1、设计题目：恒压变频 PLC 自动控制供水系统一、设计目的通过对恒压变流量 PLC 自动控制 PLC 电气系统设计，使学生初步掌握 PLC的硬件选型、配置及编程方法；PLC 模拟量选型与控制方法：电气线路的设计方法，以及 PLC、电气常用元器件的选型；使学生初步 PLC 程序的设计和调试方法；同时使学生掌握电气线路原理图的绘制方法，为应用 PLC 及电气控制奠定良好的基础。二、设计题目系统采用 PLC 和变频器控制,通过采集压力传感器的信号，控制变频器的转速，达到在一定流量下的压力恒定要求，即当流量降低时，自动降低变频器的转速，保持系统压力不变。技术要求：1、系统压力为 02Mpa, 水泵电机功
2、率为 15KW.2、系统自动工作，并具有必要的工作状态指示、电气系统保护功能。3、工作电源为：交流三相四线制 380V。4、系统必须具有必要的保护和指示。三、设计要求1、 设计说明书一份（含 PLC 程序及说明） ；2、 电气原理图 2 张（4 号图纸） ；3、设计时间：1 周。4、系统原理及框架图供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线(Q)，如图21所示。由图21可以看出，流量Q越大，扬程卸毯小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流
3、量Q)间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程日与流量Q之间的关系日可(Q)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程卸毯大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Q之间的关系日可(Q)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图21中A点。在这一点，用户的用水流量Q和供水系统的供水流量Q处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。变频恒压供水系统的供水
4、部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。由以上系统电气总框图可以看出，系统所需要的主要硬件包括：1)水泵机组、变频器2)PLC及扩张模块3)压力变送器及数显仪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。系统水具体要求为：1）
5、 系统压力为02Mpa。2） 系统可以可靠的自动工作，并具有必要的工作状态指示、电气系统保护功能。3) 具有完善的保护和报警功能，系统要求较高的经济运行性能。4） 设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水；供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小。5、变频器的选型要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量(kVA)应同时满足下列三式：(5-1)(cosKvAnPmk(5-2)(10I33U(5-3)I(式中： 一负载所要求的电动机的输出功率；Pm一电动机的效率(通常在o85以上)
6、；一电动机的功率因数(通常在O8以上)；cs一电动机电压(V)；U一电动机工频电源时的电流(A)；I一电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.05；K一变频器的额定容量(后蹦)；Pcn一变频器的额定电流(A)。I这三个公式是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。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Uf控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型Uf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Uf控制变频器。综上所述，我们选择安川变频器616G7系列中的CIMR-G7B4 108。安川
7、变频器616G7系列在400V*级上采用了3电平控制，解决了冲击电压造成的电机绝缘损伤、轴电压造成的电机主轴电腐蚀问题。具备操作简单、保养、检修简单、对应各种输出输入如图5-4。图5-4型号参阅：CIMR G7 A 2 0P4 0CIMR:变频器 G7:系列A: 标准规格；B：中国规格；C：欧洲规格；D:美国规格2:电压等级；2，200等级；4,400等级0P4:最大使用电机容量。0P4：0.4Kw；022:22Kw；P表示小数的【.】0:保护结构。0：柜内安装型；1：封闭壁挂型。CIME-G7B4 4018主要参数：最大使用电机容量：18.5Kw输出：额定输出容量：32KVA额定输出电流：4
8、2A额定输出电压：三相380/400/415/440/480V最高输出频率：参数设定可对应至400HZ电源：额定电压频率：380/400/415/440/460/480V容许电压变动：+10%、-15%容许频率变动： 5%6、PLC及扩展模块的选择 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信号的采集、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，以日本三菱PLC为例，该PLC有FX；A；Q三大系列，在FX系列中又有Fx1 S；
