【正文】 ............................................... 24 PLC 外部接線圖 ....................................................................................... 25 變頻 /工頻切換電路 ................................................................................. 27 4 系統(tǒng)軟件介紹 ............................................................................................................... 29 閉環(huán)控制與 PID 控制 ........................................................................................ 29 模擬量閉環(huán)控制的組成 .......................................................................... 29 變送器的選擇 .......................................................................................... 29 閉環(huán)控制反饋極性的確定 ...................................................................... 30 PID 控制的特點(diǎn)與原理 ...................................................................................... 30 PID 控制器參數(shù)的調(diào)節(jié) ............................................................................ 31 系統(tǒng)流程圖 ........................................................................................................ 32 結(jié)論 .................................................................................................................................. 35 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................... 36 致謝 .................................................................................................................................. 37 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 引言 煤礦凍結(jié)法鑿井是利用傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷 技術(shù)來完成的，其工藝過程包括凍結(jié)站安裝；鉆孔施工；井筒凍結(jié)核井筒掘砌四大內(nèi)容，其鑿井是屬高耗能技術(shù)，凍結(jié)過程中要耗費(fèi)大量的電能及水資源，長(zhǎng)期以來，由于人們?cè)谠O(shè)計(jì)、操作中忽視了節(jié)能問題，僅僅在電能發(fā)面的浪費(fèi)就相當(dāng)嚴(yán)重。某些傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)模型及設(shè)計(jì)參數(shù)不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，是造成凍結(jié)站耗電嚴(yán)重的原因之一，所以凍結(jié)站的節(jié)能問題已成為當(dāng)前不如忽視的大問題。世界主要產(chǎn)煤 國(guó)家都把凍結(jié)法作為在身后沖 積巖層和特大含水基巖中施工的一種安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的方法加以推廣。但目前各凍結(jié)施工單位根據(jù)凍結(jié)需要調(diào)節(jié)鹽水流量時(shí)，僅對(duì)閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，水泵拖動(dòng)電機(jī)仍處于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，搞好鹽水泵的節(jié)能工作，對(duì)節(jié)能減排據(jù)有十分重要的意義。采用變頻器直接控 制風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載成為了一種最科學(xué)的控制方法，利用變頻器內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)軟件，直接調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定的風(fēng)壓、風(fēng)量，從而滿足系統(tǒng)要求的壓力和風(fēng)量。2％，去除機(jī)械損耗、電機(jī)銅、鐵損等影響，節(jié)能效率也接近 40％，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，節(jié)能效率將進(jìn)一步提高。因此，大力推廣變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，不僅是當(dāng)前煤礦節(jié)能 降耗的重要技術(shù)手段，而且也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變的必然要求。（ 2）實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。 凍結(jié)鑿井分為 鉆凍結(jié)孔 、 形成凍結(jié)壁 和 井筒掘砌 三大工序。冷凍站的低溫鹽水（ 30℃左右）經(jīng)去路鹽水干管、配液圈到供液管底部，沿凍結(jié)管和供液管之間的環(huán)形空間上升到集液圈、回路鹽水干管至冷凍站的鹽水箱，形成鹽水循環(huán)。隨著鹽水循環(huán)的進(jìn)行，凍結(jié)壁厚度逐漸增大，直到達(dá)到設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度為止（積極凍結(jié)）。在掘砌期間進(jìn)行維護(hù)凍結(jié)（消極凍結(jié)），直至井筒永久結(jié)構(gòu)完成停止凍結(jié)，煤礦凍結(jié)施工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。 