畢業(yè)設計--基于plc控制的變頻調速恒壓供水系統

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　ABSTRACT2</p><p><b>　　1. 緒論4</b></p><p>　　1.1 變頻調速恒水位供水的目的和究意義4</p>&

2、lt;p>　　1.2 變頻調速技術的特點及應用5</p><p>　　1.3 可編程序控制器的特點及應用6</p><p>　　1.4 畢業(yè)設計任務7</p><p>　　2. 水位控制系統的方案設計8</p><p>　　2.1 變頻器的控制方式8</p><p>　　2.2 變頻調速的節(jié)能、調速原理

3、8</p><p>　　2.2.1 水泵工況點的確定以及變化8</p><p>　　2.2.2 變頻調速恒壓供水系統中水泵工況調節(jié)過程10</p><p>　　2.2.3 變頻調速恒水位供水系統調速范圍的確定12</p><p>　　2.3 系統的方案設計12</p><p>　　2.4 系統工作過程13&

4、lt;/p><p>　　3. 控制系統硬件設計15</p><p>　　3.1 主電路設計15</p><p>　　3.2 控制電路設計15</p><p>　　3.3 PLC配置16</p><p>　　3.3.1 S7-200型PLC的特點16</p><p>　　3.3.2 PLC的

5、開關量輸入、輸出點16</p><p>　　3.3.3 PLC的模擬量輸入、輸出點18</p><p>　　3.3.4 PLC的選型18</p><p>　　4. PLC的設計19</p><p>　　4.1 編程軟件的簡介和梯形圖的基本繪制規(guī)則19</p><p>　　4.2 控制系統主程序設計20<

6、;/p><p>　　4.2.1 系統初始化程序20</p><p>　　4.2.2 水泵電機起動程序20</p><p>　　4.2.3 小功率水泵電機變頻/工頻切換程序20</p><p>　　4.2.4 水泵電機換機程序21</p><p>　　4.2.5 閥門開啟關閉程序21</p><

7、p>　　4.2.6 停機程序21</p><p>　　4.2.7 報警程序21</p><p>　　4.3 控制系統子程序設計21</p><p>　　4.4 控制系統軟件的工作過程22</p><p>　　4.5 編程中應注意的細節(jié)問題22</p><p>　　5. 恒水位供水系統的Fuzzy控制器的

8、設計25</p><p>　　5.1 模糊理論和模糊控制25</p><p>　　5.2 模糊控制器的一般結構26</p><p>　　5.3 模糊控制器的設計27</p><p>　　5.4 控制系統的Simulink仿真33</p><p><b>　　全文總結37</b><

9、/p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p>　　基于PLC控制的變頻調速恒壓供水系統</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本控制系統將模糊控制、PLC、變頻器、相應的傳感器和執(zhí)行機構有機地結合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，并設計了配套的界面美觀、操作方便的自動控制系

10、統，使得系統調試和使用都十分方便，而且大大簡化了水廠在管理、數據統計和分析等方面的工作量。實踐證明，本系統不僅滿足了生產的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)約用電一項就為水廠創(chuàng)造了巨大的經濟效益。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r值。</p><p>　　作為高性能的調速傳動，直流發(fā)電機－電動機調速控制方法長期以來一直應用廣泛。但是直流電動機由于

11、換向器和電刷維護保養(yǎng)很麻煩，價格也相當昂貴。使異步電機實現性能好的調速一直是人們的理想。異步電機的調速方法很多，例如無極調速、有極調速、定子調壓調速、串級調速、變頻調速等。但是因為各種各樣的缺點沒有得到廣泛的應用。由于變頻調速具有調速的機械特性好，效率高，調速范圍寬，精度高，調整特性曲線平滑，可以實現連續(xù)的、平穩(wěn)的調速，體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點而倍受人們的青睞。尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時，可以獲得

12、其它調速方式無法比擬的節(jié)能效果。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交－直－交變頻器。</p><p>　　自從通用變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒水位供水設備以其節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓、恒水位供水調速系統實現水泵電機無

13、級調速，依據用水位的變化自動調節(jié)系統的運行參數，在用水量的變化自動調節(jié)系統的運行參數，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定和水位恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水設備，降低成本，保證產品質量等方面有著非常重要的意義。</p><p>　　新型供水方式與過去的水塔

