测速辊及其气动系统设计毕业论文

无锡职业技术学院毕业设计说明书绪论随着城市建筑测速辊及其气动问题的日益突出，保持测速辊及其气动压力的恒定，提高测速辊及其气动质量是相当重要的；同时要求测速辊及其气动的可靠性和安全性。本次设计是针对上述问题设计的测速辊及其气动方式和控制系统，由主回路，备用回路，一个清水池及泵房组成。其中，泵房装有1#~3#共3台泵机，还有多个电动闸阀或蝶阀控制各测速辊及其气动回路和水流量。控制系统采用了以具有丰富功能的气动为核心的多功能高可靠性控制系统。水泵作为测速辊及其气动工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。本次设计内容包括气动设计常用标准和规范，设计内容力求做到简明扼要，严格按照设计标准进行设计，从而设计出复合设计要求，适合实际生产情况的气动测速辊及其气动系统，真正做到使生产效率大大提高，节约了生产成本，节省生产成本。本次设计介绍一种变频调速恒压测速辊及其气动系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。优缺点：

本系统的优点可以归纳为以下几个方面:

(1)系统造价经济性

由于采用“一拖多”控制方式，与“一控一”方式相比较，硬件投资成本较少，具有较高的价格竞争优势;

(2)系统构造简单和易维护性

系统由功能相对独立的通用设备单元构成，便于故障判断和日常维护保养及功能性单元替换;

(3)通用性和灵活性

系统基本不受用户的使用场所和应用环境限制，可通过软件功能块的组合将其扩展到其他类同的测速辊及其气动应用场合，具有较强的灵活性;

(4)智能性

系统可在无人职守的情况下，通过对故障的检测判断，自动地按“优美降级使用”方案处理，减少了系统停机断水现象;

