變頻器恒壓供水系統(tǒng)(多泵)課程設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　學 院信息科學與工程學院專 業(yè)自動化</p><p>　學生姓名班級學號</p><p>　課程設計題目變頻器恒壓供水系統(tǒng)(多泵)</p><p>　實踐教學要求與任務:技術參數及控制要求：（1）工藝參數: 供水系統(tǒng)由3臺水泵組成：母管壓力H≥0

2、.8時，一臺定速，一臺變速，一臺備用。母管壓力H≤0.64時，一臺定速或變速，二臺備用。母管壓力H≤0.52時，一臺變速，二臺備用。（2）水泵參數： 型號：125H-13額定流量：793 m3/h揚程：32.3 m功率：80.3 KW額定轉速：1450 r/min配用電機功率：100KW（3）電動機參數：型號：JD-L-39-4 功率：100KW額定頻率：50Hz 額定電壓：380VAC；額定轉速：1470 r/min 額定電流：188

3、.2 A（4）水泵電機的起動/停止、正轉、調速控制。（5）變頻器采用遠方控制方式。（6）變頻器的頻率由4—20mA電流信號控制。（7）變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。（8）變頻器的報警處理。設計要求：（1）根據變頻器恒壓供水系統(tǒng)控制要求，選擇變頻器型號。（2）選擇其他電器設備型號。（3）變頻器恒壓供水系統(tǒng)的電氣控制線路的設計（包括主回路和控制回路）。（4）電氣圖按A4大小設計。（5）電氣圖形符號和文字符號要符合國家最

4、新標準。進度安排：（1</p><p>　指導教師：201 年 月 日專業(yè)負責人：201 年 月 日學院教學副院長：201 年 月 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設計采用“一臺變頻器控制多臺水泵”的多泵控制系統(tǒng)。在這里利用PLC設計一套變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據管網瞬間

5、壓力變化自動調節(jié)某臺水泵的轉速和多臺水泵的投入及退出，使管網主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)?？蓪崿F恒壓變量、雙恒壓變量等控制方式，多種啟?？刂品绞剑撓到y(tǒng)可以通過人意修改參數指令（如壓力設定值、控制順序、控制電機數量、壓力上下限、PID值、加減速時間等）；具有完善的電氣安全保護措施，對過流、過壓、欠壓、過載、斷水等故障均能自行診斷并報警。</p><p&

6、gt;　　為保證小區(qū)的供水正常，利用PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，按照用戶的需求按需調節(jié)水泵流量，根據夜間用水少可以只開一個小流量泵，并滿足用戶的流量需求，使真?zhèn)€系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。</p><p>　　關鍵詞：恒壓供水；變頻器；可編程控制器</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 變頻器恒壓供水

7、系統(tǒng)簡介1</p><p>　　1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析1</p><p>　　1.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理1</p><p>　　1.1.2 變頻恒壓控制理論模型3</p><p>　　1.2 恒壓供水控制系統(tǒng)構成3</p><p>　　1.3 變頻器恒壓供水產生的背景和意義5<

8、;/p><p>　　2 變頻恒壓供水系統(tǒng)設計6</p><p>　　2.1 設計任務及要求6</p><p>　　2.2 系統(tǒng)主電路設計6</p><p>　　2.3 系統(tǒng)工作過程7</p><p>　　3 器件的選型及介紹9</p><p>　　3.1 變頻器簡介9<

9、/p><p>　　3.1.1 變頻器的基本結構與分類9</p><p>　　3.1.2 變頻器的控制方式9</p><p>　　3.2 變頻器選型10</p><p>　　3.2.1 變頻器的控制方式10</p><p>　　3.2.2 變頻器容量的選擇11</p><p>　　

10、3.2.3 變頻器主電路外圍設備選擇12</p><p>　　3.3 可編程控制器(PLC)14</p><p>　　3.3.1 PLC的定義及特點14</p><p>　　3.3.2 PLC的工作原理16</p><p>　　3.3.3 PLC及壓力傳感器的選擇16</p><p>　　4 PL

