基于PLC的气压给水系统的电气控制设计.docx

目 录

内容提要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ
Summary．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ
1绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.1 气压给水系统的背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.2 气压给水系统的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1.3 本设计的工作．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
2 PLC与变频器的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1 PLC的产生与发展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.2 PLC的组成与工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.3 变频调速技术的方式及原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3设计思想与方案论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
3.1 设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
3.2 论证分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
4气压给水系统的电气设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
4.1电气控制系统的基本要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
4.2 电气原理图的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
4.3 电气元件的选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
4.4 操作面板的布置设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35
5系统抗干扰设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
5.1 变频器的谐波及抗干扰设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
5.2 PLC的抗干扰设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38
5.3 PLC与变频器相连时的抗干扰设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40
5.4系统软件抗干扰设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41
结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42
附录1电气原理图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43
附录2流程图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46
附录3循序功能图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47
附录4 操作面板．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48
附录5元器件表图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．49
参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．50
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52

内容提要

随着社会的发展，气压给水系统应用的越来越广泛，对气压给水系统的电气控制要求也越来越高，即对系统的控制器也提出了更高的要求。本文介绍的是基于PLC的气压给水系统的研究与设计。气压给水系统主要是由传感器、PLC、变频器、交流电动机组成。系统利用PLC把现场的检测信号、操作面板上的手动按钮信号经过收集、处理后，完成对变频器的频率控制，使液压泵工作在不同的状态。PLC选用的是三菱FX2N-32MR，变频器使用的是松下M1X154BSA。液位传感器和温度传感器分别为HM-Eagle、PTK-5555-320型。在监控室设有一个操作面板，上面设有反映气压给水系统各种不同状态的指示灯、报警装置以及对PLC进行控制的启动与停止按钮。本文主要完成了气压给水系统的电气原理图设计、元件选型、PLC程序设计。另外，为了提高系统的稳定性和可靠性，本文还对变频器和PLC进行了抗干扰设计。
关键词： PLC；变频器；传感器；气压给水
Summary

Content feeds with the development of the society, the pressure of the water supply system is becoming more and more widely applied, on air pressure water supply system of electrical control requirements are also higher and higher, that is, on the system's controller also high demands. This article is based on PLC pressure water sharing systems of research and design. Pressure water supply system mainly by the sensor, PLC, inverter, AC motors. The system utilizes PLC to the scene of the heartbeat, operator panel manual button signal through the collection, processing, completed on the frequency of the inverter control, so that the pressure pump work in different States. PLC is the selection of the Mitsubishi FX2N-48MR, inverter using Panasonic M1X154BSA. Level and sensors are HM-Eagle, PTK-5555-320-type. In the control room is equipped with an operator panel, has reflected pressure water supply system of different status LEDs, alarm and control of the PLC to start and stop buttons. This article mainly completed the pressure water supply system of the electrical schematic design, component selection, PLC programming. In addition, in order to improve system stability and reliability, this article also on inverter and PLC-jamming design was conducted.
Keywords： PLC； Inverter； Sensors；Pneumatic water supply

