〔大学论文〕PLC和变频器在城市节能供水系统中的应用（含word文档） .pdf

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1、目目目目录录录录 1 绪论1 2 设计功能及方案论证1 2.1 设计功能1 2.2 系统设计方案分析及方案论证1 2. 3 系统控制方框图2 3.系统硬件选型.3 3.1 PLC 可编程控制器部分.3 3.1.1 PLC 概述.3 3.1.2 PLC 选型和性能指标5 3.1.3 PLC 内部分配5 3.2 变频器的概述及选型6 3.3 传感器的介绍及选型7 3.4 模数转换模块.8 3.5 触摸屏显示器9 3.6 软起动器9 4 硬件电路设计.10 4.1 主电路控制电路图.10 5 软件设计11 5.1 水位控制部分.11 5.2 压力控制部分13 5.3 机械故障处理部分16 6 结束语

2、17 致谢17 参考文献18 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 目前，在城市供水系统中，还有很多高楼、生活小区、边郊企业等采用高位 水塔或直接水泵加压供水方式，在用水量大时电机满负荷运行，而在用水量小时 则会停机或切换到空运行状态。这种情况下，一方面要消耗大量的电能，造成能 源的浪费；另一方面由于用水量具有很大随机性，传统方式在用水波动时难以保 持其实时性。针对这一情况，设计了一套变频恒压供水系统，将模糊控制技术应 用到系统的控制过程中，采用了 PLC 控制及交流变频调速技术，并在控制算法 的实现上提出了一种利用 PLC 梯形图编程语言实现模糊控制的新方法，彻底取 代了高位水塔或直接水泵加压供

3、水方式， 为城市供水系统的建设提出了一条极具 推广应用的新途径。 当前国内多数企业中仍使用传统的恒速泵组切换加压的供水 方式，其水压不稳且浪费电能。有文献介绍，我国每年水泵消耗的电能约占电能 总耗的 20%以上，而电耗又占水费成本的 60%以上，故如何优化对水泵的控制 具有重要的意义，很多文献曾做过有益的探索，本文针对小区的工况开发出以可 编程控制器，和变频调速为核心的恒压供水控制系统其结构简易紧凑水压波动 小、运行平稳可靠，运行一年节约的电费就为该企业收回技改设备投资。 2 2 2 2 设计功能及方案论证设计功能及方案论证设计功能及方案论证设计功能及方案论证 2.12.12.12.1 设计功

4、能设计功能设计功能设计功能 本控制系统具有供水机组的启动、变频运行、工频运行和过热保护手动/ 自动转换、在线监控及在现场调试、驱动通风机的电机过热保护，故障报警等功 能。其具体控制要求如下： (1)本系统提供手动自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功 能。 (2)模拟量压力输入经 PID 运算，输出模拟量控制变频器 （3） 在自动方式下，当系统水压力低于设定压力下限时，三组电机将根据 系统水压与设定水压的比较投入工作运行，分为工频运行、变频运行和停止三种 工作状态 （4） 根据水位限制和压力限制来确定系统的故障现象，并能够实时报警。 （5） 根据压力的变化能够确定用水量是否超过供水负荷

5、，并能够及时的预 警和报警。 （6） 系统可以在线调试及现场在线监控。 2 2 2 2. . . .2 2 2 2 系统设计方案分析及方案论证系统设计方案分析及方案论证系统设计方案分析及方案论证系统设计方案分析及方案论证 目前国内多数供水企业水泵类机械的典型电气传动仍是用鼠笼式异步电动 机驱动，因为它具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格低廉等优点。但其本 身调速较难，故常为恒速运转；当需要调节流量时，则采用调节阀门的方法， 这 至少浪费 20%的能源。 统计表明， 我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的 20% 以上，而电耗又占水费成本的 60%以上。随着变频调速控制技术日益完善，采 用变频调

