--污水处理厂PLC变频恒压供水系统.doc

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1、 本科毕业设计 第 页 共 页目 录1 引言11.1 课题简述11.2 可编程控制器简述31.3 本课题设计的主要内容42 系统设计的理论研究及控制方案的分析42.1 该系统的理论研究分析42.2 变频恒压供水控制系统设计方案的分析6 3 恒压供水系统硬件部分设计 12 3.1 系统设备选型 123.2 恒压供水系统主电路设计与分析 153.3 恒压供水系统控制电路设计与分析173.4 可编程控制器的外围扩展接线图及I/O口分配20 4 恒压供水系统的软件设计234.1 PLC程序设计软件及编程语言介绍234.2 恒压供水控制系统主程序234.3 变频恒压供水系统PID控制29 5 结论32

2、6 致谢337 参考文献34 本科毕业设计 第 36 页 共 36 页1 引言1.1 课题简述水、电一直以来在人类社会发展中起着无比重要的作用，在人类的生产生活中，可以说无处没有二者的存在，而随着人类社会的不断进步，水和电将会越来越为我们所重视。在如今这个以节能节水为主题的社会情况下，我国在这些方面的技术水平还远远不够，自动化程度也比较低，与发达国家相比还有一定的差距。而伴随着我国在经济体制不断的进步与完善，生活、工业等对水的污染却不断加大，尽管我国各地建立了一些中小型污水处理厂，可以对水资源的节省做出一定的贡献，但伴随着科学技术的进步，人们对这些基础设施的完善有了更进一步需求。其中，经过污水

3、处理厂处理后的污水即中水的供用就是其中重要的组成部分，各类工厂对污水处理厂供水的稳定性、经济性、可靠性有了更加精确的需求，这会直接影响到工厂的工业生产，也直接体现了我国在污水处理方面技术水平的先进程度。以下是一些传统的供水方式：水塔高位水箱供水方式、恒速泵加压供水方式、气压罐供水当时、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，其中各供水方式的优点、缺点如下1： （1） 水塔高位水箱供水的优点为控制方式相对来说比较简便、出现故障时需要的维修时间比较短、运行经济合理以及停电之后可以实现不停止供水等，而相对缺点也较大，例如基础建设需要较大投资、占地面积也较大、维护不太方

4、便，水泵电机在启动时采用硬启动的启动方式，起动电流很大，会对水泵电机造成较大的磨损，减少水泵电机的使用寿命等，现在在高层建筑的应用较多，不太适合其它的应用场合。（2） 恒速泵加压供水方式则比较原始，优点也不明显，相对来说，缺点却较大，例如，当供水管网的水压发生变化时，系统不能尽快的做出相应的动作，而且该系统中没有用到自动化控制技术，在需要增减水泵时，需要工作人员手动操作才能实现，并且为了保证供水质量，水泵机组需要经常在满负荷状态下工作，不但功率很低、耗电量很大，而且当用户需要的水量不多时，管网由于长时间在超压状态下运行，电机的爆损现象会非常严重，同时电机硬启动会导致非常严重的水锤效应发生，对水

5、泵电机的破坏较大。鉴于以上缺点，目前各地已基本停止使用。（3） 气压罐供水的优点则相对比较明显，和水塔高位水箱供水方式相比，不受高度的限制，而且技术简单，占地面积较小，体积小等。其缺点为水泵电机的启动方式依然为硬启动且启动频繁、调节量相对较小，对电器设备有很高的要求、系统维护起来比较繁琐，并且为减少水泵电机的启动次数，停泵压力比其他供水方式高，从而导致水泵会工作在低效区域，而且出水压力也会随之增加，大大增加了水、电资源的严重浪费，因此，目前没有较大的发展空间。（4） 液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式优点是价格低廉，结构相对来说比较简单，操作简便，维修相对来说比较方便。缺点是发热较高，需

6、要冷却，且容易漏油，效率较低，系统建立以后，不容易扩展和改造，并只能是一对一驱动。（5） 单片机变频调速供水系统可以进行变频调速，实现恒压供水，对电机损害较小，且节约电能，自动化程度高，在各方面要比以上四种供水方式先进。但是，该系统仍然具有一定的缺点，例如系统的开发需要较长时间，且操作繁琐，需要对操作人员进行长时间培训才能操作，由于单片机的一些特点，系统较容易受到干扰，没有较好的稳定性，因此不适合在恶劣环境使用，和前几种相比，维修也比较麻烦。由上可知，以往的的供水方式都不同程度的存在一些相同的缺点，如没有较好的稳定性能，效率达不到要求，造成水电资源的严重浪费等，且大多数的供水方式自动化程度都偏

