基于S7-200PLC的控制的变频恒压供水系统设计.doc

毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 1 页 装 订 线 第第一一章章 绪绪 论论 1.1 变频调速恒压供水的目的和研究意义 随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注 的问题。例如,人们日常生活中的用水量越来越大,一天中的用水量的波动也越 来越大。以往的供水系统中,水泵的选取往往是按最大供水量来确定,而实际的 用水量在不断变化。高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不 仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠 手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。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的水 位要求变化较大，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水位达不到要求,供水压力不足， 用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患 （例如压力过高容易造成爆管事故） 。这里,介绍一种基于 s7-200 的变频控制的 恒压供水控制系统,它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力,又能节约能源 本控制系统将 plc、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，发 挥各自优势，并设计了配套的界面美观、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。实践证明，本系统不仅满足了生产的需要，提高了整个水厂的整体 管理水平，而且仅节约用电一项就为水厂创造了巨大的经济效益，并且保障了 用户的用水要求。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前 景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。 1.21.2 变频调速技术的特点及应用 作为高性能的调速传动，直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直应用 广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异 步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。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 3。 70 年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管 变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能 可以和直流电动机的调速性能相媲美。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，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占 有明显的优势。到 80 年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 2 页 装 订 线 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是可节电 4060，节水 1530。 由于变频调速具有调速的机械特性好，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。尤其当它应用于风机、水泵 等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统 主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和 交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。 自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频 调速恒水位供水设备以其节能、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、恒水位供水调速系统实现 水泵电机无级调速，依据用水位的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化 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定和水位恒定以满足用 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。 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的 投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法 比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压、供水调速系统的这些优越性，引起 国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。 目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求 高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络 供水调度和整体规划要求的必然趋势。 在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早 期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可 靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而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。 