PLC_控制的变频调速恒压供水毕业论文

1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）PLC控制的变频调速恒压供水系统摘要由于传统供水方式的缺陷，本文设计了一套PLC控制的变频调速恒压供水系统。恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、远传压力表等构成。共三台电机，其中由一台变频器拖动2台大功率电动机的起动、运行与调速，1台小容量电机备用。控制系统中采用德国SIMENS公司的S7-300可编程控制器来控制水泵电机的投入台数及运行方式；同时利用其中的数字PID控制器，由SFB41将压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改

2、变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。关键词： PLC；变频调速；恒压供水内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目录摘要I第一章 引言11.1 课题提出的背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 国内外在该方向的研究现状及分析21.3.1 变频恒压供水系统的国内外研究现状21.3.2 可编程序控制器技术国内外发展现状31.4 主要研究内容4第二章 变频调速恒压供水系统简述52.1 供水系统概述52.2 供水系统的主要特性52.2.1 供水系统的主要参数52.2.2 供水系统的特性与工作点62.3 变频调速的原理及节能原理72.3.1 变频调速的原理72.3.

3、2 变频调速运行的节能原理82.3.3 转速控制法节能的3个方面92.4 恒压供水的特点92.5 本章小结10第三章 恒压供水系统部件选择113.1 系统概述113.2 S7-300系列PLC简介113.2.1 S7-300的概况113.2.2 S7-300的组成部件133.2.3 S7-300的系统结构143.2.4 CPU模块的元件153.2.5 S7-300 的输入/输出模块163.2.6 S7-300 的编程语言183.3 变频器的介绍193.3.1 变频器的基本结构193.3.2 变频器的工作原理223.3.3 选择变频器规格243.4 变频器与PLC的连接253.4.1 开关指令信

4、号的输入253.4.2 数字信号的输入253.5 传感器263.6 本章小结28第四章 恒压供水电控系统设计304.1 变频恒压供水系统的构成及工作原理304.1.1 变频恒压供水系统控制方案的设计与选择304.1.2 恒压供水系统构成314.2 系统设计324.2.1 系统主电路的设计324.2.2 PLC控制电路设计344.2.3 控制系统主程序设计354.3 PID控制在变频调速恒压供水系统中的应用374.3.1 PID控制器374.3.2 PID控制器的应用384.4 本章小结38第五章 总结395.1 全文总结395.2 研究展望39参考文献40附录A PLC程序梯形图41附录B 电

5、气接线图52附录C PLC端子接线图53内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 引言1.1 课题提出的背景随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低水供不应求的现象。

6、传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大

7、地改善给水管网的供水环境。所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。1.2 课题研究的目的和意义随着我国工业建设的迅速发展和人们生活水平的不断提高,城市供水的矛盾也越来越突出。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式有很多缺点。变频调速供水系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将采集到的系统压力信号与压力设定值作比较，通过控制器调节变频器的输出，实时自动

8、地调节水泵电机的转速和多台水泵电机的投入及退出，使管网主干出口端压力保持为恒定的压力设定值，有效地防止水路管网管路爆裂的现象。相比传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统和气压罐供水系统，变频恒压供水系统不仅具有供水质量高、灵活性强、电机起制动平稳、无水锤效应、占地面积小、设备投资少、噪音低等优点，而且提高了供水系统的稳定性和可靠性，节水、节能效果显著，具有很好的社会效益和经济效益1。1.2.1 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。早期，变频器的功能主要是应用在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、及各种保护功能上。用在变频恒压供水系

9、统中，变频器仅作为执行机构，为了满足需求不同时的供水量，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力变送器，对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samc。公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可

10、构成最多7台电机(泵)的供水系统。此类设备简化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性能不高，与其它的监控系统和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，在实际的应用中受到限制。2 目前国内有很多公司在做变频恒压供水的工程，多数采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现，有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能等多方面的综合技术指标方面，还未能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了恒压供水专用变

11、频器，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。 可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的水压闭环控制及监控研究的不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.2.2 可编程序控制器技术国内外发展现状 世界上公认的第一台PLC是196

12、9年美国数字设备公司（DEC）研制的。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，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，变成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了便于使用，可编程控制器采用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。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

