毕业设计（论文）-基于S7-200变频调速恒压供水系统的设计.doc

河南机电高等专科学校毕业设计/论文 1 绪 论 传统的自来水厂的供水模式在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公 用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅 靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情 况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费 能源而且存在事故隐患，供水厂原有的生产设备的控制方式比较落后，控制过程 烦琐，大部分需要人工进行手动操作，能耗高，而且不能保证供水压力达到压力 标准。此外，水厂作为城市供水系统的重要组成部分，其日常的生产、计划、运 行和管理都直接影响到城市的安全供水。在这种供水模式下长期以来许多水厂各 部门的管理人员采用传统的人工管理模式，通过手工从事繁重的业务管理、各种 日报表、月报表、年报表的统计汇总等工作。由于对大量的统计报表的基础数据 缺乏科学的分析手段，因此很难为运行管理以及调度提供强有力的决策支持。所 以对供水系统的技术改造已经迫在眉睫，技术改造的目的是提高生产过程的自动 化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式， 使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平，这为现在化的恒压供水控制广泛 应用提供了条件。恒压供水系统具有如下几个优点： 1.高效节能 变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在 10-40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。 2恒压供水 变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围 内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热 水器不能正常使用的情况。 3安全卫生 系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了 水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清 理的工作。 4自动运行、管理简便新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、 欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定 时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗 位，只需派人定期检查、保养。 5延长设备寿命、保护电网稳定 使用变频器后，机泵的转速不再是长期维 持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制 功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。 变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机 线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 2 6占地少、投资回收期短新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安 装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小， 可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极 低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节 能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约 2 年。 本设计就真对恒压供水控制系统包括软硬件方面在工业实际应用中具体作用 进行详细的介绍。系统将 pid 调节、plc、变频器、相应的传感器和执行机构有 机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，使得系统调试 和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作 量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个 系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系 统。 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 3 第 1 章 恒压供水系统的设计方案 1.1 本设计系统的方案分析 本设计的内容如下： 本系统是基于 s7-200 变频调速恒压供水系统的设计。其具体设计思路如下： 1通过介绍恒压供水应用研究的目的和意义。介绍变频器和 plc 技术的应 用和发展，及其各自的特点和压供水系统的发展前景。 2变频调速恒压供水系统的理论原理硬件设计 。主要介绍由可编程控制的 变频调速恒压供水系统的工作原理，变频器的节能、调速原理；以及系统调速范 围的确定。硬件设计包括了设计框图、原理图、plc 外部接线图、确定安装模拟 控制板的元器件数量。 3系统软件设计。主要介绍变频调速恒压供水运行软件的总体结构设计， 写出语句表（包括 pid 控制程序） 。 1.2 变频供水系统的介绍及变频器的控制方式 变频器主要是用来调速的，变频调速有很多的优点。三相异步电动机具有维 修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，所以在实际应用中异步电动机 的应用最为广泛。异步电机的调速方法很多，例如无极调速、有极调速、定子调 压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。 