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信息與電子工程 系畢業(yè)設計 (論文)
畢業(yè)設計(開題報告)
信息與電子工程系 工業(yè)電氣自動化專業(yè) 04級 1 班
課題名稱：S7-200 PLC控制的變頻
調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設計
畢業(yè)設計(論文)起止時間：
2007 年 3 月 1 日～ 6 月 10 日(共 16 周)
學生姓名： 學號：
指導教師：
報告日期： 2007-3-20
1．本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的現(xiàn)狀綜述
隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量，經(jīng)濟、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年。我國人均日生活用水量(包括城市公共設施等非生產(chǎn)用水)由175.7升增加到241.1升，增長了37.2％，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國的666個城市中有330個不同程度缺水，其中嚴重缺水的達108個；在32個百萬人口以上的特大城市中，有30個城市長期受缺水的困擾，特別是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經(jīng)濟損失達2300億元；同時給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會中的一種隱患。
在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設備的維護管理費用。在生產(chǎn)成本中占有很大的比例：水泵電機作為一種高耗能通用機械，其耗電量占全國總耗電量的21％以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調(diào)控方式雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看。很不經(jīng)濟。近年來，電機調(diào)速技術的應用，為水泵電機的節(jié)能開辟了一個新途徑。它可以通過調(diào)節(jié)電動機的轉速來適應水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進行設備管理與維護，對節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟效益具有極其重要的意義。
2．設計(論文)要解決的問題和擬采用的研究方法
本課題要解決的問題:
本課采用和變頻調(diào)速技術研制控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時不間斷按預先設定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。通過該項目的研制和應用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設備維護，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動強度，有效的提高了生產(chǎn)率。由于中小型自來水廠的自動化技術改造在我國有著廣泛的應用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價值。
（1）由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來控制供水量的，而軸功率與轉速的三次方成正比，造成相當部分電能消耗在閥門和額定轉速運行下的電機。因此，這種調(diào)控方式雖然簡單，但從節(jié)約能耗的角度來看。所以我們采用變頻調(diào)速控制水泵用來改善水泵的能量浪費問題。
（2）S7-200控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，自動調(diào)節(jié)水泵電機轉速，改變以往“先啟后?！狈绞?，使水壓平穩(wěn)過渡。采用硬件/軟件備用及時鐘控制功能，使各泵進行輪休，延長設備的機械使用壽命。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運行，保證不間斷供水。因此要設置好各泵的啟動方式及順序。
（3）變頻轉工頻開關切換時間T
設置Ｔ是為了確保在加泵時，泵由變頻轉為工頻的過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對應的交流接觸器不會同時吸合而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流過大而對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，所以在允許范圍內(nèi)Ｔ必須盡可能的小。
（4）上下限頻率持續(xù)時間TH和TL
變頻器運行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，系統(tǒng)以變頻器運行的頻率是否達到上限（下限）、并保持一定的時間為依據(jù)來判斷是否加泵（減泵），這個判斷的時間就是TH（TL）。如果設定值過大，系統(tǒng)就不能迅速的對管網(wǎng)用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網(wǎng)用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵動作；兩種情況下都會影響恒壓供水的質(zhì)量。所以要設置好上下限頻率持續(xù)時間。
（5）對常用的調(diào)速方式進行分析，并決定選用的調(diào)速方式
調(diào)速方式的大致分類：
1、變級對數(shù)調(diào)速，2、變頻調(diào)速。
變頻調(diào)速又可以分為：
Ⅰ、交--直--交變頻器，Ⅱ、交--交變頻器。
因為交—交變頻調(diào)速方式比較適用于低速度，大功率的電機，因此我們在本次設計中選用交—直—交方式的變頻調(diào)速。
3．本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路
3.1調(diào)速控制節(jié)能分析
水泵的設計負荷是按最不利條件下最大時流量及相應揚程設定的。但實際運行中水泵每天只有很短的最大時流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個工況點，需要根據(jù)實際情況進行控制。通常采用的方法有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達到控制流量的目的，因而浪費了能量：而電動機調(diào)速控制可以通過改變水泵電動機的轉速來變更水泵的工況點，使其流量與楊程適應管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達到節(jié)能效果。
由流體力學可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速與出水流量Q成正比：管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率與轉速的三次方成正比，即：
； 圖1-1
；
；
；
式中k,k1,k2,k3為比例常數(shù)。
當系統(tǒng)出水流量減小時，通過變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉速調(diào)小，則水泵的輸出功率將隨轉速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理田如圖1-1所示。圖中曲線1、2、3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線4為水泵轉速為n1時的運行特性曲線，曲線5為水泵轉速為n2時的運行特性曲線。水泵原來的工作點為曲線3和曲線4的交點A，此時出水流量為Q1，管網(wǎng)壓力為H1，水泵轉速為n1。當系統(tǒng)的出水流量減小到Q2，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1。曲線1和曲線4的交點B為運行工作點。此時管網(wǎng)壓力為H2，水泵的輸出功率正比于H2×Q2。由于H2>H1，高出的壓力能量被浪費了，同時過高的壓力對管網(wǎng)和設備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時水泵的轉速調(diào)至n2，曲線5和曲線2的交點C為水泵的運行工作點。調(diào)速后管網(wǎng)的壓力仍保持為H1，出水流量為口Q2，水泵的輸出功率正比于H1×Q2。從圖中可見，陰影部分正比于浪費的功率輸出。例如，當Q2為Q1的80%時，通過調(diào)速將n2調(diào)為n1的80％，則水泵的輸出功率P2為P1的51.2％。如不采用調(diào)速控制，48.8％的能量將被浪費?？梢娮冾l調(diào)速的經(jīng)濟效益十分可觀。
