恒壓供水系統(tǒng)的設計畢業(yè)論文

恒壓供水系統(tǒng)的設計畢業(yè)設計開題報告一、 課題設計（論文）目的及意義變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，變頻控制技術(shù)的進步不僅僅是異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、易于維護等優(yōu)點，更主要的是采用變頻調(diào)速技術(shù)的異步電動機的機械特性達到了直流電動機調(diào)壓調(diào)速的特性。由于計算機技術(shù)的介入，使得變頻器具有豐富的功能和方便好用的特點，因此人們才有可能按照實際要求，自行構(gòu)成一個適用和可靠的調(diào)速系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻調(diào)速恒壓供水設備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。二、課題設計（論文）提綱1、恒壓供水系統(tǒng)技術(shù)指標分析2、硬件電路設計3、軟件設計4、總體調(diào)試三、課題設計（論文）思路、方法及進度安排設計思路：詳細分析設計要點及參數(shù)確定，系統(tǒng)的工藝要求，對主要元器件選型。根據(jù)工藝要求進行硬件設計和軟件設計進度安排1-2周，根據(jù)任務書搜集資料，方案論證，寫開題報告，制定元器件購買計劃及預算；3-4周，電路設計，電路組裝、調(diào)試、成型5-6周，整理論文材料，畢業(yè)答辯。四、課題設計（論文）參考文獻；1 袁任光.可編程控制器選用手冊,北京:機械工業(yè)出版社,2002.2 陳宇.可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧,廣州:華南理工大學出版社,1999.3 馬云峰、徐群嶺.PLC的PID功能在恒壓供水系統(tǒng)中的應用,濰坊:濰坊高等?？茖W校.4 FX-20MX可編程控制器操作手冊及編程手冊5 YASKAWA CIMRG7變頻器用戶手冊、產(chǎn)品目錄、編程手冊6 滑海穗、郎宏仁.可編程控制全自動恒壓供水系統(tǒng),哈爾濱:哈爾濱市自來水公司.7 陳少波.帶PID功能的變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應用,廣東:廣東汕頭大學機電系.8 韓焱青.PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，武漢化工學院學報 2000年04期 恒壓供水系統(tǒng)的設計內(nèi)容摘要：本文主要針對當前供水系統(tǒng)中存在的自動化程度不高、能耗嚴重、可靠性低的缺點加以研究，開發(fā)出一種新型的并在這三個方面都有所提高的PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。全文共分為五章。第一章闡明了恒壓供水系統(tǒng)的應用背景、選題意義及主要研究內(nèi)容。第二章對本系統(tǒng)的總體方案進行了介紹，其中包括系統(tǒng)的工藝要求，系統(tǒng)的組成和基本工作原理以及主要元器件的選型。第三章著重寫控制系統(tǒng)的硬件部分的基本原理。第四章介紹了系統(tǒng)的軟件開發(fā)工作，對PLC程序做了詳細描述并介紹了過程控制中占據(jù)重要地位的PID調(diào)節(jié)原理及參數(shù)設置依據(jù)，方法。第五章是項目調(diào)試和小結(jié)部分，給出了調(diào)試結(jié)果。本論文綜合運用了可編程控制器（PLC）、變頻器、PID調(diào)節(jié)儀、傳感器等現(xiàn)代工業(yè)控制常用的控制部件及其相關(guān)程序設計方法。所做的研究對同類系統(tǒng)的研究和開發(fā)具有一定的參考價值。關(guān)鍵詞：可編程序控制器 變頻器 PID目錄第一章 緒論- 6 -1.1 課題的意義及應用背景- 6 -1.2 本文研究的內(nèi)容- 7 -第二章 恒壓供水原理及系統(tǒng)的技術(shù)指標- 8 -2.1 任務- 8 -2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標- 8 -2.3 系統(tǒng)的組成和基本工作原理- 8 -2.4 主要元器件選型- 8 -第三章 硬件的基本原理及其應用- 9 -3.1 PLC可編程控制器(FXos20MR)- 9 -3.1.1 可編程控制器的特點- 9 -3.1.2 可編程控制器的工作原理- 10 -3.2 變頻器的原理與特性(CIMRG7)- 13 -3.2.1變頻器簡介- 13 -3.2.2變頻與變壓(VVVF)原理- 13 -3.2.3變頻調(diào)速的基本原理- 14 -3.2.4變頻調(diào)速的升速和啟動- 14 -3.2.5變頻調(diào)速的降速和制動- 15 -3.2.6變頻后的電動機的機械特性:- 15 -3.2.7 V/F控制的概念:- 16 -3.2.8矢量控制的概述- 17 -3.2.9 CIMRG7的特性- 18 -3.3 PID調(diào)節(jié)儀- 20 -3.3.1 PID調(diào)節(jié)原理- 20 -3.3.2 PID參數(shù)設置- 22 -3.3.3 PID設定值的調(diào)整- 23 -第四章 軟件設計- 24 -4.1 PLC程序- 24 -4.1.1基本步驟- 25 -4.1.2 程序中使用的繼電器- 25 -4.1.3程序流程- 26 -4.2PLC程序的運行和模擬調(diào)試- 27 -4.3系統(tǒng)總體調(diào)試- 28 -致 謝- 29 -參考文獻- 29 -第一章 緒論1.1 課題的意義及應用背景在我國，節(jié)電節(jié)水的潛力非常大。