（机械电子工程专业论文）dss炉变频恒压供水系统设计.pdf

摘要 摘要 本文以用于d s s ( d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ns y s t e m 定向凝固系统) 炉 恒压供水系统为研究对象。 第一，通过对d s s 炉铸锭工艺的分析和研究，并结合设备厂家提供的固有 参数，确定了所要实现的恒压供水系统的基本要求。 第二，根据恒压供水系统的基本要求，并综合考虑安全性、节能性、稳定 性和经济性选择恒压供水系统具体实现形式。 第三，根据选择的系统实现形式，对系统需要用到的各种传感器、执行机 构和智能核心进行选择，设计了以西门子$ 7 - 2 0 0 系列p l c 为控制核心的变频恒 压供水系统。 第四，通过对p l c 系统进行编程，使恒压供水系统具备了良好的自动运行 能力和错误报警及故障处理能力。 由于本课题为企业课题，故在每一步工作进行时都进行了详细、严谨的论 证，并在每一步工作完成后及时地进行了验收，从而确保了整个工程的科学和 合理。 事实证明，本文所设计的恒压供水系统对水压的实时控制性能良好，硬件 模块工作稳定、可靠。该系统是一种较理想的控制系统，并具备良好的可复制 性。 关键词：d s s 炉、恒压供水系统、变频器、p l c a b s t r a c t t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sa r i t i c l ei sa b o u tt h ei n v e r t e rc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e r s u p p l ys y s t e mo f d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ns y s t e m ( d s s ) a tt h eb e g i n n i n go ft h ea r t i c l e ，t h ea u t h o re x p l a i n st h eb a c k g r o u n do fc a r r y i n g o u tt h er e s e a r c hp l a na n db r i n g sf o r w a r dt h er e s e a r c hc o n t e n td e f i n i t e l y f i r s t l y , b ya n a l y s i st h ep r o c e s so fd s sf u r n a c ea n dt h ep a r a m e t e r so f f e r e db y t h ef a c t o r yo fd s s ，t h eb a s i cr e q u i r ew e r es u r e d s e c o n d l y , t h ew a yt ow o r ko u tt h ei n v e r t e rc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y s y s t e mw a sc h o i c e db yt h eb a s i cr e q u i r eo f t h es y s t e ma n d s o m eo t h e ra s p e c t s t h i r d l y , t h ep r o d u c t sw h i c hw e r eu s e di ns y s t e mw e r ec h o i c e da n dt h et h e i n v e r t e rc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e mw a sd e s i g n e d f o r t h ，ie d i t e dt h es o f t w a r eo fp l ct om a k es u r et h es l o v i n go f m o s te r r o r s f o rt h ee n t e r p r i s ei s s u e ，s oa te a c hs t e po ft h ew o r kw h e nt h e yc a r r i e do u ta d e t a i l e d ，r i g o r o u sa r g u m e n t ，a n da f t e rt h ec o m p l e t i o no f e a c hs t e po ft h ei n s p e c t i o n c a r r i e do u ti nat i m e l ym a n n e rt oe n s u r et h a tt h ew h o l ep r o j e c ta n dt h es c i e n t i f i ca n d r e a s o n a b l e f a c t sh a v ep r o v e dt h a tt h i sc o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l ys y s t e md e s i g n e df o r r e a l - t i m ec o n t r o lo ft h ep r e s s u r ew i t hg o o dp e r f o r m a n c e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e m o d u l ew o r ks t a b l ea n dr e l i a b l e t h es y s t e mi sa ni d e a lc o n t r o ls y s t e m ，a n dh a sg o o d r e p r o d u c i b i l i t y k e yw o r d s ：d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o ns y s t e m ( d s s ) ，c o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l y s y s t e m ，i n v e r t e r ，p l c i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 教育机构的学位或证书而使用过的材料。 也不包含为获得南昌大学或其他 与我同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：差叛f 乎字日期：沙6 今 年，2 月似日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：苕弧f 乙 导师签名( 手写) ： 签字日期：乙d o 眸i 乙月f 日签字醐2 1 年f 堋 屿 n 乍 ， 甲 第1 章绪论 第一章绪论 随着社会经济的迅速发展，水对工业生产与人民生活的影响日益加强，对 供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技 术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。 