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本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题 目：变压器冷却系统设计 学生姓名：*** 学 号：************ 专 业：自动化 班 级：自05-3班 指导教师：***
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变压器冷却系统设计
摘 要
对于现在电厂中运行的电力变压器冷却控制系统中存在的自动化程度不高、电气控制中存在的可靠性低、故障率高、控制误差大等故障以及冷却中无法达到节能这一问题，本文提出并研制了一种新型的变压器强迫油循环风冷控制装置。
系统以西门子S7－200（CPU224）型PLC 作为控制器，并控制西门子MM430变频器拖动风机和油泵电机，以此构建了变压器冷却控制系统；系统以变压器顶层油温为被控量，提出了PLC检测变频控制风机的变频器的工频信号是否到达以控制是否投入其他风扇电动机，通过检测变频控制风机的变频器的0频信号是否到达以控制是否切出其他风扇电动机的控制策略；此外装置还具有故障定位，报警显示等功能。此外，变频器的使用使冷却系统能够跟随温度的变化连续平滑调整,有利于变压器的安全运行。
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关键词：变压器；冷却控制系统；可编程序控制器；变频器；负反馈控制
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The design of Transformer cooling system
Abstract
Nowadays, the power transformer cooling system which is running in electric power plant exists numerous problems , for instance, the low degree of automation, the low reliability, high failure rate in electrical control, the large control errors, as well as energy-inefficient cooling control , all the thorny issues mentioned above can not meet the modern control requirements , this dissertation proposed and developed a new type of system called forcing transformer oil circulation and cooling by air system.
This system used Siemens S7-200(CPU224)-based PLC as the controller, moreover, it also controlled Siemens MM430 frequency converter to drag fan and pump motor, which could be regarded as building a transformer cooling control system. This system considered the top-level temperature of transformer oil as controlled variable, the dissertation simultaneously put forward the control strategy that letting PLC detect industrial frequency access signal coming from the frequency converter which drag fan motor in order to control whether or not putting into operation of other fan motors; next, letting PLC detect zero frequency access signal coming from the frequency converter which drag fan motor in order to control whether or not ceasing other fan motors; in addition , the system comprised the function of fault location and alarm display. Last, the utilization of frequency convertor can make the cooling system always keep pace with changes of temperature for a smooth adjustment, which is conducive to the safe operation of the transformer.
Key words: Transformer; Cooling control system; PLC; Frequency converter;
Negative feedback control
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目录
摘 要............................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 目录.............................................................................................................................. III 第一章 引言.............................................................................................................. 1
1.1电厂变压器冷却系统设计背景....................................................................... 1 1.2系统的工艺流程及冷却装置简介 ........................................................................... 2
1.2.1变压器散热方式..................................................................................... 2 1.2.2变压器冷却原理..................................................................................... 3 1.2.3.冷却系统简介......................................................................................... 3 1.3 冷却系统的技术目标...................................................................................... 5 1.4 本章小节.......................................................................................................... 5 第二章 系统的控制方法和方案设计.......................................................................... 7
2.1 电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定.............................................. 7
2.1.1 对变压器的冷却装置的要求................................................................ 7 2.1.2 变压器温度限值.................................................................................... 7 2.1.3 强迫油循环冷却变压器的运行条件.................................................... 7 2.2变压器油温自动控制的控制方法................................................................... 8
2.2.1综合投、切控制策略............................................................................. 8 2.2.2 PLC变频控制的基本原理 .................................................................... 9 2.2.3 PLC变频控制的PID参数整定 ............................................................ 9 2.2.4 变压器冷却自动控制系统框图.......................................................... 12 2.3 系统组成........................................................................................................ 13 2.4本章小结......................................................................................................... 15 第三章 冷却控制装置的硬件设计.......................................................................... 16
3.1 开关器件的选择............................................................................................ 16
3.1.1 继电器的选择...................................................................................... 16 3.1.2 接触器的选择...................................................................................... 16
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3.1.3 热继电器的选择.................................................................................. 17 3.1.4 熔断器的选择...................................................................................... 18 3.2 电动机的选择................................................................................................ 19 3.3 PLC的介绍及选型 ........................................................................................ 20