1绪论
随着社会的发展，我国的给水技术也日益完善，气压给水技术是以气压给水设备为主体，用以满足生活、生产和消防用水压的一门技术。近几年来，我国气压给水设备发展迅速，供水设备的结构和性能日趋完善，有效缓解了我国城镇、乡村、工业企业、铁路等供水压力不足的问题。例如石长铁路沿线小站供水均采用气压给水方式，经实践验证，这种供水基本是安全可靠的[1]。
根据气压给水技术原理，结合工程实践，分析了传统气压给水技术的优劣性，提出了采取变频式气压给水技术可克服传统气压给水技术缺点，达到节约能源的要求。
随着气压给水系统的普及，对电机的控制系统的控制要求也就越来越高。因此，要求气压给水系统在控制上具有更高的自动化和智能化。现在，可编程控制器可与变频器组成变频调速控制系统，提高控制交流电动机的自动化水平。
可编程控制器是微机技术和继电器常规控制相结合的产物。它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电器控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来，是一种适用于工业环境的通用控制装置，在工业自动化控制中占有非常重要的地位。在工业控制系统中，可编程控制器执行顺序控制、定时、计数、逻辑判断、算术运算等功能。它解决了工业控制系统中大量开关量的控制问题，取代体积大、耗能多、故障率高的继电器控制系统，消除由于硬接线所造成的故障，提高控制系统的可靠性。
1.1 气压给水系统的课题背景
自从20世纪80年代以来，变频调速技术在工业化国家已开始了规模化的应用。80年代末，我国的民用及工业建筑电气设计等领域也开始使用变频调速技术。现在，变频器已经广泛地应用于交流电动机的速度控制，其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。如今，PLC已成为工业自动化的三大支柱（PLC技术，机器人，计算机辅助设计与制造）之一，可编程序控制器同变频器一样，也是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代电气控制装置。利用可编程序控制器设计自动控制系统，结合变频器来实现气压马达调速，操作方便，控制性能高，使气压马达启停平稳。另外，在提高气压给水可用性的同时，还可以达到节能的效果，是一种很好的交流调速方式[2]。
随着控制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术也得到充分得重视和发展，交流电动机变频调速技术已日趋完善，变频调速技术用于交流异步电机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式。与传统的调速技术如直流电动机调速相比，变频调速具有极大的优越性，整个调速系统体积小，重量轻、控制、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简便、通用性强，使传动论证系统具有很优良的性能。此外，由于异步电动机还具有对环境适应能力强，结构简单，维护方便等许多直流电动机所不具备的优点，因而成为交流电动机调速的最新潮流。再者，变频器的外部接口功能越来越丰富，可以很方便地作为自动控制系统中的一个部件使用，构成所需要的自动控制系统。而且，以变频器为中心的变频调速装置驱动电动机去拖动风机、水泵、旋转电机等机械时，与常规的调速电机相比，节能效果十分可观。
使用变频器构成自动控制系统时，它需要接收来自自控系统的频率指令信号和其他运行控制信号等，并给信号提供变频器运行状态的监测信号。在许多情况下，变频器需要和可编程控制器配合使用。利用可编程控制器的开关量输入输出模块控制变频器多功能输入端，以控制电机转速，实现有级调速。
1.2 气压给水系统的工作原理
设计一个气压给水系统具体化技术指标如下：
（1）系统的基本功能：水泵水位过低时，水泵运转；水泵水位过高时，水泵反转；无需供水时，停止；按启动按钮，电机运行；按停止按钮，电机停转；按反转按钮水泵反转。
（2）系统安全措施：气压超标或水位过高时，水泵和气压泵反转，并延时。检修正常后，自动恢复正常运行。能对气压给水各运行状态进行显示，出故障时，能进行声光报警。
1.3 本设计的工作
详细分析课题任务，熟悉可编程控制器和变频调速技术的原理，深入研究可编程控制器和变频器的实际应用，然后根据课题任务的要求设计出相应的控制系统，按照PLC控制系统设计原则与步骤，完成硬件设计和软件设计，并进行实验调试，最后对系统的抗干扰措施进行分析与设计。
1.3.1 设计原则
PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求[3]。PLC控制系统应遵循以下原则：
（1）根据工艺流程进行设计，力求设计出来的控制系统能最大限度地满足控制要求。
（2）在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。
（3）考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。
（4）控制系统使用和维护方便、安全可靠。
1.3.2 设计步骤
PLC控制系统设计的一般步骤如图1.1所示，具体操作如下[4]。实际在本设计中采用了前面的八个步骤：
（1）控制要求分析
在设计PLC控制系统之前，必须对工艺过程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己所要完成的任务，并更好地完成任务，设计出令人满意的控制系统。
（2）确定输入/输出设备
根据控制要求选择合适的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等）。并根据所选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。
（3）选择合适的PLC
确定PLC的I/O点数后，就根据I/O点数，控制要求等来继续PLC的选择。包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块等。
（4）I/O点数分配
点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系，画出I/O接线原理图。
（5）PLC程序设计
本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。
（6） 模拟调试
程序编好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。
（7）现场联机调试
现场联机调试就是将PLC和现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。
（8）整理技术文件
这一步主要包括整理和设计有关的文档，包括设计说明书、电气原理图、程序清单和使用说明书等。

