变频恒压供水系统完整毕业论文.

1、*学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）题 目 变频恒压供水控制系统设计 姓 名 学 号 院（系） 专 业 指导教师 职 称 评阅教师 职 称 年 月 日 学生毕业设计（论文）原创性声明学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，论文（设计）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业设计（论文）作者（签字）：

2、 签字日期 年 月 日 贴校徽处 *学院本科生毕业设计（论文）变频恒压供水系统设计变频恒压供水系统设计 学生姓名： 指导老师 专 业： 院 （系）： 年 月 日*学院本科生毕业设计摘要I摘 要本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水自动控制系统。变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、传感器、以及控制柜等构成。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵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。分析水泵的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速

3、的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。通过编程软件设计了一个用于供水系统压力控制的 PID 控制器，PID 控制器内置在 PLC 中，该控制器对于压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现整个供水的压力的自动调节，使压力稳定在设定值附近。关键词： PLC 控制 变频调速 恒压供水 水泵 节能*学院本科生毕业设计AbstractIIAbstractThe present paper unifies in our country the small city for t

4、he water works present situation, has designed a set based on the PLC frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply automatic control system.In order to pledge water supply, the unit is in the super pressure state usually moving, not only the efficiency is low and power con

5、sumption is big, but also Guan Wang in city over a long period of time is in the super pressure running state, and it is also very serious to wear and tear. This thesis combines the middle and small city water supply present situation of factory of our country, and has designed basseting on the fast

6、 constant voltage water supply automatic control system of frequency conversion accent of PLC.The fast constant voltage water supply automatic control system of frequency conversion accent forms by programmable controller and frequency converter and water pump electrical machinery group, sensor as w

7、ell as control cupboard etc. This system uses frequency converter to pull to move many electromotor to start, moves and accent speed, uses respectively to circulate the method operating of use, by way of super ordinate machine.Key word: PLC control, frequency conversion velocity modulation, constant

8、 pressure water supply, water pump, energy conservation*学院本科生毕业设计目录III目 录摘 要.IABSTRACT .II前 言.11 绪论.21.1 项目的意义及应用背景.21.2 课题的方案设计.31.3 本文研究的内容.42 恒压供水原理及工艺.52.1 系统的组成和基本工作原理.52.2 系统框图及工作模式.62.3 主要元器件选型.72.4 该系统的特点.83 控制系统分析与设计.103.1 低压电器设备部分.103.2 控制柜面板设计.123.3 PLC 控制部分 .134 软硬件的基本原理介绍.144.1 PLC 可编程控

9、制器(三菱 FX2N-32MR).144.1.1 可编程控制器的特点.144.1.2 可编程控制器的工作原理.154.2 变频器的原理与特性(ATV38).204.2.1 变频器简介.204.2.2 变频与变压(VVVF)原理 .204.2.3 变频调速的基本原理.214.2.4 变频调速的升速和启动.214.2.5 变频调速的降速和制动.22*学院本科生毕业设计目录IV4.2.6 变频后的电动机的机械特性.224.2.7 水泵类平方律负载的机械特性.234.2.8 V/F 控制的概念.234.2.9 矢量控制的概述.244.2.10 ATV38 的特性.254.3 压力传感器简介.275 系

10、统开发.295.1 PLC 应用的开发步骤 .295.2 PID 调节 .305.2.1 PID 调节原理.305.2.2 PID 参数设置.315.2.3 PID 设定值的调整及控制算法.315.3 PLC 程序 .335.3.1 基本步骤.335.3.2 程序中使用的继电器.345.3.3 PLC I/O 表 .375.3.4 程序流程.375.3.5 PLC 程序的运行和模拟调试.436 调试.446.1 硬件功能调试.446.2 系统总体调试.44结 论.45致 谢.46参考文献.47附录 PLC 梯形图.48*学院本科生毕业设计前言1前 言据报道，目前国内在用的水泵和风机约 5000