随着电子技术的发展、完善，变频调速所具有的调速的机械特性好，效率高，调 速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、 维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。而发展到 现在为止交流电机的变频调速技术已经发展成为一项成熟的技术，它将供给交流 电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由 igbt 或 gtr 模块等器件逆 变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变 负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运 行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较 为传统的运行方式可节电 4060，节水 1530。 通用变频器的发展正是把变频调速和电力电子技术完善的结合起来，特别是 近几年来随着微机技术的日新月异,现代技术的迅速发展和现代调速控制理论的 长足进步,通用变频器不仅用于一般性能的调速控制而且已经用于高性能、高转 速、大容量调速控制方面。其多用途，高可靠性和明显的节电效果迅速广泛地应 用各种大型自动化生产线和各类电机控制上，变频器不仅可以单台工作，也可以 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 4 多台分别控制各自的被控对象，并相互串联，与计算机进行通迅，采用计算机对 变频器网络的集中控制，形成连续生产线的调速控制系统。变频器内置的各种功 能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非 常重要的意义。在恒压供水控制系统中变频器可以根据用水及管压情况适时的调 节控制水泵的电机，且一台变频器通过自动切换可以控制多台水泵的运行，这种 多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快 发展成为主导产品。 在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工 作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工 况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应 的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分 关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降 低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常 的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实 际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵 工况点的确定和工况调。 变频器有多种结构类型，但工业主流的变频器不论交交变频器还是交直 交变频器都有类似的结构如下： 整流电路直流中间电路逆变电路 控制电路 交流电商 用电源 交流电 频率和电 压可调的 交流电 图 1-1 变频器的基本结构 变频调速的控制方式有开环控制方式的 v/f 控制、闭环控制方式的转差频 率控制和矢量控制。 1.3 变频调速的节能、调速原理 1v/f控制 异步电动机的转速与定子电源频率 f 和极对数有关，改变 f 就可以平滑的调节同步转速，但是频率 f 的上升或者下降可能会引起磁路饱和转 矩不足的现象，所以在改变 f 的同时，还需要调节定子的电压，使气隙磁通保持 不变，电动机的效率不下降，这就是v/f控制。v/f控制简单，通用性优良。 2转差频率控制 检测出电机转速、构成闭环、速度调节器的输出为转差 频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。由电机学的基 础知识可知只要保持气隙中磁通 一定，控制转差频率 f2 就可以控制电动机的 转矩，这就是转差频率控制。与v/f控制相比其加减特性和限制过电流的能力得 到提高。 3矢量控制 矢量控制是在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律， 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 5 将定子电流分解成相应于直流电动机的电枢电流的量和励磁电流的量，并分别进 行任意控制。矢量控制能够对转矩进行控制，获得和直流电动机一样的优良的调 速性能。 由流体力学可知，p（功率）=q（流量） h（压力） ，流量 q 与转速 n 的一 次方成正比，压力 h 与转速 n 的平方成正比，功率 p 与转速 n 的立方成正比， 如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速 n 可成比例的下降，而此时 轴输出功率 p 成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关 系。如：一台水泵电机功率为 55kw，当转速下降到原转速的 4/5 时，其耗电量 为 28.16kw，省电 48.8，当转速下降到原转速的 1/2 时，其耗电量为 6.875kw，省电 87.5。 在对水水泵控制过程中,水泵工控点的确定对系统稳定高效有着重要的作用。 水泵工作点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、 流量以及相应的效率、功率等参数。水泵的扬程 h 计算公式如下: h=pr-pv+(v2-v1)/2g+z （1.1） h水泵的扬程，单位：米； pr水泵出口压力表读数，单位：米； pv水泵进口压力（真空）表读数； v2、v1水泵出口、入口处的流速，单位：米/秒； z 出口、入口表计的安装高差，单位米； g 重力加速度，米/秒。 一般工程计算中扬程简化计算公式如式（1.2） 。 