《自动控制系统》课程设计任务书1201.1202

《电力拖动自动控制系统》课程设计
计划、任务与指导书
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。

为今后从事相关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．变频器在印染机械多电机同步调速系统中应用
7．线缆设备恒张力变频器控制设计
8．空气压缩机变频调速的设计
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1992 2．陈伯时, 陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社1998 3．张燕宾著SPWM变频调速应用技术机械工业出版社1997 4．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
1.退火炉温度控制系统
退火炉温度控制系统由一台上位机操作台、一台SIEMENS S7-200 PLC 控制柜、一台变频器控制柜，3台风机，3台水煤浆输送泵组成。

加热段的三个炉段，各段于炉顶设一支热电偶，根据热电偶采集的炉温信号，与设定值比较，经PID 计算后输出控制信号变频器调节水煤浆流量，改变烧嘴的输出功率，实现温度自动控制。

同时根据助燃风量的改变及空/燃比例阀的配比，手动调节助燃风流量燃气的流量，实现最佳空/燃配比。

1、退火炉温度PLC 自动控制系统原理图
本系统装有3套热电偶反馈的闭环流量控制系统，分别控制3台3.7KW 变频器调节3台水煤浆输送泵化工泵转速，改变烧嘴的输出功率，实现温度自动控制。

满足退火炉的工艺要求、温度实时显示。

1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出温度自动控制系统结构框图； 2) PLC 、变频器、温度传感器的选择；
3) 画出该控制系统的原理图。

(主电路、plc 控制电路、变频器控制电路) 4) PID 原理分析与选用；PID 在PLC 中实现。

PLC 3#变频器
SF 2断路器
SF 断路器
KM 3KM 3SF 43#温度变送器
退火炉温度控制系统原理组成
1#变频器SF 1断路器
KM 1I-3
M 4
M2
1#喷流泵
1#空气压缩机
2#空气压缩机
I-5
2#喷流泵
3#喷流泵
3#空气压缩机
2#温度变
送器
1#温度变送器
退火炉
M 1
3
3
SF 3#变频器
T
T
T
1#温度显示器
3#温度显示器
2#温度显示器
Pc 工控机
P
压力控制器
控制柜
I-14
2
2、变频液位自动控制系统
1.概述
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。

汽提塔液位控制系统的工作原理
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。

2.系统控制要求：
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,同时还应达到以下几点要求：
1) 液位稳定在20cm±1cm，满足汽提塔液位控制要求。

2)具有短路、欠压、过载、过流等诸多保护功能。

3.课程设计要求
1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出液位自动控制系统结构框图；
2) PLC、变频器、液位传感器的选择；
3) 画出该供水控制系统的原理图。

(主电路、plc控制电路、变频器控制电路)
4) 液位控制系统变频器的节能控制分析；
5) PID原理分析与选用；PID在PLC中实现；
3、变频流量自动控制系统的设计
1.概述
汽提塔废水处理流量自动控制系统用涡街流量计、PLC与变频器构成反馈的闭环流量控制系统。

用调节5.5KW化工泵转速，保证废水流量稳定、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（两挡），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
图3.7 汽提塔流量控制系统的工作原理
(1)由流量传感器测量污水管的进水口流量，流量变化信号变换成标准4～20mA电流信号(便于远距离传送信号)、液位传感器将缓冲罐液位开关信号传送PLC实时控制。

(2)把信号传到有相关软件的PL C、根据汽提塔工艺要求、现场污水排放量进行智能型PI调节控制。

2.系统控制要求：
本系统恒压变量供水系统是在2台5.5ｋＷ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,
1)污水流量进行智能型PI调节控制。

2)具有短路、欠压、过载、过流等诸多保护功能。

3.课程设计要求
1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出流量自动控制系统结构框图；
2) PLC、变频器、涡街流量计的选择；
3) 画出该控制系统的原理图。

(主电路、plc控制电路、变频器控制电路)
4) 流量自动控制系统变频器的节能控制分析；
5) PID原理分析与选用；PID在PLC中实现；
4、变频供水系统设计
1.概述
由ＰＬＣ、ＶＶＶＦ实现的恒压变量供水控制系统是通过远传压力表将供水管网的压力信号送到PLC(ＰＩＤ),再由PL根据用户对管网压力的要求(可以自行设定),输出调节信号去控制交流变频调速器,以调节电机转速,进而控制水泵的出水量;同时利用plc对压力上、下限进行判断,并送到事先已输入程序的可编程序控制器中,再由它对电机水泵实现循环控制,使系统达到自动跟踪、稳定恒压、变量供水的目的,满足生产、生活对水压水量的需要。

2.系统控制要求：
本系统恒压变量供水系统是在2台7.5ｋＷ电机拖动的水泵机组能够满足供水总量设计要求的前提下,达到全自动恒压变量供水,并具有手动控制功能,同时还应达到以下几点要求
1)顺序控制:当增加水流量时,先变频升速再工频运行后启动第2台泵变频升速。

