自动控制设计.docx
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自动控制设计
河南工业职业技术学院
HenanPolytechnicInstitute
毕业设计（论文）
题目恒压供水的自动控制设计
摘要
建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。
根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了校园原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。
提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、软启动器、PLC、微泄露补偿器、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。
从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。
另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省近四成。
结合使用可编程控制器，可实现主泵变频，具有缺相、缺水保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。
关键词：
恒压变频供水，PLC，压差供水，自动控制
§1.1课题设计背景及意义.......................................................5
§2.2变频调速的工作原理...........................................…….8
§2.5变频器的外围设备及选择............................................10
§2.6制动电阻的计算……….………..................…….........12
§2.7变频器硬件设计............................................................13
§2.8变频器的应用................................................................14
§2.9工艺流程简介................................................................15
§3.1PLC的定义...................................................................18
§3.2梯形图编程语言...........................................................19
§3.3PLC的选择..................................................................21
§3.4变频器的选型.............................................................23
§3.5水泵的选型.................................................................24
§3.6压力传感器的选型.....................................................24
§3.7系统组成.....................................................................24
§3.8系统控制工作原理.....................................................26
§3.9变频器恒压供水系统硬件设计.................................27
§3.9.1缺水保护电路......................................................28
§3.9.2缺相相序保护电路..............................................29
第四章变频器恒压供水系统软件设计.........................................................30
§4.1变频器恒压供水系统软件设计...................................30
§4.2供水系统的PLC系统梯形...........................................31
§4.3系统工作过程分析.......................................................37
§4.4控制系统程序设计..........................................................38
§4.4.1启动程序.........................................................................38
§4.4.1水泵切换程序.........................................................38
§4.4.2逐台停泵程序.........................................................39
§4.4.3故障处理..................................................................39
第五章结论............................................................................................................40
前言
随着变频调速技术的发展和人们节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性被广泛地应用于住宅小区、高层建筑的生活及消防供水系统。
在智能建筑教学领域，恒压供水系统已成为一个研究的重要课题，其典型结构是由压力传感器、可编程控制器（PLC）、变频器、供水泵组等组成。
随着社会的飞速发展和城市建设规模的扩大，人口的增多以及人们生活水平的提高，对城市供水的质量、数量、稳定性等问题提出了越来越高的要求，机组的控制主要依靠值班人员的手操作，控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。
为了保证供水，机组常保持在超压的状态下运行，爆损现象也挺严重。
本论文结合现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。
本课题满足了变频恒压供水系统中的基本要求，是由储水系统、动力系统，回水系统和控制系统（手动控制、自动控制）组成。
它利用流量与转速成正比的关系来实现节能，即当需求的压力降低时，电动机转速降低，泵出口流量减少，电动机的消耗功率大幅度下降，从而达到节能的目的。
对象系统由四台不同功率的水泵机组组成，都为常规变频循环泵，用于模拟正常模式下的生活供水动力系统。
回水系统采用有机玻璃材料结构，以使实验系统具有可观察性。
控制系统采用手动和自动两种控制方式，在自动控制器失效的状态下，用手动控制系统也能保证系统地可靠运行。
在系统投入自动运行前，手动控制还可用于检验动力线路和动力设备的工况。
