基于PLC和变频器的水泵站恒压供水毕业论文

1、 毕 业 设 计题 目 常宁市民心自来水供水项目2级泵房电气控制器的设计 学院名称 电 气 工 程 2013年5月25日南 华 大 学毕业设计（论文）任务书学 院： 电气工程 题 目： 常宁市民心自来水 供水项目 2级泵房电气控制器的设计 起 止 时 间：2012年12月23日至 2013年5月25日学 生 姓 名： 专 业 班 级：电气工程与其自动09级2班 指 导 教 师： 研 室 主 任： 院 长： 2012年 12 月23日设计（论文）容与要求1. 背景资料见附件12. 设计容2.1 整体方案设计。2.2 主电路设计。属于设计的重点容。2.3 PLC的选型。2.4 采用PLC控制电路的

2、设计。属于设计的重点容。2.5 PLC程序设计。属于设计的重点容。3. 电路设计要求3.1水泵系统满足供水要求。3.2水泵电机采用变频器调速控制。3.3水泵电机要求具有过流保护、过载保护、接地保护、限位等功能，合理选取电压电器设备的型号、规格和台套数。3.4要求综合考虑控制器成本。4. 论文要求4.1独立完成设计的全部容。4.2 独立撰写毕业设计论文一篇（不少于15000字）。4.3 毕业设计论文符合学校规定的论文格式、图表规。4.4毕业设计的有关资料存入磁盘（或刻录光盘）。5. 进度安排2012年12月2013年1月：资料收集、整理，撰写文件综述和开题报告。2013年2月：方案设计。2013

3、年3月：变频器、PLC选型设计2013年4月：主电路设计，PLC外围控制电路。2013年5月：程序设计，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。 指导教师： 2012 年12 月23 日南华大学电气学院本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目常宁市民心自来水供水项目2级泵房电气控制器的设计设计（论文）题目来源自选课题设计（论文）题目类型工程设计类起止时间2012.122013.5一、 设计（论文）依据与研究意义：依据：1.根据以下规、标准进行本次设计1）GB/T50265-2010.泵站设计规2）SZ 310-2004.村镇供水工程技术规3）JGJ 16-2008.民用建筑电气设计规2.根

4、据任务书所给的原始资料研究意义：国县级，乡镇级的二级水泵站,普遍存在自动化程度低，运行成本高等问题。由于压力得不到有效控制，造成管线破裂，漏水缺水现象严重。近年来，随着小型PLC，变频器价格下降，劳动力成本上升，以与居民对供水质量要求的提高，社会对降低能耗的呼吁，对乡镇级水泵站，节能化，自动化改造，具有重要意义。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。本文介绍了，应用PLC和变频器，实现对二级水泵站全自动化控制的技术。可以实现无级恒压调速，供水稳定，供水质量显著提高。应用变频技术

5、，降低电机电能损耗，并且减小启动时对电网冲击。自动化程度高，节省劳动力成本，集成程度高，检修维护方便。二、 设计（论文）主要研究的容、预期目标：（技术方案、路线）主要研究容：1. 水泵站整体控制方案设计。2. 主电路设计与主要设备选型。3. PLC、变频器的选型。4. 采用PLC控制电路的设计。5. PLC程序设计6. 论文的撰写三、设计（论文）的研究重点与难点：重点：1.主电路设计2.采用PLC控制电路的设计3.PLC程序设计难点：1.PLC与变频器应用2.程序的编写3.对程序可靠性分析四、 设计（论文）研究方法与步骤（进度安排）：1. 2012年12月2013年1月：资料收集整理，撰写文件

6、综述和开题报告。2. 2013年2月：方案设计。3. 2013年3月：变频器、PLC选型设计。4. 2013年4月：主电路设计，PLC外围控制电路。5. 2013年5月：程序设计，撰写、修改毕业设计论文、毕业设计答辩。五、 进行设计（论文）所需条件：1. 有关水泵站电气方面的资料；2. 有关电机控制方面的资料：3. 有关PLC方面的资料；4. 编程软件；六、 指导教师意见：签名： 年 月 日6 / 69摘要：本文完成的是某自来水厂二级泵房电气控制器的设计，通过对任务要求、控制对象的分析，选择了PLC加变频器的控制方案。根据设计思路进行了主要设备的选型，主电路设计，控制电路设计以与程序设计。整个

