基于S7-200的小区恒压变频供水系统设计论文.doc

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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）： 教研室： 本科生课程设计（论文） 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文）题 目 课程设计（论文）任务 课题完成的功能：课题完成的功能： 传统的几种供水系统,例如重力供水、气压供水等均不同程度的存上述缺点,严重影 响了居民用水和工业用水。随着自动化技术的发展,采用 PLC 与交流变频调速

2、技术相结 合的变频调速恒压供水成为当前主流。本设计要求完成基于 S7-200 的小区恒压变频供 水系统，并根据给定的参数合理的选取元器件。 设计任务及要求：设计任务及要求： 1.按已知条件设计小区恒压变频供水系统，设计出调节器、变频器、水泵电机、水 泵和供水管道的系统设计。 2.画出频率闭环的异步电动机恒压变频调速系统方框图及各环节的电器线路图。 技术参数：技术参数： 1、电机 Y200L1-2 型号，水泵型号 KQSN/J200-M9/196 型、 40K、380V、9.8A、50HZ。 2、管径在 DN250，所以进水管流速（m/s）1.01.2 m/s，出水管流速（m/s） 1.52.0

3、 m/s。 进度计划 1、熟悉课程设计题目，查找及收集相关书籍、资料。 （1 天） ； 2、主电路设计。 （2 天） ； 3、绘制基本结构图和自控制原理图。 （2 天） ； 4、分析转矩调节和磁链调节原理，选择电压状态。 （3 天） ； 5、打印课程设计说明书。 （1 天） ； 6、设计结果考核。 （1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） 摘 要 随着人民生活水平的日趋提高，新技术和先进设备的应用 ，使给供水设计 得到了发展的机

4、遇。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供 水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。本系统采用 PLC 进行逻辑控制，采 用带 PID 功能的变频器进行压力调节，系统存在工作可靠，使用方便，压力稳定， 无冲击等优越性。 本设计基于 S7-200 的小区恒压变频供水系统，供水设备由 PLC、变频器、 传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。通过 PLC、变频器、继电器、接触器控 制水泵机组运行状态，实现管网的恒压变流量供水要求。设备运行时，压力传感 器不断将管网水压信号变换成电信号送入 PLC，经 PLC 运算处理后，获得最佳控 制参数，通过变频器和继电器控制元件自动调整水泵机组高效率

5、地运行。供水系 统的监控主要包括水泵的自动启停控制、供水压力的测量与调节、系统主管道水 压的；系统水处理设备运转的监视、控制；故障及异常状况的报警等。现场监控 站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求，即根据供水管的高/ 低水压位信号来控制水泵的启/停及进水控制阀的开关，并且进行溢水和枯水的预 警等。 关键词：PLC；变频调速；恒压供水；传感器 本科生课程设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案 3 2.1 概述 .3 2.2 系统组成总体结构 .3 第 3 章 硬件设计 6 3.1 PLC 的选择6 3.1.1 I/O 点数统计7 3.1.2 I/O

6、 的分配8 3.2 变频器的选择 .8 3.2.1 MICROMASTER440 变频器外部接线端子.9 3.2.2 MICROMASTER440 变频器操作面板.9 3.3 压力传感器的选择 11 3.4 液位传感器的选择 12 3.5 电机的选择 13 3.6 低压电器的选择 14 3.6.1 断路器的选择 14 3.6.2 接触器的选择 14 3.7 系统硬件连接 14 3.7.1 主电路设计 14 3.7.2 控制电路设计 16 第 4 章 软件设计 .17 4.1 程序流程图 17 4.2 MICROMASTER440 变频器参数设置18 第 5 章 系统测试与分析 .20 第 6

7、章 课程设计总结 .22 参考文献 23 附录 24 本科生课程设计（论文） 第 1 章 绪论 水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特 征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来在市政供水、 高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低， 而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不 断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出 了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳 定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管 理水

8、平的高低。 一、传统的小区供水方式 传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式， 其优、缺点如下： (1) 恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增 减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负 荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行 状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 (2) 气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调 节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器

9、设备要求较高、系统维护工作量 大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作， 而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停 电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为 硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 (4) 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效 率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单 明了，维修方便。 (5) 单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优

10、于上面 4 种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比 较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 二、变频恒压供水系统的国内外研究与现状 本科生课程设计（论文） 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。在早期，由于 国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动 控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中， 变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，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传感器，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

11、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 Samco 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，可构成最多 7 台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了 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 性能和稳定性不高，与别的监控系统(

