基于PLC和變頻器的水泵站恒壓供水畢業(yè)論文

1、 畢 業(yè) 設 計題 目 常寧市民心自來水供水項目2級泵房電氣控制器的設計 學院名稱 電 氣 工 程 2013年5月25日南 華 大 學畢業(yè)設計（論文）任務書學 院： 電氣工程 題 目： 常寧市民心自來水 供水項目 2級泵房電氣控制器的設計 起 止 時 間：2012年12月23日至 2013年5月25日學 生 姓 名： 專 業(yè) 班 級：電氣工程與其自動09級2班 指 導 教 師： 研 室 主 任： 院 長： 2012年 12 月23日設計（論文）容與要求1. 背景資料見附件12. 設計容2.1 整體方案設計。2.2 主電路設計。屬于設計的重點容。2.3 PLC的選型。2.4 采用PLC控制電路的

2、設計。屬于設計的重點容。2.5 PLC程序設計。屬于設計的重點容。3. 電路設計要求3.1水泵系統(tǒng)滿足供水要求。3.2水泵電機采用變頻器調(diào)速控制。3.3水泵電機要求具有過流保護、過載保護、接地保護、限位等功能，合理選取電壓電器設備的型號、規(guī)格和臺套數(shù)。3.4要求綜合考慮控制器成本。4. 論文要求4.1獨立完成設計的全部容。4.2 獨立撰寫畢業(yè)設計論文一篇（不少于15000字）。4.3 畢業(yè)設計論文符合學校規(guī)定的論文格式、圖表規(guī)。4.4畢業(yè)設計的有關資料存入磁盤（或刻錄光盤）。5. 進度安排2012年12月2013年1月：資料收集、整理，撰寫文件綜述和開題報告。2013年2月：方案設計。2013

3、年3月：變頻器、PLC選型設計2013年4月：主電路設計，PLC外圍控制電路。2013年5月：程序設計，撰寫、修改畢業(yè)設計論文、畢業(yè)設計答辯。 指導教師： 2012 年12 月23 日南華大學電氣學院本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告設計（論文）題目常寧市民心自來水供水項目2級泵房電氣控制器的設計設計（論文）題目來源自選課題設計（論文）題目類型工程設計類起止時間2012.122013.5一、 設計（論文）依據(jù)與研究意義：依據(jù)：1.根據(jù)以下規(guī)、標準進行本次設計1）GB/T50265-2010.泵站設計規(guī)2）SZ 310-2004.村鎮(zhèn)供水工程技術規(guī)3）JGJ 16-2008.民用建筑電氣設計規(guī)2.根

4、據(jù)任務書所給的原始資料研究意義：國縣級，鄉(xiāng)鎮(zhèn)級的二級水泵站,普遍存在自動化程度低，運行成本高等問題。由于壓力得不到有效控制，造成管線破裂，漏水缺水現(xiàn)象嚴重。近年來，隨著小型PLC，變頻器價格下降，勞動力成本上升，以與居民對供水質量要求的提高，社會對降低能耗的呼吁，對鄉(xiāng)鎮(zhèn)級水泵站，節(jié)能化，自動化改造，具有重要意義。PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。本文介紹了，應用PLC和變頻器，實現(xiàn)對二級水泵站全自動化控制的技術?？梢詫崿F(xiàn)無級恒壓調(diào)速，供水穩(wěn)定，供水質量顯著提高。應用變頻技術

5、，降低電機電能損耗，并且減小啟動時對電網(wǎng)沖擊。自動化程度高，節(jié)省勞動力成本，集成程度高，檢修維護方便。二、 設計（論文）主要研究的容、預期目標：（技術方案、路線）主要研究容：1. 水泵站整體控制方案設計。2. 主電路設計與主要設備選型。3. PLC、變頻器的選型。4. 采用PLC控制電路的設計。5. PLC程序設計6. 論文的撰寫三、設計（論文）的研究重點與難點：重點：1.主電路設計2.采用PLC控制電路的設計3.PLC程序設計難點：1.PLC與變頻器應用2.程序的編寫3.對程序可靠性分析四、 設計（論文）研究方法與步驟（進度安排）：1. 2012年12月2013年1月：資料收集整理，撰寫文件

6、綜述和開題報告。2. 2013年2月：方案設計。3. 2013年3月：變頻器、PLC選型設計。4. 2013年4月：主電路設計，PLC外圍控制電路。5. 2013年5月：程序設計，撰寫、修改畢業(yè)設計論文、畢業(yè)設計答辯。五、 進行設計（論文）所需條件：1. 有關水泵站電氣方面的資料；2. 有關電機控制方面的資料：3. 有關PLC方面的資料；4. 編程軟件；六、 指導教師意見：簽名： 年 月 日6 / 69摘要：本文完成的是某自來水廠二級泵房電氣控制器的設計，通過對任務要求、控制對象的分析，選擇了PLC加變頻器的控制方案。根據(jù)設計思路進行了主要設備的選型，主電路設計，控制電路設計以與程序設計。整個

7、設計方案以PLC和變頻器為控制器核心，工控機為人機交流窗口，水泵機組為執(zhí)行單元，與水壓等信號采集單元一起，組成了一個完整的閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)。對用戶實行分區(qū)供水，每臺水泵可以在工頻和變頻兩種運行方式下切換。變頻器根據(jù)采集的壓力數(shù)值和設定參數(shù)比較自動調(diào)節(jié)電機運行頻率，PLC根據(jù)變頻器的反饋信號，控制每臺電機的工作狀態(tài)。關鍵詞：恒壓供水;PLC;變頻器;分區(qū)供水Abstract: Electrical design of secondary pumping station in a tap water company is described in the paper. A control sche

