毕业设计（论文）-变频调速控制柜的设计.doc

* 毕业设计专业 年级 学号 姓名 题 目 变频调速控制柜的设计 指导老师： 摘 要本次设计采用“一台变频器控制多台水泵”的多泵控制系统。在这里利用PLC设计一套变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。可实现恒压变量、双恒压变量等控制方式，多种启停控制方式，该系统可以通过人意修改参数指令（如压力设定值、控制顺序、控制电机数量、压力上下限、PID值、加减速时间等）；具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载、断水等故障均能自行诊断并报警。为保证小区的供水正常，利用PLC控制的变频调速恒压供水系统，按照用户的需求按需调节水泵流量，根据夜间用水少可以只开一个小流量泵，并满足用户的流量需求，使真个系统始终保持高效节能的最佳状态。关键词：变频器；可编程控制器；恒压供水 Abstract This design adopts one inverter control more water pump pump control system. Here using the PLC design a set of variable frequency speed regulation constant pressure water supply system, the system can automatically adjust according to network instantaneous pressure change of a rotational speed of pumps and water pumps more input and exit, pipeline ZhuGanGuan outlet in a constant set pressure value, and satisfy the users demand, the whole system always maintain the best condition of high efficiency and energy saving. Can realize constant pressure variable, double constant pressure variable control mode, such as a variety of start-stop control mode, the system can be modified by disappointing parameter instructions (such as pressure set data, control the order quantity, control motor, pressure on the lower limit, the PID value, deceleration time, etc.); Is the perfect electrical safety protection measures, lying, overvoltage, undervoltage, overload and water fault, etc to diagnose and report to the police. In order to ensure the village water supply is normal, the use of PLC control of frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system, in accordance with user requirements according to the need to adjust the pump flow, according to the night less water can only open a small flow pump, and satisfy the users demand, make the whole system always maintain the best condition of high efficiency and energy saving. Keywords：Frequency converter; Programmable controller; Constant pressure water supply目 录摘要1第一章 引言4 1.1 应用背景和选题意义41.2 设计要求和内容 5第二章 系统的总体设计方案 72.1 功能设定72.2 总体结构关系82.3 总体工作流程9第三章 系统主要硬件的选择及应用113.1 主要硬件的选择113.2 水泵控制回路13 3.3 变频器的输入输出回路 14 第四章 变频调速恒压供水系统的设计164.1 变频调速系统简介164.2 变频调速控制方式164.3 控制系统的电路设计17第五章 系统的软件开发225.1 PLC应用的开发步骤225.2 PLC的程序设计23第六章 柜体设计256.1. 