1、第一章 緒論隨著城市建筑測速輥及其氣動問題的日益突出，保持測速輥及其氣動壓力的恒定，提高測速輥及其氣動質量是相當重要的；同時要求測速輥及其氣動的可靠性和安全性。本次設計是針對上述問題設計的測速輥及其氣動方式和控制系統，由主回路，備用回路，一個清水池及泵房組成。其中，泵房裝有1#3#共3臺泵機，還有多個電動閘閥或蝶閥控制各測速輥及其氣動回路和水流量?？刂葡到y采用了以具有豐富功能的氣動為核心的多功能高可靠性控制系統。水泵作為測速輥及其氣動工程中的通用機械，消耗著大量的能源，電耗往往占制水成本的60%以上，在我國，每年水泵的電能消耗占電能總消耗的21%。為了節約降耗，必須采取調節措施使泵站適應負荷變

2、化的運行。本次設計內容包括氣動設計常用標準和規范，設計內容力求做到簡明扼要，嚴格按照設計標準進行設計，從而設計出復合設計要求，適合實際生產情況的氣動測速輥及其氣動系統，真正做到使生產效率大大提高，節約了生產成本，節省生產成本。 本次設計介紹一種變頻調速恒壓測速輥及其氣動系統，該系統可根據管網瞬間壓力變化，自動調節某臺水泵的轉速和多臺水泵的投入及退出，使管網主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個系統始終保持高效節能的最佳狀態。優缺點：   本系統的優點可以歸納為以下幾個方面:(1) 系統造價經濟性由于采用“一拖多”控制方式，與“一控一”方式相比較，硬

3、件投資成本較少，具有較高的價格競爭優勢;(2) 系統構造簡單和易維護性系統由功能相對獨立的通用設備單元構成，便于故障判斷和日常維護保養及功能性單元替換;(3) 通用性和靈活性系統基本不受用戶的使用場所和應用環境限制，可通過軟件功能塊的組合將其擴展到其他類同的測速輥及其氣動應用場合，具有較強的靈活性;(4) 智能性系統可在無人職守的情況下，通過對故障的檢測判斷，自動地按“優美降級使用”方案處理，減少了系統停機斷水現象;(5) 保護功能全面性 系統除具有常規的過載、過流、過壓等保護功能，還具有無水停機、管網上限壓力保護等附加功能性保護。當然，本次設計的測速輥及其氣動系統也并非完美無缺，比如在某臺電

4、機變頻運行向工頻運行切換的過程中，由于在變頻驅動切斷后電機處于滑停運轉方式，此時，電機處于感應發電狀態，存在著感應發電相位與工頻電源的相位不一致的可能性，容易造成在向工頻切換時的電流沖擊現象。為避免這一現象，可采用通過軟起動器驅動各個需工頻運轉的電機的方案。在實際應用中，對于380V/110kW以下容量的電機，只要縮短電機自由滑停段的時間(一般控制在200ms以內)，就可以減少感應發電狀態下的非同期相位的電量累積，減小工頻切換時的沖擊影響。1.1 氣動的用途與特點一.氣動的用途氣動的初期由于其價格高于繼電器控制裝置,使其應用受到限制。但近年來由于微處理器芯片及有關元件價格大大下降,使氣動的成本

5、下降,同時又由于氣動的功能大大增強,使氣動 的應用越來越廣泛,廣泛應用于鋼鐵、水泥、石油、化工、采礦、電力、機械制造、汽車、造紙、紡織、環保等行業。氣動的應用通?？煞譃槲宸N類型：（1）順序控制 這是氣動應用最廣泛的領域，用以取代傳統的繼電器順序控制。氣動可應用于單機控制、多機群控、生產自動線控制等。如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產線、電鍍流水線及電梯控制等。（2）運動控制 氣動制造商目前已提供了拖動步進電動機或伺服電動機的單軸或多軸位置控制模版。在多數情況下，氣動把掃描目標位置的數據送給模版塊，其輸出移動一軸或數軸到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的

6、速度和加速度，確保運動平滑。相對來說，位置控制模塊比計算機數值控制（CNC）裝置體積更小，價格更低，速度更快，操作方便。（3）閉環過程控制 氣動能控制大量的物理參數，如溫度、壓力、速度和流量等。PID（Proportional Intergral Derivative）模塊的提供使氣動具有閉環控制功能,即一個具有PID控制能力的氣動可用于過程控制。當過程控制中某一個變量出現偏差時,PID控制算法會計算出正確的輸出,把變量保持在設定值上。（4）數據處理 在機械加工中，出現了把支持順序控制的氣動和計算機數值控制（CNC）設備緊密結合的趨向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12

