主变冷却风扇调速系统的设计课案.docx
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主变冷却风扇调速系统的设计课案
摘要
冷却系统对变压器性能的影响日益显著，几乎所有的变压器强化都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题,既在提高输出功率的同时,又要兼顾其经济性和环保性。
这些都对冷却系统的性能提出了新的要求，开发高效、可靠、经济、环保的冷却系统,已成为变压器进一步实现技术突破的关键所在。
因此,采用先进的冷却系统设计理念，对推动变压器冷却系统技术进步具有重要的研究价值。
本次设计结合PLC及变频技术，采用MM440变频器及USS通信协议设计出新的变电站主变冷却风扇调速控制系统。
主要从整体上分析和研究控制系统的硬件设计、控制流程设计、软件流程设计等部分。
设计基于可编程控制器（PLC）硬件平台的异步电动机综合控制系统。
该系统通过可编程逻辑控制器（PLC）来控制变频器，最终实现异步电动机转速的闭环控制。
整个设计过程均采用变频技术，从而控制和调整大型电力变压器冷却装置的输出功率与变压器的总损耗相匹配，结合变压器油温和环境气温的反馈调节，将变压器油温控制在一个较小的给定范围。
关键词：
PLC；MM440变频器；USS通信协议；冷却风扇
第1章概述
近年来，国内外对变电站主变冷却系统的进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制的研究取得了巨大的发展，形成了一批商品化的温度调节器，随着电子技术和计算机技术的广泛应用和飞速发展,电部件技术日趋成熟，传统被动式的冷却系统正在走向智能化和自动化。
传统冷却系统不能更全面的适应实际运行时的冷却需求，从而无法实现对变压器油温在全运行工况内的合理控制。
然而，采用电子驱动及控制技术，可以通过传感器和计算机芯片根据实际的变压器油温度控制运行,从而提供最佳的冷却介质流量,降低能耗,提高效率。
随着科学技术的不断发展，人们对温度控制系统的要求愈来愈高，因此，高精度、智能化、人性化的控制是国内外必然发展趋势。
变电站主变是变电站的主要设备之一，随着负荷与外界环境的变化，变压器所需的冷却容量将频繁调整，传统的冷却系统控制方式分为手动与自动两种方式。
手动方式缺点主要是：
自动化水平低，增加值班人员工作量;冷却容量不能随温度的变化连续平滑调整，几组冷却风扇同时投入易产生冲击电流，污染电网;几组冷却风扇同时满载运行，噪声较大;远程无法监视冷却系统情况等。
自动方式虽然提高了自动化水平，降低了值班人员工作量，但是变压器负荷变化时由温度继电器启动电磁型开关控制引起冷却系统频繁启停，开关故障率很高，可靠性低，很少被采用。
本次设计结合PLC及变频技术，采用MM440变频器及USS通信协议设计出新的变电站主变冷却风扇调速控制系统。
本次设计对节能减排和变压器的安全、经济运行及长期使用寿命具有重要的意义。
第2章MM440变频器
2.1MM440变频器介绍
变频器MM440系列（MicroMaster440）是德国西门子公司广泛应用与工业场合的多功能标准变频器。
该变频器由微处理器控制，用现代先进技术的绝缘栅双极晶体管作为输出器件，它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。
2.1.1MM440变频器面板的操作
利用变频器的操作面板和相关参数设置，即可实现对变频器的某些基本操作如正反转、点动等运行。
MM440在缺省设置时，用BOP控制电动机的功能是被禁止的。
如果要用BOP进行控制，参数P0700应设置为1，参数P1000也应设置为1。
用基本操作面板（BOP）可以修改任何一个参数。
修改参数的数值时，BOP有时会显示“busy”，表明变频器正忙于处理优先级更高的任务。
下面就以设置P1000=1的过程为例，来介绍通过基本操作面板（BOP）修改设置参数的流程，见表2-1。
表2-1基本操作面板（BOP）修改设置参数流程
操作步骤
BOP显示结果
1
按
键，访问参数
2
按
键，直到显示P1000
3
按
键，直到显示in000，即P1000的第0组值
4
按
键，显示当前值2
5
按
键，达到所要求的值1
6
按
键，存储当前设置
7
按
键，显示r0000
8
按
键，显示频率
2.1.2MM440变频器参数设置
（1）设定P0010＝30和P0970＝1，按下P键，开始复位，复位过程大约3min，这样就可保证变频器的参数回复到工厂默认值。
（2）设置电动机参数，为了使电动机与变频器相匹配，需要设置电动机参数。
电动机参数设置见表2-2。