11、 万台，年消耗的电量可达约1000 亿度。据有关国际组织发表的资料显示：中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的 4 倍左右，消耗的水是他们的 2 倍左右。我国的大量用电设备中，风机和水泵类电机的耗电量占全国发电量 50%左右，若推广新型电机调速技术，可节电 40%左右，即可以节约全国发电量的 1/5。由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多，因此，在我国一方面水电供应紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人。节电节水，不仅潜力巨大，而且意义深远。恒压供水是指供水网系中用水量发生变化时，其出口压力保持不变的供水方式。供水系统的主要参数有：流量、扬程、管阻和压力。采用变频器后可以节能

12、有三个方面：管阻特性曲线保持不变(阀门全开)，扬程特性曲线下降(转速下降)，使流量下降与用户需求量下降平衡，以保持水压大致恒定；转速控制方式使水泵的工作效率一直处于最佳状态；不处于满载状态的电动机因为输入电压的降低，它的效率也将相对于不采用变频降压有所提高。在本次设计中，主要设计基于PLC 生活给水控制系统设计的实现，通过三菱 FX2N-32MR PLC 和 ATV38(施耐德) 变频器进行对生活给水控制系统的手动、自动控制，达到变频恒压的理想状态。通过在三菱的 PLC GX Developer7 上进行编程，通过学校实验室提供的设备上进行一定的检查和调试。由于本人设计水平有限，所以设计中多少

13、有些错误，请予批评指正。谢谢！*学院本科生毕业设计1绪论21 绪论1.1 项目的意义及应用背景变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒

14、定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用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1。变频恒压供水控制系统主要有2：带 PID 回路调节器和/或可编程序控制器(PLC)的控制系统在该系统中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部 PID 控制程序的计算

15、，输给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入 PID 回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块 PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如

16、果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID 回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。*学院本科生毕业设计1绪论3新型变频调速供水设备针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如华为的 TD2100，施耐德公司的 Altivar58 泵切换卡，SANKEN 的 SAMCO-I 系列，ABB 公司的 ACS600、ACS400 系列，富士公司的G11S/P11S 系列等。这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都

17、综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的 PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置 PID 功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装

18、调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。供水专用变频器供水专用变频器是将普通变频器和 PLC 控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用 PID 调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的 PID 调节器输入口，而压力设定即可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值(MPa)。系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制 7 台泵，可选择“先开先关”和“先开后关

19、”(适用泵容量不同场合)两种水泵关闭顺序；变频泵循环方式最多可以控制 4 台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。供水系统采用变频供水技术可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能浪费，因此设计人员在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力。1.2 课题的方案设计根据该题目的要求：有四台水泵电机构成次基于 PLC 的生活给水控制系统，实现两种工作模式，即手动模式和自动模式。手动模式：自由操作，可以只启动水泵电机组的任何水泵电机；*学院本科生毕业设计1绪论4自动模式：1）自动轮换

20、2）备用自投3）先启先停4）故障检测和指示方案 1：这四台水泵电机直接启动，无变频调节作用。 按照“先启先停” 、“备用自投”运行，这个方案主要没有变频调节作用，这对水资源不能合理的分配利用，浪费电力，这个方案仅对用户需求流量较为稳定的情况应用。方案 2：由三台主泵和一个变频泵构成，三台主泵按照“先启先停” 、 “备用自投”运行，具有变频调节作用，相对地合理的分配利用水资源，相对节约了电力，对整个系统是一个较为合理的解决方案。本课题采用方案 2。1.3 本文研究的内容本文介绍可编程控制器(PLC)为控制核心，施耐德公司的 ATV38 系列带内置PID 功能的变频器为执行元件，采用 PID 算法

21、控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力。其中主要内容包括恒压供水原理，PLC 原理，变频调速原理，通过设置几个主要器件 I/O 参数，实现 PLC，变频器，压力传感器之间的通讯、控制功能。*学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺52 恒压供水原理及工艺2.1 系统的组成和基本工作原理变频恒压供水系统主要由供水控制系统、稳压泵组、稳压气压罐等组成。系统控制示意图如图 2. 1：变频器4DA4ADPLC FX2N执行机构隔膜式气压罐泵组供水控制系统浮球液位开关至用户水源图 2. 1 变频恒压供水系统控制示意图供水控制系统供水控制系统 主要由交流变频调速器、可编程控制器、