尺寸要求256.2. 功能要求256.3. 机柜的工艺性要求26第七章 电气布置图的设计277.1低压电器电控设备的布置原则277.2操纵器件的布置287.3其他器件的布置287.4全文总结29致谢31参考文献32第一章 引 言随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据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。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压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。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、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、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。 1.1 应用背景和选题意义近年来已被全国几百家供水单位采用，均获得良好的节能效果，深获广泛好评。交流电机变频调速技术是近年来发展起来的一项高新技术。主要原来是根据电机不同的负荷、工艺或转矩要求，通过交流变频调速器调节电动机的转速，使其改变电机主轴的输出特性。变频调速技术应用于水泵风机等流体负载时，可使流体的流量、压力根据实际需要自动恒压或恒流量调节。它比采用阀门、节流孔板调节流量或压力节省电能，同时延长设备使用寿命，占地面积大，设备启动频繁，电流和水压冲击严重，设备维修量大等问题。 根据流体力学原理，水泵的流量与电机转速出正比，压力与电机转速的平方成正比，所以风机水泵采用变频调速技术后，节能效果比采用阀门控制压力或流量的方法可节电40% 50%，节水7%。 常规水泵大部分时间均在额定负荷下运行，特别是自来水厂和居民区生活供水，其设计均按最大用水负荷选择水泵，而每天24h用水负荷变化很大，在夜间用水量更少，采用变频恒压供水设备，可根据用水量的大小变化，自动调节水泵转速，同时确保供水压力恒定，不仅可节约大量能源，延长设备使用寿命，又解决了水源二次污染问题，是一种十分理想的高科技节能产品。可编程序控制器(Programmable Logic Controller简称PLC)是60年代在美国首先出现的，其目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能.在此基础上，后来又增添了不少功能，如模拟量输入/输出，移位寄存，四则运算，PDD闭环回路控制，中断控制，特殊功能函数，强制I/O等等，因而使功能更加完善、灵活，适于大规模的复杂控制系统。PLC不但功能齐全，而且用户使用也很方便，其标准的积木式硬件结构以及模块化的软件设计，使得它可以适应大小不同、功能繁复的控制要求.PC采用电气操作人员习惯的梯形图与功能助记符编程，便于用户十分方便地读懂程序、编写和修改。PC具有完善的监视和诊断功能，移定性高，抗干扰能力强，可以适应恶劣的工业应用环境。1.2 设计要求和内容 变频调速控制柜设计一、设计课题 变频调速控制柜设计二、设计要求 1功能要求 1)有短路保护、过载保护、缺相保护、相序保护和防雷措施。要有电压、电流、水压以及电动机各种运行状态的指示。2)两台电动机能分别实行手动或自动控制，手动、自动控制能够切换。3)通过变频调速，使水压稳定在25MPa。4)选择相应的变频器，设定合理的参数。2工艺要求 电器元件安装时要排列有序，符合元器件的安装工艺要求；导线及母线排的布置，也要符合各自的工艺要求。 3对柜体的要求 所设计的柜体要在满足使用功能要求的前提下，满足尺寸要求和工艺要求(可选用标准柜)。 三、设备概述 要求设计的控制柜的控制对象是某自来水厂两台55kW的三相交流异步电动机，型号为YLB25014，其额定电流为968A，同步转速为1500rmin，堵转电流为6776A，轴向负荷为28420N，用于恒压供水，其水压要求为25MPa。 第二章 系统的总体设计方案 2.1功能设定1. 运行方式分为手动、全自动两种。它们可以由一个按钮操作，ON为自动方式，OFF为手动。在手动方式下，可以对控制水泵中的任意一台进行启动和关闭操作，该方式主要用于系统设计初期的测试，方便任一时期的检修，以及紧急情况下的水泵控制，注意当有一台水泵工作在变频状态时及有超压信号时手启泵无效，因为此时系统肯定已经能够满足控制要求，增开泵属于无理操作，所以系统不响应用户要求。