电动机参数设定完成后，设P0010=0，变频器当前处于准备状态，可正常运行。
表2-2电动机参数设置
参数号
出厂值
设置值
说明
P0003
1
1
设定用户访问级为标准级
P0010
0
1
快速调试
P0100
0
0
功率以KW表示，频率为50Hz
P0304
230
380
电动机额定电压（V）
P0305
3.25
1.05
电动机额定电流（A）
P0307
0.75
0.37
电动机额定功率（KW）
P0310
50
50
电动机额定频率（Hz）
P0311
0
1400
电动机额定转速（r/min）
（3）设置面板操作控制参数，见表2-3。
表2-3面板基本操作控制参数
参数号
出厂值
设置值
说明
P0003
1
1
设用户访问级为标准级
P0010
0
0
正确地进行运行命令的初始化
P0004
0
7
命令和数字I/O
P0700
2
1
由键盘输入设定值（选择命令源）
P0003
1
1
设用户访问级为标准级
P0004
0
10
设定值通道和斜坡函数发生器
P1000
2
1
由键盘（电动电位计）输入设定值
P1080
0
0
电动机运行的最低频率（Hz）
P1082
50
50
电动机运行的最高频率（Hz）
P0003
1
2
设用户访问级为扩展级
P0004
0
10
设定值通道和斜坡函数发生器
P1040
5
20
设定键盘控制的频率值（Hz）
P1058
5
10
正向点动频率（Hz）
P1059
5
10
反向点动频率（Hz）
P1060
10
5
点动斜坡上升时间（s）
P1061
10
5
点动斜坡下降时间（s）
2.1.3MM440变频器控制端子的介绍
表2-4变频器端子介绍
端子号
标识
功能
1
—
输出+10V
2
—
输出0V
3
ADC+
模拟输入（+）
4
ADC-
模拟输入（-）
5
DIN1
数字输出1
6
DIN2
数字输出2
7
DIN3
数字输出3
8
—
带电位隔离的输出+24V/最大。
100mA
9
—
带电位隔离的输出0V/最大。
100mA
10
RL1_B
数字输出/NO（常开）触头
11
RL1_C
数字输出/切换触头
12
DAC+
模拟输出（+）
13
DAC-
模拟输出（-）
14
P+
RS485串行接口
15
N-
RS485串行接口
2.1.4MM440变频器的数字输入端口介绍
1.MM440变频器有6个数字输入端口，具体如图2.1所示。
图2.1MM440变频器的数字输入端口
2.数字输入端口功能
MM440变频器的6个数字输入端口（DIN1~DIN6），即端口“5”、“6”、“7”、“8”、“16”和“17”，每一个数字输入端口功能很多，用户可根据需要进行设置。
参数号P0701~P0706为与端口数字输入1功能至数字输入6功能，每一个数字输入功能设置参数值范围均为0~99，出厂默认值均为1。
以下列出其中几个常用的参数值，各数值的具体含义见表2-5。
表2-5MM440数字输入端口功能设置表
参数值
功能说明
0
禁止数字输入
1
ON/OFF1（接通正转、停车命令1）
2
ON/OFF1（接通反转、停车命令1）
3
OFF2（停车命令2），按惯性自由停车
4
OFF3（停车命令3），按斜坡函数曲线快速降速
9
故障确认
10
正向点动
11
反向点动
12
反转
13
MOP（电动电位计）升速（增加频率）
14
MOP降速（减少频率）
15
固定频率设定值（直接选择）
16
固定频率设定值（直接选择+ON命令）
17
固定频率设定值（二进制编码选择+ON命令）
25
直流注入制动
变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。
是由由主电路和控制带电路组成的。
主电路是给异步电动机提供可控电源的电力转换部分，变频器的主电路分为两类，其中电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波部分是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波部分是电感。
它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流部分，吸收在转变中产生的电压脉动的平波回路部分，将直流功率变换为交流功率的逆变部分。
控制电路是给主电路提供控制信号的回路，它有决定频率和电压的运算电路，检测主电路数值的电压、电流检测电路，检测电动机速度的的速度检测电路，将运算电路的控制信号放大的驱动电路，以及对逆变器和电动机进行保护的保护电路组成。
MICROMASTER440变频器适用于多种变速驱动应用。
其灵活性使之具有极为广泛的应用范围。