22、外围操作执行机构及保护电路、压力传感器、蓄水池液位控制器（水源缺水保护用）等组成。稳压泵组稳压泵组 稳压泵组主要由三台主泵和一个变频泵构成，三台主泵按照“先启先停” 、 “备用自投”运行，其变频泵供水扬程大于或等于主泵的供水扬程。它只在管网用户流量需求变化时自动投入变频运行，维持管网的压力，补充小流量用水或管网的渗漏，同时使主泵在管网小流量和零流量时处于停机状态。气压罐气压罐 气压罐是一种密闭容器。大流量供水时，由水泵加压，罐内贮存的气体被压缩；在小流量或零流量供水时，被压缩气体泄压膨胀，将贮存在罐内的水压输入配水管网，补充用户的小流量用水或管网的渗漏，同时使主泵在小流量和零流量用水时处于停机

23、状态。*学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺6系统由水泵机组、变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频器，PLC 低压电器等构成。系统控制 25KW 水泵 4 台。变频恒压供水自动控制系统工作原理如下：PLC 的数据寄存器给出供水压力设定值，由 FX2N-4DA 转换为模拟量的形式送入变频器 PID 调节器输入口 AI1+、 AI1-，压力传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的 PID 调节器输入口 AI2+、AI2-，变频器根据 PID 调节器调整变频水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速3。系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，并将压力信号转换为

24、电压信号，通过 FX2N-4AD，PLC 每秒钟从 4AD 采集 5 次数据，并把这 5 次数据的平均值求出，然后与用户设定的压力值的分界值进行比较运算，计算出工频泵启动台数信号。通过对工频泵的启动和停止台数及变频泵转速的调节，及变频器对变频泵转速的调节，将用户管网中的水压稳定于用户预先设定的压力值，使供水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒压供水”的目的。由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的 PID

25、调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。2.2 系统框图及工作模式如图 2.2 所示，有两种工作模式，其工作情况如下：手动模式手动模式：按工作人员的自由操作，可以只启动水泵电机组的任何水泵电机。自动模式自动模式：当无液位浮力开关信号（为 OFF）时，此系统水泵电机处于停机状态。当液位浮力开关有信号（为 ON）时，先启动变频水泵电机；如果供水不足时，再启动 1 台主泵，变频水泵电机起着对流量调节，在运行过程中水泵电机按照“先启先停” 、 “备用自投”运行；

26、如果还是供水不足时，启动 2 台主泵，变频水泵电机起着对流量调节；在运行过程中水泵电机按照“先启先停” 、 “备用自投”运行；如果还是供水不足时，3 台主泵都启动，变频水泵电机起着对流量调节。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后 1 台泵变频恒压4。*学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺7压力传感器4 AD4 DA手动自动 开关水位信号传统低压电器设备PLC3# 水泵1# 水泵2# 水泵变频水泵变频器图 2.2 变频恒压供水系统控制框图恒压供水控制系统将交流变频调速技术、可编程控制技术应用于水泵自动控制设备中，与水泵组相结合为电一体化供水装置。该系统可根据管网瞬时压力变化，自动调

27、节某台水泵电机的转速和多台水泵电机的投入和退出运行，满足用户恒压变量供水及变压变量供水的需要，使供水管压力保持恒定。2.3 主要元器件选型器件：使用国产配置功率：30KW 电流：62A表 2.1 器件列表器件名称器件名称数量数量货品型号规格货品型号规格可编程控制器1FX2N -32MR-001变频器1ATV38(施耐德) PLC 数模转化模块1FX2N-4DAPLC 模数转化模块1FX2N-4AD空气开关3DZ47-63/3P-50A交流接触器4CJ-X1-45/22-220V热继电器33U-A59/25-40A压力传感器1YYB-ES（钱江仪器仪表厂）中间继电器2JZ-C1-22V万能转换开