任意时刻的停泵要求系统都应该响应，否则不能满足紧急情况下的停泵要求。而整个系统本身正常状态下的运行主要采用全自动方式，使供水系统高度自动化，这也是系统开发的目的之一。在全自动方式下，按下启动按钮，系统就能自动赋初值，根据用水量的变化自动调节水泵转速和运行台数，确定每台泵的具体工作状态，使达到最优配置。另外，全自动方式下，系统应该能够判断出变频器是否正常，从而自动选择采用哪一种运行方式（全自动工频运行方式或全自动变频运恒压方式）。2. 要对管网水压进行实时数据采样，信号直接送变频器或者经A/D转换后送PLC，从而实现对管网压力的闭环控制。采样点可以选择在水泵的出口管道处，这样比较方便且传送距离比较近，压力信号基本不失真；采样点也可以选择在管道最不利点处（一般是指供水的最高楼层），这样压力传感器传送距离比较远，如果不采样取其它措施的话，信号的失真度比较大，如果采取保真措施的话，成本提高，但是选择最不利点有一个优势就是节能效果比较好。3. 管网水压参数的设定。给定参数值 P=2.5Mpa，4. 硬件的选择要留有余地，特别是PLC的I/O点数和内部继电器数，为以后的功能扩展和系统升级做好准备。5.要对变频器的运行情况进行监测，还有供水池的水位、水泵的转速、管网压力都进行监控，对于危险情况要设置报警信号，并自动作出反应，切除危险源，防止危险扩大。6.要具有多机的通信功能。要为以后的多台机子的联合控制作好准备，并为以后的拓展为在局域网络下运行留有余地。7. TD-200作为人机界面，要能够完成简单的人机交流，如系统的运行状况监控、初值的改变、参数的改变等。应该做到系统正常运行时或修改一些常用的参数时，工作人员和PLC的工作交流都能够通过TD-200进行，而不需要经常性的用携编程器或计算机对PLC进行修改。2.2总体结构关系由压力调节器、变频器、水泵组、水压力传感器等组成恒压变频调速系统。压力传感器输出信号Vpf经过放大后送至压力调节器PT，将Vpf与压力设定值Vpg比较，对比较得出的电压差进行PI运算，并以此结果控制变频器输出频率。当压力传感器的信号发生变化时，系统可通过压力调节器控制变频器的输出频率，从而改变水泵的转速，达到管道水压恒定的目的。由于变频器具有软启动功能，因此，压力调节器在PI作用下输出信号的阶跃变化不会引起变频器输出频率的突变，从而避免了对变频器自身的电流冲击。当压力传感器反馈值Vpf与设定值Vpg相等时，变频器输出频率f就会保持一个恒定值，即系统运行在稳定状态。压力调节器变频调速器Vpg +接触器组供水泵组供水管 网压力压力传感器放大器PLC保护 报警Vpf本系统采用PLC可编程控制和变频器调速两层控制的结构。PLC负责按钮、模拟信号和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、变频器等电气元件，进而控制水泵的运转及整个系统的正常运行。另外PLC还负责各自异常情况的处理。而变频器则主要负责控制当前电机转速，使转速的变化能跟随水量的变化，实现恒压的闭环控制。也就是说，PLC是宏观调控，变频器则微观调控，两者紧密结合共同完成系统的变频恒压控制任务。系统开始运行后，PLC给变频器FWD信号，使变频器RUN，变频器则给PLC提供超压、欠压、变频器故障三种信号，PLC根据这三种信号进行处理，输出控制信号。TD-200则负责对PLC的运行状况进行监测，它只是个人机界面，方便了操作员对PLC进行操作和控制。所以，在本系统中，PLC是整个控制系统的核心部件，TD-200则是作为辅助部件出现的，负责与外界的交流，变频器是系统的执行机构。它们之间的连接关系如图所示：TD200PLC变频器图1 PLC、变频器及TD-200的连接RS232C链接通信FWD信号超压信号欠压信号变频器故障信号 2.3总体工作流程系统开始运行之前，应先把管压参数SP赋给PLC、变频器。按下全自动按钮，系统开始运行，PLC给变频器RUN信号，然后判断变频器是否工作正常，若正常则采用全自动变频恒压控制方式，反之采用全自动工频运行方式。现在假设变频器工作正常，系统开始运行，水泵1变频零转速启动，压力传感器开始采样，随着PLC的不断扫描，系统不断输入管压信号的采样结果，采样结果通过模拟输入输出单元将模拟输入值转换为PLC可以接收的数字信号，另一路模拟信号作为反馈信号输入变频器模拟输入端子，通过变频器的PID控制，与目标值做比较，将偏差调整为零，也就是提高或降低水泵转速，使管网水压达到目标值。如果一台水泵额定转速运行仍不能管网水压达到设定值，将水泵1切换到工频态运行，延时后变频器的控制对象切换到水泵2，同时保持水泵1维持工频运行，水泵2从零转速开始运行，过程如上。在该种运行方式下，系统大部分时间是工作于其中一台泵变频运行进行微调，其它泵或工频或停止的状态。