污水处理系统电气控制设计

摘要近年来，为了实现高质量、低消耗、稳定可靠的运行，国内外许多污水处理厂采用了现代先进控制技术和计算机技术，从而构成计算机监督、控制、管理系统，使系统优化运行。而可编程逻辑控制器(PLC)则是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。随着我国经济的高速发展、城市化进程的加速和人民生活水平的不断提高，人们对供水的质量要求也越来越高。与此同时，许多建于六七十年代的水厂，由于设备陈旧、工艺落后及控制手段简单等原因，使得设备损耗大、经济效益低，造成水资源的严重浪费；另一方面，由于国家饮用水标准的进一步提高，大批老水厂都将面临全面改造的问题在水厂改造中采用新工艺新设备和更为先进、可靠、高效的控制手段已成为必然趋势。而PLC+变频器，其可靠性高、抗干扰能力强，系统配置灵活、编程容易，调试、维护简单等优点，使得它在水处理自动控制中得到广泛应用。关键字：PLC、变频调速、污水处理目录第1章 绪论 11.1 课题背景 11.2 课题研究的现状及其目的 1第2章 相关设备的选型及介绍 3 2.1 PLC的选型、基本结构及应用 32.1.1 PLC的基本结构 32.1.2 PLC的选型 52.1.3 PLC的应用 82.2 变频器的选型、基本结构及应用 122.2.1 变频器的基本结构 132.2.2 变频器的选型 142.2.3 变频器的应用 17第3章 污水处理系统的自动化设计 233.1 污水处理流程设计 23 3.2 污水处理系统的自动化控制设计 24 3.2.1 污水处理的电气自动控制设计 24 3.2.2 污泥处理的电气自动控制设计 25 3.2.3 生化处理的电气自动控制设计 263.3 污水处理系统的控制操作设计 27第4章 设计总结 31 4.1 调试 31 4.2 结论 31 4.3 总结 31致谢参考文献附录：污水处理系统电气原理图污水处理系统PLC程序第1章 绪论1.1 课题背景近几年来，随着我国对环境保护力度的加大，生活水平的提高及环境意识的增强，城市污水治理的要求越来越高，人们对自身生活环境的要求也越来越高，对各种污染问题越来越关注。政府部门为了缓解并逐步解决污染问题，要求各个工厂和城镇建立污水处理厂。在现代化的城市污水处理厂中，自动化控制系统是实现工艺要求，维持设备正常运行。提高工作效率的重要保证。如何保证污水处理过程的连续性、可靠性是自动化控制系统重点解决的问题。1.2 课题研究的现状极其目的目前，交流变频调速以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎 ，在电力 、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、纺织 、铁路、食品、船舶 、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速技术为节能降耗、改善控制性能 、提高产 品的产量和质量提供了至关重要的手段。本文根据某污水处理厂的工艺特点，以可编程控制器作为主要控制，实现污水处理系统电气化。通过介绍西门子公司的S7-200系列 PLC和三菱公司的FR-A540系列变频器，分析了系统的原理、硬件组成及软件设计等。系统中PLC控制变频器的方法稳定可靠，效果良好，实现了自来水污水处理系统的自动化，提高了污水处理的质量。第2章 相关设备的选型及介绍2.1 PLC的基本结构、选型及应用在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。本章节对本文PLC的选型、基本结构、应用等作简介。2.1.1 PLC的基本结构 PLC的构成：从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。（1）CPU的构成：CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。（2）I/O模块：PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：（1）开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。（2）模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。（3）电源模块：PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。（4）底板或机架：大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。2.1.1.1 PLC编程器的介绍编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用人员所喜爱。