关 键 词：

plc 以及 变频器 城市 节能 供水系统 中的 应用 利用 运用 优秀 优良 机械 机电 电机 毕业设计 论文 a6194

资源描述：

文档包括:

说明书一份,23页,11500字左右.

PPT答辩稿.ppt

中期检查.doc

中英文摘要.doc

任务书.doc

外文资料.doc

封皮.doc

开题报告.doc

课题审核表.doc

内容简介：

院系 :机电学院 专业 :应用电子技术教育 指导老师：刘法治 学生：赵红鸣 现实意义 随着 3计算机、通信、控制 )和变频技术的不断发展，在居民小区生活用水、工业用水、各类自来水厂、大型厂矿和消防用水等供水系统中，原来均是采用水塔、高位水箱等设备，这些设备不但占地广、投资大，而且越来越不能满足现代化的供水要求。另一方面，采用传统的方法很难保证供水的实时性，并且由于水泵是采用最大供水量设计的，由于用水高峰时间短，很容易造成能源的浪费以及由于管网压力过大而引起的管网损坏。本文以永城煤电集团水厂的控制系统为例，介绍一种基于 1 设计功能 动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。 出模拟量控制变频器 系统水压力低于设定压力下限时，三组电机将根据系统水压与设定水压的比较投入工作运行，分为工频运行、变频运行和停止三种工作状态 能够实时报警 能够及时的预警和报警。 用压力变送器和水位限制器、及 A/， 89频器及一些附属电路和相关参数的继电器，也可以实现上述功能 . 用恒压供水控制器、变频器及附属电路和相关参数的继电器也可以实现恒压供水功能 . 3. 用 频器及相关的继电器控制，可以完全实现上述的控制功能 4 系统控制方框图 5系统的主电路图 由西门子 200 系列 门子全新一代标准变频器 ,充分发挥了 置的 算模块 ,自动调节变频器输出频率、投入使用泵数 ,达到恒压供水的目的 ;通过泵号管理程序 ,实现泵号自动切换 ,使每台水泵工作状况基本相同 ,提高设备利用率并减少维修费用 ;同时通过变频器自带保护功能可轻松实现系统故障诊断。实际运行情况证明了本系统具有可靠性高、自动化程度高、便于维护和高节能性等特点 ,具有很大的应用价值。 致谢 在本次毕业设计过程当中，指导老师以及同学们都给予了很大的帮助支持，指导老师严谨的治学态度和务实的求知精神给我留下了很深的印象，他们鼓励我孜孜不倦，锐意进取，特别是在困难的时候，她有意识地培养我独立思考和解决问题的能力。俗话说 “ 严师出高徒 ” ，相信指导老师的严格要求，令我以后的工作和生活当中受益匪浅。在此，对他们所给予的指导和帮助表示最衷心的感谢。 谢谢各位老师 河南科技学院本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表 学生姓名 赵红鸣 班级 应教 042 指导教师 刘法治 论文（设计）题目 变频器在 城市节能供水系统中的应用 目前已完成任务 需资料已经基本找到 变频器在 城市节能供水系统的 分析 以及 部接线图的设计已经完成 是否符合任务书要求进度：符合 尚需完成的任务 理论对比 由老师指 导 能否按期完成论文（设计）：能 存在问题和解决办法 存 在 问 题 变频器的通讯还不太明白 2 程序设计还有缺陷 拟 采 取 的 办 法 其他同学的帮助下完成中英文翻译 制程序编程的材料 决各自疑难问题 . 指导教师签 字 日 期 年 月 日 教学院长（系主任） 意 见 签字： 年 月 日 摘要 该毕业设计对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技术在高楼给水设备中的应用。以 绍了智能水压控制系统的工作原理及 分析水压控制的工作流程的基础上，给出了 能水压控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（ 成控制系统，进行优化控制 ,完成供水压力的恒定控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管 压力实际值进行比较，其差值输入变频器运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。 关键词 :压力传感器 ,变频器、 制 ,恒压供水 in e s to up to in of LC In in LC on is on PU to in ID 河南科技学院本科生 毕业论文（设计）任务书 题目名称 变频器在 城市节能供水系统中的应用 学生姓名 赵红鸣 所学专业 应电技术教育 学号 20040325031 指导教师姓名 刘法治 所学专业 机电一体化 职称 高级实验师 完成期限 2008 年 12 月 12 日 至 2009 年 6 月 5 日 一、 论文（设计）主要内容及主要技术指标 采用 制技术对原有供水系统进行改造 , 设计城市供水新型节能系统。研究内容包括系统结构和控制方案、控制系统硬件设 计、控制系统软件设计。 （ 1） 量和性能要与任务相适应， 行速度要满足实时控制的要求； （ 2）变频器的容量要与驱动离心水泵的电机功率相匹配，变频调速方式选择适当； （ 3）压力变送器和传感器接线形式要与 I/O 接口相匹配； （ 4）系统具有手动 /自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功能。 