據(jù)有關(guān)國際組織發(fā)表的資料顯示:中國的單位國民經(jīng)濟總產(chǎn)值所消耗的電是美國、德國等的4倍左右，消耗的水是他們的2倍左右。我國的大量用電設備中，風機和泵類電機的耗電量占全國發(fā)電量的50%左右,若推廣新型電機調(diào)速技術(shù),可節(jié)電40%左右,即可以節(jié)約全國發(fā)電量的1/5.由于我國人均占有水、電資源相對于別國又少很多,因此,在我國一方面水電供應緊張,而另一方面,水電的浪費又十分驚人.節(jié)電節(jié)水,不僅潛力巨大,而且意義深。變頻控制技術(shù)的進步不僅僅是異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、易于維護等優(yōu)點，更主要的是采用變頻調(diào)速技術(shù)的異步電動機的機械特性達到了直流電動機調(diào)壓調(diào)速的特性。由于計算機技術(shù)的介入，使得變頻器具有豐富的功能和方便好用的特點，因此人們才有可能按照實際要求，自行構(gòu)成一個適用和可靠的調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻調(diào)速恒壓供水設備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)主要有：(1)帶PID回路調(diào)節(jié)器和/或可編程序控制器(PLC)的控制系統(tǒng)在該系統(tǒng)中，變頻器的作用是為電動機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓可控。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓；壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值；壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計算，輸給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調(diào)節(jié)器，由后者進行運算后，輸給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。 (2)新型變頻調(diào)速供水設備針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)供水設備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新產(chǎn)品，如華為的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切換卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB公司的ACS600、ACS400系列，富士公司的G11S/P11S系列等。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存儲容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。(3)供水專用變頻器供水專用變頻器是將普通變頻器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一體化的系統(tǒng)，內(nèi)置供水專用PID調(diào)節(jié)器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口，而壓力設定既可使用變頻器的鍵盤設定，也可采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設定多段壓力運行，以適應供水壓力的需要。也可設定指定日供水壓力。1.2 本文研究的內(nèi)容 本文設計了一個以可編程控制器(PLC)為控制核心，CIMRG7系列變頻器為執(zhí)行元件，采用PID 調(diào)節(jié)儀控制水泵電機轉(zhuǎn)速，即可調(diào)節(jié)出口管網(wǎng)壓力，使之達到用戶期望的恒定壓力的系統(tǒng)。其中主要內(nèi)容包括恒壓供水原理，PLC原理，變頻調(diào)速原理，通過設置幾個主要器件I/O參數(shù)，實現(xiàn)PLC，變頻器，壓力傳感器之間的通訊、控制功能。第二章 恒壓供水原理及系統(tǒng)的技術(shù)指標2.1 任務 用PLC，變頻器，PID調(diào)節(jié)儀，壓力傳感器及低壓部件組成PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)，并使系統(tǒng)達到工藝要求的性能指標。2.2 系統(tǒng)技術(shù)指標 出口管網(wǎng)壓力：恒定在400KPa（4公斤）左右，可調(diào)水泵運行時間：全天候長期運行2.3 系統(tǒng)的組成和基本工作原理系統(tǒng)由水泵機組、變頻器，控制柜（內(nèi)含PID控制器、PLC低壓電器和變頻器）、壓力傳感器、管路系統(tǒng)等構(gòu)成。系統(tǒng)控制75KW水泵2臺，基本工作原理：水路管網(wǎng)壓力低時，變頻器啟動1#泵，至全速運行一段時間后，由遠傳壓力表來的壓力信號仍未到達設定值時，PLC控制1#泵由變頻切換到工運行，然后變頻啟動2#泵運行，據(jù)管網(wǎng)壓力情況隨機調(diào)整2#泵的轉(zhuǎn)速，來達到恒壓供水的目的。