7、低，需要大量人工操作，使工业、生活用水受到较大影响2。伴随着人类社会的不断发展，对于供水系统的稳定性和供水质量，人们的要求不断提高，再加上资源越来越稀少，利用更加先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计效率更高、节能更明显、更加智能化并且能适应不同领域的恒压供水系统越来越受到人们的关注。而目前，变频调速技术具有相当可靠的稳定性控制方式且节能效果非常明显，已经普遍应用在电机、水泵、空气压缩机、风机、制冷压缩机等消耗能量较多的设备中，而在恒压供水系统中，变频调速技术的优点更加突出，主要有：一、具有显著的节能效果；二、减小电机、水泵对自己本身的机械冲击损耗；三、在启动、停止时，能明显的削弱供水压

8、力对供水管网的冲击以及电流对电网的冲击。PLC、变频器恒压供水系统包含现代控制技术、电气技术以及变频技术，对供水的可靠性及稳定性都有很高的保证，并且具有很明显的节能效果，因此，能够研究设计好该系统，具有非常大的实用意义。1.2 可编程控制器简述1.21 PLC定义PLC（Programmable logic Controller）即可编程控制器，主要是通过数字逻辑运算来实现人们日常需求的电子系统，该器件是专门为工业环境而设计的。该器件拥有自己的存储器，可以用来存储人们根据需要写好的程序，还可以在其内部存储数序控制、计算、定时、逻辑运算以及数字运算的操作指令，通过数字量和模拟量的输入输出，控制各

9、类工业生产过程，同时该器件还可以扩展各式各样的外围设备，与可编程控制器及其它外部端口连接，从而可以根据需要对各种系统进行扩展3。1.22 PLC的发展历史可编程控制器的发展历史主要分为以下五个阶段4：1. 初始二十世纪七十年代初期之前，这一时期的PLC功能非常简单，主要是用来完成一般的继电器控制系统功能，即逻辑控制、顺序控制、定时计数等，用梯形图作为编程语言。2. 崛起二十世纪七十年代中期至八十年代初期，由于可编程控制器在取代继电气控制系统之后各方面表现良好，在电气自动控制领域，PLC开始普及并达到飞速发展，此时PLC在模拟量的控制及数据处理方面得到很大加强。3. 成熟八十年代初期到九十年代初

10、期，伴随着工厂工业对系统自动化程度以及控制性能和范围的要求不断的加大，可编程控制器在大中型控制系统如冶金、造纸以及污水处理中，展现了其强大的实力，在这一阶段，一些大型的可编程控制器都增加了遵守一定协议的通信接口。4. 飞速发展上个世纪九十年代初期到九十年代末，伴随着计算机技术、通信技术、芯片技术和控制技术的发展与完善，可编程控制器的功能得到了更广阔的发展。随着PLC控制系统在过程控制领域的进军，其网络通信功能和模拟量处理功能都有了很大的提高，并且年增长率一直在30%以上。5. 开放标准化从上个实际九十年代中期以后，伴随着PLC在各个领域功能的不断完善，其开放性也越来越明朗化。IEC61131即

11、可编程控制器国际标准，目前已逐步实施和完善，尤其是IEC61136-3标准编程语言的发展，使可编程控制器正逐步走向一个开发标准的时代。1.3 本课题设计的主要内容本设计以污水处理厂中水控制系统为研究对象，采用可编程控制器与变频器结合的技术，设计一套恒压供水系统。该系统由可编程控制器、变频器、软启动器、压力传感器、液位传感器和水泵机组共同组成，为闭环调节系统。该系统有一个水池，5台水泵，采用部分流量即所有水泵中只有一台变频运行，其他几台工频运行的调节方法。PLC根据压力传感器反馈回的信号，与系统给定值比较，进行PID运算，将信号传给变频器控制变频水泵的转速，并实现工频水泵的增减（其中增加工频泵时

12、要求软启动），进而是水泵内的压力保持恒定。各个水泵的运行遵循先启先停、等时运行的原则。由以上要求，设计系统的整体控制方案，包括：硬件设备的选型（PLC、变频器、软启动器的选型，以及I/O模块扩展的选型）、硬件电路图的绘制以及使用相关软件设计梯形图控制程序等。2 系统设计的理论研究及控制方案的分析2.1 该系统的理论研究分析本设计中的水泵电机采用5个160kw的三相异步电动机，其转速公式如下5： 式（2.1）在公式中：f代表供电电源的频率，p代表水泵电机的极对数，s代表转差率。由以上可得，要想改变水泵电机的转速，有以下三种办法：（1） 通过改变水泵电机的极对数（2） 改变转差率（3） 改变供电电

