#《电力拖动自动控制系统》课程设计《变频液位自动控制系统》.docx
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#《电力拖动自动控制系统》课程设计《变频液位自动控制系统》
扬州大学能源与动力工程学院
本科生课程设计
题目：
变频液位自动控制系统
课程：
电力拖动自动控制系统
专业：
电气工程及其自动化
班级：
电气
学号：
姓名：
指导教师：
完成日期：
第一部分
任
务
书
电力拖动自动控制系统课程设计任务书
一、课程设计的目的
通过电力拖动自动控制系统的设计、了解一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。
为今后从事技术工作打下必要的基础。
二、课程设计的要求
1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求。
2、掌握控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标。
3、学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据。
4、培养独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。
三、课程设计的内容
完成某一给定课题任务，按给出的工艺要求、运用变频调速对系统进行控制。
四、进度安排：
共1.5周
本课程设计时间共1.5周，进度安排如下：
1、设计准备，熟悉有关设计规范，熟悉课题设计要求及内容。
（1.5天）
2、分析控制要求、控制原理设计控制方案（1.5天）
3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。
（2天）
4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。
（1.5天）
5、整理图纸、写课程设计报告。
（1.5天）
五、课程设计报告内容
完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）
1、退火炉温度控制系统
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、变频调速恒张力控制系统设计
6、变频器在温度控制系统中的应用
7、线缆设备恒张力变频器控制设计
六、参考书
1、陈伯时主编电力拖动自动控制系统（第二版）机械工业出版社1992
2、陈伯时,陈敏逊交流调速系统机械工业出版社1998
3、张燕宾著SPWM变频调速应用技术 机械工业出版社1997
4、王兆义主编《可编程控制器教程》主编
5、徐世许主编《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编
6、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社
第二部分
课
程
设
计
报
告
一、液位自动控制系统方案设计
（一）概述
随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展,使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。
另外,由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性,常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。
此处的设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。
变频器技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。
它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。
容易实现电动机的正反转切换,可以进行高额度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动。
完善的保护功能:
变频器保护功能很强,在运行过程中能随时检测到各种故障,并显示故障类别（如电网瞬时电压降低,电网缺相,直流过电压,功率模块过热,电机短路等）,并立即封锁输出电压。
这种“自我保护”的功能,不仅保护了变频器,还保护了电机不易损坏。
本课题就是应该PLC和变频器，设计液位自动控制系统。
PLC的作用是运用PID算法对系统进行控制，而变频器的作用则是最电机进行调速，最终达到维持提气塔液位稳定的目的。
（二）系统控制要求
汽提塔液位自动控制系统用浮子液位计、PLC与变频器构成反馈的闭环液位控制系统。
用调节2.2KW化工泵转速，保证废水液位稳定、满足汽提塔的工艺要求、并可根据现场处理情况自动切换流量，满足工业现场废水处理要求。
两台变频器、两台化工泵一用一备（互为备用）保证系统运行可靠。
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积分分离智能型PI调节控制、编程简单、控制可靠，适合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20cm±1cm，满足汽提塔液位控制要求。
图1.1汽提塔液位控制系统的工作原理
（三）系统控制方案实现
本系统恒压变量供水系统是在2台2.2ｋＷ电机拖动的水泵机组能够满足废水总量设计要求的前提下,达到全自动闭环液位控制系统,并具有手动控制功能,同时还应达到以下要求：
液位稳定在20cm±1cm，满足汽提塔液位控制要求；具有短路、欠压、过载、过流等诸多保护功能。
根据系统的总体原理图以及系统的控制要求，可以初步构建出液位自动控制系统的结果框图，如图1.2所示。
图1.2液位自动控制系统结构框图
二、系统硬件选型
（一）PLC的选型
1、机型的选择
PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。
对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。
而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。
其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。
对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。
这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。
2、输入/输出的选择
PLC的输入/输出选择包括以下几部分：
1）确定I/O点数
根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。
对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。
2）开关量输入/输出