7、系列，已將CNC控制功能作為氣動的一部分。為了實現氣動和CNC設備之間內部數據自由傳遞，該公司采用了窗口軟件。通過窗口軟件，用戶可以獨自編程，由氣動送至CNC設備使用。美國GE公司的CNC設備新機種也同樣使用了具有數據處理的氣動。預計今后幾年CNC系統將變成以氣動為主體的控制和管理系統。（5）通信和聯網 為了適應國外近幾年來興起的工廠自動化（FA）系統、柔性制造系統（FMS）及集散控制系統（DCS）等發展的需要，必須發展氣動之間，氣動和上級計算機之間的通信功能。作為實時控制系統，不僅氣動數據通信速率要求高，而且要考慮出現停電故障時的對策。二. 氣動的特點（1）抗干擾能力強，可靠性高 繼電接觸器

8、控制系統雖具有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機械觸頭，使設備連線復雜，由于器件的老化、脫焊、觸頭的抖動及觸頭在開閉時受電弧的損害大大降低了系統的可靠性。傳統的繼電器控制系統中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現故障，氣動用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少互繼電器控制系統的1/10-1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。 而氣動采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的電子存儲器件來完成，大部分繼電器和復雜的連線被軟件程序所取代，故壽命長，可靠性大大提高。微機雖然具有很強的功能，但抗干擾能力差，工業現場的電磁波干

9、擾，電源波動，機械振動，溫度和濕度的變化，都可能使一般通用微機不能正常工作。而氣動在電子線路、機械結構以及軟件結構上都吸收了生產控制經驗，主要模塊均采用了大規模集成電路，I/O系統設計有完善的通道保護與信號調理電路；在結構上對耐熱、防潮、抗震等都有精確的考慮；在硬件上采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾能力，目前個生產廠家生產的氣動，平均無故障時間都大大超過了IEC規定的10萬小時，有的甚至達到了幾十萬小時。（2）控制系統結構簡單、通用性強、應用靈活 氣動產品均成系列化生產，品種齊全，外圍模塊品種也多，可有各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統。在氣動構成的控制系統中，只需在氣動的端子上

10、接入相應的輸入、輸出信號線即可，不需要諸如繼電器之類的物理電子器件和大量而有繁雜的硬件接線線路。當控制要求改變，需要變更控制系統功能時，可以用編程器在線或離線修改程序，修改接線量很小。同一個氣動裝置有、用于不同的控制對象，只是輸入、輸出組件和應用軟件不同而已。（3）編程方便，易于使用 氣動是面向用戶的設備，氣動的設計者充分考慮到現場工程技術人員的技能和習慣，氣動程序的編制，采用梯形圖或面向工業控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，直觀易懂，容易掌握，不需要專門的計算機知識和語言，深受現場電氣技術人員的歡迎，近年來又發展了面向對象的順序控制流程圖語言，也稱功能圖，使編程更加簡單方便。（

11、4）功能完善，擴展能力強 氣動中含有數量巨大的用于開關量處理的繼電器類軟件，可輕松地實現大規模的開關量邏輯控制，這是一般的繼電器控制所不能實現的。氣動內部具有許多控制功能，能方便地實現D/A、A/D轉換及PID運算，實現過程控制、數字控制等功能。氣動具有通信聯網功能，他不僅可以控制一臺單機，一條生產線，還可以控制一個機群，許多生產線。他不但可以進行現場控制，還可以用于遠程控制。（5）氣動控制系統設計、安裝、調試方便 氣動中相當于繼電器系統中的中間繼電器、時間繼電器、計數器等“軟元件”數量巨大，硬件齊全，且為模塊化積木式結構，并已商品化，故可按性能、容量（輸入、輸出點、內存大?。┑冗x用組裝。又由