13、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。此时它的特点是大规模、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。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

14、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。 1.3 主要研究内容

15、 变频恒压供水系统是利用变频器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，取代水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水。通过对水泵的智能变频调速控制不仅能实现节能降耗，而且有利于实现供水的自动控制，远程监测，实现生产的自动化。 对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对水的压力的需求。本文介绍的恒压供水系统是采用可编程序控制器进行逻辑控制,采用变频器进行压力调节。变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件,时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变化,经PID运算,通过可编程序控制器控制变频与工频切换,自动控制水泵投入的台数和电机转速,实现闭环自动调节恒压变量供水,在保持恒压下达到控制

16、流量的目的。 论文首先对水泵电机的调控技术进行分析和比较，在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计进行研究，通过学习德国SIMENS公司的S7-300，的硬件及其编程语言，做出控制用的相关程序。第二章 变频调速恒压供水系统简述2.1 供水系统概述 自80年代初，全国各行业大力开展节能工作。自此，住房小区的给水系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水、气压供水，克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。在自动恒压供水系统中，由于

17、管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实际用水量决定的。根据反馈原理:要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不变，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。因为在恒压供水系统中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定的压力值比较，从而形成闭环系统。但由于供水系统一个非线性、大惯性的时滞系统，并且无法获得其相应的精确数学模型，所以传统的经典控制理论已经不能满足要求，而采用自适应控制与模糊控制相结合的控制方法，可以很好的满足压力恒定的要求。2.2 供水系统的主要特性2.2.1 供水系统的主要参数流量:是单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号是Q，常用单位是m3/s

18、、m3/ m、m3/ h等。供水系统的基本任务就是要满足用户对流量的需求。扬程:是单位质量的水被水泵上扬时所所获得的能量，符号是H，常用单位是m。扬程主要包括三个方面：(1)提高水位所需的能量；(2)克服水在管道中的流动阻力(管阻)所需的能量；(3)使水流具有一定流量所需的能量。由于在同一个管路中，上述的(2)和(3)基本不变，在数值上也相对较小。可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此，在同一管路内进行分析时，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一个位置时，水位地变化量(即对应地水位差)，用来表示扬程。3压力：是表示供水系统中某个位置(某一点)水压的物理量，符号是P。其大小在静态时主

19、要取决与管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，还与供水流量和用水流量之间的平衡情况有关。转速：每分钟泵轴的旋转次数，常用n表示，单位是转/分(rpm)。功率：泵的功率大多是指轴功率，即泵在运转时，在一定的流量和扬程下，电动机输送给泵轴上的功率，常用N表示，单位是千瓦k(W)。有效功率是泵在单位时间内对流经泵的水做的功，可根据流量、扬程计算出来。效率：泵在工作时，由于机械的摩擦，管路的摩擦和局部的阻力，以及泵内液体回流和密封不严的外漏造成能量的损耗，有效功率与轴功率的比值就是泵的效率，常用q表示。2.3 变频调速的原理及节能原理2.3.1 变频调速的原理变频调速恒压供水系统的供水部分主要由水泵

20、、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。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。异步电机的转差率定义：s异步电机的同步速度为：n1=异步电机的转速为：n=其中：n异步电机的理想空载转速；n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，因此连续调节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，

21、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、机械特性较硬的优点，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电机的调速。变频调速拖动系统是由变频器供电的电动机带动生产机械运转的系统。描述了转速n和转矩T之间的关系称为机械特性。拖动系统的稳定工作取决于电动机和负载的机械特性。一般负载的机械特性有三类:恒转矩负载、恒功率负载、二次方率负载(泵类负载)。三相异步电动机定子相电动势的有效值为公式： (2-1)式中: E定子每相的磁感应电动势k与绕组