通过标准的输入/输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开/关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。
典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。
3）模拟量输入/输出
模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。
这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。
这些接口的典型量程为－10～＋10V、0～＋10V、4～20mA或10～50mA。
4）特殊功能输人/输出
5）智能式输入/输出
3、PLC存储器类型及容量选择
PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6kB，中型机的最大存储能力可达64kB，大型机的最大存储能力可上兆字节。
使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：
根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。
第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。
为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。
知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。
4、软件选择
在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。
用户应当对所选择PLC产品的软件功能有所了解。
通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。
但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。
例如，一个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影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。
5、支撑技术条件的考虑
选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。
支撑技术条件包括下列内容：
1）编程手段
2）进行程序文本处理
3）程序储存方式
4）通信软件包
6、PLC的环境适应性
（二）变频器选型
1、变频器简介
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电电源变换为另一频率的电能控制装置。
可分为交——交变频器，交——直——交变频器。
交——交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交——直——交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。
为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。
把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。
一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。
对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。
变频器主要是由主电路、控制电路组成。
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”。
2、变频器选型
通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面，选择的原则是：
首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。
通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。
对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。
对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。
为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。
对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器。
此次课程设计选择两台变频器，互为备用，保证系统可靠运行。
变频器选FR—E540—2.2KW三菱变频器。
（三）液位传感器选型
选用UHZ系列磁性浮子液位变送器。
液位计由现场指示、液位报警器和液位远程传装置三部分组成。
基本型根据磁性浮子在液体中产生浮力和磁钢同性相斥，异性相吸的性质研制而成。
根据上述原理，将液位的变化线性量经磁传递给现场指示器，液位为红色，气相为白色。
液位远传装置由磁性材料将液位的变化性的转换直流4。
20mA的电流信号，传给二次仪表实现液位的远传、测量、控制和记录。
本装置采用UHZ系列磁性浮子液位变送器：
量程（0～550mm）；输出信号范围；电流输出为4～20mA。
指示精度120℃。
±5mm。
三、液位自动控制系统的原理图
（一）主电路
控制系统共有两台电机，其控制电路的主电路图如下：
图3.1主电路
（二）PLC控制电路
PLC控制器是电路整个系统的核心，担负着系统的流程的控制，它要介绍来自传感器以及其他的信息，根据这些信号对电机发出控制命令，从而完成系统功能。
其控制电路图如图3.2。
图3.2PLC接线图
（三）变频器控制电路
变频器的作用是用于电机的起、停和调速控制，其控制电路图图3.3。
图3.3变频器控制电路接线图
四、液位控制系统变频器的节能控制分析
随着我国经济的迅速发展，电机的运用越来越广泛。
由于扬水较高且电机一直高速运行，因此电能消耗较大，目前的水费成本中，电费比例达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，充分利用变频器固有的各种功能，进行变频调速恒压供水，对降低供水运行成本，保证供水质量和稳定性等都有非常重要的意义。
恒压供水是指不管用户段用水量大小，总保持管网水压基本恒定，这样，既可满足各部位用户的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。
为实现上述目标，由PLC根据给定压力信号和反馈压力信号，通过模糊推理运算，控制变频器进行水泵转速调节，从而控制管网水压。
变频调速节能原理分析：
1、交流电机变频调速原理
根据电磁感应原理，交流电动机的转速满足下式：
n0＝60f/P（同步电动机）
（1）
n=（1－S）f/P（异步电动机）
（2）
式中：
n0—电动机同步转速
n—电动机异步转速
P—电动机定子极对数
f—交流电源频率
S—电动机转差率
