Harbin Institute of Technology

课程设计说明书（论文）

课程名称：    电气传动自动控制系统      

设计题目：变频给水设备的恒压给水控制系统

院    系：      电气工程及其自动化      

班    级：                              

设 计 者：                              

学    号：                              

指导教师：                              

设计时间：2016年1月11日- 2016年1月16日

哈尔滨工业大学教务处

哈尔滨工业大学课程设计任务书

 姓 名： 同组人： 院 （系）：电气工程及自动化

 专 业：工业自动化 班 号： 

"

工作计划安排：

    第1阶段——系统设计和调试

实验之后进入系统设计阶段，根据设计要求，查阅有关文献，合作完成系统设计、PLC编程以及变频器参数设计。

系统设计完成后，进入实验室，在实际装置上进行调试，在调试过程中不断改进原设计方案，最终满足课程设计要求。调试完成后需进行验收。

一、控制系统总体设计方案

该设计题目要求利用西门子S7 200 PLC和G120变频器，以及刨台运动模拟器，设计一个变频给水设备的恒压给水系统，并通过实验调试实现该系统的各种设计功能。

1.1变频给水系统的结构和工作原理

变频给水设备由变频控制柜、稳流罐、水泵机组、仪表、阀门及管路、基座等组成，适用于一切需要增高水压，恒定流量的供水系统。其简化结构图如图1所示：从市政管网来的低压水源，经过水泵增压后，为用户提供稳定的供水。

图1  变频给水系统简化结构

变频给水能自动 24 小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好。在工业和民用中应用十分广泛。变频给水系统采用一个电位器设定压力（也可采用面板设定压力），采用一个压力传感器检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID 回路，PID 回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制水泵马达的转速。为了节约成本同时提高水泵效率，系统中一般配有多台水泵。只有一个泵由变频器供电，工作于变频调速状态，其他泵或不运行，或直接连接到电网上运行于工频状态。

当用水量较小时，只有一个泵工作于变频状态，在PID 控制下自动调节给水压力，如在一定延时时间内，压力还是不足，则对该泵进行变频/工频切换（即将该泵与变频器脱开，直接连接到电网上运行），然后利用变频器启动另一台水泵，提高供水量使实际管网压力与设定压力相一致。随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率或切除某一个工频运行的水泵，减少供水量，使实际管网压力仍然与设定压力相一致。

1.2恒压给水控制系统的组成

为了实现无人值守自动供水，可采用PLC（CPU224 XP）和变频器（G120），组成恒压给水自动控制系统，其结构如图2所示。工作时，变频器内部的PID调节器根据由电位器设定的压力给定，以及从用户管路中检测的实际压力，经运算后调节变频器输出频率，从而自动调节水泵的供水量，使实际压力与给定压力一致。PLC的作用是：根据操作面板上的发令元件（如启动按钮）启动变频器，并根据变频器计算的压力超限指示信号，结合合理的控制逻辑发出控制指令到泵站，决定哪台泵启动，是工频运行还是通过变频器变频运行。

图2  恒压给水控制系统的结构

由于在实验室不可能真的安装供水管路，在控制系统中泵站的功能是利用电子模拟器来模拟实现的。如图2所示，模拟器接收变频器发出的输出频率信号，及各个泵的启动控制信号，根据流体特性计算出用户管路的可能压力，将这个估计值作为实际压力信号，反馈给PID调节器。模拟器上的数码管可以显示给定压力和实际压力。此外在模拟器上还可以改变用户的用水量，使压力出现波动，进而观察控制系统的动态响应。图3是模拟器与上位机PLC程序、变频器和电动机的接线结构示意图，有了模拟器后，给水压力控制系统的结构就完整了，可以像在实际系统上一样进行逼真的调试，以检验硬件和软件设计的正确性。

图3 给水系统接线图

1.3恒压给水控制系统的实现功能

(1)工作方式选择

利用模拟器上的开关S5实现工作方式选择功能：自动方式和手动方式。

(2)自动方式下的控制要求

在自动方式下，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。系统启动后，要求能够实现压力调节、压力超限判断、水泵切换等功能。系统停止时，所有泵均不工作。系统启动时模拟器上指示灯L1亮，停止时L1灭。

压力调节功能：用模拟器上的电位器P1设定给水压力，压力设定值及从模拟器反馈的实际压力，作为变频器的模拟输入信号，经变频器内部PID功能模块的运算后，调节变频器输出频率，改变水泵的供水流量，从而调节给水压力使其跟随给定值。调节模拟器上的电位器P2可改变用户流量，从而观察控制系统的抗扰特性。

压力超限判断功能：当实际压力超过（给定值＋阀值）时，延时5秒后，变频器的某一开关量输出端为高电平，为PLC提供压力超上限的检测信号，同时模拟器上指示灯L4亮。当实际压力低于（给定值－阀值）时，变频器的另一开关量输出端为高电平，为PLC提供压力超下限的检测信号，同时模拟器上指示灯L5亮。当压力超上限或超下限的时间超过20S后，L6亮，作为报警指示。当压力正常时，开关量输出为低电平，且指示灯灭。