11、C編程及變頻器參數設置17</p><p>　　4.1 PLC的I/O接線圖17</p><p>　　4.2 PLC程序17</p><p>　　4.3 變頻器參數的設置21</p><p>　　4.3.1 參數復位21</p><p>　　4.3.2 電機參數設置21</p>&l

12、t;p>　　4.4 控制系統(tǒng)接線實物圖22</p><p>　　5 監(jiān)控系統(tǒng)的設計23</p><p>　　5.1 組態(tài)軟件簡介23</p><p>　　5.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設計23</p><p>　　5.2.1 組態(tài)王的通信參數設置23</p><p>　　5.2.2 新建工程與組態(tài)變量24<

13、;/p><p>　　5.2.3 組態(tài)畫面25</p><p>　　5.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面26</p><p><b>　　6總 結27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p>　　1 變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡介</p>&l

14、t;p>　　1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析</p><p>　　1.1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理 </p><p>　　供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不</p><p>　　變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉速下揚程H與流量Q之間的關系曲線f(Q)，如圖1-1</p><p><b>　　所示。

15、 </b></p><p>　　圖1-1供水系統(tǒng)的基本特征 圖1-2 管網及水泵的運行特性曲線</p><p>　　由圖可以看出，流量Q越大，揚程H越小。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q(u)間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚程H與流量

16、Q之間的關系H J (Qu )。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H f (Qc )。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖中A點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc

17、處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。圖1-1供水系統(tǒng)的基本特征。</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通</p><p>　　常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器</p><p>　　調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的。因此，

18、供水</p><p>　　系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定</p><p>　　子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。</p><p>　　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速控制法。閥門控制法是通過調節(jié)閥門開度來調節(jié)流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管

19、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保持不變，必然要造成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節(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速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電

20、機減速。</p><p>　　由流體力學可知，水泵給管網供水時，水泵的輸出功率P與管網的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速n與出水流量Q成正比；管網的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率P與轉速n三次方成正比，即：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p><b>　?。?.3）&

21、lt;/b></p><p><b>　　(2.4)</b></p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　式中k、k1、k2、k3為比例常數。</p><p>　　當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥

22、門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵的輸出功率正比于H1×Q2。當用調速控制時，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以當用閥門控制流量時，有正比于(H1－H0)×Q2的功率被浪費掉，并且隨著

23、閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。所以調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。</p><p>　　1.1.2 變頻恒壓控制理論模型</p><p>　　變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，

24、也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上</p><p>　　從圖1-2中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經過計算和轉換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當

25、前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻的輸出頻率將會降低，水泵的轉速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調節(jié)的結果是實際供水壓力和設定壓力相等。</p><p>　　圖1-2變頻恒壓控制原理圖</p><p>　　1.2恒壓供水控制系統(tǒng)

26、構成</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵連成一體，通過變頻器調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。</p><p>　　圖1-3恒壓供水系統(tǒng)方框圖&l

27、t;/p><p>　　水壓由壓力傳感器的信號4-20mA送入變頻器內部的PID模塊，與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內置PID運算將結果轉換為頻率調節(jié)信號，以調整水泵電機的電源頻率，從而實現控制水泵轉速。由于變頻器內部自帶的PID調節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調試更為簡單、方便。

28、</p><p>　　圖1-4 供水系統(tǒng)方案圖</p><p>　　西門子系列PLC編程采用STEP7軟件，它是西門子PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的相互轉換。系統(tǒng)程序包括主程序和起動子程序，主程序包括參與調節(jié)程序和電機切換程序；電機切換程序又包括加電機程序和減電機程序。起動子程序實際上是清零子程序。在主程序中，設置兩個

29、變頻器頻率上下限到達濾波時間繼電器，用于穩(wěn)定系統(tǒng)。</p><p>　　1.3 變頻器恒壓供水產生的背景和意義</p><p>　　泵站擔負著工農業(yè)和生活用水的重要任務，運行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對國民經濟有重大意義。我過泵站的特點是數量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設計中忽視動能經濟觀點以及機電產品類型和質量上存在的一些問題等原因