1955 年，我國(guó)用凍結(jié)法開鑿了開灤林西風(fēng)井，井筒凈直徑 5m凍結(jié)深度 105m，此后我國(guó)科技人員開始了凍結(jié)法鑿井技術(shù)的研究。目前凍結(jié)法鑿井所通過的最厚表土層為山東濟(jì)西礦副井為 ，凍結(jié)深度 488m 我國(guó)凍結(jié)法鑿井技術(shù)已跨人世界先進(jìn)行列。凍結(jié)不穩(wěn)定的第三系和第四系地層，具有代 表性的是德國(guó)的 SophiaJacba 8 號(hào)井，凍結(jié)深度558m。 凍結(jié)法的施工順序是在井筒周圍鉆若干凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝由供液管、回液管和底端封閉的凍結(jié)管組成的凍結(jié)器；地面冷凍站將制出的低溫媒劑循環(huán)輸送到凍結(jié)器內(nèi)，吸收地層的熱量，使含水層形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱， 逐漸擴(kuò)大與相鄰的凍結(jié)圓柱連成封閉的凍結(jié)壁。從凍結(jié)開始到凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的時(shí)間，稱積極凍結(jié)期。掘砌工作完成后，拆除冷凍站，拔出凍結(jié)管，充填凍結(jié)孔，凍結(jié)壁自然解凍，恢復(fù)地層初始狀態(tài)。氨循環(huán)系統(tǒng)流程：氣態(tài)氨經(jīng)低壓螺桿壓縮機(jī)壓縮一冷卻器降溫 (防止進(jìn)入高壓螺桿壓縮機(jī)時(shí)溫度過高 )一高壓螺桿安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 壓縮機(jī)繼續(xù)增壓一冷凝器 (氣態(tài)氨 變成液態(tài)氨 )一熱虹吸儲(chǔ)液器一低壓調(diào)節(jié)站一汽化器(液態(tài)氨變成氣態(tài)氨吸收熱量使鹽水降溫 )一氣態(tài)氨被吸回低壓螺桿機(jī) (完成～個(gè)循環(huán) )。分配給各個(gè)分鹽水管路。低溫鹽水在凍結(jié)管中沿環(huán)形空間流動(dòng)時(shí)，吸收其周圍巖層的熱量，使周圍巖層凍結(jié)，逐漸擴(kuò)展連成封閉的凍結(jié)圓筒 (凍結(jié)壁 )。另一方面凍結(jié)制冷系統(tǒng)一旦啟動(dòng)就要運(yùn)行到井筒永久結(jié)構(gòu)完成才能停止，鹽水循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行直接影響到整個(gè)凍結(jié)工程的質(zhì)量。通常，現(xiàn)場(chǎng)所選離心泵的流量、揚(yáng)程可能會(huì)和管路中要求的不一致，由于泵選型時(shí)留有裕量，甚至泵的額定參數(shù)超過工藝參數(shù)的一倍以上。 國(guó)內(nèi)外交流變頻技 術(shù)的發(fā)展 變頻技術(shù)方面，目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化和系統(tǒng)可靠性等方面仍與國(guó)外水平有不小的差距．這種電機(jī)在抽水蓄能電站機(jī)、大容量風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、軋機(jī)傳動(dòng)、礦井卷?yè)P(yáng)方面都有很大的應(yīng)用價(jià)值，且需求量很大。總結(jié)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)關(guān)系到合理地使用電動(dòng)機(jī)以節(jié)約電能和控制機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗等目的．電氣傳 動(dòng)分成不可調(diào)速和可調(diào)速兩大類，可調(diào)速方式又可細(xì)分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩種方式。從總體上看我國(guó)的電氣傳動(dòng)技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平相差l015 年．在我國(guó)，電氣傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)始建于 1954 年，當(dāng)時(shí)在機(jī)械工業(yè)部門的部屬下建立了我國(guó)第一個(gè)電氣傳動(dòng)公 司，第一批相關(guān)專業(yè)的畢業(yè)生參與其中，這就是后來的天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所。 我國(guó)還是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，目前自主研發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品只相當(dāng)于一些西方國(guó)家 80 年代的水平。隨著全球性的能源短缺和工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器及變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，主要應(yīng)用在機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)。均取得顯著的經(jīng)濟(jì) 效益． (2)大功率變頻器件得到迅猛的發(fā)展．近年來，隨著高電壓、大電流的 SCR、 GTO、IGBT、 IGCT 等器件的生產(chǎn)和并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，并得到廣泛應(yīng)用。 研究背景及變頻改造的意義 目前，在電力改革不斷深化、大力提倡建立節(jié)約型社會(huì)的政策環(huán)境下，應(yīng)用高新技術(shù)節(jié)能降耗，降低廠用電率和發(fā)電成本，成為各電廠的當(dāng)務(wù)之急。電廠調(diào)峰時(shí)，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式通過改變調(diào)節(jié)閥和擋板的開度來調(diào)整通過泵與風(fēng)機(jī)的工質(zhì)流量。若采用高壓變頻調(diào)速則可保持調(diào)節(jié)閥與擋板全開，通過降低泵與風(fēng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速來減小流量，從而減小了節(jié)流損失，安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 節(jié)約了大量電能。 變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制的先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水泵節(jié)能和恒壓供水領(lǐng)域。