3.3.1 PLC的简介 .......................................................................................... 20 3.3.2可编程序控制器的输入输出............................................................... 22 3.3.3 可编程序控制器的选择...................................................................... 24 3.3.4可编程控制器电源的设计................................................................... 26 3.4变频器的介绍及选型..................................................................................... 28
3.4.1变频器的介绍....................................................................................... 28 3.4.2变频器的分类....................................................................................... 28 3.4.3变频器的控制方式............................................................................... 31 3.4.4变频器的选择....................................................................................... 32 3.4.5变频器参数的设置............................................................................... 34 3.5 检测装置的选择............................................................................................ 38 3.6装置电气连接................................................................................................. 39
3.6.1 油泵电机电路图.................................................................................. 39 3.6.2 2-6号风扇电动机电路图 ................................................................. 40 3.6.3 一号风机电路图.................................................................................. 41 3.6.4 手自动控制选择和控制电路.............................................................. 42 3.6.5 PLC引脚接线图 .................................................................................. 43 3.6.6 系统总电路图...................................................................................... 44 3.7本章小节......................................................................................................... 45 第四章 软件设计...................................................................................................... 46
4.1 程序流程........................................................................................................ 46 4.2 本系统子程序介绍........................................................................................ 47
4.2.1 系统状态及PID初始化子程序 ......................................................... 47 4.2.2 油泵电机控制程序.............................................................................. 47 4.2.3 1号风机变频启动程序........................................................................ 47
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4.2.4 2-6号风机投入控制程序 .................................................................... 47 4.2.5 2-6号风机切出控制程序 .................................................................... 47 4.2.6 故障诊断与报警程序.......................................................................... 47 4.3 本章小节........................................................................................................ 48 结束语.......................................................................................................................... 49 参 考 文 献................................................................................................................ 50 附 录 ........................................................................................................................................... 52 致 谢.......................................................................................................................... 65
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第一章 引言
1.1电厂变压器冷却系统设计背景
在电厂输变电系统当中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的设备，对供电可靠性有着重大的影响。变压器在运行中存在着损耗，一种是空载损耗，它与负荷大小无关；另一种是负载损耗，与负载电流的平方成正比。变压器负荷大小的变化，将引起热功率也发生变化，而变压器运行中产生的损耗将转换为热量散发出来，使变压器绕组、铁芯和变压器油温上升。变压器的温升影响它的带负荷能力，同时会加速变压器绕组和铁芯所采用绝缘材料的老化，影响它的使用寿命。
传统的控制方法是根据变压器顶层油温及负荷电流的变化采用传统的电磁型继电器控制交流接触器进行分组投切控制,达到散热的目的,运行实践表明这种传统的控制系统存在着许多缺陷:
1．现行的变压器冷却系统控制回路设计有缺陷；
2．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器组频繁启停,开关故障率较高；
3.冷却器组容量不能随温度及负荷电流的变化连续平滑调整,几组冷却器组同时投入时易产生油流冲击,并且变压器油较高速流动易产生油流带电,容易形成变压器内部故障隐患,影响其安全、稳定运行；
4.冷却器组噪声较大； 5.自动化水平较低；
6.所有冷却风机和油泵电机均在工频状态下运行，无法实现节能，使冷却成本变高。
上述问题严重地影响了变压器的可靠运行，降低了变压器的正常冷却效率和使用寿命，已不适应于现如今电网的发展。鉴于以上分析,本文提出了一种基于可编程控制器为控制核心实现运算、逻辑功能控制，以变频器为节能设备的智能化的冷却器控制系统,可使变压器的损耗与散热功率达到一种平衡关系,实现变压器冷却系统的最优控制。
PLC控制系统作为一种现代工业新型控制系统，其主要核心控件PLC具有以
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下优点：
1.可靠性高，抗干扰能力强； 2.适用性强，应用灵活； 3.编程方便，易于使用； 4.维护方便，维修工作量小； 5.控制系统设计，安装，调试方便； 6.功能完善。
此外，随着电力电子技术的发展，变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。变频器的主要优点为：
1．变频调速的节能；
2．变频调速在电动机运行方面的优势； 3．能有效的提高工艺水平。
综上所述，采用PLC和变频器配合使用的控制方法对变压器冷却装置的控制，可以实现对变压器油温的精确控制，而控制功能通过编程实现，极大的简化了系统接线，提高了装置本身的可靠性，此外还进一步完善了对冷却器的保护和控制，提高了它的可靠性和工作寿命，对变压器及电网安全、可靠运行有重要意义和实用价值。
1.2系统的工艺流程及冷却装置简介
1.2.1变压器散热方式
变压器散热过程中常遇到的不是单一的传热方式,而是变压器油流过铁芯表面、变压器油流过冷却器箱体内表面、空气流过冷却器箱体外表面时发生的对流、热传导和热辐射联合作用的传热过程。
热传导是物体不发生相对移动，从高温物体到低温物体之间的热量传递，单纯的热传导现象只有在密实的固体中才能观察到。热对流是指流体各部分之间发生相对位移、冷热流体质点相互掺混所引起的热量传递。只要绝对温度不为零度(0 K),物体都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量,同时又不断地吸收来自
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外界物体的辐射能,当物体向外界辐射的能量与从外界吸收的辐射能不相等时,该物体就与外界产生热量的传递。这种传热方式称为热辐射。 1.2.2变压器冷却原理
变压器运行中绕组和铁芯产生的损耗转变为热量通过热对流、热传导和热辐射使变压器油温升高，变压器油上升进入散热器，形成变压器油的自然对流；强迫油循环冷却器中潜油泵的作用就是加速变压器油的流动，强制变压器油对流，加速热对流，在变压器油对流给热过程中同时发生着热传导和热辐射。变压器箱壁内侧热量从变压器油中以热对流、热传导和热辐射的形式传给冷却器。变压器箱壁外侧热量从箱壁以热对流、热传导和热辐射的形式传给空气，同时风扇吹风强迫空气流动，加速热对流。变压器散热如图1.1 所示：
图1.1 变压器散热过程示意图
1.2.3.冷却系统简介
冷却系统是变压器的重要组成部分，它的工作保证了变压器各部分的温度保持在规定值以内。强迫油循环风冷却系统由风冷却器和风冷控制控制装置两部分组成，下面对冷却系统风冷却器的工作原理进行分析和介绍，而对于风冷控制装置将在第三章中进行分析和介绍：
变压器的风冷却器包括两部分：内部冷却系统，它保证绕组、铁芯的热散入油中；外部冷却系统，它保证油的热散入周围介质中。
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由于大型变压器采用油自然循环冷却系统不能满足散热的要求，故采用强迫油循环的冷却系统。强迫油循环风冷却器（简称风冷却器）与油自然循环风冷却器的主要区别是采用潜油泵强迫油进行循环，这样油流速度加快，冷却效率得以提高。