如果变频器不能正常工作，系统采用全自动工频运行方式，泵1先工作在工频状态，压力传感器采样后送给PLC，看是否在控制区间内，若在，则系统状态不变；否则改变状态，超过区间上限则切除泵1，系统继续压力信号采样，重新建立监控区间。如此循环扫描，直至达到控制目的。如果系统发生故障，则转入故障处理程序。如果变频器不能正常工作，则如上所述转入工频运行；如果其中一台水泵发生故障，则切换该泵，其它泵正常运行。如果有其它报警信号（如水位不足），则转入报警处理程序。第三章 系统主要硬件的选择及应用 3.1 主要硬件的选择变频恒压供水系统主要由变频控制柜、压力传感器、水泵等组成。变频控制柜由断路器、变频器、接触器、中间继电器、PLC等组成。供水系统选用原则（I） 蓄水池容量应大于每小时最大供水量。（II）水泵扬程应大于实际供水高度。（III）水泵流量总和应大于实际最大供水量。变频控制柜选型：用户可根据供水量和供水高度确定水泵型号及台数，然后对控制柜进行选型。(1) 变频器的选择配用ABBACS600系列变频器。ACS600系列变频器是ABB公司采用直接转矩控制（DTC）技术，结合诸多先进的生产制造工艺推出的高性能变频器。它具有很宽的功率范围，优良的速度控制和转矩控制特性,完整的保护功能以及灵活的编程能力，较高的可靠性和较小的体积。主要技术数据：功率范围：2.2-3000kW 电源电压：380/400/415/440/460/480/500VAC3相10%；电源频率：48-63Hz控制连接：2个可编程的模拟输入（AI）；1个可编程的模拟输出（AO）；5个可编程的数字输入（DI）；2个可编程的数字输出（DO）。连续负载能力：150%In，每10分钟允许1分钟串行通讯能力：标准的RS485接口可使变频器方便地与计算机连接。保护特性：过流保护、I2t、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、堵转保护、串行通讯故障保护、AI信号丢失保护等。外型结构紧凑，安装方便。产品经过多种电气安全规范认证，符合GE、UL及质量认证体系ISO9001和ISO4001等。ABB变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最佳的电机控制方式，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制，无需速度反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。ACS600变频器内置PID、PFC、预磁通等八种应用，只需选择需要的应用，相应的所有参数都自动设置，输入输出端子也将自动配置，这些预设的应用配置大大节约了调试时间，减少出错。（2）PLC的选择采用西门子S7-200型。SIMATICS7-200可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之泛组合以用于扩展；简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活；方便用户和简易的无风扇设计；当控制任务增加时，可以自由扩展；大范围的集成功能使得它的功能非常强劲。多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大，可随时使用附加模块对PLC进行扩展。 应用范围1.该系统既可用于生产、生活用水，亦可用于热水供应，恒压喷淋等系统。a.可广泛用于工业企业、生活、生产供水系统及企业自备并改造工程，自来水厂、生活小区及消防供水系统。b.可用于各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统。c.可用于污水泵站、污水处理及污水提升系统。d.可用于农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。e.可用于宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。2.技术指标a最大供水高度：200米b最大流量：1000立方米/小时c压力波动：0.25兆帕d水泵电机功率：0.75KW-280KW (2)水泵及电动机的选择两台55kW的三相交流异步电动机，型号为YLB25014，其额定电流为968A，同步转速为1500rmin，堵转电流为6776A，轴向负荷为28420N，用于恒压供水，其水压要求为25MPa。查手册选IS200-150-350型水泵。 (3) 压力传感器的选择由于每种应用都有其各自的特点，因此，必须在选择过程中充分考虑整个系统的各方面影响。确定压力源的输入，希望的输出和各种相关的操作条件。安装位置和方向，与压力源的远近程度、导线应力、接口和压力连接、确定封装形式能承受的冲击性能和影响的精度范围。在受温度波动影响的测量过程中，必须有更高级的传感器用于补偿和校准偏移量，如此才能消除材料产生的温度系数。