h=pr-pv （1.2） 式（1.2)给出了水泵的扬程与出水压力间的相互关系。水泵的工作曲线均表 示为流量 q扬程 h 曲线，而纵观调速水泵的控制方式，则以水泵出水压力 pr 作为控制参数，因而，笔者利用水泵的流量 q出水压力 pr 曲线作辅助分析， 为有所区别，将曲线上的点分别称为工况曲线及工况点。如果把某一水泵的性能 曲线（即 h-q 曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图 1-2），则这两条曲 线的交点 a,就是水泵的工作点。 工作点 a 是水泵运行的理想工作点，实际运行 时水泵的工作点并非总是固定在 a 点。若把水泵的效率曲线 -q 也画在同一坐标 系中，在图 1-2 中可以找出 a 点的扬程 ha、流量 qa 以及效率 a。 q o h h0 e a 1 qa hxq管路性能曲线 hq水泵性能曲线 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 6 图 1-2 水泵工作点的确定 从图 1-2 中可以看出，水泵在工作点 a 点提供的扬程和管路所需的水头相等， 水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点 是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化 时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保 证供水工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个 重要问题。在变频调速恒水位供水过程中，水泵工况点的变化如图 1-3 所示： 图 1-3 水泵工况点的变化 当 p1、p2 高于 p0 时，说明管网系统用水量减少，管路阻力特性曲线 a1、a2 向 a0 方向变化，此时水泵转速逐渐降低，管网口压力也由 p2、p1 逐渐 下降，当 p1低于 p0 时，其工况点变化与上述相反即由 a1逐渐向 a0 移动，使 管网系统供水始终保持恒定。 图 1-4 水泵变速恒压工况 根据 1-4 图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由 q2、q1.向 q0 移动时， 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 7 通过改变水泵转速使 p0 保持恒定。 变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程如下： 首先，交流电动机的转速 n 与电源频率 f 具有如下关系： n =60 f(1-s)/p （1.3） 式中 s 为转差率，p 为极对数。 不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。 在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n。改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。当管 网负载减小时，通过 vvvf 降低交流电的频率，电动机的转速从 n1降低到 n2。 另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速 n,可使供水泵流量 q、扬程 h 和 轴功率 n 以相应规律改变。 q1/q2=n1/n2 （1.4） h1/h2=(n1/n2)2 （1.5） p1/p2 =(n1/n2)3 （1.6） h =kq2 （1.7） 式 1-5 是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具 有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。 在变频调速恒水位供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源 的频率 f 来改变电机的转速 n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。其工况调节过 程可由图 1-5 来说明。 图 1-5 变频调速恒压供水水泵工况调节图 由图 1-5 可见，设定管网压力值（扬程）为 h0，管网初始用水量为 qa，初 始工况点为 a，水泵电机的转速为 n1，工作点 a 的轴功率即为 ah0oqa四点所 围的面积。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转 换成 420a 电流信号送往模糊调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 8 降低的信号，从而降低电机转速至 n2,水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛 物线下降的，也就是从点 a 移至 b 点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相 应减小.。恒压供水系统中压力值恒定在 h0,因此水泵工作点又沿着转速 n2 所对 应的水泵性能曲线从点 b 移至 c 点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水 泵运行在新的工作点 c 点，在图 3 中可以找出 c 点的扬程 hc、流量 qc以及效率 c ，工作点 c 的轴功率即为 ch0oqc四点所围的面积。 考察水泵的效率曲线-q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内， 也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。 考虑到水泵的效率, 水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是 不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水 泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最 大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定 在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在 40hz 以上，也就 是说转速下降在 20%以内，在此范围内，电动机的负载率在 50%-100%范围内变 化，电动机的效率基本上都在高效区。 