基于PLC的中央空调水泵变频调速系统设计

1、届 别2016届 学 号201214240315 毕业设计（论文）变频技术在中央空调中的节能设计姓 名 李洋 系 别 、专 业 电子信息与电气工程学院 电气工程及其自动化导师姓名、职称 曾晓华 副教授 完 成 时 间 2016年3月7号 摘 要随着我国经济社会的高速发展，建筑能耗在社会总能耗的比例越来越大，已由2007年的24.5%增加到2012年的32%，而大型公共建筑能耗占建筑总能耗的22%，中央空调系统的耗电量占大型公共建筑总耗电量的50%-60%，中央空调系统必将成为建筑节能的重点。在空调系统的实际运行中，首先，绝大多数的空调水系统末端没有连续型电动调节阀，很难实现对空调水系统末端设备

2、的调节控制，加大了水系统的输送能耗。其次，空调水系统在启动时间和启动方式上相差很大，完全凭运行人员主观经验启停空调系统，缺乏科学的决策。另外，在许多变频控制的空调水系统中，水泵变频控制的依据水系统压差监测点位置的选择也多种多样，导致空调水系统循环泵能耗大小不一。因此，针对上述问题，根据对实际空调系统检测和诊断结果，以及空调水系统诸多问题的研究要求，建立通用的空调水系统智能控制试验平台。针对述问题进行研究开发，对降低空调系统运行能耗、建筑节能减排具有重要的学术和实用价值。 首先，本文针对某冲调系统的检测，针对空调水系统控制调节共性问题，设计并建设了中央调系统智能控制试验台，包括空调水系统、电气系

3、统和网络控制系统。在此接础对试验台各设备、管路、传感器、执行机构等机电设备系统的特性进行测试分析，为后续的试验研究工作奠定了试验基础。其次，本文引入空调水系统最不利水力环路和最不利热力环路的概念，并进行辨析，针对末端没有阀位反馈的空调水系统，提出了以房间温度和供回水温差为参考的空调水系统最不利热力环路辨识方法，通过试验验证了该方法的可行性。第三，本文针对空调系统的启动时间和启动方式，试验研究空调水系统并联水泵启动台数和上班前预冷启动时间，分析了空调水系统总体能耗大小，结果表明，针对本试验系统中的两台并联水泵预冷阶段时联动要比单独启动一台时能耗要小。第四，本文针对中央空调的节能问题，对中央空调水

4、泵变频调速系统进行分析及设计。利用可编程控制器、模拟量扩展模块、变频器、温度传感器等代替传统再热量调节系统，实现中央空调水泵的变频调速。通过对空调出口温度进行检测，变频系统实时调节中央空调水泵转速，达到节能目的。采用变频技术控制中央空调水泵，是当前空调系统节能改造的有效途径。最后，本文针对水泵变频控制中压差参考点的选择进打研究，试验表明，压差参考点设置在空调水系统主干管中间位置时，循环水泵的能耗最低。上述问题为空调水系统在实际运行中普遍存在的共性问题，所研究的调节控制方法对实际空调水系统的运行调试具冇较大的参考价值。关键词：空调水系统；最小利热力环路；水条启动力式；参考点；试验研究，中央空调，

5、变频调速技术，可编程控制器PLC，PIDAbstractWith the rapid development of our economy and society, building energy consumption in an increasing proportion of the total social energy consumption more has by 24.5% in 2007 increased to 32% in 2012, and large public building energy consumption accounts for 22% of the t

6、otal energy consumption of the building, 50% - 60% of the power consumption of the central air conditioning system for large public buildings of the total electricity consumption, the central air conditioning system will become the focus of building energy-saving. In the actual operation of the air

7、conditioning system, first of all, the vast majority of the water system of air-conditioning terminal no continuous electric control valve, it is difficult to realize regulation and control of the terminal equipment in air conditioning water system, increases the energy consumption of the water syst

8、em. Secondly, the air conditioning water system in the start time and the start of a large difference, with the operators subjective experience to start and stop the air-conditioning system, the lack of scientific decision-making. In addition, in many variable frequency control of air conditioning w

9、ater system, water pump frequency control based on water system pressure monitoring point location of choice is also varied, leading to the air conditioning water system cycle pump energy consumption of different sizes. Therefore, in view of the above problems, according to the test and diagnosis re