风冷却器的总体结构如图1.2 所示：
图1.2 风冷却器的总体结构
风冷却器的工作过程是潜油泵把变压器顶层高温油送入冷却管内几次折流后，热量就传给冷却管壁，再由管壁向空气放出热量。与此同时，在空气侧，由
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风扇强制吹风，冷空气带走放出的热量，从而使热油加速冷却。冷却后的油从冷却器下端再进入变压器油箱内。
风冷却器主要部件有冷却器本体、潜油泵、风扇、净油器。冷却器本体是由一簇冷却管与上、下集油室焊接而成的整体。潜油泵是一种特制的油内电动机型离心泵，电动机的定子和转子浸在油中使油系统构成密闭循环系统。潜油泵强迫油循环，提高冷却效率。风扇由轴流式单级叶轮与三相异步电动机两部分构成。风扇吹风，加速变压器油的冷却。净油器，风冷却器上的净油器是充满吸附剂（活性氧化铝）的容器。它安装在冷却器下面，与下集油室链接。经过冷却器管簇的变压器油的一部分流经净油器时与吸附剂接触，使油中所带的水分、游离酸和过氧化合物皆被吸收，变压器油得到净化。
1.3 冷却系统的技术目标
由于本系统的控制思想是通过检测并控制变压器油温从而代替变压器的实际温度，因而只是针对温度一个控制变量。但是通过控制潜油泵的转速和通过控制投入和切出风机的数量以及改变风机的转速都可以调节变压器油温，实现对变压器自身温度的控制。因而调速的对象是安装于冷却器上的油泵电动机和风扇电动机，当变压器负载增大的时候，变压器损耗势必增加，由于自身损耗产生的热量也增加，此时可以通过加快潜油泵的转速或者增加投入风扇电动机使变压器油温保持在允许温度范围内；反之，若变压器负载减小，变压器自身损耗降低，产生的热量也降低，此时可以通过降低潜油泵的转速或者增加切出的风扇电动机达到控制要求。
在本系统中，采取手动调节潜油泵的转速方法，采用变频器拖动潜油泵运行，根据实际经验手动设置控制潜油泵的转速，达到节能的目的。而对于风扇电动机，则采用PLC和变频器配合使用的方法自动控制变压器油温。本系统将变压器顶层的油温利用温度传感器采集回PLC中，再将此模拟信号送到变频器中，利用PLC控制投入或者切出工频运行的风扇电动机，用变频器对其中的一台风扇电动机进行变频控制，从而达到精确控制的目的。用PLC中的PID调节器进行控制，从而实现对于变压器油温的恒温控制。
1.4 本章小节
针对现代电厂变压器冷却系统中存在的资源浪费、劳动强度大等一系列的问
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题，采用PLC控制的变频调速能很好的解决这些问题。
系统主要是对变压器油温进行自动控制，为了实现良好的控制性能，均采用PID闭环控制。
对所需要控制的模拟量信号的准确采集是非常重要的，因此本文对变压器产生热量传递的情况近似采取了控制电压器油温来实现的方法。经实验验证，起到了良好的的控制目的。
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第二章 系统的控制方法和方案设计
2.1 电力变压器运行规程中关于冷却控制的规定
在变压器冷却控制装置的设计中参考了电力变压器运行规程（DL/T 572-95）中关于强迫油循环电力变压器冷却装置及运行条件的规定，规定如下： 2.1.1 对变压器的冷却装置的要求
a. 要求油浸式变压器本体的冷却装置、温度测量装置等应符合GB6451 的要求；
b. 按制造厂的规定安装全部冷却装置；
c. 强迫油循环的冷却系统必须保留手动控制，可以进行手自动切换控制； d. 强迫油循环变压器，当切除故障风扇电动机时应发出音响或灯光信号； e. 风扇、油泵的附属电动机应有过负荷、短路及断相保护；
f. 强油循环冷却的变压器，应按温度和(或)负载控制冷却器的投切。 2.1.2 变压器温度限值
强迫油循环变压器顶层油温一般不应超过表2-1 的规定(制造厂有规定的按制造厂规定)。当冷却介质温度较低时，顶层油温也相应降低。
表2－1 油浸式变压器顶层油温一般限值 冷却方式 强迫油循环风冷 冷却介质最高温度（℃） 40 最高顶层油温（℃） 85 2.1.3 强迫油循环冷却变压器的运行条件
a.强迫油循环冷却变压器运行时，必须投入冷却器。空载和轻载时不应投入过多的冷却器(空载状态下允许短时不投)。各种负载下投入冷却器的相应台数，应按制造厂的规定。按温度和(或)负载投切冷却器的自动装置应保持正常；
b.强迫油循环变压器投运时应逐台投入冷却器,并按负载情况控制投入冷却器的台数；
c.强迫油循环风冷变压器，当冷却系统故障切除全部冷却器时，允许带额定负载运行20分钟。如20 分钟后变压器顶层油温尚未达到75℃，则允许上升到75℃，但这种状态下运行的最长时间不得超过1 小时。
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2.2变压器油温自动控制的控制方法
在本文所设计的冷却系统中，变压器冷却控制装置的核心功能就是根据变压器油温利用负反馈自动控制投、切风扇电动机，并对其中的1台风扇电动机用变频器进行转速开环恒压频比控制，最终使变压器油温维持在一个稳定的范围内，满足变压器运行对温度的要求。在冷却控制装置中，结合变压器冷却装置的特点我们采用了使用PLC检测变频器工频信号是否到达以控制投入其他工频运行的风扇电动机的策略，通过检测变频控制风机的变频器的0频信号是否到达以控制是否切出其他风扇电动机的控制策略。此外，还用到了PLC控制变频器变频拖动一台风扇电动机运行的控制方法，这些控制方法和策略的运用解决了冷却风机频繁投切和节能工作等问题。
用检测变压器油温代替变压器温度的近似控制保证了变压器实际温度的控制, PLC 能控制大量的过程参数, 例如: 温度、压力、流量、液位和速度等, PID使PLC 具有闭环控制的功能, 即一个具有PID 控制能力的PLC可用于控制过程。当过程控制中某个变量出现偏差时, PID控制算法会计算出正确的输出, 把变量保持在设定值上。以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能, 提高了系统的可靠性。在有模拟量的控制系统中, 经常用到PID运算来执行PID回路的功能, PID回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。
对于PLC内部的PID运算，其输出作为控制其中一台风扇电动机所接变频器的信号，因此变频器应该采用模拟量控制模式。 2.2.1综合投、切控制策略
继电式控制装置在控制冷却器自动投切上通常的做法是，设定固定的温度阀值，变压器油温超过阀值继电器动作，再投入一台风扇电动机，顶层油温低于设定阀值将投入的风扇电动机切除。这种做法的缺点是，当变压器温度在设定的温度阀值附近波动时，将造成风扇电动机的频繁投切。
本文所提出的冷却系统是使用PLC控制变频器启动一台风扇电动机，例如1号风扇电动机，当变频器的频率从0Hz开始上升到工频50HZ，一段时间后仍然无法使油温降到要求的温度范围内，则变频器内部的继电器工作，输出工频到达信号，使接入PLC内部的该继电器常开触点闭合，PLC根据此信号控制其他的风扇电动机顺序启动，例如工频启动5号风扇电动机，使其投入工作，延时一段时
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间后，通过PLC中的PID调节，输出模拟信号到2号变频器中，控制该变频器输出相应的电压和频率，从而调节变压器油温，如若此时已达到所要求的油温，则不再工频启动其他的风扇电动机，反之，一段时间后该变频器仍然输出工频到达信号，则按照启动5号风扇电动机的过程进行控制，依次启动4号、3号、2号、6号风扇电动机，最终使检测出的油温达到设定值。
当然，当冷却装置中的风扇电动机正常运行时，如果变压器负荷变小，此时的自身损耗所损失的热功率变小时，变压器油温会降低，如若此时仍然按照原来负荷未变化时相应投入的工频运行的风扇电动机数量就会产生浪费，此时PLC通过检测变频控制风机的变频器的0频信号是否到达以控制是否切出其他风扇电动机的控制策略，如果此时已有工频运行的风扇电动机工作，则切出一台投入工频运行的风扇电动机，此时先切出的风扇电动机应该是最先启动的风扇电动机。反之，如若变压器0频信号未达到，则变频器可以根据PLC输出的模拟信号自动控制输出相应的频率和电压，从而达到精确控制的目标。 2.2.2 PLC变频控制的基本原理
由于对变压器油温的平滑控制需要控制其中的一台风扇电动机，如若不加入变频器，让所有风扇电机全部工频运行，则将使变压器实际油温低于设定的油温，造成能源的浪费也无法达到平滑控制的目的。反之，加入变频器，使用PLC控制变频器拖动风扇电动机，则可以改变变频器的输出电压和输出频率，从而使风扇电动机转速降低，达到恒温控制和节约能源的目的。基于以上思想，对1号风扇电动机通过 PID 调节完成恒温的闭环控制。以变压器上层油温作为 PID 的反馈，以目标温差作为 PID 的给定，PID 的输出作为变频器的频率运行信号。 2.2.3 PLC变频控制的PID参数整定
在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：
1.精确控制一般要求知道被控对象的数学模型，而实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID 约占总控制回路数的90%左右。
2.D控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。
3.较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID
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控制的变种和改进的控制方式，如 PI、PD等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。 如图2.1所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：
图2.1 用PLC实现模拟量PID控制的系统结构框图
1.PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。
2.PID功能指令。现在很多中小型 PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。
3.用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和 PID控制指令，有时虽然有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。
系统选用的是PID功能模块。如此系统即可实现较理想的控制性能。 PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和T S需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动
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态、静态性能之间的关系。
在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数K p越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，K p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数T I增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。
微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数T D增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。
选取采样周期T S时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。但是T S太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将T S取得过小。
PID控制算法关键的参数Kp（Gain，增益），Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数），Ts（采样时间）,在S7-200中PID功能是通过PID指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。也就说这些参数是通过PLC的功能块实现的。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以