當用水量變小，管網(wǎng)壓力變高時，2#泵降為零速時，管網(wǎng)壓力仍高，則PLC控制停掉1#工頻泵，由2#泵實施恒壓供水。至管網(wǎng)壓力又低時，將2#泵由變頻切為工頻運行，變頻器啟動1#泵，調(diào)整1#泵的轉(zhuǎn)速，維修恒壓供水。如此循環(huán)不已。2.4 主要元器件選型PLC：FXos20MR（三菱）變頻器：CIMRG7(安川) 壓力傳感器：TGK（意大利）PID調(diào)節(jié)儀：JC33A（日本神港）其他低壓配件選擇施耐德品牌為主第三章 硬件的基本原理及其應用3.1 PLC可編程控制器(FXos20MR)1969年，在美國出現(xiàn)第一臺可編程序邏輯控制器（Programmable Logic ControllerPLC）以來，經(jīng)過30多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為一種最重要、高可靠性、應用場合最多的工業(yè)控制微型計算機。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC以微處理器為核心，適用于開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量的控制，它已進入過程控制和位置控制等場合的控制領(lǐng)域。目前，可編程序控制器既保留了原來可編程序邏輯控制器的所有優(yōu)點，又吸收和發(fā)展了其他控制裝置的優(yōu)點，包括計算機控制系統(tǒng)、過程儀表控制系統(tǒng)、集散系統(tǒng)、分散系統(tǒng)等。在許多場合，可編程序控制器可以構(gòu)成各種綜合控制系統(tǒng)，列如構(gòu)成邏輯控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)、圖形工作站等等。3.1.1 可編程控制器的特點1可靠性高。由于可靠性是用戶選用的首位依據(jù)，因此，每個PLC生產(chǎn)廠都將可靠性作為第一指標而加以研制，以單片機為核心，在硬件和軟件上采取大量的抗干擾措施，使PLC的平均無故障時間達到30萬小時以上，使用壽命更長。2控制功能強。PLC具有邏輯判斷、計數(shù)、定時、步進、跳轉(zhuǎn)、移位、記憶、四則運算和數(shù)據(jù)傳送等功能，可以實現(xiàn)順序控制、邏輯控制、位置控制和過程控制等。3編程方便，易于使用。PLC采用與繼電器電路相似的梯形圖編程，比較直觀，易懂易編，深受電氣技術(shù)人員和電工的歡迎，容易推廣應用。PLC可取代原繼電器控制系統(tǒng)，有利于對老設備的技術(shù)改造。4使用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，抗干擾能力強。5具有各種接口，與外部設備連接非常方便。6采用積木式結(jié)構(gòu)或模塊式結(jié)構(gòu)，具有較大的靈活性和可擴展性，擴展靈活方便。7維修方便。PLC上有I/O指示燈（LED），哪個I/O元件有故障，一目了然。8可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求或運行情況，隨時對程序進行在線修改，不用更改硬接線，靈活性大，適應性強。3.1.2 可編程控制器的工作原理一、PLC的等效工作電路PLC是一種微機控制系統(tǒng)，其工作原理也與微機相同，但在應用時，可不必用計算機的概念去做深入的了解，只需將它看成是由普通的繼電器、定時器、計數(shù)器、移位器等組成的裝置，從而把PLC等效成輸入、輸出和內(nèi)部控制電路三部分，如下圖所示。1輸入部分這部分的作用是接受被控設備的信息或操作命令等外部輸入信息。輸入接線端是PLC與外部的開關(guān)、按鈕、傳感器轉(zhuǎn)換信號等連接的端口。每個端子可等效為一個內(nèi)部繼電器線圈，線圈號即輸入接點號，這個線圈由接收到的輸入端的外部信號來驅(qū)動，其驅(qū)動電源可由PLC的電源部件提供(如直流24V)，也可由獨立的交流電源(如交流110V)供給。每個輸入繼電器可以有無窮多個內(nèi)部觸點(動合、動斷形式均可)(這里使用的是計算機的“COPY”概念)，供設計PLC的內(nèi)部控制電路(即編制PLC控制程序)時使用。2內(nèi)部控制電路這部分的作用是運算和處理由輸入部分得到的信息，并判斷應產(chǎn)生哪些輸出。內(nèi)部控制電路實際上也就是用戶根據(jù)控制要求編制的程序。PLC程序一般用梯形圖形式表示。而梯形圖是從繼電器控制的電氣原理圖演變而來的，PIC程序中的動合、動斷觸點、線圈等概念均與繼電器控制電路相同。3輸出部分 這部分的作用是驅(qū)動外部負載。在PLC內(nèi)部，有若干能與外部設備直接相連的輸出繼電器(有繼電器、雙向硅、晶體管三種形式)，它也有無限多軟件實現(xiàn)的動合、動斷觸點，可在PLC內(nèi)部控制電路中使用；但對應每一個輸出端只有一個硬件的動合觸點與之相連，用以驅(qū)動需要操作的外部負載；如圖23所示。外部負載的驅(qū)動電源接在輸出公共端(COM)上。 二、PLC的工作過程 PLC一般采用循環(huán)掃描方式工作。當PLC加電后，首先進行初始化處理，包括清除IO及內(nèi)部輔助繼電器、復位所有定時器、檢查I/O單元的連接等。開始運行之后，串行地執(zhí)行存貯器中的程序，這個過程可以分為如下四個階段。 1公共處理階段這部分在每次循環(huán)開始都要被執(zhí)行，包括復位系統(tǒng)定時器、檢查程序存貯器、檢查IO總線、檢查掃描時間等。如出現(xiàn)異常情況，則通過自診斷給出故障信號，或自行進行相應的處理，這將有助于及時發(fā)現(xiàn)或提前預報系統(tǒng)的故障，提高系統(tǒng)的可靠性。 