S7-200 PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
??
學(xué)生姓名_ 指導(dǎo)教師_ 職稱
系別_信息與電子工程系_專業(yè) 工業(yè)電氣自動化 年級__04___班級 1
課題名稱 S7-200 PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
任務(wù)與要求:
一、 設(shè)計(jì)(論文)要求:
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng),變頻恒壓供水已廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)及生活、消防等供水系統(tǒng)。
S7-200PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換,自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,改變以往“先啟后停”方式,使水壓平穩(wěn)過渡。采用硬件/軟件備用及時鐘控制功能,使各泵進(jìn)行輪休,延長設(shè)備的機(jī)械使用壽命。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運(yùn)行,保證不間斷供水。
㈠ 系統(tǒng)組成及原理
1、組成
變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖1所示,它主要是由S7-200PLC(包括一塊模擬量擴(kuò)展模塊EM235)、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及若干臺水泵等組成。通過控制柜面板上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)和指示燈來控制系統(tǒng)的運(yùn)行。
3、運(yùn)行方式
2、工作原理
通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器,把出口壓力信號變成 4-20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)西門子模擬量擴(kuò)展單元EM235 送入S7-200PLC,經(jīng)與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較、運(yùn)算后,發(fā)出控制信號送給變頻器,由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量,使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上;當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時,通過PLC 控制增加水泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。同時系統(tǒng)通過軟件設(shè)計(jì)具有定時換泵和系統(tǒng)聲、光報(bào)警及多種保護(hù)功能。
3、運(yùn)行方式
系統(tǒng)應(yīng)具有手動和自動兩種運(yùn)行方式(通過變頻/工頻選擇開關(guān)選擇):
⑴ 手動運(yùn)行
按下按鈕啟動或停止水泵,可根據(jù)需要分別控制1?!?#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。
⑵ 自動運(yùn)行
合上自動開關(guān)后,1#泵電機(jī)通電,變頻器輸出頻率從0Hz上升,S7-200PLC 接受壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號,經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較,將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器,如壓力不夠,則頻率上升到50Hz,1#泵由變頻切換為工頻,啟動2#泵變頻,變頻器逐漸上升頻率至給定值,加泵依次類推;如用水量減小,從先啟的泵開始減,同時根據(jù)系統(tǒng)的PID算法調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
4、故障處理
⑴ 故障報(bào)警
當(dāng)出現(xiàn)缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時,系統(tǒng)皆能發(fā)出聲、光報(bào)警信號;通知維修人員前來維修。此外,變頻器故障時,系統(tǒng)自動停機(jī),此時可切換至手動方式保證系統(tǒng)不間斷供水。
⑵ 水泵檢修
為維護(hù)和檢修水泵,要求在系統(tǒng)正常供水狀態(tài)下,在一段時間間隔內(nèi)使某一臺水泵停運(yùn),系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有水泵強(qiáng)制備用功能(硬件備用),可隨意備用某一臺水泵,同時不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行;為了使水泵進(jìn)行輪休,系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)有軟件備用功能,工作泵與備用泵應(yīng)具有周期定時切換功能。
㈡ PLC控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC CPU224,本機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)為14入/10 出,另為獲取和發(fā)出模擬信號選用4入/2出的EM235一塊,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(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試,并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語句表的相互轉(zhuǎn)換。