10、sults of the actual air-conditioning system, as well as many problems in the study of air conditioning water system requirements, the establishment of universal intelligent control test platform for water system. The research and development of the problem has important academic and practical value

11、for reducing the energy consumption of air conditioning system, building energy saving and emission reduction.首先，本文针对某冲调系统的检测，针对空调水系统控制调节共性问题，设计并建设了中央调系统智能控制试验台，包括空调水系统、电气系统和网络控制系统。在此接础对试验台各设备、管路、传感器、执行机构等机电设备系统的特性进行测试分析，为后续的试验研究工作奠定了试验基础。First of all, this paper for a detection system, common probl

12、ems of regulation to control the air conditioning water system, design and construction of the central coordination of the intelligent control system of test-bed, including air conditioning water system, electrical system and network control system. The characteristics of foundation on the ground of

13、 the experiment the equipment, pipeline, sensor, actuator electromechanical equipment systems are tested and analyzed, and it lays the experimental basis for the follow-up research work.其次，本文引入空调水系统最不利水力环路和最不利热力环路的概念，并进行辨析，针对末端没有阀位反馈的空调水系统，提出了以房间温度和供回水温差为参考的空调水系统最不利热力环路辨识方法，通过试验验证了该方法的可行性。Secondly,

14、this paper introduces the concept of air conditioning water system is the most unfavorable hydraulic loop and the most unfavorable thermodynamic loop, and analysis, for the end of the no valve position feedback of the air conditioning water system, put forward to room temperature and supply and retu

15、rn water temperature difference for the reference of air conditioning water system the most unfavorable thermodynamic loop identification method, through the experiments verify the feasibility of the method. 第三，本文针对空调系统的启动时间和启动方式，试验研究空调水系统并联水泵启动台数和上班前预冷启动时间，分析了空调水系统总体能耗大小，结果表明，针对本试验系统中的两台并联水泵预冷阶段时联动

16、要比单独启动一台时能耗要小。Third, this paper for the air conditioning system start time and start way, experimental study of the air conditioning water system parallel pump start units and pre cooling before work start time, analyzes the water system of air conditioning energy consumption in general size, result

17、s show that for the test system of two pumps in parallel pre cooling stage linkage than separate start a more energy efficient. 第四，本文针对中央空调的节能问题，对中央空调水泵变频调速系统进行分析及设计。利用可编程控制器、模拟量扩展模块、变频器、温度传感器等代替传统再热量调节系统，实现中央空调水泵的变频调速。通过对空调出口温度进行检测，变频系统实时调节中央空调水泵转速，达到节能目的。采用变频技术控制中央空调水泵，是当前空调系统节能改造的有效途径。Fourth, in

18、this paper, the central air-conditioning energy saving problems, the central air conditioning water pump frequency control system analysis and design. By using the programmable controller, analog expansion module, frequency converter, temperature sensor instead of the traditional RE heat conditionin

19、g system, to achieve the central air conditioning water pump frequency conversion speed regulation. By measuring the temperature of the air conditioning outlet, the frequency conversion system can adjust the speed of the central air conditioning water pump in real time, so as to achieve the purpose

20、of saving energy. Using frequency conversion technology to control the central air conditioning water pump is an effective way to transform the current air-conditioning system energy saving. 最后，本文针对水泵变频控制中压差参考点的选择进打研究，试验表明，压差参考点设置在空调水系统主干管中间位置时，循环水泵的能耗最低。Finally, in this paper, the water pump freque

21、ncy conversion control of the selection of medium pressure reference point into the study, the test shows that the pressure reference point is set in the middle of the main pipe of the air conditioning water system, the minimum energy consumption of circulating water pump. 上述问题为空调水系统在实际运行中普遍存在的共性问题，

22、所研究的调节控制方法对实际空调水系统的运行调试具冇较大的参考价值。The problem for the air conditioning water system in the actual operation of universal existence of common problems, Institute of adjusting control method of actual air conditioning water system running debugging have great reference value. Key words：Air conditioning

23、 water system; minimum profit loop; water bar starting force type; reference point; experimental research, central air conditioning, variable frequency speed regulation technology, programmable controller PLC, PID目 录1 绪论11.1 中央空调变频调速的意义11.2 变频调速技术介绍12 系统原理分析及方案设计52.1 中央空调结构原理52.2 变频调速系统工作原理72.3空调变频控