7、设计方案以PLC和变频器为控制器核心，工控机为人机交流窗口，水泵机组为执行单元，与水压等信号采集单元一起，组成了一个完整的闭环恒压供水系统。对用户实行分区供水，每台水泵可以在工频和变频两种运行方式下切换。变频器根据采集的压力数值和设定参数比较自动调节电机运行频率，PLC根据变频器的反馈信号，控制每台电机的工作状态。关键词：恒压供水;PLC;变频器;分区供水Abstract: Electrical design of secondary pumping station in a tap water company is described in the paper. A control sche

8、me of PLC and frequency converter is proposed by analysing task requirements and control object. The selection of major equipment, main circuit design, control circuit design and program design is also proposed according to the design ideas. PLC and frequency converter are designed with the core of

9、controller; industrial computer is designed as man-machine communication window; and the water pump is designed as the execution units. All of these and the pressure signal sample unit etc. make up an integrated closed-loop isobarically water supply system. Each pump can be changing-over in differen

10、t operating manners, which is used to manage the network users in zone water supply.The frequency converter automatically adjusts the operating frequency based on collected pressure values and setting parameters. PLC controls the working status of each motor according to the frequency converter feed

11、back signals.KEYWORD: Constant pressure water supply;PLC;Frequency converter;Zone water supply.目录1绪论11.1 课题研究意义11.2 变频调速技术的发展与现状31.3 论文原始资料41.4 论文设计的任务和要求52 电气控制器方案设计62.1 设计任务和控制对象分析62.2 设计方案的选择62.3 系统框图83主要设备选型103.1 PLC的选型103.1.1 PLC的基本构成103.1.2 PLC的选型113.2 变频器的选型133.2.1变频器工作原理133.2.2变频器的选型143.3 压力

12、变送器的的选型193.4 接触器的选型203.5 熔断器的选型223.6热继电器选型243.7低压断路器选型254硬件电路设计264.1 主电路设计264.2 控制电路设计285人机界面设计325.1组态软件介绍325.2监控系统的设计335.2.1 组态王的通信参数设置335.2.2 新建工程与组态变量345.2.3 组态画面365.2.4 监控系统界面366程序设计396.1 PLC编程语言和编程软件介绍396.2一号机组程序设计416.3二号机组程序设计446.4典型程序块分析45总结47参考文献48致50附录一：程序51附录二：主电路设计56附录三：PLC外围电路设计571绪论1.1

13、课题研究意义 课题研究的是自来水厂的二级泵房电气控制器的设计，所谓二级泵房，指的是从把水从自来水厂送到城镇居民家中的加压泵站。相应的还有一级泵房把河流中的水抽取到自来水厂。而二级泵房设计要求就是：通过先进的控制系统设计从而达到最大可能的节约水资源和电能的要求。众所周知中国是一个人均水资源和能源贫困大国，人均平排名在世界一百多名之后，所以在这样一个能源贫困大国，如何用科技的力量减少能源的损耗，用高效率的自动化控制系统代替传统的落后的控制方式，节约人力资源，降低能源损耗。居民生活用水是淡水资源的主要消耗部分，但同时也是供水项目重点保障的部分。如何能有效保证城镇居民有水用的同时，尽最大可能的节约水资

14、源和降低通过先进的控制系统设计进而达到降低水能或者电力能源功耗。长期以来中国很多城镇的供水方式比较落后，传统的供水方式主要存在以下问题：水压不稳，高峰时段居民没有水用，低谷时段容易造成管线爆裂；由于供水系统不科学造成的严重的水资源浪费和电能浪费；由于自动化程度低造成的人力资源浪费；高昂的运行维护和检修费用。供水方式有以下几种(1) 恒速水泵+蓄水池的方式 这种供水方式是最简单最直接的供水方式，有的甚至连蓄水池都没有安装而是直接从供水系统管网中取水连接管道。无法根据用户需求改变水压，存在严重的水资源浪费和电能损耗，甚至造成管线破裂等。恒速水泵的加压供水方式无法也根本不可能对城市和乡镇供水管网的压

15、力大小做出比较有效的反应，供水水泵的数目增加和减少都必须要依赖于工人现场进行手工的操作，自动化程度比较低，而且大多数时候为了保证供水，又无法检测压力机组经常处于没必要的满负荷运行，不仅效率低、耗电量很大，而且在用水量较少的夜间时段和用水低谷期，管网难免处于超压运行状态，爆损现象比较严重，目前较少采用。(2) 恒速水泵+水塔的方式 这种供水方式显然要比恒速水泵加蓄水池的方式好很多，首先是解决了管线破裂，水资源浪费的问题。而且比前一种方式节约电，因为只要水塔满了，就可以关掉电机，当水位下降到一定水位，在启动电机即可但是也有明显的缺点。主要缺点如下：这种供水方式要求水塔最低水位要高于系统所要求的最低