控制過程:泵組的切換開始時,若硬件、軟件皆無備用(兩者同時有效時硬件優(yōu)先),1#泵變頻啟動,轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升,如變頻器頻率到達(dá)50Hz,而此時水壓還在下限值,延時一段時間(由PLC內(nèi)部時間繼電器控制,目的是避免由于干擾而引起誤動作)后,1#泵切換至工頻運(yùn)行,同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz,2#泵變頻啟動,如水壓仍不滿足,則依次啟動3#、4#泵;若開始時1#泵備用,則直接啟2#變頻,轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升,如變頻器頻率到達(dá)50Hz,而此時水壓還在下限值,延時一段時間后,2#泵切換至工頻運(yùn)行,同時變頻器頻率由50 Hz滑停至0 Hz,3#泵變頻啟動,如水壓仍不滿足,則啟動4#泵;若1#、2#泵都備用,則直接啟3#變頻,具體泵的切換過程與上述類同。
同樣,如水壓在上限值,若3臺泵(假設(shè)為1#、2#和3#)運(yùn)行時,3#泵變頻運(yùn)行降到 0Hz,此時水壓仍處于上限值,則延時一段時間后使1#泵停止,3#泵變頻器頻率從0Hz 迅速上升,若此后水壓仍處于上限值,則延時一段時間后使2#泵停止。這樣的切換過程,有效地減少泵的頻繁啟停,同時在實(shí)際管網(wǎng)對水壓波動做出反應(yīng)之前,由變頻器迅速調(diào)節(jié),使水壓平穩(wěn)過渡。以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時,通常是采用停變頻泵,再將變頻器以工頻運(yùn)行方式切換到正在以工頻運(yùn)行的泵上進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種切換的方式,理論上要比直接切工頻的方式先進(jìn),但其容易引起泵組的頻繁啟停,從而減少設(shè)備的使用壽命。而我們這次的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中,要求直接停工頻泵,同時由變頻器迅速調(diào)節(jié),只要參數(shù)設(shè)置合適,即可實(shí)現(xiàn)泵組的無沖擊切換,使水壓過渡平穩(wěn),有效的防止水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現(xiàn)象,提高供水品質(zhì)。
㈢ 注意事項(xiàng)
1、變頻轉(zhuǎn)工頻開關(guān)切換時間T
設(shè)置T是為了確保在加泵時,泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻的過程中,同一臺泵的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行各自對應(yīng)的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器,同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊,所以在允許范圍內(nèi)T必須盡可能的小。
2、上下限頻率持續(xù)時間TH和TL
變頻器運(yùn)行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高,系統(tǒng)以變頻器運(yùn)行的頻率是否達(dá)到上限(下限)、并保持一定的時間為依據(jù)來判斷是否加泵(減泵),這個判斷的時間就是TH(TL)。如果設(shè)定值過大,系統(tǒng)就不能迅速的對管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng);如果設(shè)定值過小,管網(wǎng)用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作;兩種情況下都會影響恒壓供水的質(zhì)量。
㈣ 本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的主要內(nèi)容:
1、 學(xué)習(xí)S7-200PLC(包括一塊模擬量擴(kuò)展模塊EM235)、變頻器的有關(guān)知識;
2、 了解變頻恒壓供水原理及工藝,根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求設(shè)計(jì)并構(gòu)成系統(tǒng)硬件,同時進(jìn)行設(shè)備及元器件的選型;
3、 掌握變頻調(diào)速原理及其升速、啟動、降速和制動的方法;
4、 學(xué)習(xí)并掌握PLC應(yīng)用的開發(fā)步驟,PID調(diào)節(jié)原理、參數(shù)設(shè)置和設(shè)定值的調(diào)整方法,PLC程序編制及運(yùn)行和模擬調(diào)試;
5、 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書完成開題報(bào)告1份,根據(jù)指導(dǎo)教師要求完成外文文獻(xiàn)的翻譯,按系規(guī)劃格式完成設(shè)計(jì)說明書1份;
6、 按指導(dǎo)教師要求參加相關(guān)的實(shí)習(xí),完成實(shí)習(xí)總結(jié)。
二、 設(shè)計(jì)(論文)條件:
自備計(jì)算機(jī)一臺,Siemens Step7 編程軟件、提供設(shè)計(jì)所需參考資料及相應(yīng)的設(shè)計(jì)場所等。
三、 設(shè)計(jì)(論文)資料:
1、黃云龍.可編程控制器教程,北京:科學(xué)出版社,2003.
2、袁任光.可編程控制器選用手冊,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.
3、陳宇.可編程控制器基礎(chǔ)及編程技巧,廣州:華南理工大學(xué)出版社,1999.
4、李景學(xué)、金廣業(yè).可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,北京:電子工業(yè)出版社,1995.
5、黃立培、張學(xué)編.變頻器應(yīng)用技術(shù)及電動機(jī)調(diào)速,人民郵電出版社,1999.
6、黃大雷、吳庚申.可編程控制器及其應(yīng)用,人民交通出版社 1993.