24、制系统的构架82.4总体设计方案的确定93 系统硬件设计113.1 可编程控制器的选型113.1.1 可编程控制器概述113.1.2 可编程控制器的选型123.2 模拟量I/O模块及传感器选型143.2.1 模拟量输入模块选型（A/D）143.2.2 模拟量输出模块选型（D/A）173.2.3 温度传感器选型183.3 变频器的选型及参数设置203.3.1 变频器的选型203.3.1 变频器的参数设置213.4 总体电路图234 系统软件设计254.1内存变量分配254.2 控制系统程序设计274.2.1 主程序设计274.2.2 PID控制的设计及实现314.2.3 冷却水系统循环控制及PI

25、D调节程序334.2.4 冷冻水系统循环控制及PID调节程序374.2.5 传送冷却水和冷冻水PID参数子程序384.2.6中断服务程序405 系统调试445.1 初始化程序调试445.2 冷却水、冷冻水系统PID调节程序调试47参考文献54致谢55附录1 完整程序56附录2 系统总体电路图66II湘南学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 中央空调变频调速的意义节能已经成为一个全球性话题，而空调节能作为其中举足轻重的一个项目，牵动着许多国家的神经。近几年，随着能源问题的日趋紧张，各国纷纷看到空调节能的重要性，采取了一系列措施鼓励节能产品入市。据统计，在全球有76的国家制定了强制性最小能效标准或标

26、识；19的国家实施了自愿性标准或标识；约95的国家和地区把能源效率作为衡量产品质量的重要指标之一。变频技术在中央空调中的节能设计针对社会发展中出现的热点和难点问题选题研究，现如今的社会，讲究环保、节能、可持续发展，如何在给人类提供方便舒适的生活环境下而尽量的节约能源成为了社会的热点话题，空调是现代化楼宇中不可缺少的一部分，随着我国经济的不断发展和城市化进程的不断推进，中央空调的应用会越来越广泛。但是中央空调的能耗非常大，约占整个建筑总电量的60%-70%。对中央空调系统的节能研究、节能改造显得尤为重要。变频技术随着微电子学、电力电子、计算机和自动控制理论等的发展，已经进入了一个崭新的时代,完全

27、成熟的技术，也使其应用进入了一个新的高潮。它是通过变频调速改变轴输出功率，达到减少输入功率节省电能的目的。变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点,是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多,从50年代提出的电压源型变频器开始,相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。随着空调应用的日益普及，其能耗在社会总能耗中所占的比例越来越高。减少空调系统的能耗对全社会的节能，促进国民经济的持续发展具有重大意义。常规中央空调系统的送风量是根据空调房间的最大热、湿负荷确定，且保持不变。空调负荷减少时，通过调节送风温度（调节再热量）来维持室温。这种方法不仅浪费了热量而且浪费制冷机组相

28、当的冷量。在变风量空调系统中，可根据房间温湿度参数的变化，通过变频调速装置调节风机的转速，改变送风量（应大于最小送风量），送风温度保持不变。显然变风量空调系统可充分利用最大送风温差，节约再热量和与之相应的冷量，减少风机的功率消耗，提高空调系统的运行经济性1。在夏季室内负荷下降时，先减少送风量，当送风量减至最小送风量时可利用末端再热装置适应室内冷负荷的减少。当再热量不足以补偿室内负荷变化时，系统由夏季工况转至冬季运行工况，系统开始送热风。为节省能量，可先进行定风量变风温的调节方法，当供热负荷继续增加时，再改为变风量调节方法。1.2 变频调速技术介绍变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用

29、最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从50年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。（1）变频器按变换环节分交-交变频器把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的一半以下，故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。交-直-交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节容易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这一

30、种。（2）变频器按电压的调制方式分PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几乎己经不采用了。PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM）方式。（3）变频器按直流环节的储能方式分电流型直流环节的贮能元件是电感线圈。电压型直流环节的贮能元件是电容器。变频器的功用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0400Hz）的三相（或单相）交流电2。由上式可知道：当频率连续可调时，电动机的同步转速也连续可调。又

31、因为异步电动机的转子转速总是比同步转速略低一些，所以，当连续可调时，也连续可调。由于磁极对数不同的异步电动机，在相同频率时的转速是不同的。所以，即使频率的调节范围相同，转速的调节范围也是各异的，因此采用变频和变极调速相结合的方法，可以大大提高变频器的工作效率。由于转速与频率成正比，即：= （1-1）式中：-转速； -频率；-电机磁极对数；-转差率。若将电机的运行频率由原来的50Hz下调到40Hz时，电机的实际转速n，降为额定转速的80%,即，由于电机的额定功率，因此，电机运行在40Hz时的实际功率为： （1-2）则节电率为： （1-3）由此可见，若风机和水泵的电机运行在40Hz时，理论上，电机