16、水位，水塔必须建的很高，再加上要考虑安全，防地震等因素。造成占地面积大，投资巨大；碍于水塔本身的限制，这种供水方式供水服务区域受到一定限制，无法大面积的供水；在自来水由低水位到水塔，再由水塔到用户的能量变化过程中，存在无法避免的能量损失；电机要经常启动和停止，而电机启动对电网冲击大，比较费电；水塔部细菌易于繁殖，卫生状况堪忧，高位水塔要经常定时人工清洁，比较费时费力。(3 )变频恒压供水 变频恒压供水是目前最先进的供水方式之一，采用变频技术和可编程控制器以与电动机结合组成一套机电一体化全自动供水系统。变频供水设备以水泵机组的出水端压力作为检测依据，根据检测到的压力数值和设定的参数比较，从而调节

17、变频器改变水泵的工作频率，对水压进行调节，组成了一套完整的闭环调节系统。而PLC的作用是对整个供水系统的所以设备进行全自动控制，对运行状态监视设备输入信号作出恰当的处理。变频供水的主要优点有： 相比于水塔供水，大大的节约了投资和占地面积，消除了安全顾虑等因素，总体节约投资30%-50%；恒压供水完全满足用户需求，对机组实现软起动变频运行，是用户获得良好的用户体验，而且节约了水资源和电力；能够实现一定程度上的全自动无人值守运行，自动化程度非常高，智能运行。工作泵备用泵可以实现定时自动切换，对故障实现直观的操作界面显示，故障自检自显自动报警灯功能；保护功能完善，过载欠压过流短路等故障保护装置完善，

18、对系统设备实现全方位的保护，减少故障发生后对设备的破坏，节约资金。1.2 变频调速技术的发展与现状 近代以来的变频调速技术的发展首要要得益于现代电力电子技术的大力发展以与计算机技术的飞速进步和自动控制技术的发展，还有电机控制理论的不断成熟与进步。在相关技术不断的进步下，变频调速才有了实现的可能与条件，在1964年，德国首先提出的在通信技术中使用变频器的脉冲宽度调制（PWM）技术。日本研究人员在20世纪80年代初，提出了一种叫磁通磁链轨迹控制的方法。变频控制技术从1980年开始，已经开始在美国，日本，德国，英国等发达国家，在商业领域和工业控制领域被广泛的使用。在中国电能的60的被电动机类负载消耗

19、，所以如何使用电机的变频控制技术，改造工业控制领域的电动机调速系统和方式，以节省电动机类负载所消耗的电能，在我国长久以来一直是一个国家和行业比较关注的问题。目前，中国有非常多的公司，工厂，科研机构，从事的变频控制技术的研究，但是国产相关设备的设计和生产的控制产品与类似产品在国际市场上，与发达国家相关设备进行比较还是有较大的差距。随着中国的改革开放和经济的快速发展，大多数公司和工厂开始采取从外国进口变频设备的方法，但是国的相关设备和技术也在迅速的发展和成熟，现阶段是依靠进口设备和自我研发相结合的阶段，但总体上国技术与国外的设备有一定差距。 在变频调速技术逐渐成熟之后，变频恒压供水技术开始崭露头角

20、并且展现了他强大的优势和广阔的前景。给普通的变频调速系统增加一个压力检测单元就可以实现十供水系统的闭环控制。随着变频恒压供水技术的成熟和得到的广泛的认可，国为很多公司开始专注于推出变频恒压供水专用变频器。1.3 论文原始资料原始资料给出的供水负荷考虑附件乡镇近期自来水普与率按百分之九十五计算，远期自来水普与率百分之百计算。根据规划区水量计算，按照统一规划远近结合的指导思想。确定水厂近期（2020年）供水10000m/d，远期供水（2030年）2000m/d。服务面积23.5平方千米。原始资料给出的电机型号和水泵型号对供水用户分区一区用户：150S78水泵三台 两用一备 配三相异步电机 Y250

21、M-2 三台，功率55KW二区用户：150S78B水泵两台 一用一备 配三相异步电机 Y200L-2 两台，功率37KW远期增加150S78水泵一台，150S78B水泵一台。150S78水泵 参数介绍流量：160（m3/h）扬程：78（m）轴功率：47（kW）吸入口径：150（mm）排出口径：100（mm）150S78B水泵 参数介绍流量：144（m3/h）扬程：78m轴功率：22.8KW进口口径：150mm出口口径：100mmY250M-2型三相异步电机 参数介绍 电动机功率：55KW 电压：380V 电流：103A转速：2970 r/min额定频率：50Hz、60HzY200L-2型三相异