8、me of PLC and frequency converter is proposed by analysing task requirements and control object. The selection of major equipment, main circuit design, control circuit design and program design is also proposed according to the design ideas. PLC and frequency converter are designed with the core of

9、controller; industrial computer is designed as man-machine communication window; and the water pump is designed as the execution units. All of these and the pressure signal sample unit etc. make up an integrated closed-loop isobarically water supply system. Each pump can be changing-over in differen

10、t operating manners, which is used to manage the network users in zone water supply.The frequency converter automatically adjusts the operating frequency based on collected pressure values and setting parameters. PLC controls the working status of each motor according to the frequency converter feed

11、back signals.KEYWORD: Constant pressure water supply;PLC;Frequency converter;Zone water supply.目錄1緒論11.1 課題研究意義11.2 變頻調(diào)速技術的發(fā)展與現(xiàn)狀31.3 論文原始資料41.4 論文設計的任務和要求52 電氣控制器方案設計62.1 設計任務和控制對象分析62.2 設計方案的選擇62.3 系統(tǒng)框圖83主要設備選型103.1 PLC的選型103.1.1 PLC的基本構成103.1.2 PLC的選型113.2 變頻器的選型133.2.1變頻器工作原理133.2.2變頻器的選型143.3 壓力

12、變送器的的選型193.4 接觸器的選型203.5 熔斷器的選型223.6熱繼電器選型243.7低壓斷路器選型254硬件電路設計264.1 主電路設計264.2 控制電路設計285人機界面設計325.1組態(tài)軟件介紹325.2監(jiān)控系統(tǒng)的設計335.2.1 組態(tài)王的通信參數(shù)設置335.2.2 新建工程與組態(tài)變量345.2.3 組態(tài)畫面365.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面366程序設計396.1 PLC編程語言和編程軟件介紹396.2一號機組程序設計416.3二號機組程序設計446.4典型程序塊分析45總結47參考文獻48致50附錄一：程序51附錄二：主電路設計56附錄三：PLC外圍電路設計571緒論1.1

13、課題研究意義 課題研究的是自來水廠的二級泵房電氣控制器的設計，所謂二級泵房，指的是從把水從自來水廠送到城鎮(zhèn)居民家中的加壓泵站。相應的還有一級泵房把河流中的水抽取到自來水廠。而二級泵房設計要求就是：通過先進的控制系統(tǒng)設計從而達到最大可能的節(jié)約水資源和電能的要求。眾所周知中國是一個人均水資源和能源貧困大國，人均平排名在世界一百多名之后，所以在這樣一個能源貧困大國，如何用科技的力量減少能源的損耗，用高效率的自動化控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的落后的控制方式，節(jié)約人力資源，降低能源損耗。居民生活用水是淡水資源的主要消耗部分，但同時也是供水項目重點保障的部分。如何能有效保證城鎮(zhèn)居民有水用的同時，盡最大可能的節(jié)約水資

14、源和降低通過先進的控制系統(tǒng)設計進而達到降低水能或者電力能源功耗。長期以來中國很多城鎮(zhèn)的供水方式比較落后，傳統(tǒng)的供水方式主要存在以下問題：水壓不穩(wěn)，高峰時段居民沒有水用，低谷時段容易造成管線爆裂；由于供水系統(tǒng)不科學造成的嚴重的水資源浪費和電能浪費；由于自動化程度低造成的人力資源浪費；高昂的運行維護和檢修費用。供水方式有以下幾種(1) 恒速水泵+蓄水池的方式 這種供水方式是最簡單最直接的供水方式，有的甚至連蓄水池都沒有安裝而是直接從供水系統(tǒng)管網(wǎng)中取水連接管道。無法根據(jù)用戶需求改變水壓，存在嚴重的水資源浪費和電能損耗，甚至造成管線破裂等。恒速水泵的加壓供水方式無法也根本不可能對城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)的壓

15、力大小做出比較有效的反應，供水水泵的數(shù)目增加和減少都必須要依賴于工人現(xiàn)場進行手工的操作，自動化程度比較低，而且大多數(shù)時候為了保證供水，又無法檢測壓力機組經(jīng)常處于沒必要的滿負荷運行，不僅效率低、耗電量很大，而且在用水量較少的夜間時段和用水低谷期，管網(wǎng)難免處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象比較嚴重，目前較少采用。(2) 恒速水泵+水塔的方式 這種供水方式顯然要比恒速水泵加蓄水池的方式好很多，首先是解決了管線破裂，水資源浪費的問題。而且比前一種方式節(jié)約電，因為只要水塔滿了，就可以關掉電機，當水位下降到一定水位，在啟動電機即可但是也有明顯的缺點。主要缺點如下：這種供水方式要求水塔最低水位要高于系統(tǒng)所要求的最低