变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该 系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集 中管理与监控：同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重 要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗 等方面具有重要的现意。 1 1 恒压供水系统产生的背景及研究意义 水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的 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。主要 表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现 象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的 情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。 在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。 1 1 1 一台恒速泵直接供水系统 这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水 池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。 这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。 这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。 第1 章绪论 1 1 2 恒速泵加水塔的供水系统 这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是 要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水 位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水 泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一 种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、 停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备 投资最大，占地面积也最大：水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要：而且系 统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量 损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损 坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作， 这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。 t 1 3 恒速泵加高位水箱的供水方式 这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还 可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设 计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。 一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏， 这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。 1 1 4 恒泵加气罐水方式 这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控 制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地 上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质 因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，在介绍 完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。 1 1 5 变频调速供水方式 这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定 2 第1 章绪论 压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统 水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速水泵调速控制方式 有三种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。 ( 1 ) 出口恒压控制 水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程 中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例 较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积 较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出 水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。 ( 2 ) 出口变压控制 水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值 不只是一个。是将每日2 4 小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需 的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵 出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于 将全天2 4 小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出 口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实 现也越复杂。 ( 3 ) 最不利点恒压控制 最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行 过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不 利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工 程中很少采用。 变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力 罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的 条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而 造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。 而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统 所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动， 启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也 是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电 气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般 3 第l 章绪论 为几十平米。而变频调速式中的调装置占面积仅为几平米。由此可见变频调速 供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积在运行效果上气压罐方式与调 速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁 启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1 3 1 6 ，因而每个罐的调节 能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由 于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很 快。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为 软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由 于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮 用水水质可靠。 由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节 省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经 济效益与社会效益。 1 2 恒压供水技术的现状和趋势 变频恒压供水系统即实现水泵电机的无级调速，根据用水量的变化自动调 节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。 水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的 现实条件下，传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统和气压罐供水系 统供水方式已经不能满足当前社会发展的需求。随着科学技术的发展，变频调 速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水 箱和压力罐等供水设备。变频恒压供水系统不仅具有供水质量高、灵活性强、 电机启制动平稳、无水锤效应、占地面积小、设备投资少、噪声低等优点，而 且提高了供水系统的稳定性和可靠性，节水、节能效果显著，具有广阔的应用 前景和很好的社会效益与经济效益。 1 2 1 变频恒压供水技术 恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化( 实际上为 供水管网的压力变化) 自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压 4 第1 章绪论 恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。 目前恒压供水调速系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列 化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化是未来供水设备适应城镇建 设中成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 在短短的几年内，调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程。早 期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。虽然单泵产品系统设计简易可 靠，但单泵电动机深度调速造成水泵、电动机运行效率低，而多泵型产品的投 资更为节省，运行效率也高，被实际证明是最优的系统设计，因此很快发展成 为主导产品h 羽。 1 2 2 变频调速恒压供水系统的工作原理 变频调速恒压供水系统的工作原理见图1 1 。控制器的主要任务是根据管道 压力的变化，控制变频器的频率，调节水泵转速，以保证水泵出水口压力恒定： 同时，当已启动的水泵不能满足管道流量要求时，把变频器驱动的水泵切换至 工频电源，并用变频器启动另一台泵。根据最多用水量的大小可投入数台水泵。 图1 1 变频调速供水系统示意 变频调速时从高速到低速都可以保持有限的转差率因而变频调速具有高效 率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与 直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和 理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速洲。 1 2 3 变频调速恒压供水系统的组成 变频调速恒压供水系统一般由信号检测、控制器、变频器、执行机构、电 5 第1 章绪论 控设备和报警装置等组成，其系统结构见图1 2 。 供水管网 图1 2 变频调速供水系统组成结构 ( 1 ) 信号检测。信号检测包括水压信号检测和液位信号检测。水压信号检 测反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。液位信号 检测反映水泵的进水水源是否充足，信号有效时控制系统要对系统实施保护控 制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。 ( 2 ) 控制器。控制器是整个供水控制系统的核心。控制器根据变送器检测 到的压力和液位信号进行分析，通过变频调速器和接触器对执行机构( 水泵) 进 行控制。 ( 3 ) 变频器。在供水控制系统中，变频器根据控制器送来的控制信号改变 调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。 ( 4 ) 执行机构。