14、或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓、供水調速系統的這些優(yōu)越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產這一高新技術產品。目前該產品正向著高可靠性、全數字化微機控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)、智能樓宇、網絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。

15、</p><p>　　在短短的幾年內，變頻調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸被多泵調速系統所代替。雖然單泵調速系統設計簡易可靠，但由于單泵電機深度調速造成水泵、電機運行效率低，而多泵調速系統投資更為節(jié)省，運行效率高，被實際證明是最優(yōu)的系統設計，很快發(fā)展成為主導產品。</p><p>　　關鍵詞：模糊控制；PLC；恒壓；變頻</p><

16、;p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The control system of the fuzzy control, PLC, inverter, the corresponding sensors and actuators organically combine their respective advantages, and supporting de

17、sign, beautiful interface, easy operation of the automatic control system, makes the system very easy to debug and use , but also greatly simplifies water management, statistics and analysis and other aspects of workload

18、. Practice has proved that this system not only meets the needs of production, improve the overall management of the w</p><p>　　The control system has great development potential and value.</p><p&

19、gt;　　As a high-performance variable speed drives, DC generator - motor speed control method has long been widely used. But the DC motor commutator and brush maintenance because a lot of trouble, the price is quite expens

20、ive. To achieve good performance induction motor speed has been one of the ideal. Induction motor speed control in many ways, such as stepless speed, a very speed, stator voltage speed control, cascade control, frequency

21、 control and so on. But because of various shortcomings have not </p><p>　　Can achieve a continuous, steady speed, small size, easy maintenance, high level of automation in a series of outstanding advantages

22、 and much people of all ages. Especially when it is applied to fans, pumps and other large-capacity load, speed means you can get unmatched by other energy-saving effect. Frequency control system is mainly to provide var

23、iable frequency power supply device is the inverter, the inverter can be divided into AC - DC - AC inverter and AC - AC converter into two categorie</p><p>　　Since the inception of general-purpose inverters,

24、 inverter technology in various fields has been widely used. Frequency constant water supply equipment for its energy-saving, safe, high-quality water quality, etc., so that our water supply industry, technology and equi

25、pment from the early 1990s began to experience a quantum leap. Constant pressure, constant water supply pump motor speed control system to achieve variable speed, water level changes according to use automatic control sy

26、stem operat</p><p>　　Is the most advanced and reasonable energy-saving water supply system. In practical applications has been greatly developed. With the rapid development of power electronics technology, t

27、he inverter function is getting stronger. Full use of the various functions built in the inverter, the rational design of frequency control water supply equipment, reduce costs, ensure product quality has a very importan

28、t significance.</p><p>　　New water supply with past water tower or water tank and high pressure water supply as compared to both equipment investment, running economy, or system stability, reliability, autom

29、ation and so have incomparable advantages, but also has significant energy savings. Constant pressure, the water supply system, these advantages of speed, causing almost all the domestic water supply equipment manufactur

30、ers attach great importance to and continue to invest in developing, producing the high-tech produ</p><p>　　Series of standardized equipment to adapt to the future water supply into a piece of urban developm

31、ent, intelligent buildings, water supply network scheduling and overall planning requirements of the inevitable trend.</p><p>　　In just a few years, the frequency control water supply system has experienced

32、a gradual improvement of the development process, the early single constant speed pump system was gradually replaced by multi-pump speed control system. Although a single pump speed control system design simple and relia

33、ble, but because of the depth of a single pump motor speed caused by the pump, motor efficiency is low, while investment in multi-pump speed control system more economical, high efficiency, is actually</p><p&g

34、t;　　Keywords: fuzzy control; PLC; constant; frequency</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　變頻調速恒水位供水的目的和究意義</p><p>　　近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據統計，從1990年到1998年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設施等

35、非生產用水）有175.7升增加到241.1升，增長了37.2%，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。太原市城區(qū)用水量急劇上升，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)用水總量從1994年的1700多萬噸激增到2000年的7500多萬噸。在用水量高峰期時供水量普遍不足，造成城市公用管網水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據經驗進行人工手動調節(jié)很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時水位達不

36、到要求,供水壓力不足，用水低峰期時供水水位超標,壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。</p><p>　　太原市自來水公司供水廠是該市城區(qū)內的重要的供水廠，是在解放前的老水廠基礎上改造擴建而成的。供水廠以前雖然也進行過一些技術改造，但是生產系統大部分仍然采用人工手動控制，生產過程中的重要參數仍然依靠人工定時記錄，例如清水池水位、電機運行時間、耗電量等都是由值班人員定時記錄。