13、源的频率下面分别介绍以上三种改变水泵电机转速的方法的优缺点：(1) 改变电机极对数调速的控制方式相对比较简单，投资小，并且节能效果明显，效率也高，但是应用范围小，只能用于特定的变极电机，并且属于有极调速，同时因为各级极差变化较大，使得转速变化很大，从而导致转矩也会有很大的变化，不适用于本设计恒压供水，只在一些要求特定转速的工业生产中应用。(2) 改变转差率的调速方法，如果想要有较大范围的调速，需选用串级调速的调速方式，这种调速方法最大的优点是转差功率可以得到回收，进而实现有效的节能，且调速性能良好。而这种调速方式的成本相对来说比较高，调速系统的线路也很复杂，不便于以后的维修和扩展，且这种调速方

14、式增加了中间环节，进而也增加了电能的损耗，性价比较低。(3) 改变供电电源供电频率的调速方式，由公式可知，当转差率保持恒定或变化较小时，水泵电机的转速基本与供电电源的频率成正比。当供电电源的频率连续变化时，可以实现水泵电机转速的连续变化，属于无极调速。改变供电频率，控制电机转速，可以很好的实现节能的效果，效率高，且系统后期的维护和扩展都相对简便。满足该系统的设计。缺点是，只是一味的改变电源频率，会使水泵电机性能逐渐变差。但是，随着可续技术的不断进步与完善，电力电子技术有了很大的发展，越来越多的各方面性能良好且工作稳定的变频电源不断涌现，促进了变频调速技术的发展，并展现了该技术的广阔的扩展空间。

15、由以上分析可得，变频恒压供水控制系统相对于其他两种控制电机转速来改变供水压力的方式来说，更适合本设计的要求，且具有更大的发展空间。2.2 变频恒压供水控制系统设计方案的设计2.21 恒压供水控制系统方案的比较与确定变频恒压供水控制系统主要分为以下几部分、：可编程控制器、变频器、软启动器、压力传感器、液位传感器以及水泵机组六部分。本设计主要实现的功能是利用可编程控制器，控制变频器的输出频率及软启动器，进而控制一台或循环控制多台水泵电机，实现供水管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及水泵电机变频运行和工频运行的转换，与此同时还要传输检测水压和水位等部分数据，根据相应数据对系统做出相应的运行调整。通过

16、对变频恒压供水控制系统设计要求的了解，有以下几种方案可供我们选择6：（1）压力传感器变频器直接控制恒压供水这一方案需要使拥有供水基板的变频器，其优点是控制系统的结构非常简单，变频器供水基板上集成有PLC可编程控制器和PID调节器等硬件系统，要想实现PID和PLC的控制系统功能只要设定简单的指令代码即可。缺点是，尽管电路结构得到了简化且拥有较小的体积降低了系统的成本，但要想实现压力值的设定以及显示反馈回来的压力值则会非常的繁琐，不能很好地实现在不同时间控制不同压力的需求，且在进行系统的调试时，很难确定最佳的PID参数值，调节范围也非常的小，不能保证系统有较好的稳定性和动态性能。并且由于是固定的供

17、水基板，不能很好地实现输入输出接口以及所带负载容量等的扩展，数据通信困难，因此，该类控制系统仅适用于系统要求较低的固定容量的场合。（2）单片机及普通变频器控制水泵机组恒压供水该类控制系统和上述控制系统相比控制精度得到了很大的提高，且控制算法灵活多变，控制参数调整起来简单，易于操作，性价比相对比较高。但该系统也存在一定的缺陷，例如系统的开发周期系对比较长，程序一经固化后，修改起来非常麻烦，这无疑会影响现场调试的随意性。同时由于该系统采用的是单片机作为的控制器，系统容易受到外部环境的干扰，而变频器的运行也会给系统带来一定的扰动，当变频器频率越高时，干扰也就越大，使得系统的稳定性没有可靠的保证，因此

