电气专业PLC与变频器自动控制.docx
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电气专业PLC与变频器自动控制
成人高等教育
毕业设计（论文）
题目PLC与变频器自动控制
的小区供水系统
专业电气工程及自动化
类别函授
层次专升本
学生WWWW
班号00000000000000000
学号2016.0000
指导教师
答辩日期
哈尔滨工业大学
哈尔滨工业大学成人高等教育毕业设计（论文）评语
姓名：
WW班号：
111111*********1学号：
111111*********11111
类别：
函授层次：
专升本专业：
电气工程及自动化
毕业设计（论文）题目：
遗传算法优化二自由度PID控制器参数的研究
工作起止日期：
______年____月____日起______年____月____日止
指导教师对毕业设计（论文）进行情况、完成质量的评价意见：
指导教师签字：
指导教师职称：
评阅人评阅意见：
评阅教师签字：
评阅教师职称：
答辩委员会评语：
根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会做出如下评定：
学生毕业设计（论文）答辩成绩评定为：
对毕业设计（论文）的特殊评语：
答辩委员会主任（签字）：
职称：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员会委员（签字）：
年月日
哈尔滨工业大学成人高等教育毕业设计（论文）任务书
姓名：
wwww类别：
函授
班号：
111111*********11111层次：
专升本
学号：
111111*********111专业：
电气工程及自动化
任务起止日期：
年月日至年月日
毕业设计（论文）题目：
PLC与变频器自动控制的小区供水系统
立题的目的和意义：
可编程控制器是一种替代继电器系统的新型的工业自动控制装置，由于它体积小、功能强、可靠性高、操作简单、维修方便等优点，因此被工业广泛应用。
随着社会主义现代化建设的迅速发展和人们住房条件的提高，高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。
以前采用人工进行控制蓄水池的水位，由于不可能每时每刻对水位进行准确的定位监测，并且带有很大的主观性，所以很难准确控制水泵电机的起停；使用浮子或其它机械水位控制装置使供水状况有了一些改善，但由于机械控制装置的故障率高，可靠性差，给日常维护和维修带来很大的麻烦。
针对以上所存在的问题，结合工控行业的发展，特别是PLC和变频技术在社会各个领域的应用，可以用它来解决水压控制系统存在的以上问题。
技术要求与主要内容：
1.掌握恒压供水的基本原理；
2.PLC原理及其应用；
3.基于PLC的恒压供水硬件系统设计；
4.恒压供水PLC控制程序设计；
5.系统调试。
进度安排：
3月21日——3月31日提纲起草及审阅
4月1日——4月15日初稿提交及审阅
4月16日——5月10日复稿提交及审阅
5月11日——5月25日终稿提交及审阅
6月1日——6月10日装订邮寄
6月10日——6月15日论文评审、答辩
同组设计者及分工：
无
指导教师签字：
___________________
年月日
教研室主任意见：
教研室主任签字：
___________________
年月日
摘要
可编程控制器是一种替代继电器系统的新型的工业自动控制装置，由于它体积小、功能强、可靠性高、操作简单、维修方便等优点，因此被工业广泛应用。
随着社会主义现代化建设的迅速发展和人们住房条件的提高，高位生活用水和工业用水逐渐增多，传统的控制方法已经落后。
以前采用人工进行控制蓄水池的水位，由于不可能每时每刻对水位进行准确的定位监测，并且带有很大的主观性，所以很难准确控制水泵电机的起停；使用浮子或其它机械水位控制装置使供水状况有了一些改善，但由于机械控制装置的故障率高，可靠性差，给日常维护和维修带来很大的麻烦。
针对以上所存在的问题，结合工控行业的发展，特别是PLC和变频技术在社会各个领域的应用，可以用它来解决水压控制系统存在的以上问题。
一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，而对6层以上的则须提升水压才能满足用水要求。
以前大多采用传统的水塔、气压罐式的增压设备，或是通过在楼顶建蓄水池来实现的，蓄水池中的水是由一个或多个水泵提供，而且这些水泵电机有很大一部分是不能变速的拖动系统，不能变速电机的电能大多消耗在为了适应供水量的变化而不得不频繁的启、停水泵中。
这样不但会使水泵电机工作在低效率区，缩短电机的使用寿命，而且电机的频繁启动和停止会产生很大的冲击，从而导致设备故障率很高，造成水资源的严重浪费，而且使系统的维护、维修费用较多，工作量较大。
并且这些水泵都是以高出实际用水高度的压力来提升水压，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。