图1.1 PLC控制系统设计步骤
2 PLC与变频器的应用
PLC与变频器是本项设计的重要部件，因此本文主要介绍PLC与变频调速技术的产生、原理及发展，并对变频器的结构及组成进行了阐述。
2.1 PLC的产生与发展
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的[5]。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。个人计算机发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30%至40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
2.2 PLC的组成与工作原理
2. 2.1 PLC的组成
从结构上分，PLC分为整体式和模块式两种。整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体[6]。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。PLC采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、存储器和专门设计的输入输出接口电路组成[2]。如图2.1所示

图2.1 PLC结构简图
（1）中央处理器（CPU）
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
（2）存储器
根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。
系统程序存储器：用来存放系统软件的存储器。系统程序相当于计算机操作系统，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统辨编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。
用户程序存储器：用来存放用户话剧控制要求编制的程序。不同类型的PLC，其存储容量也不一样。
数据存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。
（3）I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA，0-20mA）、电压型（0-10V，0-5V，-10-10V）等，按精度分，有12bit，14bit，16bit等。
除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
（4）电源部分
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源[4]。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
2.2.2 PLC的工作过程及原理
（1）PLC的工作过程
PLC运行时内部进行的一系列操作可分为四大类：故障诊断及处理、数据输入与输出、执行用户程序、服务于外设命令[7]。PLC中的CPU按分时原则操作顺序进行，即每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为对程序的扫描。CPU的扫描过程也就是PLC的工作过程，如图2.2所示：

故障处理
输出刷新
执行用户程序
输入刷新
通信
自诊断
R
U
N
上电
服务于外设

图2.2 PLC扫描工作过程
PLC处理I/O信号的过程如图2.3所示。其工作过程分为输入采样、程序执行和输出刷新阶段。PLC以扫描工作方式将所有输入信号读入到输入映像寄存器中存储（输入刷新）。用户程序执行时按从上到下、从左到右的顺序扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器获得所需数据进行运算、处理，再将程序执行效果写入输出映像寄存器。在执行完所有用户程序后，将输出映像寄存器的值送到输出锁存器（输出刷新）以驱动用户设备。PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出分别在一个扫描周期内的不同时间间隔里以批处理方式进行。在一个工作周期内，输入/输出映像寄存器的信息保持不变。每次执行完用户程序后，如果没有外设命令，则系统会自动循环地扫描运行。
元件
受控