18、必须采取相关的措施来抑制外部的感染对系统的影响。鉴于以上的缺点，该类系统的实际应用范围也不大，只适用在某些特殊的干扰较小的恒压供述领域。（3）可编程控制器与变频器共同控制水泵机组恒压供水这类控制系统的控制方式同样灵活多变。随着通信技术的不断完善，该系统可以与其他系统进行良好的数据交换，具有很强的通用性，适用范围广；同时，由于可编程控制器一些列相关产品的模块化，使得系统具有很好的扩展性与发挥空间，用户可以根据需求最大限度的对系统进行更改与完善，这是以上两种方式所无法比拟的。在设计系统的硬件部分时，只需要确定可编程控制器的硬件配置以及外部I/O口的接线形式，当用户对系统需求发生改变时，只需改变系统

19、内部的控制程序即可，因此在进行现场调试时，非常的简便。同时由于PLC的特性，可编程控制器具有很好的抗干扰能力，可靠性强，因此，适用于各种不同要求的恒压供水场合，且不受供水容量的限制。由以上对几种不同供水方案的分析比较，可以得出第三个供水方案更适用于本系统，该控制方案扩展灵活、可靠性高,且通用性强，适用于各种场合，有较大的发展空间。2.22 PLC变频器恒压供水的系统组成及组成部分分析PLC变频器恒压供水控制系统主要由可编程控制器、变频器、软启动器、压力传感器、液位传感器和水泵机组共同组成完整的闭环控制系统，系统的整体流程图如下所示：图2.1 PLC变频器恒压供水系统设计框图由以上系统设计流程图

20、，我们可以看出PLC变频器恒压调速供水系统由信号检测部分、控制系统部分、执行机构部分、通讯及报警部分等组成。具体为：（1）信号检测部分：在系统控制正常工作过程中，需要对系统的一些信号进行检测，以确保系统正常稳定的运行，这些检测的信号包括供水管网的水压信号、水池的液位信号和报警信号。供水管网的水压信号，该信号反映的是用户管网内部的水压值，是恒压供水系统所有反馈信号中最为重要的组成部分，该信号为模拟量，需PLC扩展模拟量模块来接收，PLC接受该信号后对该值进行PID处理，将处理后的数据传送给变频器，从而控制水泵转速，实现供水系统的恒压供水。水池液位信号，该信号主要对水位的下限信号进行检测，作为数字

21、量传输给可编程控制器，当水位达到下限值以后，PLC接收信号，停止水泵的工作，从而防止当水池水量不足时，水泵电机的空转现象，保护系统及电机的安全稳定工作。报警信号，该信号主要监测系统中的变频器、水泵电机是否出现异常，从而确保系统的正常运行，该信号形式为开关量信号。（2）控制系统部分：PLC变频器恒压供水系统的控制部分一般都包含在供水控制柜中，主要包括可编程控制器（PLC）、变频器、软启动器和电控设备几部分。可编程控制器（PLC）：可编程控制器是整个恒压供水控制系统的核心部件，它直接采集系统中各部分的信号（管网水压、液位、报警信号等），通过系统程序对来自各部分的信息综合汇总，并进行分析计算，从而得

22、出对整个系统执行部件的控制方案，通过变频器、软启动器和接触线圈对水泵电机进行相应的控制。变频器：变频器的主要功能是对进行变频运行的水泵电机进行转速控制，变频器通过接受可编程控制器的PID计算输出信号，改变自己的输出频率，从而对变频泵的转速进行控制，实现管网的水压恒定。软启动器：软启动器的主要作用是实现工频电机的软启动，当变频水泵工作在频率上限仍不能满足系统的水压时，可编程控制器发出增加水泵的信号，此时，软启动器启动，带动一个未运行的水泵软启动运行，减小启动电流，对水泵电机进行过载保护，从而增加系统的使用寿命，降低成本。（3）执行机构：该部分由一组（5台）水泵构成，主要作用是将水池的水供给用户管

23、网，该部分水泵主要有两种工作方式：变频运行：这类水泵直接由变频器控制，接收变频器的输出信号，通过变频器的控制，根据供水管网的压力反馈信号对水泵转速进行控制，从而保持供水管网压力的恒定。正常工作下，仅有一台水泵在该模式下运行。工频运行：这类水泵只有两种工作状态，即在工频状态下恒速运行或停止，主要作用是当变频泵在满负荷运行仍不能满足供水压力时对系统供水进行补充。（4）通讯部分：该部分是恒压供水系统的重要组成部分，通过该部分，系统可以和组态软件及其他工业监测系统进行数据传输，实现系统的远程控制，从而更方便的监控整个系统。（5）报警：在一个完善的控制系统中，报警部分在其中起着不可忽视的作用。为了确保系

