电力拖动自动控制系统课程设计变频液位自动控制系统方案

1、题目：变频液位自动控制系统课程：电动阻力自动控制系统专业：电气工程及其自动化 电动拖动自动控制系统课程设计任务书课程设计的目的通过电驱动自动控制系统的设计，了解一般交直流调速系统的设计流程和设计要求，巩固交直流调速系统课程的内容，初步具备设计能力。电驱动自动控制系统。为以后的技术工作奠定必要的基础。课程设计要求1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则、设计能力和设计程序要求。2.掌握控制系统设计和制图的基本规则，掌握电气控制部分的新图标。3.学会收集、分析和使用自动控制系统设计的相关信息和数据。4、培养独立工作、创造性和综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。课程设计的内容为完成给定的任务

2、，根据给定的工艺要求，采用变频控制系统。四、时间安排：共1.5周本课程设计时间为1.5周，时间安排如下：1、设计准备，熟悉相关设计规范，熟悉项目设计要求和内容。 （1.5 天）2.分析控制要求、控制原则、设计控制计划（1.5天）3、画出控制原理图、控制流程图和端子接线图。 （2天）4、编程、梯形图设计、程序调试说明。 （1.5 天）5、整理图纸，撰写课程设计报告。 （1.5 天）五、课程设计报告内容完成以下学科的课程设计和报告（学科技术要求由课程设计作业书提供）1 、退火炉温控系统2、变频液位自动控制系统设计3、变频流量自动控制系统设计4 、变频供水系统设计5、变频调速恒力控制系统设计6 、变

3、频器在温控系统中的应用7、电缆设备恒力变频控制设计6. 参考书1.博时主编电拖自动控制系统（第二版）机械工业19922.博世、敏迅交流调速系统机械工业 19983.颜斌写的SPWM变频调速应用技术机械工业19974.可编程控制器教程主编王兆义5.可编程控制器教程原理、应用、网络主编许世旭6.工厂常用电气设备手册（第2版）中国电力第1卷、第2卷目录 TOC o 1-3 f h z u HYPERLINK l _Toc231210103 液位自动控制系统方案设计6 HYPERLINK l _Toc231210104 (1) 概述6 HYPERLINK l _Toc231210105 (2) 系统控

4、制要求6 HYPERLINK l _Toc231210111 (3) 系统控制方案设计7 HYPERLINK l _Toc231210109 二系统硬件选型8 HYPERLINK l _Toc231210110 (1) PLC选型8 HYPERLINK l _Toc231210110 (2) 变频器选型10 HYPERLINK l _Toc231210111 (3) 液位传感器选型11 HYPERLINK l _Toc231210112 三液位自动控制系统12 HYPERLINK l _Toc231210113 (1)主电路12 HYPERLINK l _Toc231210114 (2) PL

5、C控制电路13 HYPERLINK l _Toc231210113 (3) 逆变器控制电路13 HYPERLINK l _Toc231210124 四电平控制系统逆变器节能控制分析 14 HYPERLINK l _Toc231210124 五PID原理分析与应用16 HYPERLINK l _Toc231210124 六 设计总结19 HYPERLINK l _Toc231210127 七篇参考文献201、液位自动控制系统设计（一、概述随着电力电子技术和工业自动控制技术的发展，交流变频调速系统已广泛应用于工业电机驱动领域。此外，PLC因其功能强大、使用方便、可靠性高等特点，常被用作现场数据采集

6、和设备控制。这里的设计是利用变频器和PLC来实现对水池水位的控制。变频器技术是一门综合技术，它以控制技术、电子功率技术、微电子技术和计算机技术为基础。与传统的交流传动系统相比，它使用变频器来控制交流电机的速度。控制并实现对速度的精确控制。容易实现电机的正反转切换，可以进行高速启停操作，可以进行电气制动，可以高速驱动电机。完善的保护功能：逆变器具有强大的保护功能，可在运行过程中随时检测各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时压降、电网缺相、直流过压、功率模块过热、电机短路等） . )，并立即阻断输出电压。这种“自我保护”功能不仅可以保护变频器，还可以保护电机免受损坏。本课题是设计采用PLC和变频器的