执行机构由一组水泵组成，它们用于将水送入用户管网。 水泵分为两种类型：调速泵和平衡泵。调速泵由变频调速器控制，根据用水量 的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。平衡泵只在工频状态下运行， 速度恒定，此泵主要工作在夜间用水量很少的情况下，用以维持管网压力。 ( 5 ) 电控设备。电控设备由继电器、接触器、转换开关等电气元件组成。 在供水系统中用于控制器完成对水泵的变频一工频切换和手动一自动切换等。 ( 6 ) 报警装置。为了保证供水系统的正常运行，设计了水位、压力上下限 等报警装置u 刮。 1 2 4 变频恒压供水系统的特点 目前变频恒压供水和以往的传统供水系统相比具有以下特点： 6 第l 章绪论 ( 1 ) 节水。根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少 了水的跑、漏现象。 ( 2 ) 节能。系统用变频器进行调速，节能效果显著。同时，优化的节能控 制软件，使水泵实现晟大限度的节能运行。 ( 3 ) 运行可靠。由变频器实现泵的软启动，启动电流可以从零到电机额定 电流。减少了启动电流对电网的冲击，也减少了启动惯性对设备的大惯量的转 速冲击，延长了设备的使用寿命。 ( 4 ) 联网功能。采用全中文工控组态软件，具有远程和就地控制的功能和 数据通信接口，能与控制信号或控制软件相连，实时监控各个站点，对供水的 相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。 ( 5 ) 控制灵活。分段供水，定时供水，手动选择工作方式。 ( 6 ) 自我保护功能。如某台水泵出现故障，主动向上位机发出报警信息， 同时启动备用泵，以维持供水平衡。如果自控系统出现故障，操作人员可以直 接手动操作系统，保证供水。 1 2 5 变频恒压供水控制方式 根据水泵工作原理，水泵消耗功率与转速的三次方成正比，f l 口n = k n 3 ，其中 n 为水泵消耗功率，n 为水泵运行时的转速，k 为比例系数。而水泵是按工频 运行时速设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于采用了变频 技术及微机控制技术，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终 达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速 降低2 0 ，从而大大降低能耗，节能效率可达2 0 4 0 。 一、带p i d 回路调节器和或p l c 的控制方式 在该方式中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机 的无级调速，从而使管网水压可控。传感器是检测管网水压；压力设定单元为 系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入p l c 或p i d 回路调节器经计算后，输给变频器一个频率控制信号。 由于变频器的频率控制信号是由p l c 或p i d 回路调节器给出的，所以对p l c 来讲，就要有模拟量输入输出接口。由于带模拟量输入输出接口的p l c 价格 很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入数字量输出 7 第1 章绪论 的p l c ，则要在其数字量输出口端另接块p v n 调制板，将p l c 输出的数字量信 号转变为模拟量。这样，p l c 的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降 低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入输出的p l c 和一个p i d 回路 调节器，其成本也和带模拟量输入输出的p l c 差不多。所以，在变频调速恒压 给水控制设备中，p i d 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关 键环节。 二、新型变频调速供水设备 针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷 纷推出了一系列新产品，如华为的t d 2 1 0 0 ，施耐德公司的a l t i v a r 5 8 泵切换卡， s a n k e n 的s a m c o - i 系列，a b b 公司的a c s 6 0 0 、a c s 4 0 0 系列，富士公司的 g l i s p i i s 系列等。这些产品将p i d 调节器以及简易p l c 的功能都综合进变频 器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于p i d 运算在变频器内部，这 就省去了对p l c 存储容量的要求和对p i d 算法的编程，而且p i d 参数的在线调 试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器 内部自带的p i d 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。 同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失真，可对该信号设置滤波时间常 数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频 器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置p i d 功 能的变频器生产出的恒压供水设备，在满足工艺要求的情况下应优先采用。 三、供水专用变频器 供水专用变频器是将普通变频器和p l c 控制器集成在一起，是集供水管控 一体化的系统，内置供水专用p i d 调节器，只需加一只压力传感器，即可方便 地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的p i d 调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器 以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也 可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值( m p a ) 。 系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式，固定 方式可选择“先开先关”和“先开后关 两种水泵关闭顺序，循环方式以“先 开先关 的顺序关泵u 州硼。 8 第1 章绪论 1 2 6 变频恒压供水系统的研究现状及发展方向 随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、计算机技术和智能控制技术 的迅速发展，变频调速技术在供水领域中实现了水泵电机的无级调速，节约了 能源，同时也改善了管网的供水环境。目前，变频调速恒压供水系统的开发、 研究已成为城镇供水行业的重要课题，各地区根据自身的不同情况，已开始应 用。