在有变频和工频两种运行状态的设备间，采用机械互锁和逻辑互锁的双重保护设计，以保障设备的安全运行；该系统同时采用过载保护、漏电保护、接地保护等多重保护机制，充分保障了操作者的人身安全和设备的运行安全。
第一章绪论
§1.1课题的设计背景及意义
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。
随着变频器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统,然而,由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（水泵）,在对原有供水系统进行变频改造的实践中,往往会出现一些在理论上意想不到的问题.本课题介绍的变频控制恒压供水系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题,既体现了变频控制恒压供水的技术优势,同时有效的实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。
继电器在控制系统中主要起两种作用：
（1）逻辑运算
（2）弱电控制强电。
PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。
可编程控制器，简称PLC。
它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备。
具有1.可靠性高、抗干扰能力强2.设计、安装容易，维护工作量少3.功能强、通用性好4.开发周期短，成功率高5.体积小，重量轻、功耗底等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。
与继电——接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电——接触器控制系统小；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。
因此，进行变频恒压供水系统的PLC控制系统的设计，可以推动变频恒压供水系统行业的发展，扩大PLC在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究的价值。
随着电力技术的发展，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，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。
其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。
用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。
而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。
保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
PLC恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。
例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。
又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以，某些用水区采用PLC恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
PLC是面向工业生产过程控制的，特别是中小容量PLC成功地取代了传统的继电器－接触器控制系统，使控制装置的可靠性大为提高，在改造传统工业控制设备和开发研制机电一体化高新技术产品中发挥了巨大作用。
而变频器能节能和调速，并能实现自动控制程高精度控制，还能在恒压恒温控制应用实现了智能控制等。
本课程的基本要求是在了解PLC一般性硬软件基本构成和工作原理的基础上，并和变频器综合利用，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的。
改造提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。
§1.2课题的设计内容
本设计将在以下几个方面对恒压供水控制系统进行研究和论证。
§1.2.1恒压供水系统的选型
该系统是由储水系统、动力系统，回水系统和控制系统（手动控制、自动控制）组成。
对象系统由四台不同功率的水泵机组组成，都为常规变频循环泵，用于模拟正常模式下的生活供水动力系统；回水系统采用有机玻璃材料结构，以使实验系统具有可观察性。
§1.2.2系统的硬件设计
PLC变频恒压供水控制系统由3台水泵，一台智能型电控柜（包括变频器、PLC、交流接触器、继电器等），一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。
§1.2.3系统的软件设计
系统的软件设计包括PLC的程序设计和变频器的功能参数设定。
这里主要讨论PLC的程序设计。
PLC的程序设计包括手动控制和自动控制的程序设计，手动部分是通过按钮控制水泵在工频下运行和停止，主要考虑系统调试或检修时用。
当选择开关打到"自动"时，系统能够进入自动工作状态，由PLC和变频器联合控制各台电机的投入或切除、工频或变频运行方式。
供水系统共有3台泵组电机，在根据水压决定投入泵组台数后，只有最初投入的电机进行变频调速，其它后投入的电机则在工频下全速运行，泵组电机的切换过程由逻辑控制单元PLC实现。
第二章系统控制方案的确定
§2.1变频器的定义
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。
其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
§2.2变频调速的工作原理
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。
变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制环节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IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
§2.3变频器调速运行的节能原理
实现变频调速的装置称为变频器。
变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（MCU／DSP）等部分组成。
首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。
在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对U／f协调控制的要求。
PWM的优点是能消除或抑制低次谐波，使负载电机在近正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，调速范围宽。
采用PWM控制方式的电机转速受到上限转速的限制。
如对压缩机来讲，一般不超过7000r／rain。
而采用PAM控制方式的压缩机转速可提高1．5倍左右，这样大大提高了快速增速和减速能力。
同时，由于PAM在调整电压时具有对电流波形的整形作用，因而可以获得比PWM更高的效率。
此外，在抗干扰方面也有着PWM无法比拟的优越性，可抑制高次谐波的生成，减小对电网的污染。
采用该控制方式的变频调速技术后，电机定子电流下降64％，电源频率降低30％，出胶压力降低57％。
由电机理论可知，异步电机的转速可表示为：
n=60·f8（1—8）／pfs为电机定子频率（也即是电网频率），P电机定子的绕组极对数，s为转差率。