2執(zhí)行外圍設備命令階段 當有簡易編程器、圖形編程器、打印機等外部設備與PLC相連時，則PLC在每次循環(huán)時，都將執(zhí)行來自外部設備的命令。 3程序執(zhí)行階段 在這個階段，CPU將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，即按程序?qū)λ械臄?shù)據(jù)(輸入和輸出的狀態(tài))進行處理，包括邏輯、算術(shù)運算，再將結(jié)果送到輸出狀態(tài)寄存器。 4輸入、輸出更新階段 PLC的CPU在每個掃描周期進行一次輸入來進行輸出更新。CPU對各個輸入端進行掃描，并將輸入端的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中；同時，把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過輸出部件轉(zhuǎn)換成外部設備能接受的電壓或電流信號，以驅(qū)動被控設備。這種對輸入、輸出狀態(tài)的集中處理過程，稱為批處理，這是PLC工作的重要特點。 三、PLC的I/O響應時間 用PLC設計一個控制系統(tǒng)時必須知道有了一個輸入信號后PLC經(jīng)過多長時間才能有一個對應的輸出信號，否則，就不能正確并精確地解決系統(tǒng)各部件之間的配合問題。從PLC的工作過程可知當PLC工作在程序執(zhí)行階段時，既使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，即輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容發(fā)生變化，CPU執(zhí)行的輸入信號也不會變化，而要到下個周期的輸入、輸出更新階段，才能有效。同理，暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號，也要等到下個掃描周期的輸入、輸出更新階段，才能集中輸出給輸出部件。從PLC收到一個輸入信號到PLC向輸出端輸出一個控制信號所需的時間，就是PLC的IO響應時間。響應時間是可變的，例如，在一個掃描周期的IO更新階段開始前瞬間收到一個輸入信號，則在本周期內(nèi)該信號就起作用了，這個響應時間最短，它是輸入延遲時間、個掃描周期時間、輸出延遲時間三者之和，如下圖所示。如果在一個掃描周期的IO更新階段剛過就收到一個輸入信號，則該信號在本周期內(nèi)不能起作用，必須等到下一個掃描周期才能起作用，這時響應時間最長，它等于輸入延遲時間、二個掃描周期時間與輸出延遲時間三者之和，如下圖所示。 應用：在本系統(tǒng)中主要用起控制電氣開關(guān)作用，控制該系統(tǒng)中的邏輯電平。并且手動控制兩臺電機的起停。 3.2 變頻器的原理與特性(CIMRG7)3.2.1變頻器簡介變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd,逆變器將直流Ud變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機進行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。電流型交一直一交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。3.2.2變頻與變壓(VVVF)原理當在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的過程中，當頻率f下降時，定子繞組的反電動勢E有所下降，定子電流增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通增大。增加將導致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果，因此希望可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用VVVF表示。怎樣實現(xiàn)VVVF是變頻器必須解決的重要課題之一。VVVF實施的基本方法包括:脈幅調(diào)制(PAM)和脈寬調(diào)制(PWM)。(1)脈幅調(diào)制(PAM)實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調(diào)節(jié)兩個部分:整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關(guān)系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。(2)脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)方法就是在每半個周期內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。PWM只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與PAM相比控制電路簡化了許多，因此在變頻調(diào)速中比較常用。3.2.3變頻調(diào)速的基本原理異步電動機的等效變換異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式： 其中:P為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率。(2)變頻調(diào)速的原理異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場實際是三個交變磁場合成的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速 (即所謂的“異步，)。