电动机的转速随着电源频率f、电动机极对数P、电动机转差率S（异步电动机）变化。
由于电动机的极对数P只能有级调节并且调整量有限，因此调速范围有限，从而使其应用受到限制。
而使用过大的转差率调速显然是不经济的，对电动机的功率
因数及效率的影响也很大，故应用范围十分有限。
变频调速则通过改变电动机的输入频率改变其空间旋转磁场的角速度达到速度调节的目的，电动机的转速随着电源频率的变化而改变，电源频率f增加，电动机的转速随之增加，反之则下降。
变频调速方式实现了在不影响电动机各项性能前提下的速度无级调节、恒转矩调速或恒功率调速等调速方式，因此受到工业界的广泛重视，应用案例越来越多。
2、水泵特性分析及节能原理
根据流体力学原理，在管径一定的条件下，管道流量Q与水泵转速n成正比；扬程H与转速平方（n2）成正比，而电机轴功率P与转速的三次方（n3）成正比。
可见当流量仅下降到80%时需要的功率P将下降到额定功率的50%（0.83≈0.5）左右，当流量下降到50%时需要的功率P2仅为额定功率的13%．图2是水泵特性曲线。
若要求恒压于HA，当流量QA变小至Q1时，如果水泵转速不变，压力会上升至B1，压力传感器输出压力上升信号，经智能调节器分析运算后输出转速下降信号给调速电机的变频控制器，调速电机转速随即从n0降低至n1（B点），使管网压力维持在HA；同理，当流量变化至Q2时，压力升至C1点而调速电机随即降低转速至n2（C点），仍保持恒压HA，从而实现了水泵自动恒压变流量供水。
可见调速控制变载水泵具有显著的节电效果。
利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑地增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵、风机等设备是很适用的。
夜间供水量急剧减少时，可方便地设定每日休眠工作的起始/停止时刻，并可设定休眠时的压力给定值。
休眠期间，变频器监测管网压力，当压力低于设定植时，系统被自动唤醒，变频泵投入工作；压力高于设定值时，系统再次进入休眠状态，只有休眠水泵运行，这样能最大限度地节水节电。
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20%，从而大大降低能耗，节能率可达（20～40）%。
同时，通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、白天和晚上及上下班等时间全面调控水量。
3、节能及经济效益分析
在实际运行中，如按比较保守的数字测算，以年平均节电30%计算，一台22kW的水泵应用变频调速设备后可节电：
22×30%×24×365=57816（kWh）
按电费单价0.60元/kWh计算，年可节约电费
57816×0.60=3.469（万元）
若一套22kW的变频调速系统装置投资及配套的改造费按6.36万元计算，则投资回收年限为：
6.36÷3.469=1.83（年）
即在不到二年的时间内即可通过节电产生的经济效益而收回投资．在此数据中尚不包括漏损率、爆管率和抢修费用下降等产生的间接经济和社会效益。
五、PID原理分析及应用
此次课程设计要求使用采用PLC的PID积分分离智能型PI调节控制。
在废水处理液位自动控制系统中，由异步电机驱动的离心水泵的动态特性具有非线性，多参数等特点，同时由于管道长度，机械阻力以及信号延迟等原因，使得液位被控对象有明显的纯滞后。
对于本废水处理控制系统来说，一方面对液位的控制精度要求较高，汽提塔废水处理量变化较大对控制器的鲁棒性要求较高，经过反复比较观察现场的各种实时数据，采用PLC的PID积分分离智能型PI调节控制、编程简单、控制可靠，适合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20cm±1cm，完全满足汽提塔液位控制要求。
液位PID控制系统的原理图如图所示：
图5.1液位PID控制系统原理图
PID控制中，比例控制是建立与设定值（SV）相关的比例带的一种运算，并根据偏差比例带求得运算值（控制输出量），从而使控制平滑没有振荡。
积分控制用于自动修正静差。
其中，积分强度用设置积分时间表示，积分时间值越小，积分运算的校正作用越强。
通过PI数字控制器，在过程的启动，结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成PI运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可能的最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大超调，甚至引起振荡，同时也增大了调节时间。
在控制对象有呆滞时间控制中，此现象更明显。
因此在汽提塔采用积分分离的PI控制，在起停阶段或流量大幅变化时，只加比例，取消积分校正。
而当实际液位与给定液位的误差小于一定值时，则回复积分校正作用，以消除液位系统的稳态误差。
可改善系统的控制性能，减少超调量，缩短调整时间。
在本系统利用PLC的简单、直观的梯形图编程功能，可以方便地确定积分分离PI控制进程，实现变频调速智能PI液位控制。
即控制输出值进入饱和时，去掉积分作用，这时将积分时间设置为最大值，可使系统迅速退出饱和状态。
而积分分离限在上层的组态软件中进行设置。
图5.2积分分离的PID控制
分离限设置如下：
积分限高分离=塔－液位设定值*1.05
积分限低分离=塔－液位设定值*0.90
PLC根据现场的采集数据和设定值（SV），以及PI参数对偏差进行比例和积分计算，求出合适的输出值，进行变频调节，使控制量控制在设定值的附近。
六、小结
为期一周半的课程设计很快就解说了，通过这次课程设计，我对变频器的性能和应用有了进一步的了解，初步掌握了电机调速系统设计的一般原则。
在课程设计的过程中，通过自己思考，动手实践，我对电力拖动的控制理论有了更为深刻的理解，使在之前学到的书本只是得到了巩固。
同时，通过设计调速系统，我对PLC的应用和计算机控制技术有了更多的了解。
之前我们学习的知识基本都是纯理论的，这次的课程设计，将PLC、计算机控制技术和电力拖动的知识有效地联系起来，通过实际的设计和分析，使得自己更好的掌握了相关的知识。
在设计过程中我也遇到了很多问题，之前并没有系统的去学过变频器的工作原理及其相关的应用，所以必须要学习变频器的相关知识，尤其是变频器的使用。
当然，在此过程中，我请教了老师和同学，使我在短时间内初步掌握了相关知识，如期完成了课程设计。
这次课程设计让我学到了不少的东西，可以说是收益匪浅，在课程设计中，两位老师给了我们悉心的指导和帮助，在此谨表示感谢。
七、参考文献
[1]陈伯时主编电力拖动自动控制系统（第二版）机械工业出版社1992
[2]陈伯时,陈敏逊交流调速系统机械工业出版社1998
[3]张燕宾著SPWM变频调速应用技术 机械工业出版社1997
[4]王兆义主编《可编程控制器教程》主编
[5]徐世许主编《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编
[6]《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社
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