1.4 系统的方案设计 恒压供水系统的设计框图如下: plc电动机组 交流接触器管道 变频器 控制柜 压力传感器 图 1-6 系统设计框图 本系统由一个变频器和一个 plc 组成,由管道传回反馈信号到 plc,经 plc 分 析处理后输出相应的模拟信号给变频器进而控制电动机的变频,变频器的切换也由 plc 通过程序控制。变频器采用一控多的形式，随着用水量的增加由 plc 控制变 频器的频率不断上升，当要上升到 50hz 而还满足不了需要时由 plc 控制把此泵 自动切换至工频，变频器接至下一台水泵变频工作。当水量减小时，自动减少水 泵运行台数，进行工频与变频的切换。变频器工频与变频切换的电路如下图： 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 9 m 变频器 km1 km3 km2 q fr 图 1-7 变频器切换控制主电路 变频与工频切换时必须注意的问题： 切换时当图中的 km2 断开后，定子绕组的电流和磁场都将立即消失，自感 电动势也就立即消失。然而 km2 断开时，由于电动机的转子绕组是自成回路的， 所以，根据“楞次定律”，转子绕组的自感电动势将阻止电流的消失。这是一个逐 渐衰减的不交变电流，其起始值取决于接触器 km2 断开瞬间的转子电流值。这 个电流将产生一个逐渐衰减的磁场，在转子尚未完全停住时，将被定子绕组所切 割，且在定子绕组中产生互感电动势。如是在定子绕组中的互感电动势尚未消失 的情况下接通工频电源，则互感电动势与外加的工频电压相迭加，有可能产生较 大的过电流。所以在切换时，是先把电动机接到变频器的接触器 km2 断开，经 适当的延时后合上 km3，将电动机接至工频电源。这个延时时间在供水系统中通 常取 0.7-1.0 秒以上。 变频调速恒压供水系统具体构成如下图所示，由可编程控制器、变频器、水 泵电机组、水位传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器 拖动 3 台电动机的起动、运行与调速，其中一台大机 45kw)和两台小机(22kw) 分别采用循环使用的方式运行。plc 上接工控计算机，水位传感器采样水池水位 信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给 plc 的 pid 模块或模糊模 块,plc 根据这两个信号经 pid 运算或模糊运算，发出指令，对水泵电机进行工 频和变频之间的切换。plc 上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒水位供 水系统进行监测控制。如图 1-8 所示: 系统包括 3 台水泵电动机 m1、m2、m3，其中 m1 的功率为 45kw、m2 为 22kw、m3 为 22kw。该系统为一台变频器依次控制每台水泵实现软启动及转速 的调节，实现恒压控制。系统具有变频和工频两种运行状态，当变频器调节频率 达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统 自动将当前变频泵切换为工频运行状态，并指示下一台为变频泵。主电路图 1-8 如下所示：其中接触器 km2、km4、km6 分别控制 m1、m2、m3 工频运行， km1、km3、km5 变频运行，km7 控制变频器的工作。选用西门子公司最新的 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 10 专用变频器 micromaster eco 型变频器。 开关量输入端口 上位机 km1 km3 km5 km2 km4 km6 m1 模拟量输入端口 plc vvvf 水位传感器 m2m3 01 02 03 plc开关量输出端口 变频器反馈状态 图 1-8 变频调速恒水位供水自动控制系统组成 分析自动控制系统的机组（1#、2#水泵电机）工作过程,可分为以下三个工 作状态：1) 1#电机变频起动；2)1#电机工频运行，2#电机变频运行；3) 2#电机单 独变频运行。一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中，当源水的水位 发生变化时，管网压力也就随之变化，三种工作状态就要发生相应转换，因此这 三种工作状态对应着三个切换过程。 1.切换过程 1#电机变频起动，频率达到 50hz,1#电机工频运行，2#电机变频运行。系统 开始工作时，水池水位低于设定水位下限 hl，按下相应的按钮, plc 可编程控制 器控制下, km1 得电，1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器 fwd 端， 变频器对拖动 1#泵的电动机采用软起动，1#电机起动，运行一段时间后，随着运 行频率的增加，当变频器输出频率增至工频 （即 50hz） ，可编程控制器发出指 令，接通变频器 bx 端，变频器 fwd 端断开，km1 失电，1#电机自变频器输出 端断开，km2 得电 1#电机切换至工频运行。1#电机工频运行后,开启 1#泵阀门， 1#泵工作在工频状态。接着 km3 得电，2#电机接至变频器输出端,接通变频器 fwd 端，变频器 bx 端断开,2#电机开始软起动，运行一段时间后，开启 2#泵阀 门，2#水泵电机工作在变频状态。从而实现 1#水泵由变频切换至工频电网运行， 2#水泵接入变频器并启动运行。 同样当开启两台水泵还不能满足要求时，和上 述过程一样，继续使第二台水泵接为工频运行，使第三台水泵开启变频运行。在 系统调节下变频器输出频率不断增加，直到水池水压达到设定值为止。 2.切换过程 当晚上用水量大量减少时，水压增加，2#水泵电机在变频器作用下，变频器 输出频率下降，电机转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 11 定值，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压上限 pk时,在 plc 可 min f 编程控制器控制下，1#水泵电机从工频断开，2#水泵继续在变频器拖动下变频运 行。