诸如湿度和污染等周围环境。精度方面的权衡结果是通过微处理器控制某些特性并消除不希望的结果。系统组成（如电源、放大器、A/D转换器、控制电路）与传感器模拟输出信号的兼容性必须达到希望的解决方案和全部设计的精度。3.2 水泵控制回路生活给水设备，一般可分为匹配式和非匹配式。非匹配式供水设备的特点是水泵的供水量，总大于系统的用水量。但是需配置蓄水设施，如高位水箱、水塔等，利用高位水箱、水塔等向系统供水。当水箱、水塔中存储的水处于低位时，水泵启动，向水箱、水塔中供水，当水箱、水塔中存储的水处于高位时，水泵停止。通过循环往复的工作，向用水系统供水。配式供水设备的特点是供水量总是适应用水量的变化而变化，设有多余的水，也没有蓄水设施（但需要有消防供水的除外）。应用变频调速设备调节水量，就是一种完全匹配式的供水方式，它通过改变水泵电机的供电频率，调节水泵的转速，通过线仪表检测出供水压力并加以控制，以保证在用水量变化时，供水量随之变化，实现供水量与用水量的相互搭配。它的优点是省去了蓄水设备，也不用气压罐，增加了建筑物的建筑面积并减少了载荷，节约了电能。缺点是如果停电，则会停水，造成生活的不便。本系统采用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。控制系统的工作原理如下：1#泵变频运行2#泵停止1#泵工频运行2#泵变频运行1#泵变频运行2#泵工频运行1#泵停止2#泵变频运行图2.单台变频器控制多台水泵开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制处于状态2。当用水高峰以后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减少设定频率时，表示只有一台水泵已能满足用水量的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机停运，2号电机仍由变频器电源供电，这时，控制系统处于状态3。当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有一台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电机，控制系统处于状态4。当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减少到设定频率时，表示只有一台水泵工作已能满足用水的要求，此时通过控制系统的控制，可将2号泵电机停运，一号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1，如此循环往复的工作，以满足系统用水量的需要。 3.3 变频器的输入输出电路本系统中的变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，它包括PLC输出给变频器FWD信号和压力传感器送来的压力信号，FWD信号由PLC的YIC输出，压力信号是作为变频器的PID单元的反馈输入信号；另一种是输入电源信号，本系统采用的三相380V的交流电源。三相电流输入连接在端子L1/R，L2/S，L3/T上。若采用三相输入，则用主电路的电源端子L1/R，L2/S，L3/T通过线路保护用断路器或带漏电保护的断路器连接至三相交流电源，不许要考虑连接相序。如果条件允许，还可以在电源电路中串入一个电磁接触器，这样就可以保证变频器保护功能动作时能切除电源和防止故障扩大，以保证安全。尽量不要采用主电路电源ON/OFF的方法控制变频器的停止和运行，应该用控制电路端子FWD、REV或者键盘面板上REV、FWD和STOP键控制变频器的运行和停止。变频器的运行要根据可编程控制器输出Q1.0(DCOM1-DI2)是否闭合来确定,变频器的停止要根据可编程控制器输出Q0.7(DCOM1-DI1)是否闭合来确定。将变频器的内部可编程继电器RO1,RO2设定成频率达到。相关参数设定如下表所示: 代码功能设定值代码功能设定值9902APPLICMACRO02102STOP FUNCTION 11001EX1COMMANDS33201SUPERV1 PARAM01031003DIRECTION13202SUPERV1 LIMLO15HZ1102EXT1/EXT263203SUPERV1 LIM HI50HZ1103EXT REF1 SEL03204SUPERV2 PARAM0103变频器的参数设定第四章. 变频调速恒压供水系统的设计 4.1 变频调速系统简介随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。变频调速恒压供水系统能实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进合理的节能型供水系统。