30、，至使在技術水平、工程標準以及經濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動能消耗在水泵、風機負載上，城鄉(xiāng)居民用水設備所消耗的電量在這類負載中占了相當大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法是目前較為重要的一件事。</p><p>　　以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統(tǒng)集

31、變頻技術、電氣技術、防雷避雷技術、現代控制、遠程監(jiān)控技術與一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便的實現供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(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實意義。</p><p>　　2 變頻恒壓供水系統(tǒng)設計</p><p>　　2.1 設計任務及要求&

32、lt;/p><p>　　本系統(tǒng)是以一個供水系統(tǒng)作為被控對象，PLC與變頻器協(xié)調控制電機的轉速與啟動和停止。</p><p><b>　　系統(tǒng)控制要求:</b></p><p>　　(1) 工藝參數: 供水系統(tǒng)由3臺水泵組成：</p><p>　　母管壓力H≥0.8時，一臺定速，一臺變速，一臺備用。</p>&

33、lt;p>　　母管壓力H≤0.64時，一臺定速或變速，二臺備用。</p><p>　　母管壓力H≤0.52時，一臺變速，二臺備用。</p><p>　　(2) 電動機參數：型號：JD-L-39-4</p><p><b>　　功率：75KW</b></p><p><b>　　額定頻率：50Hz</

34、b></p><p>　　額定電壓：380VAC；</p><p>　　額定轉速：1470 r/min</p><p>　　額定電流：126.6 A</p><p>　　(3) 水泵電機的起動/停止、正轉、調速控制。</p><p>　　(4) 變頻器采用遠方控制方式。</p><p>　

35、　(5) 通過母管壓力變送器測得實際壓力大小，同時和壓力給定組成閉環(huán)控制。</p><p>　　(6) 變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。</p><p>　　(7) 變頻器的報警處理。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)主電路設計</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)主電路圖</p><p>　　由恒

36、壓供水主電路圖可見，接觸器1KM2、2KM2、和3KM2用于變頻器輸出，分別接到水泵M1、M2和M3，而接觸器1KM3、2KM3和3KM3將工頻電源接到3臺水泵。變頻器可以對任何一臺水泵啟動和恒壓供水控制。</p><p>　　空氣開關（QL）是當電動機過載時自動將電動機從電網中斷開</p><p>　　熱繼電器（FR）是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中用作電動機的過載保護。

37、</p><p>　　2.3 系統(tǒng)工作過程</p><p><b>　　1、減泵過程</b></p><p>　　當用水量減少、水壓上升、變頻器輸出頻率低于下限值時，但管網壓力仍偏高時，則各泵將依次退出運行，依次退出運行的方式有兩種。</p><p>　　(1)先開先停方式。PLC接收到下限頻率到達信號，延時一定時間后

38、，接觸器1KM2失電復位，水泵M1脫離工頻電源停止運行。變頻器輸出頻率仍然低于下限值，重復上述過程，水泵M2脫離工頻電源停止運行，變頻器驅動水泵M3恒壓供水，水壓穩(wěn)定在設定值上。這種方式稱為循環(huán)方式，通常用于各臺水泵的容量都相等的供水系統(tǒng)中。其優(yōu)點是可以自動的使各泵運行的時間比較均衡；缺點是工頻運行狀態(tài)直接停機時，可能由于停機太快而使管網壓力發(fā)生較大波動。</p><p>　　(2)先開后停方式。首先使正在變頻運

39、行的M3減速停機，然后使變頻器的輸出頻率升至50Hz，將M2切換為變頻工作，依此類推這種方式通常用于各臺水泵的容量不相等的供水系統(tǒng)中，其優(yōu)點是水泵的停機比較緩慢，管網壓力比較穩(wěn)定；缺點是不能自動地循環(huán)變換。</p><p><b>　　2、加泵過程</b></p><p>　　首先由M1在變頻控制的情況下工作。</p><p>　　當用水量增大