22、步电机 参数介绍电动机功率：37KW 电压：380V 电流：70A转速 2950 r/min额定频率：50Hz、60Hz供水压力要求：根据村镇供水工程技术规（SZ310-2004)，供水区域有楼房时，应满足大多数居民用水需求，出水头28m（约六层），既0.28MPa,考虑不利点因素和水压递减损失，出泵水压设计0.35MPa.1.4 论文设计的任务和要求 设计任务是常宁市民心自来水厂供水项目2级泵房电气电气控制器的设计。二级泵房属于加压泵站，可以直接安装在上级管网末端，加压给用户。直接设计的电气控制系统，要满足供水要求，既要满足国家相关水压，可靠性，节能指标。设计水压稳定值在0.35MP左右。主

23、要研究容：1水泵站整体控制方案设计。2 主要设备选型，特别是PLC，变频器的选型。3 主电路设计。 4. 采用PLC控制电路的设计。5. PLC程序设计2 电气控制器方案设计2.1 设计任务和控制对象分析 二级泵站加压方式选择：二级水泵站又称为增压站，加压方式有两种蓄水池法：将上级管网的水存入蓄水池，然后水泵再从水池中取水加压。直接增压法：将水泵直接安装在管道上，直接加压，不设水池。其中蓄水池法的缺点比较明显：浪费能量，上级管网送来的水压力值不可能是零，如果建一个水池，再从水池中将水重新抽出来，等于浪费了上级管网送过来的末端水压值，是一种能量浪费；占地面积大，投资成本高。除了一些早期的项目，目

24、前在国增压泵站蓄水池设计基本被淘汰。 控制对象分析 自来水厂二级泵房电气控制器的设计，控制对象是三相交流电机，控制器核心是PLC，由于原始资料中要求对用户分区。为了对两个区的用户都能实现变频恒压供水，我们选用两台变频器。 一区用户：三相异步电机 Y250M-2 三台，功率55KW，两用一备。 二区用户：三相异步电机 Y200L-2 两台，功率37KW，一用一备。设计目标是，使水泵变频器的控制下，根据压力传感器检测的压力信号，在变频器的控制下，每台电机既能在工频下运行，又能在变频下运行。根据需要，自动切换。本设计是某自来水厂二级泵房电气控制器的设计，要求设计的电器控制器能实现供水的可靠性，满足供

25、水要求，供水方案科学合理。通过对原始资料的分析，确定了设计方案，根据设计方案容进行了主要设备设备选择。在此基础上，完成硬件电路设计，才能使各种设备组成一个完整的系统，完成设计任务。2.2 设计方案的选择根据设计任务要求，要设计一个自来水厂二级泵房的电气控制器，查阅资料根据国主要的泵站控制系统进行比较分析，并最终确定设计方案。方案一：传统继电器+变频器 的控制 此种控制方案是早期国最普遍的控制方式，也是目前国大部分工厂仍然采用的控制方式，主要优点是价格便宜，简单实用。但是随着单片机，PLC等一些可编程的智能控制器的发展和普与，将逐渐被淘汰。其主要以下几个缺点(1 )缺乏灵活性：继电器控制是依赖于

26、硬件设备之间的逻辑接线来实现的，是一种依赖与物理层面的控制系统，一旦控制系统发生变化或者有新的要求，很难实现灵活多变的改变控制策略，只能不得不拆除设备，重新接线布局和设计，相当的繁琐和浪费时间精力，人力物力。(2 )控制速度相对较慢：继电器的动作是一种机械特性动作，动作返回大部分还依赖于弹性变形等，而且动作的时候存在无法避免的机械抖动现象，对需要处理的信号造成干扰，相对于可编程控制器的软件精确微秒级的反应速度，显然落后很多。(3) 时间延迟难以控制：继电器的时间延迟依赖于时间继电器的的滞后动作，精度低受环境干扰因素大，不利于定时控制。方案二：PLC+变频器 控制可编程控制器是专为工业控制而设计

27、的控制器件，具有以下优点(1 )灵活性高：PLC具有单片机可编程的这个突出优点，而且编程的方式和方法大大简化，有梯形图，功能表图，助记符等方法。当控制要求发生变化时只需重新编写程序再载入PLC中即可。(2) 可靠性高：相比于单片机等其他控制设备，PLC最突出的优势就在于它是工业控制现场专用的控制器，强大的抗干扰能力，极度简化的外围电路和硬件，大大提高了它的可靠性。针对性的减少了需要连接的外围电子元件，而只要确定一些I/O端口连接即可。在信号输入输出的地方还加入光电隔离，杜绝信号干扰。(3 )操作维护简单方便：PLC对操作和维护人员要求低，操作简单快捷，维护方便。通过对以上二种常见方案的比较分析

