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1、 信息与电子工程 系毕业设计 (论文)毕业设计(开题报告) 信息与电子工程系 工业电气自动化专业 04级 1 班课题名称：S7-200 PLC控制的变频调速恒压供水系统设计毕业设计(论文)起止时间：学生姓名： 指导教师： 报告日期： 1本课题所涉及的问题在国内(外)的现状综述随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量，经济、稳定性提出了越来越高的要求。据统计，从1990年到1998年。我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)由175.7升增加到241.1升，增长了37.2，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年
2、提高。而另一方面，在全国的666个城市中有330个不同程度缺水，其中严重缺水的达108个；在32个百万人口以上的特大城市中，有30个城市长期受缺水的困扰，特别是水资源短缺地区的城市，水的供需矛盾尤为突出。由于供水不足，城市工业每年的经济损失达2300亿元；同时给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市社会中的一种隐患。在供水企业中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用。在生产成本中占有很大的比例：水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21以上，具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转
3、速运行下的电机。因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看。很不经济。近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。2设计(论文)要解决的问题和拟采用的研究方法本课题要解决的问题:本课采用和变频调速技术研制控制变频调速恒压供水系统，与现场液位传感器、压力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。每天24小时不间断按预先设定的水压恒定地向城市供水，保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应用，不仅能够节
4、约宝贵的水、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本；而且提高了整个水厂的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景，本控制系统具有较大的发展潜力和较高的推广价值。（1）由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看。所以我们采用变频调速控制水泵用来改善水泵的能量浪费问题。（2）S7-200控制的变频调速恒压供水系统采用变频调速方式自动完成泵组软启动及无冲击切换，自动调节水泵电机
5、转速，改变以往“先启后停”方式，使水压平稳过渡。采用硬件/软件备用及时钟控制功能，使各泵进行轮休，延长设备的机械使用寿命。变频器故障时系统仍可运行，保证不间断供水。因此要设置好各泵的启动方式及顺序。（3）变频转工频开关切换时间T设置是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内必须尽可能的小。（4）上下限频率持续时间TH和TL变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵）
6、，这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。所以要设置好上下限频率持续时间。（5）对常用的调速方式进行分析，并决定选用的调速方式调速方式的大致分类：1、变级对数调速，2、变频调速。变频调速又可以分为：、交-直-交变频器，、交-交变频器。 因为交交变频调速方式比较适用于低速度，大功率的电机，因此我们在本次设计中选用交直交方式的变频调速。3本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路3.1调速控制节能分析水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程
7、设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量：而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与杨程适应管用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速与出水流量Q成正比：管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率与转速的三次方成
8、正比，即：； 图1-1；式中k,k1,k2,k3为比例常数。当系统出水流量减小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理田如图1-1所示。图中曲线1、2、3为管网阻力特性曲线，曲线4为水泵转速为n1时的运行特性曲线，曲线5为水泵转速为n2时的运行特性曲线。水泵原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A，此时出水流量为Q1，管网压力为H1，水泵转速为n1。当系统的出水流量减小到Q2，系统管网特性为曲线1。曲线1和曲线4的交点B为运行工作点。此时管网压力为H2，水泵的输出功率正比于H2Q2。由于H2H1，高出的压力能量被浪费了，同时过高的压力对管网和设
9、备还可能造成危害。如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至n2，曲线5和曲线2的交点C为水泵的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为H1，出水流量为口Q2，水泵的输出功率正比于H1Q2。从图中可见，阴影部分正比于浪费的功率输出。例如，当Q2为Q1的80%时，通过调速将n2调为n1的80，则水泵的输出功率P2为P1的51.2。如不采用调速控制，48.8的能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观。3.2常用的调速方式水泵多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式：式中： ：异步电动机的同步转速：异步电动机转子的转速 ：电动机的磁极对数：电源频
10、率，电动机定子电压频率 ：转速差：因此改变电动机极对数、改变转速差及改变电源频率都可以改变转速。3.21变级对数调速在电源频率定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数以电动机一相绕组为例，电流方向都是一致的，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数。如果使=1，2，3等，就可以得到=3000，1500，1000等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。3.22变频调速变频调速是将
11、电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率可以平滑地调节同步转速，相应地也就改变转子转速，而转差率可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电机堵转：频率增减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种：交-直-交变频器。交-交变频器。(1)交-直-交变频器它是由三个环节组成：可控硅整流电路
12、，其作用是将电压，定频率的交流电路变为电压可调的直流电：可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电：滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。在交-直-交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型(简称)变频器技术获得了飞速的发展。交频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。(2)交-交变频器它是由两组反并联的整流电路组成，
13、直接将电网的交流电通过交频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。交-交变频器由于直接交换，减少换流电路，减少损耗，效率高，波型好。但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。变频技术对水泵电动机进行调速，以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。由于交交变频调速方式比较适用于低速度，大功率的电机，因此我们在本次设计中选用交直交方式的变频调速。4完成本课题所必须的工作条件(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)及解决的办法工具书1、黄云龙.可编程控制器教程，北京:科学出版社,2003.2、袁任光.可编程控制器选用手册,北
14、京:机械工业出版社,2002.3、陈宇.可编程控制器基础及编程技巧,广州:华南理工大学出版社,1999.4、李景学、金广业.可编程控制器应用系统设计方法,北京:电子工业出版社,1995.5、黄立培、张学编.变频器应用技术及电动机调速,人民邮电出版社,1999.6、黄大雷、吴庚申.可编程控制器及其应用，人民交通出版社 1993.7、洱洪涛 .可编程序控制器（）原理及应用,中国水利水电出版社 1999.8、韩焱青.控制变频调速恒压供水系统，武汉化工学院学报 2000年04期9、http:/ 实验室 浙江工业大学浙西分校信电系过控实验室 设备与环境 1.S7-200一台2.三菱S500变频器一台3.
15、计算机一台4.西门子的STEP 7-MicroWIN V4.0编程环境5设计(论文)完成进度计划（1）第01周至第03周：查阅相关网站及英文资料（并翻译一篇外文资料），收集有关S7-200、变频器、低压电器、Siemens Step7 编程软件的资料。（2）第04周至第04周：根据设计任务书的要求，完成毕业设计（论文）开题报告。（3）第05周至第12周：根据系统组成原理及给定的供水流量、压力和电机参数，进行变频器、S7-200模拟量扩展单元、压力传感器等的选型，设计恒压供水系统硬件原理系统，设定变频器特性，编制程序，通过软件设计具有定时换泵和系统声、光报警等多种保护功能，进行仿真试验，并分析仿真结果。（4）第13周至第15周：整理相关资
