課程設(shè)計(jì)--變頻液位自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　本科生課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目： 變頻液位自動(dòng)控制系統(tǒng) </p><p>　　課 程： 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)

2、： 電氣 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p>

3、;<p>　　完成日期： </p><p><b>　　第 一 部 分</b></p><p><b>　　任</b></p><p><b>　　務(wù)</b></p><p><b>　　書&l

4、t;/b></p><p>　　電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　一、課程設(shè)計(jì)的目的</b></p><p>　　通過(guò)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、了解一般交直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程及設(shè)計(jì)要求，并鞏固交直流調(diào)速系統(tǒng)課程的所學(xué)內(nèi)容，初步具備設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。為今后從事技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。</p

5、><p><b>　　二、課程設(shè)計(jì)的要求</b></p><p>　　1、熟悉交直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)內(nèi)容以及設(shè)計(jì)程序的要求。</p><p>　　2、掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制圖的基本規(guī)范，熟練掌握電氣控制部分的新圖標(biāo)。</p><p>　　3、學(xué)會(huì)收集、分析、運(yùn)用自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)資料和數(shù)據(jù)。</p>

6、;<p>　　4、培養(yǎng)獨(dú)立工作能力、創(chuàng)造能力及綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力。</p><p><b>　　三、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容</b></p><p>　　完成某一給定課題任務(wù)，按給出的工藝要求、運(yùn)用變頻調(diào)速對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。</p><p>　　四、進(jìn)度安排： 共1.5周</p><p>　　本

7、課程設(shè)計(jì)時(shí)間共1.5周，進(jìn)度安排如下：</p><p>　　1、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備，熟悉有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，熟悉課題設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容。（1.5天）</p><p>　　2、分析控制要求、控制原理設(shè)計(jì)控制方案（1.5天）</p><p>　　3、繪制控制原理圖、控制流程圖、端子接線圖。（2天）</p><p>　　4、編制程序、梯形圖設(shè)計(jì)、程序調(diào)試說(shuō)明。（1.5

8、天）</p><p>　　5、整理圖紙、寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。（1.5天）</p><p>　　五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容</p><p>　　完成下列課題的課程設(shè)計(jì)及報(bào)告（課題工藝要求由課程設(shè)計(jì)任務(wù)書提供）</p><p>　　1、退火爐溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　2、變頻液位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><

9、;p>　　3、變頻流量自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4、變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　5、變頻調(diào)速恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　6、變頻器在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　7、線纜設(shè)備恒張力變頻器控制設(shè)計(jì)</p><p><b>　　六、參考書</b>&l

10、t;/p><p>　　1、陳伯時(shí)主編 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第二版) 機(jī)械工業(yè)出版社 1992</p><p>　　2、陳伯時(shí), 陳敏遜 交流調(diào)速系統(tǒng) 機(jī)械工業(yè)出版社 1998</p><p>　　3、張燕賓著 SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)   機(jī)械工業(yè)出版社 1997</p><p>　　4、王兆義主編 《可

11、編程控制器教程》 主編</p><p>　　5、徐世許主編 《可編程控制器教程原理、應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)》 主編</p><p>　　6、《工廠常用電氣設(shè)備手冊(cè)》（第2版）上、下冊(cè) 中國(guó)電力出版社</p><p><b>　　第 二 部 分</b></p><p><b>　　課</b></p

12、><p><b>　　程</b></p><p><b>　　設(shè)</b></p><p><b>　　計(jì)</b></p><p><b>　　報(bào)</b></p><p><b>　　告</b></p>

13、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)6 </p><p><b>　　（一）概述6 </b></p><p>　?。ǘ┫到y(tǒng)控制要求6 </p><p>　　（三）系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)7 </p><p&g

14、t;　　二 系統(tǒng)硬件選型8 </p><p>　　（一）PLC選型8 </p><p>　?。ǘ┳冾l器選型 10</p><p>　　（三）液位傳感器選型11 </p><p>　　三 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖12 </p><p>　?。ㄒ唬┲麟娐?2 </p><p&g