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直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3 对于流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1 对于压力系统：P（%）30--70，I（分）0.4--3 对于液位系统：P（%）20--80，I（分）1--5 2.2.4 变压器冷却自动控制系统框图
油温自动控制系统框图如图2.2 所示，控制系统以变压器顶层油温作为被控量；PLC 和变频器作为控制器；交流接触器作为执行机构；风扇电动机作为被控对象；温度传感器作为变送器；将引起变压器油温变化的变压器负荷和环境温度看作控制系统的外部扰动。
图2.2 油温自动控制系统框图
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2.3 系统组成
电厂变压器冷却自动控制系统由以下器件所组成，具体见表2-2：
表2-2 变压器冷却系统组成器件表 名称 潜油泵 油泵电机 风扇电动机 风扇电动机 风扇电动机 风扇电动机 风扇电动机 风扇电动机 风扇 风扇 风扇 风扇 风扇 风扇 变频器 变频器 数量或编号 1台 1台 1号风扇电动机 2号风扇电动机 3号风扇电动机 4号风扇电动机 5号风扇电动机 6号风扇电动机 1号风扇 2号风扇 3号风扇 4号风扇 5号风扇 6号风扇 1号变频器 2号变频器 用途 用于强迫变压器中的油进行循环 控制潜油泵的转速（工作在变频状态） 用于带动风扇进行抽出的变压器油与外界空气进行热交换（工作在变频状态） 用于带动风扇进行抽出的变压器油与外界空气进行热交换（工作在工频状态） 用于带动风扇进行抽出的变压器油与外界空气进行热交换（工作在工频状态） 用于带动风扇进行抽出的变压器油与外界空气进行热交换（工作在工频状态） 用于带动风扇进行抽出的变压器油与外界空气进行热交换（工作在工频状态） 用于带动风扇进行抽出的变压器油与外界空气进行热交换（工作在工频状态） 使抽出的变压器油与外界空气进行热交换（1号风扇电动机控制） 使抽出的变压器油与外界空气进行热交换（2号风扇电动机控制） 使抽出的变压器油与外界空气进行热交换（3号风扇电动机控制） 使抽出的变压器油与外界空气进行热交换（4号风扇电动机控制） 使抽出的变压器油与外界空气进行热交换（5号风扇电动机控制） 使抽出的变压器油与外界空气进行热交换（6号风扇电动机控制） 用于控制油泵电机的转速，本系统为手动调节该变频器以达到改变潜油泵转速的目标 用于拖动1号风扇电动机，由PLC控制输出信号以控制变频器的输出电压和输出频率，以达到对油温平滑控制和节能的目的 用于闭合或者分断1号风扇电动机电路 用于闭合或者分断2号风扇电动机电路 用于闭合或者分断3号风扇电动机电路 用于闭合或者分断4号风扇电动机电路 用于闭合或者分断5号风扇电动机电路 用于闭合或者分断6号风扇电动机电路 交流接触器 交流接触器 交流接触器 交流接触器 交流接触器 交流接触器
KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 13
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交流接触器 热继电器 热继电器 热继电器 热继电器 热继电器 交流继电器 交流继电器 交流继电器 交流继电器 熔断器 熔断器 熔断器 万能转换开关 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 控制按钮 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 空气开关 空气开关 空气开关
KM7 FR2 FR3 FR4 FR5 FR6 KA1 KA2 KA3 KA4 Fu1 Fu2 Fu3 SA SB1 SB2 SB3 SB4 SB5 SB6 SB7 SB8 SB9 SB10 SB11 SB12 SB13 SB14 ZJ1 ZJ2 ZJ3 ZJ4 ZJ5 ZJ6 ZJ7 ZJ8 ZJ9 QA1 QA2 QA3 14
用于闭合或者分断潜油泵电动机电路 用于2号风扇电动机的过载保护 用于3号风扇电动机的过载保护 用于4号风扇电动机的过载保护 用于5号风扇电动机的过载保护 用于6号风扇电动机的过载保护 用于控制2号变频器的接通 用于控制2号变频器的复位 用于接通1号变频器的接通 用于接通1号变频器的复位 用于2号变频器和1号风扇电动机的短路保护 用于2-5号风扇电动机的短路保护 用于1号变频器和油泵电机的短路保护 手动选择PLC自动控制或继电器手动控制 采用继电器控制时手动断开KM1 采用继电器控制时手动闭合KM1 采用继电器控制时手动断开KM2 采用继电器控制时手动闭合KM2 采用继电器控制时手动断开KM3 采用继电器控制时手动闭合KM3 采用继电器控制时手动断开KM4 采用继电器控制时手动闭合KM4 采用继电器控制时手动断开KM5 采用继电器控制时手动闭合KM5 采用继电器控制时手动断开KM6 采用继电器控制时手动闭合KM6 采用继电器控制时手动断开KM7 采用继电器控制时手动闭合KM7 采用PLC控制时接通或断开KM1 采用PLC控制时接通或断开KM2 采用PLC控制时接通或断开KM3 采用PLC控制时接通或断开KM4 采用PLC控制时接通或断开KM5 采用PLC控制时接通或断开KM6 采用PLC控制时接通或断开KM7 用于传递手动控制信号给PLC 用于传递自动控制信号给PLC 手动接通2号变频器和1号风扇电动机，并对该电路进行过电压保护 手动接通2号-6风扇电动机，并对该电路进行过电压保护 手动接通1号变频器和油泵电机，并对该电内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
路进行过电压保护 可编程逻辑控制器 1台 利用程序自动控制变频器，油泵电机和风扇电动机的运转，当系统出现故障时发出报警信号，进行A/D、D/A转换 2.4本章小结
本章主要介绍了系统闭环控制的思想，对温度进行控制，在现阶段，PID控制能收到良好的控制效果。另一方面，主要阐述了系统的输入输出及其被控制量，并对其进行分类。初步确立了系统的PLC的输入输出特性。最后对系统的组成进行分析，便于下章对系统各部分进行选型确定。
第三章 冷却控制装置的硬件设计
变压器冷却器控制装置要用到诸如可编程序控制器、变频器、交流接触器等
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电气元件，本章我们介绍冷却控制装置设计中用到的主要电气元件及其在控制装置中的应用，装置的电气连接。
3.1 开关器件的选择
电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现电路或非电路对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备。 3.1.1 继电器的选择
继电器是控制系统中一种重要的元件，它的作用就是按照要求接通或断开控制系统中的电路。常用的继电器是有触点的，触点有通和断两种状态，状态的改变是利用电磁原理使衔铁产生闭合动作，从而带动触点动作。当继电器的输入电压、电流和频率等数值或温度、压力和转速等数值达到规定值时，继电器的触点便接通或断开所控制或保护的电路。
继电器在控制系统中的主要作用有传递信号和放大功率。它用触点的转换、接通或断开电路以传递控制信号。继电器动作的功率通常是很小的，而被其触点所控制电路的功率要大得多，从而达到功率放大的目的。值的注意的是，继电器的触点不能用来接通和分断负载电路，这也是继电器的作用与接触器的作用的区别。
按输入信号不同，继电器有电压继电器，电流继电器，时间继电器，速度继电器和中间继电器。按线圈电流种类不同来分有交流继电器和直流继电器。本系统所用的继电器全部为交流继电器，这是由供电电源和继电器在电路中所接的位置所决定的。 3.1.2 接触器的选择
电磁式接触器是利用电磁吸力的作用使主触点闭合或分断电动机电路或其他负载电路的控制电器。接触器是电气控制线路中应用最广泛的电器之一，它适于远距离频繁地接通和分断主电路或大容量控制电路，主要用于控制电动机，也可用于控制其他电力负载。接触器在工业中是利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动
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作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开 在工业电气中，接触器的型号很多，电流在5A-600A的不等，其用处相当广泛。因为可快速切断交流与直流主回路，可频繁的接通与大电流控制电路的装置，所以经常运用于电动机以做为执行元件，也可用作控制工厂设备、电热器、工作母机和各样电力机组等电力负载，并作为远距离控制装置。
接触器根据控制线圈的电压不同，可分为直流接触器和交流接触器。 由于本文所提出的电厂变压器冷却系统采用交流供电，因此接触器选用交流接触器。
交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，分别记为AC1 、AC2 、AC3和AC4 。一类交流接触器对应的控制对象是无感或微感负荷，如白炽灯、电阻炉等；二类交流接触器用于绕线式异步电动机的起动和停止；三类交流接触器的典型用途是鼠笼型异步电动机的运转和运行中分断；四类交流接触器用于笼型异步电动机的起动、反接制动、反转和点动。
如果电动机的操作频率要求不高，如压缩机、水泵、风机、空调、冲床等，接触器额定电流大于负荷额定电流即可。接触器类型可选用CJl0、CJ20等。 3.1.3 热继电器的选择
热继电器是利用电流的热效应原理工作的电器，广泛用于三相异步电动机的长期过载保护。热继电器主要由热元件、双金属片和触头系统三部分组成。热继电器的热元件串联在电动机定子绕组的主电路中，当电动机正常工作时，热元件产生的热量虽然能使双金属片弯曲，但还不足以使热继电器动作；当电动机过载时，双金属片弯曲程度加大使热继电器动作。热继电器动作后，经过一段时间冷却，就可以手动或自动复位。
若三相电动机的一根接线松开或一相熔丝熔断，将使电动机所接另两相电流增大很多，若热继电器所保护的电动机是Y接法时，发生此类情况，则另两相线电压等于相电压，流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加比例相同，因此普通的两相或三相热继电器可以对此作出保护。如果电动机是D形接法，发生断相时，由于电动机的相电流与线电流不等，流过电动机绕组的电流和流过热继电器的电流增加比例不同，而热元件又串联在电动机的电源进线中，按电动机
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的额定电流即线电流来整定，整定值较大。当故障线电流达到额定电流时，在电动机绕组内部，电流较大的那一项绕组的故障电流将超过额定相电流，便有过热烧毁的危险。所以，D接法必须采用带断相保护的热继电器。
为了增加系统的安全性，对冷却装置中风扇电动机和油泵电机产生断相保护，因而选用带断相保护的热继电器,通常选取热继电器的额定电流为电动机的额定电流，因而可选择型号为JR16-20/3D,编号为10的热继电器，该热继电器的额定电流为11.0A，刻度电流调整范围为6.8-9.0-11.0A。 3.1.4 熔断器的选择
熔断器又称保险器（或保险丝），广泛用于低压电网中起短路保护作用。当通过熔断器的电流超过某一规定值时，熔断器熔体很快溶化而将电路切断。其特点是体积小、动作快、经济简单，且有限制短路电流的作用。它的缺点是易受周围温度的影响，工作不够稳定，容易在正常工作时发生单相熔断，造成电动机单相运行，使电动机烧毁。
选用熔断器时，首先要考虑线路的电压等级，然后根据供电系统中可能出现的最大故障电流，选择具有相应分断能力的熔断器。当熔断器用作电动机回路的短路保护时，要避免电动机在启动过程中，启动电流过大而使熔体烧断。通常保护单台长期工作电动机的熔断器，熔断器额定电流应取为电动机额定电流的1.5——2.5倍。在经常启动或启动时间较长的场合，熔体额定电流取为电动机电流的3——3.5倍。根据负载情况选出熔体的额定电流后，还应以电路的最小短路电流加以校验，一般应使最小短路电流比额定电流大4——7倍。
由于本系统中熔断器FU2用于保护多台风扇电动机，而熔断器所保护的5台风扇电动机的容量相同，所以，熔体的额定电流应该满足大于等于（1.5——2.5）Iemax+∑Ie 。Iemax为多台电动机中容量最大的一台风扇电动机额定电流，∑Ie为其余风扇电动机额定电流之和。也就是说，FU2的额定电流应选择（1.5——2.5）* Ie + 4 * Ie =(5.5——6.5) Ie 。
对于熔断器FU1,由于它保护1号风扇电动机，熔体额定电流选取风扇电动机启动电流的1.5——2.5倍。而对于熔断器FU3，由于它保护油泵电机，而油泵电机处于长期工作状态，因而，熔体额定电流应选取风扇电动机启动电流的1.5——2.5倍。