28、，我们针对二级泵站的设计任务要求，因为是针对城镇居民的生活用水，对供水可靠性要求较高，所以选择方案二：PLC+变频器的控制方式。2.3 系统框图 根据所选择的设计方案和控制对象分析，系统组成部分如图2.1图2.1 系统框图从系统框图中我们可以看到，设计的水泵房控制系统主要有以下几个部分（1）电机与负载 电机与负载是整个控制系统的执行部分，系统执行模块其实就是用来带动水泵机组抽水的电动机组。它分为调速泵和恒速泵，根据压力传感器输入的信号与设定值比较，调速泵在变频器的控制下变速运行，调节水泵出口处压力值，达到变频恒压供水的目的。恒速泵工作在工频50HZ，它是在变频器调到最大频率无法满足供水要求的情

29、况下启动的，启动后维持在工频运行，当用水量下降，另一台变频运行的水泵被停机以后，恒速泵在PLC的控制下，将转入变频运行。（2） 主电路 主电路是将整个系统设备有机的组合在一起所必须的电力电子器件，主要有开关电路，控制接触器，熔断器，热继电器，隔离开关等。将电力电子器件安装设计要求组成整个硬件电路。（3） 控制器 控制器是整个系统的核心，包括PLC，变频器和工控机。PLC控制系统是整个系统的核心，它负责信号的采集检测，信号处理，控制电机和变频器的自动切换运行。 变频器根据控制方式的不同的，分为循环变频控制和固定变频控制两种控制方式。循环变频控制是指：当变频器频率增加到工频时依然无法满足供水要求时

30、候，将变频器连接的这台电机切换到工频运行，而变频器本身切换到下一台电机，带动下一台电机软启动逐渐增加频率，依次类推。固定变频控制是指：当需要增加电机运行时，变频器不切换，而是由PLC控制直接启动另一台电机。 工控机的作用有两个：一个是对整个系统的实时运行状态监测和显示，便于对设备运行状态常规检查和故障维修，特别是发生不正常运行状态时，如过载短路过流等故障，能迅速反应，启动报警装置。另一个作用是，工控机是人和控制系统信息交换参数设定的通道窗口，可以直接通过组态软件对需要设定的参数进行二次设定。（4）信号检测与处理信号检测包括：液位检测信号，压力检测信号，故障检测信号，过载检测信号。 液位检测信号

31、是将水池中水位信息进行采集，反馈给PLC的装置。 压力检测信号是将水泵出口处的压力进行检测，并将信号反馈给变频器，由变频器和设定值进行比较，控制电机工作频率。 过载信号和故障信号检测室将系统部正常工作状态信号反馈给PLC，PLC控制声光报警装置作出反应。3主要设备选型3.1 PLC的选型3.1.1 PLC的基本构成 PLC的种类繁多，但其基本结构和工作原理基本一样。它主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)接口，电源等组成，如下图3.1所示。（1）中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)一般由控制器，运算器和寄存器组成，它是PLC的核心部分。它的主要任务有:控制接收和存储编

32、程设备输入的用户程序和数据;诊断PLC部电路的工作故障和编程中的错误;扫描I/O接收的现场状态，并按照用户程序对信息进行处理，然后刷新输出接口，对执行部件进行控制。（2）存储器存储器是PLC存放程序和数据的地方，它包括系统程序存储器和用户程序存储器。系统存储器用来存放PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在PROM或EPROM存储器中，用户不可访问和修改。用户程序存储器主要包括用户程序存储区和数据存储区二个部分。用户程序存储区用于存储用户编写的控制程序，数据存储区用于存放用户程序中使用器件的ON/OFF状态和各种数值数据等。（3）输入输出单元输入/输出单元是PLC接受和发送各种开关量、模拟量和数

33、字量信号的接口部件。输入单元用于接收现场的二些控制信号，通过接口电路转换成中央处理器可识别和处理的低电压信号，并存入输入映像寄存器。输出单元将中央处理器输出的低电压信号，经过输出接口电路将其转换成现场的强电信号。(4)电源单元电源单元是PLC的电源供给部分。它的作用是把外部供应的电源转换成CPU、存储器等电路工作所需要的直流电，与向外部器件提供24V直流电源。(5)外设接口与扩展接口PLC可以通过外设接口与监视器、打印机、PLC或计算机相连。扩展接口用于将扩展单元以与功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。图3.1 PLC的基本构成图3.1.2 PLC的选型