6、速控制方式来调节流量，在节电方面是有效的方法，因为流量与转速成 正比，而电动机的消耗功率与转速的立方成正比。因此，当电动机转速降低使泵 出口流量减少时，消耗功率会大幅度下降，从而达到节电目的。例如转速降低 20%50%，可节电 50%80%，经济效益显著。由于居民区用水量变化大，电 气传动方案宜采用多台拖动水泵的电机并联传动取代拖动 1 台大水泵的电机传 动， 这样可以根据不同用水情况合理地增加或切掉水泵， 从而提高水泵工作效率， 增加灵活性。根据供水量和扬程量确定水泵的容量和数量，通常是 13 台泵和 1 台辅助小泵。如果只采用一台变频调速器(VVVF)顺序拖动各台泵的电机，那 么可减少投资

7、，因为变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之 三。由 PLC 控制四台拖动水泵的电机启动和停止，及在工频电网与变频器输出 之间进行切换运行，并可通过程序控制自动实现 (任意一台泵连续运行超过规定 时间)停机轮休，防止烧坏变频器，以延长泵组的使用寿命。以上系统功能的实 现有以下方案可供选择： （1）单片机控制，利用压力变送器和水位限制器、及 A/D 转换和 D/A 转换 电路，89C51、变频器及一些附属电路和相关参数的继电器，也可以实现上述功 能，利用单片机控制具有控制单元小、 ，占地面积小、成本低、控制电路电耗小 等优点，但是，单片机及相关的附属电路工作在大电流、高冲击的电磁环境

8、， 具 有比较差的稳定性，另外，由于长期的连续运行，元器件老化比较快，因此， 利 用单片机控制具有故障率高，寿命短的缺点。 （2）恒压供水控制器控制，利用恒压供水控制器、变频器及附属电路和相 关参数的继电器也可以实现恒压供水功能，但是恒压供水控制器具有不可编程 性， 因此在现场调试和现场监控性能差， 不易实现 PID 运算， 控制的精度不够高， 相关的报警、故障诊断电路比较复杂。 （3）PLC 控制，利用 PLC、变频器及相关的继电器控制，可以完全实现上 述的控制功能，具有控制精度高，高度节能、具有良好的人机界面、现场监控和 现场调试方便、能够适应复杂的电磁环境、具有寿命长、故障率低等一系列的

9、优 势。因此，经过慎重的论证，本设计采用 PLC 控制作为核心的控制单元。 2 2 2 2. . . . 3 3 3 3 系统控制方框图系统控制方框图系统控制方框图系统控制方框图 本控制系统有可编程控制器（PLC） 、A/D 转换模块、D/A 转换模块、变频 器、传感器部分、监控对象和电控回路组成。其硬件功能框架图如图 1 所示。 水水 压力变送器水位变送器 PLC变频器触摸屏显示 软启动器 控制回路电机保护 水泵电机 图 1 恒压供水控制系统示意图 3 3 3 3 系统硬件选型系统硬件选型系统硬件选型系统硬件选型 3.13.13.13.1 PLCPLCPLCPLC 可编程控制器部分可编程控制

10、器部分可编程控制器部分可编程控制器部分 3.1.13.1.13.1.13.1.1 PLCPLCPLCPLC 概述概述概述概述 PLC 是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机1， 其结构与一般的计 算机相类似， 由中央处理单元 （CPU） 、 存储器 （RAM、 ROM、 EPROM、 EEPROM 等） 、输入接口、输出接口、I/O 扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。 CPU 单元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存 储器等组成，它是 PLC 的核心部件，是由大规模或超大规模的集成电路微处理 芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序 和

11、数据。进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从内存逐 条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行 数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术 运算任务，并根据运算结果控制输出设备。 存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器 （ROM） 。随机存储器由一系列寄存器阵组成 ，每位寄存器可以代表一个二进 制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后， 它的状态才确定。若关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作， 主 要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的

12、参数。为防止断电后 数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存 5 年，当电池电压降低 时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。只读存储器在两种，一种是不可擦 除 ROM，这种 ROM 只能写入一次，不能改写。另一种是可擦除 ROM，这种 ROM 经过擦除以抂这可以重写。其中 EPROM 只能用紫外线探险内部信息， E2PROM 可以用电擦除内部信息，这两种存储器的信息可以保留 10 年左右。 输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是 PLC 与现场输入 输出设备或其他外部设备之间的连接部件。 PLC 通过输入模块把工业设备或生产 过程的状态或信息读入中央处理单元，通过用户程

