常宁市民心自来水有限公司供水项目2级泵房电气控制器的设计毕业论文.doc

常宁市民心自来水有限公司供水项目2级泵房电气控制器的设计毕业论文目录1绪论11.1 课题研究意义11.2 变频调速技术外的发展与现状41.3 论文设计的任务和要求42 方案设计和系统组成52.1变频供水系统原理分析52.11 供水特性52.12变频调速原理62.13水泵调速运行的节能原理6 2.2 设计方案的选择92.3 控制系统框图102.4 控制系统原理和工作流程123 主要设备的选型和外围电路设计133.1 PLC的选型和电路设计133.1.1 PLC的基本构成133.1.2 PLC工作原理153.1.3 PLC的选型153.1.4 S7一200PLC简介163.15 PLC外围电路设计19 3.2 变频器的选型和外围电路设计203.2.1变频器工作原理20 3.2.2变频器的选型213.2.3 SiemensMM430变频器简介223.3 压力变送器的的选型283.4 液位变送器的选型293.5 水泵和电机的选型304人机控制界面设计324.1组态软件介绍324.2 监控系统的设计334.2.1 组态王的通信参数设置334.2.2 新建工程与组态变量344.2.3 组态画面354.2.4 监控系统界面365 系统软件部分设计375.1 PLC I/O端口地址分配385.2系统主程序流程图40 5.3主程序梯形图40参考文献46致谢47附录一：主电路图48附录二：PLC控制电路图4911绪论1.1 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。泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率，降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是出于我国居民多，用水量大，造成用电量大；另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。掘统计，全国381个城市中的344个城市自来水厂，1987年的用电量合计为47亿千瓦时。计入其它城市和乡镇自来水以及工业给水设施用电，总计耗电约65亿千瓦时左右。若按90为水泵机组用电，则水泵的总用电量约计60亿千瓦时。如果一半机组采用调速装置，则每年可节电4.5亿千瓦时。可见水泵调速的节电潜力很大，经济效益很高。目前全国绝大多数水泵机组都没有采用调速装置，在进行供水水量、供水压力控制调节时，多采用阀门控制（压水门）与开机台数控制，能源资源浪费严重。对于大多数电力供水泵站来说，日常运行费用太高，抽水成本居高不下，提抽的单位水量的能耗太大，是一个长期困扰供水泵站的问题。从泵站经济运行理论入手是解决这一难题的办法之一，也是一个比较有效的办法。目前给水泵站的设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。另外，电动机与水泵之间的大马拉小车问题也很严重。水泵机组的调速运行是泵站经济运行的重要手段。传统的定（恒）速水泵供水系统是指水泵在额定转速下为系统提供一定水量的供水系统这种传统而简单的给水方式，无反馈信号和压力控制。用水量小时，系统压力增高，泵效率降低，管路内漏增加，阀门损坏加剧。用水量增大时，系统压力则降低，易造成系统高位供水点断流。实际上，定（恒）速水泵给水系统不但存在供水质量差，压力波动大的缺陷，而且不易实现有效的经济运行。对于用水量变化大的给水系统，特别是用水量小于二分之一额定流量时，水泵工况点偏离高效能区之外运行，能量损失严重。水泵机组变频调速运行的研究和运用，目前已经成为城镇供水行业的重要课题，各地区根掘本地不同情况，也逐步开始运用。特别是在二十世纪90年代开始，己逐渐在各地区城镇供水厂的二次加压泵站中（即二级送水泵站）使用。变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出。变频调速给水系统是由作为核心部件的变频调速器以及压力传感器、控制器、泵和管路组成的给水系统。它根据用户用水量的实际需求，设定压力控制值，控制器按传感器送来的用户用水量信息，控制变频器的频率，自动改变水泵电机的转速，最终达到调速及调节水量的目的。这种调速供水系统既能保持管网压力恒定，又能随时调整供水量。尽管水泵时常偏离额定流量工况点工作，但水泵的效率仍然维持在高效能区3。水泵电机的变频调速技术应用具有其多个方面优越性能：一是节电显著；二是在开、停机时能够减小电流对电网及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。在众多供水行业中的许多实例表明：对水泵电机采用调速技术对企业降低能耗，提高管网和设备的使用寿命有着重大的经济意义，也是保障管网系统供水安全运行的方法之一。PLC是一种专为工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方而有了质的飞跃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；水塔内部细菌易于繁殖，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及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，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 变频调速技术外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及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，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及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，但是国内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，但总体上国内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，国内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 论文设计的任务和要求主要研究内容：1. 水泵站整体控制方案设计。2. 水泵电机的选型及主电路设计。3. PLC，变频器的选型。4. 采用PLC控制电路的设计。5. PLC程序设计技术方案、路线：1.熟悉二级水泵站的设计要求2.基于PLC的供水泵驱动电机主电路的设计3.控制电路的设计4.元器件的选型5.编写程序2 方案设计和系统组成2.1变频供水系统原理分析2.11 供水特性供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开启度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量之间的关系曲线，如图2-1所示。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。出于在阀门开启度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。出图可知，在同一阀门开启度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开启度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特住所反映的是扬程与供水流量之间的关系。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量处于平衡状念，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行6。图2-1供水系统的主要特性2.12变频调速原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的（具体原理将在下一章阐述）。