论文设计包含系统工作原理方框图、变频器接线图、程序流程图、PLC接线图、PLC程序指令表等。
关键词PLC；变频器；软硬件的设计；恒压供水
Abstract
Programmablecontrollerisarelaysystemtoreplacethenewtypeofindustrialautomationdevices,becauseofitssmallsizeandstrongfunction,highreliability,simpleoperation,easymaintenance,etc.,sowidelyusedbyindustry.Withthedevelopmentofsocialistmodernizationandtherapiddevelopmentoftheimprovementofpeople'shousingconditions,highdomesticwaterandindustrialwateruseisgraduallyincreasing,thetraditionalcontrolmethodshaslaggedbehind.Priortoartificialreservoirwaterlevelcontrol,sinceitisnotpossibleatalltimesforaccuratepositioningofthewaterlevelmonitoring,andwithalotofsubjectivity,itisdifficulttoaccuratelycontrolthewaterpumpmotorstopsplay;theuseoffloatorothermechanicalwaterlevelcontroldevicetomakesomeimprovementsinthesituationofwatersupply,butbecauseofmechanicalcontroldevicesofthehighfailurerate,reliability,poor,totheday-to-daymaintenanceandrepairagreatdealoftrouble.
Inviewoftheaboveproblems,combinedwiththedevelopmentofindustrialsectors,especiallythePLCandfrequencyconversiontechnologyintheapplicationofallareasofsociety,canuseittosolvethehydrauliccontrolsystemoftheaboveproblemsexist.Andfrequencyconversiontechnologyinthefieldofurbanwaterconservation,safetyandrespectthesuperiorityofconstantpressure.
generalprovisionstoensurethatthewaterpressureisonly6-storeybuildingbelowthewaterlevelofmorethan6tobeupgradedtomeetthewaterrequirementsofwaterpressure.Mostofthetraditionalcoolingtowers,pressuretankofpressurizedequipment,orbuildingthroughtheroofofthereservoirtoachieve,thewaterreservoirisprovidedbyoneormorepumps,andthesepumpshavealargepartoftheelectricalspeedisnotthedragsystem,variablespeedmotorcannotbeconsumedmostofthepowersupplyinordertoadapttochangesinthevolumeoftheKaihavefrequentlystoppedinthewater.Thiswillnotonlypumpmotorwillworkinareasoflowefficiencyandshortenthelifeofmotorsandmotorstartandstopfrequentlywillhaveagreatimpact,resultinginequipmentfailurerateishigh,resultinginaseriouswasteofwaterresources,andmakethesystemmaintenance,maintenancecostsmore,alargerworkload.Andthesepumpsarehigherthantheactualhighwaterpressuretoincreasewaterpressure,resultinginincreasedpumpshaftpowerandenergyloss.