40、、水壓下降，變頻器輸出頻率上升到50Hz時水壓仍然不足，經過短暫的延時，將M1切換為工頻工作，同時變頻器的輸出頻率迅速降低為0，然后使M2投入變頻運行。當M2也達到額定頻率而水壓仍不足時，重復開始運行時的過程，水泵M2脫離變頻器驅動，由工頻供電全速運行，變頻器驅動水泵M3變頻運行，使水壓恒定在設定值上。</p><p>　　3 器件的選型及介紹</p><p>　　3.1 變頻器簡介&

41、lt;/p><p>　　3.1.1 變頻器的基本結構與分類</p><p>　　1、變頻器的基本結構</p><p>　　變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。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

42、滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉矩計算的CPU以及一些相應的電路。 </p><p><b>　　2、變頻器的分類 </b></p><p>　　變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和

43、高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 </p><p>　　3.1.2 變頻器的控制方式</p><p>　　在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。 </p>&

44、lt;p>　　(1) V/f控制 </p><p>　　V/f控制是為了得到理想的轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，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控制變頻器結構非常簡單，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，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。 </p><p>　　(2) 轉差

45、頻率控制 </p><p>　　轉差頻率控制是一種直接控制轉矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎上，按照知道異步電動機的實際轉速對應的電源頻率，并根據希望得到的轉矩來調節(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。 &

46、lt;/p><p><b>　　(3) 矢量控制 </b></p><p>　　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矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉矩的目的。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。例如形成開關次數最少的PWM波以減少

47、開關損耗。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。 </p><p>　　(4) 直接轉矩控制 </p><p>　　直接轉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學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩，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

48、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%的額定轉矩，對于多拖動具有負荷平衡功能。 </p><p><b>　　(5) 最優(yōu)控制 </b></p><p>　　最優(yōu)控制在實際中的應用根據要求的不同而有所不同，可以根據最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略

49、，以實現一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 </p><p>　　3.2 變頻器選型</p><p>　　3.2.1 變頻器的控制方式</p><p>　　控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產的共約5O多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經濟實惠。下表

50、中參數供選用時參考。</p><p>　　表3-1控制方式的比較</p><p>　　故選擇U/f=C控制</p><p>　　3.2.2 變頻器容量的選擇</p><p>　　變頻器的容量直接關系到變頻調速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之

51、間互為補充。</p><p><b>　　1、從電流的角度：</b></p><p>　　大多數變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或本公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。</p><p>　　選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導

52、體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數，例如潛水電泵、繞線轉子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 </p><p>

53、<b>　　2、從效率的角度：</b></p><p>　　系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：</p><p>　?。?）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。</p><p>　?。?）在變頻器的功率

54、分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。</p><p>　?。?）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。</p><p>　　（4）經測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。</p

55、><p>　　（5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節(jié)能程序的設置，以利達到較高的節(jié)能效果。</p><p>　　3、從計算功率的角度：</p><p>　　對于連續(xù)運轉的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式：</p><p>　　(1)滿足負載輸出：Pcn≥Pm／η (3.1)

56、</p><p>　　(2)滿足電動機容量：Pcn≥√3KUeIe cosφ ×10-3(3.2)</p><p>　　(3)滿足電動機電流：Icn≥KIe(3.3)</p><p>　　式中Pcn為變頻器容量（單位kW），PM--負載要求的電動機軸輸出功率（單位kW），Ue為電動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），η為電動機效率（通

57、常約為0．85），cosφ為電動機功率因數（通常約為0．75），k是電流波形補償系數（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加，通常K約為1．05～1．1）。將本系統(tǒng)參數帶入求得所取變頻器容量最低為88KW故取100KW，額定電流139.26A，故取150A。</p><p>　　根據計算所得的所需參數可以選取西門子MicroMaster430（風機水泵專業(yè)）變頻器，具體的可