15、t;　　（二）PLC控制電路13 </p><p>　?。ㄈ┳冾l器控制電路13 </p><p>　　四 液位控制系統(tǒng)變頻器的節(jié)能控制分析…………………………………… 14 </p><p>　　五 PID原理分析及應(yīng)用16 </p><p>　　六 設(shè)計(jì)小結(jié)19 </p><p>

16、　　七 參考文獻(xiàn) 20</p><p>　　一、液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　（一）概述</b></p><p>　　隨著電力電子技術(shù)以及工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,使得交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)電機(jī)拖動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。另外,由于PLC的功能強(qiáng)大、容易使用、高可靠性,常常被用來(lái)作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。此處的設(shè)計(jì)

17、就是利用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)水池水位的控制。</p><p>　　變頻器技術(shù)是一門綜合性的技術(shù),它建立在控制技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上。它與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比,利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制,有許多優(yōu)點(diǎn),如節(jié)電、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換,可以進(jìn)行高額度的起停運(yùn)轉(zhuǎn),可以進(jìn)行電氣制動(dòng),可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)

18、行高速驅(qū)動(dòng)。完善的保護(hù)功能:變頻器保護(hù)功能很強(qiáng),在運(yùn)行過(guò)程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障,并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低,電網(wǎng)缺相,直流過(guò)電壓,功率模塊過(guò)熱,電機(jī)短路等),并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護(hù)”的功能,不僅保護(hù)了變頻器,還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。</p><p>　　本課題就是應(yīng)該P(yáng)LC和變頻器，設(shè)計(jì)液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。PLC的作用是運(yùn)用PID算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，而變頻器的作用則是最電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，最終達(dá)到維持

19、提氣塔液位穩(wěn)定的目的。</p><p><b>　　（二）系統(tǒng)控制要求</b></p><p>　　汽提塔液位自動(dòng)控制系統(tǒng)用浮子液位計(jì)、PLC與變頻器構(gòu)成反饋的閉環(huán)液位控制系統(tǒng)。用調(diào)節(jié)2.2KW化工泵轉(zhuǎn)速，保證廢水液位穩(wěn)定、滿足汽提塔的工藝要求、并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)處理情況自動(dòng)切換流量，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廢水處理要求。兩臺(tái)變頻器、兩臺(tái)化工泵一用一備（互為備用）保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠。汽提

20、塔液位實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　在廢水處理液位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用 PLC的PID 積分分離智能型PI調(diào)節(jié)控制、編程簡(jiǎn)單、控制可靠，適合于汽提塔液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。汽提塔液位控制穩(wěn)定、控制精度高、液位穩(wěn)定在20cm±1cm，滿足汽提塔液位控制要求。</p><p>　　圖1.1 汽提塔液位控制系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　（三）系統(tǒng)控制方案實(shí)現(xiàn)

21、</p><p>　　本系統(tǒng)恒壓變量供水系統(tǒng)是在2臺(tái)2.2ｋＷ電機(jī)拖動(dòng)的水泵機(jī)組能夠滿足廢水總量設(shè)計(jì)要求的前提下,達(dá)到全自動(dòng)閉環(huán)液位控制系統(tǒng),并具有手動(dòng)控制功能,同時(shí)還應(yīng)達(dá)到以下要求：液位穩(wěn)定在20cm±1cm，滿足汽提塔液位控制要求；具有短路、欠壓、過(guò)載、過(guò)流等諸多保護(hù)功能。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的總體原理圖以及系統(tǒng)的控制要求，可以初步構(gòu)建出液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)果框圖，

22、如圖1.2所示。</p><p>　　圖1.2 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　二、系統(tǒng)硬件選型</b></p><p><b>　?。ㄒ唬㏄LC的選型</b></p><p><b>　　1、機(jī)型的選擇 </b></p><p>

23、　　PLC機(jī)型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比的最優(yōu)化機(jī)型。在工藝過(guò)程比較固定、環(huán)境條件較好（維修量較?。┑膱?chǎng)合，建議選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC；其它情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC。對(duì)于開(kāi)關(guān)量控制以及以開(kāi)關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項(xiàng)目中，一般其控制速度無(wú)須考慮，因此，選用帶A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)就能滿足要求。而在控制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的工