24、统安全、平稳、可靠地运行，预防变频器损坏、电机过载、水池液位较低等种种因素导致的故障，系统必须对各种可以检测的报警信号进行监测，将所有的监测信号汇总到可编程控制器中，由可编程控制器进行计算分析，对系统进行相应的控制，从而确保系统的可靠运行，避免造成不必要的损害。2.23 变频器工作方式分析及确定由以上分析，通过水泵机组中变频器拖动水泵的方式不同，变频器有以下两种工作方式7：（1）变频循环式：变频循环式是指变频器首先拖动其中的一台水泵变频运行，当该水泵满负荷运行即变频泵输出频率为50HZ时，供水管网的压力仍不能满足设置要求，需要增加水泵电机时，可编程控制器控制变频器从该水泵电机拖出，使变频器带动

25、另外一台水泵变频运行，与此同时，该水泵工频运行。（2）变频固定式：变频固定式指一台水泵首先由变频器拖动运行，当该水泵满负荷运行即变频泵输出频率为50HZ时，供水管网的压力仍不能满足设置要求，需要增加水泵电机时，可编程控制器控制软启动器直接启动另外一台没有运行的水泵，变频器不动作，继续带动该水泵变频运行，实现系统供水的压力恒定。当水泵电机功率较大，变频器从水泵电机拖出使该水泵切换为工频运行时，由于变频器频率与电网电压频率可能存在差异，会导致水泵电机瞬间受到一个较大电压的冲击，从而致使电机损坏，所以该设计采用变频固定式。在程序设计中，采用定时器和计数器对各个电机的运行时间进行记录，采用增加水泵时，

26、通过可编程控制器控制，增加工作时间最短的水泵，减少水泵时，减少工作时间最长的水泵的方式，实现电机的等时运行，这在后面会有更加详细的介绍。2.24系统工作原理概述及流程PLC变频器恒压供水系统的控制对象为供水管网的供水水压，在系统的控制过程中，要达到供水管网的水压始终跟随系统设定水压的效果。在这里，系统设定的供水压力可以是一个时间分段函数（即在每一个时间段内是一个常数），也可以是一个恒定常数。因此，由以上可知，恒压供水控制系统要实现的功能就是在某一个时间段内维持供水管网的供水压力与系统设定的供水压力相同。PLC变频器恒压供水系统的设计流程图如下：图2.2 PLC变频器恒压供水系统设计流程图PLC

27、变频器恒压供水系统通过安装在供水管网内部管道的压力传感器监测供水管网的供水压力，并将监测到的压力信号以4-20mA的电流信号输出，该信号是恒压供水系统主要反馈参数。由于该信号时模拟量信号，因此在传入可编程控制器时，需要将该信号通过A/D转换模块转换为数字量信号才能被PLC识别，然后系统将该值与系统设定值比较，进行PID运算，将运算后的输出值经过D/A转换模块转换为模拟量再传送给变频器，改变变频器的输出频率，控制电机转速，改变水泵机组的供水流量，从而实现供水管网的供水压力恒定，达到恒压供水的目的。由以上分析可知，PLC变频器恒压供水系统的工作流程有以下几部分8：（1）系统启动供电，此时可编程控制

28、器上电，开始执行系统内部程序，启动变频器，变频器带动其中工作时间最短的水泵运行，系统根据压力传感器检测到的供水管网供水水压与系统之前设定好的压力值比较计算，控制改变变频器的输出频率，从而改变水泵电机的转速，当压力传感器检测到的供水压力值与系统设定值相等时，系统达到稳定，此时变频器的输出频率和水泵电机的转速都达到一个固定值，这期间，水泵电机工作在调速状态。（2）当用水量增加时，供水管网内部水压减小，压力传感器的输出电流减小，信号传送给可编程控制器，PID偏差加大，经过PID运算，使可编程控制器的输出增大，变频器输出频率增加，从而使水泵电机转速增加，供水流量增加，总后使得系统达到一个新的稳定状态。

29、同样，当用水量减小时，系统通过可编程控制器内部的PID运算，最终控制电机转速减小，减小系统供水流量，是系统达到新的稳态。（3）当用户用水量增加较多，且变频器的输出频率达到频率设定上限50HZ时，水泵电机满负荷运行，如果此时系统供水管网的供水压力仍然低于系统设定值，则满足增泵条件。变频器处于变频固定式的工作模式下，此时可编程控制器控制软启动器带动一个水泵启动（该水泵为其他四个水泵中运行时间最短的水泵），使该水泵工频运行，同时可编程控制器接收来自压力传感器的检测信号，控制变频器的输出频率，改变变频泵的转速，重新使系统达到稳定的工作状态。如果用户的用水量仍然增加，达到增加水泵的条件时，则继续按上述情