58、以選擇MM430-110K型號的變頻器，他配接電機的容量是110kw，額定電流為205A滿足使用需求，可以選擇。</p><p>　　3.2.3 變頻器主電路外圍設備選擇</p><p><b>　　1、斷路器</b></p><p>　　當變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當變頻器輸入側發(fā)生短路

59、等故障時，進行保護。</p><p><b>　　選擇原則:</b></p><p>　　(1)變頻器在剛接電源的瞬間，對電容器的充電電流可達額定電流的（2-3）倍；</p><p>　　(2)變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^額定電流；</p><p>　　(3)變頻器允許的過載能力為150%，1min。&l

60、t;/p><p>　　為了避免誤動作，斷路器的額定電流應選：</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　其中為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇210A</p><p>　　根據上述數據可以選擇斷路器DW15—400斷路器額定電壓為380V，額定電流為300滿足要求可以選擇。</p&g

61、t;<p><b>　　2、接觸器</b></p><p>　　(1)主要作用：可通過按鈕開關方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。</p><p><b>　　(2)選擇原則：</b></p><p>　　由于接觸器自身并無保護功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流

62、，應該大于126.6A,可以選擇主觸點額定電流為130A的接觸器。</p><p>　　根據上述數據施奈德的LC1—D150，滿足參數要求，可以選擇</p><p><b>　　3、主電路的線徑</b></p><p>　　(1)電源和變頻器之間的導線</p><p>　　一般說來，和同容量普通電動機的電線選擇方法相同。

63、考慮到其輸入側的功率因數往往較低，應本著宜大不宜小的原則來決定線徑。</p><p>　　(2)變頻器和電機之間的導線</p><p>　　因為頻率下降時，電壓也要下降，在電流相等的情況下，線路電壓降在輸出電壓中的比例將上升，而電動機得到電壓的比例則下降。這有可能導致電動機帶不動負載并發(fā)熱。所以，在決定變頻器和電動機之間導線的線徑時，最關鍵的因素便是線路電壓降的影響。一般要求：</p

64、><p><b>　　(3.5)</b></p><p><b>　　的計算公式是：</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　式中：——額定相電壓，V ；</p><p>　　——電動機額定電流，A ；</p>

65、<p>　　——單位長度（每米）導線的電阻，mΩ/m ；</p><p>　　——導線的長度m ，由上兩式可直接求出的取值范圍。根據Ro值確定導線面積。</p><p>　　由公式（3.5）得：～11.4）V</p><p>　　由公式（3.6）得：0.69 mΩ/m 1.04 mΩ/m</p><p>　　根據表3-2判斷所需

66、的導線截面積，為了滿足控制系統(tǒng)的要求，應該選擇截面積為16的導線。</p><p>　　表3-2 常用電動機引出線的單位長度電阻值。</p><p><b>　　4、制動電阻</b></p><p>　　準確計算制動電阻值十分麻煩，在實際工作中基本不用。許多變頻器的使用說明書上給了一些計算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動電阻的規(guī)格。但按

67、說明書上選擇電阻時須注意下面問題，變頻器生產廠家為了減少制動電阻檔次，常常對若干種不同容量的電動機提供相同阻值和容量的制動電阻。選用時，應注意根據生產機械的具體情況進行調整。對同一擋中電動機容量較小者，制動轉矩與額定轉矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應根據制動過程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值較大的制動電阻。對同一擋中電動機容量較大者，制動轉矩與額定轉矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動的場合，或者如起重機

68、械那樣，需要釋放位能的場合，上述制動電阻有可能滿足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動電阻。</p><p>　　3.3 可編程控制器(PLC)</p><p>　　3.3.1 PLC的定義及特點 在PLC的發(fā)展過程中，美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）經過4年的調查，于1980年把這種新型的控制器正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller），英文縮寫

69、為PC，并作如下定義：“可編程序控制器是一種數字式電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現邏輯運算、順序控制、計數、計時和算術運算功能，用來對各種機械或生產過程進行控制。PLC的特點如下：</p><p>　　1、高可靠性(1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現場的外電路與PLC內部電路之間電氣上隔離。(2)各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數一般為10~20ms.(3)各模塊均采

