交流调速课设.docx
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交流调速课设
《交流调速》课程设计
课题名称变频恒压供水控制系统设计
学院（部）电子与控制工程学院
专业电气工程及其自动化
班级32040901
学生姓名高超_
学号03
12月24日至12月31日共1周
指导教师（签字）
2012年12月29日
目录
《交流调速》课程设计任务书2
摘要4
第一章供水系统总体方案选择5
§1.1供水基本方式的选择5
§1.2整体系统的构成5
§1.2.1变频恒压供水控制方式的选择5
§1.2.2变频恒压供水控制方式系统图如下图1-26
§1.2.3水泵容量的确定6
第二章变频恒压供水系统设计及工作原理7
§2.1变频恒压供水系统结构简述7
§2.1.1变频恒压供水系统结构框图7
§2.1.2变频恒压供水系统组成及其功能7
§2.2变频恒压供水系统原理简述9
第三章变频恒压供水系统电路设计10
§3.1系统总原理图10
§3.2主电路设计11
§3.3控制电路设计11
第四章梯形图设计12
§4.1机组的启动条件13
§4.2手动、自动的工作方式选择13
§4.3机组停止方式的设置13
§4.4备泵自投功能的实现13
§4.5信号灯的指示13
§4.6指令语言程序14
第五章操作使用说明14
总结14
参考文献15
附录：
指令语言编程16
《交流调速》课程设计任务书
一、设计内容（论文阐述的问题）
变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中,具有高效节能、水压恒定等优点。
本课程设计是电气工程及其自动化专业《交流调速》课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流变频调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。
本课程设计的基本任务是提高学生在调速系统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。
通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。
二、设计原始资料（实验、研究方案）
一楼宇供水系统，正常供水量为20m3/小时，最大供水量30m3/小时，扬程25米。
采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水压恒定。
当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证水压恒定。
设计要求：
1．设二台水泵。
一台工作，一台备用。
正常工作时，始终由一台水泵供水。
当工作泵出现故障时，备用泵自投。
2.二台泵可以互换。
3．给定压力可调。
压力控制点设在水泵出口处。
4．具有自动、手动工作方式，各种保护、报警置。
采用OMRONCPM1APLC、富士变频器完成设计。
三、设计完成后提交的文件和图表
1.课程设计说明书，包括：
方案的确定
系统的工作原理
水泵电机的容量、主电路元件型号的确定。
2.操作使用说明书。
2、图纸部分：
电气控制原理图
四、毕业设计（论文）进程安排
序号设计（论文）各阶段名称日期
1确定设计方案2012.12.24
2完成控制系统设计2012.12.25-12.26
3完成设计说明书2012.12.27-12.28
五、主要参考资料
1）《建筑电气控制技术》马小军机工
2）《过程控制》金以慧清华
3）富士变频器使用手册
4）《水暖空调电气控制技术》孙光伟建工
5）《交流电机变频调速及其应用》张承慧机工
6）有关杂志、资料
摘要
本次设计采用“一台变频器控制多台水泵”的多泵控制系统。
在这里利用PLC设计一套变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化自动调节某台水泵的转速，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。
可实现恒压变量、双恒压变量等控制方式，多种启停控制方式，该系统可以通过人意修改参数指令（如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、PID值、加减速时间等）；具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载、断水等故障均能自行诊断并报警。
为保证小区的供水正常，利用PLC控制的变频调速恒压供水系统，按照用户的需求按需调节水泵流量，根据夜间用水少可以调低水压，并满足用户的流量需求，使真个系统始终保持高效节能的最佳状态。
关键词：
变频器；可编程控制器；恒压供水
第一章供水系统总体方案选择
§1.1供水基本方式的选择
此次设计研究的对象是一栋楼房的供水系统。
当在水压较低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。
如图1-1所示，是这栋小楼的供水流程。
自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。
通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。
图1-1供水流程图
§1.2整体系统的构成
整体系统是基于PLC控制的变频恒压供水方式，该控制系统由PLC可编程控制器、变频器、水泵、压力传感器等构成。