水泵切换功能：系统有2个水泵，但只有1个变频器，所以任何时刻只能有1个泵在变频器驱动下工作于变频状态，另1个泵或者不工作，或者直接接到电网上工作于工频状态。系统启动后，若当前没有泵在运行，则启动1号泵，并使其工作于变频状态。运行过程中，若检测到压力超下限，表明供水不足，则将当前工作泵切换到工频状态，然后用变频器驱动另1个泵。若检测到压力超上限，则表明供水量过大，则应停止当前工作于工频状态的泵，仅保留变频泵在工作。

水泵的切换控制由PLC实现，由PLC向模拟器提供泵的控制信号。若1号泵工作于变频状态，则要求向模拟器上PUM1输入端提供1Hz的方波信号；若1号泵工作于工频状态，则要求向PUM1输入端提供高电平；若1号泵停止，则要求向PUM1输入端提供低电平。2号泵的控制与1号泵相似，不同在于要向PUM1输入端提供控制信号。为了便于观察，要求用L2和L3指示灯分别显示1号泵和2号泵的控制信号。

(3)手动方式下的控制要求

在手动方式下，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。系统启动后，利用模拟器上的电位器P1直接设定变频器输出频率，手动调节P1达到期望的给水压力。手动方式下只有1号泵工作于变频状态。系统停止时，所有泵均不工作。系统启动时模拟器上指示灯L1亮，停止时L1灭。调节模拟器上的电位器P2可改变用户流量，从而观察控制系统的抗扰特性。

二、 变频器的参数设定

2.1G120变频器基本知识

1、基本特点

SINAMICS G120是SINAMICS变频器系列的新成员，能够完美地满足低压范围内的高性能应用需求。与其他SINAMICS系列产品相比，将为用户带来独一无二的驱动技术灵活性，全新SINAMICS G120变频器以其模块化的设计（功率模块、控制单元和BOP）及其安全保护功能（集成化的故障安全保护）、通讯能力和能量回馈等各种创新功能而卓尔不群。功率范围涵盖0.37~90kw,可适用于各种驱动解决方案。

2、模块种类

SINAMICS G120是一个由多种不同功能单元组成的模块化变频器，两种主要的单元是：控制单元和功率单元。控制单元可以以几种不同的方式对功率模块和所接的电机进行控制和监控。它支持与本地或控制的通讯并且支持通过监控设备和输入\输出端子的直接控制。功率模块支持的电机的功率范围为0.37Kw到90Kw。功率模块由控制单元里的微处理器进行控制。高性能的IGBT电机电压脉宽调制技术和可选择的脉冲频率的采用，使得电机运行极为灵活可靠，多方面的保护功能可以为电机提供更高一级的保护。

3、功能参数码

变频器的基本功能被细化为“功能参数码”，存储在变频器中供使用时调用和配置。功能参数码较多的变频器一般根据功能参数码的用途和性质分为若干种类。功能参数码的结构由参数码和参数值组成，使用时先确定功能参数码，再确定参数值。

G120变频器参数的类型

(1)读写参数：可以修改和显示的参数，以P开头

(2)只读参数：不可修改的参数，用于显示内部的变量，以r开头

2.2变频器参数设定

1、恢复出厂设定

按下表1顺序设定参数使变频器的控制单元恢复出厂缺省设定值：

表1 变频器出厂参数设置

按自己所设计的所有参数值，依次设定参数，完成变频器控制单元的基本功能设定。如表2所示。

表2 快速参数化

继续实验前，修改参数 P003=3 (可访问所有参数)

变频器运行时，可通过参数r0000 观察变频器的输出频率。

3、AI0（1）模拟量输入的标定

AI0(1)比例关系设定

图4  AI0(1)比例关系设定

AI0比例关系设定：

0V----  0%    P757.0(AI0)=0;  P758.0= 0

5V----  100%  P759.0 =5;      P760.0=100    转换结果存放在： r755.0

AI1比例关系设定：

0V----  0%    P757.1(AI1)=0;  P758.1= 0

5V----  100%  P759.1=5;      P760.1=100     转换结果存放在： r755.1

具体设定见表3。

表3  AI0（1）模拟量输入的标定

图5  AO0比例关系设定

AO0比例关系设定：

0%------ 0V                  P777.0(AO0)=0      P778.0(AO0)=0

100%-------5V(10mA)          P779.0(AO0)=100    P780.0(AO0)=10 (mA)

AO1输出变频器实际频率

具体设定见表4.