70、用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優(yōu)良的開關電源。(5)對采用的器件進行嚴格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措 施，以防止故障擴大。(7)大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。2、豐富的I/O接口模塊 PLC針對不同的工業(yè)現場信號，如： 交流或直流； 開關量或模擬量； 電壓或電流；脈沖或電位；

71、 強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現場的器件或設備，如： 按鈕 行程開關 接近開關 傳感器及變送器 電磁線圈 控制閥直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網絡，它還有多種通訊聯網的接口模塊，等等。3、采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數PLC均采用模塊化結構。P</p><p><b>　　4、編程簡單

72、易學 </b></p><p>　　PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。</p><p>　　5、安裝簡單，維修方便</p><p>　　PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投

73、入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。</p><p>　　3.3.2 PLC的工作原理</p><p>　　PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。PL

74、C的掃描過程分為內部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當PLC處于停狀態(tài)時，只進行內部處理和通信操作服務等內容。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。</p><p>　　3.3.3 PLC及壓力傳感器的選擇</p><p>　　水泵M1、M2、M3可變頻運行，也可工頻運

75、行，需要6個輸出點，根據系統(tǒng)設計要求需要五個輸入點，則選擇西門子的S7-200系列PLC。</p><p>　　壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應原理實現壓力測量的力-電轉換。傳感器由敏感芯體和信號調理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術指標

76、的要求。傳感器的量程為0～2.5MPa，工作溫度為5℃～60℃，輸出電壓為0～5V，作為本系統(tǒng)的反饋信號供給PLC。</p><p>　　4 PLC編程及變頻器參數設置</p><p>　　4.1 PLC的I/O接線圖</p><p>　　圖4-1 PLC的I/0接線圖</p><p>　　輸出端接中間繼電器控制電機的工頻與變頻工作狀態(tài)的轉

77、換，輸入點I0.0控制系統(tǒng)電機的停止工作，I0.1控制系統(tǒng)電機工作及變頻器工作的開始。I0.2點用于在一號泵有故障時手動啟用三號泵代替一號泵的工作。I0.4為當變頻器輸出頻率達到上限值時手動閉合，使電動機切換為工頻工作。</p><p>　　4.2 PLC程序</p><p><b>　　啟動變頻器工作</b></p><p>　　PLC接收

78、壓力變送器反饋的值，與設定值進行以系列計算之后輸出一個值控制變頻器的輸出頻率，同時根據輸出AC0的值判斷電動機工作的臺數與狀態(tài)。其中壓力變送器反饋值為0～5，內部數據為0～32767，對應進行轉換之后通過下面的程序進行判斷，以控制電動機的運行。</p><p>　　判斷反饋值為H≥0.8，則使一號水泵定速工作，同時使二號水泵變速工作。</p><p>　　判斷反饋值為0.52≤H≤0.64

79、，則一號變頻器定速或變速，當變頻器輸出頻率達到上限值時則手動輸入有效水泵變?yōu)槎ㄋ龠\行，否則變速運行。</p><p>　　判斷反饋值為H≤0.52時，則一號水泵變速運行。</p><p>　　停止按鈕按下，所有水泵停止供水</p><p>　　此段程序的功能為在一號水泵有故障時，通過手動切換使三號水泵代替一號水泵的工作。達到穩(wěn)定供水。</p><

80、p>　　4.3 變頻器參數的設置</p><p>　　4.3.1 參數復位</p><p>　　1、P0003＝3(選擇級別為專家級)</p><p>　　2、設定P0010＝30</p><p>　　3、設定P0970＝1（設定P0970＝1后變頻器將自動進入參數恢復程序，大約要10～20秒鐘后才能將所有參數恢復為出廠缺省值，恢復