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3.2 电动机的选择
电动机作为控制系统的必不可少部分，它的选择直接关系到系统的运行质量以及是否可以达到电厂变压器冷却系统所要求的稳定范围。电动机类型选择的基本依据是在满足生产设备对拖动系统静态和动态特性要求的前提下，力求结构简单、运行可靠、维护方便、成本低廉。选择电动机时考虑以下几点：
1.不需要调速且对启动性能也无过高要求的设备应优先选择鼠笼式异步电动机。
2.对于要求经常启、制动，且负载转矩较大，又有一定调速要求的机电设备，应考虑选用绕线式异步电动机；对于周期性负载的生产设备，一般都采用电动机带飞轮工作，这种情况下也应选用绕线式异步电动机。
3.需要补偿电网功率因数获得稳定工作速度时，优先选用同步电动机。 4.对只需几种速度，而不要求无级调速的生产设备，为了简化变速机构，可选用多速异步电动机。
5.需要大的启动转矩和恒功率调速的生产设备，宜采用直流串励或复励电动机。
6.对要求大范围无级调速，且要求经常启动、制动、正反转的生产设备，则可选用带调速装置的直流电动机或鼠笼式异步电动机。
7.对要求调速范围很宽的生产设备，最好将机械变速和电气调速两者结合起来考虑，容易得到技术指标和经济指标都较好的效果。
由于本系统所选取电动机要拖动的是风扇和潜油泵，且负载一般不会发生突变。因此选用异步电动机较为合适。又因为负载属于中小型，因此选用鼠笼式的异步电动机即可满足要求。按照经验可知，风扇冷却装置部分可选择6台5.5KW的电机，采用Y型接法。潜油泵也选用一台5.5KW的鼠笼型异步电动机，采用Y型接法。
所有电机均可选用三相异步y132s-1电机，y132s-1意义是y：y系列异步电动机；132：中心高 132mm；S代表小基座，M代表中基座，L代表大基座。
该电机的具体参数为： 额定功率：5.5Kw 额定电压：380V
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额定电流：11.1A 额定转速：2900 r/min 额定效率：85.5% 额定功率因数：0.88 额定频率：50HZ
3.3 PLC的介绍及选型
3.3.1 PLC的简介
可编程控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪七十至八十年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。 PLC的最大特点是控制过程以程序方式存放在存储器内，只要修改存储器中的程序就能改变生产工艺的控制过程，而不需要对硬件连线作多大的改变。改变程序的方式要比改变硬件连线容易得很，所以PLC很快被其他行业采用。
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系
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列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
PLC是电子技术，计算机技术与继电逻辑自动控制系统相结合的产物。它不仅充分发挥了计算机的优点，以满足各种工业生产过程自动控制的需要，同时又照顾了一般电器操作人员的技术水平和习惯，才用梯形图或状态流程图等编程方式，使用始终保持大众化的特点。
可编程序控制器被认为是真正的工业控制计算机，在工业自动控制系统中占 有极其重要的地位，最重要的原因是它具有的独特优点：
1.可靠性高
可编程序空控制器的平均无故障时间可达几十万小时，这是一个难以置信的数字，也就是说，一台可编程程序控制器可连续运行30多年不出故障，大概到目前为止没有一种工业控制设备有如此高的可靠性。一般来说，可编程序控制系统中发生的故障绝大多数是传感器、执行器外围部件所造成的。
2.编程方便
对于一般电气控制线路，可采用梯形图编程，这种编程方式与实际电路原理图非常接近，即使是普通的工人，也能在较短的时间内掌握。对于较复杂的控制系统，为简化编程，许多型号的可编程序控制器都设置了步进顺序控制指令、流程图指令、功能指令系统，大大加快了系统开发速度。
3.对环境要求低
可编程序控制器可在较大的温度、湿度变化范围内正常工作，抗震动，抗冲击的性能好，对电源电压的稳定性要求较低，特别是抗电磁干扰能力强，因此可用在较恶劣的工业环境中。这一点较之一般单片机控制系统尤为突出。
可编程控制器的硬件组成是与微型计算机相似，其主机由CPU、存储器、输
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入/输出接口、电源等几大部分组成。此外根据用户的需要而配备的各种外部设备如编程器、图形显示器、微型计算机等都可通过通信接口与主机相连。
1.中央处理器
中央处理器简称CPU。与一般计算机一样CPU是核心，在整机中起到类似人的神经中枢作用 ，对可编程控制器的整机性能有着决定影响。随着微电子技术的迅速发展，单片机以其体积小，可靠性和性能价格比高等优势受到了人们的特别关注，目前大多数小型PLC都用8倍或者16位单片机作CPU。
2.存储器
可编程控制器的存储器分为系统程序存储器和用户存储器两种。系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他各种管理程序，而系统程序直接影响着PLC的整机性能。系统程序需要永久保存在PLC中，不能因关机、停电或其他部分出现故障而改变其内容。因此，制造商都将系统程序固化在制度存储器ROM中 ，作为机器的一部分提供给用户，用户无法改变系统程序的内容。用户存储器是专门提供给用户存放程序和数据的，所以用户存储器通常又分为用户程序存储器和数据存储器两个部分。
3.输入接口电路
输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种类型，用户涉及最多的是开关量。
3.3.2可编程序控制器的输入输出
根据变压器冷却控制装置的功能设计和结构设计，同时结合冷却控制装置的设备选型，可以确定可编程序控制器输入/输出的来源或者去向及输入/输出的性质和数量，如表3.1 所示。
表3.1 可编程序控制器的输入输出量统计 输入/输出名称 1.开始信号 2.停止信号 3.自动控制信号 4.热继电器FR2动作信号 5.热继电器FR3动作信号 6.热继电器FR4动作信号 实现方式 控制按钮 控制按钮 中间继电器JZ9常开触点 FR2常开触点 FR3常开触点 FR4常开触点 性质及数量 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 22
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7.热继电器FR5动作信号 8.热继电器FR6动作信号 9.手动控制信号 10. 2号变频器故障信号 11. 1号变频器故障信号 12.交流接触器KM1动作信号 入 13.交流接触器KM2动作信号 14.交流接触器KM3动作信号 15.交流接触器KM4动作信号 16.交流接触器KM5动作信号 17.交流接触器KM6动作信号 18.交流接触器KM7动作信号 19.2号变频器工频到达信号 20.2号变频器0频信号 21.变压器油温信号 合 计 输 1.交流接触器KM1闭合信号 2.交流接触器KM2闭合信号 3.交流接触器KM3闭合信号 4.交流接触器KM4闭合信号 5.交流接触器KM5闭合信号 6.交流接触器KM6闭合信号 7.交流接触器KM7闭合信号 8.2号变频器启动信号 9.2号变频器复位信号 10.1号变频器启动信号 11.1号变频器复位信号 12.1号风扇电动机故障显示 13.2号风扇电动机故障显示 14.3号风扇电动机故障显示 15.4号风扇电动机故障显示 16.5号风扇电动机故障显示 17.6号风扇电动机故障显示 18.油泵电动机故障显示 19.2号变频器故障显示 20.1号变频器故障显示 21.系统正常工作显示 22.2号变频器温度控制信号 合 计
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FR5常开触点 FR6常开触点 中间继电器JZ8常开触点 2号变频器内部继电器KA13常开触点 1号变频器内部继电器KA14常开触点 交流接触器KM1常开触点 交流接触器KM2常开触点 交流接触器KM3常开触点 交流接触器KM4常开触点 交流接触器KM5常开触点 交流接触器KM6常开触点 交流接触器KM7常开触点 2号变频器内部继电器KA15常开触点 2号变频器内部继电器KA16常开触点 温度传感器 中间继电器ZJ1 中间继电器ZJ2 中间继电器ZJ3 中间继电器ZJ4 中间继电器ZJ5 中间继电器ZJ6 中间继电器ZJ7 继电器KA1 继电器KA2 继电器KA3 继电器KA4 1号报警指示灯 2号报警指示灯 3号报警指示灯 4号报警指示灯 5号报警指示灯 6号报警指示灯 7号报警指示灯 8号报警指示灯 9号报警指示灯 10号指示灯 PLC扩展单元EM235 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 数字输入 模拟输入 21路输入 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 数字输出 模拟输出 22路输出 输 出 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
表3.1 中给出了可编程序控制器的输入/输出名称，实现方式以及输入/输出的性质及数量，从表可知可编程序控制器共有20路数字量输入和21 路数字量输出，各有1路模拟量输入和输出。输入/输出性质及点数的确定非常重要，成为可编程序控制器选型的一项重要指标，可编程序控制器连同其输入/输出模块必须满足输入/输出点数的要求。 3.3.3 可编程序控制器的选择
根据变压器冷却控制装置对可编程序控制器控制功能、输入/输出性质及点数，存储容量的要求，综合考虑性能、可靠性、价格等方面的因素，我们选用西门子S7－200 型PLC 作为冷却控制装置的控制器。
所选择PLC 能最大限度的满足控制系统的控制功能是选择PLC时首先考虑的问题。S7-200 型PLC 代替了很多定时器、计数器、继电器所实现的功能，该PLC 具有位逻辑、计数、定时、移位循环、比较、数字运算等指令，同时支持子程序和中断，能通过串口完成通讯，在控制功能方面，S7-200 型PLC 能满足冷却控制装置的功能需求。
S7-200系列PLC属于整体式（单元式）结构，其特点是非常紧凑。它将所有的模板都装入一个机体内，构成一个整体，这样体积小巧、成本低、安装方便。整体式PLC可以直接装入机床或电控柜中，它是机电一体化特有产品。例如，S7-200系列PLC，在一个机体内集中了CPU板、输入板、输出板、电源板等。
S7-200系列的PLC的CPU2XX可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成有基本单元、扩展单元、编程器、存储器卡、写入器、文本显示器等。
S7-200系列PLC中的CPU基本单元如表3.2所示，该表给出了CPU22X系列的输入输出点数量，可扩展模块数量以及可带数字量和模拟量路数。
表3.2 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元
型 号 S7-200CPU221 S7-200CPU222 输入点 6 8 输出点 4 6 可带扩展模块数 — 2个扩展模块 78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点 24
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7个扩展模块 168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点 2个扩展模块 248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点 2个扩展模块 248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点 S7-200CPU224 14 10 S7-200CPU226 24 16 S7-200CPU226XM 24 16 S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，因为扩展单元内部不具有CPU、ROM、RAM等，他们不能单独使用，作为基本单元输入/输出点数的扩充，仅能与基本单元相连接使用。不同的基本单元加上不同的扩展单元，可以方便地构成各种输入/输出点数的控制系统，以适应不同工业控制的需要。扩展单元型号及其输入/输出点数如表3.3所示：
表3.3 S7-200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数