7、液位自动控制系统。 PLC的作用是利用PID算法对系统进行控制，变频器的作用是调节电机的转速，最终达到保持汽提塔液位稳定的目的。(2) 系统控制要求汽提塔液位自动控制系统采用浮子液位计、PLC和变频器组成反馈闭环液位控制系统。调节2.2KW化工泵转速，保证废水液位稳定，满足汽提塔工艺要求，并根据现场处理条件自动切换流量，满足工业要求现场废水处理。两台变频器，两台化工泵，一用一备（互为备用），确保系统可靠运行。汽提塔液位实时显示。在废水处理液位自动控制系统中，采用PLC的PID积分分离智能PI调节控制，编程简单，控制可靠，适用于汽提塔液位自动控制系统。汽提塔液位控制稳定，控制精度高，液位稳定在2

8、0cm1cm，满足汽提塔液位控制要求。图1.1汽提塔液位控制系统工作原理(3) 系统控制方案的实施本系统恒压可变供水系统是在两台2.2kW电机驱动的泵组满足废水总量设计要求的前提下，具有手动控制功能的全自动闭环液位控制系统。要求：液位稳定在20cm1cm，满足汽提塔液位控制要求；具有短路、欠压、过载、过流等多种保护功能。根据系统总体示意图和系统控制要求，可初步构建液位自动控制系统结果框图，如图1.2所示。图 1.2 液位自动控制系统结构框图2.系统硬件选择(1) PLC的选择1.型号选择PLC选型的基本原则是在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便、性价比最优化的机型。在工艺比较固定

9、、环境条件好的情况下（维护量小），推荐使用整体结构的PLC；在其他情况下，最好使用模块化结构的PLC。对于以数字控制为主、模拟量控制较少的工程项目，一般不需要考虑控制速度。因此，使用A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传输功能的低端机可以满足要求。在控制复杂、控制功能要求高的工程项目中（如PID运算、闭环控制、通讯组网等），可根据控制的规模和复杂程度选择中高端机器。其中，高端机主要用于大型过程控制、全PLC分布式控制系统和全厂自动化。对于大型企业系统，模型应该尽可能的统一。这样同型号的PLC模块可以互相作为备件，便于备件的采购和管理；同时，其统一的功能和编程方式也有利于技术力量的培养、技术水

10、平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享。因此，控制各个独立系统的多台PLC与上位机匹配后，可连接成多级分布式控制系统，便于相互通讯和集中管理。2.输入/输出选择PLC输入/输出选择包括以下部分：1）确定I/O点数在根据控制系统的要求确定所需的I/O点数时，应额外增加10%20%的储备，随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于不同的控制方式或不同的编程级别，I/O点的数量也应该不同。2 )开关量输入/输出/ off) 设备（例如指示灯、警报器、电机启动器等）通过标准输入/输出接口。典型的交流输入/输出信号为24240V，直流输入/输出信号为5240V 。3)模拟输入/输出模拟量输入/输

11、出接口一般用于感应传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，以及控制电压或电流输出设备。这些接口的典型范围为 -10 至 +10V、0 至 +10V、4 至 20mA 或 10 至 50mA。4)特殊功能输入/输出5)智能输入/输出3 、PLC内存类型及容量选择PLC系统中使用的存储器基本上由三种类型组成：PROM、E-PROM和PAM。存储容量因机器大小而异。一般小型计算机的最大存储容量小于6kB，中型计算机的最大存储容量可达64kB。大型机的最大存储容量可以以兆字节为单位。使用时可以根据程序和数据的存储需要选择合适的型号，必要时还可以专门设计内存扩展。PLC内存容量选择计算的第

12、一种方法是根据编程使用的节点数，准确计算出内存的实际容量。二是估算方法，用户可根据控制规模和应用目的，按表4公式估算。为方便使用，一般应预留25%30%的余量。获得存储容量的最好方法是生成一个程序，即使用多少字。知道每条指令使用的字数，用户就可以确定确切的内存容量。4.软件选择在系统的实现过程中，PLC的编程问题非常重要。用户应了解所选PLC产品的软件功能。通常，系统的软件总是用于处理控制器拥有的控制硬件。然而，一些应用系统还需要控制硬件组件以外的软件功能。例如，应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接

13、影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。5 、配套技术条件的考虑在选择PLC时，是否有配套的技术条件也是选择的重要依据。配套技术条件包括：1)编程方式2)进行程序文本处理3)程序存储方式4)通讯软件包6 、PLC的环境适应性(2) 变频器选型一、逆变器简介变频器是利用功率半导体器件的通断功能，将工频电源转换成另一种频率的功率控制器件。可分为AC-AC逆变器、AC-DC-AC逆变器。 AC-AC逆变器可将交流电直接转换成变频变压的交流电； AC-DC-AC逆变器先将交流电通过整流器整流成直流电，再将直流电通过逆变器。电流变为具有可变频率和电压的交流电。为了产生可变电压和频率，该设备首先将电源