最终确定系统由两台水泵、PLC控制器、PID调节器、变频器、远传压力变送器组成。
其中远传压力变送器用来测量出水口的压力并将其转化为4~20mA的电流信号送给变频器让其根据接收到的电流信号大小改变输出频率控制水泵的转速，同时在关口压力达到上下限时由PID调节器再送给PLC一个开关量信号由此来让PLC控制水泵的加减或者切换。
两台水泵互为备用泵根据需求切换工作。
§1.2.1变频恒压供水控制方式的选择
目前变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：
1、逻辑电子电路控制方式
2、单片微机电路控制方式
3、带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式
4、新型变频调速供水设备
方式选择：
综合考虑，最终选择自带PID调节器的变频器系统。
针对传统的变频调速供水设备的不足之处，此方式将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用的新型变频器。
由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易。
由于变频器内部自带的PID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、不失值，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。
§1.2.2变频恒压供水控制方式系统图如下图1-2
图1-2变频恒压供水控制方式系统图
§1.2.3水泵容量的确定
根据要求正常供水量为正常供水量为20m3/小时，最大供水量30m3/小时，扬程25米。
按照最大供水量来计算。
P=30t×1000×10N×25/3600s=2.1KW
综合考虑效率、启动及其他损耗，最终选用3KW的电机。
第二章变频恒压供水系统设计及工作原理
§2.1变频恒压供水系统结构简述
§2.1.1变频恒压供水系统结构框图
如下图2-1所示：
系统由2台水泵配合工作、一台PLC控制器控制泵的切换和启停及变频器的启停、一台变频器控制改变供给水泵的频率以此来改变其转速、一台PID调节器分析压力信号供给变频器频率变化的控制信号，一个远传压力变送器来测量出水口压力大小并将其变送为4-20mA的电流信号。
图2-1变频恒压供水系统结构框图
§2.1.2变频恒压供水系统组成及其功能
（1）执行机构
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图2—1中的2个水泵一个是工作泵，一个是备用泵。
正常工作时，工作泵由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以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。
（2）信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:
①水压信号:
它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。
②报警信号:
它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。
该信号为开关量信号。
（3）控制系统
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。
①供水控制器:
它是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。
②变频器:
它是对水泵进行转速控制的单元。
变频器跟踪供水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。
③电控设备:
它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。
用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。
（4）人机界面
人机界面是人与机器进行信息交流的场所。
通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。
人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。
（5）通讯接口
通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等
（6）报警装置
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
§2.2变频恒压供水系统原理简述
变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。
因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
异步电机的转速为：
n=60f（1-s）/p（其中s=（no-n）/no）
备注：
no为异步电机同步转速；
n为异步电机转子转速；
f为异步电机的定子输入交流电的频率；
s为异步电机的转差率；
p为异步电机的极对数。
由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电流频率f成正比。
当系统运行在自动模式时，手动模式无效。