第3章PLC可编程控制器
3.1PLC概述
可编程控制器（ProgrammableController，简称PC）是在传统的顺序控制器的基础上，为满足不断发展的大规模工业生产柔性控制的要求而逐步发展起来的。
其功能基本限于开关量逻辑控制，仅执行逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能．所以当时称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）。
由于可编程序控制器仍然处于不断发展之中，因此对它下一个确切的定义是困难的。
为了使其生产和发展标准化，美国国际电工委员会（IEC）于1982年颁布了可编程序控制器标准草案，1985年提交了第二版，1987年的第三版对可编程序控制器作了如下的定义“可编程序控制器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。
可编程序控制器及其相关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”由此可见，可编程控制器是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
总之，可编程控制器也是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
3.2PLC的系统组成与工作原理
3.2.1PLC的组成结构
PLC本质上是一台用于控制的专用计算机，因此它与一般的控制机在结构上有很大的相似性。
PLC的主要特点是能力，也就是说，它的基本结构主要是围绕着适宜于过程控制的要求来进行设计的。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式两类。
整体式PLC是将中央处理单元（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。
另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。
主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相互联系。
装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。
CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。
3.2.2PLC的扫描工作原理
与微机等待命令的工作方式不同，PLC采用循环扫描的工作方式
CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。
一个扫描周期主要分为三个阶段：
1.输入刷新阶段
2.程序执行阶段
3.输出刷新阶段
由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I／O刷新阶段。
实际上，除了执行程序和I／O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。
一般在程序执行后进行。
扫描周期的长短主要取决于程序的长短。
由于每一个扫描周期只进行一次I／0刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。
这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。
但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞。
目前的可编程控制器有以下几个方面的发展趋势：
（1）向小型化、专用化方向发展。
当前开发出许多简易、经济、超小型可编程控制器，以使用于单机控制和机电一体化，真正成为继电器的替代品。
（2）向大型化、复杂化、高功能、分散型、多层分布式工厂自动化网络方向发展。
可编程控制器输入输出容量已超过32K，扫描速度小于1mS/千步。
（3）编程语言和编程工具朝着标准化和高级化方向发展。
可编程控制器问世时间虽然不长，但已步入成熟阶段。
这种工业专用微机系统是高精技术普及化的典范，使计算机进入工业各行业，使机械设备和生产线控制更新换代。
可编程控制器将成为工业控制的主要手段和重要的基础控制设备。
3.2.3PLC的优势
PLC的主要优点可概括如下:
1、高可靠性
（1）所有的输入接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。