32、实际消耗的功率只有额定功率的一半左右，此时，理论上节电率为48.8%，交流变频调速的节电效果相当显著，经济效益十分可观。中央空调系统采用变频调速技术，电机可在很宽的范围内平滑调速, 可将所有节流阀去掉, 使管道畅通，可免去节流损耗。通过改变电机转速而改变水的流速, 从而改变水的流量，达到制冷机正常工作要求和平衡热负荷所需冷量要求，达到节能目的。采用变频调速技术的关键是电机转速的可调和可控。这种系统可由多台水泵电机组成，其中只有一台水泵处于变频调速状态，就可以达到节能目的。这种系统最大程度地节约了设备。电机的变频调速系统是由PLC控制器进行切换和控制。662 系统原理分析及方案设计2.1 中央空

33、调结构原理中央空调是由一台主机通过风道过风或冷热水管或管线连接多个末端的方式来控制不同的房间以达到室内空气调节目的的空调。 中央空调的工作原理与家用一样，都是利用冷媒（运输热量的媒质叫冷媒）的物理原理把室内的热量带到室外去达到制冷的效果。中央空调工作原理如图2-1所示。图2-1 中央空调工作原理中央空调系统主要由冷冻主机、冷却水循环系统、冷冻水循环系统、风机盘管系统、风机和冷却塔等组成。中央空调的工作过程：冷冻主机是中央空调的制冷源，从冷冻主机内流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。冷却水塔为冷冻主机提供冷却水，冷却水经管道盘旋流过主机

34、后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。2.2 水泵的介绍图2-2 中央空调系统水泵中央空调中的水泵是作为全部循环水系统提供动力的设备装置。冷冻水泵是冷冻水环路中驱动水进行循环流动的装置，空调房内的末端（如风机盘管、空气处理机组等）需要冷水机组提供的冷水，但是冷冻水由于阻力的限制不会自然流动，这就需要水泵驱动冷冻水进行循环以达到换热的目的；冷却水泵是在冷却水环路中驱动水进行循环流动的装置，冷却水在进入冷水机组后带走制冷剂一部分热量，而后流向冷却塔将这部分热量释放掉，而冷却水泵就是负责驱动冷却水在机组与冷却塔这个闭环中进行循环。采用交流变频技术控制冷冻/冷却泵的运行，是目前中央空调系统节

35、能改造的有效途经之一。2.3中央空调调节冷冻/冷却泵转速的节电原理 泵的负载功率与转速成3次方比例关系，即PN3，其中P为功率，N为转速；可见用变频调速的方法来减少水泵流量的经济效益是十分显著的，当所需流量减少，水泵转速降低时，其电动机的所需功率按转速的三次方下降。例如：(1)当水泵流量下降10（跟踪输出频率为45Hz）则电动机轴功率P=(0.9)3P=0.729P 即节电率27.1 (2)当水泵流量下降30（跟踪输出频率为35Hz）则电动机轴功率P=(0.7)3P=0.343 即节电率65.7当冷水机负荷下降时，所需的水流量减少，通过电动机的调速装置降低泵的转速来减少水的流量，泵的轴功率相应

36、减少，电动机的输入功率也随之减少。当用冷量增加，冷机负荷量增大，冷凝器进出水温差增大，变频器运行频率增加，水泵转速加快，水流量增加，从而维持温差恒定。反之亦然。从而达到理想的节能效果。节电控制原理：变频中央控制器通过温度模块及温度传感器将冷冻/冷却泵的回水温度和出水温度读入内存，并计算出温差值；然后根据其温差值来控制变频器的转速，调节出水的流量，控制热交换的速度；温差大，说明室内温度高，应提高冷冻/冷却泵的转速，加快冷冻/冷却水的循环速度和流量，加快热交换的速度；反之温差小，则说明室内温度低，可降低冷冻/冷却泵的转速，减缓冷冻/冷却水的循环速度和流量，减缓热交换的速度以节约电能；变频器的启动、