类 型 数字量扩展模块 型 号 EM221 EM222 EM223 EM231 模拟量扩展模块 EM232 EM235 输入点 8 无 4/8/16 3 无 4 输出点 无 8 4/8/16 无 2 2 由本章3.3.2分析可知，由于电厂变压器冷却系统中数字输入量有20个，数字输出量有21个，模拟输入量有1个，模拟输出量也有1个。而为了保证系统一般留有15％～20％裕量的要求，因此选用型号及扩展模块的输入应该大于20，可以为30左右。
从电源和带负载能力方面考虑。S7－200 型PLC 适合运行于额定电压为120～220V 交流电源的场合，在变电站能提供220V 交流电源，同时也为了布线简单方便，我们电源选用220AC。
因为该变压器冷却系统需要20个数字量输入，21个数字量输出，PLC224有24个数字量输入和16个数字量输入，无论如何仍然需要接入扩展模块，因而从经济性考虑，我们选择PLC224。PLC224有14个数字量输入10个数字量输出，我们可选择一个数字扩展模块EM223，选用16输入16输出的扩展模块，又因为控制系统中有模拟量，因而我们可以选择模拟扩展模块EM231RTD和EM232。
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综上所述，PLC我们选用西门子200系列的CPU 224 AC，一块数字扩展模块EM223和模拟扩展模块EM232和EM231RTD。 3.3.4可编程控制器电源的设计
可编程控制器PLC的CPU有内部电源可以为CPU自身，扩展模块和其他用电设备提供5V 和24V 直流电源。扩展模块通过与CPU连接的总线连接电缆取得5V直流电源。5V直流电源不能通过添加外部电源增加供电能力。CPU还向外提供一个24V直流电源，从电源输出点（L＋，M）引出，即传感器电源。此电源可为CPU和扩展模块上的I/O点供电，也可为一些特殊或智能模块提供电源。此电源还从S7－200CPU上的通讯口输出，提供给PC/PPI编程电缆，或TD200文本显示操作界面等设备。
不同规格的CPU 提供的电源容量不同，具体为表3.4所示：
表3.4 S7－200CPU供电能力 mA CPU型号 CPU221 CPU222 CPU224 CPU226 5V电源 －(不能扩展模块) 340 660 1000 24V电源 180 180 280 400 由于本系统中采用CPU224，所以，根据实际应用就电源容量进行规划计算，如表3.5 所示：
表3.5 PLC 电源计算 CPU 电源预算 CPU224AC/DC/继电器 系统要求 CPU224（14个输入点，10个继电器输出） EM223 模块本身需求 16个输入点 16个继电器输出 EM232
5V 直流 660mA 减去以下电源需求 5V直流 － 80 mA 20 mA 26
24V 直流 280mA 减去以下电源需求 24V 直流 14×4mA=56 mA 16×4mA=64 mA 16×9mA=144 mA 30mA 模块本身需要 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
EM231RTD 模块本身需要 总需求 计算 总电流差额 87mA 80 ＋20＋87＝187 mA 660－187＝473 mA 剩473 mA 60mA 80＋20＋87＝187 mA 660－187＝473 mA 剩473 mA 每个扩展模块都需要5V直流电源，应当检查所有扩展模块的5V直流电源需求是否超出CPU的供电能力，如果超出，就必须减少或改变模块配置。
如果使用CPU上的24V直流传感器电源为扩展模块供应24V直流电源，或者为I/O点提供24V直流电源，这些电源需求都要根据CPU的供电能力进行计算。如果所需电流超出了传感器电源的供电能力，就需要增加外接24V直流电源。S7－200CPU上提供的电源不能和外接电源并联，外加电源直接连接到相应的模块上即可。
从表中电源计算可以看出，装置需要额外提供24V 直流电源，需加装直流电源后系统才能正常工作。在输入/输出性质及点数要求方面，采用上面提到的CPU 和扩展模块能满足装置的要求。
另外，针对CPU的电源接线，有一些需要我们注意的问题。
CPU的PE就是保护地（屏蔽地），可以连接到三相五线制的地线，或者机柜金属壳，或者接真正的大地。PE绝对不可以连接交流电源的零线（N，即中性线)。某些情况下，为了抑制干扰也可以把CPU直流电源的M端与PE连接，但在接地情况不理想的情况下最好不要这样做。在S7-200系统中，凡是标志为L1/N的都是交流电源端子，凡是标志为L+/M的都是直流电源端子。
CPU的输入点接线有漏型输入和源型输入两种，漏型输入就是信号从输入器件流入，而源型输入就是信号电流从模块内向输入器件流出，即漏型输入和源型输入分别对应PNP型和NPN型的传感器信号。
CPU的输出点接线有24V直流（晶体管）输出和继电器输出两种。对于CPU上的输出点来说，凡是24V直流供电的CPU都是晶体管输出，220V交流供电的CPU都是继电器接点输出。直流晶体管输出点只有源型输出一种；继电器接点的输出接点设有电流方向性，它既可以连接直流信号，也可以连接交流信号，但是不能通过380V交流电流。如果线路复杂或者设备应用条件差，容易导致电源短路等故障，可使用其他电源为I/O点供电，而不使用CPU本身的24V传感器电源供电。
模拟量输入：AI
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S7-22将模拟量值（如温度或压力）转化为1个字长（16位）的数字量，可以用区域标识符（AI）、数据长度（W）及起始地址来存取这些值，因为模拟输入量为一个字长，且从偶数字节（如0，2，4）开始，所以必须用偶数字节地址（如AIW0,AIW2,AIW4）来存取这些数值，模拟量输入值为只读数据。
格式： AIW（起始字节地址） AIW4 模拟量输出：AQ
S7-200把1个字长（16位）数字值按比例转化成电流或电压，可以用区域标识符（AQ）、数据长度（W）及字节的起始地址来改变这些值，因为模拟量为一个字长，且从偶数字节（如0，2，4）开始，所以必须用偶数字节地址（如AQW0,AQW2,AQW4）来存取这些数值，模拟量输入值为只写数据。
格式： AQW（起始字节地址） AQW4
3.4变频器的介绍及选型
3.4.1变频器的介绍
变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统是包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。
变频器是把工频电源(50Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。 3.4.2变频器的分类
1．从整体结构上看，电力电子变压器可分为交—直—交和交—交两大类。 交—直—交变压变频先将工频交流电源通过整流器变成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流之间多了一个中间直流环节，所以又称间接式变压变频器。
具体的整流和逆变电路很多，当前应用最广的是由二极管组成不可控整流器
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和全控型功率开关器件组成的直流脉宽调制（PWM）逆变器。PWM变压变频器的应用之所以广泛，是由于它具有一系列的优点：
1） 在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元是可控的，通过它同时调节电压和频率，结构十分简单。 采用全控型的功率开关器件，通过驱动电压脉冲进行控制，驱动电路简单，效率高。
2） 输出电压波形虽然是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电动机运行的低次谐波受很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。
3） 逆变器同时实现调压和调频，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，使动态性能得以提高。
4） 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数提高，且不受逆变器输出电压大小的影响。
交—直—交变频器主要适用于中小功率、转速较高、负载较平稳的场合，例如压缩机、挤压机和水泵等。
交—交变频器是将恒压频的交流电一次变换成调压调频的交流电，它由三组可逆整流器组成。当三组移相信号是一组频率和幅值都可调的三相正弦交流信号时，则变频器输出三相交流电。
对于三相交—交变频器中的任何一相，它的主电与晶闸管直流可逆拖动的主电路是完全一样的，也是由两组反并联的晶闸管相控变流器组成的。如果正组和反组轮流的向负载供电，则在负载上就获得了交流输出电压，输出电压的幅值由各组变流器的控制角 决定，输出电压的频率由两组变流器的切换频率决定。若在半周期内使控制角由90°逐渐减少到0。再逐渐增加到90° ，则输出电压呈正弦规律变化。
交—交变频器的主要特点有：
1） 原理主要基于可逆和整流，可直接引用成熟的直流可逆变压调速的技术和经验。
2） 输出到电动机的电流近似于三相正弦电力，附加损耗小，转矩脉动量小。 3） 采用元器件的数量较多，如果采用三相桥式接法，需要36个晶闸管。 4） 由于输出电压波形是由电源波形的区段组成的，为了使波形畸变不至于
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过大，输出频率不能高于电网频率的1/3～1/2。当电源频率为50HZ时，最大输出频率比超过20HZ。
5） 拖动的电机一般属于普通电机，价格便宜，但是转速低。对于4极电机，最高速小于600r/min。
由于以上特点，交—交变频器通常用于大功率（500kw或1000kw以上）、低速（600r/min以下）的场合，如扎钢机、球磨机、水泥回转窑等。
2．当逆变器输出测的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将有无功功率交换，用于缓冲中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器可分为电压型和电流型两类。
当直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，在理想的情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形或阶梯形，是电压源型逆变器(VSI，Voltage Source Inverter)，简称电压型逆变器。
当直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形或阶梯形，叫做电流源型逆变器（CSI，Current Source Inverter），简称电流型逆变器。
两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现在：
1） 无功能量的缓冲。在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间环节于负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除了滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不至影响到交流电网。因此也可以说，两类逆变器的区别还表现在采用什么储存元件（电容或电感）来缓冲无功能量。
2） 能量的回馈。用电流型逆变器给异步电动机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著的特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。
与此相反，采用电压源型的交—直—交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难。因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。必须制动时，只能在支流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与
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UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂的多。
3） 动态响应。由于交—直—交电流型变压变频调速系统的直流电压极性可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压型的系统则要差一些。