13、序的运算与操作，把结果通过 输出模块输出给执行单元。 输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到 PLC 外部，输出模块具有隔离 PLC 内部电路和外部执行单元的作用，还具有功率放 大的作用。输出模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。 表1 CPU226技术指标 接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是 程序存储器4096 字 用户存储器2560 字 存储器类型EEPROM 存储卡EEPROM 数据后备（超级电 容） 190h 编程语言LAD、FBD 和 STL 程序组织1 个组织块（可以包含子程序和中断程序） 本机 I/O24 点输入/16 点输出

14、扩展模块数量7 个模块 数字量 I/O 映像区256 点（128 点输入/128 点输出） 数字量 I/O 物理区248 点（128 点输入/240 点输出） 模拟量 I/O 映像区32 路畭 32 路输出 模拟量 I/O 物理区35 路（28 路畭 7 路输出）或 14 路输出 布尔指令执行速度0.37s/指令 计数器/定时器256/256 个 顺序控制继电器256 个 基本运算指令11 项 增强功能指令8 项 FOR/NEXT 循环有 整数运算（算术运 算） 有 实数运算（算术运 算） 有 内置高速计数器6 个（30kHz） 内置模拟电位器2 个（8 位分辩率） 脉冲输出2 个高速输出（2

15、0kHz） 通信中断1 发送器/2 接收器 定时中断2 个（1255ms） 输入中断4 个 口令保护3 级口令保护 通信2 个 2 个 RS-485 通信接口可用作 PPI 接口、 MPI 从站接口和自由 口 用于扩展输入输出单元。它使 PLC 的控制规模配置得更加灵活。这种接口为总 线形式， 可以配置开关量的 I/O 单元， 也可以配置如模拟量、 高速计数等特殊 I/O 单元及通信适配器等。 编程器接口是连接编程器的， PLC 本体通常是不带编程器 的。为了能对 PLC 编程及监控，PLC 上专门设置有编程器接口。通过这个接口 可以接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控工作。存储

16、器接口 是为了扩展存储器而设置的。 用于扩展用户程序存储区和用户数据参数 存储区， 可以根据使用的需要扩展存储器。其内部也是接到总线上的。通信接口是为了在 微机与 PLC、PLC 与 PLC 之间建立通信网络而建立的接口。 3.1.3.1.3.1.3.1.2 2 2 2 PLCPLCPLCPLC 内部分配内部分配内部分配内部分配 CPU226I/O 接口及内部寄存器分配如表 2 和表 3。 表2 内部存储器使用 触摸屏 PID 参数设定置VW10 触摸屏 PID 参数增益VW12 触摸屏 PID 参数采样时间VW14 触摸屏 PID 参数积分时间VW16 触摸屏 PID 参数微分时间VW18

17、PID 反馈量（PVn）VD100 PID 给定置（SPn）VD104 PID 输出置（Yn）VD108 PID 增益（KC）VD112 PID 采样时间（T）VD116 PID 积分时间（TI）VD120 PID 微分时间（TD）VD124 模拟输入压力值存储VD128 压力下限存储VD132 3.1.3.1.3.1.3.1.3 3 3 3 PLCPLCPLCPLC 选型和性能指标选型和性能指标选型和性能指标选型和性能指标 根据系统的应用领域、采集数据的类型和大小、I/O 点数、以及设置数据需 要得内存大小，本文中所选用的 PLC 是西门子公司的产品 S7-200 系列，CPU 的 型号是

18、CPU226 2 。CPU226 集成了 24 点输入和 16 点输出，共有 40 个数字量 I/O 点。 可连接 7 个扩展模块， 最大扩展至 248 点数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O。 CPU226 有 13KB 程序和数据存储空间，6 个独立的 30kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。CPU226 配有 2 个 RS-485 通信编程口，具有 PPI 通信、MPI 通信和 自由方式 通信能力，用于较高要求的中小型控制系统。其性能指标如表 1。 表3 I/O接口分配表 3.23.23.23.2 变频器的概述及选型变频器的概述及选型变频器的概述及选型变频器的概述及选型