81、的過程中變頻器顯示busy(忙)字樣并閃爍。）</p><p><b>　　4、顯示P0970</b></p><p><b>　　則復位操作完成</b></p><p>　　4.3.2 電機參數設置</p><p>　　P0010=1 (快速調試)</p><p>　　P

82、0100=0(功率單位為KW；f的缺省值為50Hz)</p><p>　　P0304=380(電動機的額定電壓)</p><p>　　P0305=126.6(電動機的額定電)</p><p>　　P0307=75（電動機的額定功率）</p><p>　　P0310=50(電動機的額定頻率)</p><p>　　P031

83、1=1470（電動機的額定轉速）</p><p>　　P0700=2(變頻器命令源選擇為模入端子/數字輸入)</p><p>　　P1000=2(模擬設定值)</p><p>　　P1080=5(電動機最小頻率)</p><p>　　P1082=50(電動機最大頻率)</p><p>　　P1120=10（電動機從靜止

84、停車加速到最大電動機頻率所需時間）</p><p>　　P1121=10（電動機從最大頻率減速到靜止停車所需的時間）</p><p>　　P3900=1(結束快速調試)</p><p><b>　　控制系統(tǒng)接線實物圖</b></p><p>　　4.4 控制系統(tǒng)接線實物圖</p><p>　　圖

85、4-2控制系統(tǒng)接線實物圖 （a） 圖4-2控制系統(tǒng)接線實物圖（b）</p><p>　　圖4-2控制系統(tǒng)接線實物圖（c）</p><p><b>　　5 監(jiān)控系統(tǒng)的設計</b></p><p>　　5.1 組態(tài)軟件簡介</p><p>　　組態(tài)軟件一般有圖形界面系統(tǒng)、實時數據庫系統(tǒng)、第三方程序接口組件和控制

86、功能組件組成。圖形界面系統(tǒng)用于生成現場過程圖形畫面；實時數據庫系統(tǒng)用于實時存儲現場控制點的參數；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與其他應用程序交換數據；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。本設計中選擇北京亞控公司的“組態(tài)王”軟件制作監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　5.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設計</p><p>　　5.2.1 組態(tài)王的通信參數設置</p><p>　　本設

87、計中用S7-200的PPI編程電纜實現計算機與CPU模塊的通信。由于使用串行通信接口1，故雙擊工程瀏覽器的設備文件夾中的“COM1”圖標，在出現的對話框中設置波特率為19200bit/s，如圖5.1所示。</p><p>　　圖5-1 串行通信接口參數設置</p><p>　　選中“COM1”后，雙擊右側工作區(qū)出現的“新建…”圖標，在出現的對話框的“PLC”文件夾中選擇西門子的S7-200

88、系列，通信協(xié)議為PPI（見圖5-2），設置好單擊“下一步”直至“完成”，這樣在右側會出現剛生成的“新IO設備”圖標，通信設置結束。</p><p>　　圖5-2 通信協(xié)議的設置</p><p>　　5.2.2 新建工程與組態(tài)變量</p><p>　　圖5-3 定義變量對話框</p><p>　　雙擊“組態(tài)王6.52”啟動工程管理器，新建一個工

89、程，名為“恒壓供水系統(tǒng)”，雙擊新建工程打開工程瀏覽器，點擊工程瀏覽器中的“數據詞典”圖標，右面工作區(qū)會出現系統(tǒng)定義好的內存變量。雙擊最下面的“新建…”圖標，彈出“定義變量”對話框（見圖5-3），開始定義輸入輸出變量。用同樣的方法組態(tài)所有變量（見圖5-4）。</p><p>　　5.2.3 組態(tài)畫面</p><p><b>　　(1) 建立新畫面</b></p&g

90、t;<p>　　單擊工程瀏覽器左側的“畫面”圖標，雙擊工作區(qū)“新建…”圖標，彈出“新畫面”對話框，輸入名稱點擊確定進入組態(tài)王的開發(fā)系統(tǒng)。</p><p>　　圖5-4 數據詞典中的變量列表</p><p>　　(2) 制作動態(tài)監(jiān)控畫面</p><p>　　利用工具箱中各畫圖工具繪制監(jiān)控系統(tǒng)界面，然后進行動畫連接。</p><p>