16、水位，水塔必須建的很高，再加上要考慮安全，防地震等因素。造成占地面積大，投資巨大；礙于水塔本身的限制，這種供水方式供水服務區(qū)域受到一定限制，無法大面積的供水；在自來水由低水位到水塔，再由水塔到用戶的能量變化過程中，存在無法避免的能量損失；電機要經(jīng)常啟動和停止，而電機啟動對電網(wǎng)沖擊大，比較費電；水塔部細菌易于繁殖，衛(wèi)生狀況堪憂，高位水塔要經(jīng)常定時人工清潔，比較費時費力。(3 )變頻恒壓供水 變頻恒壓供水是目前最先進的供水方式之一，采用變頻技術和可編程控制器以與電動機結合組成一套機電一體化全自動供水系統(tǒng)。變頻供水設備以水泵機組的出水端壓力作為檢測依據(jù)，根據(jù)檢測到的壓力數(shù)值和設定的參數(shù)比較，從而調(diào)節(jié)

17、變頻器改變水泵的工作頻率，對水壓進行調(diào)節(jié)，組成了一套完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而PLC的作用是對整個供水系統(tǒng)的所以設備進行全自動控制，對運行狀態(tài)監(jiān)視設備輸入信號作出恰當?shù)奶幚怼Ｗ冾l供水的主要優(yōu)點有： 相比于水塔供水，大大的節(jié)約了投資和占地面積，消除了安全顧慮等因素，總體節(jié)約投資30%-50%；恒壓供水完全滿足用戶需求，對機組實現(xiàn)軟起動變頻運行，是用戶獲得良好的用戶體驗，而且節(jié)約了水資源和電力；能夠實現(xiàn)一定程度上的全自動無人值守運行，自動化程度非常高，智能運行。工作泵備用泵可以實現(xiàn)定時自動切換，對故障實現(xiàn)直觀的操作界面顯示，故障自檢自顯自動報警燈功能；保護功能完善，過載欠壓過流短路等故障保護裝置完善，

18、對系統(tǒng)設備實現(xiàn)全方位的保護，減少故障發(fā)生后對設備的破壞，節(jié)約資金。1.2 變頻調(diào)速技術的發(fā)展與現(xiàn)狀 近代以來的變頻調(diào)速技術的發(fā)展首要要得益于現(xiàn)代電力電子技術的大力發(fā)展以與計算機技術的飛速進步和自動控制技術的發(fā)展，還有電機控制理論的不斷成熟與進步。在相關技術不斷的進步下，變頻調(diào)速才有了實現(xiàn)的可能與條件，在1964年，德國首先提出的在通信技術中使用變頻器的脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術。日本研究人員在20世紀80年代初，提出了一種叫磁通磁鏈軌跡控制的方法。變頻控制技術從1980年開始，已經(jīng)開始在美國，日本，德國，英國等發(fā)達國家，在商業(yè)領域和工業(yè)控制領域被廣泛的使用。在中國電能的60的被電動機類負載消耗

19、，所以如何使用電機的變頻控制技術，改造工業(yè)控制領域的電動機調(diào)速系統(tǒng)和方式，以節(jié)省電動機類負載所消耗的電能，在我國長久以來一直是一個國家和行業(yè)比較關注的問題。目前，中國有非常多的公司，工廠，科研機構，從事的變頻控制技術的研究，但是國產(chǎn)相關設備的設計和生產(chǎn)的控制產(chǎn)品與類似產(chǎn)品在國際市場上，與發(fā)達國家相關設備進行比較還是有較大的差距。隨著中國的改革開放和經(jīng)濟的快速發(fā)展，大多數(shù)公司和工廠開始采取從外國進口變頻設備的方法，但是國的相關設備和技術也在迅速的發(fā)展和成熟，現(xiàn)階段是依靠進口設備和自我研發(fā)相結合的階段，但總體上國技術與國外的設備有一定差距。 在變頻調(diào)速技術逐漸成熟之后，變頻恒壓供水技術開始嶄露頭角

20、并且展現(xiàn)了他強大的優(yōu)勢和廣闊的前景。給普通的變頻調(diào)速系統(tǒng)增加一個壓力檢測單元就可以實現(xiàn)十供水系統(tǒng)的閉環(huán)控制。隨著變頻恒壓供水技術的成熟和得到的廣泛的認可，國為很多公司開始專注于推出變頻恒壓供水專用變頻器。1.3 論文原始資料原始資料給出的供水負荷考慮附件鄉(xiāng)鎮(zhèn)近期自來水普與率按百分之九十五計算，遠期自來水普與率百分之百計算。根據(jù)規(guī)劃區(qū)水量計算，按照統(tǒng)一規(guī)劃遠近結合的指導思想。確定水廠近期（2020年）供水10000m/d，遠期供水（2030年）2000m/d。服務面積23.5平方千米。原始資料給出的電機型號和水泵型號對供水用戶分區(qū)一區(qū)用戶：150S78水泵三臺 兩用一備 配三相異步電機 Y250

21、M-2 三臺，功率55KW二區(qū)用戶：150S78B水泵兩臺 一用一備 配三相異步電機 Y200L-2 兩臺，功率37KW遠期增加150S78水泵一臺，150S78B水泵一臺。150S78水泵 參數(shù)介紹流量：160（m3/h）揚程：78（m）軸功率：47（kW）吸入口徑：150（mm）排出口徑：100（mm）150S78B水泵 參數(shù)介紹流量：144（m3/h）揚程：78m軸功率：22.8KW進口口徑：150mm出口口徑：100mmY250M-2型三相異步電機 參數(shù)介紹 電動機功率：55KW 電壓：380V 電流：103A轉速：2970 r/min額定頻率：50Hz、60HzY200L-2型三相異