19、（1）变频器的选用： 变频器的选用应满足以下规则，变频器的容量应大于负载所需的输出；变频 器的容量不低于电机的容量；变频器的电流大于电机的电流。 表 4 变频器性能参数设置 由于本设计以风机组 230kW 为例，因此可选用 37kW，额定电流 75A 的 变频器。考虑到改进设计方案的可行性，调速系统的稳定性及性价比， 我们采 用西门子 MM440，237kw， 额定电流为 75A 的通用变频器。该变频器采用高 输入输出 电机启动SB1I0.01#工频输出KM1Q0.0 电机停止SB2I0.12工频输出KM2Q0.1 手动自动转换SB3I0.23工频输出KM3Q0.2 变频工频转换SB4I0.3

20、1变频输出KM4Q0.4 报警解除按钮SB5I0.42变频输出KM5Q0.5 急停SB6I0.53变频输出KM6Q0.6 压力变送器输入AIW0蜂鸣器报警输出Q0.7 水位变送器输入AIW2压力模拟量输出QW0 参数号设定值说明 P01000欧洲/北美设定选择 P03001电机类型选择（异步电机） P0304380电机额定电压 P030575电机额定电流 P030737电机额定功率 P03080.87电机额定功率因数 P03090.925电机额定效率 P031050电机额定频率 P03111450电机额定转速 P07001基本操作板（BOP）设置 P10002变频器频率设定值通过外部模拟量给定

21、 P10605点动斜坡上升时间 P10615点动斜坡下降时间 P130020变频器频率的运行方式为无速度反馈的矢量控制 P070116Din1 选择固定频率 1 运行 P070216Din2 选择固定频率 2 运行 P07051Din5 控制变频器启停 P100120固定频率 1 P100230固定频率 2 性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性， 同时具备超强的 过载能力，可以控制电机从静止到平滑起动期间提供 3S， 有 200 的过载能力 。 （2）变频器参数的设置： 负载为一大惯性负载，在停车时，为防止因惯性而产生的回馈制动使泵升电 压过高的现象，加入制动电阻，斜坡下降时间

22、设定长一些。外接制动电阻的阻值 和功率可按公式 R2Ud1P(0305)选取。式中：U 为变频器直流侧电压， d 为变频器的额定电流。本次设计采用西门子与 37kW 电机配套的制动电阻响和 对转速调整的要求，系统用模拟量输入作为附加给定，与固定频率设定相叠加以 满足不同型号模具特殊要求。调速系统电路图如图 2。制动电阻的热敏开关 4BD22-2EAO，1.5Q，2.2kW 3。变频器的各项参数设置如表 4 所示。 3.33.33.33.3 传感器的介绍及选型传感器的介绍及选型传感器的介绍及选型传感器的介绍及选型 该控制系统中存在大量的模拟量信号， 这些信号的输入都要通过传感器是进 行模拟量采集

23、，将采集的模拟量信号送入 PLC 输入模块进行模数转换， 表 5 HM23Y 型压力变送器性能参数 将连续的变化量（大部分为 420mA 的电流信号，05V 或 010V 的电 压信号）转换离散的数字量，存储到 PLC 内存里；输出是由模拟量输出模块将 我们要输出的存储在内存中的数字离散信号转换为电压信号或者电流信号。 HM23Y 型压力变送器4采用欧洲先进的溅射薄膜压力传感器作为敏感元 测量范围00.5MPa220MPa 过载能力2 倍满量程压力(其中 100Mpa 以上过压为 1.1 倍) 压力类型表压或绝压 测量介质与 316 不锈钢兼容的气体或液体 供电电源1236VDC(一般为 24

24、V) 信号输出420mA/15VDC/05VDC/0.54.5VDC 综合精度0.1%FS0.25%FS0.5%FS 长期稳定性0.1%FS/年 使用温度范围-40+150 补偿温度范围-40+120 温度性能零点温度系数：0.02%FS/ 灵敏度温度系数：0.02%FS/ 接液材料膜片:17-4PN连接件:1Cr18Ni9Ti 响应时间2 毫秒 负载电阻(U-10)/0.02 绝缘电阻100M，50VDC 外壳防护插头型（IP65） ； 电缆型（IP67） 安全防爆Exia CT5 重量约 0.25 公斤 件，和电子线路做成一体化结构该型号压力变送器为全不锈钢圆柱型结构，使用 方便。特别适用

