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信息與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計 (論文)
畢業(yè)設(shè)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(shè)計
畢業(yè)設(shè)計(論文)起止時間：
2007 年 3 月 1 日～ 6 月 10 日(共 16 周)
學(xué)生姓名： 學(xué)號：
指導(dǎo)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(shè)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(shè)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(yán)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(shè)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(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(shù)的應(yīng)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(zhuǎn)速來適應(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，合理地進行設(shè)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(shè)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(shù)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(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)。通過該項目的研制和應(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，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(shù)改造在我國有著廣泛的應(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(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(zhuǎn)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(shè)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(shè)置好各泵的啟動方式及順序。
（3）變頻轉(zhuǎn)工頻開關(guān)切換時間T
設(shè)置Ｔ是為了確保在加泵時，泵由變頻轉(zhuǎn)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(yīng)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(shè)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(yīng)；如果設(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)計負(fù)荷是按最不利條件下最大時流量及相應(yīng)揚程設(shè)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(zhuǎn)速來變更水泵的工況點，使其流量與楊程適應(yīng)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(xué)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(zhuǎn)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(guān)系有，水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)速調(diào)小，則水泵的輸出功率將隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為n1時的運行特性曲線，曲線5為水泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為n1。當(dāng)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(shè)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(zhuǎn)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(dāng)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(dāng)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速公式：
式中： ：異步電動機的同步轉(zhuǎn)速
：異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速
：電動機的磁極對數(shù)
：電源頻率，電動機定子電壓頻率
：轉(zhuǎn)速差：
因此改變電動機極對數(shù)、改變轉(zhuǎn)速差及改變電源頻率都可以改變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，改變電動機極對數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，相應(yīng)地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時會使電機堵轉(zhuǎn)：頻率增減少，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導(dǎo)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(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡稱)變頻器技術(shù)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(fù)雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。
變頻技術(shù)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(shù)。
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(shè)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(shè)備或?qū)嶒灜h(huán)境條件、某類市場調(diào)研、計算機輔助設(shè)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(xué)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(chǔ)及編程技巧,廣州:華南理工大學(xué)出版社,1999.
[4]、李景學(xué)、金廣業(yè).可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方法,北京:電子工業(yè)出版社,1995.
[5]、黃立培、張學(xué)編.變頻器應(yīng)用技術(shù)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(yīng)用，人民交通出版社 1993.
[7]、洱洪濤 .可編程序控制器（）原理及應(yīng)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(xué)院學(xué)報 2000年04期
[9]、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網(wǎng)站有關(guān)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(xué)習(xí)相關(guān)的應(yīng)用實例。
實驗室
浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系過控實驗室
設(shè)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(shè)計(論文)完成進度計劃
（1）第01周至第03周：查閱相關(guān)網(wǎng)站及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集有關(guān)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(shè)計任務(wù)書的要求，完成畢業(yè)設(shè)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(shè)計恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)，設(shè)定變頻器特性，編制程序，通過軟件設(shè)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(jié)果。
（4）第13周至第15周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)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(shè)計（論文）小組答辯；
（6）第17周：答辯。
6．指導(dǎo)教師審閱意見
指導(dǎo)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(dān)畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書”、正式開始做畢業(yè)設(shè)計(論文)的第2周或第3周末之前獨立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。
2.每個畢業(yè)設(shè)計(論文)課題撰寫本報告一份，作為指導(dǎo)教師、教研室主任審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(論文)課題任務(wù)的依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查。
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