4） 应用场合。电压源型逆变器属于恒电压，电压控制响应慢，不易波动，适于做多台电动机同步运行时的供电电压源，或单台电动机调速但不要求快起制动和快速减速的场合。采用电流型逆变器的系统则相反，不适用于多电动机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。 3.4.3变频器的控制方式
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
1. V/f控制
V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
2. 转差频率控制
转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，它是在V/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式，在控制系统中需要安装速度传感器，有时还加有电流反馈，对频率和电流进行控制，因此，这是一种闭环控制方式，可以使变频器具有良好的稳定性，并对急速的加减速和负载变动有良好的响应特性。
3. 矢量控制
矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流分别进行控制，进而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用顺序和时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的。例如形成开关次数最少
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的PWM波以减少开关损耗。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。
基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致，但是基于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制，使之满足一定的条件，以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此，基于转差频率的矢量控制方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是，这种控制方式属于闭环控制方式，需要在电动机上安装速度传感器，因此，应用范围受到限制。
无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控制，然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽，启动转矩大，工作可靠，操作方便，但计算比较复杂，一般需要专门的处理器来进行计算，因此，实时性不是太理想，控制精度受到计算精度的影响。
4.直接转矩控制
直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。
5.其他非智能控制方式
在实际应用中，还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、滑模变结构控制、差频控制、环流控制、频率控制等。 3.4.4变频器的选择
虽然变频器可以达到节能的效果，但是变频器不是在任何情况下都能正常使用，因此我们有必要对负载、环境要求和变频器进行综合分析。
1.风机和水泵是最普通的负载：对变频器的要求最为简单，只要变频器容量等于电动机容量即可（空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加大容量）。
2.起重机类负载：这类负载的特点是启动时冲击很大，因此要求变频器有一
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定余量。同时，在重物下放肘，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用母线方式。
3.不均行负载：有的负载有时轻，有时重，此时应按照重负载的情况来选择变频器容量，例如轧钢机机械、粉碎机械、搅拌机等。
4.大惯性负载：如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因此启动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。应该用容量稍大的变频器来加快启动，避免振荡。配合制动单元消除回馈电能。
变频器安装地点必需符合标准环境的要求，否则易引起故障或缩短使用寿命；变频器与驱动马达之间的距离一般不超过50米，若需更长的距离则需降低载波频率或增加输出电抗器选件才能正常运转。
处于变频器功能是否强大，装置可靠性，购买成本以及售后服务等多方面因素考虑，我们选择西门子公司的MicroMaster 430即常说的MM430变频器，该品牌的变频器各型号的参数如表3.6所示：
表3.6 MM430变频器各型号比较 订货号 6SE6430- 2AD275CA0 2AD311CA0 2AD315CA0 2AD31BDA0 2AD322DA0 11.0 15.0 14.0 22.5 26.0 32 3NA3012 4.0 11 10.0 7 4.0 11 10.0 7 5.7 12.5 185.0 245.0 195.0 15.0 20.0 19.8 30.5 32.0 35 3NA3014 6.0 9 10.0 7 6.0 9 10.0 7 5.7 12.5 245.0 195.0 18.5 25.0 24.4 37.2 38.0 50 3NA3020 10.0 7 35.0 2 10.0 7 35.0 2 17.0 37.0 275.0 520.0 245.0 22.0 30.0 29.0 43.3 45.0 63 3NA3022 10.0 7 35.0 2 10.0 7 35.0 2 17.0 37.0 275.0 520.0 245.0 电动机的额定 （KW） 7.5 输出功率 （hp） 10.0 输出功率 （KVA） 10.1 VT输入电流 （A） 16.0 VT输出电流 （A） 18.4 推荐安装的 20 熔断器 （A） 3NA3007 进线电缆 （mm²） 2.5 的最小截面积 (awg) 13 进线电缆 （mm²） 10.0 的最大截面积 (awg) 7 电动机电缆 （mm²） 2.5 的最小截面积 (awg) 13 电动机电缆 （mm²） 10.0 的最大截面积 (awg) 7 重量 （kg） 5.7 (ibs) 12.5 宽（mm） 185.0 外 高（mm） 245.0 形 深（mm） 195.0 33
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尺 宽（inches） 7.28 寸 高（inches） 9.65 高（inches） 7.68 7.28 9.65 7.68 7.28 9.65 7.68 10.83 20.47 9.65 10.83 20.47 9.65 由以上表格，以及本系统所用风扇电机以及油泵电机的额定参数，我们可选用6SE6430-2AD275CA0型号，即选用电动机额定输出功率为7.5KW的变频器，这样变频器相对电机功率留有了一定的裕量，因而需要对变频器自身进行参数设置。
3.4.5变频器参数的设置
MM430变频器的调试方法有利用状态显示板（SDP）和制造厂的缺省设置值进行调试和利用基本操作板（BOP-2）修改参数两种方式。如果使用状态显示板和制造厂的设置值对变频器进行调试时，变频器的预设定制必须与以下电动机数据兼容：
1.电动机的额定功率； 2.电动机的额定电压； 3.电动机的额定电流； 4.电动机的额定频率。
本系统中，两台变频器的调参选用利用基本操作板进行快速调试的方法。快速调试的流程以及每个参数代表的意义如下所示：
1. P0003 用户访问级 1标准级 2 扩展级 3 专家级 2. P0010 开始快速调试
0 准备运行 1 快速调试 30 工厂的缺省设置值 3. P0100 选择工作地区是欧洲、北美 0 功率单位为KW，f的缺省值为50Hz 1 功率单位为hp，f的缺省值为60Hz 2 功率单位为KW，f的缺省值为60Hz 4. P0205 变频器的应用对象 0 恒转矩 1 变转矩
5. P0300 选择电动机的类型
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1 异步电动机 2 同步电动机
6. P0304 额定电动机电压 设定值的范围：10V-2000V
根据名牌键入的电动机额定电压（V） 7. P0305 电动机的额定电流
设定值的范围：0-2倍变频器额定电流（A） 根据名牌键入的电动机额定电流（A） 8. P0307 电动机的额定功率 设定值的范围：0.01KW-2000KW 根据名牌键入的电动机额定功率（KW） 9. P0308 电动机的额定功率因数 设定值的范围：0.000-1.000 根据名牌键入的电动机额定功率因数 10. P0309 电动机的额定效率 设定值的范围：0.0-99.99%
根据名牌键入的以%值表示的电动机额定效率 11. P0310 电动机的额定频率 设定值的范围：12HZ-650HZ 根据名牌键入的电动机额定频率 12. P0311 电动机的额定速度 设定值的范围：0-40000r/min 根据名牌键入的电动机额定速度 13. P0335 电动机的冷却
0 自冷 1 强制冷却 2 自冷和内置风机冷却 3 强制冷却和内置风机冷却 14. P0700 选择命令源
0 工厂设置值 1 基本操作面板（BOP-2） 2 端子（数字输入） 15. P1000 选择频率设定值
1 电动电位计设定值 2 模拟设定值1 3 固定频率设定值 4 模拟设定值2
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16. P1080 电动机最小频率 设定值的范围：0-650HZ 17. P1082 电动机最大频率 设定值的范围：0-650HZ 18. P1120 斜坡上升时间 设定值的范围：0s-650s
电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需的时间 19. P1121斜坡下降时间 设定值的范围：0s-650s
电动机从最大电动机频率到静止停车所需的时间 20. P1300 控制方式
0 线性V/F控制 1 带FCC的（磁通电流控制）的V/F控制 2 抛物线V/F控制3 可编程的多点V/F控制 5 用于纺织工业的V/F控制 6 用于纺织工业的带FCC的（磁通电流控制）的V/F控制 19 带独立电压设定值的V/F控制
由本系统所用电动机的参数以及本系统的控制方式设置上述参数如下： 1. 2号变频器（风机变频器）参数值：
P0003=2 P0010=1 P0100=0 P0205=1 P0300=1 P0304=380V P0305=11.1A P0307=5.5KW P0308=0.880 P0309=85.5% P0310=50HZ P0311=2900r/min
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P0355=0 P0700=2 P1000=2 P1080=0HZ P1082=50HZ P1120=10s P1121=30s P1300=0
2. 1号变频器（潜油泵变频器）参数值： P0003=2 P0010=1 P0100=0 P0205=1 P0300=1 P0304=380V P0305=11.1A P0307=5.5KW P0308=0.880 P0309=85.5% P0310=50HZ P0311=2900r/min P0355=0 P0700=2 P1000=1 P1080=10HZ P1082=50HZ P1120=10s P1121=30s P1300=0
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3.5 检测装置的选择
由于电厂变压器冷却系统中要控制的量是变压器顶层油的温度，因而需要一个检测装置把变压器油温反馈到PLC中。检测装置指的是传感器和变送器。传感器负责检测到过程信号，变送器将检测到的信号以标准信号的形式传送出去。
温度是一个基本的物理量，温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
大多数情况下，对温度传感器选用，需考虑以下几方面问题：
1.被测对象温度是否需记录、报警和自动控制，否需要远距离测量和传送。 2.测温范围大小和精度要求。 3.测温元件大小是否适当。
4.被测对象温度随时间变化场合，测温元件滞后能否适应测温要求。 5.被测对象环境条件对测温元件是否损害。 6.价格如何，使用是否方便。
其中，温度传感器按工作原理分类，主要是热敏元件的不同，有：热电偶，热电阻(金属)，和半导体热敏电阻.