7、洱洪濤 .可編程序控制器(PLC)原理及應(yīng)用,中國水利水電出版社 1999.
8、韓焱青.PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào) 2000年04期
9、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網(wǎng)站有關(guān)S7-200PLC、變頻器、低壓電器、自動化軟件的查詢,下載Siemens Step7 編程軟件,學(xué)習(xí)相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。
四、 設(shè)計(jì)(論文)教學(xué)要求:
要求同學(xué)們有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和自學(xué)能力,能根據(jù)需要查找資料,獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中要求同學(xué)們相互協(xié)作。
五、 設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度安排:(可以同一專業(yè)相同)
第01周至第03周:查閱相關(guān)網(wǎng)站及英文資料(并翻譯一篇外文資料),收集有關(guān)S7-200PLC、變頻器、低壓電器、Siemens Step7 編程軟件的資料。
第04周至第04周:根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求,完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告。
第05周至第12周:根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定的供水流量、壓力和電機(jī)參數(shù),進(jìn)行變頻器、S7-200模擬量擴(kuò)展單元、壓力傳感器等的選型,設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng),設(shè)定變頻器特性,編制PLC程序,通過軟件設(shè)計(jì)具有定時換泵和系統(tǒng)聲、光報(bào)警等多種保護(hù)功能,進(jìn)行仿真試驗(yàn),并分析仿真結(jié)果。
第13周至第15周:整理相關(guān)資料,完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文;
第16周:畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)小組答辯;
第17周:答辯。
六、 學(xué)生分組名單:
- 4 -
信息與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(開題報(bào)告)
信息與電子工程系 工業(yè)電氣自動化專業(yè) 04級 1 班
課題名稱:S7-200 PLC控制的變頻
調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)起止時間:
2007 年 3 月 1 日~ 6 月 10 日(共 16 周)
學(xué)生姓名: 學(xué)號:
指導(dǎo)教師:
報(bào)告日期: 2007-3-20
1.本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的現(xiàn)狀綜述
隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,人口的增多以及人們生活水平的不斷提高,對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量,經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì),從1990年到1998年。我國人均日生活用水量(包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水)由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。而另一方面,在全國的666個城市中有330個不同程度缺水,其中嚴(yán)重缺水的達(dá)108個;在32個百萬人口以上的特大城市中,有30個城市長期受缺水的困擾,特別是水資源短缺地區(qū)的城市,水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足,城市工業(yè)每年的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2300億元;同時給城市居民生活造成許多困難和不便,成為城市社會中的一種隱患。
在供水企業(yè)中,水泵的電能消耗及設(shè)備的維護(hù)管理費(fèi)用。在生產(chǎn)成本中占有很大的比例:水泵電機(jī)作為一種高耗能通用機(jī)械,其耗電量占全國總耗電量的21%以上,具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的,而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此,這種調(diào)控方式雖然簡單,但從節(jié)約能耗的角度來看。很不經(jīng)濟(jì)。近年來,電機(jī)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用,為水泵電機(jī)的節(jié)能開辟了一個新途徑。它可以通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來適應(yīng)水量和水壓的變化,使水泵始終在高效區(qū)工作,將大大地降低水泵能耗,合理地進(jìn)行設(shè)備管理與維護(hù),對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。
2.設(shè)計(jì)(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法
本課題要解決的問題:
本課采用和變頻調(diào)速技術(shù)研制控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水,保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。通過該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用,不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源,降低了生產(chǎn)成本,減少設(shè)備維護(hù),降低維修成本;而且提高了整個水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平,減輕工人勞動強(qiáng)度,有效的提高了生產(chǎn)率。由于中小型自來水廠的自動化技術(shù)改造在我國有著廣泛的應(yīng)用前景,本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價值。
(1)由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的,而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此,這種調(diào)控方式雖然簡單,但從節(jié)約能耗的角度來看。所以我們采用變頻調(diào)速控制水泵用來改善水泵的能量浪費(fèi)問題。