兩者之間的差異可由轉(zhuǎn)差率表示，轉(zhuǎn)差率s=(-)/根據(jù)=60f/p可知，當頻率f連續(xù)可調(diào)時，電動機的同步轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)，而異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，總是比同步轉(zhuǎn)速略低一點，所以當連續(xù)可調(diào)時，也是連續(xù)可調(diào)。3.2.4變頻調(diào)速的升速和啟動由于異步電動機在額定頻率和電壓下直接啟動時，其繞組以同步轉(zhuǎn)速切割旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子電流都很大，其啟動電流可達額定電流的4-7倍。這將對電源形成沖擊，引起電網(wǎng)電壓的波動；而且啟動過程過于快捷，常常對機械負載形成沖擊，影響其使用壽；在泵水管道系統(tǒng)中，還會引發(fā)水錘效應，使管道受到損害。使用變頻器后，由于其輸出頻率可以從很低頻率開始，頻率上升的快慢可以任意設定，從而可以有效地將啟動電流限制在一定的范圍內(nèi)。設定升速時間的基本原則:在電動機的啟動電流不超過允許值的前提下，盡可能地縮短升速時間。本次系統(tǒng)能夠中啟動時間設定為30s，并且負載升速方式選擇半S型。3.2.5變頻調(diào)速的降速和制動在泵水管道系統(tǒng)中，由于水的阻尼作用，電動機的轉(zhuǎn)速能夠十分迅速地降下來，而不會引起再生制動的過電流和過電壓，但是降速太快，會導致管道系統(tǒng)出現(xiàn)“空化現(xiàn)象”，對管道有害無益，甚至會損害管道。因此，在降速停機時應設定足夠的降速時間，使轉(zhuǎn)速緩慢下降，從而保護管道。在本系統(tǒng)中降速時間設定為30s。3.2.6變頻后的電動機的機械特性: 設變頻后的頻率為，電壓為，電動機的額定相電壓和頻率為和，則有其中為頻率可調(diào)比，為電壓可調(diào)比。將上述兩個公式代入異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式可得變頻后的轉(zhuǎn)矩公式：其中：為頻率為時的轉(zhuǎn)差率。在變頻器正常工作情況下，即<1時的機械特性入下圖所示由圖可知隨著f的下降，臨界轉(zhuǎn)矩逐漸減少，電動機的帶負載能力也隨之下降。這無疑給變頻調(diào)速帶來了瑕點。所以如何改變變頻后的機械特性就成了關(guān)注的焦點。在這里我們采用V/F控制方法。3.2.7 V/F控制的概念:(1)基本思想針對時，當頻率下降，在中所占的比例增大，造成了和下降的情況，采取適當提高調(diào)壓比而使的方法，來抵償比值的增大，從而保持，最終使電動機的臨界轉(zhuǎn)矩得到補償。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補償，因為是通過提高U/F比而得到，故又稱為V/F控制或電壓補償。(2)完全補償U/f線完全補償?shù)暮x是，不論多大(在的范圍內(nèi))，通過補償都能使臨界轉(zhuǎn)矩與額定頻率時的臨界轉(zhuǎn)矩相等，簡稱全補償。此時的關(guān)系如下:由上式作出的的曲線通常稱為U/f線。滿足上式的機械特性曲線在所有頻率下的臨界轉(zhuǎn)矩都與相等。新系列的變頻器一般都提供了設置自動轉(zhuǎn)矩補償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動地決定補償?shù)某潭取?.2.8矢量控制的概述矢量控制的成功實施，使得異步電動機變頻調(diào)速后的機械特性以及動態(tài)特性能達到足以和直流電動機調(diào)壓時的調(diào)速性能相媲美，從而使異步電動機變頻調(diào)速在電動機的調(diào)速領(lǐng)域全方位地處于優(yōu)勢地位?，F(xiàn)在許多新型的變頻器都提供了相應的矢量控制的功能。1.矢量控制基本設想根據(jù)一個三相交流的磁場系統(tǒng)和一個旋轉(zhuǎn)體上的直流磁場系統(tǒng)，以兩相系統(tǒng)作過渡，可以相互進行等效變換的原理，所以將變頻器的給定信號變換成類似直流電動機磁場系統(tǒng)的控制信號，也就是說，假設有兩個互相垂直的直流繞組同處于一個旋轉(zhuǎn)體上，兩個繞組中分別獨立地通入由給定信號分解而得的勵磁電流信號和轉(zhuǎn)矩電流信號，并且和作為基本控制信號，則通過等效變換，可以得到與基本控制信號等效的三相交流控制信號,去控制逆變電路。對于電動機在運行過程中的三相交流系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，又可以等效變換成兩個互相垂直的直流信號，反饋到給定控制部分，用以修正基本控制信號和。進行矢量控制時，可以和直流電動機一樣，使其中一個磁場電流信號不變，而控制另一個磁場電流信號，從而獲得和直流電動機類似的控制功能。2.基本框圖如下圖所示，給定控制器將信號分解成兩個相互垂直且獨立的直流信號和，然后通過直/交變換將和變換成兩相直流電流信號和，又經(jīng)過2/3變換，得到三相交流控制信號，去控制逆變橋。電流反饋用于反映負載的狀況，使直流信號的轉(zhuǎn)矩分量能隨負載而變，從而模擬出類似于直流電動機的工作狀況。速度反饋用于反映拖動系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速和給定值之間的差異，并使之以最快的速度進行校正，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)特性。