1.31.3 可编程序控制器的特点及应用 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 3 页 装 订 线 早期的可编程序控制器(programmable logic controller，plc)，主要用来代 替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展， 可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体， 具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好 的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。 1969 年，美国数字设备公司(dec)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的 可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器 完成的顺序控制、定时等。70 年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被 用于 plc，使得 plc 的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以 外，还增加了模拟量模块、远程 i/o 模块和各种特殊功能模块。在软件方面，plc 采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外， 还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入 80 年代中、后期， 由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得 plc 所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高 plc 的处理速度， 各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了 plc 软、硬件功能。 在发达工业国家，plc 已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息” 的世界 plc 以及软件市场报告称，1995 年全球 plc 及其软件的市场经济规模约 50 亿美元。随着电子技术和计算机技术的发展，plc 的功能得到大大的增强，具有以 下特点： 1） 可靠性高。plc 的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的 周期循环扫描工作方式。 2） 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。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话 的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 3) 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。 4) 编程简单易学。plc 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对 使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理 解和掌握。 5) 安装简单，维修方便。plc 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运 行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由 于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 4 页 装 订 线 系统迅速恢复运行。 由于 plc 强大功能和优点，使得 plc 在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。 plc 在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自 动加矾、水泵变频调速、scada 系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进 行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。 1.4 毕业设计任务 本次毕业设计课题名称是基于 s7-200plc 控制的变频恒压供水控制系统设计，我 的主要任务是完成本系统的硬件和软件设计，大体为以下五项内容： 1 变频调速恒压供水系统现状和发展 主要介绍其系统的目的和意义，变频器的 发展史一直到广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、 综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性 强、无公害化发展；介绍了 siemens 公司的产品系列史，plc 与其它工业装置的比 较：plc 与继电器控制系统，与集散控制系统，与工业控制计算机。以及其特点。 2 变频调速恒压供水系统的理论原理以及总体方按的设计 主要是变频器的构成、 控制方式和形式，控制方式有三种形式：v/f 控制、转差频率控制、矢量控制；变 频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统调速范 围的确定。变频调速恒供水系统方案；控制系统的工作过程 系统的工作过程分为 以下几个工作状态：1#电机变频启动；1#电机工频运行，2#电机变频运行；1#和 2# 电机工频运行；3 #电机变频运行；然后是先停 1#电机，再停 2#电机，3#电机变频 运行，变频工频切换技术解决方案。 3系统硬件设计（主电路、控制电路） ；s7-200p lc 接线图设计，包括输出输入上 元件的分配及编号，plc 模块由 cpu226 构成。 4应用软件设计（plc 程序设计） 主要介绍了编程软件的特点、语言和梯形图其 本绘制规则；控制系统程序设计主要包括初始化程序、停机程序、水泵电机启动程 序、小功率电机变频/工频切换程序、报警程序；整个系统程序的工作过程以及编程 中应注意的细节。 总之，在本次设计中，必须完成图表：论文说明书、电气原理图、元件布置图、 接线图、元件明细表、图纸目录图、软件梯形图。 