PLC变频器在恒压供水上的应用

硬件设计方案3.1主要器件选型3.1.1PLC简洁PLC即可编程控制器（ProgrammablelogicController，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：PLC英文全称ProgrammableLogicController，中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程.PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。一、PLC具有以下特点：1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。二、PLC的应用领域：目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。三、PLC的国内外状况：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。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，美国数字设备公司（DEC）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,是世界上公认的第一台PLC.限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）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ProgrammableLogicController（PLC）。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。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30~40%。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。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。四、PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式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。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。1、CPU的构成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。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。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。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。2、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。3、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IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。4、电源模块PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。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24VDC）。5、底板或机架大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。3.1.2PLC的选型目前，世界上有plc厂商200多家，各种型号产品几千种。plc产品按地域上分成三个流派，分别是美国产品、欧洲产品、日本产品。美国：AB（allen-bradly）、GE（generalelectric）；欧洲：德国的西门子（siemens）、法国的te（telemecanique）；日本：三菱电机（mitsubishielectric）、欧姆龙（omron）。此外控制工程网版权所有，国内市场上还有韩国、台湾地区等PLC产品。现有的PLC种类繁多，型号齐全。要根据工业的实际需要选择合适的PLC。我国工业企业的自动化程度普遍较低，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器控制。加入我WTO后控制工程网版权所有，中国正日益成为世界新的制造业基地，制造业的控制主要以逻辑控制为主，大量传统产业的自动化改造也为PLC的应用提供广阔的发展空间。ARC咨询集团近期发布的《中国可编程序控制器（PLC）展望》报告指出：中国制造业增长迅速，某些行业的增长率甚至达到20%。在未来五年内，中国PLC市场的综合年增长率预计将达到14.1%。由于种种原因，国产品牌的PLC在国内PLC市场份额所占比例很小，一直没有形成产业化规模，中国目前市场上95%以上的PLC产品来自国外公司。目前中国PLC市场主要厂商为siemens、mitsubishi、omron、rockwell、schneider、ge-fanuc等国际大公司，欧美公司在大、中型PLC领域占有绝对优势，日本公司在小型PLC领域占据十分重要的位置，韩国和中国台湾的公司在小型plc领域也有一定市场份额。2003年10月，国内媒体开始关于中国PLC市场的研究，依据得到的样本分析，初步得出正在使用的众多plc的品牌中，西门子、三菱及omron占据绝对的优势，60%左右的用户使用了这些品牌的plc产品，而rockwell/ab、ge-fanuc和富士等品牌也占有相当的市场份额。综合考虑，选择西门子S-200系列的PLC较为合适。SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：•极高的可靠性•极丰富的指令集•易于掌握•便捷的操作•丰富的内置集成功能•实时特性•强劲的通讯能力•丰富的扩展模块S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：•冲压机床•磨床•印刷机械•橡胶化工机械•中央空调•电梯控制•运动系统S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU供您使用。如表3-1西门子S-200系列PLC的型号有：S7-221,S7-222,S7-224,S7-224XP,S7-226表3-1西门子PLCS-7200系列分类型号概述S7-221本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点。无I/O扩展能力。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。S7-222本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点。可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。S7-224本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。