37、停止、运行频率的改变及监控显示数据如变频器输出功率、变频器输出频率、输出电流，输出电压等都是由变频中央控制器通过485通信协议实现的。2.4 变频调速系统工作原理 PLC是变频调速控制系统的关键部件。其作用是协调各机组与变频器之间的电气连接，通过接触器与变频器柜的继电器和接触器进行逻辑切换来实现系统的控制方案。PLC的输入信号有机组选择信号、运行方式选择信号、冷却塔和主机开/关信号、冷冻泵和冷却泵的起/停信号等。输入信号经程序运算，发出相应的动作信号，经微型继电器及相应的常闭、常开触头分别控制变频器及中央空调系统的运行，以及声、光报警器件的动作。PLC软件程序设计采用梯形图语言编程，直观易懂。

38、该系统主要由变频器、可编程控制器、主接触器、水泵机组及温度检测装置组成闭环自动控制系统。可编程控制器用水泵机组都可运转在工频以下和变频以下两种状态。这由系统根据实际需要进行切换控制。I/O扩展接口分别接入A/D和D/A模块，A/D模块通过PLC将温度模拟量转换为数字量，D/A模块将PLC输出的开关量转换为模拟量，以控制变频器的升速过程及降速过程。温度检测装置将状态送A/D,A/D有多个数字量（x0,x1,x2,x3）输人PLC,进行控制热负荷从小至大之间的变化，首先对PLC进行设定上限x1、下限x0。刚开始工作热交换量为零。x0、x1处于关断状态。PLC控制下，KM3接通，1号泵接入变频器电源

39、，同时启动升速程序，按D/A模块输出电压的设定曲线升速,从而使1号泵进行软启动。1号泵转速逐渐增大，热交换量也逐渐增加。若达到设定的下限x0时，则1号泵在该频率下稳定运行；若频率增至50Hz时还未达到下限x0，则PLC发出指令KM3释放，KM2闭合，1号泵由工频电网直接供电，全速运转，同时D/A输出为0。PLC指令KM5闭合，2号泵接入变频调速状态，并由PLC控制按设定曲线升速。若升到50Hz频率下还未达到设定下限x0，则2号泵切换为工频，3号泵为变频调速, 继续下去, 直到热交换量达到下限x0，电机稳定运行于此状态下。如果热交换量超过上限x1，设定下调时，接入变频器的第n个水泵，其输出频率降

40、低，若降至0Hz时，还未达到上限x1，则第n个水泵停，同时D/A置5V，第n-1个水泵切换变频状态，并按设定曲线降低直至达其设定上限x1，水泵稳定运行于此状态下。需注意，在水泵进行工频和变频电网的切换过程尽可能快，各接触器间互锁和动作时间要设置好。该控制系统, 在任何状态下, 只需一台水泵电机处于调速状态, 其它电机可根据需要处于工频状态或停机状态, 就可实现热交换从零至最大的控制过程。冷却水、冷冻水系统可分别用一台PLC控制器和一台变频调速器来控制。2.5空调变频控制系统的构架空调变频控制系统，依据水泵变频曲线和系统曲线计算出最佳运行模式后，使n台水泵在最佳频率下运行。随着用户量的不断变化,

41、实际差压值会经常偏离设定值。为了彻底消除该水泵系统的剩余扬程，空调变频系统将作进一步的PID调节。控制原理方框图如图2-5所示。图2-5 系统的控制原理图系统将差压变送器的实时反馈值与目标设定值比较,其差值被送入PLC的内部PID调节器，经过运算,输出频率信号对水泵进行调速，以达到消除差压动态偏差的目的。其算法为： （2-2）式中 -调节器的输出；-比例时间常数；-差压设定值()与差压实测值()之差；-差压积分时间常数；-差压微分时间常数。以上所有算法，将在西门子的PLCS7-200上实现。2.6总体设计方案的确定对中央空调冷却水和冷冻水回水温度进行检测，然后将检测温度信号经变送器和A/D转换

42、模块反馈给PLC进行处理，再由PLC输出通过变频器控制冷却泵和冷冻泵转速，从而对温度进行控制。目前，对冷却水系统和冷冻水系统分别进行调速的方案最为常见，节电效果也较为显著。该方案在保证冷却塔有一定的冷却水流出的情况下，通过控制变频器的输出频率来调节冷却水流量。当中央空调冷却水出水温度低时，减少冷却水流量；当中央空调冷却水出水温度高时，加大冷却水流量。冷冻水系统也是如此。在冷冻水和冷却水的回水管道上安装温度传感器，只检测回水温度，然后经过PLC的处理对变频器实行控制。这样可确保中央空调机组正常工作的前提下达到节能增效的目的。系统的结构图如图2-6所示。图2-6 系统结构图3 节能控制分析3.1