系统按照给定的水压进行设定，PLC根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。
在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，工作泵输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。
当工作泵故障时备泵自投。
当系统运行在手动模式时，自动模式无效。
在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。
用户根据需要，可以从PLC的输入开关输入信号，选择1#泵或2#泵为工作泵。
变频恒压供水系统的功能要求：
系统的供水压力能够准确跟踪给定供水（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。
系统的控制原理框图如图2-2所示。
图2-2系统的控制原理框
压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到变频器的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过变频器PID模块PI调节后，变频器mm440就可以输出符合要求的交流电。
系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。
第三章变频恒压供水系统电路设计
§3.1系统总原理图
图3-1系统的总原理图
§3.2主电路设计
由于两台泵，一台工作，一台作为备用泵，所以需要两台电机分别对其进行控制。
又由于功率都为3kw，所以可确定两台水泵电机均可直接启动。
同时，每个电机分别用1个接触器控制其电源,1个热继电器进行电机的过载保护。
变频器经过接触器连接到电网，水泵经过接触器与变频器相连。
主电路如下图所示：
图3-2系统主电路图
§3.3控制电路设计
在本设计中，控制电路是由PLC进行控制的。
在进行一次又一次的设计和修改后，最后定下的电路有14个输入点，11个输出点，故最终决定采用OMRONCPM1A型的PLC。
控制电路如下图所示：
图3-3系统控制电路图
表一I/O分布表
输入
输出
总电源旋钮开关SA
00000
1#电机工作线圈KM1
01000
1#机组手动启动按钮SB1
00001
2#电机工作线圈KM2
01001
2#机组手动启动按钮SB2
00002
变频器上电线圈KM3
01002
自动选择按钮SB3
00003
变频器正转/停止控制线圈M4
01003
手动选择按钮SB4
00004
1#电机为工作泵指示HL5
01004
自动时1#电机为工作泵按钮SW1
00005
2#电机为工作泵指示HL6
01005
自动时2#电机为工作泵按钮SW2
00006
1#机组故障报警HL7
01006
1#电机热保护触点FR1
00007
2#机组故障报警HL8
01007
2#电机热保护触点FR2
00008
变频器故障指示灯HL9
01008
1#水泵压力继电器接点SP1
00009
自动运行模式指示灯HL10
01009
2#水泵压力继电器接点SP2
00010
手动运行模式指示灯HL11
01010
变频器故障输入
00011
1#电机工作指示HL1
01000
停机按钮ST
00012
2#电机工作指示HL2
01001
系统上电指示HL3
01002
变频器运行指示HL4
01003
第四章梯形图设计
为了满足本次设计的基本要求和功能，梯形图设计如附录中原理图所示。
分析如下：
§4.1机组的启动条件
当系统要启动时，先将总电源旋钮SA闭合，使输出继电器01002得电，给系统上电，若系统处于自动运行模式且ST断开，若再按下SW1（SW2），则系统启动。
若系统处于手动运行模式，且ST断开则通过手动启动按钮SB1或SB2启动系统。
§4.2手动、自动的工作方式选择
将按钮SB3按下，00003接通使输出继电器01009得电并自锁，系统将进入自动动工作状态。
此时，若系统满足起泵要求，若再按下SW1（SW2），则1
（2）号机组将作为工作机组首先启动，另一台机组则将作为备用机组。
当将按钮SB4按下，00004接通使辅助继电器01010得电并自锁，则系统将进入手动工作状态。
同样，如果系统满足起泵条件，若再按下SB1（SB2），则将启动1
（2）号机组。
§4.3机组停止方式的设置
在本次设计中，设置了一个总电源旋钮SA和停机手动旋钮ST。
即当系统出现异常情况时，旋转ST旋钮，接通00012，使辅助继电器20000得电并自锁，变频器将停止输出电源，系统停泵。
当系统检修时或需要长时间停泵时，在旋转SA,接通00000,使输出继电器01002得电，从变频器输入端切断电源。
§4.4备泵自投功能的实现
设计任务中要求当工作泵出现故障时，应实现备泵自投的功能。
因此，在设计中，电机的启动方式除了自动和手动的启动方式外，应再加一种作为备泵自投的启动方式，即在确认工作泵出现故障时，在系统仍满足起泵的条件下，应在感应工作泵的故障线圈一旦得电，则备泵应立即启动。
因此将1号机组的故障线圈的常开触点01006并在2号机组手动和自动控制触点的两端，同样，将2好机组的故障线圈的常开触点01007并在1号机组手动和自动控制触点的两端。
从而实现了备泵自投的功能。
§4.5信号灯的指示
在本次设计中，共使用了十一个指示灯。
分别为1、2号电机的工作指示灯HL1，HL2，系统上电指示和变频器运行指示灯HL3、HL4，和指示1、2号机工作的HL5、HL6，