当减少水流量时,先切断最先运行的泵,再变频调速。

2)均匀工作控制:当1台泵连续工作满24小时后,自动切断并按顺序控制方式启动后续泵。

3)具有短路、欠压、过载、过流等诸多保护功能。

该系统由2台水泵机组10kw(1#泵、2#泵)和1台变频调速器(ＶＶＶＦ),1台可编程序控制器(ＰＬＣ) 1只远传压力表以及低压控制线路组成。

图5. 恒压供水系统主电路图
控制过程为：用水少时，由变频器控制电动机M1进行恒压供水控制，当用水量逐渐增加时，M1的工作频率亦增加，当M1的工作频率达到最高工作频率50Hz，而供水压力仍达不到要求时，将M1切换到工频电源供电。

同时将变频器切换到电动机M2上，由M2进行补充供水。

当用水量逐渐减小，即使M2的工作频率已降为0Hz，而供水压力仍偏大时，则
关掉由工频电源供电的M1，同时迅速升高M2的工作频率，进行恒压控制。

如果用水量恰巧在一台泵全速运行的上下波动时，将会出现供水系统频繁切换的状态，这对于变频器控制元器件及电机都是不利的。

为了避免这种现象的发生，可设置压力控制的“切换死区”
如所需压力为0.3Mpa，则可设定切换死区范围为0.3～0.35Mpa。

控制方式是当M1的工作频率上升到50Hz时，如压力低于0.3Mpa，则进行切换，使M1全速运行，M2进行补充。

当用水量减少，M2已完全停止，但压力仍超过0.3Mpa时，暂不切换，直至压力超过0.35Mpa 时再行切换。

另外，两台电动机可以用两台变频器分别控制，也可以用一台容量较大的变频器同时控制。

前者机动性好，但设备费用较贵，后者控制较为简单。

3.课程设计要求
1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出恒压变量供水控制系统结构框图；
2) PLC、变频器、压力传感器的选择；
3) 画出该供水控制系统的原理图。

(主电路、plc控制电路、变频器控制电路)
4)压力控制系统变频器的节能控制分析；
5) PID原理分析与选用；PID在PLC中实现；
6) plc控制程序软件编程与调试。

5、变频调速恒张力控制系统设计
1.概述
变频调速整经机恒张力控制系统控制的方案
整经是织前准备的重要工序之一，其任务是将一定根数的经纱按工艺设计要求平行、均匀地卷绕在整经轴上。

为了保证织物的品质.在整经过程中，要求经轴整片经纱张力均匀，并保持恒定。

在整经过程中，经纱线速度保持不变，即整经轴的转速n随着其直径D的不断增大而减小。

根据这一卷绕特性，提出了用变频器实现整经机恒张力控制的方案。

该方案是由电动机通过减速机构传动整经轴，电动机的转速通过PLC控制变频器输出电压信号的频率调节，保持纱线在整经过程中线速度恒定。

其传动示意简图
式中f—电源信号频率(Hz)
V—纱线线速度(m/s)
D-一一整经轴直径(m)
P一一电动机极对数
卷经检测装置检测出整经过程中整经轴直径D的变化，输入plc中，由平流层计算出所要求的电源信号频频值，控制变频器产生该频率的电源信号，调节电动机的转速，保证纱线线速度V恒定，即保持纱线张力恒定。

卷经检测装置采用电动变位器。

用以存储整经机的工艺参数，如纱线支数、线速度v、张力F、滚筒直径D、卷绕厚度等。

这些参数可以根据实际需要进行调节。

纱线支数(tex) 19
工作幅宽(mm) 1600滚筒直径(mm) 800卷绕厚度(mm) 140整经速度(m/min) 01000 落轴方式液压式张力传感器LZ-1型电动机功率 ((10 kW) 筒子架矩形筒子架
3.课程设计要求
1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出控制系统结构框图；
2) PLC、变频器、电动变位器的选择；
3) 画出该控制系统的原理图。

(主电路、plc控制电路、变频器控制电路)
4) plc控制程序软件编程与调试。

6 变频器在印染机械多电机同步调速系统中应用
5.4.1 变频调速在印染行业中应用的特点
变频调速在印染行业中应用有以下特点：
1、运行环境差
印染设备运行环境一般很差，潮湿度大（相对湿度可达90%以上），环境温度高（有时变频器周围温度可达50℃以上），“织物尘”多，这就要求变频器的防护等级要高，同时变频器及相应的控制设备尽量与印染机械隔离，并增加通风降温设施。

2、工作制式是长期连续工作制
印染机械是长期连续运行的，即要求“常年不停机”，每次停机除减少产量外，还会产生大量的次品，因此要求变频器及相应的电控设备具有长期不出故障的高可靠性。

