扬州大学能源与动力工程学院本科生课程设计题目：变频液位自动控制系统课程：电力拖动自动控制系统专业：电气工程及其自动化班级：电气学号：姓名：指导教师：完成日期：第一部分任务书电力拖动自动控制系统课程设计任务书一、课程设计的目的通过电力拖动自动控制系统的设计、了解一般交直流调速系统设计过程及设计要求，并巩固交直流调速系统课程的所学内容，初步具备设计电力拖动自动控制系统的能力。

为今后从事技术工作打下必要的基础。

二、课程设计的要求1、熟悉交直流调速系统设计的一般设计原则，设计内容以及设计程序的要求。

2、掌握控制系统设计制图的基本规范，熟练掌握电气控制部分的新图标。

3、学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据。

4、培养独立工作能力、创造能力及综合运用专业知识解决实际工程技术问题的能力。

三、课程设计的内容完成某一给定课题任务，按给出的工艺要求、运用变频调速对系统进行控制。

四、进度安排：共1.5周本课程设计时间共1.5周，进度安排如下：1、设计准备，熟悉有关设计规范，熟悉课题设计要求及内容。

（1.5天）2、分析控制要求、控制原理设计控制方案（1.5天）3、绘制控制原理图、控制流程图、端子接线图。

（2天）4、编制程序、梯形图设计、程序调试说明。

（1.5天）5、整理图纸、写课程设计报告。

（1.5天）五、课程设计报告内容完成下列课题的课程设计及报告（课题工艺要求由课程设计任务书提供）1、退火炉温度控制系统2、变频液位自动控制系统设计3、变频流量自动控制系统设计4、变频供水系统设计5、变频调速恒张力控制系统设计6、变频器在温度控制系统中的应用7、线缆设备恒张力变频器控制设计六、参考书1、陈伯时主编电力拖动自动控制系统(第二版) 机械工业出版社19922、陈伯时, 陈敏逊交流调速系统机械工业出版社19983、张燕宾著SPWM变频调速应用技术机械工业出版社19974、王兆义主编《可编程控制器教程》主编5、徐世许主编《可编程控制器教程原理、应用、网络》主编6、《工厂常用电气设备手册》（第2版）上、下册中国电力出版社第二部分课程设计报告目录一液位自动控制系统方案设计 (6)（一）概述 (6)（二）系统控制要求 (6)（三）系统控制方案设计 (7)二系统硬件选型 (8)（一）PLC选型 (8)（二）变频器选型 (10)（三）液位传感器选型 (11)三液位自动控制系统的原理图 (12)（一）主电路 (12)（二）PLC控制电路 (13)（三）变频器控制电路 (13)四液位控制系统变频器的节能控制分析 (14)五PID原理分析及应用 (16)六设计小结 (19)七参考文献 (20)一、液位自动控制系统方案设计（一）概述随着电力电子技术以及工业自动控制技术的发展,使得交流变频调速系统在工业电机拖动领域得到了广泛应用。

另外,由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性,常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。

此处的设计就是利用变频器和PLC实现水池水位的控制。

变频器技术是一门综合性的技术,它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。

它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制,有许多优点,如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。

容易实现电动机的正反转切换,可以进行高额度的起停运转,可以进行电气制动,可以对电动机进行高速驱动。

完善的保护功能:变频器保护功能很强,在运行过程中能随时检测到各种故障,并显示故障类别(如电网瞬时电压降低,电网缺相,直流过电压,功率模块过热,电机短路等),并立即封锁输出电压。

这种“自我保护”的功能,不仅保护了变频器,还保护了电机不易损坏。

本课题就是应该PLC和变频器，设计液位自动控制系统。

PLC的作用是运用PID算法对系统进行控制，而变频器的作用则是最电机进行调速，最终达到维持提气塔液位稳定的目的。

（二）系统控制要求汽提塔液位自动控制系统用浮子液位计、PLC与变频器构成反馈的闭环液位控制系统。

用调节2.2KW化工泵转速，保证废水液位稳定、满足汽提塔的工艺要求、并可根据现场处理情况自动切换流量，满足工业现场废水处理要求。

两台变频器、两台化工泵一用一备（互为备用）保证系统运行可靠。

汽提塔液位实时显示。

在废水处理液位自动控制系统中，采用 PLC 的PID 积分分离智能型PI 调节控制、编程简单、控制可靠，适合于汽提塔液位自动控制系统。

汽提塔液位控制稳定、控制精度高、液位稳定在20cm ±1cm ，满足汽提塔液位控制要求。

3#水泵PLC Pc 工控3#变频器4#变频器阀门汽提塔热交换器隔离开关SF 4断路器SF 5断路器KM3KM4M4M34#水泵处理后废水电节电磁阀隔离变压器SF3断路器磁温度传感器1压差传感器2压力表………………处理废水厌氧池图1.1 汽提塔液位控制系统的工作原理（三）系统控制方案实现本系统恒压变量供水系统是在2台2.2ｋＷ电机拖动的水泵机组能够满足废水总量设计要求的前提下,达到全自动闭环液位控制系统,并具有手动控制功能,同时还应达到以下要求：液位稳定在20cm ±1cm ，满足汽提塔液位控制要求；具有短路、欠压、过载、过流等诸多保护功能。

根据系统的总体原理图以及系统的控制要求，可以初步构建出液位自动控制系统的结果框图，如图1.2所示。

图1.2 液位自动控制系统结构框图二、系统硬件选型（一）PLC的选型1、机型的选择PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。

在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其它情况则最好选用模块式结构的PLC。

对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带AD转换、DA转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。

而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。

其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。

对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。

这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台PLC联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。

2、输入输出的选择PLC的输入输出选择包括以下几部分：1）确定IO点数根据控制系统的要求确定所需要的IO点数时，应再增加10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。

对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，IO点数也应有所不同。

2）开关量输入输出通过标准的输入输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。

典型的交流输入输出信号为24～240V，直流输入输出信号为5～240V。

3）模拟量输入输出模拟量输入输出接口一般用来感知传感器产生的信号。

这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。

这些接口的典型量程为－10～＋10V、0～＋10V、4～20mA或10～50mA。

4）特殊功能输人输出5）智能式输入输出3、PLC存储器类型及容量选择PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6kB，中型机的最大存储能力可达64kB，大型机的最大存储能力可上兆字节。

使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。

PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。

第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。

为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。

知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。

4、软件选择在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。

用户应当对所选择PLC产品的软件功能有所了解。

通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。

但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。

例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。

指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。

可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。

5、支撑技术条件的考虑选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。

支撑技术条件包括下列内容：1）编程手段2）进行程序文本处理3）程序储存方式4）通信软件包6、PLC的环境适应性（二）变频器选型1、变频器简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电电源变换为另一频率的电能控制装置。

可分为交——交变频器，交——直——交变频器。

交——交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交——直——交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。

为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。

把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。

一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。

对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。

变频器主要是由主电路、控制电路组成。

主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。

电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。

它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。

2、变频器选型通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。

通用变频器类型的选择要根据负载特性进行。

对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。

对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。