还有1、2号泵故障指示灯HL7、HL8，变频器故障指示HL9，手动模式与自动模式指示HL10、HL11。
在该设计中，将HL1、HL2、HL3、HL4接在对应的工作线圈KM1、KM2、KM3、KM4的两端，只要线圈得电，则指示灯也就亮了。
机组的故障情况包括：
工作线圈已得电，但是压力不够或者是机组过载了，热继电器线圈动作了。
即01000（01001）常开闭合，00009（00010）常闭不打开或者00007（00008）常开触点闭合时，则01006（01007）线圈将得电，则该触点所接的HL7（HL8）将亮，指示1
（2）号机组故障。
同时该线圈的辅助触点将接通另一台电机的工作线圈01000（01001）。
从而实现备泵自投。
§4.6指令语言程序
梯形图中对应的指令语言程序见附录
第五章操作使用说明
启动时，先将总电源旋钮SA闭合，使系统上电。
再选择系统运行模式，按下SB3为自动运行，SB4为手动运行。
自动模式时，按下SW1（SW2），选择工作泵，系统启动。
手动模式时按下SB1（SB2）选择工作泵，启动1#泵（2#泵）。
当接触器KM1或KM2得电后，输出继电器01003得电，PLC送出变频器的正转\停止信号，变频器开始工作。
系统按照给定的水压在PID调节器内进行设定，远传压力表将测量变送的压力信号送给PID调节器，精确跟踪给定的供水与其设定的压力值进行比较，通过PID智能模块进行PID调节后给变频器输出处理后的电信号，变频器由此信号判断增大或减小输出频率进而控制水泵的转速。
当工作水泵故障时，备用泵自动投运，故障泵切除。
当变频器故障时，通过输出继电器01008，使输出继电器01002失点，线圈KM3失电。
系统总电源断开。
停机时通过旋转ST旋钮，接通00012，使辅助继电器20000得电并自锁，变频器将停止输出电源，系统停泵。
当系统检修时或需要长时间停泵时，在旋转SA,接通00000,使输出继电器01002得电，从变频器输入端切断电源。
总结
交流调速技术是一门实践性很强的课程，通过这次课程设计更是感受颇深。
一些理论知识，在通过这次课程设计后得到了更深的理解。
在此次课程设计中，我通过查找资料，与同学讨论，向老师答疑，解决了一个又一个问题，最终较为成功的设计出了这个系统。
此次课设使我对用PLC、变频器设计电气控制系统有了更进一步的认识，更加认识到了用变频器的优越性，而且初步具备了设计变频器、PLC控制系统工程的能力。
对于设计一个系统的流程和需要注意的问题都有了更感性的认识与了解，这些对于我们将来从事相关工作来说是非常重要的。
同时，通过这次课程设计，我还对平时学习的一些薄弱知识进行了夯实，比如说相对标号法的运用。
这次课设让我收获颇多。
参考文献
[1]《交流电机变频调速及其应用》张承慧机械工业出版社
[2]《建筑电气控制技术》王俭龙莉莉中国建筑工业出版社
[3]《过程控制》金以慧清华大学出版社
[4]《给水排水工程仪表与控制》崔福义建筑工业出版社
[5]《水暖空调电气控制技术》孙光伟建筑工业出版社
[6]富士变频器使用手册
[7]电气图用图形符号（国标）
[8]相关杂志、报刊、资料
附录：
指令语言编程
指令
数据
指令
数据
指令
数据
LD
00000
OR
01000
ANDNOT
01009
ANDNOT
01008
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01007
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00007
OUT
01002
AND
01009
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00003
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00001
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01000
ANDNOT
01010
ANDNOT
00004
AND
01010
OR
00008
ANDNOT
01010
ORLD
OUT
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OUT
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AND
01002
LD
01000
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01001
OR
01010
ANDNOT
01001
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ANDNOT
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ANDNOT
00006
LD
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LD
00012
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01010
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ORLD
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00005
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