28、关1LW112旋钮3LAY37-NED1红按钮3LAY16-A-01R绿按钮3LAY16-A-10G*学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺8续表 2.1 器件列表器件名称器件名称数量数量货品型号规格货品型号规格红指示灯5AD16-22R31绿指示灯4AD16-22G31熔断器1HG30-32熔芯1RT14-10A电流表16L2-100/5A电压表16L2-450V电流互感器1LMK-0.66-100/5A液位控制器261F-GP-N(欧姆龙)接线端子5JH9-15A接线端子13JH9-100A浮动开关1GSK-1B(精士)控制柜壳11200*600*3702.4 该系统的特点结构紧凑，体积小

29、，占地少，毋须建造高位水箱或水塔，投资省，安装快，便于集中管理。采用进口变频器及相关元器件，设计合理，操作简便，性能可靠，全自动运行无人值守。具备多种故障显示及备查记录，完善的欠压、过压、过流、过载、短路、缺相、水源缺水自动保护停机等保护功能，使用安全，维护简便。自由设定管网压力，按实际用水量来调节水泵转速，使其始终处于高效运转状态；采用多台小功率水泵电机成泵组代替大功率泵更能适合流量的急剧变化，避免“大马拉小车”现象，节能效果更为显著。与恒速泵供水相比，消除了超压和回流的无功损耗。由变频器或软起动器实现水泵软起动软停止，使电网和管网免受冲击；无水锤现象，大大降低设备运行噪音，延长相关设备的使

30、用寿命。多台泵有多种循环运行方式，均衡各泵运行时间，避免其中某台水泵因闲置而锈蚀。直接向用户供水，水质无二次污染。品种规格齐全，可任意组合配套，应用范围广。*学院本科生毕业设计2恒压供水原理及工艺9控制程序化，可按用户需要实现多种控制方式。例如：定时开关系统、消防联动、小流量和零流量自动关机睡眠、上位机集中管理等。管网常压供水，可避免外露管路冻裂；可按需要任意调节设备供水压力，满足用水高峰期建筑顶层的水压要求。*学院本科生毕业设计3控制系统分析与设计103 控制系统分析与设计3.1 低压电器设备部分恒压供水控制系统设计具有手动模式和自动模式，手动模式主要是通过低压电器设备控制，该低压电器设备的

31、控制示意图由两部分组成，如图 3.1 和图 3.2： 如图 3.1 和图 3.2 所示：当拨动开关拨到“停止”时，其整个系统位于停止状态；当拨动开关拨到“自动”时，及实现自动工作模式；当拨动开关拨到“手动”时，及实现手动工作模式；2SB、4SB、6SB 分别手动控制 1# 、2# 、3# 泵 启动；1SB、3SB、5SB 分别手动控制 1# 、2# 、3# 泵 停止；1HG、2HG、3HG 分别是 1# 、2# 、3# 泵的工作指示灯；1KA 分别是有液位控制的中间继电器图 3.1 主电路图*学院本科生毕业设计3控制系统分析与设计11 图 3. 2 控制电路图当想手动启动 1# 泵时，按下 2

32、SB，2SB 接通1KM 接通1#水泵电机启动；当想手动停止 1# 泵时，按下 1SB，1SB 断开1KM 断开1#水泵电机停止；当想手动启动 2# 泵时，按下 4SB，4SB 接通2KM 接通2#水泵电机启动；当想手动停止 2# 泵时，按下 3SB，3SB 断开2KM 断开2#水泵电机停止；当想手动启动 3# 泵时，按下 6SB，6SB 接通3KM 接通3#水泵电机启动；当想手动停止 3# 泵时，按下 5SB，5SB 断开3KM 断开3#水泵电机停止。表 3.1 低压电器设备主要元件及其作用 元件名元件名作用作用1SB手动模式 1# 泵 停止按钮2SB手动模式 1# 泵 启动按钮3SB手动模