KeywordsPLC,frequencyconverter,thehardwareandsoftwaredesign,constantpressurewatersupply
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第1章绪论
1.1PLC的发展与应用
随着社会的不断发展，工业化也在不断的进步，从世界上第一台可编程控制器开始到现在的功能强大、数值运算快、数据处理、闭环调节、模拟量PID控制和联网通信等功能聚集一身的可编程控制器。
它的发展和应用得到了社会的普及。
从1974年的Z80、8085、M6800系列，到1975年的16位或32位的8086、M68000、NS16032、LAPX432系列等，到1976年的MCS-51系列、位片式处理器AMD2900系列等也日益成熟，使PLC步进控制功能大大曾强，可靠性进一步提高。
可编程控制器应用主要的方面在于：
（1）开关量逻辑控制
（2）运动控制
（3）闭环过程控制
（4）数据处理
（5）通信和联网
可变程序控制器的发展趋势：
（1）大力发展简易经济的超小型PLC
（2）发展大容量，高速度，高性能的PLC
（3）功能不断增强，各种应用模拟快不断推出
（4）产品更加规范化，标准化
（5）与其他工业控制产品融合
1.2PLC控制器的产生
世界上第一台可编程控制器PDP-14是1969年美国数字设备公司（DEC公司）根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制出来的，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功，满足了（GM）公司为适应市场需求不断更新汽车型号的要求。
限于当时的元器件条件和计算机技术的发展水平，早期的可变程序控制器主要有分立元件和中小规模集成电路组成。
为了适应工业现场环境，他简化了计算机内部电路。
中央处理装置采用了一位计算机，同时对接口电路也做了一些改进。
自第一台PLC问世以来，在短短的30多年间，这项新技术得到了异常迅猛的发展。
1971年，日本从美国引进了这项新技术，并研制出日本第一台可变程序控制器DSC-8。
1973年欧洲开始生产可编程控制器。
我国从1974年开始研制，并于1977年开始工业应用。
在全世界上百个PLC制造厂中，有8家主要生产公司，即日本的立石公司（OMRON）、日本的三菱公司、日本的松下电工、美国罗克韦尔（Rockwell）自动化公司所属的A-B公司GE-Fanuc公司，德国的西门子公司、同属于施耐德自动化公司的美国的Modicon公司和法国的TE公司。
这八家公司控制着全世界80%以上的PLC市场。
西门子S7-200系列小型PLC,可用于各种自动化系统中,紧凑的结构,低廉的成本,强大的功能,使其具有极高的性价比.可以用于各行各业,尤其适合机器制造行业.
无论是单机单站独立运行,还是连成网络运行,S7-200均表现出其强大的功能和极大的灵活性.
在许多行业S7-200在中国市场占据着绝对的主导地位,例如:
•纺织机械
•中央空调
•药机
•建筑机械
•PCB贴装设备
•城市照明
•水处理
•列车
•线缆机械
S7-200也开始成规模的进入其他行业,例如:
•印刷机械
•门控器
•工厂信息化
•电梯
•楼宇控制
•教学仪器
在中国,S7-200在同类小型PLC中,以绝对的优势占据着最大的市场份额。
S7－200的产品定位在S7系列PLC家族的低端产品，但比智能继电器LOGO!
的定位要高。
通常S7-200用于200点开关量以内,35点模拟量以内,程序量在16K以内的应用场合。
S7－200外形小巧，功能强，性价比极高，非常适合中国的机器制造业的情况和需求。
我国的PLC技术也得到了迅猛的发展。
1.3变频器的发展与应用
中压变频技术发展至今，其主回路拓扑结构随电力电子器件的创新开发而不断发展，早期的SCR器件,也随着电力电子器件的不断创新在中压变频领域有逐步被淘汰的趋势。
而GTO具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动电路复杂，影响可靠性，另外G-K所在的J3结是特性很软，耐压很低的P-N结，若GTO未处于导通状态就连续对J3结施加强的负门极脉冲,这是很危险的，因此，在应用中GTO状态识别和逻辑保护是十分重要的。
用内部MOS结构关断的GTO，因工艺复杂，目前尚未能实现大功率化，而为实现可关断MOS结构的GTO，开发研制出把MOS结构置于GTO外面来协助关断的IGCT。
IGCT适用于大电流（1kA以上）、低频率（1kHz以下）的应用，由于从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代GTO。
IGBT作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。
其作为主回路器件的中压变频装置，具有改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力。
IEGT是最为崭新的电力电子器件，吸取了IGBT和GTO两者的优点，叫做“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型IGBT基础上，把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强，使得IEGT具有高电压、大电流和高的工作频率，更适合在高电压、大功率、高频率的变频装置中应用。
目前，应用在中压大功率变频领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场，在大功率（1MW）、低频率（1kHz）的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下，IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段的中压大功率变频领域，将由这4种电力电子器件构成其主流器件。
第2章PLC与变频器的工作原理
2.1变频调速原理
变频器：
主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
图2-1变频器原理图
整流部分是由三相全波半控整流，效率略低，可省去充电限幅电路，斩控式整流器（PWM整流器）。
效率高，功率因素可调，能量可回馈电网，三相全波桥式二极管整流,效率高，成本低，控制简单。
图2-2整流原理图
直流环节也称滤波或储能环节，由电感或电容组成。
用于负载与整流器之间的无功功率的缓冲，抑制直流侧电压或电流的脉动。
逆变部分是将直流电压或电流转换成频率、电压可变的交流电，器件工作于开关状态，每个器件并联续流二极管器件为全控型（GTR，GTO，IGBT，IGCT等）。
图2-3逆变原理图
变频器结构图如图2-4所示。
图2-4变频器结构图
电机旋转速度单位：
每分钟旋转次数，也可表示为rpm.