表4 AO0（1）比例关系设定

（1）加法器、减法器生成过压、欠压设定信号

图6  运算比例设置

将阀值存储在设定点参数中

图7  ADD运算

过压设定信号＝压力设定（AI0）＋阀值（10）

图8  SUB运算

欠压设定信号＝压力设定（AI0）－阀值（10）

具体设定见表5。

表5 加法器、减法器生成过压、欠压设定信号

（比较器有2个，比较器2的参数为P2887,P2888）

图9  CMP运算

利用比较器1产生过压指示(IF AI1>=AI0+10%  OUT=H)：

利用比较器2产生欠压指示(IF AI1<=AI0-10%  OUT=H)：

具体设定见表6。

表6 比较器产生过压、欠压输出指示

图10  PID调节设置1

PID给定和反馈参数设定

图11  PID调节设置2

调节参数设定和输出限幅

具体设置见表7。

表7 PID设置

变数据组cds0复制到cds1

图12  CDS选择

定义DI1为CDS bit0用来切换数据组

具体设置见表8。

表8 数据组选择

图13  频率给定源设置

主给定采用bico(变量连接)方式

具体设定见表9。

表9 频率 给定源设定

三、系统的软件设计

3.1PLC程序设计的思想

按照控制要求编写梯形图程序，因为程序设计比较简单，将程序编写思想总结如下：

(1)将系统分为启动后处于低于下限值的1号泵单独工作状态M0.0，检测到超下限信号后并进行延时后的1号泵工频、2号泵变频工作状态M0.1，进入正常状态后的1号泵工频、2号泵变频工作状态M0.2，超过上限值进行延时后的1号泵停止、2号泵变频的工作状态M0.3，进入正常状态后的1号泵停止、2号泵变频的工作状态M0.4，再次超下限信号后并进行延时后的1号泵变频、2号泵工频工作状态M0.5共6个状态进行互相切换。

(2)根据设计要求，每次检测到超上限、超下限后都经过一定的延时，在梯形图设计时将计时器输出给一个PV值为1的计数器，使信号得以保持并控制相应的输出，并同时注意定时器和计数器的清零信号设置。

(3)按照设计要求，若泵工作于变频状态，则要求向模拟器上PUMP输入端提供1Hz 的方波信号；若泵工作于工频状态，则要求向PUMP 输入端提供高电平；若泵停止，则要求向PUMP输入端提供低电平。在进行梯形图设计时采用并联方式实现，变频时需要的1Hz 方波信号通过在相应程序中串联一个SM0.5即可实现。

3.2PLC程序设计清单

对各功能按键、指示灯、开关信号进行定义，根据电路图进行连线，所用到的变量地址如图14所示。

图14 变量地址对应表

 主程序中通过开关S5进行自动和手动功能的选择，S5开通时为自动模式，S5关断时为手动模式，控制逻辑梯形图如图15所示。

图15 控制模式选择

    开关选择赋值给数据选择位进行控制方式选择，控制逻辑梯形图如图16所示。

图16 数据选择控制

    运行状态由L1灯指示，控制逻辑梯形图如图17所示。

图17 运行指示灯控制

    当选择自动控制方式时，进行如下的程序控制。首先通过PB1、PB2控制变频器的启停，控制逻辑梯形图如图18所示。

图18 变频器启停控制

    当检测到压力超上限时，L4灯亮，控制逻辑梯形图如图19所示。

图19 压力超上限指示控制

    当检测到压力超下限时，L5灯亮，控制逻辑梯形图如图20所示。

图20 压力超下限指示控制

    当检测到压力超上限或压力超下限时，进行10秒钟计时，超过10秒钟，则故障报警灯L6灯闪烁报警，控制逻辑梯形图如图21所示。

图21 故障指示灯控制

    当压力超上限后进行5秒计时，控制逻辑梯形图如图22所示。

图22 压力超上限后5秒计时控制

    当压力超下限后进行5秒计时，控制逻辑梯形图如图23所示。

图23 压力超下限5秒计时控制

    当PB2按下时，变频器停止，复位所有泵控制状态位，控制逻辑梯形图如图24所示。

图24 变频器停止控制

    当PB1按下，变频器启动且没有泵工作时，先启动1号泵，控制逻辑梯形图如图25所示。

图25 启动1号泵控制

    当检测到压力超下限5秒后，本泵切换到工频运行，变频器启动另一个泵，控制逻辑梯形图如图26所示。

图26 压力超下限控制

    当检测到压力超上限5秒后，本泵继续调频控制，关闭另一个泵，控制逻辑梯形图如图27所示。

图27 压力超上限控制

    用L2灯模拟指示1号泵的工作状态，L2灭表1号泵停止工作，L2亮表1号泵工频运行，L2闪烁表1号泵变频运行，控制逻辑梯形图如图28所示。

图28 1号泵工作状态模拟控制

    用L3灯模拟指示2号泵的工作状态，L3灭表2号泵停止工作，L3亮表2号泵工频运行，L3闪烁表2号泵变频运行，控制逻辑梯形图如图29所示。

图29 2号泵工作状态模拟控制

    手动模式时，用模拟器上的PB1和PB2按钮来控制系统的启动和停止。系统启动后，利用模拟器上的电位器P1直接设定变频器输出频率，手动调节P1达到期望的给水压力。手动方式下只有1号泵工作于变频状态。系统停止时，所有泵均不工作。系统启动时模拟器上指示灯L1亮，停止时L1灭。调节模拟器上的电位器P2可改变用户流量，从而观察控制系统的抗扰特性。控制逻辑梯形图如图30所示。

图30 手动模式下的控制

六、附录

电气接线图

    模拟器接线图

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