二、 毕业论文（设计）的基本要求 400 字左右的中英文摘要，正文后有 20 篇左右的参考文献，正文 中要引用 15 篇以上文献，并注明文献出处。 000 汉字的与本课题有关的外文翻译资料。 0000 字以上。 5. I/O 地址表、梯形图或程序清单。 三、毕业论文（设计）进度安排 12 月 22 日 1 月 9 日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成英文资料翻译和开题报告。 2. 2009 年 2 月 16 27 日（第 1），指导教师审核开题报告、设计方案和英文资料翻译。 3. 2009 年 3 月 2 日 24 日（第 3），毕业设计单元部分设计。 4. 2009 年 4 月 27 日 1 日（第 11 周），毕业设计中期检查。 5. 2009 年 5 月 4 日 22 日（第 12），设计仿真、程序调试、线路板制作调试，整理、撰写毕业设计报告。 6. 2009 年 5 月 25 5 日（第 15）上交毕业设计报告，指导教师、评阅教师审查评阅设计报告，毕业设计答辩资格审查。毕业设计答辩，学生修改整理设计报告。 C in as on of of s of to of of A to of of to of to of of is of on is to is up to as as is in of to by in of is up 0 of of he of of is of of is is 00 ， on of A by to is of a on is to MI of of dV/dt On dV/dt to a of on in of of of of in it in of C 0C on of C to to of to of of if as a of by of by in in to is of be of to We in to or of C C C be C to in by C of of is of WM C C to of of or of as or as to of of in of a If is to to to in or to In of to to in to be of If a at to to a on of to of so in to of a or in as at to a is to of 55 , in to be of it is 0 In be in of or to of of to of of to to in In if be of if of of as of to by At of of of of of V. in of as a a of in of a of be of be in be to be if in of or to 变频调速交流牵引电机绝缘电老化机理的研究 在变频 电机绝缘技术研究成果基础上，以动车组变频牵引电机为研究对象，建立电缆和定子绕组高频等效电路模型，研究电机端过电压以及匝间电压分布特性 ;研制一套基于高压方波脉冲的绝缘老化试验系统，进行牵引电机绕组的绝缘寿命实验，依据介质损耗、局部放电等参量的变化，分析绝缘材料的破坏机理。构建电缆和电机定子绕组的高频等效电路模型， 计算分析电机端电压及定子绕组内部电压分布 频牵引电机端过电压波形呈一种振荡衰减的波形，其峰值是电机端反射系数、电缆长度和上升沿时间的函数。临界电缆长度和临界上升沿时间是一一对应的，当电缆 长度超过临界电缆长度时，电机端电压峰值达到最大值。研制一套基于高压方波脉冲的绝缘老化试验装置，通过模拟逆变器对绝缘材料进行老化试验。装置采用电力电子技术产生方波脉冲，经高频变压器升压，输出高压方波脉冲，其峰值最高可达 10k V 。电机绕组寿命试验表明 : 在连续方波脉冲下，绝缘寿命与脉冲方波幅值的关系符合反幂模型，与频率的关系成指数模型。在 200 以下，用耐电晕聚酞亚胺薄膜制作的电机绕组绝缘的寿命受温度影响较小。 采用脉冲电流传感器、示波器和计算机建立一套高压方波脉冲下局部放电测量装置。根据实际测量信号的特征 ，提出一种小波包一包络算法，对传感器输出信号进行处理，滤除来自高压方波脉冲和空间电磁波的干扰，提取出放电信号。与传统正弦交流下的放电不同，方波脉冲下的局部放电，受到高电压变化率、正负电压高频转换的作用。一方面 d V / d t 增大使得气隙击穿动态电压增加，另一方面正负电压转换频率高、速度快，大量空间电荷累积在气隙表面。电压变化率越大、频率越高， 放电脉冲上升沿时间越短，放电幅值越大 境温度的升高而增强。随着频率的增加，放电量和放电功率增加，同一时间内放电次数增加 ，而单个周期内的放电次数减少。分别在工频交流和 10 k 压方波脉冲下进行电机绕组绝缘老化试验。介质损耗、局部放电、热刺激电流等绝缘老化表征参量的变化趋势表明，高压方波脉冲对电机绕组绝缘的老化作用远大于工频交流电压。方波脉冲下导致变频牵引电机绝缘老化的主要因素是局部放电和空间电荷，方波脉冲幅值、频率以及环境温度的提高都会增强局部放电和空间电荷对聚合物的破坏。由于方波脉冲下局部放电的破坏作用远大于工频交流，所以在方波脉冲电压下，绝缘结构对局部放电更加敏感，局部放电在绝缘薄弱位置的放电通道发展迅速，容易造 成绝缘材料击穿。放电通道是由局部放电和空间电荷协同作用形成的，一方面局部放电造成从表面向内腐蚀绝缘介质，而另一方面空间电荷注人与抽出造成绝缘介质内部分子链断裂，放电通道迅速扩展，最后导致绝缘材料击穿。 