14、的交流电转换为直流电 (DC)，这一过程称为整流。一种将直流电（DC）转换为交流电（AC）的装置，它的学名是“逆变器”（inverter）。一般的逆变器是将直流电源逆变成一定固定频率、一定电压的逆变电源。对于频率可调、电压可调的逆变器，我们称之为逆变器。逆变器主要由主电路和控制电路组成。主电路是为异步电动机提供调压、调频电源的功率变换部分。变频器的主电路大致可以分为两类：电压型是将电压源的直流电转换成交流电的变频器，直流电路的滤波器是电容器。 .电流型是将电流源的直流电转换为交流电的变频器，其直流环路滤波器为电感。它由三部分组成，一个将工频电能转换成直流电能的“整流器”，一个吸收变流器和逆变器

15、产生的电压脉动的“平滑回路”，以及一个将直流电能转换成交流电能的“整流器”。逆变器”。2、变频器选型通用变频器的选择包括通用变频器的选型和容量选择两个方面。选用的原则是：一是它的功能特性能保证可靠的技术要求，二是能获得较好的性价比。一般逆变器型号的选择应根据负载特性进行。对于风机、水泵等的平方转矩，低速时负载转矩较小，通常可以选用特殊或通用功能的通用变频器。对于恒转矩负载或对静态速度精度要求较高的机械，应选用具有转矩控制功能的高性能通用变频器。这种通用型变频器具有低速转矩和静态机械特性。具有挖掘机特性。为了实现大速比的恒转矩调速，常采用增加通用变频器容量的方法。对于要求精度高、动态性能好、速度

16、响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），宜选用矢量控制或直接转矩控制的通用变频器。本课程设计中选择两台逆变器互为备用，以保证系统的可靠运行。变频器选用FR- E540-2.2KW三菱变频器。(3)液位传感器的选择使用UHZ系列磁浮子液位变送器。液位计由现场指示、液位报警和液位远传装置三部分组成。基本型是根据磁浮子在液体中的浮力和同性的排斥和异性的吸引力而发展起来的。根据上述原理，液位变化的线性量通过磁力传递到现场指示器，液位为红色，气相为白色。液位远传装置通过磁性材料将液位的可变性转换为直流电4 。将20mA电流信号传输到二次仪表，实现液位的远传、测量、控制和记录。本装置采用UHZ系

17、列磁浮子液位变送器：量程（0 550mm） ；输出信号范围；电流输出为4 20mA 。指示精度120 C。 5 毫米。3、液位自动控制系统示意图(1) 主电路控制系统中有两台电机，控制电路主电路图如下：图 3.1 主电路(2)PLC控制电路PLC控制器是整个电路系统的核心，负责系统流程的控制。它引入来自传感器的信息和其他信息，并根据这些信号向电机发出控制命令，以完成系统功能。其控制电路图如图 3.2 所示。图 3.2 PLC 接线图(3) 逆变器控制电路变频器的作用是控制电机的启动、停止和转速，其控制电路图如图3.3所示。图 3.3 逆变器控制电路接线图四、液位控制系统变频器节能控制分析随着我

18、国经济的快速发展，电机的使用越来越广泛。由于抽水量大，电机高速运转，耗电量比较大。电费占目前水费的50%以上。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能越来越强大，充分利用变频器固有的各种功能进行变频调速和恒压供水，可以减少降低供水运行成本，确保供水质量稳定。有着非常重要的意义。恒压供水是指无论用户段的用水量如何，管网的水压基本保持恒定，从而满足各部位用户的需要，不使电机空转，造成浪费电能。为了达到上述目的，PLC根据给定的压力信号和反馈的压力信号，通过模糊推理运算控制变频器调节水泵的转速，从而控制管网的水压。变频调速节能原理分析：一、交流电动机变频调速原理根据电磁感应原理，交流电动机的转速满足