37、隨著地區(qū)經濟的發(fā)展，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)用水量大幅度上升。經過改造和擴建，供水廠目前的日供水能力在7.5萬立方米左右，仍然不能完全滿足用水需求。由于城區(qū)用水量中居民生活用水所占的比例比較大，用水量的需求具有時變性。在用水高峰期時，清水池的水位達不到要求高度,管網壓力達不到規(guī)定的標準壓力，造成高層建筑斷水。用水低峰期時，管網壓力經常超過規(guī)定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴重。供水廠原有的生產設備的控制方式比較落后，控制過程煩瑣

38、，大部分需要人工進行手動操作，能耗高，而且不能保證供水壓力達到壓力標準。此外，水廠作為城市供水系統的重要組成部分，其日常的生產、計劃、運行和管理都直接影響到城市的安全供水。長期以來水廠各部門的管理人員采用傳統的人工管理模式，通過手工從事繁重的業(yè)務管理、各種日報表、月報表、年報表的統計匯總等</p><p>　　供水廠希望通過對原有系統的技術改造，提高生產過程的自動化水平。并在此基礎之上配備相應的系統管理軟件，改變

39、傳統的落后管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高水廠的業(yè)務管理水平。由于水廠原有的供水控制系統是一個完全依靠值班人員手動控制的系統，所以對該系統技術改造的要求是在原有系統的基礎進行，設計一套取水和供水的自動控制系統，克服由于采用單純手動控制系統進行控制帶來的控制不方便、控制系統對供水管網中壓力和水位變化反應遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費，提高設備的可維護性和運行的可靠性，以達到降低自來水的生產成本和提高生產管理水平的目的。</p&g

40、t;<p>　　依靠現代化技術手段對生產過程進行控制和管理，提高設備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術發(fā)展的必然趨勢。系統對控制水位的模糊控制進行研究。</p><p>　　本控制系統將模糊控制、PLC、變頻器、相應的傳感器和執(zhí)行機構有機地結合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，并設計了配套的界面美觀、操作方便的自動控制系統，使得系統調試和使用都十分方便，而且大大簡化了水廠在管理、數據統計和分析等方面的

41、工作量。實踐證明，本系統不僅滿足了生產的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)約用電一項就為水廠創(chuàng)造了巨大的經濟效益。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r值。</p><p>　　變頻調速技術的特點及應用</p><p>　　作為高性能的調速傳動，直流發(fā)電機－電動機調速控制方法長期以來一直應用廣泛。但是直流電動機由于換向器和電刷

42、維護保養(yǎng)很麻煩，價格也相當昂貴。使異步電機實現性能好的調速一直是人們的理想。異步電機的調速方法很多，例如無極調速、有極調速、定子調壓調速、串級調速、變頻調速等。但是因為各種各樣的缺點沒有得到廣泛的應用。</p><p>　　70年代以后，由于微電子技術、電力電子技術和微處理機技術的發(fā)展，促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調速的許多缺點，而且調速性能可以和直流電動機的調速性能相媲美。三相異步電動

43、機具有維修方便、價格便宜、功率和轉速適應面寬等優(yōu)點，其變頻調速技術在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢。到80年代末，交流電機的變頻調速技術迅速發(fā)展成為一項成熟的技術，它將供給交流電機的工頻交流電源經過二極管整流變成直流，再由IGBT或GTR模塊等器件逆變成頻率可調的交流電源，以此電源拖動電機在變速狀態(tài)下運行，并自動適應變負荷的條件。它改變了傳統工業(yè)中電機啟動后只能以額定功率、定轉速的單一運行方式，從而達到節(jié)能目的?，F代變頻調速

44、技術應用于電力水泵供水系統中，較為傳統的運行方式是可節(jié)電40％～60％，節(jié)水15％～30％[1]。</p><p>　　由于變頻調速具有調速的機械特性好，效率高，調速范圍寬，精度高，調整特性曲線平滑，可以實現連續(xù)的、平穩(wěn)的調速，體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點而倍受人們的青睞。尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時，可以獲得其它調速方式無法比擬的節(jié)能效果。變頻調速系統主要設備是提供變頻電源的變