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交 直 交方式（ 频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部 分组成。 整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 相桥式逆变器，且输出为 形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 变频器选型，变频器选型时要确定以下几点： 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。变频器与负载的匹配问题；电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定 变频器电流和过载能力。转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。 变频器内部是大功率的电子元件，极易受到 工作温度的影响，产品一般要求为 0 55 ，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在 40 以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。 环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。 用环境如果腐蚀性气体 浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。 振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。 V. 电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用 金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。 河南科技学院 2009 届本科毕业论文（设计） 论文题目： 变频器在 城市节能供水系统 中的应用 学生姓名： 赵红鸣 所在院（系）：机电学院 所学专业： 应用电子技术教育 导师姓名： 刘 法 治 完成时间： 2009 年 5 月 20 日 河南科技学院本科生毕业论文（设计）开题报告 题目名称 变频器在 城市节能供水系统中的应用 学生姓名 赵红鸣 专业 应用电子技术教育 学号 20040325031 指导教师姓名 刘法治 所学专业 机电一体化 职称 高级实验师 完成期限 2008 年 12 月 22 日至 2009 年 6 月 5 日 一、选题的目的意义 在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示 :中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的 4 倍左右，消耗的水是他们的 2 倍左右。我国的大量 用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的 50%左右 ,若推广新型电机调速技术 ,可节电 40%左右 ,即可以节约全国发电量的 1/资源相对于别国又少很多 ,因此 ,在我国一方面水电供给紧张 ,而另一方面 ,水电的浪费又十分惊人 不仅潜力巨大 。 近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。可以说，变频技术已为大多数用户所接受 。 变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现 水泵电机无级调速，依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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 二、国内外研究现状 城市节能供水 的发展可分为以下 三 个阶段： 第一阶段为 简单的水塔形式，该形式结构简单，功能单一，对水泵电机的保护措施不完善，电机启动频繁，减少电机的使用寿命。 第二阶段是 压力罐的形式，该形式安装方便，控制系统简单，但是不能根据用户端的需求精确控制供水量。 第三阶段 主要是采用变频技术，该系统设计功能完善，能够根据用户端的需求精确控制电机的转速，使用户端的供水压力精确的控制在设定值上，对水泵电机的保护非常完善，延长水泵电机的使用寿命，该系统的性价比高。 三、主要研究内容 （ 1） 量和性能要与任务相适应， 行速度要满足实时控制的要求； （ 2） 变频器的容量要与驱动水泵的电机功率相匹配，变频调速方式选择适当； （ 3） 压力变送器和传感器接线形式要与 I/O 接口相匹配； （ 4） 系统具有手动 /自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功能。 （ 5） （ 6）系统可靠性设计。 （ 7） 安装调试分析。 四、毕业论文（设计）的研究方法或技术路线 1. 基于 装配线空压控制系统的改造设计方案 传统设计通常是采用压风系统采用开环方式，还要加上相应的软件。