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 5 页 装 订 线 第二章第二章 变频恒压供水控制系统的方案设计系统的方案设计 2.12.1 变频器的控制方式变频器的控制方式 变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾经出现过多种类型 的变频器，但目前成为市场主流的变频器基本上有着图 21 所示的基本结构。 控制电路 整流电路逆变电路直流中间电路 交流电 商用电源 交流电 频率和电压 可调的交流电 图 21 变频器的基本结构 变频调速的控制方式经历了 v/f 控制、转差频率控制、矢量控制的发展，前者 属于开环控制，后两者属于闭环控制，正在发展的是直接转矩控制。 1、v/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 由电机学的基础知识可知，异步电动机转矩m与气隙磁通、转差频率f2的 关系为： (2-1) 2 2 fm 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。 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，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。 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 6 页 装 订 线 2.22.2 变频调速的节能、调速原理变频调速的节能、调速原理 2.2.1 水泵工况点的确定以及变化 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。 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 2-2） ，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 2-2 中可以找出 a 点的扬程ha、流量qa以及效率 a。 从图 2-2 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水 水泵性能曲线 管路性能曲线 图 2-2 水泵工作点的确定 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 23 所示： 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 7 页 装 订 线 曲线 图 23 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 p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2-4 水泵变速恒压工况 根据 2-4 图水泵变速恒压工况分析：当管网用水由 q2、q1.向 q0 移动时，通 过改变水泵转速使 p0 保持恒定。 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 8 页 装 订 线 2.2.2 变频调速恒压供水系统中水泵工况调节过程 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 （22） 式 22 中： p极对数,s转差率 因此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 （23） h1/h2=(n1/n2)2 （24） p1/p2 =(n1/n2)3 （25） 或 h =kq2 （26） 式 26 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。 在变频调速恒压供水系统中，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 2-5 来说明。 -q 相似工况抛物线 c a 水泵性能曲线 管路性能曲线 图 2-5 变频调速恒压供水水泵工况调节图 由图 2-5 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 4-20a电 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 9 页 装 订 线 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。 2.2.3 变频调速恒压供水系统调速范围的确定 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。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。 2.32.3 系统的方案设计 3 台水泵，1 台变频器，1 台 s7-200plc,模拟量输入输出单元以及线性压力传 感器等组成。其中 plc,模拟量输入输出单元和压力传感器组成闭环反馈控制系统。 plc 控制各台水泵的运行状态（如工频运行，变频运行及停止等） ，从而控制水泵的 运行台数，在大范围上控制水的流量；plc 内部 pid 该系统主要由调节器控制供水 的流量。水泵的速度调节采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制，采 用“一边多定”的控制方式，并根据模拟量输入输出模块输出的电流信号驱动变 频水泵。 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 10 页 装 订 线 图 2-6 变频调速恒压供水系统图 本套系统的功能： 1）根据用水量的大小，由 plc,变频器控制 3 台水泵自动进入或退出运行状态， 或者由人工控制启停。 2）系统根据水泵出水口的压力变化，自动调节变频器运行频率，自动改变投入 系统运行的水泵台数，以跟踪设定压力。 3）在监控室设有变频运行，故障指示和现场电机运行的频率、压力指示信号。 2.4 泵与变频器的选择. 2.4.1 泵的选择 由 p=qhg/b* 式中 q 为水泵的流量（ m3/s） h 为水泵的扬程（ m） 为水的密度（ kg/m3） g 为重力加速度 （m/s） b 为水泵的效率， 为传动效率 正常流量下的总功率=1000*9.8*25*66/3600/0.7*0.95=6.10kw 最大流量下的总功率=1000*9.8*60*66/3600/0.7*0.95=14.63kw 由于系统需 3 台水泵，所以每台水泵应有的功率p=最大流量下的总功率 /3 所以 p=14.63/3=4.88kw 考虑余量选 3 台型号 50dl12-126 的水泵， 具体参数如下（表2-7）: 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 11 页 装 订 线 表 2-7 水泵型 号 流量 (m3/ h) 扬程 （m) 功率 (kw) 稳流补偿 器? l(m) 台数 （台） 生产厂家 50dl12 -126 25.273.25.5 ？