22、步電機 參數(shù)介紹電動機功率：37KW 電壓：380V 電流：70A轉速 2950 r/min額定頻率：50Hz、60Hz供水壓力要求：根據(jù)村鎮(zhèn)供水工程技術規(guī)（SZ310-2004)，供水區(qū)域有樓房時，應滿足大多數(shù)居民用水需求，出水頭28m（約六層），既0.28MPa,考慮不利點因素和水壓遞減損失，出泵水壓設計0.35MPa.1.4 論文設計的任務和要求 設計任務是常寧市民心自來水廠供水項目2級泵房電氣電氣控制器的設計。二級泵房屬于加壓泵站，可以直接安裝在上級管網(wǎng)末端，加壓給用戶。直接設計的電氣控制系統(tǒng)，要滿足供水要求，既要滿足國家相關水壓，可靠性，節(jié)能指標。設計水壓穩(wěn)定值在0.35MP左右。主

23、要研究容：1水泵站整體控制方案設計。2 主要設備選型，特別是PLC，變頻器的選型。3 主電路設計。 4. 采用PLC控制電路的設計。5. PLC程序設計2 電氣控制器方案設計2.1 設計任務和控制對象分析 二級泵站加壓方式選擇：二級水泵站又稱為增壓站，加壓方式有兩種蓄水池法：將上級管網(wǎng)的水存入蓄水池，然后水泵再從水池中取水加壓。直接增壓法：將水泵直接安裝在管道上，直接加壓，不設水池。其中蓄水池法的缺點比較明顯：浪費能量，上級管網(wǎng)送來的水壓力值不可能是零，如果建一個水池，再從水池中將水重新抽出來，等于浪費了上級管網(wǎng)送過來的末端水壓值，是一種能量浪費；占地面積大，投資成本高。除了一些早期的項目，目

24、前在國增壓泵站蓄水池設計基本被淘汰。 控制對象分析 自來水廠二級泵房電氣控制器的設計，控制對象是三相交流電機，控制器核心是PLC，由于原始資料中要求對用戶分區(qū)。為了對兩個區(qū)的用戶都能實現(xiàn)變頻恒壓供水，我們選用兩臺變頻器。 一區(qū)用戶：三相異步電機 Y250M-2 三臺，功率55KW，兩用一備。 二區(qū)用戶：三相異步電機 Y200L-2 兩臺，功率37KW，一用一備。設計目標是，使水泵變頻器的控制下，根據(jù)壓力傳感器檢測的壓力信號，在變頻器的控制下，每臺電機既能在工頻下運行，又能在變頻下運行。根據(jù)需要，自動切換。本設計是某自來水廠二級泵房電氣控制器的設計，要求設計的電器控制器能實現(xiàn)供水的可靠性，滿足供

25、水要求，供水方案科學合理。通過對原始資料的分析，確定了設計方案，根據(jù)設計方案容進行了主要設備設備選擇。在此基礎上，完成硬件電路設計，才能使各種設備組成一個完整的系統(tǒng)，完成設計任務。2.2 設計方案的選擇根據(jù)設計任務要求，要設計一個自來水廠二級泵房的電氣控制器，查閱資料根據(jù)國主要的泵站控制系統(tǒng)進行比較分析，并最終確定設計方案。方案一：傳統(tǒng)繼電器+變頻器 的控制 此種控制方案是早期國最普遍的控制方式，也是目前國大部分工廠仍然采用的控制方式，主要優(yōu)點是價格便宜，簡單實用。但是隨著單片機，PLC等一些可編程的智能控制器的發(fā)展和普與，將逐漸被淘汰。其主要以下幾個缺點(1 )缺乏靈活性：繼電器控制是依賴于

26、硬件設備之間的邏輯接線來實現(xiàn)的，是一種依賴與物理層面的控制系統(tǒng)，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生變化或者有新的要求，很難實現(xiàn)靈活多變的改變控制策略，只能不得不拆除設備，重新接線布局和設計，相當?shù)姆爆嵑屠速M時間精力，人力物力。(2 )控制速度相對較慢：繼電器的動作是一種機械特性動作，動作返回大部分還依賴于彈性變形等，而且動作的時候存在無法避免的機械抖動現(xiàn)象，對需要處理的信號造成干擾，相對于可編程控制器的軟件精確微秒級的反應速度，顯然落后很多。(3) 時間延遲難以控制：繼電器的時間延遲依賴于時間繼電器的的滯后動作，精度低受環(huán)境干擾因素大，不利于定時控制。方案二：PLC+變頻器 控制可編程控制器是專為工業(yè)控制而設計

27、的控制器件，具有以下優(yōu)點(1 )靈活性高：PLC具有單片機可編程的這個突出優(yōu)點，而且編程的方式和方法大大簡化，有梯形圖，功能表圖，助記符等方法。當控制要求發(fā)生變化時只需重新編寫程序再載入PLC中即可。(2) 可靠性高：相比于單片機等其他控制設備，PLC最突出的優(yōu)勢就在于它是工業(yè)控制現(xiàn)場專用的控制器，強大的抗干擾能力，極度簡化的外圍電路和硬件，大大提高了它的可靠性。針對性的減少了需要連接的外圍電子元件，而只要確定一些I/O端口連接即可。在信號輸入輸出的地方還加入光電隔離，杜絕信號干擾。(3 )操作維護簡單方便：PLC對操作和維護人員要求低，操作簡單快捷，維護方便。通過對以上二種常見方案的比較分析