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的7。异步电机的转差率定义为： （2-1） 异步电机的同步速度为： （2-2）异步电机的转速为： （2-3）其中：为异步电机的同步转速；n为异步电机转子转速； f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。从上式可知，当电机电极对数P不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调书异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高，机械恃性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的。调速方法，它被广泛地应用于对水泵（风机）电机的调速。2.13水泵调速运行的节能原理在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀f门开启度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻的特性将随着阀门开启度的改变而改变，但其扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门的开启度存一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开启度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻的特性不变。变频调速供水方式属于转速控制8。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q，扬程为，当供水量从减小到时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从，移到，扬程特性曲线（图2-2）不变。而扬程则从上升到，运行的工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（0，F，）围成矩形部分，其值为： （2-4）当用调速控制时，若采用恒压（）、变速泵（）供水，管阻特性曲线为，扬程特性变为曲线，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为（0，D，）围成的矩形面积，其值为： （2-5）可见，改变调速控制，节能量为（，D，F，）围成的矩形面积，其值为：图2-2 管网及水泵的运行特征曲线 （2-6）所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉。并且随着阀门不断的关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻的特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间的关系为： （2-7）式中，、为变速前的流量、扬程、功率，、为变速后的流量、扬程、功率。由公式（2-7）可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成艰比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。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，查阅资料根据国内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内最普遍的控制方式，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及，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：单片机+变频器的控制单片机组成的控制系统具有控制精度高，编程灵活多变，不局限于硬件电路的优点。但是因为单片机属于一种通用的微型处理器，需要大量的电子元件进行外围电路设计，开发难度大，对维护人员的技术要求高，在工业控制现场复杂的环境中，存在可靠性相对不高，抗干扰能力相对较差的问题，需要大量的电子元件设计电路解决抗干扰性问题。此方案适合于小容量的供水系统，在水泵站这种大型供水项目中，显得有些可靠性低。方案三：PLC+变频器 控制可编程控制器是专为工业控制而设计的控制器件，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。 通过对以上三种常见方案的比较分析，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，所以选择方案三：PLC+变频器的控制方式。2.3 控制系统框图根据设计要求，画出控制系统框图如下 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 系统执行模块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 系统控制模块 系统控制模块包括：电气控制器件，变频器，PLC控制系统电器控制器是一些必要的开关电路，控制接触器。用来实现手动/自动运行，在PLC的控制下对各个电机的起停实现自动控制的基本硬件设备。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。比较这两种控制方式，固定变频控制在启动另一台电机是是采用PLC控制直接启动，这样的启动方式对电网冲击大，冲击电流大，而且浪费电能，没有将变频器充分利用起来。所以本设计决定采用第一种方式既：循环变频控制。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。3 信号采集模块 信号采集模块包括水池液位的采集，水泵出水口处压力的采集，还有各种故障报警信号的采集。4 人机界面：人机界面的作用有两个：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，人机界面是人和控制系统信息交换参数设定的通道窗口，可以直接通过人机界面对需要设定的参数进行二次设定。人机界面可以是工业控制计算机业也可以触摸屏，要根据具体情况，根据实际需求和综合考虑性价比进行选取。5报警装置：报警装置是在系统发生不正常运行状态时，在关闭相应设备的同时，发出声音，光亮等报警方式，提醒工作人员注意检修故障。6保护模块：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。2.4 控制系统原理和工作流程总电路图 合上空气开关以后，将运行模式自动/手动档位选择自动之后，系统将进入全自动运行的模式。 首先PLC检测液位信号是否高于最低要求液位，若低于要求则启动声光报警，若满足要求则启动变频器KM0和电机KM2，将M1电机和变频器接入电路中，电机变频软启动。随着变频器频率增加，每隔2分钟检测一次压力传感器信号与设定参数比较一次，若大于则降低频率，若低于则增加频率，压力信号允许在与设定参数5%范围内波动。当频率增加到50HZ时，压力还是小于设定参数，则将电机M1切换到KM1，变频器切换到KM4，既电机M1切换到工频运行，变频器切换到下一台电机，带动下一台电器软启动，依次类推增加。增泵控制过程假定增泵顺序为M1，M2，M3，采用变频器循环控制增泵法：当变频器带M1频率增加到最大依然无法满足要求时，M1切换工频运行，变频器带M2软启动投入运行。变频器再次增到最大频率依然无法满足压力要求时候，M2也切换到工频运行，变频器带M3启动，这就是系统增泵过程。减泵过程假定减泵顺序为M3，M2，M1，采用变频器循环减泵法：当带M3的变频器减到最低频率，压力依然高于设定参数时，M3停止，变频器接入M2，M2进入变频运行状态。同理当变频器频率降到最低依然无法满足要求时，M2停止，变频器接入M1，M1进入变频运行。需要指出的是，虽然变频器的变频能力一般有0到400HZ，但是这里的最大频率和最小频率显然不可能是这个范围，因为我们要根据实际情况综合考虑变频区间。