随着现代工业自动化水平的不断进步，以及各种工艺要求的大幅提高，传统控制方式明显无法满足相应的要求。采用 变频器的协调控制，采用压力闭环控制方式 ,使用压力变送器检测空压机的实际供风压力 ,并将其与供风压力的设定值相比较 ,用比较得到的差值调节空压机的转速 ,保持空压机的供风压力恒定为设定值。 （ 1） 量和性能要与任务相适应 ； （ 2） 行速度要满足实时控制的要求； （ 3）传感器接线形式要与 I/O 接 口相匹配； （ 1）掌握空压机控制系统的传统设计方法及存在的问题和改进的方法； （ 2）空压机控制系统的总体框架设计，初步使用 行设计； （ 3）控制系统的软件框架设计； （ 4）系统集成调试； （ 5）总结 五、 主要参考文献与资料 1 刘瑞国，陈艳，彭延生。煤矿机电 M。变速调速技术在矿上空气压缩机中的应用。 2005，1 2 石景丽，刘荣军，朱平 M变频调速技术在压缩机节能一 改造上的应 用 1998，3 3 林 梅，吴业正压缩机自动阀 M西安： 西安交通大学出版社， 1991 4 黄立培，张学变频器应用技术及电动机调速 M北京：人民邮电出版社， 1998 5 廖常初 400 械工业出版社， 2005 6 崔 坚 . 西门子工业网络通京：机械工业出版社 2004 7 李方园变频器行业应用实践北京 ：中国电力出版社 ， 2006 8 李方园变频器 自动化工程实践北京：电子工业出版社， 2007 9 张燕宾，胡纲衡，唐瑞球使用变频调速技术培训教程北京：机械工业出版社， 2004， 8 10 吴忠智，吴加林 变频器应用手册 (第 2版 )北京：机械工业出版社， 2003 11 吴忠智，黄立培，吴加林调速用变频器及配套设备选用指南北京：机械工业出版社，2002 12 贾世胜，朱学军，等通风系统调整中常见问题及对策 M山西煤炭， 2002， (2) 13 丁纪凯，许逸舟基于 M机电一体化， 2006， 1 14 秋洁变频器应用基础 M北京：机械工业出版社 2003 15 仝 玮矿井主要用通风机在线监测监控现状及展望 J煤矿安全， 1999， 12 六、 指导教师审批意见 签名： 年 月 日 目 录 1 绪论 . 1 2 设计功能及方案论证 . 1 计功能 . 1 统设计方案分析及方案论证 . 1 2. 3 系统控制方框图 . 2 . 3 编程控制器部分 . 3 述 . 3 型和性能指标 . 5 部分配 . 5 频器的概述及选型 . 6 感器的介绍及选型 . 7 数转换模块 . 8 摸屏显示器 . 9 起动器 . 9 4 硬件电路设计 . 10 电路控制电路图 . 10 5 软件设计 . 11 位控制部分 . 11 力控制部分 . 13 械故障处理部分 . 17 6 结束语 . 17 致谢 . 17 参考文献 . 19 1 1 绪论 目前 ， 在城市供水系统中 ， 还有很多高楼、生活小区、边郊企业等采用高位水塔或直接水泵加压供水方式 ， 在用水量大时电机满负荷运行 ， 而在用水量小时则会停机或切换到空运行状态。这种情况 下， 一方面 要 消耗大量的电能 ， 造成能源的浪费 ； 另一方面由于用水量具有很大随机性 ， 传统方式在用水波动时难以保持其实时性。针对这一情况 ， 设计了一 套变频恒压供水系统 ， 将模糊控制技术应用到系统的控制过程中 ， 采用了 制 及交流变频调速技术 ， 并在控制算法的实现上提出了一种利用 形图编程语言实现模糊控制的新方法 ， 彻底取代了高位水塔或直接水泵加压供水方式 ， 为城市供水系统的建设提出了一条极具推广应用的新途径。当前国内多数企业中仍使用传统的恒速泵组切换加压的供水方式，其水压不稳且浪费电能 。 有文献介绍，我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的 20%以上，而电耗又占水费成本的 60%以上，故如何优化对水泵的控制具有重要的意义，很多文献曾做过有益的探索，本文针对小 区的工况开发出以可编程控制器 ， 和变频调速为核心的恒压供水控制系统其结构简易紧凑水压波动小 、 运行平稳可靠，运行一年节约的电费就为该企业收回技改设备投资 。 2 设计功能及方案论证 计功能 本控制系统具有供水机组的启动、变频运行、工频运行和过热保护手动 /自动转换、在线监控及在现场调试 、 驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功能。其具体控制要求如下： (1)本系统提供手动自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。 (2)模拟量压力输入经 算，输出模拟量控制变频器 （ 3） 在自动方式下，当 系统水压力低于设定压力下限时，三组电机将根据系统水压与设定水压的比较投入工作运行，分为工频运行、变频运行和停止三种工作状态 （ 4） 根据水位限制和压力限制来确定系统的故障现象，并能够实时报警。 （ 5） 根据压力的变化能够确定用水量是否超过供水负荷，并能够及时的预警和报警。 （ 6） 系统可以在线调试及现场在线监控。 统设计方案分析及方案论证 目前国内多数供水企业水泵类机械的典型电气传动仍是用鼠笼式异步电动 2 机驱动 ， 因为它具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格低廉等优点。但其本身调速较难 ， 故常为恒速运转 ； 当需要调节流量时 ， 则采用调节阀门的方法 ， 这至少浪费 20%的能源。