依此方式来减少水泵运行的台数。直到符合要求。 3.切换过程 当早晨用水量再次增加时，2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频 率增至工频 f0（即 50hz） ，水池水位低于设定水位上限 h 时，接通变频器 bx 端， 变频器 fwd 端断开， km3 断开，2#电机自变频器输出端断开； km1 得电,1# 电机接至变频器输出端；接通变频器 fwd 端,与此同时变频器 bx 端断开,1#电机 开始软起动。控制系统又回到初始工作状态，开始新一轮循环。 在 plc 程序设计中，必须认真考虑这三个切换过程，才能保证系统在一个工 作周期内实现正常切换与运行。 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 12 第 2 章 控制系统硬件设计 2.1 主电路设计 在硬件系统设计中，采用一台变频器连接 3 台 电动机，其中 3#水泵电机是小机，具有变频/工频 两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频 电源和变频器输出电源相联；1#、2#水泵电机是大 机，只有变频工作状态，每台电机只通过一个接触 器与变频输出电源连接。变频器输入电源前面接入 一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过 载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流 来确定。对于有变频/工频两种状态的 3#电动机， 还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开 关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的 容量依据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当 选择。 由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流， 必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器，电流互感器和热继电 器、两个电流表连接，如图 2-1 所示。两个电流表一个安装在控制柜上，另一个 安装在控制台上，可以方便地观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机 的工作状态。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。 变频器主电路电源输入端子（r、s、t）经过空气开关与三相电源连接，变 频器主电路输出端子（u、v、w）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设 定不一致时，需要调换输出端子（u、v、w）的任意两相。特别是对于有变频/ 工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情 况下电机旋向的一致性，否则在变频工频的切换过程中会产生很大的转换电流， 致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行 和停止键或者是外控端子 fwd(rev)来操作，不得以主电路的通断来进行。另外 为了改善变频器的功率因素，还需配置相应的 dc 电抗器，变频器的p1,p+端子 是连接 dc 电抗器之用。 水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启 和关闭。 对于系统中真空泵控制电路，使用一台三相交流异步电动机和 4 个两位两通 电磁换向气阀组成抽取真空的回路。每次抽真空的时候，需要预先决定需要抽真 空的水泵，然后先开启真空抽取电动机，接着开启控制要抽真空的水泵的电磁换 向气阀，这样就能实现系统要求的抽取真空的功能。如有必要，在系统中这样还 可以安装多台真空泵，实现同时抽取多台水泵真空，确保系统的正常工作。 2.2 控制电路设计 图 2-1 电流互感器的接线图 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 13 在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控 制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照 plc 的程序逻辑来完成 的。为了保护 plc 设备，plc 输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过 中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在 plc 输出端口和交流接触器之间引入 中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延 长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。 控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自 动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。组内互锁是指同一组中电动 机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。在实现组内互锁的时候， 严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终 只与一台电动机相连，而且当大容量电动机变频工作的时候，小容量电动机要么 是工频工作运行，要么是停止工作。所以在大容量电动机变频工作的时候，要自 动切断小容量电动机的变频控制电路。控制电路的组间互锁是通过输入按钮，控 制 plc 的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起动按钮则为 无效操作。 