由上式可知，只要转差率不太大，可以近似认为转速n与fs成正比，这就意味着连续平滑的改变电源频率，就可以实现交流电动机大范围的连续平滑调速。
例如一个额定转速3000转／分的电动机，由变频器供电，若启动频率设定为5HZ，那么变频器可以运行在5—50HZ之间的任一频率上，则电动机可以运行在30o——3000转／分之间的任一转速上·电动机由市电启动，启动平衡，力矩大又节能。
50HZ380V的市电经过整流滤波环节后成为直流电，再经过逆变环节变成了频率和幅度都可调的交流电。
在变频器主回路中电能经过了交流——直流——交流的变换，所以这类变频器称作交——直——交类变频器。
§2.4变频器的技术特点及应用
变频器的主要技术特点有减少功耗降低成本和简化机构提高性能。
所以它在现代工业中起着重要的作用，广泛应用于航空航天，基础工业，自动控制等行业。
其主要结构：
1.整流器，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。
2.中间电路，有以下三种作用：
a.使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。
b.通过开关电源为各个控制线路供电。
c.可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。
3.逆变器，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。
4.控制电路，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。
其主要组成部分是：
输出驱动电路、操作控制电路。
主要功能是：
a.利用信号来开关逆变器的半导体器件。
b.提供操作变频器的各种控制信号。
c.监视变频器的工作状态，提供保护功能
变频器外围设备的种类与用途
图2.1
①—电源变压器T②—电源侧断路器QF③—电磁接触器1KM
④—无线电噪声滤波器FIL⑤—电源侧交流电抗器1ACL、2ACL
⑥—制动电阻R⑦—电动机侧电磁接触器2KM
⑧—I频电网切换用接触器3KM⑤’—电动机侧交流电抗器2ACL
§2.5变频器的外围设备及选择
（1）电源变压器T
电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级，考虑到变频器的输入电流有一定量的高次谐波，使电源侧的功率因数降低，加上变频器运行效率的影响，变压器的容量按如下式考虑
频器的输变出功率
变压器的容量（KVA）=
变频器输入功率因数X变频器效率
其中变频器的功率因数在有输入交流电抗器1ACL时取0.8~0.85,无输入电抗器1ACL时则取0.6~0.8。
变频器效率可取0.95，变频器输出功率应
为所接电动机的总功率。
变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值，常取变频器容
量的130%左右。
（2）电源侧断路器QF
用于电源回路的开闭，并且在出现过流或短路事故时自动切断电源，以防事故扩大。
如果需要进行接地保护，也可以
采用漏电保护式断路器。
使用变频器无例外地都应采用QF。
（3）电磁接触器1KM
用于电源的开闭，在变频器保护功能起作用
时，切断电源。
对于电网停电后的复电，可以防止自动再投入以保护
设备的安全及人身安全。
（4）无线电噪声滤波器FIL
用于限制变频器因高次谐波对外界的干
扰，可酌情选用。
（5）交流电抗器1ACL和2ACL1ACL用于抑制变频器输入侧的谐波电
流，改善功率因数。
选用与否视电源变压器与变频器容量的匹配情况
及电网电压允许的畸变程度而定。
2ACL用于改善变频器输出电流的波
形，减低电动机的噪声。
（6）制动电阻单元R用于吸收电动机再生制动的再生电能。
可以缩
短大惯量负载的自由停车时间。
还可以在位能负载下放时，实现再生
运行。
（7）电磁接触器2KM和3KM用于变频器和工频电网之间的切换运行。
在这种方式下2KM是必不可少的，它和3KM之间的联锁可以防止变频器的输出端接到工频电网上。
一旦出现变频器输出端误接到工频电网的情况，将损坏变频器。
如果不需要变频器—工频电网的切换功能，可以不要2KM。
§2.6制动电阻的计算
在异步电动机因设定频率下降而减速时，如果轴转速高于由频率所决定的同步转速，则异步电动机处于再生发电运行状态。
运动系统中所存储的动能经逆变器回馈到直流侧，中间直流回路的滤波电容器的电压会因吸收这部分回馈能量而提高。
如果回馈能量较大，则有可能使变频器的过压保护功能动作。
利用制动电阻可耗散这部分能量，使电动机的制动能力提高。
制动电阻的选择，可按如下步骤进行：
（1）制动转矩的计算制动转矩TB可由下式算出：
（GD2M+GD2L）（n1―n2）
TB=TL（N•m）
375ts
式中GD2M—电动机的GD2（N•m²）
GD2L—负载折算到电动机轴上的GD2
TL—负载转矩（N•m）
n1—减速开始速度（r/min）
N2—减速完了速度（r/min）
ts—减速时间（s）
（2）制动电阻阻值的计算
在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分，
折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%。
考虑到这一点，可用
下式来计算
U2C
RBO=
1.04（TB-0.2TM）n1
UC—直流回路电压（V）
TB—制动转矩（N•m）
TM—电动机额定转矩
N1—开始减速时的速度
如果系统所需制动转矩TB<0.2TM,时，系统就有需要另外的制动电阻，仅电
动机内部的有功损耗的作用，就可使中间直流回路电压限制在过压保护的动
作水平以下
（3）制动时平均消耗功率的计算
如前所述，制动中电动机自身损耗的功率相当于20%额定值的制动转矩，因此制动电阻器上消耗的平均功率Pro（KW）可以求出：
N1+n2
Pro=1.047（TB-0.2TM）X10-3（KW）
§2.7变频器硬件设计
变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品,适配电机5.5kW,该变频器基本配置中带有PID功能.通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值,压力传感器反馈来的压力信号（0～10V）接至变频器的辅助输入端FI、FC,作为压力反馈,变频器根据压力给定和实测压力,调节输出频率,改变水泵转速,控制管网压力保持在给定压力值上[1].如图3所示.M1、M2为变频器的极限输出频率的检测输出信号端,该信号进PLC,作为泵变频与工频切换的控制信息之一,变频器的极限输出频率通过面板可以设定.MA、MC为变频器发生故障的输出信号,该两端连接信号灯,以显示变频器故障,变频器面板上有故障复位按键,轻故障用复位按键复位,可重新启动变频器.S1和S3短接,并与Sc连接到PLC的输出点上,由PLC控制变频器的运行与关断;U、V、W输出端并联两个接触器分别接P1、P2泵电机,变频器可分别驱动两台泵,P1、P2泵电机还通过另外两个接触器并联到工频电源上,这四个接触器线包连接到PLC的四个输出点上,由PLC控制其工频、变频切换工作.
图2.2
§2.8变频器的应用
水泵在运行中普遍存在以下三个问题：
单机效率低，系统运行效率低，多数风机、水泵都要靠阀门来节流、增压，浪费大量的电能另外，在节能调节方式中，电动机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，污染环境。
出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器易操作、免维修、控制精度高，并且可以实现高功能优化等特点，设计人员采用
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