22、结构有关的常数 f 定子频率(Hz)N每相绕组串联匝数每极磁通量(Wb) 由上式可见，的值由E和f共同决定的，对E和f进行适当的控制，就可以使气隙磁通保持额定值不变。即使 ： (2-2)上式中常数。式 (2-2)表示了感应电动势有效值与频率之比为常数的控制方式。采用这种控制方式，可以获得很好的效果，这是一种较为理想的控制方式。2.3.2 变频调速运行的节能原理在供水系统中，最根本的控制对象是流量。常见的方法有阀门控制法和转速控制法。阀门控制法:通过关小或打大阀门来调节流量，而转速则保持不变(通常为额定转速)。阀门控制法的实质是，水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来改变供水的能

23、力(反映为供水流量)，以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。转速控制法：即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变(通常为最大开度)。转速控制法实质是通过改变水泵的扬程来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。图2.2 水泵特性曲线2.3.3 转速控制法节能的3个方面(1)通过上文对两种调节流量的方法的比较，可以看出:在所需流量小于额定流量的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时的小得多，所以转速控制方式所需得供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积HCBF成正比

24、。(2)同时在转速控制方式下，水泵的工作效率要比阀门控制方式的工作效率大得多，这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。(3)采用转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适当降低转速，由于电动机在低频运行时，变频器的输出电压也将下降，从而提高了电机的工作频率。2.4 恒压供水的特点对供水系统进行的控制，归根到底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力(供水流量)和用水需求(用水流量)之间的平衡情况关系有关，即供水能力大于用水需求时压力上升，供水能力小于用水需求时压力下降，

25、当两者相等时压力不变。供水能力和用水需求之间的矛盾具体反映在水压的变化上。从而压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。当供水系统中某处压力恒定时，供水与用水处于平衡状态，恰好满足用户所需的用水流量，这就是恒压供水所具有的特点。2.5 本章小结水泵的工作点就是同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点，由于水泵工作点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不变的。本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点(工况点)的确定方法。接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本章重点对变频调速恒压供水系

26、统中水泵能耗机理进行深入研究，得出了转速控制法下水泵的供水功率也比阀门控制方式大得多，工作效率要比阀门控制控制方式下大得多，提高了电机的效率。第三章 恒压供水系统部件选择3.1 系统概述系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动2台电动机的起动、运行与调速。3.2 S7-300系列PLC简介3.2.1 S7-300的概况S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。 图3.1 PLC控制系统示意图PLC 采用循环执行用户程序的方式。OB1 是用于循环处理的组织块（主

27、程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1 中可以调用其它逻辑块(FB, SFB, FC 或SFC)。循环程序处理过程可以被某些事件中断。在循环程序处理过程中，CPU 并不直接访问I/O 模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU 内部的输入/输出过程映像区。批量输入、批量输出。循环时间（Cycle time）是指操作系统执行一次图3.2 所示的循环操作所需的时间，又称为扫描循环时间（Scan Cycle Time）或扫描周期。S7-300 系列PLC 简介S7-300 的CPU 模块（简称为CPU）都有一个编程用的RS-485

28、接口，有的有PROFIBUS-DP 接口或PtP 串行通信接口，可以建立一个MPI（多点接口）网络或DP 网络。图3.2 扫描过程图3.3 S7-300 PLC1.电源模块 2.后备电池 3. DC 24V连接器 4.模式开关 5.状态和故障指示灯 6.存储器卡(CPU 313 以上) 7. MPI 多点接口 8.前连接器 9.前盖S7-300 PLC功能最强的CPU的RAM为512KB，最大8192个存储器位，512个定时器和512个计数器，数字量最大65536，模拟量通道最大为4096。有350 多条指令。计数器的计数范围为1999，定时器的定时范围为10ms9990s。5故障安全型CPU

29、：CPU 315F。 根据设计需求选用CPU 314C-2DP，它有集成的数字I/O,DI为24、DO为16；两个PROFIBUS-DP主站、从站接口，通过CP（通信处理器）各CPU可以扩张一个DP主站；有集成的模拟量I/O，4路集成的模拟量输入信号的量程为±10V、010V、±20mA、和020mA。各通道的转换时间为1ms，25时的基本误差为0.7%。3.2.2 S7-300的组成部件S7-300PLC是模块式的PLC，它由以下几部分组成：（1）中央处理单元（CPU）各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS

30、-DP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒。 （2）负载电源模块（PS）负载电源模块用于将AC 220V电源转换为DC 24V电源，供CPU和I/O模块使用。额定输出电流有2A、5A和10A 3种，过载时模块上的LED闪烁。（3）信号模块（SM）信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的电信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC420mA和DC01

31、0V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。每个模块上有一个背板总线连接器，现场的过程连接到前连接起的端子上。（4）功能模块（FM）功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。（5）通信处理器（CP）通信处理器用于PLC之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入PROFIBUS-DP、AS-i和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信处理器可以减轻CPU处理通

32、信的负担，并减少用户对通信的编程工作。（6）接口模块（IM）接口模块用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。（7）导轨铝制导轨用来固定和安装S7-300上述的各种模块3.2.3 S7-300的系统结构S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块（PS）、CPU、信号模块（SM）、功能模块（FM）、接口模块（IM）和通信处理器（CP）都安装在导轨上，导轨是一种专用的金属机架，只需将模块钩在DIN标准的安装轨道上，然后用螺栓锁紧就可以了。有多种不同长度规格的导轨供用户选择。电源模

33、块总是安装在机架的最左边，CPU模块仅靠电源模块。如果有接口模块，它放在CPU模块的右侧。S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上，模块通过U形总线连接器相连，每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后（见图3.4）安装时先将总线连接器插在CPU模块上，并固定在导轨上，然后依次装入各个模块。外部接线在信号模块和功能模块的前连接器的段子上，前连接器用插接的方式安装在模块前门后面的凹槽中。S7-300的电源模块通过电源连接器或导线与CPU模块相连，为CPU模块提供DC24V电源。PS307电源模块还有一些端子可以为信号模块提供24V电源。图3.4 S7-

34、300的安装更换模块时只需松开安装螺钉，拔下已经接线的前连接器。前连接器上的编码块用于防止将已接线的连接器插到其他模块上。3.2.4 CPU模块的元件 1状态与故障显示LED CPU模块面板上的LED（发光二极管）的意义如下：（1）SF（系统出错/故障显示，红色）：CPU 硬件故障或软件错误时亮。（2）BATF（电池故障，红色）：电池电压低或没有电池时亮。（3）DC 5V（5V 电源指示，绿色）：CPU和S7-300总线的5V电源正常时亮。（4）FRCE（强制，黄色）：至少有一个I/O被强制时亮。（5）RUN（运行方式，绿色）：CPU处于RUN状态时亮；重新启动时以2Hz的频率闪亮； HOLD

35、（单步、断点）状态时以0.5Hz 的频率闪亮。（6）STOP（停止方式，黄色）CPU处于STOP，HOLD 状态或重新启动时常亮。（7）BUSF（总线错误，红色）。 2.CPU的运行模式CPU有4种操作模式：STOP（停机）、STARTUP(启动)、RUN（运行）HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。（1）STOP模式：CPU模块通电后自动进入STOP模式，在该模式不执行用户程序，可以接收全局数据和检查系统。（2）RUN模式：执行用户程序，刷新输入和输出，处理中断和故障信息服务。（3）HOLD模式：在起动和RUN模式执行程序是遇到调试用的断点，用户程序的执行被挂

36、起（暂停），定时器被冻结。（4）STARTUP模式：可以用钥匙开关或编程软件启动CPU。如果钥匙开关在RUN或RUN-P位置，通电时自动进入启动模式。 3模式选择开关（1）RUN-P(运行-编程)位置：运行时还可以读出和修改用户程序，改变运行方式。（2）RUN (运行)位置：CPU 执行、读出用户程序，但是不能修改用户程序。（3）STOP（停止）位置：不执行用户程序，可以读出和修改用户程序。（4）MRES（清除存储器）：不能保持。将钥匙开关从STOP 状态搬到MRES 位置，可复位存储器，使CPU 回到初始状态。复位存储器操作：通电后从STOP 位置扳到MRES 位置，“STOP”LED 熄灭