控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计，为了 节省 plc 的输出端口，在电路中可以采用 plc 输出端子的中间继电器的相应常开 触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电 机和阀门的工作状态。 2.3 plc 配置 可编程序控制器(plc)是在电器控制技术和计算机控制技术基础上开发出来 的,并逐渐发展成为以微处理器为核心、把年自动化技术，计算机技术通信技术融 为一体的新型工业控制装置。目前 plc 被广泛用于各种生产机械和生产过程的自 动控制。或为一种最重要最普及应用场合最多的工业控制装置。电器系统靠机械 触点的动作以实现控制，工作频率低，机械触会出现抖动问题，而 plc 通过程序 指令控制半导体电路来实现控制的，速度快，程序执行时间在微秒级，不会出现 抖动问题，plc 精度高，定时范围宽，用户可根据需要设定定时值，修改方便， 不受环境影响。继电器控制系统中，由于器件的老化，脱焊，触点的抖动以及触 点电弧等现象是不可避免的，大大降低了系统的可靠性。在 plc 控制系统中，大 量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加之 plc 在硬件和软件方面都 采取了强有力的措施，所以继电器控制系统中的很多问题都能够避免。总的来说 plc 具有以下特点： 1可靠性高。可编程控制器在设计、制作、元件的选取上，采用了精选、 高度集成化和冗余量大等一系列措施大很大程度上提高了可编程序控制器的可靠 性。 2控制能力强。可编程序控制器不但具有对开关量和模拟量的控制能力， 还具有数值运算、pid 调节、数据通信、中断处理等功能。 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 14 3操作方便。plc 提供了多种面向用户的语言，如常用的梯形图 lad，指 令语句 表 stl，控制系统流程图 csf 等。 4具有丰富的 i/o 接口模块。plc 针对不同的工业现场信号，有相应的 i/o 模块与工业现场的器件或设备直接连接。 5采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 plc 以外， 绝大多数 plc 均采用模块化结构。plc 的各个部件，包括 cpu、电源、 i/o 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能 可根据用户的需要自行组合。 以下是针对本系统所选西门子 plc 的介绍 1s7-200 型 plc 的特点 本系统 plc 选用德国 siemens 公司的 s7-200 型。s7-200 型 plc 的结构紧 凑，价格低廉，具有较高的性能/价格比，广泛适用于一些小型控制系统。 siemens 公司的 plc 具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且 通信协议简单等优点；plc 可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。 plc 和上位机的通信采用 pc/ppi 电缆，支持点对点接口（ppi）协议，pc/ppi 电 缆可以方便实现 plc 的通信接口 rs485 到 pc 机的通信接口 rs232 的转换，通 信传输速率为 9.6kbaud 或 19.2kbaud。用户程序有三级口令保护，可以对程序实 施安全保护。 2plc 的开关量输入、输出点 plc 的输入、输出点数的确定根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备 数量加以确定。系统共有开关量输入点 9 个，开关量输出点 8 个，如果选用 cpu222plc，也需要扩展单元 plc，参照西门子 s7-200 产品目录及市场实际价 格，选用主机为 cpu224（14 输入/10 继电器输出） 。根据我们的实际情况，这 里我们设计选用 cpu226，同时还加上一个扩展模块 em235 模拟量输入输出模块。 plc 输入输出端口地址的分配如表 2-1 所示。自动控制系统 plc 的输入端口包括 电动机的起动、过载、停止及变频器的起动和模拟量的输入等。plc 的输出端口 包括控制各电机的变频、工频切换和给变频器复位。对于变频器，不仅需要一个 中间继电器来控制变频器的 fwd 和 cm 的通断，来实现变频器的运行和停止； 而且需要一个中间继电器来控制变频器的 bx 和 cm 的通断，断开变频器输出， 实现变频/工频的切换。此外，对于电动机的热保护继电器输入，报警指示输出既 需要四个端口显示哪一台电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 15 i0.0 q0.0 i0.1 q0.1 i0.2 q0.2 i0.3 q0.3 i0.4 q0.4 i0.5 q0.5 i0.6 q0.6 i0.7 1l m gnd - l1 +24 n fa fr1 s1 fr2 s2 fr3 s3 sa ac220 图 2-2 cpu 226 dc/dc/dc 端子连接电气图 表 2-1 可编程控制器输入、输出端口（i/0）地址分配表 名称代码地址编码名称代码地址编码 1#过载fr1i0.1模拟量输入upaiw0 1#停止sa1i0.21#变频km1q0.0 2#过载fr2i0.31#工频km2q0.1 2#停止sa2i0.42#变频km3q0.2 3#过载fr3i0.52#工频km4q0.3 3#停止sa3i0.63#变频km5q0.4 变频器启动sa7i0.73#工频km6q0.5 水位上限shi1.0启动变频器km7q0.6 水位下限sli1.1变频器复位q1.5 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 16 第 3 章plc 的软件设计 plc 控制程序采用 siemens 公司提供的 step-7 mocro/win32 v3.1 编程 软件开发,该软件的 simatic 指令集包含三种语言，即语句表(stl)语言、梯形图 (lad)语言、功能块图(fwd)语言。