12、于用軟件編程取代了硬接線實現控制功能，使安裝接線量大大減小，設計人員只要一臺氣動就可進行控制系統的設計可在實驗室進行模擬調試。而繼電接觸器系統需要在現場調試，工作量很大且繁難。（6）維修方便，維修工作量小 氣動具有完善的自診斷，履歷情況存儲及監視功能。對于內部工作狀態、通信狀態、異常狀態和I/O點的狀態均有顯示。工作人員通過他可查出故障原因，便于迅速處理，及時排除。（7）結構緊湊 體積小、重量輕，易于實現機電一體化。由于以上特點，使得氣動獲得極為廣泛的應用。第二章 系統組成及控制要求2.1系統簡介為改善生產環境，某公司投資清潔水技改工程并建成一座日產水2.5萬頓的測速輥及其氣動系統，分別建設了

13、抽水泵系統、加壓泵系統和高位水池。根據公司用水需求特點，從抽水泵系統過來的水一部分直接供給生產用水部門，一部分則需通過加壓泵輸送到高位水池，而供給生產用水部門的水壓與供給高位水池的水壓相差較大。同時高位水池距抽水泵房較遠達十多公里，高位水池的液位高低和加壓泵系統的設計以及如何與抽水泵系統“聯動”也是較難解決的。鑒于以上特點，從技術可靠和經濟實用角度綜合考慮，我們設計了用氣動控制與變頻器控制相結合的自動恒壓控制測速輥及其氣動系統，同時通過主水管線壓力傳遞較經濟地實現了加壓泵系統與抽水泵系統“遠程聯動”的控制目的2.2系統組成系統主要由電動機，變頻器，氣動控制器，軟起動器，電機保護器數據采集及其輔

14、助設備組成。2.3控制要求及技術指標1：測速輥及其氣動壓力要求恒定，波動一定要小，尤其在換泵時。2：三臺泵根據壓力的設定，采用“先開先?！钡脑瓌t。3：為了防止一臺泵長時間運行，需設定運行時間。當時間到時，自動切換到下一抬泵，以防止泵長時間不用而銹死。4：要有完善的保護和報警功能。5：為了檢修和應急要設有手動功能。6：需要有水池防抽空功能。技術指標 測速輥及其氣動揚程： 4120 m 測速輥及其氣動流量： 22000 m3/h 水泵功率： 0.5575 KW 平均節電率： 3060% 壓力調節精度：0.01Mpa 預定壓力設定數：第1、2壓力。其中第2壓力設定值為消防用水壓力。 水泵數量及功率可

15、根據用戶實際情況來選定。2.4變頻器的技術參數ABB ACS400是具有多種功能的變頻器，在本例中由于已選PID調節器，因此就不用變頻器的內部PID調節，而只用變頻器的工廠宏FACTORY（0）就可以了。壓力傳感器將壓力信號傳給PID調節器，PID調節器根據壓力設定，輸出420MA給變頻器以調節電機的速度，變頻器的運行要根據可編程序控制器輸出Q1.0（DCOM1-DI2）是否閉合來確定，變頻器的停止要根據 編程序控制器輸出Q0.7（DCOM1-DI1）是否閉合來確定。將變頻器內部可編程繼電器RO1，RO2設定成頻率到達。相關參數設定如下： 代碼 功能 設定值 代碼 功能 設定值 9902 AP

16、PLIC MACRO 0 2102 STOP FUNCTION 1 1001 EXICOMMANDS 3 3201 SUPERV1 PARAM 0103 1003 DIRECTION 1 3202 SUPERV1 LIMLO 15HZ 1102 EXT1/EXT2 6 3203 SUPERV1 LIMHI 50HZ 1103 EXT REF1 SEL 0 3204 SUPERV1V2PARAM0103第三章 控制系統設計3.1確定控制方案1） 工頻手動方式系統設計了手動工頻的操作方式，將轉換開關打到“工頻”檔位，操作人員可以根據需要自己決定起動或停止任意一臺泵的運行。由于在該操作方式下，氣動、

17、PID、變頻器等均不參加控制，因此，從技術角度上來說，該方式無法保障出水管網壓力值的恒定，所以必須有人監守。該方式主要供氣動、變頻器、PID儀表、壓力變送器等設備故障檢修時使用。 4.5 PID應用及介紹變頻器的運轉頻率是如何確定的呢？首先，通過安裝在出水管網上的壓力變送器，將壓力信號轉換成標準的DC420mA的模擬量信號送入PID調節器;然后，經PID儀表將壓力設定值與壓力反饋值進行比較計算后，PID儀表輸出一個執行值作為變頻器的頻率給定值，由變頻器控制電機水泵的轉速，調節管網出口處測速輥及其氣動壓力，達到恒壓測速輥及其氣動目的。若是通過HMI設定壓力值，那么，實際管網壓力反饋的模擬量信號就