33、式 2# 泵 停止按钮4SB手动模式 2# 泵 启动按钮5SB手动模式 3# 泵 停止按钮6SB手动模式 3# 泵 启动按钮1HG1 # 泵工作模式 指示灯*学院本科生毕业设计3控制系统分析与设计12续表 3.1 低压电器设备主要元件及其作用 元件名元件名作用作用2HG2 # 泵工作模式 指示灯3HG3 # 泵工作模式 指示灯4HG4 # 变频泵工作模式 指示灯1KH1 # 电机热电保护的热继电器2KH2 # 电机热电保护的热继电器3KH3 # 电机热电保护的热继电器4KH4 # 电机热电保护的热继电器1KA水位控制的中间继电器1FQ水位控制的浮力开关3.2 控制柜面板设计根据上面的低压电器设

34、备主要元件，可以大致设计为如图 3.3 所示：图 3.3 控制柜面板示意图*学院本科生毕业设计3控制系统分析与设计133.3 PLC 控制部分PLC 基本是实现自动工作模式，根据该系统的要求：PLC 端口的大致分为如图 3.4 所示：模块0模块1压力传感器电压信号变频器主速模拟量接口1KM2KM3KM31N24VX0X1X24KMX31KAX4S0X524VCOMCOM3COM2Y5Y2Y3Y4Y12Y13Y14Y15Y6FX2N-4ADFX2N-4DAFX2N-32MR455165615KM1#泵反馈2#泵反馈水位信号3#泵反馈4#泵反馈变频器故障信号1#泵运行2#泵运行2#泵故障指示3#泵

35、运行4#泵运行S1PLC控制 故障输出4#泵故障指示1#泵故障指示3#泵故障指示PLC公共输出端 AI2+AI2-图 3.4 PLC 端口分配示意图注：s0 为变频器的故障输出s1 为在变频器上的 4#水泵电机的控制接口压力传感器电压信号变频器主速模拟量接口模块 0模块 1AI1+AI1-*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍144 软硬件的基本原理介绍4.1 PLC 可编程控制器(三菱 FX2N-32MR)1969 年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）以来，经过 30 多年的发展，现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最

36、多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的 PLC 系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱5。初期的 PLC 只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。随着微电子技术的发展，PLC 以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控

37、制系统、集散系统、分散系统等。在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，例如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。4.1.1 可编程控制器的特点可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个 PLC 生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使 PLC 的平均无故障时间达到 30 万小时以上，使用寿命更长。控制功能强。PLC 具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。编程方便，易于使用。PLC 采用与继电器电路相似的

38、梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。PLC 可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。具有各种接口，与外部设备连接非常方便。采用积木式结构或模块式结构，有较大灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍15维修方便。PLC 上有 I/O 指示灯，哪个 I/O 元件有故障，一目了然。可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。4.1.2 可编程控制器的工作原理PLC 的等效工作电路PLC 是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应

39、用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把 PLC 等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如下图 4.1 所示：触点按钮负载电源限位开关外部输入输入部分 内部控制电路输出部分外部负载图 4.1 PLC 的等效工作电路1）输入部分这部分的作用是接受被控设备的信息或操作 0 命令等外部输入信息。输入接线端是 PLC 与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由 PLC 的电源部件提供(如直流 24V)，也可由独立

40、的交流电源(如交流 110V)供给。每个输入继电器可以有无穷多个内部触点(动合、动断形式均可)，供设计 PLC 的内部控制电路(即编制 PLC 控制程序)时使用。2）内部控制电路*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍16这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。PLC 程序一般用梯形图形式表示。而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PIC 程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。在 PLC 内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及

41、动合、动断触点只能在 PLC 内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。3）输出部分 这部分的作用是驱动外部负载。在 PLC 内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器(有继电器、双向硅、晶体管三种形式)，它也有无限个软件实现的动合、动断触点，可在 PLC 内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；如图 23 所示。外部负载的驱动电源接在输出公共端(COM)上。 总之，在使用 PLC 时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器接点(动合或动断)可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备