统计表明 ， 我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的 20%以上 ， 而电耗又占水费成本的 60%以上。随着变频调速控制技术日益完善 ， 采用变频调速控制方式来调节流量 ， 在节电方面是有效的方法 ， 因为流量与转速成正比 ， 而电动机的消耗功率与转速的立方成正比。因此 ， 当电动机转速降低使泵出口流量减少时 ， 消耗功率会大幅度下降 ， 从而达到节电目的。例如转速降低 20% 50%， 可节电 50% 80%， 经济效益显著。由于居民区用水量变化大 ， 电气传动方案宜采用多台拖动水泵的电机 并联传动取代拖动 1 台大水泵的电机传动 ， 这样可以根据不同用水情况合理地增加或切掉水泵 ， 从而提高水泵工作效率 ，增加灵活性。根据供水量和扬程量确定水泵的容量和数量 ， 通常是 1 3 台泵和 1 台辅助小泵。如果只采用一台变频调速器 (序拖动各台泵的电机 ， 那么可减少投资 ， 因为变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之三。由 制四台拖动水泵的电机启动和停止 ， 及在工频电网与变频器输出之间进行切换运行 ， 并可通过程序控制自动实现 (任意一台泵连续运行超过规定时间 )停机轮休 ， 防止烧坏变频器 ， 以延长泵组的 使用寿命。以上系统功能的实现有以下方案可供选择： （ 1） 单片机控制，利用压力变送器和水位限制器、及 A/D 转换和 D/A 转换电路， 89频器及一些附属电路和相关参数的继电器，也可以实现上述功能，利用单片机控制具有控制单元小、，占地面积小、成本低、控制电路电耗小等优点，但是，单片机及相关的附属电路工作在大电流、高冲击的电磁环境，具有比较差的稳定性，另外，由于长期的连续运行，元器件老化比较快，因此，利用单片机控制具有故障率高，寿命短的缺点。 （ 2） 恒压供水控制器控制，利用恒压供水控制器、变频器及附属电路和相关参数的继电器也可以实现恒压供水功能，但是恒压供水控制器具有不可编程性，因此在现场调试和现场监控性能差，不易实现 算，控制的精度不够高，相关的报警、故障诊断电路比较复杂。 （ 3） 制，利用 频器及相关的继电器控制，可以完全实现上述的控制功能，具有控制精度高，高度节能、具有良好的人机界面、现场监控和现场调试方便、能够适应复杂的电磁环境、具有寿命长、故障率低等一系列的优势。因此，经过慎重的论证，本设计采用 制作为核心的控制单元。 2. 3 系统控制方框图 本控制系统有可编程控制器（ A/D 转换模块、 D/A 转换模块、变频器、传感器部分、监控对象和电控回路组成。其硬件功能框架图如图 1 所示。 3 图 1 恒压供水控制系统示意图 3 系统硬件选型 编程控制器部分 述 以微处理器为核心的一种特殊的工业用计 算机 1， 其结构与一般的计算机相类似，由中央处理单元（ 存储器（ 输入接口、输出接口、 I/O 扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。 元 由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成，它是 核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。 存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（ 只读存储器（ 随机存储器由一系列寄存器阵组成 ，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置 “1”或清 “0”的操作后，它的状态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存 5 年，当电池电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。只读存储器在两种，一种是不可擦除 种 能写入一次，不能改写。另一种是可擦除 种过擦除以 抂这可以重写。其中 能用紫外线探险内部信息，以用电擦除内部信息，这两种存储器的信息可以保留 10 年左右。 水压 水位 压力变送器 水位变送器 频器 触摸屏显示 软启动器 控制回路 电机保护 水泵电机 4 输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是 现场输入输出设备或其他外部设备之间的连接部件。 过输入模块把工业设备或生产过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到 出模块具有隔离 部电路和外部执行单元的作用，还具有功率放大的作用。输出模块有晶体管输出模块 、晶闸管输出模块和继电器输出模块。 