（1）梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言：梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。（2）功能模块图（Function Block）程序设计语言：功能模块图程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能，不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其它端子，完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类型，在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别，例如，输入端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同。由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接，因此控制方案的更改、信号连接的替换等操作可以很方便实现。功能模块图程序设计语言的特点是：1）以功能模块为单位，从控制功能入手，使控制方案的分析和理解变得容易；2）功能模块是用图形化的方法描述功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；3）对控制规模较大、控制关系较复录的系统，由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来，因此，编程和组态时间可以缩短，调试时间也能减少；4）由于每种功能模块需要占用一定的程序内存，对功能模块的执行需要一定的执行时间，因此，这种设计语言在大中型可编程控制器和集散控制系统的编程和组态中才被采用。部分可编程序控制器的制造厂商为用户提供了简单的结构化程序设计语言，它与助记符程序设计语言相似，对程序的步数有一定的限制，同时，提供了与可编程序控制器间的接口或通信连接程序的编制方式，为用户的应用程序提供了扩展余地。2.1.2 PLC的选型SIMATIC S7-200 系列PLC在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。S7-200 CPU将微处理器、集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，形成一个功能强大的小型PLC，如图2-1所示。图2-1 SIMATIC S7-2002.1.2.1 SIMATIC S7-200系列PLC的技术指标（1）SIMATIC S7-200系列PLC提供多种类型的CPU以适应各种应用场合，表2-1中对各种CPU的电源类型作一简单介绍；表2-2中对各种CPU的技术指标作一简单介绍。表2-1 S7-200 CPU的电源类型：类型电源电压输入电压输出电压输出电流CPU221DC输出DC输入24V DC24V DC24V DC0.75A晶体管继电器输出DC输入85-264V AC24V DC24V DC24-230V AC2A 继电器CPU222CPU224CPU224XPCPU226DC输出24V DC24V DC24V DC0.75A晶体管继电器输出85-264V AC24V DC24V DC24-230V AC2A 继电器表2-2 S7-200 CPU的特性：特性CPU221CPU222CPU224CPU226外形尺寸（mm）908062908062120.580621908062程序存储区2048字2048字4096字4096字数据存储区1024字1024字2560字2560字掉电保持时间50小时50小时190小时190小时本机I/O6入/4出8入/6出14入/10出24入/16出扩展模块数量0277高速计数器单相双相4路30KHz2路20KHz4路30KHz2路20KHz6路30KHz4路20KHz6路30KHz4路20KHz脉冲输出（DC）2路20KHz2路20KHz2路20KHz2路20KHz模拟电位器1122实时时钟配时钟卡配时钟卡内置内置通讯口1 RS-4851 RS-4851 RS-4852 RS-485浮点数运算有I/O映象区256（128入/128出）布尔指令执行速度0.37s/指令（2）SIMATIC S7-200系列PLC提供了4个不同的基本型号的8种CPU，下面对各种CPU做一简单介绍：CPU221本机集成6输入/4输出共10个数字量I/O点无I/O扩展能力6K字节程序和数据存储空间4个独立的30kHz高速计数器2路独立20kHz高速脉冲输出1个RS485通讯/编程口具有PPI 通讯协议MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。非常适合于小点数控制的微型控制器。