28、，我們針對二級泵站的設計任務要求，因為是針對城鎮(zhèn)居民的生活用水，對供水可靠性要求較高，所以選擇方案二：PLC+變頻器的控制方式。2.3 系統(tǒng)框圖 根據(jù)所選擇的設計方案和控制對象分析，系統(tǒng)組成部分如圖2.1圖2.1 系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖中我們可以看到，設計的水泵房控制系統(tǒng)主要有以下幾個部分（1）電機與負載 電機與負載是整個控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，系統(tǒng)執(zhí)行模塊其實就是用來帶動水泵機組抽水的電動機組。它分為調(diào)速泵和恒速泵，根據(jù)壓力傳感器輸入的信號與設定值比較，調(diào)速泵在變頻器的控制下變速運行，調(diào)節(jié)水泵出口處壓力值，達到變頻恒壓供水的目的。恒速泵工作在工頻50HZ，它是在變頻器調(diào)到最大頻率無法滿足供水要求的情

29、況下啟動的，啟動后維持在工頻運行，當用水量下降，另一臺變頻運行的水泵被停機以后，恒速泵在PLC的控制下，將轉入變頻運行。（2） 主電路 主電路是將整個系統(tǒng)設備有機的組合在一起所必須的電力電子器件，主要有開關電路，控制接觸器，熔斷器，熱繼電器，隔離開關等。將電力電子器件安裝設計要求組成整個硬件電路。（3） 控制器 控制器是整個系統(tǒng)的核心，包括PLC，變頻器和工控機。PLC控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，它負責信號的采集檢測，信號處理，控制電機和變頻器的自動切換運行。 變頻器根據(jù)控制方式的不同的，分為循環(huán)變頻控制和固定變頻控制兩種控制方式。循環(huán)變頻控制是指：當變頻器頻率增加到工頻時依然無法滿足供水要求時

30、候，將變頻器連接的這臺電機切換到工頻運行，而變頻器本身切換到下一臺電機，帶動下一臺電機軟啟動逐漸增加頻率，依次類推。固定變頻控制是指：當需要增加電機運行時，變頻器不切換，而是由PLC控制直接啟動另一臺電機。 工控機的作用有兩個：一個是對整個系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)監(jiān)測和顯示，便于對設備運行狀態(tài)常規(guī)檢查和故障維修，特別是發(fā)生不正常運行狀態(tài)時，如過載短路過流等故障，能迅速反應，啟動報警裝置。另一個作用是，工控機是人和控制系統(tǒng)信息交換參數(shù)設定的通道窗口，可以直接通過組態(tài)軟件對需要設定的參數(shù)進行二次設定。（4）信號檢測與處理信號檢測包括：液位檢測信號，壓力檢測信號，故障檢測信號，過載檢測信號。 液位檢測信號

31、是將水池中水位信息進行采集，反饋給PLC的裝置。 壓力檢測信號是將水泵出口處的壓力進行檢測，并將信號反饋給變頻器，由變頻器和設定值進行比較，控制電機工作頻率。 過載信號和故障信號檢測室將系統(tǒng)部正常工作狀態(tài)信號反饋給PLC，PLC控制聲光報警裝置作出反應。3主要設備選型3.1 PLC的選型3.1.1 PLC的基本構成 PLC的種類繁多，但其基本結構和工作原理基本一樣。它主要由中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出(I/O)接口，電源等組成，如下圖3.1所示。（1）中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)一般由控制器，運算器和寄存器組成，它是PLC的核心部分。它的主要任務有:控制接收和存儲編

32、程設備輸入的用戶程序和數(shù)據(jù);診斷PLC部電路的工作故障和編程中的錯誤;掃描I/O接收的現(xiàn)場狀態(tài)，并按照用戶程序對信息進行處理，然后刷新輸出接口，對執(zhí)行部件進行控制。（2）存儲器存儲器是PLC存放程序和數(shù)據(jù)的地方，它包括系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。系統(tǒng)存儲器用來存放PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在PROM或EPROM存儲器中，用戶不可訪問和修改。用戶程序存儲器主要包括用戶程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)二個部分。用戶程序存儲區(qū)用于存儲用戶編寫的控制程序，數(shù)據(jù)存儲區(qū)用于存放用戶程序中使用器件的ON/OFF狀態(tài)和各種數(shù)值數(shù)據(jù)等。（3）輸入輸出單元輸入/輸出單元是PLC接受和發(fā)送各種開關量、模擬量和數(shù)

33、字量信號的接口部件。輸入單元用于接收現(xiàn)場的二些控制信號，通過接口電路轉換成中央處理器可識別和處理的低電壓信號，并存入輸入映像寄存器。輸出單元將中央處理器輸出的低電壓信號，經(jīng)過輸出接口電路將其轉換成現(xiàn)場的強電信號。(4)電源單元電源單元是PLC的電源供給部分。它的作用是把外部供應的電源轉換成CPU、存儲器等電路工作所需要的直流電，與向外部器件提供24V直流電源。(5)外設接口與擴展接口PLC可以通過外設接口與監(jiān)視器、打印機、PLC或計算機相連。擴展接口用于將擴展單元以與功能模塊與基本單元相連，使PLC的配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。圖3.1 PLC的基本構成圖3.1.2 PLC的選型