3.2常用的調(diào)速方式
水泵多配用交流異步電機拖動，當電機轉速降低時，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟效益十分顯著。由異步電動機的轉速公式：
式中： ：異步電動機的同步轉速
：異步電動機轉子的轉速
：電動機的磁極對數(shù)
：電源頻率，電動機定子電壓頻率
：轉速差：
因此改變電動機極對數(shù)、改變轉速差及改變電源頻率都可以改變轉速。
3.21變級對數(shù)調(diào)速
在電源頻率—定的情況下，電動機的同步轉速與極對數(shù)成反比，改變電動機極對數(shù)，就可以改變轉速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數(shù)以電動機一相繞組
為例，電流方向都是一致的，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對數(shù)。如果使=1，2，3等，就可以得到=3000，1500，1000等不同的同步轉速，從而得到不同的轉子轉速。這種調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有極調(diào)速，而且級差比較大，只適用于特定轉速的生產(chǎn)機器。
3.22變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動機，使其可在變速的情況下運行。改變電動機定子頻率可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉速，相應地也就改變轉子轉速，而轉差率可保持不變或很小。但對電動機來說，定子頻率改變后，其運行影響，如果電壓不變，頻率增加時，磁通減少，電動機轉矩下降，嚴重時會使電機堵轉：頻率增減少，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實用上，要求調(diào)頻的同時，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉矩不變。實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種：交--直--交變頻器。交--交變頻器。
(1)交--直--交變頻器
它是由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓，定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電：可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電：濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。
在交--直--交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。
近年來，由于電力電子器件和微機控制技術的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡稱)變頻器技術獲得了飛速的發(fā)展。交頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。
(2)交--交變頻器
它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過交頻電路同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。
交--交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好。但調(diào)速范圍小，控制線路復雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。
變頻技術對水泵電動機進行調(diào)速，以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術。
由于交—交變頻調(diào)速方式比較適用于低速度，大功率的電機，因此我們在本次設計中選用交—直—交方式的變頻調(diào)速。
4．完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實驗設備或實驗環(huán)境條件、某類市場調(diào)研、計算機輔助設計條件等等)及解決的辦法
工具書
[1]、黃云龍.可編程控制器教程，北京:科學出版社,2003.
[2]、袁任光.可編程控制器選用手冊,北京:機械工業(yè)出版社,2002.
[3]、陳宇.可編程控制器基礎及編程技巧,廣州:華南理工大學出版社,1999.
[4]、李景學、金廣業(yè).可編程控制器應用系統(tǒng)設計方法,北京:電子工業(yè)出版社,1995.
[5]、黃立培、張學編.變頻器應用技術及電動機調(diào)速,人民郵電出版社,1999.
[6]、黃大雷、吳庚申.可編程控制器及其應用，人民交通出版社 1993.
[7]、洱洪濤 .可編程序控制器（）原理及應用,中國水利水電出版社 1999.
[8]、韓焱青.控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，武漢化工學院學報 2000年04期
[9]、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網(wǎng)站有關S7-200、變頻器、低壓電器、自動化軟件的查詢，下載step—7編程軟件，學習相關的應用實例。
實驗室
浙江工業(yè)大學浙西分校信電系過控實驗室
設備與環(huán)境
1.S7-200一臺
2.三菱S500變頻器一臺
3.計算機一臺
4.西門子的STEP 7-MicroWIN V4.0編程環(huán)境
5．設計(論文)完成進度計劃
（1）第01周至第03周：查閱相關網(wǎng)站及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集有關S7-200、變頻器、低壓電器、Siemens Step7 編程軟件的資料。
（2）第04周至第04周：根據(jù)設計任務書的要求，完成畢業(yè)設計（論文）開題報告。
（3）第05周至第12周：根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定的供水流量、壓力和電機參數(shù)，進行變頻器、S7-200模擬量擴展單元、壓力傳感器等的選型，設計恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)，設定變頻器特性，編制程序，通過軟件設計具有定時換泵和系統(tǒng)聲、光報警等多種保護功能，進行仿真試驗，并分析仿真結果。
（4）第13周至第15周：整理相關資料，完成畢業(yè)設計（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文；
（5）第16周：畢業(yè)設計（論文）小組答辯；
（6）第17周：答辯。
6．指導教師審閱意見
指導教師(簽字)： 年 月 日
7．教研室主任意見
教研室主任(簽字)： 系(簽章)
年 月 日
說明：
1. 本報告必須由承擔畢業(yè)設計(論文)課題任務的學生在接到“畢業(yè)設計(論文)任務書”、正式開始做畢業(yè)設計(論文)的第2周或第3周末之前獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。
2.每個畢業(yè)設計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導教師、教研室主任審查學生能否承擔該畢業(yè)設計(論文)課題任務的依據(jù)，并接受學校的抽查。
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