43、可编程控制器（PLC）的选型3.1.1可编程控制器的硬件组成。可编程控制器的硬件部分由中央处理器单元（CPU模块）、存储器、输入/输出（I/O）模块、电源模块、通信模块、编程器等部分组成。如图3-1所示。3.1.2可编程控制器的工作原理(1)可编程控制器是以顺序扫描的方式工作的。用户程序通过编程器输入并存放在可编程控制器的用户存储器中。当可编程控制器运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时执行多个操作的，它只能按分时操作原理工作，即每一时刻只执行一个操作。由于CPU的运算处理速度很高，使得外部出现的结构从宏观上看好像是同时完成的。这种按分时原则，顺序执行程序的各种操作的过程

44、称为CPU对程序的扫描。执行一次扫描的时间成为扫描周期。(2)可编程控制器的工作过程。可编程控制器是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的方式工作的，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。图3-1 可编程控制器的硬件结构框图(3)可编程控制器的基本功能可编程控制器有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功能：a）逻辑处理功能；b）数据运算功能；c）准确定时功能；d）高速技术功能；e）中断处理（可以实现各种内外中断）功能；f）程序与数据存储功能；g）自检测、自诊断功能。3.1.3 可编程

45、控制器的选型通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对I/O相应时间的选择以及输出负载的特点选型的分析。并且根据轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高速技术器，综合考虑后，本设计选择S7-200可编程控制器。S7-200系列PLC的主要特点如下：采用整体固定I/O型与基本单元加扩展的结构，PLC的CPU、电源、I/0安装于一体，结构紧凑、安装简单。运算速度快，基本逻辑控制指令每条0.22us，可以实现高速控制。编程指令、编程元件较丰富，性价比高。PLC集成有固定点数的告诉计数输入与高速脉冲输出，脉冲频率可以达到20100kHz。PLC带有RS-485串行通信接口，可以支持无协议通

46、信与点到点通信（PPI）、多点通信（MPI）、PROFIBUS总线通信。本文选配的S7-200 PLC主要由CPU226、模拟量输入EM231模块和模拟量输出EM232模块三部分组成。3.2 模拟量I/O模块及传感器选型3.2.1 模拟量输入模块选型（A/D）EM231热电阻模块可以通过DIP开关来选择热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障方向。连接到同一个扩展模块上的热电阻必须是相同类型的。改变DIP开关后必须将PLC断电后再通电，新的设置才能起作用4。表3-1 EM231主要参数耗电量自+5V DC（自I/O总线）自L+L+电压范围，2级或DC传感器供电87mA60mA20.4至28.

47、8V DCLED 指示灯24V DC电源供电良好ON=无错，OFF=无24V DC电源，SF：ON=模块故障，闪烁=输入信号错误,OFF=无错模拟量输入特性现场至逻辑现场至24V DC24V到逻辑500V AC500V AC500V AC共模输入范围（输入通道至输入通道）120V AC共模抑制120dB 120V AC输入类型无隔离差分输入输入范围RTD类型(选一种)Pt-100，200，500，PT-1000-10000Cu-9.035Ni-10，120，1000R-150，300，600输入分辨率温度电阻0.115位加符号位模块更新时间：所有通道405ms连线长度（最大）100米至传感器线

48、回路电阻（最大）最大为20数据字格式电压：-32000至+32000最大输入电压30V DCEM231的配置区有3个设定开关，用于模拟量输入范围（量程）、分辨率、类型等的选择，设定开关的作用如表3-2所示。表3-2 EM231设定开关表输入类型与范围分辨率开关设定SW1SW2SW3单极性，010V电压输入2.5mV单极性，05V电压输入1.25mV单极性，020mA电流输入5uA双极性，05V电压输入2.5mV双极性，02.5V电压输入1.25mV-设定开关ON；-设定开关OFF由于本设计采用的A/D转换模块，EM231输入类型为单极性，05V电压输入。所以选择分辨率为1.25mV，SW1、S