42、。PLC 的工作过程 PLC 一般采用循环扫描方式工作。当 PLC 加电后，首先进行初始化处理，包括清除 IO 及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查 I/O 单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段6 1）公共处理阶段这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查 IO 总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。这部分时间是固定的，对 P 型机来说，为 1.26ms。 2）执行外围设备命令阶段 当有简易编程器、图形编程器、打

43、印机等外部设备与 PLC 相连时，则 PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。 3）程序执行阶段 在这个阶段，CPU 将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据(输入和输出的状态)进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。 4）输入、输出更新阶段PLC 的 CPU 在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。CPU 对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍17存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是 PLC

44、 工作的特点。 I/O I/O /图 4. 2 PLC 内部工作过程图 4.2 进一步说明了上述 PLC 内部工作过程。PLC 工作时，上述过程周而复始，称为扫描周期。PLC 的扫描时间PLC 完成一个扫描周期所需要的时间，称为扫描周期时间，简称扫描时间。扫描时间地长短取决于系统的配置、IO 通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等，循环中每个阶段所需的时间加在一起就是扫描时间。各部分时间计算如下：*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍181）公共处理时间 t1。对 P 型机来说，这部分时间是固定的，即：tl1.26ms 2）输入，输出更新时间 t2。因为 PLC 的输入通道数一般来说总

45、是大于输出通道数，因此，在计算这部分时间时，可以输入通道数为准，即认为在输入更新时间内，输出一定会更新完毕。这部分时间可按下式计算：t20.29 + 0.07N(ms)其中 N 为输入通道数减 1。需要注意的是，若输出通道数大于输入通道数，则 N 应取输出通道数减 1。3）程序执行时间 t3。这部分时间取决于在用户程序中使用的指令的类型和条数。把程序中使用的所有指今的执行时间加在一起，就等于 t3。4）执行外设命令所需时间 t4。当有外部设备与 PLC 相连时，其处理时间可按下述方法确定。首先，把上面算出的三个时间相加，再乘以 0.05，即：t4(t1 + t2 + t3)0.05当 t41

46、时，则 t41ms；当 t41 时，则以 0.5ms 为单位，进行四舍五入。例如，当 t4=1.65ms 时，则 t41.5ms；若 T41.8ms 时，则取 t42ms。注意：当没有外设与 PLC 相连时 t40ms。将上面四部分时间算出后相加，即为扫描时间 T，即Tt1 + t2 + t3 + t4在 PLC 内部，系统定时器（俗称“看门狗” ）一般在上电时设为 130ms，当扫描时间超过 130ms 时，CPU 将停止工作。但是，既使扫描时间没有超过130ms，也可能对系统操作产生不良影响；扫描时间大于 10ms 时，高速定时器TIMH 会出现故障；当扫描时间超过 100ms 时，普通定

47、时器及 0.1 时钟脉冲发生器将会出错，并且报警。PLC 的 I/O 响应时间用 PLC 设计一个控制系统时必须知道有了一个输入信号后 PLC 经过多长时间才能有一个对应的输出信号，否则，就不能正确并精确地解决系统各部件之间的配合问题。从 PLC 的工作过程可知当 PLC 工作在程序执行阶段时，既使输入状态发生变化，即输入状态寄存器的内容发生变化，CPU 执行的输入信号也不会变化，而要到下个周期的输入、输出更新阶段，才能有效。同理，暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也要等到下个扫描周期的输入、输出更新阶段，才能集中输出给输出部件。从 PLC 收到一个输入信号到 PLC 向输出端输出一个(4.1

48、)(4.2)(4.3)(4.4)*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍19控制信号所需的时间，就是 PLC 的 IO 响应时间。响应时间是可变的，例如，在一个扫描周期的 IO 更新阶段开始前瞬间收到一个输入信号，则在本周期内该信号就起作用了，这个响应时间最短，它是输入延迟时间、个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和，如图 4.3 所示： / O N C PU I / O O N 图 4.3 PLC 的 I/O 响应时间(a) / O N C PU I / O O N 图 4.4 PLC 的 I/O 响应时间(b)如果在一个扫描周期的 IO 更新阶段刚过就收到一个输入信号，则该信号在本周期内不

