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浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述）
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)文獻(xiàn)綜述
信息與電子工程 系 工業(yè)電氣自動(dòng)化 專業(yè) 04 級(jí) 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(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)起止時(shí)間：
2007 年 3 月 1 日～ 6 月 10 日(共 16 周)
學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：
指導(dǎo)教師：
報(bào)告日期： 2007-6-10
文獻(xiàn)綜述
（）
摘 要：傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設(shè)費(fèi)用高、管理維護(hù)復(fù)雜困難、供水質(zhì)量低下等缺點(diǎn)和不足。為了解決這些問(wèn)題，本文采用控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)研究恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器、壓力傳感器一起組成了兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)每天24小時(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)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(guò)該項(xiàng)目的研制和應(yīng)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(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個(gè)水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。
關(guān)鍵字：恒壓供水，控制，變頻器，
一、 引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到1998年。我國(guó)人均日生活用水量(包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水)由175.7升增加到241.1升，增長(zhǎng)了37.2％，與此同時(shí)我國(guó)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(guó)的666個(gè)城市中有330個(gè)不同程度缺水，其中嚴(yán)重缺水的達(dá)108個(gè)；在32個(gè)百萬(wàn)人口以上的特大城市中，有30個(gè)城市長(zhǎng)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(jì)損失達(dá)2300億元；同時(shí)給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會(huì)中的一種隱患。
在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設(shè)備的維護(hù)管理費(fèi)用。在生產(chǎn)成本中占有很大的比例：水泵電機(jī)作為一種高耗能通用機(jī)械，其耗電量占全國(guó)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(lái)控制供水量的，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此，這種調(diào)控方式雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)約能耗的角度來(lái)看。很不經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，電機(jī)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為水泵電機(jī)的節(jié)能開(kāi)辟了一個(gè)新途徑。它可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)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(jìn)行設(shè)備管理與維護(hù)，對(duì)節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。
二、恒壓供水技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
本課采用和變頻調(diào)速技術(shù)研制控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場(chǎng)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(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)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(guò)該項(xiàng)目的研制和應(yīng)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(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個(gè)水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。由于中小型自來(lái)水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)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(jià)值。
1、 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀
進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，使得各種類型的所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開(kāi)發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。
是一門綜合技術(shù)，其發(fā)展與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)密切相關(guān)。隨著可編程序控制器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，它本身也在不斷發(fā)展。目前主要朝小型化和大型化兩個(gè)方向發(fā)展。
2、變頻調(diào)速技術(shù)在恒壓供水技術(shù)中的發(fā)展?fàn)顩r
近年來(lái)，交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。但長(zhǎng)期以來(lái)，交流電的頻率卻一直固定而不能受人為控制。變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變成可以利用的資源。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人民生活正趨向于高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量和現(xiàn)代化。在居民生活用水供水系統(tǒng)中，由于高層建筑越來(lái)越高，采用傳統(tǒng)設(shè)備不能滿足高層建筑高水壓、大流量的快速供水需求。另外，在現(xiàn)代供水需求中，供水量是隨機(jī)變化的，如果采用傳統(tǒng)供水方式，難以保證供水的實(shí)時(shí)性，且能量浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，變頻調(diào)速恒壓供水方式可以很好地克服傳統(tǒng)供水方法的缺點(diǎn)，成為一種很有發(fā)展前途的供水方式。
3、模糊控制理論在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[6、8、9、12]
在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，利用模糊控制的相關(guān)理論，把系統(tǒng)輸入的壓力、流量等傳感器信號(hào)以及系統(tǒng)的輸出變量進(jìn)行了模糊化處理，然后結(jié)合根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)等制成的控制規(guī)則表，經(jīng)過(guò)模糊推理，得到了系統(tǒng)控制的模糊控制表。在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)查找模糊控制表把實(shí)時(shí)采集的壓力等輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成輸出，然后通過(guò)模糊決策得到輸出的清晰量，最后系統(tǒng)根據(jù)該清晰量進(jìn)行電機(jī)變頻控制，完成了恒壓控制的模糊控制過(guò)程。
三、變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理
1、水泵工況點(diǎn)的確定以及變化[2、7]
水泵工作點(diǎn)（工況點(diǎn)）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。如圖3-1、3-2、3-3所示。
圖3-1 水泵工作點(diǎn)的確定 圖3-2水泵工況點(diǎn)的變化
圖3-3 水泵變速恒壓工況 圖3-4變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖
2、 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過(guò)程
交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關(guān)系：
（3-1）
式3-1中：—極對(duì)數(shù),—轉(zhuǎn)差率
因此不改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，只改變電源的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動(dòng)。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。見(jiàn)圖3-4。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，通過(guò)VVVF降低交流電的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)慕档偷?。另外根?jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速,可使供水泵流量、揚(yáng)程和軸功率以相應(yīng)規(guī)律改變。
（3-2）
（3-3）
（3-4）
或 （3-5）
式3-5是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。
3、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定
考察水泵的效率曲線，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過(guò)低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體最低調(diào)速范圍，在實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在40以上，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在50%-100%范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。
四、系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與工作過(guò)程
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。未接工控計(jì)算機(jī)，壓力傳感器采樣水壓力信號(hào)，變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給控制器, 控制器根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)運(yùn)算，發(fā)出指令，對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行工頻和變頻之間的切換。
圖5-1 恒壓供水系統(tǒng)方案圖
五、設(shè)計(jì)總結(jié)及展望
S7-200控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較完備的，但是并非沒(méi)有有待改進(jìn)之處，例如該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為４組泵，它的可擴(kuò)充性就沒(méi)有再設(shè)計(jì)中被充分考慮到，如果遇到大型水廠，需要更多泵組，那么該設(shè)計(jì)就基本沒(méi)有用武之地，需要重新設(shè)計(jì)，又如，該系統(tǒng)的保護(hù)功能并不完整，系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置２組變頻器，防止其中一組出錯(cuò)時(shí)造成事故，這樣也可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，連續(xù)工作時(shí)間，減少故障損失。
展望未來(lái)，以后的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該改進(jìn)我上述不足之處，以提高整體系統(tǒng)的性能。降低錯(cuò)誤率。
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