语句表(stl)语言类似于计算机的汇编语言， 特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于 面向机器硬件的语言。梯形图(lad)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电 气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看 作是 plc 的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此， 它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工 具。功能块图(fwd)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模 块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算， 模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。 plc 控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成， 编译后通过 pc/ppi 电缆把程序下载到 plc，控制任务的完成，是通过在 run 模 式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。 3.1 编程软件的简介和梯形图的基本绘制规则 plc 控制程序采用 siemens 公司提供的 step-7 mocro/win32 v3.1 编程 软件开发,基于 windows 的应用软件，该软件的 simatic 指令集包含三种语言， 即语句表(stl)语言、梯形图(lad)语言、功能块图(fwd)语言。语句表(stl)语 言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指 令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(lad)语言最接近于 继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计 算机语言相比，梯形图可以看作是 plc 的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的 结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所 接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(fwd)的图形结构与数字电路的结构 极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用 与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。 梯形图的基本绘制规则： 1编程顺序 梯形图按照从上到下，从左到右的顺序控制。每个逻辑行开始于左母线，一 般来说，触点要放在左侧，线圈和指令盒放在右侧，线圈和指令盒右侧不能有触 点，整个梯形图形成阶梯形结构。 2编号分配 对于外接电路的各元件分配编号，编号的分配必须是主机或者扩展模块本身 实际提供的，而且可以用来编程，两个设备不能共用一个输入输出点。 3触点的使用次数和线圈的使用次数 在 plc 的梯形图中，触点的使用次数可能用无数次，而线圈的使用次数只能 是一次，否则，容易引发系统出现意外的事故。 4线圈的连接 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 17 使用一个条件驱动多个线圈时，不能串联，只能并联。 3.2 控制系统主程序设计 在硬件系统设计中，采用一台变频器连接 3 台电动机，其中 1#、2#水泵电机 是大机，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和 变频器输出电源相联；3#水泵电机是大机，也有变频、工频工作状态，每台电机 只通过一个接触器与变频输出电源连接。变频器输入电源前面接入一个自动空气 开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额 定电流来确定。对于有变频/工频两种状态的电动机，还需要在工频电源下面接入 两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量依 据小机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。 变频器主电路电源输入端子（r、s、t）经过空气开关与三相电源连接，变 频器主电路输出端子（u、v、w）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设 定不一致时，需要调换输出端子（u、v、w）的任意两相。特别是对于有变频/ 工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情 况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流， 致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行 和停止键或者是外控端子 fwd(rev)来操作，不得以主电路的通断来进行。 3.3 软件设计 km1、km3、km5 是分别控制 m1、m2、m3 变频运行， km2、km4、km6 是分别控制 m1、m2、m3 工频运行，km7 控制变频器工作， ka 为自来水阀门电磁阀。sa1、sa2、sa3 分别为 m1、m2、m3 的停止开关， sa4、sa5、sa6 分别为 m1、m2、m3 的手动起停开关。sl 为水位下限开关， sh 为水位上限开关。fr1、fr2、fr3 分别为 m1、m2、m3 过载保护，fa 为变 频器保护，使系统停止工作。 plc 子程序设计共包括四个子程序，分别是模拟量初始化子程序、模拟量数 据处理子程序、自由通信初始化子程序、自由数据通信子程序。 模拟量初始化子程序是将模拟量（管网压力、电机频率）数据处理的数据表 进行初始化处理，赋予一定的初值。