30、况增加水泵，直到系统达到新的稳定状态为止。 （4）如果当用户用水量减小，且变频器的输出频率已经达到变频器频率的设定下限时，系统供水管网的水压仍然高于系统的压力设定值，则满足减泵条件。此时，可编程控制器接到信号，关闭一台工频运行的水泵（该水泵为工频运行中运行时间最长的水泵），同时，PLC继续根据压力传感器检测到的信号运行，控制变频器的输出频率，调整水泵电机转速，使系统达到稳定状态。如果用户水量继续减小，达到减少水泵条件时，则继续按照上述情况减少水泵，直到达到平衡为止。3 恒压供水系统硬件部分设计3.1 系统设备选型通过对以上PLC变频器恒压供水系统工作原理的分析，可绘制如下系统电气控制总框图：图

31、3.1 系统电气控制总框图根据以上PLC变频器恒压供水系统电气总框图，可知该系统的硬件设备主要包含以下几部分：（1）可编程控制器（PLC及其扩展模块）、（2）变频器、（3）软启动器、（4）压力传感器（5）液位传感器。以上设备的选择型号如下表3.1所示：表3.1 设备选型系统硬件设备设备型号可编程控制器（PLC）西门子CPU224I/O扩展模块西门子EM222模拟量扩展模块西门子EM235变频器西门子MM440软启动器TE公司Altistart 46压力传感器普通压力表Y-100液位传感器伊莱克公司浮球开关EM15-2水泵机组SFL系列160KW水泵5台3.11 可编程控制器及其扩展模块选型可编

32、程控制器PLC是变频恒压供水系统控制的核心部件，该设备在系统中的主要作用是收集所有的输入信号，通过内部控制程序的计算处理，输出信号，对外部设备进行控制，从而实现系统的恒压功能，并通过通讯端口，对外部数据进行交换。由以上可编程控制器的功能可知，我们需要参考可编程控制器的执行速度、内部及可扩展存储空间、扩展外部模块的能力及通讯接口及协议等等多方面的因素。由以上分析可知，PLC变频器恒压供水系统的控制部件不多，因此本设计预备采用西门子公司生产的S7-200系列可编程控制器。西门子S7-200系列PLC,价格较低，属于中小型可编程控制器，具有较高的性价比，在一些中小型的控制系统中应用广泛。西门子公司的

33、可编程控制器的可靠性非常高，通信指令较多，具有非常良好的可扩展性，通信协议非常的简单；而且PLC可以与工控计算机连接，对自动控制系统进行监测控制。由系统设计原则，为了以后系统能够方便的扩展，因此PLC端子数目要有一定的空余量，同时根据控制系统实际所需端子数目，本设计选用S7-200型PLC的主模块为CPU224，同时扩展16点数字量输入输出模块EM223。CPU224拥有14点的开关量输入以及10点的开关量输出，与CPU221和CPU222相比，它的程序存储容量扩大了一倍，而数字存储量则较前两者扩大了四倍，同时该控制器可以最多扩展7个外部模块，有自己的内部时钟，并且它对模拟量及高速计数的处理也

34、更加强大，是西门子S7-200系列产品中使用最为广泛的，完全满足本设计的要求。鉴于本设计中需要控制较多水泵电机的变频控制、软启动和工频控制，因此需要扩展外部I/O模块，由控制系统的实际所需扩展数目可知，该系统需要扩展具有16个数字量输入输出的混合扩展模块EM223。同时，由于系统需要采集处理传感器的检测信号，而该监测信号为4-20mA的模拟量，所以在控制系统设计时，需要添加模拟量扩展模块，本设计选用的模拟量扩展模块为EM235，该模块具有4个模拟量输入（AIW）通道，及一个模拟量输出（AQW）通道，该模块在输入信号接入端口时，可以自动的将模拟量转换为数字量，即将输入的模拟信号转换成16位一个字

35、长的数字量信号，在输出信号时，又能够自动地直接将将数字量信号转换为模拟量信号输出，将一个字长（16位）的数字信号转换成模拟量输出。同时，该模块可以对于不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置，在该设计中可以发挥出色的表现。3.12 变频器的选择变频器是恒压供水控制系统中可编程控制器与水泵机组的连接部件之一，可编程控制器通过改变变频器的输出频率，从而控制调节水泵电机的转速。在选择变频器时需要着重考虑水泵电机的功率及电流。同时要实现系统的监控，还需选用具有通讯功能的变频器。根据对电机控制功能的不同，可以将变频器分为三种不同的类型：普通功能U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频