24、程項(xiàng)目中（如要實(shí)現(xiàn)ＰＩＤ運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等），可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度來(lái)選用中檔或高檔機(jī)。其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過(guò)程控制、全PLC的分布式控制系統(tǒng)以及整個(gè)工廠的自動(dòng)化等。對(duì)于一個(gè)大型企業(yè)系統(tǒng)，應(yīng)盡量做到機(jī)型統(tǒng)一。這樣，同一機(jī)型的PLC模塊可互為備用，便于備品備件的采購(gòu)和管理；同時(shí)，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開(kāi)發(fā)；此外，由于其外部設(shè)備通用，資源可以共享，因此，配以上位計(jì)算機(jī)后即可把控制各獨(dú)

25、立系統(tǒng)的多臺(tái)PLC聯(lián)成一個(gè)多級(jí)分布式控制系統(tǒng)，這樣便于相互通信，集中管理。</p><p>　　2、輸入/輸出的選擇 </p><p>　　PLC的輸入/輸出選擇包括以下幾部分：</p><p><b>　　1）確定I/O點(diǎn)數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，應(yīng)再增加10%～20%

26、的備用量，以便隨時(shí)增加控制功能。對(duì)于一個(gè)控制對(duì)象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同，I/O點(diǎn)數(shù)也應(yīng)有所不同。</p><p>　　2）開(kāi)關(guān)量輸入/輸出</p><p>　　通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口可從傳感器和開(kāi)關(guān)（如按鈕、限位開(kāi)關(guān)等）及控制（開(kāi)/關(guān)）設(shè)備（如指示燈、報(bào)警器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等）接收信號(hào)。典型的交流輸入/輸出信號(hào)為24～240V，直流輸入/輸出信號(hào)為5～240V。</p

27、><p>　　3）模擬量輸入/輸出</p><p>　　模擬量輸入/輸出接口一般用來(lái)感知傳感器產(chǎn)生的信號(hào)。這些接口可用于測(cè)量流量、溫度和壓力，并可用于控制電壓或電流輸出設(shè)備。這些接口的典型量程為－10～＋10V、0～＋10V、4～20mA或10～50mA。</p><p>　　4）特殊功能輸人/輸出</p><p>　　5）智能式輸入/輸出<

28、;/p><p>　　3、PLC存儲(chǔ)器類型及容量選擇 </p><p>　　PLC系統(tǒng)所用的存儲(chǔ)器基本上由PROM、E-PROM及PAM三種類型組成，存儲(chǔ)容量則隨機(jī)器的大小變化，一般小型機(jī)的最大存儲(chǔ)能力低于6kB，中型機(jī)的最大存儲(chǔ)能力可達(dá)64kB，大型機(jī)的最大存儲(chǔ)能力可上兆字節(jié)。使用時(shí)可以根據(jù)程序及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要來(lái)選用合適的機(jī)型，必要時(shí)也可專門進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)充設(shè)計(jì)。</p><

29、;p>　　PLC的存儲(chǔ)器容量選擇和計(jì)算的第一種方法是：根據(jù)編程使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)精確計(jì)算存儲(chǔ)器的實(shí)際使用容量。第二種為估算法，用戶可根據(jù)控制規(guī)模和應(yīng)用目的，按照表4的公式來(lái)估算。為了使用方便，一般應(yīng)留有25%～30%的裕量，獲取存儲(chǔ)容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每條指令所用的字?jǐn)?shù)，用戶便可確定準(zhǔn)確的存儲(chǔ)容量。 </p><p><b>　　4、軟件選擇 </b></p&g

30、t;<p>　　在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，PLC的編程問(wèn)題是非常重要的。用戶應(yīng)當(dāng)對(duì)所選擇PLC產(chǎn)品的軟件功能有所了解。通常情況下，一個(gè)系統(tǒng)的軟件總是用于處理控制器具備的控制硬件的。但是，有些應(yīng)用系統(tǒng)也需要控制硬件部件以外的軟件功能。例如，一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)可能包括需要復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理操作的特殊控制或數(shù)據(jù)采集功能。指令集的選擇將決定實(shí)現(xiàn)軟件任務(wù)的難易程度。可用的指令集將直接影響實(shí)現(xiàn)控制程序所需的時(shí)間和程序執(zhí)行的時(shí)間。</p&