34、目前，PLC的品牌和种类很多，大概有300多个品种，以美国、德国、日本的品牌最为显著，在我国也有一些生产PLC的厂家，其生产品牌如表3.1所示。表3.1 PLC主要产品与型号国家名称公司名称主要系列产品美国A-B公司SLC-500/PLC-5/PLC-3GE公司GE-1/GE-1/J/GE-1P/GE-V德国SIEMENSS7-200/S7-300/S7-400日本欧姆龙C20P/C20/C120/C200H/C500/C1000三菱F/F1/F2/FX0/FX2/A中国华电光子SU/SG 在选择PLC时，首先要根据控制系统的功能要求，选择一种自己比较熟悉的，性价比比较高的机型。机型选好以后，

35、再确定PLC的结构形式，整体式的PLC一般适用于工艺流程相对固定、维修量小、环境条件好的小型控制系统，而模块式结构的PLC适用于工艺流程复杂、维修量大、环境条件差的控制系统。在进行PLC型号的选择时，要考虑控制系统实现的功能，选择低档机、中档机还是高档机。另外，还要考虑I/O点数的要求，一般在确定控制系统的I/O点数后，还要留有15%-20%备选I/O点数。同时，还要考虑PLC的存储容量，一般用户的存储容量=开关量输入点数10+开关量输出点数5+模拟量输入/输出点数 100字节，还要留有30%-50%的裕量。最后还要根据系统的功能要求，考虑是否要选择模拟量输入/输出模块和特殊功能模块。 本设计

36、PLC选择德国西门子公司的S7-200。西门子S7200系列PLC是一种小型的可编程控制器，它具有紧凑的设计、良好的扩展性、较高的可靠性、丰富的指令集、强大的通信功能以与低廉的价格，使得其可以完美地满足小规模的控制系统的要求。S7200系列PLC的CPU包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226等型号。新升级的CPU224和CPU226PLC，运算速度提高了40%，。表3.2是S7200系列CPU的特征 表 3.2 S7-200 系列CPU特征特征CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226数字输入68141424数字输出46101016数

37、字输入/输出的最大值1078168168248模拟输入08283028模拟输出04141514模拟输入/输出的最大值010353835程序存448/1212/1616/24数据存2281010 本次设计任务的输入输出端口计算： 输出端口计算：考虑远期设计要求在10年后，而产品的更新换代非常快，并且即使远期需要增加一台水泵，只需要增加一个输入输出扩展模块EM231即可，这里对输入输出端口计算值考虑近期要求。一共5台水泵，而每一台电机要求既能变频运行，又能切换到工频运行，所以需要10个输出端口，另外控制变频器的起动与停止需要1输出个端口，指示灯报警需要1个输出端口，输出端口一共12个。 输入端口计

38、算：控制系统的启动和停止需要2个输入端口。手动运行模式和自动运行模式选择需要 1个输入端口对变频器上限频率到达和下限频率到达信号采集需要2个输入端口液位上限和液位下限信号需要2个输入端口检测电机是否过程需要5个端口综上所述一共需要12个输入端口。输入/输出端口数为 12/12，所以我们选择 S7-200 CPU2263.2 变频器的选型3.2.1变频器工作原理 变频器按结构来分，分为交-交变频器和交-直-交变频器两种。交-交变频器可将工频交流电直接转变成频率和电压均可控制的交流电，又称为直接变频器。交-直-交变频器是把工频交流电经整流器先转换成直流电，然后经滤波环节后，再把直流电转换成频率、电

39、压可控制的交流电，又称为间接变频器。目前，使用最多的通用变频器多是交-直-交变频器，它由主电路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成，其基本结构如下图3.2所示。 图3.2 变频器基本结构图（1)整流器整流器即是网侧变流器，它的作用是把三相或单相交流电整流成直流电。整流电路有可控整流电路和不可控整流电路两种。（2)逆变器逆变器即是负载侧的变流器，它的主要作用在控制电路的控制下将直流电转变成频率、电压调节后的交流电，输出给外部设备。六个半导体器件组成的桥式电路是常见的逆变电路，通过控制电路控制开关器件的通、断，可以得到所需频率的交流电输出。（3)中间直流环节中间直流环节又称为中间储能环