現(xiàn)在許多新系列的變頻器設置了“無反饋矢量控制”功能，這里“無反饋”是指不需要由用戶在變頻器外部另行設置反饋環(huán)節(jié)。無反饋矢量控制在改善異步電動機在低頻時的機械特性方面，己經(jīng)取得了令人滿意的結(jié)果，故對于一些在動態(tài)特性方面無嚴格要求的場合，速度反饋可以不用。3.2.9 CIMRG7的特性我們采用的變頻器是安川（YASKAWA）公司的CIMRG7異步電動機變頻器，簡稱CIMRG7。 CIMRG7是一種用于三相異步電動機的變頻器，由 200 V 至 400 V 三相電源供電，功率范圍 0.3kW 至 300 kW。CIMRG7 設計用于工業(yè)或商用建筑中的加熱、通風以及空氣調(diào)節(jié) (HVAC) 方面的現(xiàn)代化應用場合。CIMRG7 通過對能耗進行優(yōu)化可以降低運行成本，同時提高了用戶的舒適程度。大量的集成化選件可讓它與電氣設備和復雜的控制系統(tǒng)進行適配和集成。變頻器在最初設計中就已經(jīng)考慮了電磁兼容性的要求。CIMRG7的成品可直接用于泵類和通風應用中。它有一個操作盤可用于修改編程、調(diào)整、控制或檢測功能，以便適應和優(yōu)化應用以滿足不同客戶的要求。CIMRG7的保護功能有: 使用 PTC 熱傳感器的電機和風扇熱保護 連續(xù)運行中防過載和過電流的保護 通過頻率跳躍功能進行的對設備的機械保護 通過多重故障狀態(tài)管理和可配置警報進行的保護圖.變頻器輸入輸出接線圖變頻器在接線時，必須接地。動力電纜和設備中的弱電信號（如PLC信號等）電路要保持分隔，以免干擾。變頻器的接線方式如上圖所示輸入方面，主電路的電源端子L1、L2、L3通過線路帶漏電保護的斷路器連接至380V的三相交流電源。對于壓力信號，則通過AI1或AI2口輸入。對所有位于變頻器附近的或連接在同一電路上的專門電路如繼電器、接觸器、電磁閥、熒光燈等均應安裝干擾抑制器。輸出方面，變頻器的輸出端子（U，V，W）按正確的相序連接至交流接觸器的輸入電源端子上。如果電機旋轉(zhuǎn)方向不對，則說明連接相序有錯，則改變U、V、W中的任意兩相的接線。AO1可接電動機頻率輸出。在本系統(tǒng)中的應用：本系統(tǒng)中主要應用其進行變頻調(diào)速，主要是根據(jù)PID調(diào)節(jié)儀計算后的輸出值作為輸入來控制電機的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)中對變頻器的一些參數(shù)進行設定，通過設定的參數(shù)完成一些功能。有頻率的上限和下限及其電機的參數(shù)設定，加減速的時間和外部端子的的功能等。具體的改動的參數(shù)如下，其它的參數(shù)以出廠值為準：參數(shù)名稱出廠值設定值c1-10加減速時間的設定單位130c1-11加減速時間的切換頻率030d2-01頻率指令上限值100100d2-02頻率指令下限值050E1-01輸入電壓設定200380E1-03選擇V/F曲線F5E1-04最高輸出頻率6050E1-05最大電壓200380E1-06基頻6050E2-01電機額定電流1.9202H2-01選擇端子P1的功能10H2-02選擇端子P2的功能2EH4-05多功能模擬量輸出2端子FM增益0.50.8變頻器的故障說明1 在運行中可能會出現(xiàn)一些過電流故障（顯示 OC ），如果出現(xiàn)就適當?shù)陌央姍C額定電流放大原來的1。11。2倍這樣就不會出現(xiàn)這種情況了。2 變頻器的參數(shù)設置不當會出現(xiàn)OPE1OPE10屬于操作不當，這樣就會根據(jù)參數(shù)說明去查找相應的參數(shù)。3.3 PID調(diào)節(jié)儀3.3.1 PID調(diào)節(jié)原理僅用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動作的 P+I控制。用 PI控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是，I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用P動作控制。 對于PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨D動作還要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小。控制對象含有積分元件的負載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。 利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用。在結(jié)合P動作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng)（即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié)）效果比較好。 PID調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是或式中 ：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) ：調(diào)節(jié)器的積分時間 ：調(diào)節(jié)器的微分時間 ：比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)e : 調(diào)節(jié)器的偏差信號U ：輸出PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是不難看出，由上式表示的調(diào)節(jié)器動作規(guī)律在物理上是不能實現(xiàn)的。