49、能起作用，必须等到下一个扫描周期才能起作用，这时响应时间最*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍20长，它等于输入延迟时间、二个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和，见图4.4。4.2 变频器的原理与特性(ATV38)4.2.1 变频器简介变频器的功能是将频率固定的(通常为 50Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三相交流电，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器，中间直流环节和逆变器三个部分组成。相

50、控整流器将交流电压整流为可控的直流电压，经滤波由电容 Cd输出直流电压 Vd，逆变器将直流 Ud变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。由于中间直流环节是 Cd低阻抗输出相当于是恒压源，故称电压型7。电流型交-直-交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件用的是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源，故称电流型。4.2.2 变频与变压(VVVF)原理当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率 f 下降时，定子绕组的反电动势 E 有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变，根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大，因而磁通 m增大。

51、m增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望的结果，因此希望 m可以保持基本不变。要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压 Ul/f=const，则磁通 m可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用VVVF 表示。VVVF 实施的基本方法包括：脉幅调制(PAM)和脉宽调制(PWM) 8。脉幅调制(PAM)实现方法就是调节频率的同时，也改变直流电压的振幅值。PAM 需要同时调节两个部分：整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足一定的关系，故控制电路比较复杂，因此比较少用。脉宽调制(PWM)实现方法就是在每半个周期内，把输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为

52、t1，每个脉冲间的间隔宽度为 t2，则脉冲的占空比 =tl/(t2+tl)。*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍21这时电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，同样可以实现变频也变压的效果。PWM 只需控制逆变电路便可实现，与 PAM 相比电路简化了许多，因此在变频调速中比较常用。4.2.3 变频调速的基本原理异步电动机的等效变换X1R2R1X2RmIOXmR1U1RLU2图 4.5 异步电动机的等效变换异步电动机的电磁转矩公式：2212221121232()() mpsrUTfsrrsxx其中：P 为旋转磁场的磁极对数，S 为转

53、差率。变频调速的原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。异步电动机的定子主磁通是以一定的转速旋转，旋转磁场实际是三个交变磁场合成的结果。旋转磁场的转速 n0=60f/p，其中 f 是电流频率，P 是旋转磁场的磁极对数。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此转子的转速 n1必须低于定子磁场的转速 n0 (即所谓的“异步”)。两者之间的差异可由转差率表示，转差率 s=( n0- n1)/n0根据 n0=60f/p 可知，当频率 f 连续可调时，电动机的同步转速n0也连续可调，而异步电机的转子转速 n1，总是比同步转速略低一点，所以当 n1连续可调时，n1也

54、是连续可调9。4.2.4 变频调速的升速和启动异步电动机在额定频率和电压下直接启动时，由于转子绕组以同步转速切割旋转磁场，转子电流都很大，故其启动电流可达额定电流的 4-7 倍。这将对电源形成冲击，引起电网电压的波动。此外，由于启动过程过于快捷，常常对机械负载形成冲击，影响其使用寿；在泵水管道系统中，还会引发水锤效应，使管道受(4.5)*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍22到损害。使用变频器后，由于其输出频率可以从很低频率开始，频率上升的快慢可以任意设定，从而可以有效地将启动电流限制在一定的范围内。设定升速时间的基本原则：在电动机的启动电流不超过允许值的前提下，尽可能地缩短升速时间。对