0.8*1. 8 3 青岛海流给水设备有限公 司 2.4.2 变频器选择 1）变频器选择方法 通用变频器的选择包括变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的 原则是首先保证可靠地实现工艺要求，再尽可能节省资金。 根据控制功能可将通用变频器分为三种类型：普通功能型u/f 控制 变频器、具有转矩控制功能的高性能型u/f 控制变频器（也称无跳闸变频 器）和矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。 对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型 的变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械采用具有转 矩控制功能的高功能型变频器则是比较理想的。因为这种变频器低速转矩大， 静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。日本富士公司的 frenic5000g7/p7、g9/p9、三肯公司的samco-l 系列属于此类。也有采用 普通功能型变频器的例子。为了实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大变 频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、响应快的生产机械（如造 纸机械、轧钢机等） ，应采用矢量控制高功能型通用变频器。安川公司的 vs-616g5 系列、西门子公司的6set 系列变频器属于此类。 大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额 定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给 出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频 器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。 负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指 出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如 潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流， 冶金工业常用的辑道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵 转工作状态，且辘道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 12 页 装 订 线 总电流均不允许超过变频器的额定电流。 2) 变频器的选择型号及性能概述 根据水泵的额度功率 5.5kw，选择的变频器型号为富士的 frn5.5g11s-4 cx。具体参 数如下（表 2-8）: 表 2-8 变频器型号 frn5.5g11s-4 cx 标准适配电动机（ kw） 5.5 额度电压 (v) 380 额度电流 (a) 13 额度过载电流 (a)150%额定输出电流1 分钟， 200% 0.5 秒 150%额定输出电流1 分钟， 180% 0.5 秒 电压频率允许波动电压 :+10v-15%(相间不平衡率 (*5):2%),频率： +5v-5% 冷却方式风扇冷却 防护结构 (iec60529)ip40 全封闭 重量（ kg） 6.5 性能概述 : 1. 动态转矩矢量控制 动态转矩矢量控制是一种先进的驱动控制技术。控制系统高速计算电机负载所需功率， 最佳控制电压和电流矢量，最大限度发挥电机输出转矩。 按照动态转矩矢量控制方式，能配合负载实现在最短时间内平稳地加减速 使用高速 cpu能快速响应急变负载和及时检知再生功率，设有控制减速时间的再生回避 功能，实现无跳闸自动减速过程 采用富士独自开发的控制方式，在0.5hz能输出200%高起动转矩（ 22kw以下），30kw以上为 180% 2. 带pg反馈更高性能的控制系统 带pg反馈卡（选件）构成带 pg反馈的矢量控制系统，实现更高性能、更高精度的运行 速度控制范围： 1：1200 速度控制精度： 0.02% 速度响应： 40hz 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 13 页 装 订 线 电机低转速时脉动大大减小 采用动态转矩矢量控制，结合富士专有的avr，实现低转速（ 1hz）运行时的转速脉动比 以前机种减小 1/2以上 3. 优良的环境兼容性 采用低噪声控制电源系统，大大减小对周围传感器等设备的噪声干扰影响 标准装有连接抑制高次谐波电流的dc电抗器端子 连接选件 emc滤波器后能符合欧洲 emc指令 4. 节能功能的提高 标准设有风机、泵等最佳自动节能运行方式。采用使电机损耗降至最小的新控制方式， 取得更好的节能效果 5. 更方便使用的键盘面板 标准设有复写功能，能方便地将1台变频器的功能码数据复写至其他变频器 可选择三种语言（中、日、英），便于国内外配套使用 可简单地由面板或外部信号进行点动（jog）运行操作 使用延伸电缆选件（cbiii-10r-可简单）地实现远程操作 6. 符合国际标准 标准系列符合适用于欧洲地区、北美地区和加拿大地区的ce、tuv（22kw以下）、ul、cul 规格。 各种通信功能 标准内装 rs485接口， 由此可由个人计算机向变频器输入运行命令和设定功能码数据等。 设有万用 di/do功能，输入 /输出端子状态能传送至上位机受其监控，简化fa系统 可连接现场总线： profibus-dp、 interbus-s 、 device net、 modbus plus（选件）等 7. 丰富的实用功能 用于风机、泵等： pid控制功能、变频器风扇 on/off功能、商用电切换顺序 用于搬运、传送设备：可选择预设16种速度运行、程序运行（7 步，每步最长 6000s，可连续、 单循环或单循环终结速继续运行） 8. 