(2)S7-200控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換,自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,改變以往“先啟后?!狈绞?,使水壓平穩(wěn)過渡。采用硬件/軟件備用及時鐘控制功能,使各泵進(jìn)行輪休,延長設(shè)備的機(jī)械使用壽命。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運(yùn)行,保證不間斷供水。因此要設(shè)置好各泵的啟動方式及順序。
(3)變頻轉(zhuǎn)工頻開關(guān)切換時間T
設(shè)置T是為了確保在加泵時,泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻的過程中,同一臺泵的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行各自對應(yīng)的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器,同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊,所以在允許范圍內(nèi)T必須盡可能的小。
(4)上下限頻率持續(xù)時間TH和TL
變頻器運(yùn)行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高,系統(tǒng)以變頻器運(yùn)行的頻率是否達(dá)到上限(下限)、并保持一定的時間為依據(jù)來判斷是否加泵(減泵),這個判斷的時間就是TH(TL)。如果設(shè)定值過大,系統(tǒng)就不能迅速的對管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng);如果設(shè)定值過小,管網(wǎng)用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作;兩種情況下都會影響恒壓供水的質(zhì)量。所以要設(shè)置好上下限頻率持續(xù)時間。
(5)對常用的調(diào)速方式進(jìn)行分析,并決定選用的調(diào)速方式
調(diào)速方式的大致分類:
1、變級對數(shù)調(diào)速,2、變頻調(diào)速。
變頻調(diào)速又可以分為:
Ⅰ、交--直--交變頻器,Ⅱ、交--交變頻器。
因?yàn)榻弧蛔冾l調(diào)速方式比較適用于低速度,大功率的電機(jī),因此我們在本次設(shè)計(jì)中選用交—直—交方式的變頻調(diào)速。
3.本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路
3.1調(diào)速控制節(jié)能分析
水泵的設(shè)計(jì)負(fù)荷是按最不利條件下最大時流量及相應(yīng)揚(yáng)程設(shè)定的。但實(shí)際運(yùn)行中水泵每天只有很短的最大時流量,其流量隨外界用水情況在變化,揚(yáng)程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個工況點(diǎn),需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制。通常采用的方法有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的,因而浪費(fèi)了能量:而電動機(jī)調(diào)速控制可以通過改變水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來變更水泵的工況點(diǎn),使其流量與楊程適應(yīng)管用水量的變化,維持壓力恒定,從而達(dá)到節(jié)能效果。
由流體力學(xué)可知,水泵給管網(wǎng)供水時,水泵的輸出功率與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比;水泵的轉(zhuǎn)速與出水流量Q成正比:管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關(guān)系有,水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,即:
; 圖1-1
;
;
;
式中k,k1,k2,k3為比例常數(shù)。
當(dāng)系統(tǒng)出水流量減小時,通過變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉(zhuǎn)速調(diào)小,則水泵的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理田如圖1-1所示。圖中曲線1、2、3為管網(wǎng)阻力特性曲線,曲線4為水泵轉(zhuǎn)速為n1時的運(yùn)行特性曲線,曲線5為水泵轉(zhuǎn)速為n2時的運(yùn)行特性曲線。水泵原來的工作點(diǎn)為曲線3和曲線4的交點(diǎn)A,此時出水流量為Q1,管網(wǎng)壓力為H1,水泵轉(zhuǎn)速為n1。當(dāng)系統(tǒng)的出水流量減小到Q2,系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1。曲線1和曲線4的交點(diǎn)B為運(yùn)行工作點(diǎn)。此時管網(wǎng)壓力為H2,水泵的輸出功率正比于H2×Q2。由于H2>H1,高出的壓力能量被浪費(fèi)了,同時過高的壓力對管網(wǎng)和設(shè)備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置,將此時水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至n2,曲線5和曲線2的交點(diǎn)C為水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)。調(diào)速后管網(wǎng)的壓力仍保持為H1,出水流量為口Q2,水泵的輸出功率正比于H1×Q2。從圖中可見,陰影部分正比于浪費(fèi)的功率輸出。例如,當(dāng)Q2為Q1的80%時,通過調(diào)速將n2調(diào)為n1的80%,則水泵的輸出功率P2為P1的51.2%。如不采用調(diào)速控制,48.8%的能量將被浪費(fèi)。可見變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
3.2常用的調(diào)速方式
水泵多配用交流異步電機(jī)拖動,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時,既可節(jié)約能量,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式:
式中: :異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速
:異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速
:電動機(jī)的磁極對數(shù)
:電源頻率,電動機(jī)定子電壓頻率
:轉(zhuǎn)速差:
因此改變電動機(jī)極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)速差及改變電源頻率都可以改變轉(zhuǎn)速。
3.21變級對數(shù)調(diào)速
在電源頻率—定的情況下,電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比,改變電動機(jī)極對數(shù),就可以改變轉(zhuǎn)速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數(shù)以電動機(jī)一相繞組