25、于井田测井、制药、纺织等粘稠宜堵、强振动的工业现场。并在 国内油田得到很好的应用效果。 该压力变送器有高温、 高压、 高精度、 高稳定性、 抗振动、冲击、耐腐蚀全不锈钢结构、体积小、重量轻直接过程安装等特点。 其 性能参数如表 5 所示。 水位传感器的测量范围是 20m，输出的信号为电流信号，输出电流的范围为 420ma；PLC 把 020m 的水位信号转换成 010V 的电压信号输出。采用人 机交互界面显示实际的水位值，水位传感器有很多类型，如超声波水位传感器、 浮子式水位传感器、压力式水位传感器等。其中以压力式水位传感器应用再为广 泛。本设计采用的水位传感器是美国先进的 WL450 压力水

26、位传感器，该传感器 使用的是美国先进碳氟化合物感压膜，WL450 型投入式压力水位传感器是最新 升级产品。WL450 水位传感器探头采用 316L 不锈钢封装，全温区、全量程数字 温度补偿。电缆封装采用杜邦 Hytrel 材料，应用范围广泛，长期工作稳定可靠， 适合江河、水库、地下水等永久安装使用。 该传感器的相关参数如下： 测量范围: 0.9m；4.5m；9m；18m；36m；76m。 测量精度：0.1% 数据接口：4-20 mA 和 RS485 工作电压：1028VDC 工作温度：-10+80 探头材料：316L 不锈钢外壳，碳氟化合物感压膜 3.43.43.43.4 模数转换模块模数转换

27、模块模数转换模块模数转换模块 模数转换模块分为 A/D 转换模块和 D/A 转换模块。PLC 模拟量处理功能主 要通过模拟量输入输出模块及用户程序来完成。 模拟量输入模块接受各种传感器 输出的标准电压信号或电流信号，并将其转换为数字信号存储到 PLC 中。PLC 根据生产实际要求， 通过用户程序对转换后的信息进行处理并将处理结果通过模 拟量输出模块转换为标准电压或电流信号去驱动执行元件5。 本系统设计有 6 路模拟量输入和 1 路模拟量输出， 其中有四路是温度传感器 输入。所以本设计选用一块 EM231 热电偶模拟量输入模块，模拟量输入模块接 受各种传感器输出的标准电压信号或电流信号， 将其转

28、换为数字信号存储到 PLC 中。该模块完成四路温度传感器的模数字量转换功能；一块 EM235 模拟量输入 输出模块，该模块完成两路传感器的模数转换和一路数模转换功能。EM231 性 能指标如表 6 所示。 表6 EM231性能指标 型号6ES7231-7PD22-0XA0模块更新时间405ms 模块名称及描述EM231 模拟输入热电偶 4 输 入 数据字格式-32767 到 +32767 尺寸（mm） WHD 71.28062基本误差0.1%FS（电 压） 重量210g冷端误差1.5 功耗1.8W重复性0.05%FS +5VDC87mA导线长度到传感器最长 100m +24VDC60mA输入阻

29、抗1M 输入类型悬浮型热电偶最大输入电压30VDC 输入范围TC 类型（选择一种）S，T， R，E，N，K，J 电压范围： +/-80mV 输入滤波衰减-3dbat21kHz 输入分辨率0.1/0.115 位加符号位24VDC 电压范 围 20.4 28.8VDC 3.53.53.53.5 触摸屏显示器触摸屏显示器触摸屏显示器触摸屏显示器 触摸屏显示器（Touch Screen）可以让使用者只要用手指轻轻地碰计算机显 示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作，使人机 交互更为直截了当。产品主要分为电容式触控屏、电阻式触控屏和表面声波触摸 屏三类。触摸屏根据所用的介质以及工