变频调速恒压供水技术是以保证用户用水水压恒定为目标，实现系统自动控制调节。它由控制器、变频器、压力传感器、水泵构成。水泵启动后，压力传感器向控制器提供控制点的压力信号，当该点的压力不等于设定值时，控制器通过调节变频器的输出频率以改变拖动水泵的转速来调节管道压力。由于通过压力传感器将用户水压情况反馈到控制器，构成了闭环控制系统，因此用户水压调节及时，波动较小，效果较好。4.2变频调速控制方式常见的变频调速模式有两种,一种是开环控制,另一种是速度反馈控制,如下图所示,本系统根据恒压的控制要求,采用的是PID调节方式(内含于变频器中)的闭环控制。主控机器变频器水泵FWD信号变频器故障信号开环控制主控机器变频器水泵压力传感器FWD信号超压信号欠压信号变频器故障信号闭环控制变频调速控制方式号4.3 控制系统的电路设计4.3.1 控制电路的设计原理恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。根据以上原理，本系统的泵机原理图及其控制回路如下所示： PIDR S TABB变频器ACS 600 7.5KWU V WM1M2水 源KM2KM4KM1KM3PLCS7-200CPU224操作控制信号压力传感器交流电源泵机原理图 压力信号PID调节器变频器水泵PLC控制回路系统控制回路4.3.2 主电路的设计电气控制系统主回路如图所示，图中M1、M2为两台电机，交流接触器KM1-KM4控制两台电机的运行，KH1、KH2为电机M1、M2过载保护作用的热继电器，QF1、QF2、QF3、QF4分别为主电路、变频器和两台泵的工频运行空气开关。 水泵的控制回路基本上采用通用的设计方法，三相电源引出后，先通过保险、空气开关进行短路或过电流保护，其后接上接触器，利用它来控制水泵的启动和停止，最后接上所用的三相异步电机和水泵。在水泵的出水口处必须设置逆止阀，防止水倒流，以保证水泵能够从零转速开始运行。有一点就是本系统中实验采用的水泵（电动机）是220V/380V的三相异步电动机，既可以用380V的电源，也可以用220V的电源，若采用380V的变频器输出，则电机也必须选用380V的三相接入。4.3.3 PLC的配置本系统由SEIMENS S7-200的CPU224，ABB ACS600系列7.5KW的变频器和具有压力显示的PID调节器组成。系统占用PLC的4个输入点,6个输出点。具体分配如下：Q 1L 0.0 0.1 0.2 0.3 2L 0.4 0.5 0.6 3L 0.7 1.0 1.1 地 N L1S7-200 CPU224 1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 2M 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 M L+I 101 102 103 104201 202 203N 1R01 R02KA水池缺水开关PLC的I/O分配输入功能输出功能I0.0变频器高频达到R01Q0.0KM1 1#电机接变频器 I0.1变频器低频达到R02Q0.1KM2 2#电机接工频电源I0.3启动Q0.2KM3 2#电机接变频器Q0.3KM4 2#电机接工频电源Q0.7变频器DCOM1-DI1I0.7水池水位下限信号Q1.0变频器DCOM1-DI2利用变频器的两个可编程继电器输出端口R01和R02进行功能设定。当变频器达到最高频率时，R01的常开触点R01B-R01C闭合；当变频器达到最低频率时，R02的常开触点R02B-R02C闭合。可以以此作为CPU224的输入信号，判断是否进行加泵和切泵。采用具有模拟量输入/输出的PID调节器，将压力传感器的信号（4-20mA或0-5V）送给调节器，调节器再将模拟量输出给变频器进行频率调节4.3.4 控制电路的设计本系统的电气控制线路如下图所示，图中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动中间继电器，打在1位置为手动状态，打在2位置为自动状态，同时KA吸合。在手动状态，可以按动SB1-SB4控制两台泵的起停。在自动状态下，系统根据PLC的程序运行，自动控制泵的起停。HL1-HL5为各种运行指示灯，中间继电器KA的常开触点接I0.3，控制自动状态时的起动。中间继电器KA的两个常闭触点，接在两台泵的手动控制电路上，控制两台泵的手动运行。在自动状态时，两台泵在PLC的控制下，能够有序而平稳地切换、运行。KH1、KH2为两台泵的热继电器的常闭触点，可对电机进行过流保护。