（2）各个输入端口均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。
（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
（4）采用性能优良的开关电源。
（5）对采用的器件进行严格的筛选。
（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。
（7）大型PLC还可以采用双CPU构成冗余系统或用三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。
2、丰富的I/O接口模块
PLC针对不同的工业现场信号，如:
交流或直流;开关量或模拟量;电压或电流;脉冲或电位;强电或弱电等。
有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如:
按钮;行程开关;接近开关;传感器及变送器;电磁线圈;控制阀等直接连接。
另外，为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。
3、采用模块化结构
为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。
PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
4、编程简单易学
PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。
5、安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。
由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
3.2.4PLC类型的选择
S7-200PLC系统是紧凑型可编程序控制器。
系统的硬件构架由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。
它能够满足各种设备的自动化控制需求。
S7-200除具有PLC基本的控制功能外，更在如下方面具有独到之处。
●功能强大的指令集
指令内容包括位逻辑指令、计数器、定时器、复杂数学运算指令、PID指令、字符串指令、时钟指令，以及和智能模块配合的专用指令等。
●丰富强大的通讯功能
S7-200提供了近10种通讯方式以满足不同的应用需求，从简单的S7-200之间的通讯到S7-200通过PROFIBUS-DP网络通讯，甚至到S7-200通过以太网通讯。
在联网需要已日益成为必需的今天，强大的通讯无疑会使S7-200为更多的用户服务。
可以说，S7-200的通讯功能已经远远超过了小型PLC的整体通讯水平。
●编程软件的易用性
Step7-Micro/WIN32编程软件为用户提供了开发、编辑和监控的良好编程环境。
全中文的界面、中文的在线帮助信息、Windows的界面网络以及丰富的编程向导，能使用户快速进入状态，得心应手。
第4章通信协议的介绍
4.1S7—200的通信方式与通信参数的设置
4.1.1S7-200的通信方式
S7-200的通信功能强，有多种通信方式可供用户选择。
在运行Windows或WindowsNT操作系统的个人计算机（PC）上安装了STET7-Micro/WIN32编程软后，PC可作为通信中的主站。
（1）单主站方式
单主站与一个或多个从站相连，STEP7-Micro/WIN32每次和一个S7-200CPU通信,但是它可以访问网络上的所有CPU。
（2）多主站方式
通信网络中有多个主站，一个或多个从站。
带CP通信卡的计算机和文本显示器TD200、操作面板OP15是主站，S7-200CPU可以是从站或主站。
4.1.2网络部件
1、通信口
S7-200CPU上的通信口是与RS-485兼容的9针D型连接器，符合欧洲标准EN50170。
表4-1给出了通信口的引脚分配。
表4-1S7-200CPU通信口引脚分配
针
PROFIBUS名称
端口0/端口1
1
屏蔽
逻辑地
2
24V返回
逻辑地
3
RS-485信号B
RS-485信号B
4
发送申请
RTS（TTL）
5
5V返回
逻辑地
6
+5V
+5V，100Ω串联电阻
7
+24V
+24V
8
RS-485信号A
RS-485信号A
9
不用
10位协议选择
连接器外壳
屏蔽
屏蔽
2、网络连接器
利用西门子提供的两种网络连接器可以把多个设备很容易的连到网络中。
两种连接器都有两组螺钉端子，可以连接网络的输入和输出。
一种连接器仅提供连接到CPU的接口，而另一种连接器增加了一个编程接口。