模拟量数据处理子程序是采集管网压力信号 和电机频率信号，并进行平均值处理。 自由通信初始化子程序主要是完成通信端口的设置，自由通信设置主要是通 过特殊标志寄存器（sm）来完成的。如用 sm30 来设置端口号，用 sm86sm95 来设置通信传输数据格式、传输信息字节长度、信号传输空闲时间、 起止标志符等等。自由数据通信子程序设计就是要求把当前设备的运行状态、水 池水位、电机频率一起传输给自由通信口。在程序设计中，设备的运行状态是依 据输出继电器(q)的状态来确定的；由于管网压力和电机频率接入 em235 模块时 自动完成 a/d 转换，因此管网压力和电机频率都是以数字量传输给自由通信口的。 3.4 编程中应注意的细节问题 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 18 1.变频运行时，变频接触器接通 fwdcm 端子闭合bxcm 端子断开。 2.一机变频工频切换，另一机变频运行时，变频器端子的开启情况如下： bxcm 端子闭合fwdcm 端子断开断开变频接触器闭合工频接触 器另一机变频接触器闭合bxcm 端子断开fwdcm 端子闭合。 3停机时，bxcm 端子闭合，fwdcm 端子断开，变频工频接触器断 开即可。 4从上三点可以得出：fwd 端子主要是电机正转、停止指令的输入端，当 fwdcm 之间接通，正转运转，断开后减速停止；bx 端子是自由运转指令输 入端，bxcm 之间接通，立即切断变频器输出，电动机自动运转后停止，不输 出报警信号；cm 端子是接地输入信号公用端。 5变频恒水位供水系统高速范围的确定：水泵调速具有一定的范围，不同 水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需的扬程或压力决定，当选定某型号 的水泵时，可确定此泵的最大调速范围，再根据用户的扬程或压力确定具体低调 频范围，一般情况下，其频率变化在 40hz 以上（一般不低于 45hz） ，也就是说 转速下降在 20%以内，在此范围内，电动机的负载率在 50%100%范围内变化， 电动机的效率都在高效区。为此，在实际工程设计及选择水泵时，应尽量选择 qh 特性曲线较陡型水泵，并在设备调试时，恒压线尽量靠近水泵 qh 特性 曲线高效区的下半区。 6电机频率 f 值一般在 4550hz，其对应的十进制范围是：3270029500; 管网压力 p般在 0.450.42mpa，其对应的十进制范围是：1745017200。相位 比较值为 300。电机频率 f、管网压力 p、相位比较是否相同值在 em235 接口上， 其接口地址为 aiw0、aiw2、aiw6。 7定时器时间的确定 定时器一般有三个精度等级：1 毫秒、10 毫秒、100 毫秒。 定时器时间的计算，t=pt*s （t 为实际定时时间，pt 为设定值，s 为 精度等级）例：t33 设定值为 125 实际时间 t=125*10=1250 毫秒。定时器的名 称和编号（最大 255）来表示。定时器有三种：1 接通延时定时器，指令是 ton；2 有记忆接通延时器，指令是：tonr；3 断开延时定时器，指令是 tof。 8切换过程中应注意的问题 当进行小功率电机变频工作状态到工频工作 和大功率电机变频工作的工作状态切换的时候，需要先关断变频器的输出电流， 然后再将小功率电机从变频电源电路上断开，然后再将小功率电机接入工频电路 上运行，同时将大功率电机接入变频电源电路，再通过变频器输出电流完成切换。 当进行大功率电机单独变频运行状态到小功率电机变频工作切换时，同样需要先 切断变频器的输出电流，将大功率电机从变频电源电路上断开，然后将小功率电 机接到变频电源上，接着接通变频器的输出电路，小功率电机变频运行，这样就 完成了大机工频状态到小机变频运行的切换过程。 3.5 系统控制方式选择 本系统控制可采用 pid 控制和模糊控制两种方式。 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 19 模糊理论是美国柏克莱加州大学电气工程系 l.a.zadeh 教授于 1965 年创立的 模糊集合理论的数学基础上发展起来的，主要包括模糊逻辑、模糊推理和模糊控 制等方面的内容。模糊控制器(fuzzy controller, fc)又称为模糊逻辑控制器(fuzzy logic controller, flc)。由于模糊控制规则用模糊条件语句来描述，有时也称为模 糊语言控制器。模糊控制器的结构如图 5-1 的虚线框部分，主要有四个部分组成： 模糊化接口，知识库、推理机以及解模糊接口。 模糊控制是建立在人工经验的基础之上的。模糊控制具有以下特点： 1无需知道被控对象的精确数学模型。 2具有良好的适应性和较强的鲁棒性。模糊控制是一种非线性控制，主要 采用比例因子进行参数整定的控制，有利于实现参数的自适应，具有较强的鲁棒 稳定性。 3控制规则容易理解。模糊控制是一种反应人类思维的智能控制，其控制 规则是以人的经验和知识为基础建立起来的，容易理解和接受。 4容易实现。模糊控制系统的结构与一般的数字控制系统大致相同，模糊 控制算法通过软件实现。 pid 既比例-积分-微分控制，是对闭环控制中的误差信号进行响应，并对控 制量进行调节，以获得期望的系统响应。被控参数可测系统量，如转速、转矩或 磁通。pid 功能的优点：可通过对一个或多个增益值进行调节以及观测系统响应 变化的方法，以实验为根据进行调节。pid 是周期性地控制操作。假定控制器的 执行频率足够高，以使系统得到真确控制。误差信号是通过将被控参数的期望设 定值减去该参数的实际测量值来获得的。误差的符号表明控制输入所需的变化方 向。 p 项 由误差信号乘以一个 p 增益因子形成，使 pid 控制响应为误差幅值的函数。 当误差信号增大时，控制器的 p 项将变大以提供更大的校正量。 i 项 对全部误差信号进行连续积分。因此，小的静态误差随时间累计为一个较大 的误差值。累计误差信号乘以一个 i 增益因子即成为 pid 控制器的 i 输出项。 d 项 d 项输入是计算前次误差值与当前误差值的差来获得的。该误差乘以一个 d 项增益因子即成为 d 输出项。系统误差变化的越快，控制器的 d 项将产生更大 的控制输出。 本系统应用在中小型供水系统中，采用 pid 控制可既可获得较好的控制效果又能 适应工业控制的要求。 河南机电高等专科学校毕业设计/论文 20 3.6 s7-200/