KM1KM2KM1KM2KA4N L1QF62 1HL2HL3 HL4HL5101102103104KM1KM2KM3KM4HL1SA1 23 5KA11KA222222KA39a9b1101 102103 104N接PLC的输出自动/手动转换变频1#泵电机工频变频2#泵电机工频KM5KM3KM2KM1SB1SB2KM2KM5KM1KM4SB3SB4KM4KH1KH2控制线路图第五章系统的软件开发 5.1 PLC应用的开发步骤本系统的程序开发主要是PLC的程序开发,采用的是根据系统的控制流程和控制目标,在计算机上先编辑好PLC软件,然后传给PLC的方法,所用软件是由采用西门子提供在Windows操作系统下的专门软件STEP7一Micro/ WIN32，通过PC/PPI电缆与CPU224相连，来实现程序的上传、下载及程序的调试等功能。PLC的应用设计,一般应按下述几个步骤进行：(1).熟悉被控对象 首先要全面详细的了解被控对象的机械结构和生产工艺过程，了解机械设备的运动内容，运动方式和步骤，归纳出工作循环图或状态（功能）流程图。（2）明确控制任务与设计要求 要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对电控系统的控制要求。例如机械部件的传动与驱动，液压、气动的控制，仪表、传感器的连接与驱动等。归纳出电气执行元件的动作节拍图。（3）制定电气控制方案（4）确定电控系统的输入输出信号（5）PLC的选型和硬件配置 选择合适的PLC型号并确定各种硬件配置，本系统选定了德国西门子公司的S7-200系列的S7-200 CPU224。（6）PLC元件的编号分配 对各种输入输出信号占用的PLC输入输出端点及其他元件进行编号分配，并设计出PLC的外部设计图。（7）程序开发 用PLC厂家提供的专用软件按照特定的规则，开发出梯形图程序或语句表程序。（8）模拟运行与调试程序 将开发好的程序传入PLC中，再逐条检查与验证，并修改开发时的语法，数据错误，然后可以在实验室里进行模拟运行和调试程序。 5.2 PLC的程序设计5.2.1 程序的流程图开始主泵循环软启动ff LNf50HZ小泵变频YYN开始1#泵已开？1#泵检修？N原变频泵转定速运行，变频启动1#泵N2#泵已开？Y2#泵检修？原变频泵转定速运行，变频启动2#泵低压计时Y开泵程序流程 开始1#泵已关？是变频泵？关1#泵是唯一开的泵？关1#泵，开2#泵2#泵已关？是变频泵？关2#泵是唯一开的泵？关2#泵，开1#泵NNNNNNYYYYY关泵程序流程第六章 柜体设计6.1. 尺寸要求 机柜为电气元器件和各种附件提供必须的安装空间，因而首先遇到的是尺寸问题。由于工程设计和机柜本身配件的需要，对机柜的外形尺寸、安装尺寸和某些互换尺寸必须作出一些规定，一般都以标准的形式加以规范。外型尺寸mm（宽高深）=600900250 （一拖二） =7001800400（一拖多台） 注：15KW以上柜体按照泵的功率及台数而定。控制柜安装尺寸 15-30KW30-75KW90-315KWA450500600B250400400C350450450D700350350H65010001200参考图号图一图二图二安装孔尺寸外挂式4840414406.2. 功能要求机柜的功能要求包括产品的功能要求和机柜结构的功能要求这两个方面。归纳起来大致有电气元器件及其附件的安装要求；外壳防护要求；屏蔽和接地要求；通风散热要求；人机学要求；布线要求；机柜的强度和刚性要求等。6.3. 机柜的工艺性要求机柜的工艺性要求是指在满足使用功能要求的前提下，对机柜的总体及零件、部件制造的可行性和经济性的要求，以及机柜满足电气设备装配的工艺性和可维修性要求。 在设计一般的配电、控制柜时，柜体都可选用标准系列柜。对于非标准柜，可根据以上设计原则进行设计。为缩短设计时间、减少工作量、降低成本，原则标准柜。 跟据要求选择标准ABB柜，产品代号NCK，主要尺寸为长700mm，宽400mm，高1700mm。此柜的柜门采用镀锌转轴式铰链与构架相连，安装、拆卸方便。柜体前后，顶面及两端侧的防护等级达到IP30，也可根据用户的要求在IP20IP40之间选择。在柜体的下部、后上部和顶部均有通风散热孔，使柜体在运行中形成自然通风道，有较好的散热性能。柜体的顶盖可在需要时拆除，便于现场主母线的装配和调整。柜顶的四角装有吊环，便于起吊、装运。另外ABB柜的价格也比较适中，可以满足我们的要求。第七章 电气布置图的设计7.1低压电器电控设备的布置原则 在进行布置时应考虑到监视、操作、连线及维修的方便，并应力求整齐美观。设计要符合GB4720电气传动控制设备 第一部分：低压电器电控设备中技术条件的规定。 接触器、继电器的布置控制柜、屏上继电器、接触器均应符合本身的安全要求。喷弧距离较长的接触器应布置在屏、柜的最上部，并保证喷弧距离，以免引起事故，有必要时，可增设阻隔电弧的设施。但应注意构架的机械强度及振动影响。大型元件可装在屏、柜的下部。 在屏、柜的整个区域内均可布置中小型接触器和继电器，而手动复位继电器则应布置在便于操作的部位，推荐布置在距地面7001700mm的区域内。对喷弧区较大的电器，应布置在距地面1.7m以上的区域。元件的空间距离应符合GB4720电气