国产变频器在小容量、控制要求的变频供水领域发展较快，并以其成本低 廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器 上，国产变频器有待于迸一步改进和完善。随着变频技术的发展和变频恒压供 水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果 被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供 水功能的变频器。这类设备微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口 的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统和组 态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围 将会受到限制。 为了使变频恒压供水系统更好地应用于生产、生活实践，应继续进行以下 几方面的研究：一是结合现代控制技术、网络和通信技术的变频恒压供水系统 的水压闭环控制研究：二是将数字p i d 控制、模糊控制等自动控制技术引入该 系统，从而提高系统的控制性能和性价比：三是高压变频系统在供水行业中的 应用研究。 1 3 课题来源、目的和意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于工业生产，属于实际工程应用。 1 3 2 课题目的和意义 课题的目的是设计d s s 炉恒压冷却水系统。恒压冷却水系统是d s s ( 定向凝 固系统) 炉的附加部件，对d s s 炉安全可靠运行有着及其重要的意义。 9 第1 章绪论 d s s 炉工作在高温条件( 1 5 0 0 ) 下，如果没有冷却水系统，d s s 炉的金属 外壳可能会被融化，加热的电铜电极也可能被融化，为了使d s s 炉能正常工作， 我们势必需要选用其他的耐高温的材料作为d s s 炉的外壳和加热电机的过渡传 导部分，必然会增加成本。此外，如果没有冷却水将d s s 炉内部的热量带走，热 量会在d s s 炉内累积，产生安全隐患。 1 4 本文的主要研究内容 通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频 调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统 主要由变频器、可编程控制器、人机界面h m i 、各种传感器等组成。本文研究的 目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操 作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。该系统除可以满 足d s s 炉冷却的需要外，还可以用于深井泵恒压供水系统，各类型的自来水厂， 消防用水系统、工业锅炉补水系统，还可以广泛应用于化工、制冷空调和其他 工业及民用领域。本文的主要内容如下： 1 、设计并实现了d s s 炉工艺冷却水的变频控制系统 2 、设计并实现了d s s 炉二次冷冻水的恒压变频控制系统 3 、设计并实现了d s s 炉三级供水的自动控制系统 4 、设计并实现了一次冷却水泵、冷机冷却水泵和冷却塔风机的控制系统 1 0 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 第二章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 2 1d s s 炉简介 d s s ( d i r e c t i o n a ls 0 1 i d i f i c a t i o ns y s t e m 定向凝固系统) 炉用于多晶硅 铸锭，是制作太能能电池用硅片的关键设备之一。d s s 炉将一定纯度的硅料定向 长晶，从而形成立方体形状的多晶硅铸锭。对太阳能电池的成本控制有着及其 重要的作用。 紧急排 气管道 隔热笼 冷却水系统 真空泵 d s s 炉主要工作原理如下： 图2 id s s 炉结构示意图 上炉体 下炉体驱动 下炉体 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 在密闭条件下，将炉腔内空气通过真空泵抽出，利用石墨电极给炉腔内加 热，温度逐渐升高，从而使放置在由石墨护板保护的石英坩埚中的硅料由固态 变为液态，然后通过隔热笼的运动和降温，形成温度梯度，从而实现长晶。在 一定条件下需要通入氩气，减少在高温下氮化硅涂层从石英坩埚上脱落的可能 性和带走一部分从熔融硅液中挥发出来的杂质。 此外，d s s 炉金属外壳是双层中空结构，在中空部分需要通入冷却水来给炉 壁降温，防止在高温下金属外壳融化。加热电极由铜管将电流导入，电流高达 数千安培，故需要对铜管进行冷却。铜管中通入循环的冷却水实现冷却降温作 用。 d s s 炉运行过程中需要由真空泵完成抽真空工艺，真空泵工作时会产生大量 的热，需要用冷却水对其进行冷却，防止真空泵过热损坏。 系统共有8 路冷却水，各路水冷却部位及流量报警限制值1 如表2 1 所示： 表2 1 冷却水流量报警限制值 水管告警危险测量 f l 加热电极 8 0 6 0 1 0 1 f 2 加热电极 8 06 o1 0 3 f 3 加热电极 8 o6 0 1 0 o f 4 ，上炉体迸气口边缘 8 06 o1 0 5 f 5 主炉体 8 o6 0 7 9 f 6 下炉体( 上) 2 0 01 5 o2 7 6 f 7 下炉体( 下)2 0 0 1 5 o 2 3 4 f 8 真空系统 4 o2 05 5 1 流量单位：l p m ( 升每分钟) 1 2 进水 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 系统冷却回路如图2 2 所示： 图2 2 系统冷却回路示意图 系统冷却回路用来在炉子运行过程中对炉体、电机、真空系统进行冷却。 冷却水要求用纯水，减少由冷却水纯度带来的炉体损伤和流量计堵死的状况。 冷却系统一般从炉体下部进水，从上部回水，这样可以有效地将炉腔内部残存 的空气排除炉腔，避免残存空气导致的冷却不均匀的情况。 2 2d s s 炉恒压供水系统要求2 1 ) 1 1 0 1 2 0l p m ； 2 ) 0 3 4m p a 输入压力，最大o 4 4m p a 输入压力； 3 ) 必须保证输入输出间有0 2 5 m p a 的压力差，以确保有足够的流量； 4 ) 冷却水输入温度最高3 0 ，最低2 1 。建议保持在2 4 ，温度误差控 制在1 ； 5 ) 冷却水最高8 c 的温度上升，平均应该 5 5 。 2 冷却水供应系统的要求由d s s 制造厂家提出 1 3 回水 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 2 2 1 对d s $ 炉工艺冷却水系统的要求 工艺冷却水是直接对炉体、电极、真空系统冷却的冷却回路，工艺冷却水 控制系统的稳定与否直接决定了d s s 炉能否正常运行，所以工艺冷却水的控制 问题属于本论文的核心问题。 工艺冷却水的技术要求： 1 ) 纯水； 2 ) 工艺水系统压差值范围：0 2 8 - 0 3 5 m p a ； 3 ) 水泵控制方式：1 台自动运行+ 2 台手动运行+ l 台自动备用； 4 ) 温度控制在2 4 ，控制精度1 ； 6 ) 流量控制在l1 0 1 2 0l p m 。 