两种网络连接器还有网络偏置和终端偏置的选择开关，该开关在ON位置时的内部接线图，在OFF位置时未接终端电阻。
接在网络端部的连接器上的开关应放在ON位置。
带有编程器接口的连接器可以把SIMATIC编程器或操作员面板接到网络中，而不用改动现有的网络连接。
编程器接口的连接器把CPU来的信号传到编程器接口，这个连接器对于连接从CPU获取电源的设备（例如操作员面板TD200或OP3）很有用。
4.1.3使用PC/PPI电缆通信
使用PC/PPI电缆可实现S7-200CPU与RS-232标准兼容的设备的通信。
有两种不同型号的PC/PPI电缆：
1、带RS-232口的隔离型PC/PPI电缆，用5个DIP开关设置波特率和其他配置项。
通信的波特率用PC/PPI电缆盒上的DIP开关来设置。
2、带RS-232口的非隔离型PC/PPI电缆，用4个DIP开关设置波特率，这种电缆已经被隔离型PC/PPI电缆取代。
当数据从RS-232传送到RS-485口时，PC/PPI电缆是发送模式。
当数据从RS-485传送到RS-232口时，PC/PPI电缆是接收模式。
检测到RS-232的发送线有字符时，电缆立即从接收模式切换到发送模式。
RS-232发送线处于闲置的时间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式。
这个时间与电缆上的DIP开关设置的波特率有关。
开关PC/PPI电缆的5号DIP设为0时，RS-232口为数据通信设备（DCE）模式，设置为1时，为数据终端设备（DTE）模式。
表4-2是PC/PPI电缆各个引脚的定义。
表4-2RS-485至RS-232DTE连接器引脚
RS-485连接器引脚
RS-232DTE连接器引脚
引脚号
信号说明
引脚号
信号说明
1
地（RS-485逻辑地）
1
数据载波检测（DCD）（不用）
2
24V（RS-485逻辑地）
2
接收数据（RD，输入到PC/PPI电缆）
3
信号B（RxD/TxD+）
3
发送数据（TD，从PC/PPI电缆输出）
4
RTS（TTL电平）
4
数据终端就绪（DTR，不用）
5
地（RS-485逻辑地）
5
地（RS-232逻辑地）
6
+5V（带100Ω串联电阻）
6
数据设置就绪（DSR，不用）
7
24V电源
7
申请发送（RTS，PC/PPI电缆输出）
8
信号A（RxD/TxD-）
8
清除发送（CTS，不用）
9
协议选择
9
振铃指示器（RI，不用）
注：
调制解调器需要一个阴到阳的9针到25针的转换。
4.1.4计算机使用的通信接口参数的设置
打开“设置PG/PC接口”对话框，“Micro/WIN”应出现在“AccessPointoftheApplication（应用的访问接点）”列表框中。
PC/PPI电缆只能选用PPI协议：
选择好通信协议后，单击“设置PG/PC接口”对话框中的“属性（Properties）”按钮，然后在弹出的窗口中设置通信参数。
PC/PPI电缆的PPI参数设置：
如果使用PC/PPI电缆，在“设置PG/PC接口”对话框中单击“属性”按钮，就会出现PC/PPI电缆（PPI）的属性窗口。
进行通信时，STEP7-Micro/WIN32的默认设置为多主站PPI协议。
此协议允许STEP7-Micro/WIN32与其他主站（TD200与操作员面板）在网络中共为主站。
选中PG/PC接口中PC/PPI电缆属性对话框中的“多主站网络（MultipleMasterNetword）”，即可启动此模块，未选择时为单主站协议。
4.1.5S7-200的网络通信协议
S7-200支持多种通信协议，如点对点接口（PPI）、多点接口（MPI）和PROFIBUS。
它们都是基于字符的异步通信协议，带有起始位、8位数据、偶校验和1个停止位。
通信帧由起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性校验和组成。
只要波特率相同，三个协议可以在网络中同时运行，不会相互影响。
协议支持一个网络上的127个地址（0～126），网络上最多可有32个主站，网络上各设备的地址不能重复。
运行STEP7-Micro/WIN32的计算机的默认地址为0，操作员面板的默认地址为1，可编程控制器的默认地址为2。
1.点对点接口协议
PPI（Point-to-Point）是主/从协议，网络上的S7-200CPU均为从站，其他CPU、SIMATIC编程器或TD200为主站。
如果在用户程序中允许PPI主站模式，一些S7-200CPU在RUN模式下可以作主站，它们可以用网络读（NETR）和网络写（NET
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