為例,電流方向都是一致的,只要改變定子繞組的連接方法,就可以成倍地改變磁極對數(shù)。如果使=1,2,3等,就可以得到=3000,1500,1000等不同的同步轉(zhuǎn)速,從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡單,投資省,節(jié)能效果顯著,效率高,但需要專門的變極電機(jī),是有極調(diào)速,而且級差比較大,只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。
3.22變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電,然后供給電動機(jī),使其可在變速的情況下運(yùn)行。改變電動機(jī)定子頻率可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速,相應(yīng)地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,而轉(zhuǎn)差率可保持不變或很小。但對電動機(jī)來說,定子頻率改變后,其運(yùn)行影響,如果電壓不變,頻率增加時,磁通減少,電動機(jī)轉(zhuǎn)矩下降,嚴(yán)重時會使電機(jī)堵轉(zhuǎn):頻率增減少,磁通增加,會使磁路飽和,勵磁電流上升,導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱,是不允許的。因此,在實(shí)用上,要求調(diào)頻的同時,改變定子電壓,保持磁通基本不變,既不使鐵芯發(fā)熱,又保持轉(zhuǎn)矩不變。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種:交--直--交變頻器。交--交變頻器。
(1)交--直--交變頻器
它是由三個環(huán)節(jié)組成:可控硅整流電路,其作用是將電壓,定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電:可控硅逆變電路,其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電:濾波環(huán)節(jié),它在整流電路和逆變電路之間,一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。
在交--直--交變頻器中,根據(jù)濾波方式不同,又有電壓型變頻器和電流型變頻器。
近年來,由于電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,脈沖寬度調(diào)制型(簡稱)變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。交頻器也有電壓型和電流型兩種,目前以電壓為主,由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓,而且具有抑制諧波功能,是一種比較理想的方式。
(2)交--交變頻器
它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成,直接將電網(wǎng)的交流電通過交頻電路同時調(diào)節(jié)電壓和頻率,變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。
交--交變頻器由于直接交換,減少換流電路,減少損耗,效率高,波型好。但調(diào)速范圍小,控制線路復(fù)雜,功率因數(shù)低,目前較少采用。
變頻技術(shù)對水泵電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速,以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果,是目前常用的技術(shù)。
由于交—交變頻調(diào)速方式比較適用于低速度,大功率的電機(jī),因此我們在本次設(shè)計(jì)中選用交—直—交方式的變頻調(diào)速。
4.完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)環(huán)境條件、某類市場調(diào)研、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)條件等等)及解決的辦法
工具書
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[9]、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網(wǎng)站有關(guān)S7-200、變頻器、低壓電器、自動化軟件的查詢,下載step—7編程軟件,學(xué)習(xí)相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。
實(shí)驗(yàn)室
浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系過控實(shí)驗(yàn)室
設(shè)備與環(huán)境
1.S7-200一臺
2.三菱S500變頻器一臺
3.計(jì)算機(jī)一臺
4.西門子的STEP 7-MicroWIN V4.0編程環(huán)境
5.設(shè)計(jì)(論文)完成進(jìn)度計(jì)劃
(1)第01周至第03周:查閱相關(guān)網(wǎng)站及英文資料(并翻譯一篇外文資料),收集有關(guān)S7-200、變頻器、低壓電器、Siemens Step7 編程軟件的資料。
(2)第04周至第04周:根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求,完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告。
(3)第05周至第12周:根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定的供水流量、壓力和電機(jī)參數(shù),進(jìn)行變頻器、S7-200模擬量擴(kuò)展單元、壓力傳感器等的選型,設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng),設(shè)定變頻器特性,編制程序,通過軟件設(shè)計(jì)具有定時換泵和系統(tǒng)聲、光報(bào)警等多種保護(hù)功能,進(jìn)行仿真試驗(yàn),并分析仿真結(jié)果。
(4)第13周至第15周:整理相關(guān)資料,完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文;
(5)第16周:畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)小組答辯;
(6)第17周:答辯。
6.指導(dǎo)教師審閱意見
指導(dǎo)教師(簽字): 年 月 日
7.教研室主任意見
教研室主任(簽字): 系(簽章)
年 月 日
說明:
1. 本報(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書”、正式開始做畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的第2周或第3周末之前獨(dú)立撰寫完成,并交指導(dǎo)教師審閱。
2.每個畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題撰寫本報(bào)告一份,作為指導(dǎo)教師、教研室主任審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的依據(jù),并接受學(xué)校的抽查。