12、如 BA 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，因此在实际使用时其范围将会受到限制。 目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多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、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标 来说，还远远没能达到所有用户的要求。 基于 PLC 和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术 于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具 有良好的节能性，这在

13、能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对 于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 本科生课程设计（论文） 第 2 章 课程设计的方案 2.1 概述 本次设计主要是综合应用所学知识，设计基于 S7-200 的小区恒压变频供水系 统。采用 PLC 和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用 计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得 最佳的运行工况。 PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现 场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计有 3 台水泵，1 号和 2 号泵作为工作泵

14、，3 号泵为备用泵。PLC 根据管网压力自动控制各个水泵之间切 换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行 PID 运算，输出给变频器控制其输 出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起 原则。 根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC 选型， 估算所需 I/O 点数，进行 I/O 模块选型。绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配 置图、I/O 连接图，分配 I/O 点数，列出 I/O 分配表，熟练使用相关软件，设计梯 形图控制程序，对程序进行调试。 2.2 系统组成总体结构 变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管 网的

15、实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可 以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内， 恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。供 水示意图如图 2.1 所示。 本科生课程设计（论文） 图 2.1 供水示意图 恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的 水压，检测管网出水压力，并将其转换为 420mA 的电信号，此检测信号是实 现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过 PLC 的 A/D 转换模 块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行 PID 运算，再将运算后 的数

16、字信号通过 D/A 转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频 器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户 供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。变频恒压供水系统的结构框图如图 2.2 所示。 PIDD/A变频器 接触 器 水泵 机组 管道 压力变送器A/D 给定 管网压力 PLC 图 2.1 变频恒压供水系统的结构框图 本科生课程设计（论文） 从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分， 具体为： (1) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网， 其中由一台变频泵和一台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、

17、可以进行变 频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定； 工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行 状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。 (2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、 水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压 供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入 PLC 时，需进行 A/D 转换。 另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进 行检测，检测结果可以送给 PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进 水水源是否充足。信

18、号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空 抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系 统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。 (3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC 系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制 系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位进行采集，对来自人机接口 和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案， 通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进 行转速控制的单元，其跟踪供水控制器

19、送来的控制信号改变调速泵的运行频率， 完成对调速泵的转速控制。 根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式即变 频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这 台水泵运行在 50Hz 时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时， 系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另 一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运 行在 50Hz 时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接 启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可 以选择，本设计中采用前者

20、。 本科生课程设计（论文） 第 3 章 硬件设计 3.1 PLC 的选择 本次课程设计选择 PLC 的是 S7-200。S7-200PLC 是德国西门子公司生产的 一种小型 PLC，主机的基本结构是整体式的。它还配备许多专用的特殊功能模块， 使 PLC 的功能得到扩展，其许多功能已经达到了大、中型 PLC 的水平。它价格 低、体积小、可靠性高、运行速度快、性价比高，在各行各业得到了广泛的应用。 目前，在小型 PLC 市场上，日本小型 PLC 占据中国大部分市场的情况已经明显 改变，S7-200PLC 成为了主流产品。 （1）S7-200PLC 主机结构 S7-200PLC的主机包括一个中央处理

21、单元（即CPU模块） 、存储器、电源以及 I/O点。其中，CPU模块不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。 新一代的CPU模块按照I/O点数和功能不同而划分为5个品种，即 CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226，每个品种又分为两种类型： 一种是DC24V供电/晶体管输出；另一种是AC220V供电/继电器输出，因此共有10 种CPU模块。S7-200系列PLC的各种型号CPU的I/O及扩展功能特性如表3.1所示。 表3.1 S7-200系列PLC各种型号CPU的I/O及扩展功能等特性 机型I/O点数存储容 量 扩展功能通信范围 CPU2216输入/4

22、输出较小具有一定高速计数和通信能点数少或特定控制 系统 CPU2228输入/6输出较小可以最多扩展两个模块可以作为全功能控 制器，应用范围较 小 CPU22414输入/10输出一般可以扩展7个模块，具有更 强的模拟量和计数处理能力 使用广泛 CPU224XP14输入/10输出较大主机增加了模拟量单元和一 个通信口 有少量模拟量信号 的系统和复杂通信 要求的场合 CPU22624输入/16输出可达具有两个通信口和多种模块点数多、要求高的 本科生课程设计（论文） 10KB 小型或中型控制系 统 （2）I O 扩展模块 当CPU 的 I/O 点数不够或者需要进行特殊功能的控制时，就需要进行系统扩 展

