电力拖动课程设计

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1、电力拖动控制系统课程设计成绩题目:变频供水系统设计控制工程学院自动化1109101034王宁教学单位: 专 业: 学 号: 姓 名: 指导教师:2014年11月目录1前言11.1传统供水与变频供水区别11.2变频供水系统的国内外研究现状 11.4设计任务11.4.1课题完成的功能21.4.2设计任务及要求22变频供水系统的结构与工作原理32.1供水自动控制系统原理32.2变频供水系统的结构框图32.3变频器工作原理32.4电动机变频的调速原理43变频供水系统主电路和辅助电路设计及元件清单 53.1主电路设计结果53.2主电路元件清单53.3辅助电路53.4辅助电路元件清单64 PID控制及参数

2、计算74.1参数计算75 I/O分配和传感器的选取95.1PLC的选用及其I/O分配95.2压力传感器的选用及其接法 96程序设计116.1梯形图11总结16参考文献171刖言众所周知，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

3、、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。11传统供水与变频供水区别传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性 差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前 的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能 效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗 设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的供水 系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二 是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网

4、系统的冲击；三是 能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗口。1.2变频供水系统的国内外研究现状目前国内有不少公司在做变频供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵 的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制 器及相应的软件予以实现：有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的 动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远 远没能达到所有用户的要求。1.4设计任务1.4.1课题完成的功能设计变频供水控制系统的主电路和控制电路以及驱动电路。并针对驱动电路 进行数学建模，使计算机对水压有较好的控制，在此基础上对元件进行选取：包 括PLC控制器，电机，

5、变频器，供水变送器等。1.4.2设计任务及要求(1) 设计供水变频控制系统的主电路图、控制电路和驱动电路图并且绘制。(2) 结合实际对主电路以及驱动电路各个元件进行选取。(3) 对驱动电路中计算机对水压的控制建立数学模型，以便控制方便，准 确。2变频供水系统的结构与工作原理2.1供水自动控制系统原理图2-1系统原理图2.2变频供水系统的结构框图图2-2系统结构框图用户23变频器工作原理通过安装在出水管网上的压力传感器，把出水口压力信号变成420mA的电 流信号送至变频器，再通过变频器的A/D转换模块将模拟量变成数字量，同时变 频器的A/D转换模块也将压力设定值转换成数字量，两个数据同时经过PI

6、D控制 模块进行比较，PID根据变频器的参数设置进行数据处理，并将数据处理的结果 以运行频率的形式进行输出控制，这样运行频率的变化就可以改变水泵电机的转 速，进而可调节供水量。根据用水量的不同，变频水泵的工作频和率转速也不同， 在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大则供水压力低于 设定值时，变频器频率上升到上限频率，此时变频器输出一个开关信号给PLC； 当用水量处于低峰时，供水压力升高，变频器输出频率降低到下限频率时，变频 器输出一个开关信号给PLC，这两个信号不会同时产生，但任何一个信号反馈到 PLC都会影响PLC的输出，以实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵 电机

7、台数，并完成电机的启停和、变频与工频切换。通过调整投入工作的电机的 台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进 而达到恒压供水的目的。2.4电动机变频的调速原理变频供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由 异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒定供水的。异步电机的转差 率定义为:(21)异步电机的转速为:(22)其中：nO为异步电机的理想空载转速；n为异步电机的定子电源频率；p为 异步电机的极对数。从上式可知，当极对数不变时，电机转子转速刀与定子电源 频率成正比，因此

8、连续调节异步电机供电电源可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。3变频供水系统主电路和辅助电路设计及元件清单3.1主电路设计结果L2LJfR S T分别控制2号水泵的工频与变频运行，KM5、KM6分别控制3号水泵的工频与变 频运行。3.2主电路元件清单表3-1设备清单器件名称器件数量器件型号变频器1台HLPA03D743B电机3台TPW100-160IAPLC控制器1台XC-E4AD2DA33辅助电路图3-2辅助电路系统的控制电路主要由两部分组成，全手动工频启/停和通过PLC对水泵进 行控制，如图3-2所示，当选择开关打向“1”挡时可实现手动对电机的控制， 当选择开关打向“2”