45、頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內大都使用交－直－交變頻器[4]。</p><p>　　自從通用變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒水位供水設備以其節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓、恒水位供水調速系統實現水泵電機無級調速，依據用水位的變化自動調節(jié)系統的運行參數，在用水量的變化自

46、動調節(jié)系統的運行參數，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定和水位恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水設備，降低成本，保證產品質量等方面有著非常重要的意義。</p><p>　　新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，

47、還是系統的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓、供水調速系統的這些優(yōu)越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產這一高新技術產品。目前該產品正向著高可靠性、全數字化微機控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)、智能樓宇、網絡供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。</p><p>　　在短短的幾年內，變

48、頻調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸被多泵調速系統所代替。雖然單泵調速系統設計簡易可靠，但由于單泵電機深度調速造成水泵、電機運行效率低，而多泵調速系統投資更為節(jié)省，運行效率高，被實際證明是最優(yōu)的系統設計，很快發(fā)展成為主導產品。</p><p>　　可編程序控制器的特點及應用</p><p>　　早期的可編程序控制器(Programmable Logic

49、 Controller，PLC)，主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著計算機技術、通信技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統的繼電器控制技術與新興的計算機技術和通信技術融為一體，具有可靠性高、功能強、應用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標實現性能，在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。</p><p>　　1969年，美國數字設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編

50、程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70年代初期，體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增強。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面，PLC采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言，除了保持原有的邏輯運算等功能以外，還增加了算術運算、數據處理和傳送、通訊、自診斷等功能

51、。進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高PLC的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片，大大提高了PLC軟、硬件功能。</p><p>　　在發(fā)達工業(yè)國家，PLC已經廣泛的應用在所有的工業(yè)部門。據“美國市場信息”的世界PLC以及軟件市場報告稱，1995年全球PLC及其軟件的市場經濟規(guī)模約50億

52、美元[4]。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，PLC的功能得到大大的增強，具有以下特點：</p><p><b>　　1．可靠性高。</b></p><p>　　PLC的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。</p><p>　　2．具有豐富的I/O接口模塊。</p><p>　　PLC

53、針對不同的工業(yè)現場信號，有相應的I/O模塊與工業(yè)現場的器件或設備直接連接。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。</p><p>　　3．采用模塊化結構。</p><p>　　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。PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計，由

54、機架及電纜將各模塊連接起來，系統的規(guī)模和功能可根據用戶的需要自行組合。</p><p><b>　　4．編程簡單易學。</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&

55、gt;<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。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，使系統迅速恢復運行。</p><p>　　由于PLC強大功能和優(yōu)點，使得PLC在我國的水工業(yè)自動化中得到廣泛的應用。PLC在水工業(yè)自動化中的應用主要有水廠監(jiān)控系統、自動控制系統、自動加氯、自動

56、加礬、水泵變頻調速、SCADA系統和供水管網信息管理系統等[7,8,9,10]。其主要功能是進行工藝參數的采集、生產過程控制、信息處理、設備運行狀態(tài)監(jiān)測以及水質監(jiān)測等。</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計課題是變頻調速恒水位供水系統，我的主要任務是應用軟件設計和模糊控制器的設計，大體為以下五項內容：</p>

57、<p>　　變頻調速恒水位供水系統現狀和發(fā)展 主要介紹其系統的目的和意義，變頻器的發(fā)展史一直到廣泛應用，隨著技術的發(fā)展，其優(yōu)越性越來越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強、無公害化發(fā)展；介紹了SIEMENS公司的產品系列史，PLC與其它工業(yè)裝置的比較：PLC與繼電器控制系統，與集散控制系統，與工業(yè)控制計算機。以及其特點。</p><p>　

58、　變頻調速恒水位供水系統的理論原理以及總體方按的設計 主要是變頻器的構成、控制方式和形式，控制方式有三種形式：V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制；變頻器的節(jié)能、調速原理；變頻器的工況點的確定和能耗機理分析，以及系統調速范圍的確定。變頻調速恒供水系統方案；控制系統的工作過程 系統的工作過程分為以下三個工作狀態(tài)：1#電機變頻啟動；1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；2#電機單獨變頻運行；變頻工頻切換技術解決方案。</p>