2 2 2 对二次冷冻水系统的要求 二次冷冻水用来给厂房中空调系统提供冷却水，二次冷冻水对厂房的环境 温度有着绝对性的作用，直接决定了工人的舒适程度，故二次冷冻水稳定控制 也是本文一个很重要的问题。 1 ) 系统压差值范围：0 0 5 0 1 5m p a ： 2 ) 水泵控制方式：1 台自动运行+ l 台手动运行或1 台自动运行+ 1 台自动备用。 2 2 3 发生供水( 工艺水、城市水、备用水) 自动切换的条件 1 ) 工艺水低于设定值； 2 ) 工艺水源中断流动； 3 ) 市电断电( 即工艺水泵失电、可能停止运行) 。 2 2 4 可能的故障 1 ) d s s 炉工艺水的变频控制系统的故障； 2 ) d s s 炉二次冷冻水的恒压变频控制系统的故障； 3 ) d s s 炉三级供水( 工艺水、城市水、备用水) 的自动控制系统的故障； 4 ) 一次冷却水泵控制系统的故障； 5 ) 冷机冷却水泵控制系统的故障； 1 4 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 6 ) 冷却塔风机控制系统的故障。 2 3 恒压供水系统的组成 2 3 1 供水系统的基本特性 h ( m ) h a 特性 q ( m 3 s ) 图2 3 供水系统特性图 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不 变为前提，表明水泵在某一转速下扬程h 与流量q 之间的关系曲线f 【q ) ，如图 2 3 所示。由图2 3 可以看出，流量q 越大，扬程h 越小。由于在阀门开度和 水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬 程特性所反映的是扬程h 与用水流量q 之间的关系。而管阻特性是以水泵的转 速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程h 与流量q 之间的关系h = f ( q u ) 。 管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流 动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程h 越大，流量q 也越 大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的 供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量q g 之间的关系h = 坟q a ) 。 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2 3 中a 点。在这一点，用户的用水流量q u 和供水系统的供水流量q g 处于平衡状态， 供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 1 5 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 2 3 2 水泵调速运行的节能原理 在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和 转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持 不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门 开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若 阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控 制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改 变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特 性不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变 化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电 机加速，用水量减小时电机减速。 以 以 蜴 图2 4 管网及水泵的运行特性曲线 当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在e 点，流量为q l ，扬程为 h o ，当供水量从q l 减小到q 2 时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大， 阻力曲线从1 33 移到1 3i ，扬程特性曲线不变。而扬程则从从h o 升到h l ，运行工 况点从e 点移到f 点，此时水泵输出功率用图形表示为( o ，q z ，f ，h i ) 围成矩 形部分，其值为： p d = 酱 ( 2 1 ) 当用调速控制时，若采用恒压饵o ) 、变速泵( n 2 ) ，管阻特性曲线为b2 ，扬 1 6 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 程特性变为曲线1 1 。，工作点从e 点移到d 。此时水泵输出功率用图形表示为( 0 ， q 2 ，d ，i - - i o ) 围成的矩形面积，其值为： 砖= 避( 2 - 2 )1 1 0 2 1 1 可见，改用调速控制，节能量为( h ，d ，f ，h 1 ) 围成的矩形面积，其值为： a p ：斥一p d ：y h x q 2 一y h o q 2 ： y g i j - r o ) q 2 ( 2 - 3 ) 1 0 2 1 11 0 2 1 1 1 0 2t l 所以，当用阀门控制流量时，有 y ( h 1 一h o ) q 2 1 0 2 r l 功率被浪费掉；并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大；管阻特 性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是h 1 增大，而被浪费的功率要随之 增加。 根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量q 、扬程h 、功率p 与转速 n 之间关系为： i q ：= i n 2 n ；誊h = 甓) 2 ；乏p = 甓) 3 c 2 呦 q 1i ih 土工k 1 坤v 式中，q 卜h l 、p l 为变速前的流量、扬程、功率，q 2 、h 2 、p 2 为变速后的 流量、扬程、功率。由公式( 2 4 ) 可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与 转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供 水功率要小得多，节能效果显著。 2 3 3 恒压控制的理论分析 变频调速恒压供水系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型 不稳定的对象。