无冲击瞬停再起动运行 采用富士独自开发的变频器频率追踪（引入运行）功能，变频器可瞬时停车后跟踪再起动 保护功能的充实 能设定电子热继电器的热时间常数，因此可适用各种电机 设有输入缺相保护，防止电源断线损坏变频器 能用ptc热敏电阻保护电机 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 14 页 装 订 线 9. 丰富的维护功能 面板能显示和确认运行状态、输入/输出状态和跳闸时的详细参数，由此能较易进行异常 原因分析和提出对策 i/o端子检查功能 主电路电容器寿命 累计运行时间记录、显示 运行状态监视 跳闸时详细数据记录 10. 其他功能 1.5kw以上标准装有控制电源辅助输入电路，断开主电源时能保持异常输出信号 接点输入控制端子（9点） 、开路集电极晶体管输出（4点） 、继电器输出（ 1点） 设有主动驱动过程，判断变频器负载状态，为防止跳闸、自动延长加速时间、继续加 速运行保证强有力而不跳闸的加速过程 负载过大的场合可选择变频器不跳闸继续运行（防失速）或跳闸停止运行 3) 使用过程中的注意事项; (*1)额定输出电压按 440v计算，电源电压降低时，额定容量亦下降。 (*2)不能输出比电源电压高的电压。 (*3)驱动低阻抗的高频电动机等场合，允许输出电流可能比额定值小。 (*4)当电源电压大与 380/398v/50hz、380/430v/60hz时，必须切换变频器内部的分接头。 (*5)3相电压不平衡率大与 2%时，应使用功率因数改善用直流电抗器 (dcr) (*6)按jema规定的标准负载条件(相当标准适配电动机 85%负载 )下的试验值。 (*7)按富士电机公司规定条件下的计算值。 (*8)按标准适配电动机负载和使用直流电抗器(dcr)(55kw为选件 )条件下的数据。 (*9)为了保护变频器，对应周围温度和输出电流情况，载频有时会自动降低。 (*10)设定0.1时，起动转矩能达到 50%以上。 (*11)标准适配电动机场合(由60hz减速停止时的平均转矩，随电动机的损耗而改变。 2.52.5 系统工作过程 根据现场生产实际提供的用水量，本系统选择三台 5.5kw 的小泵（具体选型计 算过程见后） ，选择自动方式运行时，三台水泵，一台水泵作第一级变频运行，另二 台作变频备用泵。当第一台变频泵达到工频运行，达不到压力要求时，切换至工频， 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 15 页 装 订 线 第二台备用泵变频启动。当第二级变频泵达到工频运行，达不到压力要求时，切换 至工频，第三台备用泵变频启动。停泵时依次停第一、二级泵。选择手动方式运行 时，可以根据实际的用水量手动控制投入电机的运行台数（手动状态下投入运行的 电机都是工频运行的） 。 分析自动控制系统的机组（1#、2#、3#水泵电机）工作过程,可分为以下五个 工作状态：1) 1#电机单独变频起动；2)1#电机工频运行，2#电机变频运行，3#电机 停止运行；3) 1#电机工频运行，2#电机工频运行，3#电机变频运行；4）3#电机变 频运行，2#电机工频运行，1#电机停止运行；5）3#电机变频运行，1#、2#电机停止 运行；一般情况下，水泵电机都处于这五种工作状态之中，当源水的水位发生变化 时，管网压力也就随之变化，五种工作状态就要发生相应转换，因此这五种工作状 态对应着五个切换过程。 1.切换过程 由 1#电机变频起动运行转变到 1#电机工频运行，2#电机变频运行。 系统开始工作时，出水口压力达不到压力要求时， km1 得电，1#电机先接至变频器 输出端，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） ，压力传感器压力 0 f 未达到设定压力， 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。接着 km3 得电，2#电机接至变频器输出端, 2#电机开始软起动，运行一 段时间后， 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，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直 到水泵出水口压力达到设定值为止。 2.切换过程 由 1#电机工频运行，2#电机变频运行转变为 1#、2#电机工频运行，3#电机变频运行。 当 2#水泵电机的频率达到 50hz 以后，压力传感器压力未达到设定压力时，km3 失电， 2#电机自变频器输出端断开，km4 得电，2#电机切换至工频运行。接着 km5 得电， 3#电机接至变频器输出端, 3#电机开始软起动，运行一段时间后， 3#水泵电机工作 在变频状态。直至压力传感器设定压力以后，变频器的工作频率将不再增加。并根 据用水量的大小按照 pid 算法进行恒压调节。 3.切换过程 由 1#电机工频运行，2#电机工频运行，3#电机变频运行转变为 1#电机停止，2#电机 工频运行，3#电机变频运行状态。 当用水量减少时，变频器的工作频率将自动减小，当减小到一定程度时，此时压力 传感器的压力还高于设定压力时，系统将依次停止最先启动的水泵，及 km2 将失电， 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 16 页 装 订 线 停止 1#电机，以便用水增大到一定程度时再启动并进行变频操作。 4.切换过程 iv 由 3#电机变频运行，2#电机工频运行，1#电机停止运行转变为 3#电机变频运行， 1#、2#电机停止运行状态。 分析过程与切换过程的分析类似。 5.切换过程 v 由 3#电机变频运行，1# 、2#电机停止运行转变为 3#电机工频运行，1#电机变频运 行，2#停止运行状态。 当用水量开始增加时，出水口压力达不到压力要求时，km5 失电，3#电机自变 频器输出端断开，km6 得电，3#电机切换至工频运行。接着 km1 得电，1#电机接至 变频器输出端, 1#电机开始软起动，运行一段时间后， 3#水泵电机工作在变频状态。 在 plc 程序设计中，必须认真考虑这五个切换过程，才能保证系统在一个工作 周期内实现正常切换与运行。 1#、2#和 3#机组工作过程流程图如下（图 2-9）： 图 2-9 3 台机组工作过程流程图 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 17 页 装 订 线 第三章第三章 控制系统硬件设计控制系统硬件设计 3.13.1 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 1#、2#和 3#水泵电 机都是小机，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；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（具体选择见后）依据水泵电机的额 定电流来确定。