CPU222本机集成8输入/6输出共14个数字量I/O点可连接2个扩展模块，最大扩展至78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。6K字节程序和数据存储空间。4个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz 高速脉冲输出具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力是具有扩展能力的、适应性更广泛的全功能控制器。CPU224本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20KHz 高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI 通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。CPU224XP本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。22K字节程序和数据存储空间，6个独立的高速计数器(100KHz)，2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485 通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。本机还新增多种功能，如内置模拟量I/O，位控特性，自整定PID功能，线性斜坡脉冲指令，诊断LED，数据记录及配方功能等。是具有模拟量I/O和强大控制能力的新型CPU。CPU226本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。2.1.2.2 数字量扩展模块的介绍数字量扩展模块为使用除了本机集成的数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供了途径。用户使用该模块有下列优势：（1）最佳适应性：用户可分别对 PLC 及任何扩展模块的混合体进行组态以满足应用的实际要求，同时节约不必要的投资费用。可提供 8、16 和 32 个输入/输出点的模块供使用。（2）灵活性：很容易地扩展 I/O 点数。当用应范围扩大，需要更多输入/输出点数时，PLC可以增加扩展模块，即可以增加 I/O点数。SIMATIC S7-200系列PLC提供多种类型的数字量扩展模块，表2-3中对各种CPU的技术指标作一简单介绍。图2-2为数字量扩展模块的连接。2-2 数字量扩展模块的连接表2-3 数字量扩展模块的技术指标：输入扩展模块EM221具有8点DC输入光耦隔离；8点AC输入（120V230V）；16点DC 输入，光耦隔离。输出扩展模块EM 222具有5 种类型，包括：4点24VDC输出；4点继电器输出；8点24V DC输出型，8点继电器输出型，8点AC输出型（120V230V）。输入/输出扩展模块EM 223具有6种类型，包括24V DC4输入/4输出，24V DC4输入/继电器4输出。24V DC 8输入/8输出，24V DC 8输入/继电器8输出，24V DC16输入/16输出，24V DC16入/继电器16输出。 2.1.3 PLC的应用根据本文污水处理系统的需要及要求，本文PLC选择了SIMATIC S7-200 CPU226 AC/DC/继电器输出类型；CPU226的输入输出为24个输入，16个输出，而本文设计使用了18个输入点，19个输出点（如表2-1所示）。因此根据设计的需要，需增加一个数字量扩展模块，数字量扩展模块选择了SIMATIC S7-200 EM222 8点24V DC输出型。表2-1 PLC输入输出表输入元件输入地址输出地址输出元件沉淀池上限传感器B1I 1.5Q 0.0STF 1沉淀池上限报警传感器B2I 1.6Q 0.1RH 1沉淀池下限传感器B3I 1.7Q 0.2RM 1沉淀池下限报警传感器B4I 2.0Q 0.3RL 1沉淀池手动启动SB6I 0.3Q 2.0KA3沉淀池手动停止SB7I 0.4Q 2.4沉淀池上限光报警HL1Q 2.5沉淀池下限光报警HL2生化池上限传感器B5I 2.1Q 0.4STF 2生化池上限报警传感器B6I 2.2Q 0.5RH 2生化池检测水位传感器B7I 2.3Q 0.6RM 2生化池手动启动SB8I 0.5Q 0.7RL 2生化池手动停止SB9I 0.6Q 2.6生化池上限光报警HL3污泥池上限报警传感器B8I 2.4Q 1.1STF 3污泥池检测水位传感器B9I 2.5Q 1.2RH 3污泥池手动启动SB10I 0.7Q 1.3RM 3污泥池手动停止SB11I 1.0Q 1.4RL 3Q 2.7污泥池上限光报警HL4手/自动转换S1I 0.0Q 2.1声音报警F停止SB4I 0.1Q 2.2电动蝶阀K自动运行SB5I 0.22.1.3.1 PLC的接线参考SIMATIC S7-200使用手册，SIMATIC S7-200 CPU226的输入输出接线如图2-3，SIMATIC S7-200数字量扩展模块EM222的输入输出接线如图2-4。