23、。S7-200 系统最多可扩展 7 个模块，主机提供一定数量的数字量 I/O 和模拟量 I/O，在选择 PLC 主机产品时，需要选择最合适的主机产品。但在 I/O 点数不够 的情况下，就需要增加 I/O 扩展模块，S7-200 PLC 扩展模块有： 1）输入扩展模块 EM221。共有 3 种产品，即 8 点和 16 点 DC、8 点 AC。 2）输出扩展模块 EM222。共有 5 种产品，即 8 点 DC 和 4 点 DC（5A） 、8 点 AC、8 点继电器和 4 点继电器（10A） 。 3）输入/输出混合扩展模块 EM223。共有 6 种产品，其中 DC 输入/DC 输出 的有 4 种，D

24、C 输入/继电器输出的有 4 种，它们对应的输入/输出点数分别为 4 点、 8 点、16 点。 4）模拟量输入扩展模块 EM231。共有 3 种产品，即 4 点 AI、两路热电阻输 入和 4 路热电偶输入。 5）模拟量输出扩展模块 EM232。两路模拟量输出扩展模块。 6）模拟量输入/输出混合扩展模块 EM235。4 路 AI/一路 AO（占两路输出地 址）的扩展模块。 3.1.1 I/O 点数统计 根据功能要求，系统的控制要求以及合理利用 PLC 的 I/O 口原则。本次课程 设计恒压变频供水控制系统的输入输出点的统计、分配如表 3.2 所示。 表 3.2 I/O 点数分配表 输入输出 编号

25、符号名称编号符号名称 1SB1启动1KM11 号水泵变频 2SB2停止2KM2 号水泵变频 3S1液位传感器3KM1 号水泵工频 4S2 变频器达上限 4KM2 号水泵工频 5S3变频器达下限5KM备用泵变频 6S41 号水泵故障6L报警指示灯 7S52 号水泵故障 8SS6变频器故障 本科生课程设计（论文） 3.1.2 I/O 的分配 根据功能要求和工艺流程，我们统一了 I/O 接点的分配，分配表如表 3.6 所 示。根据 PLC 口的分配，系统的控制要求以及合理利用 I/O 口的原则。I/O 接点 的分配如表 3.3 所示。 表 3.3 I/O 的分配 输入输出 I0.0启动Q0.0驱动

26、KM1 I0.1停止Q0.1驱动 KM2 I0.2液位传感器Q0.2驱动 KM3 I0.3变频器达上限Q0.3驱动 KM4 I0.4变频器达下限Q0.4驱动 KM5 I0.51 号水泵故障Q0.5报警指示灯 I0.62 号水泵故障 I0.7变频器故障 3.2 变频器的选择 由于本设计中 PLC 选择的西门子 S7-200 型号，为了方便 PLC 和变频器之间 的通信，我们选择西门子的 MicroMaster440 变频器。它是用于三相交流电动机调 速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件， 具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完 善的

27、变频器和电动机保护功能，有内置的 RS-485/232C 接口和用于简单过程控制 的 PI 闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对 I/O 端子进行功能自定义。快速电 流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输 出大力矩。MicroMaster440 变频器的输出功率为 0.7590KW，适用于要求高、功 率大的场合，恰好其输出信号能作为 75KW 的水泵电机的输入信号。另外选择西 门子的变频器可以通过 RS-485 通信协议和接口直接与西门子 PLC 相连，更便于 设备之间的通信。 本科生课程设计（论文） 3.2.1 MicroMaster440 变频器外部接线端子

28、 MicroMaster440 变频器外部接线端子如图 3.1 所示。 图 3.1 MicroMaster440 变频器外部接线端子 （1）端子 1、2 是变频器为用户提供的 10V 直流稳压电源，当采用模拟电压 信号输入方式输入给定频率时，用它作为高精度的直流稳压电源为模拟电压输入 的直流电源； （2）3、4 和 10、11 是模拟输入端，为用户提供两对模拟电压或电流给定输 入端作为频率给定信号； （3）端子 5、6、7、8、16、17 是为用户提供 6 个完全可编程数字输入端， 对电动机进行； （4）12、13 和 26、27 端为两对模拟输出端； （5）18、19、20、21、22、23