表 1 接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是程序存储器 4096 字 用户存储器 2560 字 存储器类型 储卡 据后备（超级电容） 190h 编程语言 序组织 1 个组织块（可以包含子程序和中断程序） 本机 I/O 24 点输入 /16 点输出 扩展模块数量 7 个模块 数字量 I/O 映像区 256 点（ 128 点输入 /128 点输出） 数字量 I/O 物理区 248 点（ 128 点输入 /240 点输出） 模拟量 I/O 映像区 32 路 畭 32 路输出 模拟量 I/O 物理区 35 路（ 28 路 畭 7 路输出）或 14 路输出 布尔指令执行速度 令 计数器 /定时器 256/256 个 顺序控制继电器 256 个 基本运算指令 11 项 增强功能指令 8 项 环 有 整数运算（算术运算） 有 实数运算（算术运算） 有 内置高速计数器 6 个（ 30 内置模拟电位器 2 个（ 8 位分辩率） 脉冲输出 2 个高速输出（ 20 通信中断 1 发送器 /2 接收器 定时中断 2 个（ 1 255 输入中断 4 个 口令保护 3 级口令保护 通信 2 个 2 个 信接口可用作 口、 站接口和自由口 5 用于扩展输入输出单元。它使 控制规模配置得更加灵活。这种接口为总线形式，可以配置开关量的 I/O 单元，也可以配置如模拟量、高速计数等特殊 I/程器接口是连接编程器的， 体通常是不带编程器的。为了能对 程及监控， 专门设置有编程器接口。通过这个接口可以接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控工作 。存储器接口是为了扩展存储器而设置的。用于扩展用户程序存储区和用户数据参数 存储区，可以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的。通信接口是为了在微机与 间建立通信网络而建立的接口。 部分配 接口及内部寄存器分配如表 2 和表 3。 表 2 内部存储器使用 触摸屏 数设定置 摸屏 数增益 摸屏 数采样时间 摸屏 数积分时间 摸屏 数微分时间 馈 量（ 定置（ 出置（ 益（ 样时间（ T） 分时间（ 分时间（ 拟输入压力值存储 力下限存储 型和性能指标 根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、 I/O 点数、以及设置数据需要得内存大小，本文中所选用的 西门子公司的产品 列 ， 型号是 2 。 成了 24 点输入和 16 点输出，共有 40 个数字量I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 248 点数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O。 13序和数据存储空间， 6 个独立的 30速脉冲输出，具有制器。 有 2 个 信编程口，具有 信、 信和 6 自由方式 通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。其性能指标如表 1。 表 3 I/频器的概述及选型 （ 1） 变频器的选用： 变频器的选用应满足以下规则，变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的容量不低于电机的容量；变频器的电流大于电机的电流。 表 4 变频器性能参数设置 由于本设计以风机组 230例，因此可选用 37定电流 75A 的变频器。考虑到改进设计方案的可行性，调速系统的稳定性及性价比， 我们 采用西门子 237 额定电流为 75A 的通用变频器。该变频器采用高输入 输出 电机启动 #工频输出 机停止 工频输出 动自动转换 工频输出 频工频转换 变频输出 警解除按钮 变频输出 停 变频输出 力变送器输入 鸣器报警输出 位变送器输入 力模拟量输出 数号 设定值 说明 欧洲 /北美设定选择 电机类型选择（异步电机） 80 电机额定电压 5 电机额定电流 7 电机额定功率 机额定功率因数 机额定效率 0 电机额定频率 450 电机额定转速 基本操作板（ 置 变频器频率设定值通过外部模拟量给 定 点动斜坡上升时间 点动斜坡下降时间 0 变频器频率的运行方式为无速度反馈的矢量控制 6 择固定频率 1 运行 6 择固定频率 2 运行 制变频器启停 0 固定频率 1 0 固定频率 2 7 性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性， 同时具备超强的过载能力， 可以控制电机从静止到平滑起动期间提供 3S，有 200 的过载能力 。 （ 2） 变频器参数的设置： 负载为一大惯性负载，在停车时，为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电压过高的现象，加入制动电阻，斜坡下降时间设定长一些。外接制动电阻的阻值和功率可按公式 R21P(0 30 5)选取。式中： U 为变频器直流侧电压，d 为变频器的额定电流。本次 设计采用西门子与 37机配套的制动电阻响和对转速调整的要求，系统用模拟量输入作为附加给定，与固定频率设定相叠加以满足不同型号模具特殊要求。调速系统电路图如图 2。制动电阻的热敏开关43。变频器的各项参数设置如表 4 所示。 感器的介绍及选型 该控制系统中存在大量的模拟量信号，这些信号的输入都要通过传感器是进行模拟量采集，将采集的模拟量信号送入 入模块进行模数转换， 表 5 压力变送器性能参数 将连续的变化量（大部分为 4 20电流信号， 0 5V 或 0 10V 的电压信号）转换离散的数字量，存储到 存里；输出是由模拟量输出模块将我们要输出的存储在内存中的数字离散信号转换为电压信号或者电流信号。 