55、于泵类负载升速方式选择半 S 型。4.2.5 变频调速的降速和制动在泵水管道系统中，由于水的阻尼作用，电动机的转速能够十分迅速地降下来，而不会引起再生制动的过电流和过电压，但是降速太快，会导致管道系统出现“空化现象” ，对管道有害无益，甚至会损害管道。因此，在降速停机时应设定足够的降速时间，使转速缓慢下降，从而保护管道。4.2.6 变频后的电动机的机械特性设变频后的频率为 fx，电压为 Ux，电动机的额定相电压和频率为 UN和 fN，则有：xffkNfxUukNU其中 kf为频率可调比，ku为电压可调比。将上述两个公式代入异步电动机的电磁转矩公式可得变频后的转矩公式：2221222121232

56、()() umfNxxfpsr k UTk fs rrs kxx其中：sx为频率为 fx时的转差率。在变频器正常工作情况下，即 kfkm f2 f3 f4Tk4Tk3Tk2Tk1TM图 4.6 kfkm1时的机械特性(4.6)(4.7)(4.8)*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍23由图 4.6 可知随着 f 的下降，临界转矩 Tkx逐渐减少，电动机的带负载能力也随之下降。这无疑给变频调速带来了瑕点。所以如何改变变频后的机械特性就成了关注的焦点。V/F 控制是其中一种比较简便的方法。4.2.7 水泵类平方律负载的机械特性含义：负载的阻转矩与转速的平方成正比。20LrLTTK n30LP

57、LPPK n其中：T0一空载转矩，P0一空载时的功率损耗，KT和 KP为比例常数10。平方律负载的机械特性和功率特性曲线图如图 4.7 所示。onLPLTL图 4.7 机械特性 功率特性平方律负载主要是泵类和风机，其工作特点是：大多数在长期连续运行的状态下工作，属于连续恒定负载。大多数该类产品都和电动机连成一体，成为整体产品。因为负载转矩是和转速的平方成正比，所以一旦转速超过额定转速，就会造成电动机严重过载。因此在变频调速时，应该禁止在额定频率以上运行。注：变频调速(即 f 改变)瞬间时，负载特性曲线不变，转速 n 不变，负载的阻转矩 TL不变；但是电动机机械特性曲线改变，从而电动机转矩 TM

58、改变。电动机要能够稳定运行的条件是：升速时，TLTM。4.2.8 V/F 控制的概念基本思想针对 kf = km时，当频率下降，Ux在 Ux中所占的比例增大，造成了 m和(4.9)(4.10)*学院本科生毕业设计4软硬件的基本原理介绍24Tkx下降的情况，采取适当提高调压比而使 kf km的方法，来抵偿比值 Ux / Ux的增大，从而保持 m = KEx/fx = const，最终使电动机的临界转矩得到补偿。这种方法称为转矩补偿，因为是通过提高 U/F 比而得到，故又称为 V/F 控制或电压补偿。完全补偿 U/f 线完全补偿的含义是，不论 fx多大(在 fxfN的范围内)，通过补偿都能使临界转

59、矩 Tkx与额定频率时的临界转矩 Tkn相等，简称全补偿。此时 kf和 km的关系如下：22121212111() 11 ()ffmxxkkrkxxr由上式作出的 km=f(kf)的曲线通常称为 U/f 线。满足上式的机械特性曲线在所有频率下的临界转矩 Tkx都与 Tkn相等。新系列的变频器一般都提供了设置自动转矩补偿功能。变频器可以根据电流的大小自动地决定补偿的程度。4.2.9 矢量控制的概述矢量控制的成功实施，使得异步电动机变频调速后的机械特性以及动态特性能达到足以和直流电动机调压时的调速性能相媲美，从而使异步电动机变频调速在电动机的调速领域全方位地处于优势地位。现在许多新型的变频器都提供

60、了相应的矢量控制的功能。矢量控制基本设想根据一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以两相系统作过渡，可以相互进行等效变换的原理，所以将变频器的给定信号变换成类似直流电动机磁场系统的控制信号，也就是说，假设有两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上，两个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号 iM和转矩电流信号 iT，并且 iM和 iT作为基本控制信号，则通过等效变换，可以得到与基本控制信号 iM等效的三相交流控制信号 iA、iB、iC，去控制逆变电路。对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据，又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到给定控制部分，用以修正基本