29、、24、25 端为输出继电器的触头； （6）14、15 端为电动机过热保护输入端； （7）29、30 为 RS485(USS 协议)端。 （8）DIP 开关的介绍： 左边的 DIP 开关（DIP1）=模拟输入 1； 右边的 DIP 开关（DIP2）=模拟输入 2； AIN1：DIP1=OFF=V，0-10V；DIP1=ON=A，020mA； AIN2：DIP2=OFF=V，0-10V；DIP2=ON=A，020mA； 3.2.2 MicroMaster440 变频器操作面板 在使用变频器之前，首先要对变频器进行参数设置。MMX 变频器参数的设 本科生课程设计（论文） 置可以通过 BOP（Bas

30、ic Opration Panels 基本操作面板） 、AOP（Advanced Opration Panels 高级操作面板） 、计算机（通过专用软件以及 RS485 通讯端子）等 完成。其中 BOP 设置参数作为一种低成本、低成本的参数工具，被广泛应用。 操作面板如图 3.2 所示，其操作按钮的作用如表 4-1 所示。 图 3.2 变频器操作面板 本科生课程设计（论文） 表 3.4 面板操作按钮 显示/按钮功能功能的说明 状态显示LCD 显示变频器当前所用的设定值 启动电动机 按此键启动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了 使此键操作有效，设定为 P0700=1。 停止电动机OFF1：

31、按此键，变频器将按选定的斜坡下降减速停车。 缺省值运行时此键被封锁。为了允许此键操作操作，应设 定 P0700=1。 OFF2：按此键两次，电动机将在惯性作用下自由停车。 此功能总是“使能”的。 改变电动机 的 转动方向 按此键可以改变电动机的转向。电动机的反向用负号 “”或用闪烁的小数点表示。为了允许此键操作操作， 应设定 P0700=1。 电动机点数在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机启动，并按 预设定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果 变频器/电动机正在运行，按此键将不起作用。 功能 此键用于浏览辅助信息。 变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保 持不动 2 秒

32、，将显示以下参数值： 1、直流回路电压；2、输出电流；3、输出频率；4、输出 电压；5、由 P0005 选定的数值连续多次按下此键，将轮 流 显示以上参数。 跳转功能。 在出现故障时或者报警情况下，按此键可以将操作板上显 示的故障或报警信息复位。 访问参数按此键即可访问参数。 增加数值按此键即可增加面板上显示的参数设置。 减少数值按此键即可减少面板上显示的参数设置。 本科生课程设计（论文） 3.3 压力传感器的选择 CYYB-120 系列压力变送器为两线制 420mA 电流信号输出产品。它采用 CYYB-105 系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出 信号进行放大、温度补

33、偿及非线性修正、V/I 变换等处理，对供电电压要求宽松， 具有 420mA 标准信号输出。一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信 号与环路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示 仪表、A/D 转换器及计算机数据采集系统连接方便。CYYB-120 系列压力变送器 新增加了全密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。可广泛应用于航空航天、科 学试验、石油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力 测控领域。主要特点： （1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围； （2）抗冲击、耐震动、体积小、防水； （3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强； （4）最具有竞

34、争力的价格。 3.4 液位传感器的选择 本次设计选用的是 CBM2700 投入式静压液位计。它是一种测量液位的压 力传感器，是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的 隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经 过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为 420mA/15VDC） 。适用 于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位 测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。 CBM2700 投入式静压液位计结构如图 3.4 所示。 本科生课程设计（论文） 图 3.4 CBM2700 投入

35、式静压液位计 3.5 电机的选择 本次设计用来拖动水泵的电机选择的是 Y200L1-2 型三相异步电动机。 Y200L1-2 型三相异步电动机是全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机，是全国统 一设计的基本系列，它同时是符合 JB/T9616-1999 和 IEC34-1 标准的有关规定， 具有国际互换的特点。 Y200L1-2 型三相异步电动机广泛适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般 场合和无特殊要求的机械设备上，如金属切削机床、泵、风机、运输机械、搅拌 机、农业机械和食品机械等。 Y200L1-2 型三相异步电动机使用条件： 环境温度：-1540 海拔：不超过 1000m 额定电压：380V

36、，可选 220-760V 之间任何电压值 额定频率：50Hz、60Hz 防护等级：IP44、IP54、IP55 绝缘等级：B 级、F 级、H 级 冷却方式：ICO141 工作方式：S1 连接方式：3KW 及以下 Y 接法、4KW 及以上为接法 Y200L1-2 型三相异步电动机如图 3.5 所示。 图 3.5 Y200L1-2 型三相异步电动机 本科生课程设计（论文） 3.6 低压电器的选择 3.6.1 断路器的选择 （1），选择2QF3QF 断路器具有隔离,过电流及欠电压等保护功能,当变频器的输入侧发生短路或 电源电压过低等故障时,可迅速进行保护。考虑变频器允许的过载能力为 150%， 时间