压力变送 器 4采 用欧洲先进的溅射薄膜压力传感器作为敏感元测量范围 0 220载 能力 2 倍满量程压力 (其中 100上过压为 ) 压力类型 表压或绝压 测量介质 与 316 不锈钢兼容的气体或液体 供电电源 12 36般为 24V) 信号输出 4 20 5 5合精度 S S S 长期稳定性 S/年 使用温度范围 +150 补偿温度范围 +120 温度性能 零点温度系数： S/ 灵敏度温度系数： S/ 接液材料 膜片 :17 连接件 :1应时间 2 毫秒 负载电阻 (缘电阻 10050壳防护 插头型（ 电缆型（ 安全防爆 量 约 斤 8 件，和电子线路做成一体化结构该型号压力变送器为全不锈钢圆柱型结构，使用方便。特别适用于井田测井、制药、纺织等粘稠宜堵、强振动的工业现场。并在国内油田得到很好的应用效果。该压力变送器有高温、高压、高精度、高稳定性、抗振动、冲击、耐腐蚀全不锈钢结构、体积小、重量轻直接过程安装等特点。其性能参数如表 5 所示。 水位传感器的测量范围是 20m，输出的信号为电流信号，输出电流的范围为4 20 0 20m 的水位信号转换成 0 10V 的电压信号输出。采用人机交互界面 显示实际的水位值，水位传感器有很多类型 ， 如超声波水位传感器、浮子式水位传感器、压力式水位传感器等。其中以压力式水位传感器应用再为广泛。本设计采用的水位传感器是美国先进的 力水位传感器，该传感器使用的是美国先进碳氟化合物感压膜， 投入式压力水位传感器是最新升级产品。 位传感器探头采用 316L 不锈钢封装，全温区、全量程数字温度补偿。电缆封装采用杜邦 料，应用范围广泛，长期工作稳定可靠，适合江河、水库、地下水等永久安装使用。 该传感器的相关参数如下： 测量范围 : 9m； 18m； 36m； 76m。 测量精度： 数据接口： 4 工作电压： 10 28工作温度： +80 探头材料： 316L 不锈钢外壳，碳氟化合物感压膜 数转换模块 模数转换模块分为 A/D 转换模块和 D/A 转换模块。 拟量处理功能主要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到 。 过用户程序对转换后的信息进行处理并 将处理结果通过模拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元 件 5。 本系统设计有 6 路模拟量输入和 1 路模拟量输出，其中有四路是温度传感器输入。所以本设计选用一块 电偶模拟量输入模块， 模拟量输入模块接受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号，将其转换为数字信号存储到 该模块完成四路温度传感器的模数字量转换功能；一块 拟量输入输出模块，该模块完成两路传感器的模数转换和一路数模转换功能。 能指标如表 6 所示。 9 表 6 型号 6块更新时间 405块名称及描述 拟输入热电偶 4 输入 数据字格式 +32767 尺寸（ WHD 062 基本误差 S（电压） 重量 210g 冷端误差 功耗 复性 S +57线长度 到传感器最长100m +240入阻抗 1 输入类型 悬浮型热电偶 最大输入电压 30入范围 型（选择一种） S， T，R， E， N， K， J 电压 范围：+/入滤波衰减 入分辨率 15 位加符号位 24压范围 摸屏显示器 触摸屏显示器（ 以让使用者只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作，使人机交互更为直截了当。产品主要分为电容式触控屏、电阻式触控屏和表面声波触摸屏三类。触摸屏根据所用的介质以及工作原理，可分为电阻式、电容式、红 外线式和表面声波式多种。触摸屏显示器技术是一种新型的人机交互输入方式，与传统的键盘和鼠标输入方式相比，触摸屏输入更直观。配合识别软件，触摸屏还可以实现手写输入。触摸屏由安装在显示器屏幕前面的检测部件和触摸屏控制器组成。当手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过接口（如 32 串行口）送到主机，连接框图如下： 图 2 触摸屏和 起 动器 软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为 的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于摸屏 10 电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的 价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。 （ 1）斜坡升压软起动。这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。 （ 2）斜坡恒流软 起动。这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（ 段），直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。 本设计主要是采用 3启动器至今仍是世界上唯一能够在 250 400 V 功率范围内两相控制的软起动器。而且，由于其特殊的紧凑型设计，也是世界上最小的软起动器。因此可保证节省空间，使控制柜排布清晰。 用拥有专利权的全新控制技术 “相位平衡 ”。该控制技术能够防止两相控制软起动器中的直流成分。