械有烧毛机、退浆机、退煮漂联合机、打底机、显色皂洗机、水洗机、印花机、布铗丝光机、烘干机等多种，品种千差万别，功能各不相同，电机数量及功率差别较大（电机功率一般在0.6kW～40kW范围内），但就其电气传动原理而言，却是大同小异。

现以比较简单的LMH101烘干机为例来说明，如图所示。

布料经上浆槽由轧车电机拖进1#烘干机，在进行烘干之前，先经过张力架（也叫松紧架），布料从1#烘干机出来之后再经张力架进入2#烘干机，从2#烘干机出来之后经张力架和落布架落入出布车，整个工作过程结束。

图5.4.1 烘干机示意图
L1 L2 L3
轧车（主令）1烘燥2烘燥落布
5.5kW 2.2kW 2.2kW 1.1kW
图5.4.2 LMH101烘干机同步调速系统的主电路
烘干机四台电机功率为：轧车5.5KW，1#烘干2.2KW，2#烘干2.2KW，落布1.1KW，主电路如图5.4.2所示。

电机容量由印染机械厂提供，为便于同步，一般选用容量较大的电机，即存在着大马拉小车现象，除非机械有故障不会出现过载现象，因此变频器的容量只须与各单元的电动机容量相符即可。

3.课程设计要求
1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出控制系统结构框图；
2) PLC、变频器、电动变位器的选择；
3) 画出该控制系统的原理图。

(主电路、plc控制电路、变频器控制电路)
4) plc控制程序软件编程与调试。

7线缆设备恒张力变频器控制
在电工机械制造行业，线缆收放卷设备使用得非常多。

为了保障更好的产品质量和效果，线缆的收放卷设备一般都要求能保持线缆张力的稳定。

目前市面上有各式各样的恒张力控制方案，其中最常见的有下列几种，它们各有优缺点。

(1) 力矩电机加驱动控制器(2) 磁粉制动器/磁粉离合器张力控制
(3) 直接张力闭环控制(4) 间接张力控制
从以上几种张力控制方案的比较来看，后三种方案设备投入成本都比较高，且存在维护或调试复杂等问题。

而力矩电机的控制方案虽然成本较低，但控制性能差，难以满足客户对产品质量日益严格的要求。

行业的激烈竞争使得电工机械生产企业选用恒张力控制系统时所考虑的首要条件是既能保证产品性能，又经济实用。

以上几种方案显然都不能完全满足这些要求。

采用通用变频器是能够实现的低成本高性价比恒张力控制方案，既能很好满足电线电缆生产工艺的要求，有效保障产品的质量，又能把设备投入的成本控制在合理水平的控制方案。

本文就将提出两种只需采用通用变频器就能够实现的低成本高性价比恒张力控制方案。

下面以采用通用型变频器在某电工机械厂的倒轴机上成功实现的同步收放卷恒张力控制系统
倒轴机的结构与工作原理该倒轴机的作用是将一种直径的卷倒换成另一种直径的卷。

它的主要构成包括卷绕装置和放线装置，其结构示意图如图1所示。

卷绕装置主要包括卷绕电机M1、收线卷筒和一对用来测速的辊。

这对测速用的辊中，上辊可以上下移动，用来将线缆压在固定的下辊上，以便在线缆运动时能产生磨擦力将拖动下辊旋转。

而下辊则通过与其同轴安装的脉冲编码器来检测线缆的线速度。

因为此时编码器产生的脉冲信号其数量是与线缆的线速度成正比的。

放线装置通常是放线架，主要包括放卷电机M2、放线卷筒和摆杆。

摆杆的作用相当于位置传感器，当系统的张力变化会引起摆杆位置偏移，这时摆杆就会带动尾部的电位器输出一个模拟信号指示偏移量。

为了适应不同材料，通常摆杆上有一个可移动的重锤来调整系统张力。

需要在调试时事先整定好。

要说明的是，虽然是张力变化导致的摆杆位置变化，但摆杆反映的是位置量而非张力，因为在静态的时候摆杆可以在任何位置平衡。

在工作过程中，放卷电机M2需要随时紧跟卷绕电机M1动作，以保证放线速度和卷绕速度一致，保持线缆张力的稳定。

张力稳定时，摆杆将保持在平衡位置。

当卷绕速度比放线速度快时，摆杆就会偏离平衡位置向上运动，这时就需要放卷电机M2加速运行；反之，当卷绕速度比放线速度慢时，摆杆就会偏离平衡位置向下运动，这时就需要放卷电机M2减速运行；如果减速到零速时摆杆依然在往下运动，则就要求放卷电机M2自动反转。