在大力提倡節(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現(xiàn)代先進(jìn)電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)過程進(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)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟軟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行 今后主要研究的開發(fā)項(xiàng)目主要有以下幾項(xiàng)： (1)數(shù)字控制的大功率交一交變頻器供電的傳動(dòng)設(shè)備。 (4)電壓型 IGBT、 IGCT 逆變器供電的傳動(dòng)設(shè)備擴(kuò)大功能，改善性能。 (5)風(fēng)機(jī)和泵用高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能調(diào)速研究。特別是電壓電動(dòng)機(jī)，容量大，節(jié)能效果更顯著。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 2 變頻調(diào)速在水泵中的研究 變頻調(diào)速在水泵中的主要調(diào)節(jié)方式 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)泵類配套電動(dòng)機(jī)的耗電量相當(dāng)于全國(guó)電力消耗總 量的 1/5。因此，泵行業(yè)中采用有效的節(jié)能技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。節(jié)能調(diào)節(jié)的方法有：非變調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)，非變速調(diào)節(jié)包括節(jié)流調(diào)節(jié)和水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)等?？梢姡?的調(diào)節(jié)方式與節(jié)能的關(guān)系非常密切。 近年來， 真正的 “水泵智能控制系統(tǒng) ”不再是 “變頻器 ”控制技術(shù)的演變。 水泵變頻調(diào)速和其他方法的節(jié)能對(duì)比 調(diào)節(jié)水泵流量的兩種方法 常見的調(diào)節(jié)流量方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 其 實(shí)質(zhì)是：水泵本身的供水能力不變，通過改變水路中的阻力大小來改變供水能力，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。設(shè)用戶所需的流量從 QA 減小到 QB， 當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將變?yōu)榍€③，而揚(yáng)程特性則仍為曲線①，系統(tǒng)工作點(diǎn)由 A 點(diǎn)移至 B 點(diǎn)。 根據(jù)供水功率 PG與流量 Q 和揚(yáng)程 H 的乘積成正比的關(guān)系，即 PG=CPHQ (CP為比例常數(shù) )，可知此時(shí)供水功率 PG與面積 OEBF 成正比。這說明使用閥門調(diào)節(jié)流量時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗的功率基本是不變的。 （ 2）轉(zhuǎn)速控制法 ： 即通過改變水泵拖動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，閥門開度保持不變。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€④ ，管阻特性則仍為曲線②，工作點(diǎn)由 A 點(diǎn)移至 C點(diǎn)。 轉(zhuǎn)速控制法和傳統(tǒng)方法的比較 (1)供水功率的比較 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出：在所需流量小于額定流量的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的揚(yáng)程比閥門控制時(shí)的小得多，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 Gp? 便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積 HCBF(圖 2l中的陰影部分 )成正比。 (2)從水泵的工作效率看節(jié)能 水泵的供水功率 PG與軸功率 PP之比，即為水泵的工作效率 P? ，即 PGp PP?? （ 21） 這里，水泵的軸功率 PP是指水泵軸上的輸入功率 (即電動(dòng)機(jī)的輸出功率 )，或者是水泵取用的功率。因此，上述水泵的工作效率 P? 實(shí)際上包含了水泵本身的效率和供水系統(tǒng)的效率。 C1與 C2之間通常遵循如下規(guī) 律： C1C2 =1；由式（ 23）表明 水泵的工作效率主要取決于流量與轉(zhuǎn)速之比。當(dāng)流量 ?Q =60％時(shí)，其效率將降為 80%(由 B點(diǎn)決定 )。而在轉(zhuǎn)速控制方式下，由于在閥門開度不變的情況下，流量 ?Q 和轉(zhuǎn)速 ?n 是成正比的，比值不變，其效率曲線因轉(zhuǎn)速而變化，轉(zhuǎn)速為 60％ nN(nN為額定轉(zhuǎn)速 )時(shí)的效率曲線如圖 2。可見，采用轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)。 (3)從電動(dòng)機(jī)的效率看節(jié)能 廠家在生產(chǎn)水泵時(shí)，由于對(duì)用戶的管路情況無法預(yù)測(cè)，管阻特性難以準(zhǔn)確計(jì)算，必須對(duì)用戶的需求留有足夠的余地。所以，在實(shí)際運(yùn)行中，即使在鹽水流量的高峰期，電動(dòng)機(jī)也常常不是處于滿載狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。由于電動(dòng)機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器的輸出電壓將下降，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。綜合起來。圖中，曲線①是調(diào)節(jié)閥門開度時(shí)的功率曲線；當(dāng)流量 ?Q =60％時(shí)，所消耗的功率由 B 點(diǎn)決定。由圖 3 可看出，與調(diào)節(jié)閥門開度相比，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速所節(jié)約的功率 ? P*E是相當(dāng)可觀的。微計(jì)算機(jī)是變頻器的核心，電力 1 . 00 . 800 . 6 1ACB*?*?