31、gt;<p>　　5、支撐技術(shù)條件的考慮 </p><p>　　選用PLC時(shí)，有無(wú)支撐技術(shù)條件同樣是重要的選擇依據(jù)。支撐技術(shù)條件包括下列內(nèi)容：</p><p><b>　　1）編程手段</b></p><p>　　2）進(jìn)行程序文本處理</p><p><b>　　3）程序儲(chǔ)存方式</b>

32、;</p><p><b>　　4）通信軟件包</b></p><p>　　6、PLC的環(huán)境適應(yīng)性 </p><p><b>　?。ǘ┳冾l器選型</b></p><p><b>　　1、變頻器簡(jiǎn)介</b></p><p>　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件

33、的通斷作用將工頻電電源變換為另一頻率的電能控制裝置?？煞譃榻弧蛔冾l器，交——直——交變頻器。交——交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電；交——直——交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，再經(jīng)過(guò)逆變器把這個(gè)直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。</p><p>　　為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個(gè)過(guò)程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）

34、的裝置，其科學(xué)術(shù)語(yǔ)為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對(duì)于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。</p><p>　　變頻器主要是由主電路、控制電路組成。主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，

35、其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。</p><p><b>　　2、變頻器選型</b></p><p>　　通用變頻器的選擇包括通用變頻器的型式選擇和容量選擇兩個(gè)方面，選擇的原則是：首先其功能特性能保證可靠地事項(xiàng)工藝要求，其次是獲得較

36、好的性能價(jià)格比。通用變頻器類型的選擇要根據(jù)負(fù)載特性進(jìn)行。對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇專用或普通功能型通用變頻器。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求的機(jī)械應(yīng)選用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型通用變頻器，這種通用變頻器低速轉(zhuǎn)矩、靜態(tài)機(jī)械特性硬度大，不怕負(fù)載沖擊，具有挖土機(jī)特性。為了實(shí)現(xiàn)大調(diào)速比的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，常采用加大通用變頻器容量的辦法。對(duì)于要求精度高、動(dòng)態(tài)性能好、速度響應(yīng)快的生產(chǎn)機(jī)械（如造紙機(jī)械、注塑機(jī)、軋鋼

37、機(jī)等），應(yīng)采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制型通用變頻器。此次課程設(shè)計(jì)選擇兩臺(tái)變頻器，互為備用，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。變頻器選FR—E540—2.2KW三菱變頻器。</p><p>　?。ㄈ┮何粋鞲衅鬟x型</p><p>　　選用UHZ系列磁性浮子液位變送器。液位計(jì)由現(xiàn)場(chǎng)指示、液位報(bào)警器和液位遠(yuǎn)程傳裝置三部分組成?；拘透鶕?jù)磁性浮子在液體中產(chǎn)生浮力和磁鋼同性相斥，異性相吸的性質(zhì)研制而成。</p

38、><p>　　根據(jù)上述原理，將液位的變化線性量經(jīng)磁傳遞給現(xiàn)場(chǎng)指示器，液位為紅色，氣相為白色。液位遠(yuǎn)傳裝置由磁性材料將液位的變化性的轉(zhuǎn)換直流4。20mA的電流信號(hào)，傳給二次儀表實(shí)現(xiàn)液位的遠(yuǎn)傳、測(cè)量、控制和記錄。</p><p>　　本裝置采用UHZ系列磁性浮子液位變送器：量程(0～550mm)；輸出信號(hào)范圍；電流輸出為4～20mA。指示精度120℃。±5mm。</p>&

39、lt;p>　　三、液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖</p><p><b>　　（一）主電路</b></p><p>　　控制系統(tǒng)共有兩臺(tái)電機(jī)，其控制電路的主電路圖如下：</p><p><b>　　圖3.1 主電路</b></p><p>　　（二）PLC控制電路</p><p