30、作原理，可分为电阻式、电容式、红外线 式和表面声波式多种。触摸屏显示器技术是一种新型的人机交互输入方式，与传 统的键盘和鼠标输入方式相比，触摸屏输入更直观。配合识别软件，触摸屏还可 以实现手写输入。 触摸屏由安装在显示器屏幕前面的检测部件和触摸屏控制器组 成。当手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置由触摸 屏控制器检测，并通过接口（如 RS232 串行口）送到主机，连接框图如下： PLC触摸屏 图2 触摸屏和PLC连接示意图 3.63.63.63.6 软起动器软起动器软起动器软起动器 软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的 新颖电机控制装置，国外

31、称为 Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电 机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联 闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功 能。软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地 方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于 电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能， 但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。运用串接于电源与被控电机之 间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关 系逐渐上升，直至起动结束，赋予

32、电机全电压，即为软起动，在软起动过程中， 电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。 （1）斜坡升压软起动。这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调 整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流， 在 电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大， 实际很少应用。 （2）斜坡恒流软起动。这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流 逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1 至 t2 阶段） ，直至起动完 毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上 升速率大，则起动转矩大，起动时间短

33、。该起动方式是应用最多的起动方式， 尤 其适用于风机、泵类负载的起动。 本设计主要是采用 3RW40 软启动器至今仍是世界上唯一能够在 250 kW / 400 V 功率范围内两相控制的软起动器。而且，由于其特殊的紧凑型设计，也是 世界上最小的软起动器。因此可保证节省空间，使控制柜排布清晰。SIRIUS 3RW40 采用拥有专利权的全新控制技术“相位平衡”。该控制技术能够防止两 相控制软起动器中的直流成分。统一的连接系统；设计小巧、紧凑，可在控制柜 中实现节省空间式简洁布置；自保护和电机过载保护，无需额外配线；电流限值 可调，可避免瞬间冲击电流；调试简单、快捷。 4 4 4 4 硬件电路设计硬

34、件电路设计硬件电路设计硬件电路设计 4.14.14.14.1 主电路控制电路图主电路控制电路图主电路控制电路图主电路控制电路图 图 3 主电路接线原理图 KM2 VVVF QA KM1 M1M2M3 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 RJ1RJ1RJ1 三相线 系统主电路主要由三相四线制电源、漏电保护器、热保护器、继电器、变频 器、软启动器、三相电机等组成其接线图如下。 4.24.24.24.2 控制电路及附属电路设计控制电路及附属电路设计控制电路及附属电路设计控制电路及附属电路设计 其图如下： 图4 系统控制及附属电路 控制电路及附属电路主要由PLC、 各种的开关、 继电器、 EM23

35、1模块、 EM235 模块、 报警器、 变频器等组成。 其工作过程是在设备运行中， 由于用水量的变化， 使供水压力发生变化，通过压力传感器将压力变化信号传送给运行控制器，经控 制器电脑与设定压力比较判断后，调整变速泵转速或水泵运行台数，调整供水流 量使供水压力重新回到设定的压力值，满足用水要求。若用水量很小时，经控制 器电脑分析确认后自动停止主供水系统运行，启动夜间值班小泵，以维持管网压 力和少量用水，当用水量达到值班小泵不能维持设定的压力时，主供水系统自动 启动，值班小泵停止运行，从而提高了系统运行的安全性，并获得了明显的节电 效果。 5 5 5 5 软件设计软件设计软件设计软件设计 5.1

36、5.15.15.1 水位控制部分水位控制部分水位控制部分水位控制部分 本控制系统的软件设计是分四部分实现的，主要包括手动自动控制部分、 压力转换控制部分、水位控制部分和压力 PID 控制部分。本文中所采用的 PLC 是西门子公司的产品 S7-200 系列，CPU 的型号是 CPU226。西门子 PLC 编程工 X0Y1 X1Y2 X2Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 COM EM231 模数转 换 压力变送器 水位变送器 EM235 模拟块MM440 启动 手/自动转换 停止 KM1 KM1 KM1 KM1 KM1 KM1 具的使用可以参照西门公司的程序使用手册或者在程序中按 F1 调出帮助文件参