59、<p>　　系統硬件設計（主電路、控制電路）；P LC 接線圖設計，包括輸出輸入上元件的分配及編號，PLC 模塊由CPU226，兩塊數字擴展模塊，一塊擴展模塊所構成。</p><p>　　應用軟件設計（PLC程序設計） 主要介紹了編程軟件的特點、語言和梯形圖其本繪制規(guī)則；控制系統程序設計主要包括七大程序，分別是初始化程序、停機程序、閥門開關程序、水泵電機啟動程序、小功率電機變頻/工頻切換程序、報警程序

60、；整個系統程序的工作過程以及編程中應注意的細節(jié)。</p><p>　　恒水位供水系統的Fuzzy控制器設計及Simulink仿真研究 主要介紹模糊控制的概念和特點以及模糊控制器的設計，并且運用MATLAB進行Simulink仿真研究</p><p>　　總之，在本次設計中，必須完成圖表：論文說明書、主電路圖、控制電路圖、PLC接線圖、PLC程序結構框圖、PLC程序設計梯形圖。</p&

61、gt;<p>　　水位控制系統的方案設計</p><p><b>　　變頻器的控制方式</b></p><p>　　變頻器的發(fā)展已有數十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾經出現過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著圖2—1所示的基本結構。</p><p>　　圖2—1變頻器的基本結構</p><

62、;p>　　變頻調速的控制方式經歷了V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉矩控制。</p><p><b>　　1、V/F控制</b></p><p>　　異步電動機的轉速與定子電源頻率f和極對數有關，改變f 就可以平滑的調節(jié)同步轉速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉矩不足的現象，所以在改變f

63、的同時，還需要調節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是V/F控制。V/F控制簡單，通用性優(yōu)良。</p><p><b>　　2、轉差頻率控制</b></p><p>　　由電機學的基礎知識可知，異步電動機轉矩M與氣隙磁通Φ、轉差頻率f2的關系為：</p><p><b>　　(2-1)</b><

64、/p><p>　　只要保持氣隙中磁通Φ一定，控制轉差頻率f2就可以控制電動機的轉矩，這就是轉差頻率控制。</p><p><b>　　3、矢量控制</b></p><p>　　矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠對轉矩進行控制，獲得和直流

65、電動機一樣的優(yōu)良的調速性能。</p><p>　　變頻調速的節(jié)能、調速原理</p><p>　　水泵工況點的確定以及變化</p><p>　　水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數。</p><p>　　如果把某一水泵的性能曲線（即H-Q曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標系中（圖2

66、-2），則這兩條曲線的交點A,就是水泵的工作點。 工作點A是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在A點。若把水泵的效率曲線η-Q也畫在同一坐標系中，在圖2-2中可以找出A點的揚程HA、流量QA以及效率A。</p><p>　　從圖2-2中可以看出，水泵在工作點A點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一

67、旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現新的平衡。另外確定工作點一定要保證水</p><p>　　圖2-2 水泵工作點的確定</p><p>　　工作點的參數，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中一個重要問題。</p><p>　　在變頻調速恒水位供水過程中，水泵工況點的變化如圖2—3所</p>&l

68、t;p>　　圖2-3水泵工況點的變化</p><p>　　當P1、P2高于P0時，說明管網系統用水量減少，管路阻力特性曲線A1、A2 向A0方向變化，此時水泵轉速逐漸降低，管網口壓力也由P2、P1逐漸下降，當P’低于P0時，其工況點變化與上述相反即由A1’逐漸向A0移動，使管網系統供水始終保持恒定。</p><p>　　圖2-4水泵變速恒壓工況</p><p>

69、;　　根據2-4圖水泵變速恒壓工況分析：當管網用水由Q2、Q1….向Q0移動時，通過改變水泵轉速使P0保持恒定。</p><p>　　變頻調速恒壓供水系統中水泵工況調節(jié)過程</p><p>　　交流電動機的轉速n與電源頻率f具有如下關系：</p><p>　　n =60 f(1-s)/p （2—2）</p><p>　　式2—2中：

70、　p極對數,s轉差率</p><p>　　因此不改變電動機的極對數，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n。改變水泵的轉速，可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況目的。</p><p>　　當管網負載減小時，通過VVVF降低交流電的頻率，電動機的轉速從n1降低到n2。另外根據葉片泵工作原理和相似理論，改變轉速n

