nèi)外變頻器的價格，本供水系統(tǒng)選用了上海 日卅電氣有限公司 制造的 SR6000G/P 系列全數(shù)字高性能智能變頻器 。它具有 高過載能力，適合多種場所，但己最大容量為 630KW ； 110kw 以下可內(nèi)置再生能耗制動單元 ；支持 RS485 或 CANBUS 通用模式 多種防護等級 ； 電壓適應強，波動可達 20%～ +20%；高壓出扭距； RS458 通訊界面等。產(chǎn)品規(guī)格齊全，最大單機容量達 500KW；價格低廉等特點。 變頻恒壓供水設計 變頻節(jié)能供水 在供水系 統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種 [1]。 1．閥門控制法 即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變（通常為額定轉(zhuǎn)速）。 閥們控制法的實質(zhì)是：水泵的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行太原科技大學畢業(yè)設計（論文） 20 改變流量，以適應用戶對流量的需求。這時，管阻特性將隨閥們開度的改變而改變，但揚程特性則不變。如下圖 ，設用戶所需的流量 QX為額定流量的 60%（即 QX=60%QN），當通過關(guān)小閥們來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而 揚程特性則仍為曲線①，故供水系統(tǒng)的工作點移至 E點，這時：流量減少為 QE（ =QX）；揚程增加為 HE；由式子 P=CPHTQ知，供水功率 PG與面積 0DEJ 成正比。 2．轉(zhuǎn)速控制法 即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變（通常為最大開度）。 轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。仍以用戶所需流量等于 60%QN為例，當通過降低轉(zhuǎn)速使 QX=60%QN時，揚程特性為曲線④，管阻特性則仍為曲線，故工作點移至C點。這時，流量 減小為 QE（ =QX），揚程減小為 HC，供水功率 PC與面積 0DCK 成正比。 3．兩種方法的比較 比較上述的兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量（ QX〈 100%QN〉的情況下，轉(zhuǎn)速控制時的揚程比閥門控制時小的多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差 ?P 便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積 KCEJ（圖中的陰影部分）成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本的方面。 4．從水泵的工作效率看節(jié)能 （ 1）工作效率的定義 水泵的供水功率 PC與軸功率 PP之比，即為水泵的 工作效率 η P： η P =PG/PP 在轉(zhuǎn)速控制方式時 ,由