37、 考。下面介绍一下 PLC 程序的主要结构。首先看流程图图 3 所示。由系统流程 图可以看出本控制系统的软件设计是由六部分来实现的，主要包括手动/自动控 制部分、压力转换控制部分、水位控制部分、压力 PID 控制部分、PLC 与变频 器通信和机械故障处理部分。 其中手动和自动控制部分是在水位压力控制中使用 的。所以下面仅对水位、压力和通信控制子程序进行分析。本系统控制程序可见 附录 1。 图 5 系统控制流程图 由于 PLC 所能识别的是数字量信号，所以要对传感器采集的电压或电流信 号的输入信号进行转换。若输入电压范围为 010V 的模拟量信号，则对应的数 字量结果应为 032000 或需要的

38、数字。模拟量和数字量的转换公式为： (y-AL)/(AH-AL)=(X-0)/(65535-0) y:转换过后的工程值（多少电流） AH：工程值的上限（电流的上限） 初始化 启动变频器 延时 管压低？ 单台变频运行延时 变频器复位 水泵电机工频运行 变频至下台水泵电机 管压高？ 切除工频运行电机 一台工频一台变频运行 YN N Y AL：工程值的下限（电流的下限） X：工程转换后的数字量值（电流转换后的数字值） 若数据格式为单极性，模拟量信号的类型为电压信号，满量程为 010V， 那么根据公式 1 可得轴承温度和定子温度报警温度和跳闸温度所对应的数量和 电压的关系如表 7 所示。 表 7 工程

39、值与数字量对应关系 压力值数字量电压值（V） 0.3mpa23652.27.39 0.6mpa24347.87.61 0.5mpa18782.65.87 图 6 水位控制程序 5.25.25.25.2 压力控制部分压力控制部分压力控制部分压力控制部分 压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到 PID 算法。 所 谓的 PID 就是比例、积分、微分的总称。其结构如图 9 所示。PID 运算中的积分 作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参数变化的能力，而身分 作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，可改善系统动态响应 速度。在系统稳态运行时，PID 控制器的作

40、用就是通过调节其输出使偏差为零。 偏差由定量（SP，希望值）与过程变量（PV，实际值）之差来确定。系统 PID 调节的微分方程式由比例项、积分项和微分项组成。 PI D 压力给定量 偏差 e PID 输出 Y 过程变 量 压力反馈量 _ + 变频调速系统 图7 PID控制系统结构图 图8 PID参数设置 压力是本控制系统的主控参数，在压力数据处理过程中运用到 PID 算法。 所 谓的 PID 就是比例、积分、微分的总称。其结构如图 6 所示。 PID 运算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高精度，加强对系统参 数变化的能力， 而身分作用可以克服惯性滞后， 提高抗干扰能力和系统的稳定性， 可

41、改善系统动态响应速度。因此，对于速度、位置等快过程扩温度、化工合成等 慢过程，PID 控制都具有良好的实际效果。 在系统稳态运行时，PID 控制器的作用就是通过调节其输出使偏差为零。 偏 差由定量（SP，希望值）与过程变量（PV，实际值）之差来确定。系统 PID 调 节的微分方程式由比例项、积分项和微分项组成。 在自动方式下，利用压力变送器检管道内的水压信号，用变送器将现场的模 拟压力信号变换成统一的 110V 直流电压信号，送人 AD 转换模块进行模数 转换，转变为 PLC 内部能识别的二进制信号。压力参数的设置与与用水量的多 少有关， 所以本设计利用触摸屏进行 PID 参数设置。 其设置调

42、用了压力子程序见 附图 1。PID 参数设置好后要分别对压力设定值、增益值、采样值、积分时间和 微分时间进行填表。程序图如图 10 所示。 图9 压力中断子程序 本系统的压力控制是用 SMB34 定时设定的时间周期进行中断处理的，利用 SMB34 固定的时间间隔作为采样周期，对模拟量 AIW0 输入进行采样，然后通 过 A/D 转换模块进行模数转换。中断子程序如图 9 所示。到工频运行，此时如 果仍满足不了通风的需要时，工作通风机与备用通风机不再循环工作，并自动切 换为同时工作，另外，接入的备用通风机根据矿井的气压参数进行变频运行， 加 大对矿井内的通风量，直至矿井内的气压生至设定的大气压力数