19、下式：n0=60f/P（同步电机） (1)n=(1S)f/P（异步电动机） (2)在哪里：n0电机同步转速n电机异步转速P电机定子的极对数f交流电源频率S电机滑差电机的速度随电源频率 f、极对数 P 和电机转差 S（异步电机）而变化。由于电机的极对数P只能分步调节，调节量有限，因此调速范围有限，限制了其应用。但是，用过大的滑差率进行调速显然是不经济的，对电机的功率有负面影响。因素和效率的影响也很大，所以应用范围很有限。变频调速是通过改变电机的输入频率来改变其空间旋转磁场的角速度来达到调速的目的。电机的转速随着电源频率的变化而变化，电源频率f增加，电机转速增加，反之亦然。 .变频调速方式在不影响

20、电机性能的情况下，实现了无级调速、恒转矩调速或恒功率调速等调速方式，因此受到了业界的广泛重视，应用越来越广泛。应用案例。2、水泵特性分析及节能原理根据流体力学原理，在一定管径条件下，管道流量Q与泵速n成正比；扬程H与转速（n2）的平方成正比，电机轴功率P与转速（n3）的立方成正比。可以看出，当流量仅下降到80%时，所需功率P会下降到额定功率的50%左右（0.830.5），当流量下降到50%时，所需功率P2为仅为额定功率的 13%。图2是泵的特性曲线。如果要求恒压在HA，当流量QA下降到Q1时，如果泵的转速不变，压力会上升到B1，压力传感器输出一个压力上升信号，经过分析和由智能调节器计算，输出降

21、速信号给调速电机变频控制器，调速电机转速从n0降到n1（B点），使管网压力为维持在医管局；同样，当流量变为Q2时，压力上升到C1点，调速电机立即减速。至n2(C点)，仍保持恒压HA，从而实现水泵自动恒压变流量供水。可见，变负载水泵的调速控制具有显着的节电效果。使用变频器可根据电机负载的变化实现自动平滑加减速，基本保持异步电机固有的转差率小特性，具有效率高、外壳宽度大、精度高等优点和无级变速。非常适用于泵、风机等设备。当夜间供水量急剧减少时，可轻松设置日常睡眠工作的开始/停止时间，并可设置睡眠时的压力给定值。在休眠期间，变频器监测管网压力。当压力低于设定值时，系统自动唤醒，变频泵投入运行；最大限

22、度地节约用水和用电。实践证明，使用变频设备可使泵的平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达（20-40）%。同时，通过使用变频器控制，可以在不同的季节、节假日、昼夜、通勤等情况下对水量进行全面调节。3、节能与经济效益分析在实际运行中，如果按照比较保守的数字计算，按年平均节电30%计算，22kW水泵应用变频调速设备后可节电：2230%24365=57816（kWh）按0.60元/千瓦时电价计算，每年可节省电费578160.60=3.469（万元）一套22kW变频调速系统装置的投资及配套改造费用按6.36万元计算，投资回收期为：6.363.469= 1.83（年）即在不到两年的时

23、间内，通过节电的经济效益即可收回投资。该数据不包括泄漏率、管道爆裂率和紧急维修费用降低等间接经济和社会效益。五、PID原理分析与应用采用PLC PID积分分离智能PI调节控制。在污水处理液位自动控制系统中，异步电机驱动的离心泵的动态特性具有非线性、多参数的特点。明显的纯滞后。对于该废水处理控制系统，一方面，液位控制精度高，汽提塔废水处理量变化大，对控制器鲁棒性要求高。数据，采用PLC PID积分分离智能PI调节控制，编程简单，控制可靠，适用于汽提塔液位自动控制系统。运行表明，汽提塔液位控制稳定，控制精度高，液位稳定在20cm1cm，完全满足汽提塔液位控制要求。液位PID控制系统示意图如图：图

24、5.1 液位 PID 控制系统示意图在 PID 控制中，比例控制是建立与设定值（SV）相关的比例带，并根据偏差比例带获得运算值（控制输出）的操作，从而使控制平稳无振荡。积分控制用于自动校正静态误差。其中，积分强度用设定的积分时间表示。积分时间值越小，积分运算的校正效果越强。通过PI数字控制器，当过程开始、结束或大幅度增加或减少设定值时，系统输出在短时间内出现较大偏差，会引起PI运算的积分累加，导致控制量超过执行器可能的最大作用范围。相应的限位控制量最终会导致系统出现较大的超调，甚至引起振荡，还会增加调整时间。这种现象在时间松弛的控制对象中更为明显。因此，汽提塔采用积分分离的PI控制。在启停阶段或流量变化较大时，只加比例，取消积分校正。当实际液位与给定液位的误差小于一定值时，恢复积分校正功能，消除液位系统的稳态误差。可以提高系统的控制性能，减少超调