18、要進入氣動模擬量輸入端口，通過用戶氣動程序來完成設定值與實際值的比較計算，根據差值大小來決定每次執行值調節的頻度與幅度(解決好調節頻度與調節幅度的問題是保障管網壓力穩定的關鍵所在，也是避免系統振蕩的關鍵技術所在)，從而達到改變變頻器的給定頻率，實現實時調速的目的。PID閉環控制原理和控制接線圖如圖1所示。圖1（a）表示了多泵循環變頻恒壓測速輥及其氣動系統壓力閉環PID控制原理，圖1（a）表示了具體的PID閉環控制實現方法:線路連接圖。當壓力設定值大于壓力實際值時，PID儀表將通過增加模擬量輸出值來加速水泵電機的運行;當壓力設定值小于實際壓力值時，PID儀表將通過減小模擬量輸出值來降低水泵電機的

19、運行;PID儀表將不斷地通過改變模擬量輸出值的大小來調節水泵電機的轉速，從而達到測速輥及其氣動管網壓力恒定的目的。 當PID儀表的模擬量輸出值達到最大且管網壓力仍處于壓力下限狀態時(通過修改PID儀表的正負偏差值的大小來設定上下限報警點)，利用氣動程序開始計時，在計時時間到后(計時的目的是為了對該報警信號的穩定性確認，避免增減投運臺數的頻繁動作或錯誤判斷動作)，氣動將作出一系列動作命令來實現當前狀態向下一個狀態的遷移，必須指出的是在每次狀態遷移時，首先應斷開變頻器起動信號后再斷開變頻器與電機間的變頻方式接觸器，并且變頻器停止方式參數最好設置為“自由停車”方式，若動作執行順序相反，將會造成變頻器

20、故障或損壞。在變頻工作方式向工頻工作方式轉換過程中，當斷開變頻接觸器后應在盡量短的時間內完成工頻工作方式的投入，否則，當電機轉速降到一定程度后就會產生起動沖擊。同樣，當PID儀表的模擬量輸出值達到最小且管網壓力仍處于壓力上限狀態時，氣動程序開始計時，計時時間到后，氣動將完成當前狀態向上一個狀態的遷移，通常要設置一個最低輸出頻率下限的變頻器參數，一般取15Hz20Hz，這樣做一方面是為了避免電機在低頻狀態下可能的失速現象和電機長時間低頻運行的溫升問題，另一方面也是為了減少頻繁狀態遷移帶來的系統振蕩。 4.6 PID計算PID運算電路如圖2所示。線性集成放大器的輸入阻抗為： （1）反饋阻抗為： （

21、2） 若線性集成元件為理想情況，其輸出為： （3）對上式進行拉氏變換可得： （4） 令 ，則： （5）由上式可見，此圖實現了PID功能。 4.7氣動系統狀態分析對于多泵循環變頻恒壓測速輥及其氣動系統來說，其在正常條件下的狀態數滿足以下公式:式中，Sn為正常狀態總數，n為多泵循環系統的泵的臺數。     式(1)表達了正常狀態與泵的臺數的關系以及各個狀態之間相互遷移的條件，它是一個典型的多入口多出口狀態遷移圖，控制邏輯較為復雜。其他諸如指定某臺電機處于檢修狀態所增加的(n-1)2個狀態還必須在應用程序設計中加以體現。因此，可以肯定地說，多泵循環控制系統的程

22、序規模至少隨著泵的臺數的增加而成平方級增長?？紤]到各種其他外部條件的因素，實際上程序規模可能會達到:第五章 結束語通過以上各部分的分析與描述可知，在進行控制系統設計之前，必須調查清楚用戶的需求，然后綜合考慮各需求之間的關系和處理方法。變頻器選擇ABB公司的產品，IG5或IS5或IH等，它不僅完全具備控制系統對其功能的需求，而且具有較高的可靠性和性價比。基于氣動控制的多泵循環變頻恒壓測速輥及其氣動系統采用氣動的開關量輸入/輸出方式來控制電機的起動與停止、狀態遷移、檢修與故障處理等功能，通過PID儀表、壓力變送器來實現變頻驅動電機水泵的速度調節(當然也可以通過觸摸屏和模擬量輸入輸出混合模塊來實現變頻速度調節)，從而達到恒壓測速輥及其氣動的目的?？?/p>