(5)保护功能全面性

系统除具有常规的过载、过流、过压等保护功能，还具有无水停机、管网上限压力保护等附加功能性保护。当然，本次设计的测速辊及其气动系统也并非完美无缺，比如在某台电机变频运行向工频运行切换的过程中，由于在变频驱动切断后电机处于滑停运转方式，此时，电机处于感应发电状态，存在着感应发电相位与工频电源的相位不一致的可能性，容易造成在向工频切换时的电流冲击现象。为避免这一现象，可采用通过软起动器驱动各个需工频运转的电机的方案。在实际应用中，对于380V/110kW以下容量的电机，只要缩短电机自由滑停段的时间(一般控制在200ms以内)，就可以减少感应发电状态下的非同期相位的电量累积，减小工频切换时的冲击影响。气动的用途与特点一.气动的用途气动的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使气动的成本下降,同时又由于气动的功能大大增强,使气动的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。气动的应用通常可分为五种类型：（1）顺序控制这是气动应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。气动可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。（2）运动控制气动制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。在多数情况下，气动把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制（CNC）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作方便。（3）闭环过程控制气动能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。PID（ProportionalIntergralDerivative）模块的提供使气动具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的气动可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时,PID控制算法会计算出正确的输出,把变量保持在设定值上。（4）数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的气动和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为气动的一部分。为了实现气动和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件。通过窗口软件，用户可以独自编程，由气动送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的气动。预计今后几年CNC系统将变成以气动为主体的控制和管理系统。（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展气动之间，气动和上级计算机之间的通信功能。作为实时控制系统，不仅气动数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电故障时的对策。二.气动的特点（1）抗干扰能力强，可靠性高继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，气动用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。而气动采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁波干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而气动在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸收了生产控制经验，主要模块均采用了大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、抗震等都有精确的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰能力，目前个生产厂家生产的气动，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。（2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活气动产品均成系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可有各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。在气动构成的控制系统中，只需在气动的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而有繁杂的硬件接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线量很小。同一个气动装置有、用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。（3）编程方便，易于使用气动是面向用户的设备，气动的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，气动程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎，近年来又发展了面向对象的顺序控制流程图语言，也称功能图，使编程更加简单方便。（4）功能完善，扩展能力强气动中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。气动内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。气动具有通信联网功能，他不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。他不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。（5）气动控制系统设计、安装、调试方便气动中相当于继电器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量（输入、输出点、内存大小）等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线量大大减小，设计人员只要一台气动就可进行控制系统的设计可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需要在现场调试，工作量很大且繁难。（6）维修方便，维修工作量小气动具有完善的自诊断，履历情况存储及监视功能。对于内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态均有显示。工作人员通过他可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。（7）结构紧凑体积小、重量轻，易于实现机电一体化。由于以上特点，使得气动获得极为广泛的应用。第二章系统组成及控制要求2.1系统简介为改善生产环境，某公司投资清洁水技改工程并建成一座日产水2.5万顿的测速辊及其气动系统，分别建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决的。鉴于以上特点，从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用气动控制与变频器控制相结合的自动恒压控制测速辊及其气动系统，同时通过主水管线压力传递较经济地实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的2.2系统组成系统主要由电动机，变频器，气动控制器，软起动器，电机保护器数据采集及其辅助设备组成。2.3控制要求及技术指标1：测速辊及其气动压力要求恒定，波动一定要小，尤其在换泵时。2：三台泵根据压力的设定，采用“先开先停”的原则。3：为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间。当时间到时，自动切换到下一抬泵，以防止泵长时间不用而锈死。4：要有完善的保护和报警功能。5：为了检修和应急要设有手动功能。6：需要有水池防抽空功能。技术指标●测速辊及其气动扬程：4—120m●测速辊及其气动流量：2—2000m3/h●水泵功率：0.55—75KW●平均节电率：30—60%●压力调节精度：0.01Mpa●预定压力设定数：第1、2压力。其中第2压力设定值为消防用水压力。水泵数量及功率可根据用户实际情况来选定。2.4变频器的技术参数ABBACS400是具有多种功能的变频器，在本例中由于已选PID调节器，因此就不用变频器的内部PID调节，而只用变频器的工厂宏FACTORY（0）就可以了。压力传感器将压力信号传给PID调节器，PID调节器根据压力设定，输出4~20MA给变频器以调节电机的速度，变频器的运行要根据可编程序控制器输出Q1.0（DCOM1-DI2）是否闭合来确定，变频器的停止要根据编程序控制器输出Q0.7（DCOM1-DI1）是否闭合来确定。将变频器内部可编程继电器RO1，RO2设定成频率到达。相关参数设定如下：代码功能设定值代码功能设定值9902APPLICMACRO02102STOPFUNCTION11001EXICOMMANDS33201SUPERV1PARAM01031003DIRECTION13202SUPERV1LIMLO15HZ1102EXT1/EXT263203SUPERV1LIMHI50HZ1103EXTREF1SEL03204SUPERV1V2PARAM0103第三章控制系统设计3.1确定控制方案工频手动方式系统设计了手动工频的操作方式，将转换开关打到“工频”档位，操作人员可以根据需要自己决定起动或停止任意一台泵的运行。由于在该操作方式下，气动、PID、变频器等均不参加控制，因此，从技术角度上来说，该方式无法保障出水管网压力值的恒定，所以必须有人监守。该方式主要供气动、变频器、PID仪表、压力变送器等设备故障检修时使用。4.5PID应用及介绍变频器的运转频率是如何确定的呢？首先，通过安装在出水管网上的压力变送器，将压力信号转换成标准的DC4～20mA的模拟量信号送入PID调节器;然后，经PID仪表将压力设定值与压力反馈值进行比较计算后，PID仪表输出一个执行值作为变频器的频率给定值，由变频器控制电机水泵的转速，调节管网出口处测速辊及其气动压力，达到恒压测速辊及其气动目的。若是通过HMI设定压力值，那么，实际管网压力反馈的模拟量信号就要进入气动模拟量输入端口，通过用户气动程序来完成设定值与实际值的比较计算，根据差值大小来决定每次执行值调节的频度与幅度(解决好调节频度与调节幅度的问题是保障管网压力稳定的关键所在，也是避免系统振荡的关键技术所在)，从而达到改变变频器的给定频率，实现实时调速的目的。PID闭环控制原理和控制接线图如图1所示。图1（a）表示了多泵循环变频恒压测速辊及其气动系统压力闭环PID控制原理，图1（a）表示了具体的PID闭环控制实现方法:线路连接图。当压力设定值大于压力实际值时，PID仪表将通过增加模拟量输出值来加速水泵电机的运行;当压力设定值小于实际压力值时，PID仪表将通过减小模拟量输出值来降低水泵电机的运行;PID仪表将不断地通过改变模拟量输出值的大小来调节水泵电机的转速，从而达到测速辊及其气动管网压力恒定的目的。当PID仪表的模拟量输出值达到最大且管网压力仍处于压力下限状态时(通过修改PID仪表的正负偏差值的大小来设定上下限报警点)，利用气动程序开始计时，在计时时间到后(计时的目的是为了对该报警信号的稳定性确认，避免增减投运台数的频繁动作或错误判断动作)，气动将作出一系列动作命令来实现当前状态向下一个状态的迁移，必须指出的是在每次状态迁移时，首先应断开变频器起动信号后再断开变频器与电机间的变频方式接触器，并且变频器停止方式参数最好设置为“自由停车”方式，若动作执行顺序相反，将会造成变频器故障或损坏。在变频工作方式向工频工作方式转换过程中，当断开变频接触器后应在尽量短的时间内完成工频工作方式的投入，否则，当电机转速降到一定程度后就会产生起动冲击。同样，当PID仪表的模拟量输出值达到最小且管网压力仍处于压力上限状态时，气动程序开始计时，计时时间到后，气动将完成当前状态向上一个状态的迁移，通常要设置一个最低输出频率下限的变频器参数，一般取15Hz～20Hz，这样做一方面是为了避免电机在低频状态下可能的失速现象和电机长时间低频运行的温升问题，另一方面也是为了减少频繁状态迁移带来的系统振荡。4.6PID计算PID运算电路如图2所示。线性集成放大器的输入阻抗为：