34、目前，PLC的品牌和種類很多，大概有300多個品種，以美國、德國、日本的品牌最為顯著，在我國也有一些生產(chǎn)PLC的廠家，其生產(chǎn)品牌如表3.1所示。表3.1 PLC主要產(chǎn)品與型號國家名稱公司名稱主要系列產(chǎn)品美國A-B公司SLC-500/PLC-5/PLC-3GE公司GE-1/GE-1/J/GE-1P/GE-V德國SIEMENSS7-200/S7-300/S7-400日本歐姆龍C20P/C20/C120/C200H/C500/C1000三菱F/F1/F2/FX0/FX2/A中國華電光子SU/SG 在選擇PLC時，首先要根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，選擇一種自己比較熟悉的，性價比比較高的機型。機型選好以后，

35、再確定PLC的結構形式，整體式的PLC一般適用于工藝流程相對固定、維修量小、環(huán)境條件好的小型控制系統(tǒng)，而模塊式結構的PLC適用于工藝流程復雜、維修量大、環(huán)境條件差的控制系統(tǒng)。在進行PLC型號的選擇時，要考慮控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，選擇低檔機、中檔機還是高檔機。另外，還要考慮I/O點數(shù)的要求，一般在確定控制系統(tǒng)的I/O點數(shù)后，還要留有15%-20%備選I/O點數(shù)。同時，還要考慮PLC的存儲容量，一般用戶的存儲容量=開關量輸入點數(shù)10+開關量輸出點數(shù)5+模擬量輸入/輸出點數(shù) 100字節(jié)，還要留有30%-50%的裕量。最后還要根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，考慮是否要選擇模擬量輸入/輸出模塊和特殊功能模塊。 本設計

36、PLC選擇德國西門子公司的S7-200。西門子S7200系列PLC是一種小型的可編程控制器，它具有緊湊的設計、良好的擴展性、較高的可靠性、豐富的指令集、強大的通信功能以與低廉的價格，使得其可以完美地滿足小規(guī)模的控制系統(tǒng)的要求。S7200系列PLC的CPU包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226等型號。新升級的CPU224和CPU226PLC，運算速度提高了40%，。表3.2是S7200系列CPU的特征 表 3.2 S7-200 系列CPU特征特征CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226數(shù)字輸入68141424數(shù)字輸出46101016數(shù)

37、字輸入/輸出的最大值1078168168248模擬輸入08283028模擬輸出04141514模擬輸入/輸出的最大值010353835程序存448/1212/1616/24數(shù)據(jù)存2281010 本次設計任務的輸入輸出端口計算： 輸出端口計算：考慮遠期設計要求在10年后，而產(chǎn)品的更新?lián)Q代非?？欤⑶壹词惯h期需要增加一臺水泵，只需要增加一個輸入輸出擴展模塊EM231即可，這里對輸入輸出端口計算值考慮近期要求。一共5臺水泵，而每一臺電機要求既能變頻運行，又能切換到工頻運行，所以需要10個輸出端口，另外控制變頻器的起動與停止需要1輸出個端口，指示燈報警需要1個輸出端口，輸出端口一共12個。 輸入端口計

38、算：控制系統(tǒng)的啟動和停止需要2個輸入端口。手動運行模式和自動運行模式選擇需要 1個輸入端口對變頻器上限頻率到達和下限頻率到達信號采集需要2個輸入端口液位上限和液位下限信號需要2個輸入端口檢測電機是否過程需要5個端口綜上所述一共需要12個輸入端口。輸入/輸出端口數(shù)為 12/12，所以我們選擇 S7-200 CPU2263.2 變頻器的選型3.2.1變頻器工作原理 變頻器按結構來分，分為交-交變頻器和交-直-交變頻器兩種。交-交變頻器可將工頻交流電直接轉變成頻率和電壓均可控制的交流電，又稱為直接變頻器。交-直-交變頻器是把工頻交流電經(jīng)整流器先轉換成直流電，然后經(jīng)濾波環(huán)節(jié)后，再把直流電轉換成頻率、電

39、壓可控制的交流電，又稱為間接變頻器。目前，使用最多的通用變頻器多是交-直-交變頻器，它由主電路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制電路組成，其基本結構如下圖3.2所示。 圖3.2 變頻器基本結構圖（1)整流器整流器即是網(wǎng)側變流器，它的作用是把三相或單相交流電整流成直流電。整流電路有可控整流電路和不可控整流電路兩種。（2)逆變器逆變器即是負載側的變流器，它的主要作用在控制電路的控制下將直流電轉變成頻率、電壓調(diào)節(jié)后的交流電，輸出給外部設備。六個半導體器件組成的橋式電路是常見的逆變電路，通過控制電路控制開關器件的通、斷，可以得到所需頻率的交流電輸出。（3)中間直流環(huán)節(jié)中間直流環(huán)節(jié)又稱為中間儲能環(huán)

40、節(jié)，這是因為逆變器的負載多為感性負載，其功率因數(shù)小于1，使得在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間存在著無功率的交換。這種無功能量需要中間直流環(huán)節(jié)中的電容器或電抗器來進行緩沖。（4)控制電路控制電路是變頻器的核心，它通常由運算電路、檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路和保護電路等組成，其作用主要是完成對逆變器的開關控制和頻率控制、對整流器的電壓控制以與完成各種保護功能等。另外，變頻器按調(diào)制方法來分，分為PAM型變頻器和PWM型變頻器;變頻器按用途來分，又分為通用變頻器和專用變頻器。變頻器實際上就是一個逆變器.它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電子元件對直流電進行開關.變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控