S7-224XP本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100KHz)，2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。S7-226本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些4复杂的中小型控制系统。控制系统的输入输出信号的代码、名称及地址编号如表3-3所示。水位上下限信号分别为I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。从表中分析可以知道，系统共有开关量输入点6个，开关量输出点12个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选择XP222PLC，也需要扩展单元，如果选择XP226PLC，则价格较高，浪费较大。参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选主机为CPU为XP224PLC（14/10继电器输出）一台，加上一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配置时最经济的。如图3-1主机单元主机单元CPU224AC/DC继电器模拟量单元EM2354AI/IAO图3-1PLC系统配置图3.1.3变频器简介变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器主要是由主电路、控制电路组成。如图3-2图3-2变频器电器原理图主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。从理论上可知电机的转速N与供电频率f有以下关系：n=2*60f(1-s)/q(q-电机极数s-转差率)（3-1）由上式可知，转速n与频率f成正比，如果不改变电动机的级数，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。变频器在工频以下和工频以上工作时的情况：（1）变频器小于50Hz时，由于I*R很小，所以U/F=E/F不变时，磁通为常数，转矩和电流成正比，这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力，并成为恒转矩调速。（2）变频器50Hz以上时，通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。(T=Te,P<=Pe)变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速。下面用公式来定性的分析一下频率在50Hz时的情况。众所周知，对一个特定的电机来说,其额定电压和额定电流是不变的。如变频器和电机额定值都是:15kW/380V/30A,电机可以工作在50Hz以上。当转速为50Hz时，变频器的输出电压为380V，电流为30A。这时如果增大输出频率到60Hz，变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A。很显然输出功率不变。所以我们称之为恒功率调速。这时的转矩情况怎样呢？由于功率是角速度与转矩的乘积。因为功率不变，角速度增加了，所以转矩会相应减小。[7]我们还可以再换一个角度来看：从电机的定子电压U=E+I*R(I-电流，R-电子电阻，E-感应电势)（3-2）可以看出，U、I不变时，E也不变。而E=K*F*X(k-常数，f-频率，X-磁通)（3-3）所以当f由50-->60Hz时，X会相应减小。对于电机来说，T=K*I*X(K-常数，I-电流，X-磁通)（3-4）因此转矩T会跟着磁通X减小而减小。结论：当变频器输出频率从50Hz以上增加时，电机的输出转矩会减小。变频器中常用的控制方式：2.1非智能控制方式在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。2.2智能控制方式智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。3.1.4变频器的选型变频器选型时要确定以下几点：(1)采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。(2)变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。(3)变频器与负载的匹配问题；I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。II.电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。(4)在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。(5)变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。(6)对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。(1)首先确认变频器的安装环境；I.工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40(2)变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；I.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。II.控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。III.电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。IV.与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。(3)变频器控制原理I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。II.控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。(4)变频器的接地变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。综合考虑，本次设计采用西门子的MM440变频器。西门子的MM440变频器功能强大，多面手，应用广泛。MM440是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，额定功率范围从120W到200kW恒定（转矩CT控制方式），或者可达250kW（可变转矩VT控制方式），供用户选用。标准变频器MM440变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。

MICROMASTER440具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多的简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。