43、值以上，工作通 风机与备用通风机恢复循环工作。压力中断程序如图 10 所示。 另一部分直接送到 AC0 中进行 PID 运算，因参与 PID 运算的过程量要求均 为实数格式，且要求转换为无量纲的 0.01.0 之间的标准数，所以要对实际工程 值进行标准化处理。 处理过的标准化值经 PID 运算后再转换为实际工程值进行输 出，送到 QW0 中去控制变频器。 其控制程序如图 11 所示。 图 10 压力中断程序 图11 PID运算处理程序 5.35.35.35.3 机械故障处理部分机械故障处理部分机械故障处理部分机械故障处理部分 电机组长期运行经常会出现一些机械故障， 如电机组线圈烧坏或机械卡死等

44、 诸多电源通电风机却不运转的故障。 本系统利用软件设计了预防这种现象发生而 造成重大事故的措施。其程序如图 11 所示。 I0.6 和 I0.7 分别为转子测速器的输出。所选的测速器输出为数字信号。即转 子速度为零时测速器输出为 “0” ， 转子速度大于零时测速器输出为 “1” 。 当 PLC 的 Q0.0 或 Q0.1 有输出时，Q0.0 或 Q0.1 触点闭合，若电机组 1 或风机组 2 的转 子速度不转为零时，I0.6 或 I0.7 闭合，Q1.4 或 Q1.5 闭合发出报警信息。以警告 工作人员电机组出现故障请及时处理。 图12 机械故障处理程序 6 6 6 6 结束语结束语结束语结束

45、语 由西门子 S7 - 200 系列 PLC、西门子全新一代标准变频器 MicroMaster440 变频器和压力传感器等组成的恒压供水系统 ， 充分发挥了 PLC 内置的 PID 运 算模块，自动调节变频器输出频率、投入使用泵数，达到恒压供水的目的;通过 泵号管理程序，实现泵号自动切换，使每台水泵工作状况基本相同，提高设备利 用率并减少维修费用;同时通过变频器自带保护功能可轻松实现系统故障诊断。 实际运行情况证明了本系统具有可靠性高、自动化程度高、便于维护和高节能性 等特点，具有很大的应用价值。 致谢致谢致谢致谢 在毕业设计期间，一直得到导师的悉心指导和关怀。特别是在课题的设计过 程中，对论

46、文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一 直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很 大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院为我们提 供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，同组成员也给予了很大的 帮助，这里也一同表示感谢！由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多 纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。 参考文献参考文献参考文献参考文献 1殷洪义可编程控制器选择、设计与维护M北京：机械工业出版社，2002 2周九宁可编程控制器在矿山设备中的应用J采矿技术，2004，4(1)：4546 3彭桂力，刘知贵集中

47、供热锅炉控制系统的PLC控制J电力自动化设备，2006(9)： 7577 4马宁，孔红S7-300PLC和MM440变频器的原理与应用M北京：机械工业出版 社，2006 5许明，言自行，刘坚大型泵机组状态监测及工况调控系统的研制J机械工程学 报，2002，(7)：145147 6徐国林PLC应用技术M北京：机械工业出版社，2007 7陈建明，等电气控制与PLC应用M北京：电子工业出版社，2006 8李国厚，杨青杰，余泽通球磨机润滑站控制系统的设计J金属矿山，2005(9)： 74-75 9丁纪凯，许逸舟基于PLC和现场总线的污水处理系统J机电一体化，2006(1)： 8083 10吴中立矿井通

48、风与安全M徐州：中国矿业大学出版社，1989：138 11傅贵，秦跃平，杨伟民，等矿井通风系统分析与优化M北京：机械工业出版 社，1995：23 12高广军，贾世胜，朱学军，等通风系统调整中常见问题及对策J山西煤炭， 2002，(2) 13徐鹏张双楼矿西翼通风系统调整及经济效果分析J煤矿安全，2001，(4) 14石秋洁变频器应用基础M北京：机械工业出版社2003 15陈仕玮矿井主要用通风机在线监测监控现状及展望J煤矿安全，1999，(12)： 3941 16李月红，吴永祥变电所监控及其网络系统的设计J工矿自动化，2005，(3)： 2728 17廖常初. PLC编程及应用M . 北京，机械工

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