36、器和矢量控制高功能型变频器。而在变频恒压供水系统中，负载属于泵类负载，在电机转速较低时，电机转矩也较小，同时考虑性价比的要求，因此选择价格比较低廉的U/f控制变频器。同时考虑到本设计中选用的可编程控制器是西门子S7-200系列的CPU224，为了更好的实现变频器与可编程控制器之间的通讯，因此本设计选用西门子变频器MM440。该变频器主要适用于三相交流电动机调速，由微处理器控制，使用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，系统运行时具有很高的可靠性和很强的功能。该变频器采用模块化结构，组态灵活，模块内部集成有许多完善的变频器和电动机保护功能，并且可以根据不同用户的需求对输入输出端口进行自定义功能，同

37、时由于变频器内部的各种设计，使得变频器在输出频率较低时也可以有很大的输出力矩。本设计控制的水泵电机功率为160KW，而西门子MM440变频器的输出功率为120-200KW，适用于功率较大、对设备要求较高的场合，完全适用于变频恒压供水系统的设计。3.13 软起动器的选择由于水泵电机在直接启动时会有很大的冲击电流，影响水泵电机的使用寿命，因此在系统中需要增设软启动器，当供水系统需要增加工频水泵时，由软启动器带动水泵电机启动，从而减小启动电流对电机的冲击，增加系统的使用时间。软启动器的主要组成部分为三相交流调压电路和控制电路。其工作的基本原理是，通过对晶闸管的移相控制，使晶闸管的导通角发生改变，从而

38、使输出电压发生变化，通过改变电压来改变电动机的启动转矩和电流。目前，由于各行业的生产需要，国内外软启动器产品技术得到了飞速发展，产品型号也琳琅满目，本设计拟采用TE公司生产的Altistart 46型软启动器。该软启动器具有标准型负载和重型负载两种，可以控制功率为4-800KW的电动机，额定电流从17-1200A，共包含21种设定值，具有斜坡升压、电压听声脉冲、转矩控制及启动电流限制三中启动方式；具有制动停车、自由停车、转矩控制软停车三种停车方式；具有软启动器自身及水泵电机的热保护、限制转矩和电流冲击等保护功能并能提供故障输出信号，同时它还提供本地端子控制接口和远程控制RS-485通信接口，方

39、便软启动器与系统之间的数据传输，完全满足系统的要求。3.14 压力传感器的选型压力传感器在变频恒压供水系统中的作用是监测供水管网中的水压，并将检测到的水压信号根据传感器的类型不同转换为1-5V或4-20mA的电信号，该信号为模拟信号，作为模拟量输入模块（EM235）的模拟信号输入。在选择系统压力传感器时，考虑到信号在传输过程中会有干扰和损耗，因此，本设计采用4-20mA输出的电流型传感器即普通压力表Y-100，压力表的测量范围是0-1Mpa,精度为1.0，满足系统的要求9。3.15 接触器、热继电器、低压断路器选型根据题目设计要求已知水泵电机的功率为160KW,额定电压为380V，功率因数为0

40、.8，由公式可计算出电机的额定电流约为300A。由于当电机的额定功率大于11KW时，选用的接触器的电流最大为电机额定电流的1.5-2倍，因此本设计中选用CJ20-400型号接触器，该接触器可控制电机最大功率为200KW,额定电压为380V，额定电流为400A，满足设计要求。由热继电器的选用原则可知，热继电器的额定电流为控制电机的额定电流的60%-80%,即180-240A，因此选用JR20-250 167-250A热继电器。同理，对于五台水泵电机的低压断路器，有，其中K为1.5-1.7，因此脱扣电流为450-510A，其中QS0的脱扣电流为2250-2550A。3.2恒压供水系统主电路设计与分

41、析PLC变频器恒压供水系统主电路如下图3.2、3.3所示10：该系统共有5台水泵电机，分别为M1、M2、M3、M4、M5，其中接触器KM1、KM4、KM7、KM10、KM13分别控制电机M1、M2、M3、M4、M5的变频运行，接触器KM2、KM5、KM8、KM11、KM14分别控制水泵电机的软启动，接触器KM3、KM6、KM9、KM12、KM15分别控制水泵电机的工频运行，KM0控制软起动器的运行停止，BB1、BB2、BB3、BB4、BB5分别为五台水泵电机过载保护的继电器，QS0、QS1、QS2、QS3、QS4、QS5、QS6、QS7分别为系统、变频器、五台水泵电机及软启动器主电路的隔离开关