对它的控制仍属于工业过程控制的范畴，它以供水出口管网水 压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。 1 7 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段 内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网 的实际供水压力维持在设定的供水压力上。 图2 5 变频恒压控制的原理图 从图2 5 中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压 力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输 出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个 增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。 该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程 将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水 压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的 转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力 和设定压力相等。 1 8 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 2 3 4d s s 炉恒压供水系统的组成 备 图2 6d s s 炉恒压供水系统的组成原理 d s s 炉恒压供水系统组成如图2 6 所示，由工艺冷却水、1 次冷冻水、2 次冷 冻水、冰机冷却水组成。其中工艺冷却水用来冷却d s s 炉，工艺冷却水通过换热 器将热量传递给1 次冷却水和冰机冷却水达到保持恒温的目的，并通过变频控制 实现压力的恒定。1 次冷冻水由冰机制冷，用来对工艺冷却水降温。2 次冷冻水 为厂房中的空调系统提供冷水，实现厂房内部温度的恒定。冰机冷却水用来冷 却冰机，通过冷却塔将热量散发出去，实现对冰机的良好冷却。 在恒压供水系统中，工艺冷却水和1 次冷冻水部分有备用水，当水流量不足， 由备用水补充流量。若备用水用尽，则由水泵从蓄水池中将水注入系统中，实 现系统的冷却。冷却塔会使冰机冷却水有所损耗，利用自来水系统将损失的水 补充回来。 1 9 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 2 4 恒压供水系统控制方案 恒压供水系统从本质上是对若干个泵和若干个阀门的控制，需要从用户要 求考虑到底如何对相应泵和阀门的控制方案。在工艺冷却水和2 次冷冻水部分， 由于需要恒压，所以采用p l c 和变频器的组合控制泵，保证工艺冷却水和2 次 冷冻水压力的恒定。为了系统的可靠性，所以提供自动、手动操作方式，并对 相应的泵进行了备份。 在三级供水部分，由于要实现在特殊情况下供水系统水源的切换，故用p l c 控制系统实现三级供水自动切换，并提供手动操作接口。 对于1 次冷冻水、冰机冷却水，由于不需要恒压控制，只要能顺利启动对 应的泵就可，控制要求较低，且控制目的单一，故直接用硬件电路实现其控制 功能。 可选择方案： 1 、有供水基板的变频器十水泵机组+ 压力传感器 这种控制系统结构简单，它将p i d 调节器和p l c 可编程控制器等硬件集成 在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现p l c 和p i d 等电控系统的功能。 它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示 比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，p i d 调节参数 寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展 功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要 求不高的小容量场合。 2 、通用变频器+ 单片机( 包括变频控制、调节器控制) + 人机界面十压力传感 器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价 格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性 差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大， 所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定 领域的小容量的变频恒压供水中。 3 、通用变频器+ p l c ( 包括变频控制、调节器控制) 十人机界面+ 压力传感器 这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统 进行数据交换；通用性强，由于p l c 产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各 2 0 第2 章d s s 炉恒压供水系统总体方案设计 种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定p l c 的硬件配置和f o 的外部接线，控制要求发生改变时，可以方便地通过p c 机来改变存贮器中的 控制程序，故现场调试方便。同时由于p l c 的抗干扰能力强、可靠性高，因此 系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合， 并且与供水机组的容量大小无关。 通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路十p l c ( 包 括变频控制、调节器控制) + 人机界面十压力传感器”的控制方式更适合于本系 统。 2 1 第3 章恒压供水系统硬件设计 第三章恒压供水系统硬件设计 3 1 硬件的选择 3 1 1p l c 控制系统 一台完整的p l c 是由硬件系统和软件系统共同组成的。p l c 的硬件体系是由 主机系统、输入输出扩展部件和外部设备组成。其核心是主机系统，它包括：中 央处理单元、存储单元、输入单元、输出单元、输入输出接口外围设备接口以 及电源等部分组成，其中输入输出单元又分为模拟量、数字量及智能型输入输 出单元等；扩展单元按自身带不带c p u 也可分为简单型和智能型两种汐 部设备 主要是编程器、彩显、打印机等。 p l c 的软件系统由系统程序( 系统软件) 和用户程序( 用户软件) 两大部分组 成。系统程序是由p l c 的制造企业编制，固化在p r o m 或e p r o m 中，安装在p l c 上， 随产品提供给用户，它包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的 标准程序模块等。用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提 供的编程语言自行编制的应用程序，它包括开关量逻辑