37、为 1min。 所以为了避免误动作，断路器的额定电流应选2QFnqI A8762I4 . 13 . 1Inqn 式中为变频器的额定输出电流nI 所以，选择90A。2QF3QF （2)选择1QF 在电动机要求实现工频和变频切换驱动的电路中，断路器应按电动机在工频 下起动电流来考虑，断路器的额定电流应选1QFnqI A15060*5 . 2I*5 . 2IMNqn 式中为电动机的额定电流，=60A。MNIMNI 所以选160A。1QF 3.6.2 接触器的选择 接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电 动机的额定电流再加大一个档次来选择，由于电动机的额定电流为 60A，所

38、以接 触器的触点电流选 70A 即可。 3.7 系统硬件连接 本科生课程设计（论文） 3.7.1 主电路设计 供水系统采用了一台变频器同时连接两台电动机，1 号电机和 2 号电机在变 频和工频状态下进行切换，接触器的通断由 PLC 控制。必须确保开关 KM1 和 KM2 电气连锁，连锁功能由软件和硬件实现。在变频水泵出现问题或紧急情况下， 可以起用备用水泵。主电路主要由断路器 QF、熔断器 FU、接触器 KM、继电器 FR 等组成。供水系统主电路设计如图 3.6 所示。 图 3.6 主电路设计图 MM440 M1 3 M2 3 M3 3 FU 1011 202122 UV W L1L2L3 L

39、1 L2 L3 传传传传传传 PLC I0.7 PLC I0.3 PLC I0.4 QF2 QF3 QF1 KM1 KM2 KM3KM4 KM5 FR1 FR2FR3 本科生课程设计（论文） 3.7.2 控制电路设计 本设计中主要通过 S7-200PLC 对整个系统进行控制，1 号泵和 2 号泵的工频 和变频状态的切换，变频器的频率给定等方面。控制电路的设计图如图 3.7 所示。 图 3.7 控制电路设计图 PLC KM1KM2KM3 KM4 KM5 220V Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.51L2L M1I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4 I0.5I0.6I0.7ML+

40、 24V 24VSB1SB2 FR1FR2 接液 位传 感器 接变 频器 21号 端子 接变 频器 22号 端子 接变 频器 20号 端子 本科生课程设计（论文） 第 4 章 软件设计 4.1 程序流程图 整个供水系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后， 合上开关 QF，按下启动启动按钮 SB1，PLC 程序复位。闭合开关 K1，I0.1 为 “1” ，系统在自动模式下工作，接触器 KM1 接通，系统将跟踪供水压力，1 号泵、 2 号泵工作；如果出现故障将启动 3 号泵。供水系统的流程图如图 4.1 所示。 图 4.1 供水系统的流程图 开始 自动运行 1 号泵启动并变频运

41、行 当水量增大，变频器达到最 大频率 50HZ，水压小于设定 值 1 号泵工频运行， 2 号泵变频启动 当用水量减少，变频器达到 下限值 30HZ 水压大于设定 值 1 号泵切换到变频运 行，2 号泵停止运行 系统压力维持在压力设 定值 手动运行 启动 1 号泵工 频下运行 启动 2 号泵工 频下运行 本科生课程设计（论文） 如图 4.1 所示，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 50HZ 时，表示只有 1 台水泵工 作己不能满足系统用水的要求，此时，

42、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。 当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频 率时，表示只有 1 台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统， 可将 1 号泵电机停运，2 号泵电机仍由变频器电源供电。 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 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。 当用水量减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时

43、，表示只有 1 台水 泵工作已能满足系统供水的要求，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，而变频器启动 1 号泵电机。 当 1 号泵变频运行、2 号泵工频运行，用水量又减少，变频器输出频率减少， 若减至设定频率时，表示只有 1 台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通 过控制系统的控制，可将 2 号泵电机停运，1 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，以满足系统用水的需要。 4.2 MicroMaster440 变频器参数设置 MicroMaster440 变频器主要用的是模拟输入口 AI1+和 AI1-。模拟电压信号

