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1、1第一章 绪论随着城市建筑测速辊及其气动问题的日益突出，保持测速辊及其气动压力的恒定，提高测速辊及其气动质量是相当重要的；同时要求测速辊及其气动的可靠性和安全性。本次设计是针对上述问题设计的测速辊及其气动方式和控制系统，由主回路，备用回路，一个清水池及泵房组成。其中，泵房装有1#3#共3台泵机，还有多个电动闸阀或蝶阀控制各测速辊及其气动回路和水流量。控制系统采用了以具有丰富功能的气动为核心的多功能高可靠性控制系统。水泵作为测速辊及其气动工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷
2、变化的运行。本次设计内容包括气动设计常用标准和规范，设计内容力求做到简明扼要，严格按照设计标准进行设计，从而设计出复合设计要求，适合实际生产情况的气动测速辊及其气动系统，真正做到使生产效率大大提高，节约了生产成本，节省生产成本。 本次设计介绍一种变频调速恒压测速辊及其气动系统，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和多台水泵的投入及退出，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。优缺点：本系统的优点可以归纳为以下几个方面:(1) 系统造价经济性由于采用“一拖多”控制方式，与“一控一”方式相比较，硬件投资成本较少，具有较高
3、的价格竞争优势;(2) 系统构造简单和易维护性系统由功能相对独立的通用设备单元构成，便于故障判断和日常维护保养及功能性单元替换;(3) 通用性和灵活性系统基本不受用户的使用场所和应用环境限制，可通过软件功能块的组合将其扩展到其他类同的测速辊及其气动应用场合，具有较强的灵活性;(4) 智能性系统可在无人职守的情况下，通过对故障的检测判断，自动地按“优美降级使用”方案处理，减少了系统停机断水现象;(5) 保护功能全面性 系统除具有常规的过载、过流、过压等保护功能，还具有无水停机、管网上限压力保护等附加无锡职业技术学院毕业设计说明书2功能性保护。当然，本次设计的测速辊及其气动系统也并非完美无缺，比如
4、在某台电机变频运行向工频运行切换的过程中，由于在变频驱动切断后电机处于滑停运转方式，此时，电机处于感应发电状态，存在着感应发电相位与工频电源的相位不一致的可能性，容易造成在向工频切换时的电流冲击现象。为避免这一现象，可采用通过软起动器驱动各个需工频运转的电机的方案。在实际应用中，对于380V/110kW以下容量的电机，只要缩短电机自由滑停段的时间(一般控制在200ms以内)，就可以减少感应发电状态下的非同期相位的电量累积，减小工频切换时的冲击影响。31.1 气动的用途与特点一.气动的用途气动的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使
5、气动的成本下降,同时又由于气动的功能大大增强,使气动 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。气动的应用通常可分为五种类型：（1）顺序控制 这是气动应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。气动可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制 气动制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，气动把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块
6、保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。（3）闭环过程控制 气动能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使气动具有闭环控制功能,即一个具有PID 控制能力的气动可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID 控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。（4）数据处理 在机械加工中，出现了把支持顺序控制的气动和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本 FANUC 公司推出的 Syst
7、en10、11、12 系列，已将 CNC 控制功能作为气动的一部分。为了实现气动和 CNC 设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由气动送至 CNC 设备使用。美国 GE 公司的 CNC 设备新机种也同样使用了具有数据处理的气动。预计今后几年 CNC 系统将变成以气动为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网 为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展气动之间，气动和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅气动数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。无锡职业技
8、术学院毕业设计说明书4二. 气动的特点（1）抗干扰能力强，可靠性高 继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，气动用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的 1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 而气动采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿
9、命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而气动在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O 系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的气动，平均无故障时间都大大超过了 IEC 规定的 10 万小时，有的甚至达到了几十万小时。（2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活 气动产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有
10、各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在气动构成的控制系统中，只需在气动的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个气动装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。（3）编程方便，易于使用 气动是面向用户的设备，气动的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，气动程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术
11、人员的欢迎，近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图，使编程更加简单方便。（4）功能完善，扩展能力强 气动中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。气动内部具有许5多控制功能，能方便地实现 D/A、A/D 转换及 PID 运算，实现过程控制、数字控制等功能。气动具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。（5）气动控制系统设计、安装、调试方便 气动中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬
12、件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台气动就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。（6）维修方便，维修工作量小 气动具有完善的自诊断，履历情况存储及监视功能。对于内部工作状态、通信状态、异常状态和 I/O 点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。（7）结构紧凑 体积小、重量轻，易于实现机电一体化。由于以上特点，使得气动获得极为广泛的应用。无锡职业技术学院毕业设计说明书6第
13、二章 系统组成及控制要求2.1系统简介为改善生产环境，某公司投资清洁水技改工程并建成一座日产水2.5万顿的测速辊及其气动系统，分别建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决的。鉴于以上特点，从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用气动控制与变频器控制相结合的自动恒压控制测速辊及其气动系统，同时通过主水管线压力传递较经济地
14、实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的2.2系统组成系统主要由电动机，变频器，气动控制器，软起动器，电机保护器数据采集及其辅助设备组成。2.3控制要求及技术指标1：测速辊及其气动压力要求恒定，波动一定要小，尤其在换泵时。2：三台泵根据压力的设定，采用“先开先停”的原则。3：为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间。当时间到时，自动切换到下一抬泵，以防止泵长时间不用而锈死。4：要有完善的保护和报警功能。5：为了检修和应急要设有手动功能。6：需要有水池防抽空功能。技术指标测速辊及其气动扬程： 4120 m测速辊及其气动流量： 22000 m3/h水泵功率： 0.5575 KW平均节电率
15、： 3060%压力调节精度：0.01Mpa7预定压力设定数：第1、2压力。其中第2压力设定值为消防用水压力。 水泵数量及功率可根据用户实际情况来选定。2.4变频器的技术参数ABB ACS400是具有多种功能的变频器，在本例中由于已选PID调节器，因此就不用变频器的内部PID调节，而只用变频器的工厂宏FACTORY（0）就可以了。压力传感器将压力信号传给PID调节器，PID调节器根据压力设定，输出420MA给变频器以调节电机的速度，变频器的运行要根据可编程序控制器输出Q1.0（DCOM1-DI2）是否闭合来确定，变频器的停止要根据 编程序控制器输出Q0.7（DCOM1-DI1）是否闭合来确定。将
16、变频器内部可编程继电器RO1，RO2设定成频率到达。相关参数设定如下：代码 功能 设定值 代码 功能 设定值 9902 APPLIC MACRO 0 2102 STOP FUNCTION 1 1001 EXICOMMANDS 3 3201 SUPERV1 PARAM 01031003 DIRECTION 1 3202 SUPERV1 LIMLO 15HZ1102 EXT1/EXT2 6 3203 SUPERV1 LIMHI 50HZ1103 EXT REF1 SEL 0 3204 SUPERV1V2PARAM0103无锡职业技术学院毕业设计说明书8第三章 控制系统设计3.1确定控制方案1） 工频手动方式系统设计了手动工频的操作方式，将转换开关打到“工频”档位，操作人员可以根据需要自己决定起动或停止任意一台泵的运行。由于在该操作方