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浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)綜述)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)文獻(xiàn)綜述
信息與電子工程 系 工業(yè)電氣自動化 專業(yè) 04 級 1 班
課題名稱:S7-200 PLC控制的變頻
調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)起止時間:
2007 年 3 月 1 日~ 6 月 10 日(共 16 周)
學(xué)生姓名: 學(xué)號:
指導(dǎo)教師:
報(bào)告日期: 2007-6-10
文獻(xiàn)綜述
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摘 要:傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設(shè)費(fèi)用高、管理維護(hù)復(fù)雜困難、供水質(zhì)量低下等缺點(diǎn)和不足。為了解決這些問題,本文采用控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合的方法來研究恒壓供水系統(tǒng),該系統(tǒng)與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了兩個獨(dú)立的閉環(huán)控制子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)每天24小時不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水,保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。
通過該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用,不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源,降低了生產(chǎn)成本,減少設(shè)備維護(hù),降低維修成本;而且提高了整個水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平,減輕工人勞動強(qiáng)度,有效的提高了生產(chǎn)率。
關(guān)鍵字:恒壓供水,控制,變頻器,
一、 引言
隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,人口的增多以及人們生活水平的不斷提高,對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量,經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì),從1990年到1998年。我國人均日生活用水量(包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水)由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。而另一方面,在全國的666個城市中有330個不同程度缺水,其中嚴(yán)重缺水的達(dá)108個;在32個百萬人口以上的特大城市中,有30個城市長期受缺水的困擾,特別是水資源短缺地區(qū)的城市,水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足,城市工業(yè)每年的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2300億元;同時給城市居民生活造成許多困難和不便,成為城市社會中的一種隱患。
在供水企業(yè)中,水泵的電能消耗及設(shè)備的維護(hù)管理費(fèi)用。在生產(chǎn)成本中占有很大的比例:水泵電機(jī)作為一種高耗能通用機(jī)械,其耗電量占全國總耗電量的21%以上,具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的,而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此,這種調(diào)控方式雖然簡單,但從節(jié)約能耗的角度來看。很不經(jīng)濟(jì)。近年來,電機(jī)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用,為水泵電機(jī)的節(jié)能開辟了一個新途徑。它可以通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來適應(yīng)水量和水壓的變化,使水泵始終在高效區(qū)工作,將大大地降低水泵能耗,合理地進(jìn)行設(shè)備管理與維護(hù),對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。
二、恒壓供水技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
本課采用和變頻調(diào)速技術(shù)研制控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水,保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。通過該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用,不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源,降低了生產(chǎn)成本,減少設(shè)備維護(hù),降低維修成本;而且提高了整個水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平,減輕工人勞動強(qiáng)度,有效的提高了生產(chǎn)率。由于中小型自來水廠的自動化技術(shù)改造在我國有著廣泛的應(yīng)用前景,本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價值。
1、 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀
進(jìn)入80年代中、后期,由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展,使得各種類型的所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且,為了進(jìn)一步提高的處理速度,各制造廠商還紛紛研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。
是一門綜合技術(shù),其發(fā)展與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)密切相關(guān)。隨著可編程序控制器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,它本身也在不斷發(fā)展。目前主要朝小型化和大型化兩個方向發(fā)展。
2、變頻調(diào)速技術(shù)在恒壓供水技術(shù)中的發(fā)展?fàn)顩r