40、>　　PLC控制器是電路整個(gè)系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著系統(tǒng)的流程的控制，它要介紹來(lái)自傳感器以及其他的信息，根據(jù)這些信號(hào)對(duì)電機(jī)發(fā)出控制命令，從而完成系統(tǒng)功能。其控制電路圖如圖3.2。</p><p>　　圖3.2 PLC接線圖</p><p>　　（三）變頻器控制電路</p><p>　　變頻器的作用是用于電機(jī)的起、停和調(diào)速控制，其控制電路圖圖3.3。</p>

41、;<p>　　圖3.3 變頻器控制電路接線圖</p><p>　　四、液位控制系統(tǒng)變頻器的節(jié)能控制分析</p><p>　　隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電機(jī)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。由于揚(yáng)水較高且電機(jī)一直高速運(yùn)行，因此電能消耗較大，目前的水費(fèi)成本中，電費(fèi)比例達(dá) 50%以上。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能越來(lái)越強(qiáng)，充分利用變頻器固有的各種功能，進(jìn)行變頻調(diào)速恒壓供水，對(duì)降低供水運(yùn)行

42、成本，保證供水質(zhì)量和穩(wěn)定性等都有非常重要的意義。恒壓供水是指不管用戶段用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位用戶的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，由 PLC 根據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋壓力信號(hào)，通過(guò)模糊推理運(yùn)算，控制變頻器進(jìn)行水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而控制管網(wǎng)水壓。</p><p>　　變頻調(diào)速節(jié)能原理分析：</p><p>　　1、交流電機(jī)變頻調(diào)速原理<

43、;/p><p>　　根據(jù)電磁感應(yīng)原理，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足下式：</p><p>　　n0＝60f/P（同步電動(dòng)機(jī)） (1)</p><p>　　n=(1－S)f/P（異步電動(dòng)機(jī)） (2)</p><p><b>　　式中：</

44、b></p><p>　　n0—電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速</p><p><b>　　n—電動(dòng)機(jī)異步轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　P—電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)</p><p><b>　　f—交流電源頻率</b></p><p><b>　　S—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率</b&g

45、t;</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著電源頻率 f、電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)P、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率 S（異步電動(dòng)機(jī)）變化。由于電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù) P 只能有級(jí)調(diào)節(jié)并且調(diào)整量有限，因此調(diào)速范圍有限，從而使其應(yīng)用受到限制。而使用過(guò)大的轉(zhuǎn)差率調(diào)速顯然是不經(jīng)濟(jì)的，對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率</p><p>　　因數(shù)及效率的影響也很大，故應(yīng)用范圍十分有限。變頻調(diào)速則通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的輸入頻率改變其空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度達(dá)到速度調(diào)節(jié)的

46、目的，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著電源頻率的變化而改變，電源頻率 f 增加，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之增加，反之則下降。變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)了在不影響電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能前提下的速度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速或恒功率調(diào)速等調(diào)速方式，因此受到工業(yè)界的廣泛重視，應(yīng)用案例越來(lái)越多。</p><p>　　2、水泵特性分析及節(jié)能原理</p><p>　　根據(jù)流體力學(xué)原理，在管徑一定的條件下，管道流量 Q 與水泵轉(zhuǎn)速 n 成正比；揚(yáng)程 H

47、 與轉(zhuǎn)速平方(n2)成正比，而電機(jī)軸功率 P 與轉(zhuǎn)速的三次方(n3)成正比。可見(jiàn)當(dāng)流量?jī)H下降到 80%時(shí)需要的功率 P將下降到額定功率的 50%(0.83≈0.5)左右，當(dāng)流量下降到 50%時(shí)需要的功率 P2 僅為額定功率的13%．圖 2 是水泵特性曲線。若要求恒壓于 HA，當(dāng)流量 QA變小至 Q1時(shí)，如果水泵轉(zhuǎn)速不變，壓力會(huì)上升至 B1，壓力傳感器輸出壓力上升信號(hào)，經(jīng)智能調(diào)節(jié)器分析運(yùn)算后輸出轉(zhuǎn)速下降信號(hào)給調(diào)速電機(jī)的變頻控制器，調(diào)速電機(jī)

