【文章內(nèi)容簡介】 。 29 參考文獻(xiàn) 30 致 謝 31 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 1 第 1 章 緒論 課題研究背景及意義 水是生命之源，是人類賴以生存和發(fā)展的不可替代的重要資源之一。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。我國家是一個在水資源和電能方面都很短缺的國家，在大力提倡節(jié)約能源的今天，人們也更加重視有關(guān)降低供水系統(tǒng)能耗的問題。據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載約占我國總耗電量的 80%，這主要是由于我國供水設(shè)備工作效率低，控制方式不合理，據(jù)統(tǒng)計，水泵的效率大多不足 60%，存在著很大的能源浪費，因此運用水泵供水節(jié)能技術(shù)，設(shè)計可靠性高，運行效率高的供水系統(tǒng)具有重大的 經(jīng)濟(jì)意義。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術(shù)，電氣傳動技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)于一體先進(jìn)的供水控制系統(tǒng)。它可以根據(jù)用水管網(wǎng)瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動地改變水泵的轉(zhuǎn)速，自動調(diào)節(jié)峰谷供水量，保證管網(wǎng)供水壓力恒定，以滿足用水的要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)自 80年代世界各國將其投入工業(yè)應(yīng)用以來，它顯示出了強(qiáng)勁的競爭力，采用該系統(tǒng)供水可以取得非常顯著的節(jié)能效果，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。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。 變頻調(diào)速恒壓供水的發(fā)展 變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種理想的交流調(diào)速供水方法。 20世紀(jì) 60年代中期，隨著普通晶閘管、小功率管的實用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，體積大，造價高，大多為特定的控制對象而研制。調(diào)速后的電動機(jī)靜、動態(tài)性能較差，因此應(yīng)用場合較少。 20世紀(jì) 70年代以后，電力電子和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻 調(diào)速供水技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，石油危機(jī)以后以節(jié)能為目的的變頻器供水開 始出現(xiàn)并得到了廣泛應(yīng)用。由于變頻器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系統(tǒng) 中較多采用。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。早期，由于變頻器功能較簡 單，在恒壓供水系統(tǒng)中僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為滿足用戶需求的變化，保證管網(wǎng)壓力恒定 ，凈水廠送水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng) 用 2 需 通過壓力變送器和 PID控制器對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。 水壓由壓力傳感器的信號 420mA送入變頻器內(nèi)部的 PID模塊，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置 PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電機(jī)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(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡單、方便。 本文主要研究內(nèi)容 本課題通過前面對傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國已成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、人機(jī)界面、各種傳感器等組成。本文研究的目標(biāo)是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。 本設(shè)計的主 要內(nèi)容如下 : ，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實用性的控制方案。 PID控制器的設(shè)計原理及方法。 。 (PLC)進(jìn)行簡單介紹。 wincc設(shè)計工控機(jī)監(jiān)控程序。 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 3 第 2 章 恒壓供水基本原理 恒壓供水工藝簡介 供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。變 頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù)，它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于速度控制領(lǐng)域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴(yán)格的要求，因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： ； /自動運行； ； PID參數(shù)； ，信號顯示等 。 將管網(wǎng)的實際壓力經(jīng)反饋后與給定壓 力進(jìn)行比較，當(dāng)管網(wǎng)壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增加，迫使管網(wǎng)壓力上升。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量減小，管網(wǎng)壓力下降，保持恒壓供水。 變頻調(diào)速供水原理 變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器控制泵的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過異步電動機(jī)驅(qū)動水泵供水來改變水泵的實時供水量，完成恒壓供水的目標(biāo)。因此，供水系統(tǒng)變頻調(diào)速的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。 異步電動機(jī)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。 異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 : pfn 10 60? （ 21） 其中 n0是異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速， f1是異步電動機(jī)的電源頻率， p為異步電動機(jī)的極對數(shù)。 凈水廠送水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng) 用 4 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為： 00n nnS ?? （ 22） 其中 n 為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。 根據(jù)公式 (21)和公式 (22)，得三相異步電 動機(jī)的轉(zhuǎn)速為 : ? ?spfn ?? 160 1 （ 23） 式中 f1 是電源頻率， p 是電動機(jī)極對數(shù)， s 是轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有： 改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化大，轉(zhuǎn)矩變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn) 機(jī)器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價值。 根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率廠成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運行性能惡化。因為當(dāng)電源電壓不變時，若頻率減小，主磁通將增加，這將導(dǎo)致磁路過分飽和，勵磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵心損耗增加；而當(dāng)頻率增加時，磁通 減小，電磁轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩下降，過載能力降低，電動機(jī)的容量也得不到充分利用。因此，為了使電動機(jī)能保持較好的調(diào)速性能，要求在調(diào)節(jié)頻率的同時，改變定子電壓，以維持主磁通不變，或者保持電動機(jī)的過載能力不變。電源電壓隨頻率按什么樣的規(guī)律變化最為合適呢 ?