电力拖动控制系统课程设计-变频供水系统设计.doc

电力拖动控制系统课程设计成绩题目：变频供水系统设计教学单位： 控制工程学院 专 业： 自动化 学 号： 1109101034 姓 名： 指导教师： 2014年 11月目录1前言11.1传统供水与变频供水区别11.2变频供水系统的国内外研究现状11.4 设计任务11.4.1 课题完成的功能21.4.2 设计任务及要求22 变频供水系统的结构与工作原理32.1供水自动控制系统原理32.2变频供水系统的结构框图32.3变频器工作原理32.4电动机变频的调速原理43 变频供水系统主电路和辅助电路设计及元件清单53.1 主电路设计结果53.2主电路元件清单53.3辅助电路53.4辅助电路元件清单64 PID控制及参数计算74.1 参数计算75 IO分配和传感器的选取95.1PLC的选用及其IO分配95.2压力传感器的选用及其接法96 程序设计116.1梯形图11总结16参考文献171前言众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。1.1传统供水与变频供水区别传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗口。1.2变频供水系统的国内外研究现状目前国内有不少公司在做变频供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。1.4 设计任务1.4.1 课题完成的功能设计变频供水控制系统的主电路和控制电路以及驱动电路。并针对驱动电路进行数学建模，使计算机对水压有较好的控制，在此基础上对元件进行选取：包括PLC控制器，电机，变频器，供水变送器等。1.4.2 设计任务及要求（1）设计供水变频控制系统的主电路图、控制电路和驱动电路图并且绘制。（2）结合实际对主电路以及驱动电路各个元件进行选取。（3）对驱动电路中计算机对水压的控制建立数学模型，以便控制方便，准确。2 变频供水系统的结构与工作原理2.1供水自动控制系统原理图 2-1 系统原理图2.2变频供水系统的结构框图图 2-2 系统结构框图2.3变频器工作原理通过安装在出水管网上的压力传感器，把出水口压力信号变成420mA的电流信号送至变频器，再通过变频器的A/D转换模块将模拟量变成数字量，同时变频器的A/D转换模块也将压力设定值转换成数字量，两个数据同时经过PID控制模块进行比较，PID根据变频器的参数设置进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的形式进行输出控制，这样运行频率的变化就可以改变水泵电机的转速，进而可调节供水量。根据用水量的不同，变频水泵的工作频和率转速也不同，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大则供水压力低于设定值时，变频器频率上升到上限频率，此时变频器输出一个开关信号给PLC；当用水量处于低峰时，供水压力升高，变频器输出频率降低到下限频率时，变频器输出一个开关信号给PLC，这两个信号不会同时产生，但任何一个信号反馈到PLC都会影响PLC的输出，以实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停和、变频与工频切换。通过调整投入工作的电机的台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。2.4电动机变频的调速原理变频供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒定供水的。异步电机的转差率定义为： （2-1）异步电机的转速为： （2-2） 其中：n0为异步电机的理想空载转速；n为异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数不变时，电机转子转速刀与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。3 变频供水系统主电路和辅助电路设计及元件清单3.1 主电路设计结果图3-1 主电路图在主电路图中，KM1、KM2分别控制1号水泵的工频与变频运行，KM3、KM4分别控制2号水泵的工频与变频运行，KM5、KM6分别控制3号水泵的工频与变频运行。3.2主电路元件清单表3-1设备清单器件名称器件数量器件型号变频器1台HLPA03D743B电机3台TPW100-160IAPLC控制器1台XC-E4AD2DA3.3辅助电路图3-2 辅助电路系统的控制电路主要由两部分组成，全手动工频启/停和通过PLC对水泵进行控制，如图3-2所示，当选择开关打向“1”挡时可实现手动对电机的控制，当选择开关打向“2”挡时，可通过PLC实现对水泵的控制。3.4辅助电路元件清单表3-2辅助电路清单器件名称数量型号PLC控制器1台XC-E4AD2DA变频器1台HLPA03D743B供水变送器1个UHZ系列4 PID控制及参数计算4.1 参数计算本设计以单容水压为研究对象。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。如图2-1，设水压强P,输水管道所受的压力F，管道的总面积为S,其中S等于管道长度l乘以管的半径R平方与，v是管道的体积，则该被控对象的数学模型就是l与F 之间的数学表达式。根据压力平衡关系有得到如下表达式： （4-1）将式（4-1）表示为增量形式如下： （4-2）在零初始条件下，对上式求拉氏变换得： （4-3）式中，为水压的时间常数。 PID控制原理数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图5-5所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图4-1模拟PID控制系统原理框PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值与实际输出值构成控制偏差 （4-4）将偏差的比例（P），积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为 （4-5）写成传递函数形式为： （4-6）式中： 比例系数； 积分时间常数； 微分时间常数；从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：1、比例环节 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。2、积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。越小，系统的静态误差消除越快，但过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。 3、微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。5 IO分配和传感器的选取5.1PLC的选用及其IO分配表 5-1 IO分配表符号IO分配表意义BB1I0.1泵1BB2I0.2泵2BB3I0.3泵3REI0.4故障切除STOPI0.5急停STARTI0.6启动INI0.7变频器故障信号输入UPI1.0水池上限DOWNI1.1水池下限KM1Q0.01号泵变频KM2Q0.11号泵工频KM3Q0.22号泵变频KM4Q0.32号泵工频KM5Q0.43号泵变频KM6Q0.53号泵工频STQ0.6变频器启动脉冲B1Q1.0水泵1故障报警B2Q1.1水泵2故障报警B3Q1.2水泵3故障报警BGUQ1.4变频器故障5.2压力传感器的选用及其接法压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。图 5-1 压力传感器接线图6 程序设计6.1梯形图梯形图是一种图形语言，它沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，并增加了一些继电接触控制图中没有的符号，因此梯形图与继电接触器控制图的形式及符号有许多相同或相仿的地方。梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列，最左边的竖线称为起始母线也叫左母线，然后按一定的控制要求和规则连接各个节点，最后最后以继电器线圈结束，称为逻辑行或“梯级”，一般在最右边还加一竖线，这竖线称为右母线。通常一个梯形图中有若干逻辑行（梯级），形似梯子，梯形图由此而得名。梯形图不叫形象直观，容易掌握，用的多，堪称用户第一编程语言。程序如下：总结本课程设计综合运用了自动控制原理、电力电子技术、电力拖动与控制技术等的知识，为了更好的完成设计，我又重新复习了一遍原来所学的知识，加深了对知识的理解，提高了对知识的应用能力，同时使我认识到了各个课程之间是紧密联系的，每门课程都要认真学习，平时要多问、多思考、做到理论联系实际。在平时的学习中要注意细节的知识，往往细节决定着我们的成功与否。也使我意识到了合作的重要性，遇到不会的问题要主动向同学、老师请求帮助，认真听取他们的意见和建议，并认真改正自己的问题。在这次设计过程中，体现自己能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用，突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的王宁老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思维给予我无尽的启迪；这次的每个实验细节和每个数据都离不开老师的信心指导，帮助我能够很顺利的完成课程设计。参考文献1