40、节，这是因为逆变器的负载多为感性负载，其功率因数小于1，使得在中间直流环节和电动机之间存在着无功率的交换。这种无功能量需要中间直流环节中的电容器或电抗器来进行缓冲。（4)控制电路控制电路是变频器的核心，它通常由运算电路、检测电路、门极驱动电路、外部接口电路和保护电路等组成，其作用主要是完成对逆变器的开关控制和频率控制、对整流器的电压控制以与完成各种保护功能等。另外，变频器按调制方法来分，分为PAM型变频器和PWM型变频器;变频器按用途来分，又分为通用变频器和专用变频器。变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控

41、硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定围可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的围可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线与楼宇、供水等领域。 3.2.2变频器的选型 目前，市场上变频器的品牌很多，国外的有ABB、Siemens、Lenze、Vacon、Danfoss、KEB、LG、Samc

42、o等，国的有佳灵、阿尔法、森林、时代等。在工程中使用变频器，我们如何对其进行选型，一般有以下的步骤:（1）分析负载类型，是恒转矩负载、恒功率负载还是平方转矩负载;（2）根据负载类型和控制任务，确定变频器的类型和数目;（3）根据电动机的额定电流和额定功率，确定变频器输出频率和额定电流;（4）进行市场调研，确定合适的变频器品牌;（5）根据变频器的输出频率和额定电流，对该品牌的变频器进行选型;（6）变频器选择好以后，要进行相关的校验。按照以上6个步骤，变频器选型过程如下：（1）本设计的控制对象是电动机，电动机是平方转矩负载，用变频控制时注意不能选用通用型变频器而要选择水泵类专用型，西门子MM430变

43、频器是专用的水泵负载专用变频器。（2）本设计利用变频器控制电机的转速，变频器的类型为水泵型，本文只设计需要两台变频器。（3）电动机的额定电流为103A，额定功率为55KW，必须满足变频器额定功率电机额定功率，MM430的功率围为7.5KW-250KW，输出频率围为0-650HZ。（4）SIEMENS 公司作为变频调速技术，尤其是矢量控制技术的发明者和领先者，开发和生产变频器已有近30年历史，在全世界以与中国无论是冶金、水泥、机械等重工业或者是在纺织化纤食品饮料楼宇建筑等其他行业，西门子变频调速技术都得到了广泛应用，最近几年来西门子公司又在工业风机&泵类负载与楼宇暖通空调变频节能方面作了许多工作

44、，从而达到了降低电耗改善设备运行性能保证设备经济运行的目的。（5）变频器输出频率50HZ，额定电流103A,西门子系列MM430满足要求。综上所述，西门子MM430满足本设计要求，所以选择MM430变频器。3.2.3 SiemensMM430变频器简介MM430型变频器(如图3.2所示)是西门子公司生产的风机、泵类负载专用变频器，具有电动机分级控制、手动/自动控制、水泵无水空转检测、旁路、节能控制等专用功能。具有2个模拟输入，输入信号类型可以是0+10V、020mA和-10-+10V;具有6个带隔离的数字输入;具有多个继电器输出;具有多个0-20mA的模拟量输出;电动机驱动数据组(DDS)、命

45、令数据组和设定值信号源(CDS)参数的设定值可以相互切换;具有15个可编程固定频率，4个可编程跳转频率有集成RS485通信接口，可选的Profibus-DP通信模块。过载能力为140%额定负载电流时，持续时间为3s，在110%额定负载电流时，持续的时间为60s具有过电压、欠电压保护、过热保护、接地故障保护、防失速保护、PTC服TY电动机温度保护。使用BiCo(二进制互联连接)技术可以在输入(数字的，模拟的，串行通信)和输出(变频器的电流、频率、模拟输出、继电器接点输出)之间建立布尔代数式和数学关系式，可对更为复杂的功能进行编程。MM430各技术参数如下表3.3所示。表3.3 MM430技术参数

46、功率围7.5kW 250kW电源电压380V 480V10% 三相交流输入频率47 Hz 63 Hz输出频率0 Hz 650 Hz功率因数0.98过载能力140% 3s/ 间隔时间300s 110% 60s/ 间隔时间300s控制方式线性V/F 控制平方V/F 控制多点V/F 控制磁通电流控制(FCC)节能控制固定频率15 个可编程跳转频率4 个可编程设定值的分辨率01Hz 数字输入01Hz 串行通讯输入10 位二进制的模拟输入数字输入6 个DI 可编程带电位隔离可PNP/NPN 型接线模拟输入2 个可编程0-10V 0-20mA -10V-10V(AIN1)0-10V 0-20mA(AIN2