42、。图3.2 变频器恒压供水系统变频器部分图3.3 变频器恒压供水系统软启动器部分由前面分析已知，本设计中变频器采用变频循环式的工作方式，即5台水泵电机中只有一台水泵电机在变频器的控制下做变频调速运行，其余水泵在工频下运行，当系统需要增加或减少水泵时，系统遵循增加工作时间最少的水泵或关闭工作时间最长的水泵，即系统具有倒泵功能，使水泵电机整体的工作时间大体相同，以避免其中的某一台水泵电机工作时间过长。因此，在某一特定的时间内只有一台水泵做工频运行，但不同的时间段内，五台水泵轮流工频运行。在恒压供水系统电路设计图变频器部分中，三相交流电源通过隔离开关与变频器的R、S、T三个端口相连接，变频器的U、V

43、、W三个输出端口通过接触器的触点与电机相连。当电机工频运行时，系统中变频器与电机之间的接触器的触点是断开的，此时先接通软启动器与水泵电机之间接触器触点，当水泵电机软启动完成之后，自动断开软启动器与水泵电机之间接触器触点，同时闭合水泵电机工频运行的触点。在整个恒压供水控制系统电路图中，隔离开关除控制系统各个部分与电源的接通断开外，同时实现对整个系统及其各个部分的短路保护和过载保护，同时每台电机又有各自的热继电器BB进行过载保护。在系统运行过程中，同一个电机的变频、工频、软启动不能同时接通，同时只能有一台电机处在变频运行或软启动过程中。因此在设计系统时，控制电机的接触器之间必须有可靠的互锁，从而避

44、免上述情况的发生。3.3 恒压供水系统控制电路设计与分析在变频器恒压供水控制系统中，可编程控制器PLC是该系统的核心控制设备，负责对系统中各部分的监测控制，同时，控制电路是否合理，编写的程序是否简便可靠，与系统整体的运行性能息息相关。由前面已知，在本设计中，系统采用的是西门子公司S7-200系列PLC，它的优点是，体积小运行速度快，对外界有很强的抗干扰能力，性价比高，性能优越。在该系统中，可编程控制器主要用来实现变频恒压供水系统的自动化控制，即：（1）系统自动控制五台水泵电机的启动停止（2）能够使五台水泵轮流实现变频调速运行（3）增加工频水泵时，使用软起动器带动水泵启动（4）通过程序的编写，实

45、现五台水泵的等时运行（5）整个变频恒压供水系统要有自动运行与手动运行的切换，以便于系统在检修或应急时能够顺利的操作（6）系统要能够对系统的各个部分进行监测，并拥有完善的报警功能，以便于系统出现故障时，能够快速的发现并维修11。系统的电气控制系统控制电路如下图3.4所示，在该图中，SF为系统的手动控制和自动控制转换开关。当SF打到位置1，此时系统处于手动运行状态，需要人工对系统进行控制，人们可以通过控制SF1-SF10几个按钮来控制五台水泵的运行状态；当SF打到位置2，此时系统处于自动运行状态，整个系统由可编程控制器自动带动系统运转，不需要人工操作。在图3.4中，SF1-SF10为系统的手动运行

46、控制按钮，Q0.0-Q2.7为可编程控制器输出继电器的触点，PG1、PG4、PG7、PG10、PG13分别为五台水泵电机工频运行指示灯，PG2、PG5、PG8、PG11、PG14分别为五台水泵电机软启动指示灯，PG3、PG6、PG9、PG12、PG15分别为五台水泵电机变频调速运行指示灯，PG16为变频器故障指示灯，PG17为系统供水水池水量不足指示灯，PB为系统报警警铃，当系统某一部分出现故障时，警铃运行，提醒工作人员检修。该系统在手动运行和自动运行时的具体过程如下:(1)手动运行：在一般情况下，只有当系统出现故障时才会是系统在手动下运行，以便于系统各部分的检测维修。当要开启手动运行状态时，需要将单刀双掷开关SF打到1位置，在该状态下，可以通过开关SF1-SF10分别控制五台水泵电机在工频状态下运行和停止。以1号水泵电机为例，当手动控制SF1开关闭合时，继电器KM1、KM2的常闭触点使电路导通，从而使继电器KM3的线圈得电，继电器KM3的常开触点闭合，实现电路自锁，使1号水泵电机在工频下稳定运行，当要停止水泵电机时，只要按下SF2按钮，即可切断电路，使继电器KM3线圈失电，从而使1号水