【正文】 ................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 PLC I/O 分配 ................................................................................................................ 26 第四章 組態(tài)監(jiān)控界面 設(shè)計(jì) ........................................................................................... 29 組態(tài)監(jiān)控程序設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 29 組態(tài)設(shè)計(jì)步驟 ................................................................................................................ 30 主畫(huà)面的設(shè)計(jì) ................................................................................................................ 36 PID 參數(shù)整定及其仿真 .................................................................................................. 37 第五章 結(jié) 論 ..................................................................................................................... 40 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................. 41 ix 致 謝 ................................................................................................................................ 42 附錄 A 部分程序 ................................................................................................................ 43 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。 供水系統(tǒng)是國(guó)民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(jī)無(wú)極調(diào)速技術(shù)，它以其獨(dú)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。 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。 國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。 變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。 變頻恒壓供水系統(tǒng)同其它供水方式相比較，除了具有顯著的節(jié)能效果外，還有以下顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)： 恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門(mén)的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。 水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 實(shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過(guò)于求的情況，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能使水管爆破和用水設(shè)備的損壞。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運(yùn)行時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。同時(shí)水泵是工頻率啟 動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì)造成一定的能耗。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個(gè)較大的缺點(diǎn)。同時(shí)由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。由此可見(jiàn)變頻調(diào)速供水方式比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。氣壓罐方式的運(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動(dòng)。變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，加之啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊。 由此可見(jiàn) ，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。基于恒壓、節(jié)能及安全性考慮，采取變頻調(diào)速恒壓供水方式是一種不錯(cuò)的選擇。在討論變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理與安全性之前，有必要討論分析供水系統(tǒng)的一些基本概念和特性。 圖 供水系統(tǒng)的基本模型 a)全揚(yáng)程的概念 b)基本模型 圖中 ： 0L —— 水泵中心位置； 0h —— 吸水口水位； 1h —— 水平面水位； 2h —— 管摩擦損失 吸入口 水壓 全 揚(yáng) 程 實(shí) 際 揚(yáng) 程 )(mHB )(mHT 泵 H0 H1 H3 H2 水面 L0 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 道最高處水位； 3h —— 在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高位置的水位。在真實(shí)的管道系統(tǒng)中，這個(gè)位置并不存在。 主要參數(shù)有 ： 1． 流量 Q 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是 3m /min； 2． 揚(yáng)程 H 也稱水頭，是供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差，常用單位是 m； 3． 實(shí)際揚(yáng)程 BH 供水系統(tǒng)中，實(shí)際的最高水位 2h 與最低水位 1h 之間的水位差，即供水系統(tǒng)實(shí)際提高的水位。全揚(yáng)程的大小說(shuō)明了水泵的泵水能力。 BH , TH , LH 之間的關(guān)系是 ： TH = BH + LH 。其大小在靜態(tài)時(shí)主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與流量與揚(yáng)程之間的平衡情況有關(guān)。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的， 相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。通過(guò)特性曲線圖可以掌握供水系統(tǒng)的性能，確定其工作點(diǎn)。 圖 供水系統(tǒng)特性 曲線 1． 揚(yáng)程特性 以管路中的閥門(mén)開(kāi)度不改變?yōu)榍疤?，即截面積不變，水泵在某一轉(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程與流量間 的關(guān)系曲線 )(QfHT ? ，稱為揚(yáng)程特性曲線。 曲線表明轉(zhuǎn)速一定時(shí)，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小，反映用戶的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響的。 用水量一定時(shí)，即 UQ 不變，轉(zhuǎn)速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。