信号
现场
读
写
读
刷新
输出
采样
输入
输入端子
输入缓冲器
输入印象寄存器
用户程序执行
输出印象寄存器
输出锁存器
输出端子

图2.3 PLC对输入输出的处理过程
（2）PLC的工作原理
可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本一致，通过执行用户程序实现控制任务。但是在时间上，可编程控制器执行任务是串行的，与继电器逻辑控制系统中控制任务有所不同[4]。
可编程序控制器的工作过程如上所述是以循环扫描的方式进行的，在一个扫描周期中，程序对各个过程输入信号进行采样、运算和处理，并把运算结果输出到相应的执行机构。在这个执行周期中，一些输入变量可能有所变化，而有些输入变量可能没有变化，相应的有些输出变量有变化，而有些输出变量没有变化。在可编程序控制器中，采用循环扫描方式，不断地对输入和输出变量进行采样、运算和输出，使得满足程序条件的变量能及时得到处理并有相应的输出，使执行机构动作。在程序执行时，如果在一个扫描周期中，这个变量的条件满足时，程序将处理这个变量。采用循环扫描的方式，由于扫描周期的时间很短，只要变量满足条件的时间大于扫描周期，该变量满足条件时就能被可编程序控制器的程序处理。
PLC的这种“串行”工作方式，可以避免继电-接触器控制中触点的竞争和时序的失配问题，这是PLC可靠性高的原因之一。
PLC[8]
2.3 变频调速技术的方式及原理
2.3.1变频调速技术的方式
交流调速技术自问世到现在，经历了几十年的过程，先后出现了多种调速方式，直到现在，一些调速方式仍然继续在一些生产过程中使用[9]。
由电机学可知，异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为
（2.1）
式中 -------同步转速（）
-------定子频率（即电源频率 ）
p-------磁极对数
异步电机的转速为： （2.2）
式中 -----转差率
从上式可知，要调节异步电动机的转速应从改变p、、三个分量入手，因此，异步电动机的调速方式相应可分为三种：即变极调速、变转差率调速和变频调速。
（1）变极调速
对鼠笼式异步电机可通过改变电机绕组的接线方式，使电机从一种极对数变为另一种极对数，从而实现异步电动机的有极调速。这一调速方法适用于不需要平滑调速的场合，变极调速所需设备简单，价格低廉，工作也比较可靠。一般为两种速度，三种速度以上的变极调速电机绕组结构复杂，应用较少。变极调速的关键在于绕组设计，以最少的绕组抽头和改变以达到最好的电机技术性能指标。定子绕组的不同接法可实现恒转矩调速及近似恒功率调速。此方法适用于笼型异步电动机。
（2）变转差率调速
对于绕线式异步电动机，可通过调节串联在转子绕组中的电阻值（调阻调速）、在转子电路中引入附加的转差电压（串级调速）、调整电机定子电压（调压调速）以及采用电磁转差离合器（电磁离合器调速）改变气隙磁场等方法均可实现变转差S，从而对电机进行无级调速。变转差率调速尽管效率不高，但在异步电动机调速技术中仍占有重要的地位，特别是转差功率得到回收利用的串级调速系统，更是现代大容量风机、水泵等调速节能的重要手段。
（3）变频调速
通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想的调速方法[10]。
2.3.2 变频调速技术的原理
由电机学可知，定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，本质上是定子绕组的自感电动势。其三相异步电机定子每相电动势的有效值是：
（2.3）
式中：-------气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；
-------定子频率，单位为；
-------定子每相绕组串联匝数；
-------与绕组结构有关的常数；
-------每极气隙磁通量，单位为。
由式2.3可知，如果定子每相电动势的有效值不变，改变定子频率时就会出现下面两种情况：
如果大于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会小于额定气隙磁通量。其结果是：尽管电机的铁心没有得到充分利用是一种浪费，但是在机械条件允许的情况下长期使用不会损坏电机[6]。
如果小于电机的额定频率，那么气隙磁通量就会大于额定气隙磁通量。其结果是：电机的铁心产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，严重知会因绕组过热而损坏电机。
要实现变频调速，在不损坏电机的条件下，充分利用电机铁心，发挥电机转矩的能力，最好在变频时保持每极磁通量为额定值不变。对于直流电机，励磁系统是独立的，尽管存在电枢反应，但只要对电枢反应作适当的补偿，保持不变是很容易做到的。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，如何才能保持磁通基本不变呢？
（1）基频以下调速
由式2.3可知，要保持不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低，使=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得
=常数 （2.4）
这是恒压频比的控制方式。在恒压频比条件下改变频率时，我们能够证明：机械特性基本上是平行下移的，如图2.5所示。

图2.5 基频以下调速时的机械特性
这和他励直流变压调速的特性相似，所不同的是，当转矩增大到最大值以后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电机都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，由于在基频以下调速时磁通恒定，所以转矩也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。低频时，和都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为得把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
（2）基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从往上增高，但电压却不能超过额定电压，最多只能保持。由式2.3可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
在基频以上变频调速时，由于电压不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如图2.6所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转矩升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，基频以上调速属于恒功率调速。

图2.6 基频以上调速时机械特性
把基频以下和基频以上两种情况和起来，可的图2.7所示的异步电动机的变频调速控制特性。应该注意，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲变形，并增加电机中的损耗。因此，在选购变频器时，变频器输出的谐波越小越好。
通过分析可得如下结论：当时，变频器装置必须在改变输出频率的同时改变输出电压的幅值，才能满足对异步电动机变频调速的基本要求。

图2.7 异步电动机的变频调速控制特性
3设计思想与方案论证
本章主要对系统的设计方案进行了选择和论证。分析可知，本设计实际上是要设计一个气压给水系统中电机的调速系统。而从调速控制原理上可将调速系统分为开环调速系统和闭环调速系统。对于动态指标要求不高的简单用途，例如泵类及风机、简单的运输机械传动，选用开环控制。根据系统控制要求，电机调速性能要求不高，只要实现有级调速就可以了，所以调速系统选用开环控制[11]。
3.1 设计方案
气压给水系统的控制方案有多种选择，按照系统要实现的功能，着重介绍PLC控制交流电机、控制变频器来驱动交流电机两种方案。
3.1.1方案一：控制交流电机
（1）硬件组成
主要由操作面板、、水位传感器、气压传感器、交流电机等组成。
（2）工作原理
在构成的自动控制系统中，传感器将气压给水现场信息直接送入中，操作面板可以进行一些手动操作，负责把来自传感器和操作面板的信息收集、处理后，驱动接触器，从而完成对交流电机的控制，可以实现电机的高速、低速运行。
（3）系统原理框图