48、轉(zhuǎn)速隨即從 n0降低至 n1（B點(diǎn)），使管網(wǎng)壓力維持在 HA；同理，當(dāng)流量變化至Q2 時(shí)，壓力升至 C1 點(diǎn)而調(diào)速電機(jī)隨即降低轉(zhuǎn)速至n2（C 點(diǎn)），仍保持恒壓 HA，從而實(shí)現(xiàn)了水泵自動(dòng)恒壓變流量供水。</p><p>　　可見(jiàn)調(diào)速控制變載水泵具有顯著的節(jié)電效果。利用變頻器可以根據(jù)電機(jī)負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、平滑地增速或減速，基本保持異步電機(jī)固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點(diǎn)，具有效率高、范圍寬、精度高且能無(wú)級(jí)變速的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)于水

49、泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備是很適用的。夜間供水量急劇減少時(shí)，可方便地設(shè)定每日休眠工作的起始/停止時(shí)刻，并可設(shè)定休眠時(shí)的壓力給定值。休眠期間，變頻器監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力，當(dāng)壓力低于設(shè)定植時(shí)，系統(tǒng)被自動(dòng)喚醒，變頻泵投入工作；壓力高于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有休眠水泵運(yùn)行，這樣能最大限度地節(jié)水節(jié)電。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低 20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)（20～40）%。同時(shí)，通過(guò)采用變頻器控制，可在不同季節(jié)、節(jié)假

50、日、白天和晚上及上下班等時(shí)間全面調(diào)控水量。　</p><p>　　3 、節(jié)能及經(jīng)濟(jì)效益分析</p><p>　　在實(shí)際運(yùn)行中，如按比較保守的數(shù)字測(cè)算，以年平均節(jié)電 30%計(jì)算，一臺(tái) 22kW 的水泵應(yīng)用變頻調(diào)速設(shè)備后可節(jié)電：　</p><p>　　22×30%×24×365=57816（kWh）</p><p>

51、　　按電費(fèi)單價(jià) 0.60 元/kWh 計(jì)算，年可節(jié)約電費(fèi)　</p><p>　　57816×0.60=3.469（萬(wàn)元）　</p><p>　　若一套 22kW 的變頻調(diào)速系統(tǒng)裝置投資及配套的改造費(fèi)按 6.36 萬(wàn)元計(jì)算，則投資回收年限為：　</p><p>　　6.36÷3.469= 1.83（年）　</p><p>　

52、　即在不到二年的時(shí)間內(nèi)即可通過(guò)節(jié)電產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益而收回投資．在此數(shù)據(jù)中尚不包括漏損率、爆管率和搶修費(fèi)用下降等產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。</p><p>　　五、PID原理分析及應(yīng)用</p><p>　　此次課程設(shè)計(jì)要求使用采用PLC的PID 積分分離智能型PI調(diào)節(jié)控制。</p><p>　　在廢水處理液位自動(dòng)控制系統(tǒng)中，由異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心水泵的動(dòng)態(tài)特性具有非線性，

53、多參數(shù)等特點(diǎn)，同時(shí)由于管道長(zhǎng)度，機(jī)械阻力以及信號(hào)延遲等原因，使得液位被控對(duì)象有明顯的純滯后。對(duì)于本廢水處理控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一方面對(duì)液位的控制精度要求較高，汽提塔廢水處理量變化較大對(duì)控制器的魯棒性要求較高，經(jīng)過(guò)反復(fù)比較觀察現(xiàn)場(chǎng)的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用PLC的PID積分分離智能型PI調(diào)節(jié)控制、編程簡(jiǎn)單、控制可靠，適合于汽提塔液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)行表明汽提塔液位控制穩(wěn)定、控制精度高、液位穩(wěn)定在20cm±1cm，完全滿足汽提塔液位控制要求。

54、液位PID控制系統(tǒng)的原理圖如圖所示：</p><p>　　圖5.1 液位PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　PID控制中，比例控制是建立與設(shè)定值（SV）相關(guān)的比例帶的一種運(yùn)算，并根據(jù)偏差比例帶求得運(yùn)算值（控制輸出量），從而使控制平滑沒(méi)有振蕩。積分控制用于自動(dòng)修正靜差。其中，積分強(qiáng)度用設(shè)置積分時(shí)間表示，積分時(shí)間值越小，積分運(yùn)算的校正作用越強(qiáng)。</p><p>