71、,可使供水泵流量Q、揚程H和軸功率N以相應規(guī)律改變[37]。</p><p>　　Q1/Q2=n1/n2 （2—3）</p><p>　　H1/H2=(n1/n2)2 （2—4）</p><p>　　P1/P2 =(n1/n2)3 （2—5）</p><p>　　或

72、 H =KQ2 （2—6） </p><p>　　式2—6是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。</p><p>　　在變頻調速恒水位供水系統中，單臺水泵工況的調節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現的。其工況調節(jié)過程可由圖2-5來說明。</p

73、><p>　　圖2-5 變頻調速恒壓供水水泵工況調節(jié)圖</p><p>　　由圖2-5可見，設定管網壓力值（揚程）為H0，管網初始用水量為QA，初始工況點為A，水泵電機的轉速為n1，工作點A的軸功率即為AH0OQA四點所圍的面積。當管網負載減小時，管網壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉換成4-20A電流信號送往模糊調節(jié)器，經比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機轉速至n2

74、,水泵轉速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點A移至B點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應減小.。恒壓供水系統中壓力值恒定在H0,因此水泵工作點又沿著轉速n2所對應的水泵性能曲線從點B移至C點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點C點，在圖3中可以找出C點的揚程HC、流量QC以及效率C ，工作點C的軸功率即為CH0OQC四點所圍的面積。</p><p>　　考察水泵的效率曲

75、線-Q,，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。</p><p>　　變頻調速恒水位供水系統調速范圍的確定</p><p>　　考察水泵的效率曲線-Q,，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確

76、定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體最低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說轉速下降在20%以內，在此范圍內，電動機的負載率在50%-100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。</p><p><b>　　系統的方案設計</b></p><p>　　變頻調速恒水位供水系統構成如下

77、圖所示，由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構成。系統采用一臺變頻器拖動4臺電動機的起動、運行與調速，其中兩臺大機(220KW)和兩臺小機(160KW,160KW)分別采用循環(huán)使用的方式運行。PLC上接工控計算機，水位傳感器采樣水池水位信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的模糊模塊,PLC根據這兩個信號經模糊運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。PLC上接工控計算機，上位

78、機裝有監(jiān)控軟件，對恒水位供水系統進行監(jiān)測控制。如圖2-6所示:</p><p>　　圖2-6變頻調速恒水位供水自動控制系統組成</p><p><b>　　系統工作過程</b></p><p>　　根據現場生產的實際情況，白天一般只需開動一臺大泵和一臺小泵，就能滿足生產需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開

79、動一臺大機就能滿足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分組方式進行設計，即把1#水泵電機（160KW）和2#水泵電機（220KW）為一組，3#水泵電機（160KW）和4#水泵電機（220KW）分為一組。兩組采用循環(huán)使用的方式運行，自動控制系統可以根據運行時間的長短來調整選擇不同的機組運行。</p><p>　　分析自動控制系統的機組Ⅰ（1#、2#水泵電機）工作過程,可分為以下三個工作狀態(tài)：1) 1#電機變頻起動；

80、2)1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；3) 2#電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當源水的水位發(fā)生變化時，管網壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應轉換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。</p><p><b>　　1.切換過程Ⅰ</b></p><p>　　1#電機變頻起動，頻率達到50HZ,1#電機工頻運行，2#電機變頻運

81、行。系統開始工作時，水池水位低于設定水位下限hl，按下相應的按鈕,選擇機組Ⅰ運行，在PLC可編程控制器控制下, KM2得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端，變頻器對拖動1#泵的電動機采用軟起動，1#電機起動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻（即50HZ），可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開，KM2失電，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1得電1#電機切換至工頻運行。1

82、#電機工頻運行后,開啟1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，2#電機接至變頻器輸出端,接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開,2#電機開始軟起動，運行一段時間后，開啟2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現1#水泵由變頻切換至工頻電網運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統調節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到水池水位達到設定值為止?！?lt;/p><p><b>　　2.切換過程Ⅱ<

83、/b></p><p>　　由1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉變?yōu)?#電機單獨變頻運行狀態(tài)。</p><p>　　當晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值，電機轉速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限時（2# 電機）,在PLC可編程控制器控制下，1#水泵電機從工頻斷開，2#水泵

84、繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。</p><p><b>　　3.切換過程Ⅲ</b></p><p>　　由2#電機變頻運行轉變?yōu)?#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調速運行狀態(tài)，當變頻器輸出頻率增至工頻（即50Hz），水池水位低于設定水位上限H時，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開， KM3斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開；