对于热电偶常用于高温场合，容器中流体温度一般用热电偶或探头测量，但当整系统使用寿命比探头预计使用寿命长得多时，或者预计会相当频繁拆卸出探头以校准或维修却能容器上开口时，容器壁上安装永久性热电偶套管。用热电偶套管会显著延长测量时间常数。当温度变化很慢且热导误差很小时，热电偶套管会影响测量精确度，但如果温度变化很迅速，敏感元件跟踪上温度迅速变化，且导热误差又能增加时，测量精确度就会受到影响。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。
1．热电阻测温原理及材料
热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行
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温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
2．热电阻的类型
从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。
工业用热电阻一般采用Pt100,Pt10,Pt1000、Cu50,Cu100,铂热电阻的测温的范围一般为零下200-800摄氏度，铜热电阻为零下40到140摄氏度。如用铂丝做成的热电阻，其分度号称Pt100。就是说它的阻值在0度时为100欧姆，负200度时为18.52欧姆，200度时为175.86欧姆，800度时为375.70欧姆。
比如用铜丝作的热电阻，分度号Cu50。它在0度时，阻值是50欧姆，100度时=Ro[1+A*t+B*t*t+C(t-100)*t*t*t] 的形式，t表示摄氏温度，Ro是零摄氏度时的电阻值，A、B、C都是规定的系数，对于Pt100,Ro就等于100，
考虑到本系统所需温度传感器的实际情况以及从经济性考虑，本系统所用温度传感器选用热电阻PT100。
3.6装置电气连接
本文所提出的电厂变压器冷却系统的具体硬件电路图包含五大块电路图：油泵电机以及拖动该电机的1号变频器电路图；工频启动和运行的2-6号风扇电动机电路图；1号风扇电动机和拖动该电机的2号变频器电路图；手自动转换以及手动电气控制回路；PLC输入输出引脚接线图。 3.6.1 油泵电机电路图
油泵电机及拖动油泵电机的1号变频器的接线如图3.1所示：
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图3.1 油泵电机及拖动油泵电机的1号变频器的接线
由图可知，在三相电源后加入空气开关，在空气开关的后面接入熔断器FU3，之后接入交流接触器KM7,同时在交流接触后串入1号变频器，值得注意的是，变频器的启动和复位有自动控制和手动控制按钮两种，并且由于该油泵电机采用手动控制转速的方式，因而在变频器上接入一个滑线变阻器用来控制变频器输出的频率和电压。
3.6.2 2-6号风扇电动机电路图
2-6号风扇电动机电路接线图如图3.2所示：
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图3.2 2-6号风扇电动机电路接线图
由图可知，空气开关首先接到三相电源之后，熔断器随后接入，紧接着，2-6号风扇电动机并联接入三相电源中，此外，各风扇电机前依次接入了交流接触器KM2-KM6和热继电器FR2-FR6。 3.6.3 一号风机电路图
一号风机及拖动该风扇电机的2号变频器的接线如图3.3所示：
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图3.3 一号风机及拖动该风扇电机的2号变频器的接线
该接线图原理同油泵电动机接线图，只是需注意拖动1号风机的2号变频器是用PLC控制的，此外该变频器需要接收来自PLC发出的模拟量信号，需要连入模拟量输入引脚AIN2+和AIN2- 。 3.6.4 手自动控制选择和控制电路
该电路可以实现手动控制和自动PLC控制，具体的接线如图3.4所示：
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图3.4 手自动控制选择和控制电路
平时把万能转换开关打到中间位置，若打到左边的自动档，则由PLC编程控制，若PLC本身出现故障，则万能转换开关打到右边的手动挡，可由控制按钮SB1-SB14实现手动电气控制，该电路保证了系统的可靠性以及安全性。 3.6.5 PLC引脚接线图
PLC引脚接线如图3.5所示：
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图3.5 PLC引脚接线
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PLC的具体引脚接线已于本章3.3.2可编程序控制器的输入输出一节中详细介绍，本节给出具体的接线电路图，不再过多解释。 3.6.6 系统总电路图
系统总电路图如附录二所示。
3.7本章小节
本章主要根据系统的工艺要求，对系统的输入输出量进行确定，并且对系统PLC和变频器，系统中要用到的温度传感器，开关器件以及所选用电动机进行介绍和选型，最后，根据各环节的要求，对各部分进行整体组合，得出总电路图。
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第四章 软件设计
4.1 程序流程
本系统中自动化控制核心是可编程控制器PLC，本节首先分析介绍可编程序控制器程序流程，然后下一节介绍可编程序控制器程序中几个关键点的程序编制。
可编程序控制器程序流程图如图4.1 所示：
图4.1 可编程序控制器程序流程图
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关于本系统中投入和切出工频运行的2-6号风扇电动机的控制思想和实现方式已在本文2.2.1综合投、切控制策略一节中详细阐明，在这里不再解释。
4.2 本系统子程序介绍
本文所提出的变压器冷却系统中所设计的程序主要包括系统状态及PID初始化子程序，油泵电机控制程序，1号风机变频启动程序，2-6号风扇电动机投入控制程序，2-6号风扇电动机切出控制程序，故障诊断与报警程序，PI中断程序。
4.2.1 系统状态及PID初始化子程序
这一部分包括系统状态初始化子程序和PID初始化子程序.状态初始化子程序主要在PLC每1个扫描周期开始时对系统参数及状态进行设置;而PID初始化子程度是油温的模拟量PID控制参数表的写入和地址分配. 4.2.2 油泵电机控制程序
由于油泵电机需要一直工作以强迫变压器中的油进行循环，该部分就是PLC控制变频器拖动油泵电动机运转。当然，由于油泵电机使用手动控制调速，所以，PLC不能通过变频器改变油泵电机的转速。 4.2.3 1号风机变频启动程序
这一部分控制启动2号变频器，以及变频器拖动1号风扇电动机启动运行。 4.2.4 2-6号风机投入控制程序
此部分通过2号变频器工频信号是否到达以控制是否投入2-6号风扇电动机。
4.2.5 2-6号风机切出控制程序
该部分通过检测变频控制风机的变频器的0频信号是否到达以控制是否切出其他风扇电动机的控制策略。具体的程序见附录。 4.2.6 故障诊断与报警程序
根据接触器和变频器输出的各种运行状态参数,判断系统是否发生风扇电动机过载等故障，本系统用热继电器判断这些问题，用热继电触点返回给PLC，同时变频器故障用变频器自身的继电器的触点向PLC报告故障.PLC自诊断出以上故障之后,系统会通过不同的信号灯方便的区分是哪一部分故障, 发出报警信号,以采取相应的措施进行处理。
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系统的所有程序见附录。
4.3 本章小节
本章给出了程序的详细流程图，主要介绍了系统软件要实现的功能，以及如何进行程序的编写，大致把系统的软件部分分成7部分，分别为1、系统状态及PID初始化子程序，2、油泵电机控制程序，3、1号风扇电动机变频启动程序，4、2-6号风扇电动机投入控制程序，5、2-6号风扇电动机切出控制程序，6、故障诊断与报警程序，7、PI中断程序。每部分再根据自己实现的功能进行再分，实现程序的模块化，较好的实现了系统的控制功能。
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结束语
基于目前电力变压器冷却控制系统存在的问题以及各大型电厂开始针对变压器冷却系统改造的基础上，提出了基于可编程序控制器和可编程控制器变频调速配合使用的变压器冷却控制装置，并设计开发了基于PLC 的大型电力变压器冷却控制装置。
本课题完成的变压器冷却控制装置采用PLC实现变压器冷却装置的控制，所有的控制功能通过编程实现，极大的简化了系统接线，加上PLC 自身的高可靠性，大大提升了装置的可靠性和自动化程度。
在变压器冷却控制装置的设计开发中，针对传统继电式控制装置控制方法的不足，本文提出了一种以PLC接受变频器工频到达信号从而控制是否投入其他风扇电动机，以变频器平滑控制变压器油温的控制策略，通过检测变频控制风机的变频器的0频信号是否到达以控制是否切出其他风扇电动机的控制策略，这种投切控制策略可以有效的避免冷却器组的频繁投切，对提高冷却器的使用寿命和节能有很大帮助。
本装置可以判断变频器，电动机以及接触器等开关器件发生的故障并进行故障定位，同时将冷却器的运行工况等信息传到PLC中，可对冷却器电动机实现更加可靠的缺相、堵转、短路、过载保护；此外当最可靠的控制器PLC发生故障时，还可以实现手动控制该冷却系统，以保证变压器能安全运行。
本文设计的变压器冷却控制装置在功能和可靠性方面都满足了变压器的运行要求。但是随着电网对智能化和可靠性要求的不断提高，对于变压器冷却器控制装置来说，可在以下几个方面有进一步的完善和提高。设计变压器冷却控制装置具有远方控制功能。可以通过串口或工业以太网络将可编程序控制器与变电站监控计算机连接，使可编程序控制器能接受上位监控计算机的控制命令，对电源和冷却装置、控制装置进行远方操作。
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参 考 文 献
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责任公司。
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附录1 程序梯形图
主程序：
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SBR0 状态及PID初始化子程序
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SBR1 油泵电机控制程序
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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
SBR2 2-6号风机投入控制程序
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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
SBR3 1号风机变频启动程序
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SBR4切出2-6号风机
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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
SBR5 故障诊断与报警程序
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内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
INT0 PI中断程序
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致 谢
本文是在导师王臣老师的悉心指导和帮助下完成的。在毕业设计期间，王老师严谨求实的工作作风，锐意探索、积极乐观的工作态度都使我受益匪浅。
在王老师的关怀和指导下，我的理论知识和实际工程设计能力都得到了进一步提高，为今后的学习和工作打下坚实的基础。对于最初本系统设计中存在错误，王臣老师给予了我很多建设性的完善建议，并为我做出了细心的理论验证，在此，特向王老师表示由衷的谢意。
同时，我也要感谢这几年大学学习中所有的授课教师，论文的顺利完成与他们的帮助是分不开的。对于自动化专业其他帮助过我的同学和朋友，也在此表示衷心感谢!
最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！
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