卷绕电机M1是主牵引，它的转速n1决定了生产过程中线缆的线速度υ。

υ与n1的关系为：υ=π*D1* n1 (1)式(1)中，D1为收线卷筒的直径。

对于放卷电机M2，它的转速处于被动跟随状态，只有很好地和电机M1同步，才能保证系统张力F的稳定。

另一方面，系统张力F的大小取决于放卷电机M2的输出转矩T2。

T2与F的关系为：T2=F*D2/2 (2)
上式中，D2为放线卷筒的直径。

通过控制M2的输出转矩T2可以改变系统的张力F，这会使摆杆的平衡位置改变。

因此摆杆的位置能够反映系统张力F的大小。

对于倒轴机系统，要保持工作过程中线缆的张力不变，则必须保证驱动电机的转速与卷筒直径成反比，且转矩的变化与卷筒直径成正比。

而在倒轴机工作过程中，卷筒直径都是在一直变化着的。

因此如果要通过直接控制电机的转速或转矩来实现线缆张力的恒定，就必须在线检测或计算收线卷筒的直径，这样就需要增加检测设备，系统的设备成本必然大幅增加，显然并不可取。

1.考虑到倒轴机的卷绕装置本身利用脉冲编码器检测出了系统线速度υ的信号，利用这个信号作为过程量反馈进行闭环控制，就可实现线缆线速度υ的恒定，从而间接达到恒定线缆张力的目的。

2.放卷装置的恒张力控制
利用放卷装置中摆杆的位置偏移量反映出系统张力的变化，所以对放卷装置的张力控制就以摆杆的位置量作为直接的控制对象。

放卷装置控制系统的原理图如图
对于本系统，摆杆是以一端为支点，另一端在水平位置的-90~+90°之间摆动，其中间位置为水平位置。

因此以摆杆的水平位置作为控制系统的调节目标，即系统的平衡位置。

在使用时，为了满足不同型号线缆不同生产工艺的要求，在摆杆上有一个可移动的重锤，通过调节该重锤的位置可以对系统张力进行调整。

同时为了更好地保证产品的质量和可靠性.。

1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出流量自动控制系统结构框图；
2) PLC、变频器、选择；
3) 画出该控制系统的原理图。

(主电路、plc控制电路、变频器控制电路)
4) PID原理分析与选用；PID在PLC中实现；
8 空气压缩机变频调速的设计
空气压缩机加、卸载供气控制方式存在的问题
1．空气压缩机加、卸载供气控制方式的能量浪费
1) 压缩空气压力超过Pmin所消耗的能量
当储气罐中空气压力达到Pmin后，加、还要使其压力继续上升，直到Pmax。

这一过程中需要电源提供压缩机能量。

2）减压阀减压消耗的能量
气动元件的额定气压在Pmin左右，高于Pmin的气体在进入气动元件前，其压力需要经过减压阀减压至接近Pmin。

3) 卸载时调节方法不合理所消耗的能量
当压力达到Pmax时，但空气压缩机的电机还是要带动螺杆做回转运动。

2. 加、卸载供气控制方式其他损失
1) 供气压力的波动，从而供气压力精度达不到工艺要求，会影响产品质量甚至造成废品。

再加上频繁调节进气阀，会加速进气阀的磨损，增加维修量和维修成本。

2) 频繁地打开和关闭放气阀，会导致放气阀的寿命大大缩短。

空气压缩机采用变频调速技术进行恒压供气控制时，系统原理框图如图所示。

1. 节约能源使运行成本降低
空气压缩机的运行成本由三项组成：初始采购成本、维护成本和能源成本。

其中能源成本大约占压缩机运行成本的80%。

通过变频技术改造后能源成本降低20%，再加上变频起动后对设备的冲击减少，维护和维修量也跟随降低，所以运行成本将大大降低。

2. 提高压力控制精度
变频控制系统具有精确的压力控制能力，有效地提高了产品的质量。

3. 全面改善压缩机的运行性能
变频器从0Hz起动压缩机，它的起动加速时间可以调整，从而减少起动时对压缩机的
电器部件和机械部件所造成的冲击，增强系统的可靠性，使压缩机的使用寿命延长。

此外，变频控制能够减少机组起动时电流波动，这一波动电流会影响电网和其它设备的用电，变频器能够有效的将起动电流的峰值减少到最低程度。

根据压缩机的工况要求，变频调速改造后，电机运转速度明显减慢，因此有效地降了空压机运行时的噪音
风机容量50kw
1)分析控制要求、控制原理设计控制方案；画出流量恒压供气控制结构框图；
2) PLC、变频器、选择；
3) 画出该控制系统的原理图。

(主电路、plc控制电路、变频器控制电路)
4) PID原理分析与选用；PID在PLC中实现。

5) 依据空气压缩机选择变频器的运行控制方式
6).变频器的参数预置
上限频率，下限频率，加、减速时间，加、减速方式，回避频率，起动前的直流制动。