一般認(rèn)為，在任何類型負(fù)載下變頻調(diào)速時，若能保持電動機(jī)的過載能力不變，則電動機(jī)的運行性能較為理想。 變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。交流電源首先經(jīng)過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 5 作用， 使整流后的直流紋波降低，同時中間電路可以降低逆變電路反饋到工頻電源的諧波電流。 逆變電路是變頻器的功率輸出部分，一般由多刀 T等大功率開關(guān)器件及其驅(qū)動、保護(hù)電路構(gòu)成。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進(jìn)行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變的。 控制電路是變頻器的控制中心，它可以根據(jù)外部接線端子、操作面板或者由上位機(jī)來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個頻率和電壓可變的交流電壓。一般在控制電路中還集成了其它功能，如 PID調(diào)節(jié)器等。 操作面板是變頻器人 機(jī)對話的界面，通過操作面板可以觀 察變頻器的運行狀態(tài)，或者修改變頻器的運行參數(shù)。 綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)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(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)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)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)加速，用水量減小時電機(jī)減速。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。 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的 組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 凈水廠送水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng) 用 6 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出 ，系統(tǒng)可分為 ： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī) 構(gòu)三大部分，具體為 ： 執(zhí)行機(jī)構(gòu) ： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由 一臺變頻泵和 兩臺工頻 泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定 ；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下 投入工作 。 信號檢測機(jī)構(gòu) ： 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括 管網(wǎng)水壓信號、水池水 位信號和報警信號。 管網(wǎng) 水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬 信號，讀入 PLC 時，需進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入 ；水池水 位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電 機(jī)和水泵。此信號來自安裝于水池中 的液位傳感器 ； 報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。 控制機(jī)構(gòu) ： 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC 系統(tǒng) )、 PLC (含 PID) 液位變送 器器 變頻器 壓力變送器 用戶 M 水池 水池水位信 號 報警信號 水泵機(jī)組 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 7 變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器是整 個變頻恒壓供水控制系統(tǒng) 的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵 機(jī)組 )進(jìn)行控制 ； 變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷 造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，由 PLC判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。 變頻 恒壓 供水 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)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標(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。 恒壓供水系統(tǒng) 通過安裝在用戶 供水管道上的壓力變送器 實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4— 20mA 的電 信號 ，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù) 。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較 ，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水。 凈水廠送水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng) 用 8 第 3 章 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計 變頻 恒壓供水系統(tǒng)控制原理 恒壓供水控制原理圖如 所示： 圖 閉環(huán)恒壓供水原理圖 用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低 。用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。如圖 所示，變頻器是電機(jī)變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變 f 就可實現(xiàn) n 的變化，從而達(dá)到無級調(diào)速的目的。測量元件用壓力變送器， U*為恒定壓力供水設(shè)定值。供水壓力 P 作為輸 出量，構(gòu)成閉環(huán)控制 系統(tǒng)。在運行中，當(dāng)用水量增大的時候，水管道內(nèi)壓力值變低，反饋值 Uf 變小，即 U*大于Uf 時，變頻器通過內(nèi)置 PID 進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力 P 與設(shè)定壓力 U*對應(yīng)的期望壓力值相等。當(dāng)用水量減少時，水管道內(nèi)壓力值 p 變大，反饋值 Uf 變大，即 U*小于 Uf 時，變頻器通過內(nèi)置 PID 進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力 P 與期望壓力設(shè)定值 U*相等?？傊鶕?jù)反饋控制原理，最終達(dá)到的平衡狀態(tài)使實際供水壓力和設(shè)定期望壓力相等。 恒壓供水 系統(tǒng)方案設(shè)計與選擇 從恒壓供水的原理分析可知，系統(tǒng)主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送器等。 前面已介紹了目前常用的恒壓供水控制系統(tǒng)。鑒于專用變頻器系統(tǒng)的不足之處，本文采用通用變頻器加 PLC控制系統(tǒng)。水壓反饋值送入 PLC進(jìn)行 PID運算，運算結(jié)果經(jīng) D／ A轉(zhuǎn)換輸出送給變頻器的反饋信號輸入端，從而調(diào)整變頻器頻率，改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整管網(wǎng)水壓，保障水壓恒定。上位機(jī)與 PLC進(jìn)行通信，對壓力數(shù)值進(jìn)行顯示并實現(xiàn)PID 變頻器 管道 壓力 壓 力變送器 U* + Uf 吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 9 系統(tǒng)啟停控制、壓力設(shè)定值的修改。且由于 PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種要求和規(guī)格不同的控制系統(tǒng)。由 于 PLC和上位機(jī)具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行通 信和數(shù)據(jù)交換。當(dāng)控制要求改變時，利用編程軟件很容易進(jìn)行程序的修改和下載。因此，該系統(tǒng)能適用于不同控制要求的場合，與機(jī)組容量大小無關(guān)。且由于良好的人機(jī)界面，使得操作更加簡單，系統(tǒng)運行狀態(tài)更直觀。因此本系統(tǒng)采用“變頻器 +PLC+上位監(jiān)控計算機(jī) 的模式。 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)控制組成 此系統(tǒng)由信號檢測、水泵拖動機(jī)組、電氣控制、上位機(jī)等組成，各部分的作用及