44、输入后通过 A/D 转换器得到数字信号。由 PLC 模拟输出口输出模拟控制信号， 输入到变频器的模拟口，变频器的频率与控制电压一一对应。系统使用变频器的 模拟端口，最高设置频率为 50HZ，最低频率为 30HZ，变频器的参数设置如表 4.1 所示。 本科生课程设计（论文） 表 4.1 变频器的参数设置 参数号出厂值设置值参数说明 P000311设用户访问级为控制级 P000407命令和数字 I/O P070022命令源选择由端子输入 P100022频率设定值选择为模拟输入 P1080030电动机运行的最低频率（HZ） P10825050电动机运行的最高频率（HZ） P1120105斜坡上升时间

45、（S） P1121103斜坡下降时间（S） 本科生课程设计（论文） 第 5 章 系统测试与分析 由于实验室的条件有限，本次设计采用 STEP7 软件。我们可以把它作为一台 仿真的 PLC，用于运行和测试用户程序。因为这中仿真完全是用 STEP7 软件进行， 因此无需连接任何 S7 硬件，就可以在 PG/PC 上仿真一个完整的 S7-CPU，包括地 址和 I/O。在控制系统中，变频器通过对电机出厂压力点处设置的压力变送器反 馈信号，进行单闭环控制。PLC 程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输入 以及水池水位信号，判断当前的系统状态是否正常，然后执行程序，由输出信号 去控制接触器、继电器和变频

46、器等器件，以完成相应的控制任务， PLC 主要控 制任务就是根据实际情况实现工频和变频的切换。梯形图见附录。 点击开始按钮，1 号泵开始变频运行，如图 5.1 所示。 图 5.1 1 号泵变频运行 变频器达到上限，1#泵工频运行，2#泵变频运行，如图 5.2 所示。 本科生课程设计（论文） 图 5.2 1 号泵工频运行，2 号泵变频运行 当水泵出现故障，启动备用泵，图 5.3 为 1 号泵出现故障的界面。 图 5.3 1 号泵出现故障 本科生课程设计（论文） 第 6 章 课程设计总结 本次课程设计主要研究的是基于 S7-200PLC 的恒压变频小区的供水系统的设 计。为此设计了一套具有高性能的

47、变频器控制系统。此系统重点是根据系统运行 的需求，自动调节输出频率控制电动机的转速，从而保持系统工况压力的稳定。 根据供水的要求，此装置属于一拖二闭环调速系统，且变频器带动的电机可 实现无级调速。减少系统波动现象和对电源电网的冲击。此装置在变频器出现故 障时，可自动关闭电动阀门，系统退出变频式运行，以避免中断供水。 在工频方式运行下，系统带有降压启动装置，在工频启动时，由于启动电流 过大，而避免对电网冲击的影响，并可延长电机的使用寿命。装置启动时，电动 机与电动阀门同时开启，停止时先关闭电动阀门，电动机延时停止，延长水泵使 用寿命。 现有系统实现了供水系统的工况控制、调节等功能，将来还可以通过

48、对更多 现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、水压、水位、水流量等，通过开 发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供水自动化控制与管理系统，提 高后勤管理能力。 随着各方面技术的发展以及网络技术被广泛的应用，与此同时能量却日益紧 缺，在这种情况下，变频恒压供水系统的使用肯定会越来越普及，当然对恒压供 水控制技术将提出更高的要求。如对系统采用基于 GPRS 的无线方式进行数据的 传输、通过网络对系统进行远程诊断和维护等。另外本文的设计、控制方法完全 可以用于恒风压控制，进而实现风机的变频节能，因为风机和水泵的能耗大约占 整个电能能耗的三分之一左右。所以变频恒压供水技术在逐渐走向成熟的过程

49、中， 仍然有必要对其进行更深入的研究。 本科生课程设计（论文） 参考文献 1 梅丽凤,郑海英.电气控制与 PLC 应用技术.北京：机械工业出版社， 2011（12） 2 廖常初.S7-200PLC 编程及应用M.北京：机械工业出版社，2008 3 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2007（7） 4 王立红,张允.自动控制理论M.北京：中国电力出版社，2010（7） 5 胡向东,刘京城,余成波.传感器与检测技术M.北京：机械工业出版社，2009 6 郭平,陈宇燕.数字技术与应用.基于 S7-200 的恒压变频供水系统设计.数字技 术与应用.2011(11):79-81 7 张翔.基于 PLC 的住宅小区变频恒压供水系统设计.电脑知识与技术.2013(12): 66-67 8 孟宪朋.S7-200PLC 在恒压变频供水系统的应用.变频器世界.2011(02):96-98 9