41、硅.并設一個可調(diào)頻率的裝置.使頻率在一定圍可調(diào).用來控制電機的轉數(shù).使轉數(shù)在一定的圍可調(diào).變頻器廣泛用于交流電機的調(diào)速中.變頻調(diào)速技術是現(xiàn)代電力傳動技術重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流變頻技術從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑，圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)，越來越廣泛的應用于冶金、紡織、印染、煙機生產(chǎn)線與樓宇、供水等領域。 3.2.2變頻器的選型 目前，市場上變頻器的品牌很多，國外的有ABB、Siemens、Lenze、Vacon、Danfoss、KEB、LG、Samc

42、o等，國的有佳靈、阿爾法、森林、時代等。在工程中使用變頻器，我們?nèi)绾螌ζ溥M行選型，一般有以下的步驟:（1）分析負載類型，是恒轉矩負載、恒功率負載還是平方轉矩負載;（2）根據(jù)負載類型和控制任務，確定變頻器的類型和數(shù)目;（3）根據(jù)電動機的額定電流和額定功率，確定變頻器輸出頻率和額定電流;（4）進行市場調(diào)研，確定合適的變頻器品牌;（5）根據(jù)變頻器的輸出頻率和額定電流，對該品牌的變頻器進行選型;（6）變頻器選擇好以后，要進行相關的校驗。按照以上6個步驟，變頻器選型過程如下：（1）本設計的控制對象是電動機，電動機是平方轉矩負載，用變頻控制時注意不能選用通用型變頻器而要選擇水泵類專用型，西門子MM430變

43、頻器是專用的水泵負載專用變頻器。（2）本設計利用變頻器控制電機的轉速，變頻器的類型為水泵型，本文只設計需要兩臺變頻器。（3）電動機的額定電流為103A，額定功率為55KW，必須滿足變頻器額定功率電機額定功率，MM430的功率圍為7.5KW-250KW，輸出頻率圍為0-650HZ。（4）SIEMENS 公司作為變頻調(diào)速技術，尤其是矢量控制技術的發(fā)明者和領先者，開發(fā)和生產(chǎn)變頻器已有近30年歷史，在全世界以與中國無論是冶金、水泥、機械等重工業(yè)或者是在紡織化纖食品飲料樓宇建筑等其他行業(yè)，西門子變頻調(diào)速技術都得到了廣泛應用，最近幾年來西門子公司又在工業(yè)風機&泵類負載與樓宇暖通空調(diào)變頻節(jié)能方面作了許多工作

44、，從而達到了降低電耗改善設備運行性能保證設備經(jīng)濟運行的目的。（5）變頻器輸出頻率50HZ，額定電流103A,西門子系列MM430滿足要求。綜上所述，西門子MM430滿足本設計要求，所以選擇MM430變頻器。3.2.3 SiemensMM430變頻器簡介MM430型變頻器(如圖3.2所示)是西門子公司生產(chǎn)的風機、泵類負載專用變頻器，具有電動機分級控制、手動/自動控制、水泵無水空轉檢測、旁路、節(jié)能控制等專用功能。具有2個模擬輸入，輸入信號類型可以是0+10V、020mA和-10-+10V;具有6個帶隔離的數(shù)字輸入;具有多個繼電器輸出;具有多個0-20mA的模擬量輸出;電動機驅動數(shù)據(jù)組(DDS)、命

45、令數(shù)據(jù)組和設定值信號源(CDS)參數(shù)的設定值可以相互切換;具有15個可編程固定頻率，4個可編程跳轉頻率有集成RS485通信接口，可選的Profibus-DP通信模塊。過載能力為140%額定負載電流時，持續(xù)時間為3s，在110%額定負載電流時，持續(xù)的時間為60s具有過電壓、欠電壓保護、過熱保護、接地故障保護、防失速保護、PTC服TY電動機溫度保護。使用BiCo(二進制互聯(lián)連接)技術可以在輸入(數(shù)字的，模擬的，串行通信)和輸出(變頻器的電流、頻率、模擬輸出、繼電器接點輸出)之間建立布爾代數(shù)式和數(shù)學關系式，可對更為復雜的功能進行編程。MM430各技術參數(shù)如下表3.3所示。表3.3 MM430技術參數(shù)

46、功率圍7.5kW 250kW電源電壓380V 480V10% 三相交流輸入頻率47 Hz 63 Hz輸出頻率0 Hz 650 Hz功率因數(shù)0.98過載能力140% 3s/ 間隔時間300s 110% 60s/ 間隔時間300s控制方式線性V/F 控制平方V/F 控制多點V/F 控制磁通電流控制(FCC)節(jié)能控制固定頻率15 個可編程跳轉頻率4 個可編程設定值的分辨率01Hz 數(shù)字輸入01Hz 串行通訊輸入10 位二進制的模擬輸入數(shù)字輸入6 個DI 可編程帶電位隔離可PNP/NPN 型接線模擬輸入2 個可編程0-10V 0-20mA -10V-10V(AIN1)0-10V 0-20mA(AIN2