85、 KM2得電,1#電機接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端,與此同時變頻器BX端斷開,1#電機開始軟起動?？刂葡到y又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。</p><p>　　在PLC程序設計中，必須認真考慮這三個切換過程，才能保證系統在一個工作周期內實現正常切換與運行。</p><p>　　1#和2#機組工作過程流程圖如下：</p><p>　　圖2-7機組Ⅰ工作過

86、程流程圖</p><p>　　若選擇機組Ⅱ（3#和4#水泵電機）運行，其工作過程和上面類似。</p><p><b>　　控制系統硬件設計</b></p><p><b>　　主電路設計</b></p><p>　　在硬件系統設計中，采用一臺變頻器連接4臺電動機，其中1#、3#水泵電機是小機，具有變

87、頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯；2#、4#水泵電機是大機，只有變頻工作狀態(tài)，每臺電機只通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關，來實現電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關的容量依據大機的額定電流來確定。對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的1#和3#電動機，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關，來實現電機的過流過載保護接通，空氣開關的容量依據小機的額定電流來

88、確定。所有接觸器的選擇都要依據電動機的容量適當選擇。</p><p>　　由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機當前的工作電流，必須在每臺電機三相輸入電源前面都接入兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、兩個電流表連接，如圖3-1所示。兩個電流表一個安裝在控制柜上，另一個安裝在控制臺上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。同時熱繼電器可以實現對電動機的過熱保護。</p

89、><p>　　變頻器主電路電源輸入端子（R、S、T）經過空氣開關與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子（U、V、W）經接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向預設定不一致時，需要調換輸出端子（U、V、W）的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻／工頻的切換過程中會產生很大的轉換電流，致使轉換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必

90、須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應的DC電抗器，變頻器的[P1,P+]端子是連接DC電抗器之用。</p><p>　　水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉，實現閥門的開啟和關閉。</p><p>　　對于系統中真空泵控制電路，使用一臺三相交流異步電動機和4個兩位兩通電磁換向氣閥組

91、成抽取真空的回路。每次抽真空的時候，需要預先決定需要抽真空的水泵，然后先開啟真空抽取電動機，接著開啟控制要抽真空的水泵的電磁換向氣閥，這樣就能實現系統要求的抽取真空的功能。如有必要，在系統中這樣還可以安裝多臺真空泵，實現同時抽取多臺水泵真空，確保系統的正常工作。</p><p><b>　　控制電路設計</b></p><p>　　在控制電路的設計中，首先要考慮弱電和

92、強電之間的隔離的問題。在整個控制系統中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了保護PLC設備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現系統中的強電和弱電之間的隔離，保護系統，延長系統的使用壽命，增強系統工作的可靠性。</p><p>　　控制電路之中存在電路之間互鎖的問題，

93、由于控制系統是實現分組的組內自動循環(huán)，所以電路的自鎖包括組內互鎖和組間互鎖。組內互鎖是指同一組中電動機的互鎖，組間互鎖是指不同機組之間電動機的互鎖。在實現組內互鎖的時候，嚴禁出現一臺電動機同時接在工頻電源和變頻電源的情況，同時要求變頻器始終只與一臺電動機相連，而且當大容量電動機變頻工作的時候，小容量電動機要么是工頻工作運行，要么是停止工作。所以在大容量電動機變頻工作的時候，要自動切斷小容量電動機的變頻控制電路?？刂齐娐返慕M間互鎖是通過輸

94、入按鈕，控制PLC的輸入端口來實現的，當選擇一組機組運行時，按下另一組起動按鈕則為無效操作。</p><p>　　控制電路中還必須考慮系統電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示燈的設計，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統電機和閥門的工作狀態(tài)。</p><p><b>　　PLC配

95、置</b></p><p>　　S7-200型PLC的特點 </p><p>　　由于恒壓供水自動控制系統控制設備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性能/價格比，廣泛適用于一些小型控制系統[4]。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協議簡單等優(yōu)點；PL

96、C可以上接工控計算機，對自動控制系統進行監(jiān)測控制。PLC和上位機的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口（PPI）協議，PC/PPI電纜可以方便實現PLC的通信接口RS485到PC機的通信接口RS232的轉換，通信傳輸速率為9.6Kbaud或19.2Kbaud。用戶程序有三級口令保護，可以對程序實施安全保護[37]。</p><p>　　PLC的開關量輸入、輸出點</p><p>　　P