例如：
2极电机50Hz3000[r/min]
4极电机50Hz1500[r/min]
结论：
电机的旋转速度同频率成比例
电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。
感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。
由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。
由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。
另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。
因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。
N=60f1（1-s）/p
n=60f/p
n:
同步速度
f:
电源频率
p:
电机极对数
结论：
改变频率和电压是最优的电机控制方法
如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。
因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。
输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。
当今变频器产业得到飞速发展，变频器产品的产业化规模日趋壮大。
交流变频器自20世纪60年代左右问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛使用，而从20世纪90年代以来随着人们节能环保意识的加强变频器的应用越来越普及。
下面通过例举使用变频调速的10大理由，来说明变频器应用在国外日趋普及的基本原理。
1）控制电机的启动电流
当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。
这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。
而变频调速则可以在零速零电压启动（当然可以适当加转矩提升），一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作，使用变频调速能充分降低启动电流提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低，电机的寿命则相应增加。
2）降低电力线路电压波动
在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量电压。
下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC机传感器接近开关和接触器等均会动作出错。
而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动则能最大程度上消除电压下降。
3）启动时需要的功率更低
电机功率与电流和电压的乘积成正比,那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响,从而将受到电网运行商的警告,甚至罚款如果采用变频器进行电机起停,就不会产生类似的问题。
4）可控的加速功能
变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速而且其加速曲线也可以选择（直线加速S形加速或者自动加速）而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗降低机械部件和电机的寿命另外变频启动还能应用在类似灌装线上以防止瓶子倒翻或损坏。
5）可调的运行速度
运用变频调速能优化工艺过程并能根据工艺过程迅速改变还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。
6）可调的转矩极限
通过变频调速后能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性目前的变频技术使得不仅转矩极限可调甚至转矩的控制精度都能达到35左右在工频状态下电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。
7）受控的停止方式
如同可控的加速一样,在变频调速中,停止方式可以受控并且有不同的停止方式可以选择（减速停车自由停车减速停车直流制动）同样它能减少对机械部件和电机的冲击从而使整个系统更加可靠寿命也会相应增加。
8）节能
离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗这在十几年的工程经验中已经得到体现由于最终的能耗是与电机的转速成立方比所以采用变频后投资回报就更快厂家也乐意接受。
9）可逆运行控制
在变频器控制中要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置只需要改变输出电压的相序即可这样就能降低维护成本和节省安装空间。
10）减少机械传动部件
由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出,从而节省齿轮箱等机械传动部件,最终构成直接变频传动系统从而就能降低成本和空间,提高稳定性。
例如：
为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V
工频电源：
由电网提供的动力电源（商用电源）
起动电流：
当电机开始运转时，变频器的输出电流
变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动
电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。
工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。
而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。
通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。
减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。
通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。
当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低变频器供应, 通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。
因此在
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