47、)兩個模擬輸入可以作為第7 和第8 個數(shù)字輸入繼電器輸出3 個可編程,30VDC/5A(電阻性負載) 250VAC/2A(電感性負載)模擬輸出2 個可編程(0/4mA-20mA)圖 3.3 MM430變頻器外部端口圖 3.4 MM430端口說明3.3 壓力變送器的的選型 壓力變送器通常安裝在水泵電機的出口處，用來檢測管網(wǎng)中的水壓，在選擇壓力變送器的時候，要綜合考慮量程，正常工作溫度，可靠性等。壓力傳感器由于技術門檻比較低，近年來隨著技術的不斷發(fā)展，國有很多企業(yè)生產(chǎn)的水壓傳感器性能都相當?shù)牟诲e。這里我們選用中國一眾傳感器生產(chǎn)的PY206 水壓力傳感器。該產(chǎn)品用于測量弱腐蝕的液體壓力、氣體壓力、油

48、壓、水壓等各種壓力測量與控制用。也稱為通用型壓力傳感器/變送器。主要參數(shù)： 被測介質： 氣體、液體與蒸氣（弱腐蝕性） 壓力類型： 表壓 量 程： -100KPa-0.6Mpa60 Mpa120 Mpa間任意可選（量小量程為0.6MPa,量大量程為120MPa） 輸 出：模擬量輸出 420mA 或 05VDC、010VDC、0.54.5VD 數(shù)字量輸出RS485，R232、無線短距離（2000米）網(wǎng)絡傳輸、GPRS無線傳輸 綜合精度： 0.25%FS、0.5%FS、1%FS 供 電： 24V Dc（1530VDC） 絕緣電阻： 1000 M/100VDC 負載電阻: 電流輸出型：最大800 電壓

49、輸出型：大于50K 介質溫度： -2085、-20150、-20200、-20300（可選） 環(huán)境溫度：-2085 儲存溫度：-4090 相對濕度： 095% RH 密封等級：IP65/IP68 過載能力： 150%FS 響應時間：10mS 穩(wěn) 定 性：0.15%FS/年 振動影響：0.15%FS/年（機械振動頻率20Hz1000Hz） 壓力傳感器接線圖圖 3.5 壓力傳感器接線圖3.4 接觸器的選型接觸器的工作原理是：當接觸器線圈通電后，線圈電流會產(chǎn)生磁場產(chǎn)生的磁場使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力吸引動鐵心，并帶動交流接觸器點動作，常閉觸點斷開，常開觸點閉合，兩者是聯(lián)動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜

50、鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸點復原，常開觸點斷開，常閉觸點閉合 。接觸器的選型依據(jù)，主要是根據(jù)主電路的電動機額定參數(shù)選取。由原始資料已知 Y250M-2 電動機功率：55KW 電壓：380V 電流：103AY200L-2電動機功率：37KW 電壓：380V 電流：70A估算原則：（1）持續(xù)運行的設備。接觸器按67-75%算.即100A的交流接觸器，只能控制最大額定電流是67-75A以下的設備。（2）間斷運行的設備。接觸器按80%算.即100A的交流接觸器，只能控制最大額定電流是80A以下的設備該設計任務中，接觸器需要持續(xù)運行。選擇 CJ20-160 6臺 CJ20-100 4臺 CJ20-1

51、60參數(shù)介紹： 額定電壓：380V 額定電流：160A 機械壽命：1000（萬次） 電 壽 命：500（萬次） 額定絕緣電壓：660-1000V 圖 3.6 CJ20-160 接觸器 CJ20-100參數(shù)介紹： 產(chǎn)品型號：CJ20-100 額定電壓：380V 額定電流：100A 機械壽命：1000（萬次） 電 壽 命：500（萬次 額定絕緣電壓：660-1000V圖 3.7 CJ20-100 接觸器3.5 熔斷器的選型（一）從熔斷器的類型選擇應根據(jù)使用場合選擇熔斷器的類型。電網(wǎng)配電一般用刀型觸頭熔斷器；電動機保護一般用螺旋式熔斷器；照明電路一般用圓筒帽形熔斷器；保護可控硅元件則應選擇半導體保護

52、用快速式熔斷器. (二)從熔斷器的規(guī)格選擇熔體額定電流的選擇（1）單臺直接起動電動機 熔體額定電流(1.52.5)電動機額定電流 （2）多臺電動機的總熔體額定電流熔體額定電流I=(1.52.5)最大一臺電動機的額定電流+其余電動機的額定電流之和因為變頻啟動能夠有效的降低電機啟動沖擊電流，這里我們選擇系數(shù)1.5（3）熔斷器的最大分斷能力應大于被保護線路上的最大短路電流。（4 ）熔斷額定電壓大于等于線路電壓 Y250M-2 電動機支路 Y200L-2 電機支路 主干電路熔體電流A 選擇相應熔斷器如下螺旋式熔斷器 RL1-T150 3個螺旋式熔斷器 RL1-T110 2個刀型觸頭熔斷器 RT36N-2 1個 螺旋式熔斷器 RL1-T150 參數(shù)介紹 額定電壓：380/400V AC 額定電流：150A 額定最大分斷能力：50KA 螺旋式熔斷器 RL1-T110 參數(shù)介紹 額定電壓：380/400V AC 額定電流：110A 額定最大分斷能力：25KA圖3.8 RL1系列熔斷器 刀型觸頭熔斷器 RT36N-2 參數(shù)介紹