工業(yè)上實際采用的PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)一般為其中 ；式中帶的量是調(diào)節(jié)器參數(shù)的實際值，不帶的為參數(shù)的刻度值。F成為相互干擾系數(shù)：為積分增益；為微分增益。3.3.2 PID參數(shù)設置P增益：設定范圍：0.0110.0倍這是操作量和偏差之間有比例關(guān)系的動作。增益取大時，響應快，但過大將產(chǎn)生振蕩。增益取小時，響應遲后。實際中我們?nèi)?0。積分時間：設定范圍：0.13600s， 0.0：不動作。操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動作，即輸出按偏差積分的動作。積分時間大時，響應遲后，另外，對外部擾動的控制能力變差。積分時間小時，響應速度快，但過小將產(chǎn)生振蕩。實際中我們?nèi)?50s。微分時間：設定范圍：00110.0s 0.0：不動作。操作量（輸出頻率）和偏差的微分值成比例動作（D動作）。微分時間大時，能使發(fā)生偏差時P動作引起的振蕩很快衰減。微分時間小時，發(fā)生偏差時的衰減作用小。但一般的滯后系統(tǒng)不需要設定微分值，因為微分對系統(tǒng)調(diào)試很難，所以我們不取微分值，實際中我們?nèi)?.0。3.3.3 PID設定值的調(diào)整PID值可以在用示波器監(jiān)視響應波形的同時進行調(diào)整?？勺魅缦驴傮w調(diào)整： P增益，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值 I積分時間，在不發(fā)主振蕩條件下減小其值 D微分時間，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值 對于抑制超調(diào)，可以增大積分時間，減小微分時間， 對于加快響應速度，如果允許有小量超調(diào)的話，可以減小積分時間，增大微分時間，抑制比積分時間長的周期振蕩，增大積分時間，抑制大約和微分時間同樣長周期的振蕩，減小微分時間。設定0.0仍有振蕩時，減小增益在本系統(tǒng)中的應用： PID調(diào)節(jié)儀根據(jù)壓力傳感器采集來的信號進行PID運算，并將其運算的結(jié)果送給變頻器作為給定，該PID調(diào)節(jié)儀帶有上下限報警的功能。良好的人機界面?？梢詫ζ鋮?shù)進行設定。通過其參數(shù)設定P I D的值。在本系統(tǒng)中因為要求是滯后的系統(tǒng)。所以只采用PI調(diào)節(jié)就可以，因為有了D系統(tǒng)很難調(diào)節(jié)。整個系統(tǒng)中PID調(diào)節(jié)儀直接決定整個系統(tǒng)的好壞，它也影響整個系統(tǒng)的使用壽命。該調(diào)節(jié)儀可以對用戶需要的壓力設定給定值，具體的設定參數(shù)如下：SV設定值3.8P比例值10I積分值150D微分值0L下限值4.2H上限值3.5FILE濾波時間3其它值均以出廠值為準。第四章 軟件設計本系統(tǒng)的程序開發(fā)主要是PLC的程序開發(fā)，我們采用的是根據(jù)系統(tǒng)的控制流程和控制目標，在計算機上先編輯好PLC軟件，然后傳給PLC的方法，所用軟件是FX-OM20版本。這是整個供水系統(tǒng)軟件開發(fā)的重點，系統(tǒng)的重要功能實現(xiàn)和順序控制都依靠它，它的開發(fā)好壞直接影響對了整個控制系統(tǒng)的質(zhì)量好壞和功能實現(xiàn)，下面就詳細敘述。4.1 PLC程序可編程控制器是按照用戶的要求編寫程序來進行工作的。程序的表達方式基本有四種：梯形圖、指令表、邏輯功能圖和高級語言。絕大多數(shù)PLC是使用梯形圖和指令表編程。梯形圖是一種圖形語言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號，而且加入了許多功能強而又使用靈活的指令，將微機的特點結(jié)合進去，使得編程容易。梯形圖比較形象、直觀，對于熟悉繼電接觸器控制系統(tǒng)的人來說，也容易接受，世界上的各生產(chǎn)廠家都把梯形圖作為第一用戶編程語言。本系統(tǒng)所使用的方法就是將控制任務用梯形圖編程實現(xiàn)，離線灌入PLC，攜帶至現(xiàn)場實現(xiàn)其現(xiàn)場功能，下面我們開始介紹梯形圖編程的基本步驟和概念。4.1.1基本步驟編寫程序可分為幾個基本步驟：1. 首先列出所有I/O設備和分配給他們的I/O點的目錄，并且寫好分配給每一個I/O設備I/O位的表格。2. 確定工作位用什么字，寫出使用它們時能分配它們的表格。3. 準備一張TC編號和跳轉(zhuǎn)編號的表格。一張TC號程序中僅能定義一次；跳轉(zhuǎn)號0199在每個程序也只能使用一次。畫梯形圖。將程序輸入到CPU單元。檢查程序有無語法錯誤并更正錯誤。運行改程序以檢查是否存在運行錯誤并更正錯誤。當整個控制系統(tǒng)安裝好并準備使用時，運行該程序并按要求仔細調(diào)試。4.1.2 程序中使用的繼電器電控系統(tǒng)的邏輯功能實際上就是接收各種輸入信號并經(jīng)過處理后發(fā)出相應的輸出信號。本系統(tǒng)經(jīng)總體規(guī)劃后，在程序中使用了如下一些繼電器。1輸入輸出繼電器輸入輸出繼電器區(qū)是PLC與外部設備進行數(shù)據(jù)傳送的窗口，它通過按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、傳感器等輸入裝置，將指令送給PLC，經(jīng)內(nèi)部處理后，把程序的控制結(jié)果輸出到繼電器、電磁線圈、顯示器、接觸器等。