不同閥門(mén)開(kāi)度，管阻特性曲線不同，圖 中的曲線③ 對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)度大于曲線 ④ 對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度。此時(shí)轉(zhuǎn)速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門(mén)的開(kāi)度，即管阻的大小，是由供水側(cè)來(lái)決定的，故管阻特性的流量可以認(rèn)為是供水流量，用 GQ 表示。這里的 GQ 和 UQ 是為了便于說(shuō)明供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系而假設(shè)的量。表明了如果全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程的話，將不能供水。 3． 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 4． 供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率 GP （ kW)稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比 QHCP rPG ? （ ） 式中 PC 一一比例常數(shù)。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象?？紤]到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)程與供水能力 (由流量GQ 表示 )和用水需求 (由用水流量 UQ 表示 )之間的平衡情況有關(guān)。 若供水能力 GQ ＞用水需求 UQ ，則壓力 P 上升； 可見(jiàn) ，流體壓力 P 的變化反映了供水能力與用水需求 UQ 之間的矛盾。這說(shuō)明，通過(guò)恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。水泵通過(guò)聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 1． 變極調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。這種調(diào)速方式只適用于專門(mén)的變極電機(jī)，而且是有極調(diào)速，級(jí)差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為 emCu sPrIP ?? 39。22 3 () 該損耗和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn) 差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。但在供水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水時(shí)，為適應(yīng)流量的變化，電機(jī)一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率 s 增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)運(yùn)行效率降低。 因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。 這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通基本不變，其關(guān)系為 11fu = 常數(shù) 式中 1u 一一變頻器 輸出電壓， 1f 一一變頻器輸出頻率。2139。2211xxsrrfsrpUmT????? （ ） 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 式中 1m 一一電機(jī)相數(shù) ； 1r 一一定子電阻 ； 1x 一一定子漏電抗 ； 39。 頻率 1f 從額定值 Nf 往下調(diào)時(shí)， 電機(jī)機(jī)械特性變化情況如圖 。 變頻調(diào)速過(guò)程的特點(diǎn)： 靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是調(diào)速過(guò)程中，其轉(zhuǎn)差率不變。因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果。其總的原則是首先保證可靠地滿足工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。變頻器類型的選擇要根 據(jù)負(fù)載的要求進(jìn)行。在變頻器選型前應(yīng)掌握傳動(dòng)系統(tǒng)的以下參數(shù) : （ 1）電動(dòng)機(jī)的極數(shù)。在同等電動(dòng)機(jī)功率情況下，相對(duì)于高過(guò)載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格n T 1f 2f 3f 4f Nf 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 可以降額選取； （ 3）電磁兼容性。一般當(dāng)電動(dòng)機(jī)與變頻器距離超過(guò) 50m時(shí)，應(yīng)在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護(hù)電纜。其中后兩項(xiàng)變頻器生產(chǎn)廠家由本國(guó)或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。負(fù)載電流不超過(guò)變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。由于同容量電動(dòng)機(jī)，其極數(shù)不同，電動(dòng)機(jī)額定電流不同。變頻器的容量選擇不能以電動(dòng)機(jī)額定電流為依據(jù)。這是因?yàn)?，電?dòng)機(jī)的容量選擇在考慮最大負(fù)載，富裕系數(shù)，電動(dòng)機(jī)規(guī)格等因素，往往電動(dòng)機(jī)的容量富裕較大，工業(yè)用電動(dòng)機(jī)常常在 50%～ 60%額定負(fù)荷下運(yùn)行。變頻 器與電動(dòng)機(jī)的匹配主要是電動(dòng)機(jī)的額定電壓及電流，如果電動(dòng)機(jī)額定電流小于同功率的變頻器額定電流，一般來(lái)說(shuō)用同等功率的就足夠了，但如果大了，只好用大一級(jí)的變頻器。在選用變頻器時(shí)除了考慮技術(shù)性和可靠性外還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性，一般不要留有太大功率余量，變頻器與電動(dòng)機(jī)兩者的功率應(yīng)相匹配，不但經(jīng)濟(jì)性好而且輸出波型更好。常見(jiàn)有下列幾種結(jié)構(gòu)類型可供設(shè)計(jì)中選用 : （ 1）敞開(kāi)型 IP00。適用一般用途，可用于有少量粉塵或少許溫度、濕度變化的場(chǎng)合； （ 3）密閉型 IP65。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 根據(jù)以上理論，選用三菱 FRA540系列變頻器。應(yīng)用三菱 FRA540系列變頻器內(nèi)置 PID功能的 PLC控制恒壓供水系統(tǒng)，效率高，損耗小，調(diào)速供水節(jié)能效果突出，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，體現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，取代了水塔、水箱、氣壓罐等，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，成為供水網(wǎng)的換代產(chǎn)品。假設(shè)系統(tǒng)原工作于額定狀態(tài) N 點(diǎn)，當(dāng)所需流量減少，從額定流量 NQ 變?yōu)?EQ 時(shí)，在恒壓前提下，采用閥 門(mén)控制法時(shí)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)將移到 A 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的供水功率 GP 與面積 EEOQAH 成正比 ； 采用轉(zhuǎn)速控制法時(shí)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)將移到 B 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的供水功率 GP 與面積ECOQBH 成正比。