统一的连接系统； 设计小巧、紧凑，可在控制柜中实现节省空间式简洁布置； 自保护和电机过载保护，无需额外配线；电流限值可调，可避免瞬间冲击电流；调试简单、快捷 。 4 硬件电路设计 电路控制电路图 图 3 主电路接线原理图 A 1 3 相线 11 系统主电路主要由三相四线制电源、漏电保护器、热保护器、继电器、变频器、软启动器、三相电机等组成其接线图如下。 制电路及附属电路设计 其图如下： 图 4 系统控制及附属电路 控制电路及附属电路主要由 种的开关、继电器、 警器、变频器等组成。其工作过程是 在设备运行中，由于用水量的变化，使供水压力发生变化，通过压力传感器将压力变化信号传送给运行控制器，经控制器电脑与设定压力比较判断后，调整变速泵转速或水泵运行台数，调整供水流量使供水压力重新回到设定的压力值，满足用水要求。若用水量很小时，经控制器电脑分析确认后自动停止主供水系统运行，启动夜间值班小泵，以维持管网压力和少量用水，当用水量达到值班小 泵不能维持设定的压力时，主供水系统自动启动，值班小泵停止运行，从而提高了系统运行的安全性，并获得了明显的节电效果。 5 软件设计 位控制部分 本控制系统的软件设计是分四部分实现的，主要包括手动自动控制部分、压力转换控制部分、水位控制部分和压力 制部分。本文中所采用的 7列 ， 型号是 西门子 程工 1 2 4 6 水位变送器 拟块 动 手 /自动转换 停止 12 具的使用可以参照西门公司的程序使用手册或者在程序中按 出帮助文件参考。下面介绍一下 序的主要结构。首先看流程图图 3 所示。由系统流程图可以看出本控制系统的软件设计是由六部分来实现的，主要包括手动 /自动控制部分、压力转换控制部分、水位控制部分、压力 制部分、 变频器通信和机械故障处理部分。其中手动和自动控制部分是在水位压力控制中使用的。所以下面仅对水位、压力和通信控制子程序进行分析。本系统控制程序可见附录 1。 图 5 系统控制流程图 由于 能识别的是数字量信号，所以要对传感器采集的电压或 电流信号的输入信号 进行转换。若输入电压范围为 0 10V 的模拟量信号，则对应的数字量结果应为 0 32000 或需要的数字。模拟量和数字量的转换公式为： (65535 y:转换过后的工程值（多少电流） 程值的上限（电流的上限） 初始化 启动变频器 延时 管压低？ 单台变频运行 延时 变频器复位 水泵电机工频运行 变频至下台水泵电 机 管压高？ 切除工频运行电机 一台工频一台变频运 行 Y N N Y 13 程值的下限（电流的下限） X：工程转换后的数字量值（电流转换后的数字值） 若数据格式为单极性，模拟量信号的类型为电压信号，满量程为 0 10V，那么根据公式 1 可得轴承温度和定子温度报警温度和跳闸温度所对应的数量和电压的关系如表 7 所示。 表 7 工程值与数字量对应关系 压力值 数字量 电压值（ V） 6 水位控制程序 力控制部分 压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到 法。所谓的 是比例、积分、微分的总称。其结构如图 9 所示。 算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的能力，而身分作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动态响应 14 速度。在系统稳态运行时， 制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。偏差由定 量（ 望值）与过程变量（ 际值）之差来确定。系统 分项和微分项组成。 图 7 图 8 压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到 法。所谓的 是比例、积分、微分的总称。其结构如图 6 所示。 算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的能力，而身分作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动 态响应速度。因此，对于速度、位置等快过程扩温度、化工合成等慢过程， 制都具有良好的实际效果。 力 给定量差e 出Y 过程变量 压力反馈 量 + 变频调速系统 15 在系统稳态运行时， 制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。偏差由定量（ 望值）与过程变量（ 际值）之差来确定。系统 节的微分方程式由比例项、积分项和微分项组成。 在自动方式下，利用压力变送器检管道内的水压信号，用变送器将现场的模拟压力信号变换成统一的 1 10V 直流电压信号，送人 A D 转换模块进行模数转换，转变为 部能识别的二进制信号。压力参数的设置与与用水量的多少有关，所以本设 计利用触摸屏进行 数设置。其设置调用了压力子程序见附图 1。 数设置好后要分别对压力设定值、增益值、采样值、积分时间和微分时间进行填表。程序图如图 10 所示。 图 9 压力中断子程序 本系统的压力控制是用 时设定的时间周期进行中断处理的，利用定的时间间隔作为采样周期，对模拟量 入进行采样，然后通过 A/D 转换模块进行模数转换。中断子程序如图 9 所示。 到工频运行，此时如果仍满足不了通风的需要时，工作通风机与备用通风机不再循环工作，并自动切换为同时工作，另外，接入的备用通风机 根据矿井的气压参数进行变频运行，加大对矿井内的通