图3.1 方案一系统原理框图
3.1.2方案二：控制变频器来驱动交流电机
（1）硬件组成
主要由操作面板、、变频器、水位传感器、气压传感器、交流电机等组成。
（2）工作原理
在和变频器构成的开环速度控制系统中，通过对变频器多功能输入端的设定，可设定多级速度频率，并可通过外部信号的选择使用某一级速度。把来自给水现场的检测信号、变频器的状态信息以及操作面板的操作信息，经过收集、处理后，完成对变频器的多功能输入端的控制，可实现电机多级调速运转，从而使气压给水的运行实现自动化和智能化控制。
（3）系统原理框图

图32 方案二系统原理框图
3.2 论证分析
直接通过对交流接触器的控制来实现电机的转动，可以实现匀速正反转，但是不能变速转动。
采用变频器来驱动电机。变频器不仅仅是一种性能优良的电动机调速控制装置，而且以最合理的方式对电机进行全面控制。可以实现电动机的软起动和软停车；可以实现频繁的起动、正反转、停车和制动等，并且还有完善的保护电路，电机不需要另外设计保护电路。另外，变频器的节能效果也比较显著[12]。
综上所述，方案二在控制器和驱动机构以及执行机构上明显优于方案一相比，尽管使用了变频器，价格会贵一些。但是方案二可以实现电机调速，接线简单，操作维护方便，可靠性和安全性能高，对电机能够起到很好的保护作用，节能效果也比较理想，能够很好的满足控制要求，所以本设计采用方案二。
4系统设计
系统设计主要包括系统电源设计、及外围线路的设计、相关硬件选型、操作面板设计、电气线路的设计、控制程序的编制及调试等[13]。
4.1 电气原理图的设计
电气原理图设计包括系统示意图、主电路图和控制电源图设计组成。电源电路为整个系统提供电源；外部接线电路是指操作面板、传感器、变频器等与的连接电路，作为系统的控制器，对气压给水系统的运行状态进行自动化控制；变频器电路主要是指异步电机的控制电路；操作面板是人与控制系统交换信息的中介设备。通过它可以了解和控制现场状态。以下给出系统示意图。

图系统示意图设计过程：先进行系统电源设计，然后进行电气元器件的选择。电气元器件的选择主要是根据控制要求选择传感器、变频器、按钮、指示灯、保护电器等。之后进行选型和口地址分配，绘制电气控制系统原理图。电气控制系统原理图包括主电路和控制电路。控制电路中包括的口接线和自动部分的详细连接等，有时还要在电气原理图中标上器件代号或另外配上安装图、端子接线图等，以方便操作面板的安装。最后对操作面板进行设计。操作面板设计是设置启动、停止按钮、与气压给水系统运行状态有关的指示灯以及报警显示等。
4.1.1 电源电路设计
根据系统要求，电源电路分为三个部分。
（）为主电路提供，的交流电源；
（）为提供，的交流电源；
（）为外部传感器提供的直流电源。
从三相四线制的电网上引出、、，再通过空气隔离开关和交流接触器从进入到变频器中。另外，如果外部干扰比较严重时，可以在电路中添加滤波器和电抗器等[14]。
TC1为380V~220V变压器，具有电气隔离的作用。一次线圈通过熔断器FU1接入单相电源的L1线，二次线圈通过熔断器FU2为PLC提供220V，50Hz的交流电源。VC1为稳压电源，220V电源通过熔断器FU3输入，24V电源通过熔断器FU4输出到外部传感器。V1为滤波器，PLC是一个用弱电控制强电的电气设备，对电源的要求较高，电网电压的波动和高次谐波的干扰都可能对PLC产生影响，造成PLC的误动作。因此在PLC的电源端加上了一个滤波器V1，防止