47、)两个模拟输入可以作为第7 和第8 个数字输入继电器输出3 个可编程,30VDC/5A(电阻性负载) 250VAC/2A(电感性负载)模拟输出2 个可编程(0/4mA-20mA)图 3.3 MM430变频器外部端口图 3.4 MM430端口说明3.3 压力变送器的的选型 压力变送器通常安装在水泵电机的出口处，用来检测管网中的水压，在选择压力变送器的时候，要综合考虑量程，正常工作温度，可靠性等。压力传感器由于技术门槛比较低，近年来随着技术的不断发展，国有很多企业生产的水压传感器性能都相当的不错。这里我们选用中国一众传感器生产的PY206 水压力传感器。该产品用于测量弱腐蚀的液体压力、气体压力、油

48、压、水压等各种压力测量与控制用。也称为通用型压力传感器/变送器。主要参数： 被测介质： 气体、液体与蒸气（弱腐蚀性） 压力类型： 表压 量 程： -100KPa-0.6Mpa60 Mpa120 Mpa间任意可选（量小量程为0.6MPa,量大量程为120MPa） 输 出：模拟量输出 420mA 或 05VDC、010VDC、0.54.5VD 数字量输出RS485，R232、无线短距离（2000米）网络传输、GPRS无线传输 综合精度： 0.25%FS、0.5%FS、1%FS 供 电： 24V Dc（1530VDC） 绝缘电阻： 1000 M/100VDC 负载电阻: 电流输出型：最大800 电压

49、输出型：大于50K 介质温度： -2085、-20150、-20200、-20300（可选） 环境温度：-2085 储存温度：-4090 相对湿度： 095% RH 密封等级：IP65/IP68 过载能力： 150%FS 响应时间：10mS 稳 定 性：0.15%FS/年 振动影响：0.15%FS/年（机械振动频率20Hz1000Hz） 压力传感器接线图图 3.5 压力传感器接线图3.4 接触器的选型接触器的工作原理是：当接触器线圈通电后，线圈电流会产生磁场产生的磁场使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心，并带动交流接触器点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔

50、铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合 。接触器的选型依据，主要是根据主电路的电动机额定参数选取。由原始资料已知 Y250M-2 电动机功率：55KW 电压：380V 电流：103AY200L-2电动机功率：37KW 电压：380V 电流：70A估算原则：（1）持续运行的设备。接触器按67-75%算.即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是67-75A以下的设备。（2）间断运行的设备。接触器按80%算.即100A的交流接触器，只能控制最大额定电流是80A以下的设备该设计任务中，接触器需要持续运行。选择 CJ20-160 6台 CJ20-100 4台 CJ20-1

51、60参数介绍： 额定电压：380V 额定电流：160A 机械寿命：1000（万次） 电 寿 命：500（万次） 额定绝缘电压：660-1000V 图 3.6 CJ20-160 接触器 CJ20-100参数介绍： 产品型号：CJ20-100 额定电压：380V 额定电流：100A 机械寿命：1000（万次） 电 寿 命：500（万次 额定绝缘电压：660-1000V图 3.7 CJ20-100 接触器3.5 熔断器的选型（一）从熔断器的类型选择应根据使用场合选择熔断器的类型。电网配电一般用刀型触头熔断器；电动机保护一般用螺旋式熔断器；照明电路一般用圆筒帽形熔断器；保护可控硅元件则应选择半导体保护

52、用快速式熔断器. (二)从熔断器的规格选择熔体额定电流的选择（1）单台直接起动电动机 熔体额定电流(1.52.5)电动机额定电流 （2）多台电动机的总熔体额定电流熔体额定电流I=(1.52.5)最大一台电动机的额定电流+其余电动机的额定电流之和因为变频启动能够有效的降低电机启动冲击电流，这里我们选择系数1.5（3）熔断器的最大分断能力应大于被保护线路上的最大短路电流。（4 ）熔断额定电压大于等于线路电压 Y250M-2 电动机支路 Y200L-2 电机支路 主干电路熔体电流A 选择相应熔断器如下螺旋式熔断器 RL1-T150 3个螺旋式熔断器 RL1-T110 2个刀型触头熔断器 RT36N-2 1个 螺旋式熔断器 RL1-T150 参数介绍 额定电压：380/400V AC 额定电流：150A 额定最大分断能力：50KA 螺旋式熔断器 RL1-T110 参数介绍 额定电压：380/400V AC 额定电流：110A 额定最大分断能力：25KA图3.8 RL1系列熔断器 刀型触头熔断器 RT36N-2 参数介绍