9、FXlN和Fx2N三种型号。依据控制任务，从PLC的输入输出点数、存储器容量、输入输出接口模块类型等方面等来选PLC型号。在供水系统的设计中，我们选择三菱FX2N-16MR ES/UL。三菱FX2N-16MR ES/UL的主要参数为：I/O点：16点输出：8点，DC 24V输入：8点，继电器、晶闸管运算基本指令：0.08us/指令基本指令：27个应用指令：309个对于扩展模块我们选择，FX0N-3A 模拟特殊功能块有两个输入通道和一个输出通道，输入通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数字值。输出通道采用数字值并输出等量模拟信号；FX0N-3A的最大分辨率为8位；在输入/输出基础上选择的电压或电流
10、由用户接线方式决定。FX0N-3A可以连接至FX2N、FX2NC/FX1N/FXON系列的可编程控制器上。FX0n-3A在PLC扩展母线上占用8个I/O点。8个I/O点可以分配给输入或输出。模拟量输入范围，电压输入0-10V，0-5VDC，电阻200欧；电流输入：4-20mA，电阻250欧。模拟量输出范围,电压输出DC 0-10V,0-5V，外部负载，1000欧至 欧，总610精度 0.1V；电流输出4-20mA，外部负载：500欧或更小，总精度 0.16A。 七、压力传感器 压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成15V或420刀“的模拟量信号，作为模拟输入模块(AD模块)的输入，在选
11、择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用420mA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。根据以上分析，我们采用A-10压力传感器，压力范围：0-1bar至0-600bar；输出信号：0-10V,4-20mA,0-5v以及其他。A-10的参数：测量范围：1-600bar；过压保护：2-1200bar；爆裂压
12、力：5-2400bar。 （绝压范围：0-1bar至0-25bar）（备注：1bar=Pa=10 =0.1MPa）2cmN响应时间：4ms疲劳寿命：最大负载荷循环1000万次。八、其他电气设备的选择一、接触器接触器的选型主要需要确定种类，负载类型，主回路参数，控制回路参数辅助触头，以及电气寿命，机械寿命及工作制等多种情况综合考虑。因为电机功率为15KW，电压为380V，所以电流为39.5A。所以选择施耐德D2系列国产，LC2D5011Q5N。型号说明：LC 1- D 09 10 M 5 CLC:交流线圈 1-：单个接触器 D：D系列 09：对应电流规格 10：辅助触点 M：电压代码，380V-
13、Q 5：线圈特性，50HZ，交流线圈；C:产品类型，C 标准型，N，经济型。2、断路器 选用施耐德公司GV2m01*C型号说明：GV2：系列；m：按钮式，热磁型；01：热脱扣设定范围或磁脱扣电流大小；C:合资厂产品，无：进口产品。3、按钮开关选择施耐德公司XB4系列弹簧复位按钮：XB4-B A 3 1型号说明：XB4-B:开孔尺寸，直径22mm，材料：金属按钮头外形：A平头按钮3：按钮颜色，绿色1：触头形式，常开4、信号灯选择施耐德公司的XB4系列指示灯：XB4-BVB4型号说明：XB4-B：型号系列V:指示灯B：带LED4:灯光颜色为红色五、蜂鸣器及电机用于水泵的电机，我们选择SFL公司的1
14、5KW的水泵电机。蜂鸣器选择施耐德公司。 9、程序梯形图及指令表一、PLC程序设计及梯形图二、PLC程序指令表十、系统电气原理图见图纸9-11十一、电气元件列表见表1十二、设计心得通过一周的 PLC 课程设计，过对恒压变流量 PLC 自动控制 PLC 电气系统设计，我初步掌握 PLC 的硬件选型、配置及编程方法；PLC 模拟量选型与控制方法：电气线路的设计方法，以及 PLC、电气常用元器件的选型；并且初步 PLC程序的设计和调试方法；同时加深了电气线路原理图的绘制方法，为应用 PLC及电气控制奠定良好的基础。一周的学习设计过后，对于 PLC 编程指令与编程软件的使用进一步的加深。为今后的工作做
15、好了准备。这一周虽然辛苦，但是我自己确实是学习到了东西，一周完了想起来，其实觉得挺充实，幸福。很高兴自己又学会了这么多的知识。这次的学习精神值得我以后的学习工作中去学习，学到的知识也可以在以后用的，我很自豪的说：这个专周，我不辛苦，我很开心、幸福！表1元件名字 符号 型号 数量 备注可编程控制器 PLC FX2N-16MR-ES/UL 1 日本三菱公司PLC特殊模块 FX0N-3A 1 日本三菱公司断路器 QF GV2m01*C 3 施耐德公司变频器 VF CIMR-G7B4 4018 1 安川变频器接触器 KM LC2D5011Q5N 2 施耐德公司按钮开关 SB XB4-BA31 2 施耐德公司电铃 HA 1 施耐德公司信号灯 HL XB4-BVB4 1 施耐德公司水泵电机 M 15KW 2 SFL系列压力传感器 SP A-10 1 通用型参考文献：可编程序控制器技术与应用 作者：刘守操 机械工业出版社三菱FX2N、FX0N、模拟量输入、输出用户手册施耐德公司元器件选择资料手册安川变频器616G7使用手册通用型压力传感器A-10使用手册