首先是最大频率，因为我国工频供电的频率是50HZ，所以不可能无限制的增加频率，否则导致电机无法安全切换到工频模式工作。而且频率过高的状态下运行，对电机本身也是巨大的损耗。所以这里的最大频率上限是50HZ。其次是最低频率，因为自来水厂蓄水池本身对水泵形成一定压力，既水泵处最低水压是不可能是零的，而是一个远大于零的一个数值。当频率低于某个数值以后，频率的降低无法再改变水压，所以变频器运行的最低频率也不是零，这个数值根据以往的经验是20HZ左右。所以变频器变频区间为20HZ到50HZ。3 主要设备的选型和外围电路设计3.1 PLC的选型和电路设计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相同。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4.1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:控制接收和存储编程设备输入的用户程序和数据;诊断PLC内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，及向外部器件提供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及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4.1 PLC的基本构成图3.1.2 PLC工作原理PLC工作的全过程分为上电处理、扫描过程、出错处理三个部分。它的工作方式是不断循环的顺序扫描，每次扫描所用的时间称为一个扫描周期，长短与用户程序长短以及PLC本身的性能有关，其数量级为ms，典型值为几十ms。PLC对程序的扫描顺序是从上到下，从左到右，逐条地读取程序指令，程序结束后，再返回到首条指令开始新的扫描。它对用户程序的扫描主要分为三个阶段，各个2风机变频调速原理及系统设计阶段的功能如下:（1）输入采样阶段:PLC将扫描的输入端子的状态存入映像寄存器，然后进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，其内容保持不变，一直到下一个扫描周期的输入采样阶段。（2）程序执行阶段:PLC根据读入的输入映像寄存器中的信号状态，按一定的扫描原则执行用户编写的程序，然后把执行结果存入元件映像寄存器中。（3）输出刷新阶段:当所有的程序指令执行完后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段被转存到输出锁存器中，然后一次性的由输出端子输出，驱动外部负载。3.1.3 PLC的选型目前，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4.1所示。 表3.1 PLC主要产品及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，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PLC选择德国西门子公司的S7-200。3.1.4 S7一200PLC简介西门子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、强大的通信功能以及低廉的价格，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%，程序存储区扩大了50%，数据存储区也扩大了60%，可以选择在线程序编辑。CPU221没有扩展能力，仅用作小点数的微型控制器，而CPU222有一定的扩展能力，但仅能连接2个扩展模块。CPU224是具有较强控制功能的控制器，它具有14点数字量输入，10点数字量输出，共24个数字量I/O点;可连接7个数字量或模拟量扩展模块;有6个独立的30kHz的高速计数器，2路20kHz高速脉冲输出;有1个RS485通信/编程接口;有PD控制和自整定功能;具有PPI月以Pl和自由方式通信的能力。CPU226具有更大的程序和数据存储容量;本机具有24点输入，16点输出，共40个数字量I/O点;有2个RS485通信/编程接口;有PD控制器，具有PD自整定的功能;也有PPI/MPI和自由方式通信的能力。.更大的存储空间，更强的扩展能力及更快的运行速度和强大的内部集成特殊功能，使其可以满足复杂的中小型控制系统的要求。表4.2是S7200系列CPU的特征，通过对比及设计要求，本设计选择S7200系列PLC的CPU224XP。 表 3.2 特征CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226数字输入68141424数字输出46101016数字输入/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程序内存448/1212/1616/24数据内存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个输入端口手动控制电机的工频和变频运行需要10输入个端口检测电机是否过程需要5个端口综上所述一共需要20个输入端口。其中 水位监测信号开关量需要1个输入端口压力检测信号模拟量需要1个输入端口输入/输出端口数为 20/12，所以我们选择S7-200系列主模块CPU226。并且选择一个扩展模块EM235对模拟量进行采集。 3.15 PLC外围电路设计3.2 变频器的选型和外围电路设计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3.1所示。图3.1 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及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硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.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，范围大，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、烟机生产线及楼宇、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、Samco等，国内的有佳灵、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风机，风机是平方转矩负载，用变频控制时注意不能选用通用型变频器而要选择风机泵类专用型，西门子MM430变频器是专用的风机水泵负载专用变频器。（2）本设计利用变频器控制风机的转速，变频器的类型为风机水泵型，本文只设计一台变频器。（3）电动机的额定电流为101.7A，额定功率为55KW，必须满足变频器额定功率电机额定功率，MM430的功率范围为7.5KW-250KW，输出频率范围为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，在全世界以及中国无论是冶金、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&泵类负载及楼宇暖通空调变频节能方面作了许多工作，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101.7A,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3.1所示。图3.2 MM430变频器实物图表3.1 MM430变频器技术参数表功率范围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)节能控制脉冲调制频率2kHz 16kHz 标准设置4kHz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)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