近年來,交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易,從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。但長期以來,交流電的頻率卻一直固定而不能受人為控制。變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變成可以利用的資源。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人民生活正趨向于高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量和現(xiàn)代化。在居民生活用水供水系統(tǒng)中,由于高層建筑越來越高,采用傳統(tǒng)設(shè)備不能滿足高層建筑高水壓、大流量的快速供水需求。另外,在現(xiàn)代供水需求中,供水量是隨機(jī)變化的,如果采用傳統(tǒng)供水方式,難以保證供水的實(shí)時性,且能量浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善,變頻調(diào)速恒壓供水方式可以很好地克服傳統(tǒng)供水方法的缺點(diǎn),成為一種很有發(fā)展前途的供水方式。
3、模糊控制理論在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[6、8、9、12]
在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中,利用模糊控制的相關(guān)理論,把系統(tǒng)輸入的壓力、流量等傳感器信號以及系統(tǒng)的輸出變量進(jìn)行了模糊化處理,然后結(jié)合根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)等制成的控制規(guī)則表,經(jīng)過模糊推理,得到了系統(tǒng)控制的模糊控制表。在實(shí)時控制過程中,系統(tǒng)通過查找模糊控制表把實(shí)時采集的壓力等輸入信號轉(zhuǎn)化成輸出,然后通過模糊決策得到輸出的清晰量,最后系統(tǒng)根據(jù)該清晰量進(jìn)行電機(jī)變頻控制,完成了恒壓控制的模糊控制過程。
三、變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理
1、水泵工況點(diǎn)的確定以及變化[2、7]
水泵工作點(diǎn)(工況點(diǎn))是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中,實(shí)際運(yùn)行時所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。如圖3-1、3-2、3-3所示。
圖3-1 水泵工作點(diǎn)的確定 圖3-2水泵工況點(diǎn)的變化
圖3-3 水泵變速恒壓工況 圖3-4變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖
2、 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過程
交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關(guān)系:
(3-1)
式3-1中:—極對數(shù),—轉(zhuǎn)差率
因此不改變電動機(jī)的極對數(shù),只改變電源的頻率,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中,通過變頻器來改變電源的頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變水泵的轉(zhuǎn)速,可以使水泵性能曲線改變,達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。見圖3-4。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時,通過VVVF降低交流電的頻率,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從降低到。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論,改變轉(zhuǎn)速,可使供水泵流量、揚(yáng)程和軸功率以相應(yīng)規(guī)律改變。
(3-2)
?。?-3)
(3-4)
或 (3-5)
式3-5是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程,在這種拋物線上的各點(diǎn)具有相似的工作狀況,所以稱為相似工況拋物線。
3、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定
考察水泵的效率曲線,水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi),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(yùn)行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定,當(dāng)選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍,在根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體最低調(diào)速范圍,在實(shí)際配泵時揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū),水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小,其頻率變化范圍在40以上,也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi),在此范圍內(nèi),電動機(jī)的負(fù)載率在50%-100%范圍內(nèi)變化,電動機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。
四、系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與工作過程
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成:系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機(jī)的起動、運(yùn)行與調(diào)速,采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。未接工控計(jì)算機(jī),壓力傳感器采樣水壓力信號,變頻器輸出電機(jī)頻率信號,這兩個信號反饋給控制器, 控制器根據(jù)這兩個信號經(jīng)運(yùn)算,發(fā)出指令,對水泵電機(jī)進(jìn)行工頻和變頻之間的切換。
圖5-1 恒壓供水系統(tǒng)方案圖
五、設(shè)計(jì)總結(jié)及展望
S7-200控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較完備的,但是并非沒有有待改進(jìn)之處,例如該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4組泵,它的可擴(kuò)充性就沒有再設(shè)計(jì)中被充分考慮到,如果遇到大型水廠,需要更多泵組,那么該設(shè)計(jì)就基本沒有用武之地,需要重新設(shè)計(jì),又如,該系統(tǒng)的保護(hù)功能并不完整,系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置2組變頻器,防止其中一組出錯時造成事故,這樣也可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,連續(xù)工作時間,減少故障損失。
展望未來,以后的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該改進(jìn)我上述不足之處,以提高整體系統(tǒng)的性能。降低錯誤率。
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