37、1s，亮1s，再熄灭1s 后保持亮。放开开关，使它回到STOP位置，然后又回到MRES，“STOP”LED 以2Hz 的频率至少闪动3s，表示正在执行复位，最后“STOP”LED 一直亮。某些CPU 模块上有集成I/O。PLC 使用的物理存储器：RAM，ROM，快闪存储器（Flash EPROM）和EEPROM。图3.5 CPU318-2的面板S7-300 的模拟量I/O模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入/输出模块SM334 和 SM335。图3-9模拟量输入模块图3-10 模拟量输出模块3.3 变频器的介绍3.3.1 变频器的基本结构 变频器就是能够分别连

38、续改变频率和电压的电源设备。变频器按变换环节分为交交变频器和交直交变频器。交交变频器是把频率固定的交流电源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，故变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下。交直交变频器是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源。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善频率后电动机的特性等方面，都有明显的优势。交直交变频器的基本构成为主电路(包括整流电路，中间直流环节，制动电路、逆变电路)和控制电路。其基本结构如图3.12所示7。 (1)整流电路一般的三相变频器的整流电路

39、由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部交流电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流器有两种基本类型，即可控的和不可控的。图3.12 变频器结构示意图 (2)逆变电路：逆变电路主要作用是通过逆变器中主开关器件的有规律地通与断，从而得到可变频率的交流电输出。 常用的开关器件有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力场效应晶体管(MOSFET)、电力体管(GTR)、门极关断(GTO)晶闸管以及等。几种开关器件的结构如图3.13所示。在以前逆变器中，所采用的电力电子器件主要是晶闸管，其开关频率较低，调速系统控制方式在当时主要是调压与调频分别控制，即相控整流器控制输出电压的幅

40、值，逆变开关频率控制决定输出电压的频率，这种调压、调频分别控制方式量简单，易于调整，有许多缺点：调速系统功率因数差，转矩脉动大，动态响应慢等。图3.13 几种电力半导体结构示意图近年来，随着电力电子技术的发展，具有自动关断能力的元件如大功率晶体管GTR和门极可关断晶间管GTO开始得到广泛应用，产生了一种新型的调压调频综合控制技术脉宽调制技术及相应的PWM逆变器。现在的SPW逆变器，均是以IGBT为开关器件。IGBT融合了GTR与MOSFET的优点，具有容量大开关频率高等特点，IGBT的平均开关频率能够达到20kHz左右。SPWM逆变器，能够同时完成调压和调频的任务。SPWM逆变器所采用的SPW

41、M(Sinusoidal Pulse width Modulation)方式，其原理如图3.14所示。采用参考正弦电压波与载频三角波互相比较，决定主开关的导通时间来实现调压，利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身，而且还因采用不可控整流，简化了整流装置，降低了整流器的造价，同时还改善了系统的功率 因数，特别是通过采用适当的调制方法可以使变频器输出电压中谐波分量，尤其是低次谐波显著减少，从而使异步电动机的技术性能指标得到了很大地改善。 图3.14 SPWM调制方式 (3)中间直流环节由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机

42、处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，因此，在中间直流环节与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。如果中间储能元件，采用大容量的电容并联在直流环节上，由于电容两端的电压不能突变，因此，直流环节的电压比较稳定，相当于恒压源。如果中间储能元件改为一个大的串联电感，那么直流部分就相当于一个恒流源。中间电路有三种类型，即将整流电压变换成直流电流;将脉动的直流电压变得稳定或平滑;将整流后固定的直流电压变换成为可变的直流电压。根据中间电路储能元件的不同，分为电压源型变频器和电流源型变频器。一般的电压源型交直交变频器为不可逆变频器，即变频器正

43、常运行为两象限运转，电源只向异步电动机输出功率。对于减速时需要制动力的负载，功率会从异步电动机向逆变器回流，此时变频器需附加一套制动电路，以实现电机，象限制动，制动电路采用制动电阻的形式，当异步电动机工作在制动发电状态时(转差率为负)，将产生再生能量，再生能量存与变频器平滑回路电容器中，使平滑回路中直流电压升高，当电压升高到一定值时，控制电路使制动部分的晶体管导通，再生能源流入电阻器被消耗掉。再生能量较大时，控制单元和电阻单元将分别设置。对于需要急加减速度，并且加减速度频繁的场合，或对于制动为主要目的场合，需采用可逆变频器，实现电动机的四象限运行，即双向电动和能量回馈制动运行，这种逆变器可以将