根据图图2-3，图2-4的输入输出接线，本人设计了图2-5污水处理系统的PLC输入输出接线。 图2-3 CPU 226 AC/DC/继电器 端子连接图 图2-4 扩展模块端子连接图2.1.3.2 PLC的编程SIMATIC S7-200编程软件STEP 7-Micro/WIN：STEP 7-Micro/WIN编程软件为用户开发、编辑和监控应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发应用程序，STEP 7-Micro/WIN编程软件提供了三种程序编辑器，即梯形图（LAD）、语句表（STL）和逻辑功能图（FBD）。STEP 7-Micro/WIN编程软件既可以在计算机上运行，也可以在西门子公司的编程器上运行。（1）SIMATIC S7-200通讯方式的选择：有两种方式连接S7-200和编程设备：一种是是用通讯卡和MPI电缆；另一种直接使用PC/PPI电缆。1）如果使用MPI电缆，必须先在计算机上安装通讯卡。使用这种方式时，可以用较高的波特率进行通讯。2）PC/PPI电缆比较常用而且成本较低，它将S7-200的编程口与计算机的RS-232相连。PC/PPI电缆也可用于其他设备与S7-200的连接。内部集成的PPI 接口为SIMATIC S7-200 的用户提供了强大的通讯功能。PPI 接口物理特性为RS485， PPI通讯协议是西门子专为S7-200系列PLC开发的一个通讯协议。可通过普通的两芯屏蔽双绞电缆进行联网。波特率为9.6kbit/s ， 19.2kbit/s 和187.5kbit/s。S7-200 系列CPU 上集成的编程口同时就是 PPI 通讯联网接口。利用PPI通讯协议进行通讯非常简单方便，可以利用PC/PPI电缆和自由口通讯功能把S7-200 CPU连接到许多和RS-232标准兼容的设备。有两种不同型号的PC/PPI 电缆（如图2-6）：图2-5 污水处理系统PLC端子连接图的设计带有RS-232口的隔离型PC/PPI电缆，用5个DIP开关设置波特率和其它配置项。带有RS-232口的非隔离型PC/PPI电缆，用4个DIP开关设置波特率。（如图2-6）图2-6 两种不同型号的PC/PPI电缆当数据从 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。当检测到 RS-232 的发送线有字符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式。当 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 开关设定的波特率选择有关。（2）STEP 7-Micro/WIN32软件的编程窗口：1）浏览条：显示常用编程视图及工具。View（视图）：显示程序块、符号表、数据块、系统块、交叉引用表及通讯图标。Tools（工具）：显示指令向导、TD200向导、位置控制向导、EM253控制面板及扩展调制解调器向导等工具。2）指令树：提供所有项目对象和当前程序编辑器（LAD、FBD或STL）需要的所有编程指令。3）程序块：由可执行的代码和注释组成，可执行的代码由主程序、可选的子程序和中断程序组成。代码被编译并下载到可编程序控制器，程序注释被忽略。S7-200工程项目中规定的主程序只有一个，用MAIN（OB1）表示。子程序有64个，用SBR0SBR63表示。中断程序有128个，用INT0INT127表示。4）符号表：允许程序员用符号来代替存储器的地址，符号地址便于记忆，使程序更容易理解。程序编译后下载到可编程序控制器时，所有的符号地址被转换为绝对地址，符号表中的信息不能下载到可编程序控制器。5）编辑符号表：单击符号表图标，打开符号表编辑器，如图2-7所示。在符号列输入符号地址，对应地址列输入物理地址，也可以利用注释对输入输出量进行简单的描述。图2-7 编辑符号表6）存储工程项目：在程序编制结束后，需要存储程序。存储程序是将一个包括S7-200 CPU类型及其他参数在内的一个项目存储在一个指定的地方，便于修改和使用程序。（3）运行及调试程序：1）编译程序：程序在下载之前要经过编译才能转换为PLC能够执行的机器代码，同时可以检查程序是否存在违反编程规则的错误。必须改正程序中的所有错误，编译成功后才能下载程序。2）下载程序：点击工具条中的“下载”图标或者在命令菜单中选择“PLC/下载”来下载程序。如果工程项目的CPU类型与S7-200 PLC的实际CPU类型不符，编程软件将提示修改CPU类型。点击“OK”，下载程序到S7-200 CPU。如果S7-200处于运行模式，将有一个对话框提示进入停止模式，点击“Yes”将S7-200转入停止模式。