91、;　　(3) 編寫控制流程程序</p><p>　　雙擊工程瀏覽器左邊窗口“\文件\命令語言\應用程序命令語言”進行編程。</p><p>　　(4) 按鈕、指示燈組態(tài)</p><p>　　設定按鈕或文字鏈接的對象，按鈕既可以用來執(zhí)行某些命令，還可以輸入數據給某些變量，當和外部的一些智能儀表、PLC等進行連接時，會大大增加其數據傳輸的簡潔性；指示燈組態(tài)后用于顯示系統(tǒng)

92、的工作狀態(tài)。</p><p>　　5.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面</p><p>　　在本系統(tǒng)中，根據需要共開發(fā)了5個界面，包括啟動界面(包含系統(tǒng)所有菜單)、系統(tǒng)運行主界面、歷史和實時趨勢曲線、數據報表、報警界面。為了加強系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)還為不同的用戶設置了相應的權限。通過主菜單界面可以調用不同的界面，也可根據需要在系統(tǒng)運行主界面中改變壓力給定值。</p><p>　　

93、系統(tǒng)運行主監(jiān)控界面如圖5-5所示，主界面實時顯示了當前時間，設定的水壓值和當前水壓值，系統(tǒng)的自動/手動運行情況，三臺水泵變頻/工頻運行狀態(tài)、轉速、運行頻率，各設備的故障報警顯示等。</p><p>　　圖5-5 城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控界面</p><p><b>　　6總 結</b></p><p>　　本論文研究的是變頻恒壓供水系統(tǒng)，此系統(tǒng)

94、以變頻器與PLC為核心進行設計。PLC控制變頻器進行PID調節(jié)，同時變頻器輸出頻率值控制水泵的轉速。按實際情況設定壓力給定值，根據壓力變送器的反饋信號與設定值的壓差調整水泵的工作情況，實現恒壓供水。該系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果好以及動態(tài)響應速度快，更好的實現恒壓供水。</p><p>　　恒壓供水在日常生活中非常重要，基于PLC和變頻器技術設計的生活恒壓供水控制系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動態(tài)響應速度

95、快。因實現了恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，節(jié)省了人力，提高了供水質量，減輕了勞動強度，可實現無人值班，節(jié)約管理費用。對整個供水過程來說，系統(tǒng)的可擴展性好，管理人員可根據每個季節(jié)的用水情況，選擇不同的壓力設定范圍，不但節(jié)約了用水，而且節(jié)約了電能，達到了更優(yōu)的節(jié)能方式，實現供水的最優(yōu)化控制和穩(wěn)定性控制。</p><p>　　經過本次課設，我復習了變頻器與PLC的相關知識，將所學的知識運用到了實際的設計中，這令

96、我更直觀地了解變頻器的用途，也提高了我們動手動腦的能力。在遇到不會的問題的時候通過小組同學的相互討論和老師的幫助也使之迎刃而解。感謝老師和同學的幫助，使我通過做本次課設能有所提高。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李良仁.變頻調速技術與應用.北京：電子工業(yè)出版社，2004.12：85-92</p><p&g

97、t;　　[2] 吳忠智，吳加林。變頻器應用手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[3] 李白先，黃哲.變頻器使用技術與維修精要.北京：人民郵電出版社，2009.5：157-161</p><p>　　[4] 魏連榮.變頻器應用技術及實例解析.北京：化學工業(yè)出版社，2008.4：73-133</p><p>　　[5] 吳中俊，黃永紅.可編程序控

98、制器原理及應用.第二版.北京：機械工業(yè)出版社，</p><p><b>　　2004.4</b></p><p>　　[6] 廖常初.PLC編程及應用.北京：機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[7] 韓安榮.通用變頻器及其應用.北京：機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[8] 劉潤華.可編程序控制器