44、电机的再生能源反馈回电网。实际上由于变频器的整流为高频非线性，因此会产生高次谐波，使电网的电压和电流波形发生畸变，对电网造成污染，因此需要一些附件来处理。8 (4)控制电路控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路和驱动电路等组成。其主要任务是接受各种信号，进行基本运算，输出计算结果，完成对逆变电路的开关控制，对整流器的电压控制(可控型)以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。3.3.2 变频器的工作原理通过改变脉冲的不同宽度(即占空比)可以

45、控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出功率，从而同时实现变压和变频。SPWM变压变频器的主要特点为:主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构;采用了不可控整流，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关;逆变器同时实现调频与调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响;可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，因而转矩脉动小，大大扩展了传动系统的调速范围，提高了系统的性能。3.3.3 选择变频器规格变频器产品说明书都提供了标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数，因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实践中可能会行不通。根据具体工程

46、情况，可以有几种不同的变频器规格选择方式。1.按照电动机额定电流选择对于多数的恒转矩负载新设计项目，可以按照这个方式选择变频器规格： IevfK1Ied (3-1)式中，Ievf 是变频器额定电流；Ied是电动机额定电流；K1是电流裕量系数，根据应用情况一般可取为1.051.15，一般情况可取小值，在电动机持续负载率超过80%时，则应该取大值，因为多数变频器的额定电流都是以持续负载率不超过80%来确定的。另外，启动停止频繁的时候也应该考虑取大值，这是因为启动过程以及有制动电路的停止过程电流会短时超过额定电流，频繁启动停止则相当于增加了负载率。2.按照电动机实际运行电流选择这个方式用于改造工程，

47、对于原来电动机已经处于大马拉小车的情况，可以选择功率比较合适的变频器以节省投资： IevfK2Id (3-2)式中，K2是电流裕量系数，考虑到测量误差，可取K2=1.11.2，在频繁启动停止时应该取大值；Id是电动机实测运行电流，指的是稳态运行电流，不包括启动、停止和负载突变的动态电流，实测时应该针对不同工况作多次测量，取其中最大值。 3.按照转矩过载能力选择变频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低，因此，按照常规配备变频器时电动机转矩过载能力不能充分发挥作用。由于变频器能够控制在稳定转矩下持续加速直到全速运行，因此，平均加速度并不低于直接启动的情况，一般应用中没有什么问题。通过上述论

48、述和系统要求，决定选用富士公司的P11S系列变频器。P11S系列是风机泵用标准系列，采用高性能和多功能的理想结合动态转矩矢量控制，能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制。动态转矩矢量控制是一种先进的驱动控制技术.3.4 变频器与PLC的连接由于PLC是一种数字运算和操作的电子控制装置，可以通过软件来改变控制过程，且具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可靠性高等优点，非常适合于恶劣工作环境下运行，所以常用PLC来控制变频器，可以由PLC来提供控制信号(如速度信号)和指令通断信号(启动、停止、反向等)。3.4.1 开关指令信号的输入变频器的输入信号中包括对运行、停止，正转、反转、微动等

49、运行状态进行操作的开关型指令信号(数字输入信号)。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件(如晶体管)与PLC连接，获取运行状态指令。使用继电器接点时，常因接触不良而带来误动作;使用晶体管进行连接时，则需要考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在考虑变频器的输入信号电路时还应该注意到，当输入信号电路连接不当时有时会造成变频器的误动作。如当输入信号电路采用继电器等感性负载，继电器开闭时产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应该尽量避免，这时可以考虑采用阻容振荡吸收，光电隔离的方式。3.4.2 数字信号的输入变频器中也存在一些数值型指令信号的输入(如频

50、率、电压等)，一般可以分为数字输入和模拟输入两种。数字输入和模拟输入两种，数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来设定。模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常是通过010V/5V的电压信号或0/420mA的电流信号输入。接口电路因输入信号而异，须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。当变频器和PLC的电压范围不同时，如变频器的输入信号范围为010V，而PLC的输出信号电压范围为05V时或PLC一侧的输出信号电压范围为010V，而变频器的输入信号电压范围为05V，由于变频器和晶体管的容许电压、电流等因素的限制，则需要以串联的方式接入限流电阻。此外，在连线时还应该注意将控制电路和主电路