对于有变频/工频两种状态的 1#、2#和 3#电机，也需要在工频电源 下面接入三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 容量也依据水泵电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，必须用控制柜面板的运行和停止键来操作， 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。 3.23.2 控制电路设计 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、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组内的自动循环， 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。所以在一台电动机变频工作的时候，要自动切断另两台电动机的变频控制电 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 18 页 装 订 线 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变频器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变频器的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机 和变频器的工作状态。 3.33.3 plcplc 配置 3.3.1 s7-200 型 plc 的特点 由于本系统选用的是德国 siemens 公司的 s7-200 型 plc。下面就其一些特点作 简要介绍。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。 3.3.2 plc 的 i/o 地址分配 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。本系统共需开关量输入点数 17 个，开关量输出点数 16 个。同时还加 上一个扩展模块 em235 作为模拟量输入/输出单元。输入/输出信号地址分配如下表 3-1 所示。 （1）输入端口 自动控制系统 plc 的输入端口包括 3 台电机的手动/自动启动按钮，3 台电机的 手动/自动停止按钮，以及手动/自动选择开关，压力上下限接点。另外 plc 输入端 口还包括 3 台电机的热保护继电器输入，输入形式是热继电器的常开触点。 （2） 输出端口 plc 的输出端口包括 3 台电机的交流接触器的动作，分别对应 3 台电机变频/工 频两个工作状态， ，压力上下限指示，3 台水泵的电机的过载指示和变频器的故障、 运行指示。 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 19 页 装 订 线 表表 3 31 1 可编程控制器输入、输出端口（可编程控制器输入、输出端口（i/0i/0）地址分配表）地址分配表 输 入 名称端口地址作 用 sb1i0.0 1#水泵手动启动按钮 sb2i0.1 2#水泵手动启动按钮 sb3i0.2 3#水泵手动启动按钮 sa1i0.3 手动选择开关 sa2i0.4 自动选择开关 sui0.5 压力上限接点 sdi0.6 压力下限接点 kh1i0.7 1#电机热保护触点 kh2i1.0 2#电机热保护触点 kh3i1.1 3#电机热保护触点 st1i1.2 1#水泵手动停止按钮 st2i1.3 2#水泵手动停止按钮 st3i1.4 3#水泵手动停止按钮 sb4i1.5 自动启动开关 sb5i1.6 自动停止开关 输 出 名称端口地址作 用 km1q0.0 1#水泵变频启动 km2q0.1 1#水泵工频启动 km3q0.2 2#水泵变频启动 km4q0.3 2#水泵工频启动 km5q0.4 3#水泵变频启动 km6q0.5 3#水泵工频启动 km7q0.6 变频器工作 hl1q0.7 压力上限指示 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 20 页 装 订 线 hl2q1.0 压力下限指示 hk3q1.1 1#电机过载指示 hl4q1.2 2#电机过载指示 hl5q1.3 3#电机过载指示 hl6q1.4 变频器故障指示 hl7q1.5 变频器运行指示 alq1.6 蜂鸣器报警指示 3.3.3 plc 的模拟量输入、输出点 自动控制系统 plc 的模拟输入端口包括压力传感器检测的水位信号，水位信号是 以标准电流信号 420ma 进行传输的；变频器反馈的电机频率信号，电机频率信号 是 010v 的电压信号。 3.3.4 plc 的选型 根据控制系统实际所需端子数目，考虑 plc 端子数目要有一定的预留量，为以后 新设备的介入或设备调整留有余地，因此选用的 s7-200 型 plc 的主模块为 cpu266，其开关量输出（dq）为 16 点，输出形式为 ac220v 继电器输出；开关量输 入 cpu266 为 24 点，输入形式为24v 直流输入。由于实际的开关量输出有 15 点， 为了以后的扩展，所以需要一个扩展模块，选择的是一个 em222 型模块，该模块有 8 个开关量输出点，输出形式为 ac220v 继电器输出。 此外，为了方便的将水位信号、电机频率信号和同相比较信号传输给 plc,经比 较计算后转换为相应的控制信号，选择了 em235 模拟量扩展模块。该模块有 4 个模 拟输入（aiw） ，1 个模拟输出（aqw）信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动 完成 a/d 的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信 号接出端口时能够自动完成 d/a 的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成 标准输出信号。em235 模块可以针对不同的标准输入信号，通过 dip 开关进行设置。 系统中 plc 的选型包括一个 cpu266 主模块，一个 em222 扩展模块，一个 em235 模拟量扩展模块。如此 plc 总共有 15 个数字信号输入,15 个数字信号输出,以及 4 个模拟输入信号，1 个模拟输出信号。输入和输出均有余量，可以满足日后系统扩 充的要求。 第四章 plc 的设计 毕业设计（论文）报告纸 共 40 页 第 21 页 装 订 线 4.1 编程软件的简介和梯形