基于plc变频恒压供水控制系统设计论文

基于plc变频恒压供水控制系统设计论文内容摘要：

D 模 块 可 编 程 控 制 器 ( P L C ) 通 讯 模 块压 力变 送 器故 障 、 状 态等 量 输 入报 警 、 控 制等 量 输 出人 机 界 面上 位 机 、组 态 等变 频 器水 泵 机 组软 启 动 、 自耦 变 压 器 图 31 系统的电气控制总框图 由以上系统电气总框图可以看出 ,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分： (1) PLC 及其扩展模 块、 (2) 变频器、 (3) 水泵机组、 (4) 压力变送器、 (5) 液位变送器。 主要设备选型 见 表 31。 表 31 本系统主要硬件设备清单 主要设备 型号 可编程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模拟量扩展模块 Siemens EM 235 变频器 Siemens MM440 水泵机组 水泵 4 台 压力变送器及显示仪表 普通 压力表 Y100、 XMT1270 数显仪 液位变送器 分体 式液位变送器 DS26 PLC 概述 可编程控制器，简称 PLC(Programmable Logic Controller)，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。 在 1987 年国际电工委员会 (International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做了如下定义 :“ PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体 ，易于扩展其功能的电气工程及其自动化专业综合设计 (论文 ) 8 原则而设计。 西门子 S7200 PLC 简介 西门子公司具有品种非常丰富的 PLC 产品。 S7 系列是传统意义的 PLC， S7200属于小型 PLC，在 1998 年升级为第二代产品， 2020 年升级为第三代产品。 特点 ： (1)功能强，有 PID 参数自整定、配方、数据归档等功能 (2)先进的程序结构 (3)灵活方便的寻址方法 (4)功能强大、使用方便的编程软件 (5)简化复杂编程任务的向导功能 (6)强大的通信功能 (7)品种丰富的配套人机界面 (8)有竞争力的价格 (9)完善的网上技术支持 PLC 及其扩展模块的选型 PLC 是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。 因此我们在选择 PLC时，要考虑 PLC 的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。 由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此 PLC 选用德国 SIEMENS 公司的 S7200 型。 S7200 型 PLC 的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC 可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。 PLC 和上位机的通信采用PC/PPI 电缆，支持点对点接口 (PPI)协议， PC/PPI 电缆可以方便实现 PLC 的通信接口RS485 到 PC 机的通信接口 RS232 的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。 根据控制系统实际所需端子数目，考虑 PLC 端子数目要有一定的预留量，因此选用的 S7200 型 PLC 的主模块为 CPU226，其开关量输出为 16点，输出形式为 AC220V继电器输 出；开关量输入 CPU226 为 24 点，输入形式为 +24V 直流输入。 由于实际中需要模拟量输入点 1个，模拟量输出点 1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是 EM235，该模块有 4 个模拟输入 (AIW)， 1 个模拟输出 (AQW)信号通道。 输入输出信号接入端口时能够自动完成 A/D 的转换，标准输入信号能够转换成一个字长 (16bit)的数字信号；电气工程及其自动化专业综合设计 (论文 ) 9 输出信号接出端口时能够自动完成 D/A 的转换，一个字长 (16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。 EM235 模块可以针对不同的标准输入信号，通过 DIP 开关进行设置。 变频器的 选型 变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。 变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。 本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。 根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型 U/f 控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型 U/f 控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。 供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的 U/f 控制变频器。 由于本设计中 PLC 选择的西门子 S7200 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，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的 RS485/232C 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 ~90KW，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 RS485 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。 水泵机组的选型 水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。 要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。 本设计的要求为：电动机额定功率 75KW，供水压力控制在 177。 根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定确定采用 3 台上海熊猫机械有限公司生产的 SFL 系列水泵机组（电机功率 75KW）。 SFL 型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高 5%以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低 (室外噪音 60 分贝 )、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。 它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市 给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。 因此本设计中选择电机功率为 75KW电气工程及其自动化专业综合设计 (论文 ) 10 的上海 熊猫机械有限公司生产的 SFL 系列水泵 3 台。 压力变送器的选型 压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为 1~5V 或 4~20mA 的模拟量信号，作为模拟输入模块 (A/D 模块 )的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用 4~20mA输出压力变送器。 在运行过程中，当压力传感器和压力变送器出现故障时，系统有可能开启所有的水泵，而此时的用水量又达不到， 这就使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备 (热水器、抽水马桶等 )，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为 PLC 的一个数字量输入，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。 根据以上的分析，本设计中选用普通 压力表 Y100 和 XMT1270 数显仪实 现压力的检测、显示和变送。 压力表测量范围 0~1Mpa，精度 ；数显仪输出一路 4~20mA电流信号，送给与 CPU226 连接模拟量模块 EM235，作为 PID 调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信 号。 液位变送器选型 考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。 本设计要求贮水池水位： 2m~5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准电信号（ 4~20mA 电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入 PLC。 综合以上因素：本设计选择 淄博丹佛斯公司生产的型号为 DS26 分体式液位变送器，其量程为： 0m~200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源： 24VDC；输出信号：两线制 4~20mADC 精度等级： 级。 统主电路分析及其设计 基于 PLC 的变频恒压供水系统主电路图如图 32 所示 ： 四 台电机分别为 MM M M4，它们分别带动水泵 4。 接触器 KM KM KMKM7 分别控制 M M M M4 的工频运行；接触器 KM KM KM KM8分别控制 M M M M4 的变频运行； KH KH KH KH4 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器； QS QS QS QS QS5 分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关； FU 为主电路的熔 断器。 电气工程及其自动化专业综合设计 (论文 ) 11 图 32 变频恒压供水系统主电路。