MICROMASTER440既可用于单机驱动系统，也可集成到‘自动化系统’中。特点：易于安装参数设置和调试易于调试牢固的EMC设计可由IT中性点不接地电源供电对控制信号的响应是快速和可重复的参数设置的范围很广确保它可对广泛具有多个继电器输出具有多个模拟量输出0-20mA6个带隔离的数字输入并可切换为NPN/PNP接线2个模拟输入AIN10-10V0-20mA和-10至+10VAIN20-10V0-20mA脉宽调制的频率高因而电动机运行的噪音低详细的变频器状态信息和全面的信息功能性能特征：矢量控制无传感器矢量控制（SLVC）带编码器的矢量控制（VC）V/f控制多点V/f特性内置的直流注入制动复合制动功能改善了制动特性内置的制动单元（仅限外形尺寸为A至F的MM440变频器）加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能起始和结束段带平滑圆弧起始和结束段不带平滑圆弧具有比例积分和微分（PID）控制功能的闭环控制动力制动的缓冲功能定位控制的斜坡下降曲线保护特性：过载能力为200％额定负载电流，持续时间3秒和150％额定负载电流，持续时间60秒过电压、欠电压保护变频器、电机过热保护接地故障保护，短路保护闭锁电机保护，防止失速保护表3-2变频器控制端子端子名称功能1-输出+10V2-输出0V3ADC1+模拟输入1(+)4ADC1-模拟输入1(-)5DIN1数字输入16DIN2数字输入27DIN3数字输入38DIN4数字输入49-隔离输出+24V/max.100mA10ADC2+模拟输入2(+)11ADC2-模拟输入2(-)12DAC1+模拟输出1(+)13DAC1-模拟输出1(-)14PTCA连接PTC/KTY8415PTCB连接PTC/KTY8416DIN5数字输入517DIN6数字输入618DOUT1/NC数字输出1/常闭触点19DOUT1/NO数字输出1/常开触点20DOUT1/COM数字输出1/转换触点21DOUT2/NO数字输出2/常开触点22DOUT2/COM数字输出2/转换触点23DOUT3/NC数字输入3/常闭触点24DOUT3/NO数字输入3/常开触点25DOUT3/COM数字输入3/转换触点26DAC2+模拟输出2(+)27DAC2-模拟输出2(-)28-隔离输出0V/max.100mA29P+RS485端口30P-RS485端口3.2供水系统电气设计主电路如图3-3所示，三台电机分变为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台电机过载保护用的热继电器；QF1、QF2、QF3、QF4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关。FU1为主电路的熔断器。KM5KM5变频器M1M2M3333KM1KM2KM3KM4KM6FR1FR2FR3QF1QF2QF3QF4NL1L2L3图3-3主电路原理图控制电路如图3-4所示。图中SA为手动自动转换开关，SA打在“1”的位置时为手动控制状态，打在“2”的位置时为自动控制状态。手动运行时，可以用按钮SB1~8控制泵的启/停和电磁阀YV2的通/段；自动运行时，系统在PLC程序的控制下运行。由于电池阀YV2没有触点，所以要使用一个中间继电器PLCPLCKM1KM2KM3KM4KM5KM6KA1KAHL10HAHL9HL8HL7VY2HL6HL5HL4HL3HL2HL1FR1FR2FR3KM2KM1Q0.0Q0.1KM1SB1SB2SB3SB4SB5SB6KM5KM3Q0.2Q0.3KM4KM3KM6KM5Q0.4Q0.5Q1.0KA1Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5KA1SB7SB8FU2NL1SA102468101214161820222426图3-4控制电路原理图3.3变频器、PLC接线图及参数设置西门子MM440西门子MM440ADC1+ADC1-A+A-PLCDIN1Q1.5L1L2L3UVW要与图对应好图3-5变频器接线图1M1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.72MI1.11LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.52LQ1.0Q1.1Q1.2ML+地M0V0I0增益配置配置RAA+A-RBB+B-RCC+C-RDD+西门子S7200CPU224D-EM235接变频器SA1SLLSLHSUSB9SB10Q1.3Q1.4Q1.5468101214161820222426远程压力变送器图3-6PLC接线图3.4PLCI/O分配表表3-3I/O信号的代码、名称及地址分配表代码名称地址输入信号SA1启动I0.0SLL水池水位下限信号I0.1SLH水池水位上限信号I0.2SU变频器报警信号I0.3SB9消铃按钮I0.4SB10试灯按钮I0.5UO远程压力表模拟量电压值AIW0输出信号KM1,HL11#泵工频运行接触器及指示灯Q0.0KM2,HL21#泵变频运行接触器及指示灯Q0.1KM3,HL32#泵工频运行接触器及指示灯Q0.2KM4,HL42#泵变频运行接触器及指示灯Q0.3KM5,HL53#泵工频运行接触器及指示灯Q0.4KM6,HL63#泵变频运行接触器及指示灯Q0.5YV2生活/消防供水转换电磁阀Q1.0HL7水池水位下限报警指示灯Q1.1HL8变频器故障报警指示灯Q1.2HL9火警报警指示灯Q1.3HA报警电铃Q1.4KA变频器频率复位控制Q1.5VF控制变频器频率电压信号AQW0软件设计方案4.1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、线圈的连接使用一个条件驱动多个线圈时，不能串联，只能并联。4.2程序流程图本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。逻辑运算报警处理等放在主程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可节省扫描时间，利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。生活供水时，系统设定值为满量程的70%；消防供水时，系统设定值为满量程的90%。在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步完成确定。初步确定的增益时间常数为：增益K=0.25采样时间TS=0.2s积分时间Ti=30min程序中使用的PLC元器件及其功能如表4-1表4-1程序中使用的元器件及其功能器件地址功能VD100过程变量标注化值VD104压力给定值VD108PI计算值VD112比例系数VD116采样时间VD120积分时间VD124微分时间VD204变频器频率下限值VD208生活供水变频器运行频率上限值VD212消防供水变频器运行频率上限值VD250PI调节结果存储单元VD300变频工作泵的泵号VD301工频运行泵的总台数VD310倒泵时间存储器T33工频/变频转换逻辑控制T34工频/变频转换逻辑控制T37工频泵增泵滤波时间控制T38工频泵减泵滤波时间控制T39工频/变频转换逻辑控制M0.0故障结束脉冲信号M0.1泵变频启动脉冲M0.3倒泵变频启动脉冲M0.4复位当前变频运行泵脉冲M0.5当前泵工频运行启动脉冲M0.6新泵变频启动脉冲M2.0泵工频/变频转换逻辑控制M2.1泵工频/变频转换逻辑控制M2.2泵工频/变频转换逻辑控制M3.0故障信号汇总M3.1水池水位下限故障逻辑控制M3.2水池水位下限故障消铃逻辑控制M3.3变频器故障消铃逻辑控制M3.4火灾消铃逻辑控制开始开始初始化液位>SLL压力<设定值M1启动变频运行升至出水频率压力<设