97、LC的輸入、輸出點數的確定根據控制系統設計要求和所需控制的現場設備數量加以確定。變頻調速恒壓供水自動控制系統采用分組運行的方式，把1#水泵電機（160KW）和2#水泵電機（220KW）分為機組Ⅰ，3#水泵電機（160KW）和4#水泵電機（220KW）分為機組Ⅱ。兩組采用循環(huán)使用的方式運行，自動控制系統可以根據運行時間的長短來調整選擇不同的機組運行。要求控制的現場設備有四臺電機接觸器的動作，四個閥門正反轉，變頻器的控制端子，熱繼電器輸入及

98、報警等。PLC輸入輸出端口地址的分配如下表3-1所示。</p><p><b>　?。?）輸入端口</b></p><p>　　自動控制系統PLC的輸入端口包括機組Ⅰ啟動按鈕，閥門關閉按鈕，電機停止按鈕，以及機組Ⅱ啟動按鈕，閥門關閉按鈕，電機停止按鈕。另外PLC輸入端口還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開觸點。</p><p&g

99、t;<b>　?。?） 輸出端口</b></p><p>　　PLC的輸出端口包括機組Ⅰ內控制1#電機兩個交流接觸器的動作，分別對應變頻/工頻兩個工作狀態(tài)，1#水泵相應閥門的正反轉，2#電機變頻運行的交流接觸器動作，2#水泵相應閥門的正反轉。機組Ⅱ內控制3#電機變頻/工頻運行的兩個交流接觸器,3#水泵相應閥門的正反轉，4#電機變頻運行的交流接觸器動作，4#水泵相應閥門的正反轉。PLC與這些交

100、流接觸器的連接是通過中間繼電器來實現的，可以實現控制系統中的強電和弱電之間的隔離，保護PLC設備，增強系統工作的可靠性。</p><p>　　對于變頻器，不僅需要一個中間繼電器來控制變頻器的FWD和CM的通斷，來實現變頻器的運行和停止；而且需要一個中間繼電器來控制變頻器的BX和CM的通斷，斷開變頻器輸出，實現變頻/工頻的切換。</p><p>　　此外，對于電動機的熱保護繼電器輸入，報警指

101、示輸出既需要四個端口顯示哪一臺電機故障，也需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出。</p><p>　　表3－1可編程控制器輸入、輸出端口（I/0）地址分配表</p><p>　　PLC的模擬量輸入、輸出點</p><p>　　自動控制系統PLC的模擬輸入端口包括壓力傳感器檢測的水位信號，水位信號是以標準電流信號4～20mA進行傳輸的；變頻器反饋的電機頻率信號，電機頻率

102、信號是0～10V的電壓信號。</p><p><b>　　PLC的選型</b></p><p>　　根據控制系統實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，為以后新設備的介入或設備調整留有余地，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU266，其開關量輸出（DQ）為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入CPU266為24點，輸入形式為＋24

103、V直流輸入。由于實際的開關量輸出有22點，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是兩個EM222型模塊，該模塊有8個開關量輸出點，輸出形式為AC220V繼電器輸出。</p><p>　　此外，為了方便的將水位信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給PLC,經比較計算后轉換為相應的控制信號，選擇了EM235模擬量擴展模塊。該模塊有4個模擬輸入（AIW），1個模擬輸出（AQW）信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的

104、轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長（16bit）的數字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長（16bit）的數字信號能夠轉換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。</p><p>　　系統中PLC的選型包括一個CPU266主模塊，兩個EM222擴展模塊，一個EM235模擬量擴展模塊。如此PLC總共有24個數字信號輸入，32個數字信號輸出,以及4個模

105、擬輸入信號，1個模擬輸出信號。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統擴充的要求。</p><p><b>　　PLC的設計</b></p><p>　　PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP-7 mocro/win32 V3.1編程軟件開發(fā),該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(stl)語言、梯形圖(lad)語言、功能塊圖(FWD)語言[38]

106、。語句表(stl)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖(lad)語言最接近于繼電器接觸器控制系統中的電氣控制原理圖，是應用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統內部的結構原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設計和運行維護人員所接受，是初學者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結構與數字