51、布线分开，保证主电路一侧的噪声不传至控制电路。通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号，电信号的范围通常为05/10V电压信号及0/420mA电流信号。无论是哪种电信号，都必须注意PLC一侧的输入阻抗的大小，保证电路中的电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减小误差。由于变频器在运行过程中会带来较强的电磁干扰，为了保证PLC不因变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪声而出现故障，在将变频器和PLC相配合使用时必须注意:(1)对PLC本体按照规定的标准和接地条件进行接地。此时，应该避免和变频器使用共同的接地线，并在接地时尽可能使二者分开。(2)当电源条件不太好时，应在PL

52、C的电源模块以及输入/输出模块的电源线上接入噪声滤波器和降低噪声用的电抗器等。此外，如有必要在变频器一侧也采用相应措施，如采用屏蔽接地的方式。(3)当把变频器和PLC安装在同一个操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。(4)通过使用屏蔽线和双绞线达到提高抗噪声水平的目的。3.5 传感器在工程上，所谓压力，是指一定介质垂直作用于单位面积上的力。压力测量有很多方法，有利用液体在重力作用下液位发生改变与被测压力平衡的液柱测压法，有根据弹性原件受力变形的测压法，也有将被测压力转换成各种电量的电测法等12。在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。绝对压力是指被测

53、介质作用在单位面积上的全部压力，用PA表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用P0表示。用来测量大气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即 PI=PA -P0 （3-3）由于工程上需测量的往往是物体超出大气压力之外所受的压力，因而所使用的压力仪表测量的值称为表压力。显然当绝对压力值PA 小于大气压力值P0时，表压力为负值，所测值称为负压力或称真空压，它的绝对值称为真空度。压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米，通常称为帕斯卡或简称帕(Pa)，工业上常采用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作为压力的单位13。设计中需要测

54、量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。青岛奥斯特技术开发有限公司的HR-YTZ电阻远传压力表，如图3.17。HR-YZ表示压力真空表；HR-Z表示真空表；HR-Y表示一般压力表；HR-YB表示精密压力表。图3.17远传压力表用途说明：电阻远传压力表适用于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置一滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离点的二次仪表上，以实现集中检测和远距控制。此外，本仪表并能就地指示压力，以便于现场工艺检查。主要技术要求：精确度等级：1.6发送器起始电阻值：320发送器满度电阻值：34040

55、0发送器接线端外加电压不大于6V滑线电阻式发送器接线图：图3.18 滑线电阻式发送变送器接线图    使用环境条件：-4060，相对湿度不大于85%，且震动和被测（控）介质的急剧脉动应对仪表正常工作无明显影响。    温度影响：使用温度偏离20±5时，其温度附加误差不大于0.4%/10。    重量：1.2kg。测量范围：表3.1 测量范围型号测量范围HR-YTZ-15000.1；00.16；00.25；00.4；00.6；01；01.6； 02.5；04；06；0

56、10；016；025；040-0.10；-0.10.15；-0.10.3；-0.10.5；-0.10.9；-0.11.5；-0.12.4结构原理： 本仪表由一个弹簧管压力表和一滑线电阻式发送器等组成。仪表机械部份的作用原理与一般弹簧管压力表相同。由于电阻发送器系设置要齿轮传动机构上，因此当齿轮传动机构中的扇形齿轮轴产生偏转时，电阻发送器的转臂（电刷）也相应地得以偏转，由于电刷在电阻上滑行，使得被测量压力值的变化变换为电阻值的变化，而传至二次仪表上，指示出一相应的读数值。同时，一次仪表也指示出相应的压力值。外形尺寸：如图3.19所示（单位：mm）图3.19 外形尺寸3.6 本章小结系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器以及接触器控制柜等构成。选用S7-300，它属于模块式PLC，主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。变频器就是能够分别连续改变频率和电压的电源设备。交直交变频器是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源。同时系统采用远传压力表，来检测水管出口处的压力值，同时远传压力表