9、挡时，可通过PLC实现对水泵的控制。3.4辅助电路元件清单表3-2辅助电路清单器件名称数量型号PLC控制器1台XC-E4AD2DA变频器1台HLPA03D743B供水变送器1个UHZ系列4 PID控制及参数计算4.1参数计算本设计以单容水压为研究对象。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要 建立被控对象的数学模型。如图2-1，设水压强P,输水管道所受的压力F,管道 的总面积为S,其中S等于管道长度l乘以管的半径R平方与兀，v是管道的体积, 则该被控对象的数学模型就是l与F之间的数学表达式。根据压力平衡关系有得到如下表达式：(41)(42)F-AF = Pd（ RA2） X1dt将式（4-1 ）

10、表示为增量形式如下：F1 - F 2 二 Pd & R A2） x 1dt在零初始条件下，对上式求拉氏变换得：Go (s)=H (s)Q(syR _ KRCs +1 Ts +1(43)式中，T _ 2RC为水压的时间常数。PID控制原理数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液 位控制系统中也有着极其重要的控制作用。一般，在控制系统中，控制器最常用 的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图5-5所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。i*,被控对象图4-1模拟PID控制系统原理框D控制器是一 构成控制偏差种线性控制器，它是根据给定值e(t) = r

11、(t) - c(t)与实际输出e(t)二 r(t) - c(t)(44)将偏差的比例(P)，积分(I)和微分(D)通过线性组合可以构成控制量, 对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为u(t)二 Kpe(t) + 丄 f e(t)dt + 妣)Tdt1 0写成传递函数形式为：G(s) = U(s) = K (1 +丄+ T S)E (s)p T dIS式中：Kp 比例系数；Ti积分时间常数；(4-5)(46)Td微分时间常数;从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制 器各校正环节的作用如下：1、比例环节 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越

12、大, 系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不 稳定。Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间, 使系统静态、动态特性变坏。2、积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。T越小，系统的静态误差消r除越快，但T过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程r的较大超调。若T过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。r3、微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏 差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但T过大，会使响应过程提D前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。5 I/O分配和传感

13、器的选取5.1PLC的选用及其I/O分配表5-1 IO分配表符号IO分配表意义BB1I0.1泵1BB2I0.2泵2BB3I0.3泵3REI0.4故障切除STOPI0.5急停STARTI0.6启动INI0.7变频器故障信号输入UPI1.0水池上限DOWNI1.1水池下限KM1Q0.01号泵变频KM2Q0.11号泵工频KM3Q0.22号泵变频KM4Q0.32号泵工频KM5Q0.43号泵变频KM6Q0.53号泵工频STQ0.6变频器启动脉冲B1Q1.0水泵1故障报警B2Q1.1水泵2故障报警B3Q1.2水泵3故障报警BGUQ1.4变频器故障52压力传感器的选用及其接法压力传感器使用CY-YZ-1OO

14、1型绝对压力传感器。改传感器采用硅压阻效应 原理实现压力测量的力一电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压 力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号 调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传 感器的电性能满足技术指标的要求。压力传感器图5-1压力传感器接线图6程序设计61梯形图梯形图是一种图形语言，它沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形 符号，并增加了一些继电接触控制图中没有的符号，因此梯形图与继电接触器控 制图的形式及符号有许多相同或相仿的地方。梯形图按自上而下，从左到右的顺 序排列，最左边的竖线称为起始母线也叫左母线，然后按一定的控制要求和规则 连接各个节点，最后最后以继电器线圈结束，称为逻辑行或“梯级”，一般在最 右边还加一竖线，这竖线称为右母线。通常一个梯形图中有若干逻辑行（梯级）， 形似梯子，梯形图由此而得名。梯形图不叫形象直观，容易掌握，用的多，堪称 用户第一编程语言。程序如下:岡貉1网路你懸1网踣注科上电FI初妬化程岸-&M&1 | |EN网络2