55、;　　通過(guò)PI數(shù)字控制器，在過(guò)程的啟動(dòng)，結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會(huì)造成PI運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大超調(diào)，甚至引起振蕩，同時(shí)也增大了調(diào)節(jié)時(shí)間。在控制對(duì)象有呆滯時(shí)間控制中，此現(xiàn)象更明顯。因此在汽提塔采用積分分離的PI控制，在起停階段或流量大幅變化時(shí)，只加比例，取消積分校正。而當(dāng)實(shí)際液位與給定液位的誤差小于一定值時(shí)，則回復(fù)積分校正作用，以消除液位系

56、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差?？筛纳葡到y(tǒng)的控制性能，減少超調(diào)量，縮短調(diào)整時(shí)間。</p><p>　　在本系統(tǒng)利用PLC的簡(jiǎn)單、直觀的梯形圖編程功能，可以方便地確定積分分離PI控制進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速智能PI液位控制。即控制輸出值進(jìn)入飽和時(shí)，去掉積分作用，這時(shí)將積分時(shí)間設(shè)置為最大值，可使系統(tǒng)迅速退出飽和狀態(tài)。而積分分離限在上層的組態(tài)軟件中進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　圖5.2 積分分離的PID控制<

57、;/p><p><b>　　分離限設(shè)置如下：</b></p><p>　　積分限高分離=塔－液位設(shè)定值*1.05</p><p>　　積分限低分離=塔－液位設(shè)定值*0.90</p><p>　　PLC根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的采集數(shù)據(jù)和設(shè)定值（SV），以及PI參數(shù)對(duì)偏差進(jìn)行比例和積分計(jì)算，求出合適的輸出值，進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，使控制量控制在設(shè)定值

58、的附近。</p><p><b>　　六、小結(jié)</b></p><p>　　為期一周半的課程設(shè)計(jì)很快就解說(shuō)了，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)變頻器的性能和應(yīng)用有了進(jìn)一步的了解，初步掌握了電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)自己思考，動(dòng)手實(shí)踐，我對(duì)電力拖動(dòng)的控制理論有了更為深刻的理解，使在之前學(xué)到的書本只是得到了鞏固。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)，我對(duì)PLC的應(yīng)用和計(jì)

59、算機(jī)控制技術(shù)有了更多的了解。之前我們學(xué)習(xí)的知識(shí)基本都是純理論的，這次的課程設(shè)計(jì)，將PLC、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力拖動(dòng)的知識(shí)有效地聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)實(shí)際的設(shè)計(jì)和分析，使得自己更好的掌握了相關(guān)的知識(shí)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中我也遇到了很多問(wèn)題，之前并沒(méi)有系統(tǒng)的去學(xué)過(guò)變頻器的工作原理及其相關(guān)的應(yīng)用，所以必須要學(xué)習(xí)變頻器的相關(guān)知識(shí)，尤其是變頻器的使用。當(dāng)然，在此過(guò)程中，我請(qǐng)教了老師和同學(xué)，使我在短時(shí)間內(nèi)初步掌握了相關(guān)知識(shí)，如期完成了課程設(shè)計(jì)。</p>

60、<p>　　這次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了不少的東西，可以說(shuō)是收益匪淺，在課程設(shè)計(jì)中，兩位老師給了我們悉心的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)表示感謝。</p><p><b>　　七、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳伯時(shí)主編 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第二版) 機(jī)械工業(yè)出版社 1992</p><p>　　[2] 陳伯時(shí), 陳敏遜

61、 交流調(diào)速系統(tǒng) 機(jī)械工業(yè)出版社 1998</p><p>　　[3] 張燕賓著 SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)   機(jī)械工業(yè)出版社 1997</p><p>　　[4] 王兆義主編 《可編程控制器教程》 主編</p><p>　　[5] 徐世許主編 《可編程控制器教程原理、應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)》 主編</p><p&