（1）

反馈阻抗为：（2）

若线性集成元件为理想情况，其输出为：

（3）对上式进行拉氏变换可得：

（4）

令，则：

（5）

由上式可见，此图实现了PID功能。4.7气动系统状态分析对于多泵循环变频恒压测速辊及其气动系统来说，其在正常条件下的状态数满足以下公式:

式中，Sn为正常状态总数，n为多泵循环系统的泵的台数。

式(1)表达了正常状态与泵的台数的关系以及各个状态之间相互迁移的条件，它是一个典型的多入口多出口状态迁移图，控制逻辑较为复杂。其他诸如指定某台电机处于检修状态所增加的(n-1)2个状态还必须在应用程序设计中加以体现。因此，可以肯定地说，多泵循环控制系统的程序规模至少随着泵的台数的增加而成平方级增长。考虑到各种其他外部条件的因素，实际上程序规模可能会达到:

结束语通过以上各部分的分析与描述可知，在进行控制系统设计之前，必须调查清楚用户的需求，然后综合考虑各需求之间的关系和处理方法。变频器选择ABB公司的产品，IG5或IS5或IH等，它不仅完全具备控制系统对其功能的需求，而且具有较高的可靠性和性价比。基于气动控制的多泵循环变频恒压测速辊及其气动系统采用气动的开关量输入/输出方式来控制电机的起动与停止、状态迁移、检修与故障处理等功能，通过PID仪表、压力变送器来实现变频驱动电机水泵的速度调节(当然也可以通过触摸屏和模拟量输入输出混合模块来实现变频速度调节)，从而达到恒压测速辊及其气动的目的。控制系统在程序设计时充分考虑到负载均衡性原则，采取“先开先停”的排队策略，执行变频方式轮值，确保各泵使用率基本均衡。变频恒压测速辊及其气动一改以往的定量供给方式，首次实现“按需分配”原则，因此变频恒压测速辊及其气动方式与工频控制方式相比，不仅具有上面所述功能优点，而且同样具备很好的节能效果，在以往的工程中通常节电率达到20%以上。通过这几个月毕业设计的学习，我深深的感受到气动在社会上的应用，也充分的让我明白在当今这个竞争激烈的社会，只有自己不断的学习，你才不会被这个社会所淘汰，只有我们坚持一个信念--要勇往直前，不怕艰苦，不断的提升自己，超越自己，你才能成功!气动在高楼测速辊及其气动系统中的应用！一方面它可以很方便的为客户提供很好的服务,另一方面它可以为社会节省大量的水资源，间接的在为国家省钱！今天的社会不像过去了，工业在飞速的发展，你不进步别人就会进步，反过来你就在退步，总之你要适应这个社会，那样你才能主宰你自己，才能为社会作出贡献！参考文献

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