49、W2、SW3分别为ON、ON、OFF的设定。模拟量输入端的接线方式： 模拟量是通过带屏蔽的双绞线把信号输入每个信道，将第一路测量信号接入EM231的A+和A-端；将第二路测量信号介入EM231的B+和B-端。EM231需要外部提供DC24V电源，电源从L+、M端输入。硬件连接图如图3-2所示。图3-2 热电阻与EM231硬件连接图A/D转换的输入/输出关系曲线如图3-3所示。图3-3 A/D转换的输入/输出关系曲线3.2.2 模拟量输出模块选型（D/A）模拟量输出模块是将中央处理器的二进制数字信号(如4095等)转换成420mA的电流输出信号或010V，05V的直流电压输出信号，以提供给执行机

50、构。模拟量输出模块选用EM232模块。其主要参数指标见表3-3：表3-3 EM232模块的主要参数模拟量输出特性模拟量输出点数2隔离(现场侧到逻辑线路)无信号范围电压输出电流输出10V020mA数据字格式电压电流-32000+320000+32000分辨率全量程电压电流12位11位数字量到模拟量转换器（DAC）的12位读数，其输出数据格式是左端对齐的，最高有效位：0表示是正值数据字，数据在装载到DAC寄存器之前，4个连续的0是被裁断的，这些位不影响输出信号值4。 D/A转换模块输入/输出关系如图3-4所示。图3-4 D/A转换模块输入/输出关系（1）模拟量输出端的接线方式：经过D/A转换后，模

51、拟量通过双绞线把信号输出，如果是输出电压信号，则将双绞线接到信道的M0，V0端；如果输出的是电流信号，那么应先将双绞线接到信道的M0和I0端。（2）接线方式如图3-5所示。图3-5 EM232端子接线图3.3 温度传感器选型温度检测的主要方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分成接触式与非接触式两大类。接触式检测方法主要包括基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表；基于导体或半导体电阻值所温度变化的热电阻温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有亮度法、全辐射法和比色法等。热敏电阻是用金属氧化物

52、或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件。热敏电阻有正温度系数（PTC）、负温度系数（NTC）和临界温度系数（CTR）三种。温度特性曲线如图3-6所示。图3-6各种热敏电阻特性温度检测用的主要是负温度系数热敏电阻，PTC和CTR热敏电阻则利用在特定温度下电阻值急剧变化的特性构成温度开关器件。PT100温度传感器的测量温度范围是：-50450。Pt100热电阻隔离变送器：型号：RS3011。该产品是用PT100传感器测量温度的隔离变送器，在工业上主要用于测量-200+500的温度。主要特性：（1）输 入： Pt100(-20+400) (范围可选择)（2）输出信号： 420mA/05V（3）精度等级

53、： 0.2级(FSR%)（4）内含线性化和长线补偿功能（5）隔离耐压：2500VDC(0.5mA,60S)（6）DIN35导轨安装（7）精度高、性能稳定可靠3。因本设计需求，特选择输入温度范围为0+100。3.4 变频器的选型及参数设置3.4.1 变频器的选型在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。按连续恒负载运转时所需的变频器容量(kVA)的计算式计算6： （3-1）式中：负载所要求的电动机的轴输出功率，单位为W；电动机的效率(通常约0.85)；电动机的功率因数(通常约0.75)；

54、电流波形的修正系数，对PWM方式，取 =1.05；变频器的额定容量。由于本系统所用的单台水泵功率为2.2kW，取=1.05，=2.2kW，=0.85=0.75，代入公式（2.3）得：1.052.2/0.850.75=3.62kWFR-A540系列变频器的容量为0.4kW55kW。由于本系统采用的是一台变频器只为一台电机提供电源，即一台变频器对应一台水泵，所以根据计算得出，应选择FR-A540-3.7K-CH的变频器。具体参数如下6：（1）功率：3.7KW（三相380V，50Hz）（2）电流：9A（3）特点：采用先进磁通矢量控制方式，调速可达1：120（0.5-50Hz）。采用可直接监视并控制主回路的智能驱动回路（最新开发的ASIC），使低速时不均匀旋转得到大幅度的改善。可拆卸式风扇和接线端子，维护方便。内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准。FR-A540变频器调制方式为PWM调制，控制方式为V/F控制，具有转矩提升，点动，制动与上位机通讯等功能。3.4.2 变频器的参数设置在本系统中，PLC通过D/A转换模块将控制量通过“2”引