輸入繼電器的識別符號為X，輸出為Y。下面是本系統(tǒng)中的具體設置： 名稱 編程地址 變頻器零速信號 X00 頻率到達信號 X01 手動/自動 X02 自動啟動 X03 自動停止 X04 1#泵變頻運行 X05 2#泵變頻運行 Y06 故障信號輸入 Y07 2定時器區(qū)定時器由到時位區(qū)、定時器現(xiàn)在值區(qū)、定時器設定值區(qū)（可以為恒值或是任意的存儲器上）三部分組成。當定時器現(xiàn)在值到達設定值時，定時器到時位區(qū)ON。它具有一下特點：定時器現(xiàn)在值區(qū)在PLC電源OFF時或停止RUN時清0；定時器輸入接點OFF時，現(xiàn)在值置零，定時器接點也OFF；可以向定時器現(xiàn)在值區(qū)、定時器設定值區(qū)預置數(shù)據(jù)；定時器精度：2掃描時間1掃描時間。4.1.3程序流程本程序是按照PLC應用的步驟開發(fā)完成的。程序控制的目的是實現(xiàn)整個供水系統(tǒng)的恒壓運行，因此必須控制2臺水泵的順序投入與切除，使得供水量變化與用戶用水量變化基本同步，以此保證水網(wǎng)壓力恒定，同時要保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。具體原理前面己經(jīng)介紹的很詳細。 程序流程基本上按照下圖系統(tǒng)工作流程圖設計。PLC程序流程圖 程序開始后，先初始化，給數(shù)據(jù)寄存器賦停機（開機）延遲時間值、管網(wǎng)水壓。檢查變頻器狀態(tài)，運行方式，否則進入全自動變頻恒壓控制方式。程序沿著泵增開模塊、超壓模塊、欠壓模塊、故障處理模塊和輸出模塊依次掃描。應該說明的是PLC的程序和其它的程序有些區(qū)別，在PLC程序中，程序后面的寄存器值的改變是不會馬上影響前面的程序結(jié)果，必須等一個掃描周期完成后才會對前面的程序處理產(chǎn)生影響。4.2PLC程序的運行和模擬調(diào)試 PLC程序編制完成后，將PLC和計算機用RS232C電纜連接，將程序傳給PLC，PLC可以單獨運行程序，也可以在計算機上在線運行程序。在線工作方式時，可以在線編輯軟件，方便了調(diào)試程序和監(jiān)控PLC的運行狀況。在模擬調(diào)試中，我們主要目的是檢查程序的流程是否正確，硬件需要PLC、RS232C電纜、微機、24V直流電源。調(diào)試時，輸入各種按鈕輸入信號，檢查PLC的輸出是否和預期的輸出相符，PLC的輸出端子并不需要真正的連接執(zhí)行單元，我們只需根據(jù)PLC上面的I/O指示燈來判斷正確與否。通過計算機模擬調(diào)試后，說明PLC的軟件基本上問題不會太大。4.3系統(tǒng)總體調(diào)試功能測試完成后并檢查完線路后就可以開始系統(tǒng)總體調(diào)試了，內(nèi)容包括：1.手動方式下，能否正常啟動和停止各臺泵；2.自動方式下，給變頻器持續(xù)欠壓信號，系統(tǒng)能否實現(xiàn)泵1、2的變頻和工頻投入，最后全部工作在工頻方式；給變頻器持續(xù)超壓信號，能否實現(xiàn)泵的工頻、變頻順序切除；3.系統(tǒng)自動運行時，是否滿足先投先停，先停先投的既定原則；4給外部故障信號時，系統(tǒng)能否停止運行；5.模擬其中一臺水泵發(fā)生故障，系統(tǒng)能否繼續(xù)運行，故障處理是否正確；6.給PLC輸入變頻器故障信號，檢查PLC能否自動轉(zhuǎn)入全自動工頻運行方式；7自動方式下，模擬壓力輸入信號發(fā)生微調(diào)，系統(tǒng)能否工作在一臺變頻、一臺工頻的基本穩(wěn)定狀態(tài)；結(jié)束語在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實際設定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運行的狀態(tài)，實現(xiàn)恒壓供水；減泵時采用“先啟先?！钡那袚Q方式，相對于“先啟后?！狈绞?，更能確保各泵使用平均以延長設備的使用壽命；同時針對所用四臺泵均已使用多年、需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長了設備的使用壽命；壓力閉環(huán)控制，系統(tǒng)用水量任何變化均能使供水管網(wǎng)的服務壓力保持給定，大大提高了供水品質(zhì)；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現(xiàn)故障消除后自啟動，具有一定的先進性。參考文獻1 袁任光.可編程控制器選用手冊,北京:機械工業(yè)出版社,2002.2 陳宇.可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧,廣州:華南理工大學出版社,1999.3 馬云峰、徐群嶺.PLC的PID功能在恒壓供水系統(tǒng)中的應用,濰坊:濰坊高等專科學校.4 FX-20MX可編程控制器操作手冊及編程手冊5 YASKAWA CIMRG7變頻器用戶手冊、產(chǎn)品目錄、編程手冊6 滑海穗、郎宏仁.可編程控制全自動恒壓供水系統(tǒng),哈爾濱:哈爾濱市自來水公司.7 陳少波.帶PID功能的變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應用,廣東:廣東汕頭大學機電系.8 韓焱青.PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，武漢化工學院學報 2000年04期 主回路原理圖：控制回路原理圖：- 34 -