（4）运行程序：如果想通过STEP 7-Micro/WIN软件将S7-200转入运行模式，S7-200的模式开关必须设置为TERM或者RUN。当S7-200转入运行模式后，程序开始运行。（5）在线监控程序：采用程序监控方式监控程序的运行：如果想观察程序执行情况，可以单击工具条中的程序监控图标或者在命令菜单中选择“排错/程序监控”来监控程序。2.2 变频器的基本结构、选型及应用交流变频调速技术近年来一直在发展，我国目前在各行各业都可以看到它的应用。随着电力电子技术、大功率元器件的开发技术和自动控制技术的迅速发展，使交流变频器在风机水泵类机械中得以更广泛的应用，同时交流变频调速技术也正朝着大容量、高电压和高性能的方向发展。多年来由于种种原因，在我国存在着大量不调速的机械设备，而这主要集中在风机水泵类，它们消耗和浪费了大量的电能。随着能源消耗、生产成本越来越得到了各级管理者和企业的关注，高压、大容量变频器的开发和应用也越来越得到人们的重视，目前已开始在风机水泵类的节能中初现端倪，由于它们的容量大，其节能效果非常显著。相信高压、大容量变频器将在未来的节能领域中起到至关重要的作用，将是提高企业的经济效益和社会经济效益主要手段之一。2.2.1 变频器的基本结构（1）三菱FR-A500系列变频器基本配置：变频器的使用需要以下的设备。选择正确的外部设备，正确的连接以确保正确的操作。不正确的系统配置和连接会导致变频器不能正常运行，显著地降低变频器的寿命，甚至会损坏变频器。电源请使用在变频器的允许规格内的电源。漏电断路器(ELB)或无熔丝断路器(NFB由于在电源投入时，变频器会流入很大的冲击电流，故必须注意断路器的选定。电磁接触器没有特别设置的必要，但如果设置了，请不要用它启动和停止变频器，这样将降低变频器的寿命。 电抗器为了改善功率因数或安装场所距离大容量电源很近(1000kVA以上接线距离小于10m)时必须使用电抗器，选择时应注意。变频器周围的温度会影响变频器的寿命，请尽量不要使周围的温度超过允许值。特别是在安装于封闭的场合，更要注意。错误的接线会损坏变频器。另外，控制信号线应尽量远离主回路以确保不受噪音的影响。与输出侧连接的设备在输出侧请不要连接电力电容，过电压吸收器和无线电噪声滤波器。为了防止触电，电机和变频器必须良好地接地。接地为防止来自变频器动力线的传导噪音而设置的接地线，建议连到变频器的接地端子。（2）三菱FR-A500系列变频器外观和结构如图2-8：图2-8 变频器外观和结构2.2.2 变频器的选型（1）三菱FR-A500系列变频器的技术特性：1）功率范围：0.4375KW（3相380V，FR-A540（L）系列）2）采用先进磁通矢量控制方式，调速比可达1：120（0.560Hz）3）可拆卸式风扇和接线端子，维护方便4）柔性PWM，实现更低噪音运行5）内置R S485通信口，并可支持各种常用的现场总线6）PID等多种功能适合各种场合（2）三菱FR-A540系列变频器部分技术规格：型号111518.52230374555最大输出功率（KW）（注1）111518.52230374555输出额定容量（KVA）17.523.62932.843.4546584额定电流（A）23313843577186110过载能力（注2）150% 60秒；200% 0.5秒（反时限特性）电压（注3）三相 380V至480V 50Hz/60Hz 电源额定输入交流电压/频率三相 380V至480V 50Hz/60Hz 允许电压波动范围323至528V 50Hz/60Hz允许频率波动范围+5%电源容量（KVA）（注4）20283441526680100保护结构封闭型（IP20 NEMA1）开放型（IP00）冷却方式强制风冷大约重量（KG）13.013.013.013.024.035.035.036.0注：1 表示适用电机容量是以使用三菱标准4极电机时的最大适用容量，对应环境温度为1040。 2 过载能力是以过电流与变频器的额定电流之比的百分数（%）表示的，反复使用时，必须等待变频器和电机降到100%负荷时的温度以下。3 最大输出电压不能大于电源电压，在电源电压以下可以任意设定最大输出电压。4 电源容量随着电源侧的阻抗（包括输入电抗器和电线）的值而变化。（3）三菱FR-A500系列变频器的制动：内置制动电阻是连接在P和PR端子上。当内置制动电阻在高频度地制动时，由于散热能力不足，需要安装外接制动电阻(选件)替代内置制动电阻。拆去跨接在PR-PX上的短路片并且连接专用外接制动电阻(选件)在P-PR端子上（如图2-9）。 电阻单元 制动单元图2-9 制动元件当使用FR-BU时，能大大加强再生制动的能力，请与外接电阻连用如下表2-4所示，有6种规格的制动单元，请根据制动力矩和减速时间来选型（配制动电阻，见表2-5）。注：使用的制动电阻只能是专用制动电阻在连接专用制动电阻前必须拆去跨接在PR-PX上的短路片。否则将损坏变频器。表2-4 制动单元选择表电机容量（KW）5.57.5111518.52230374555变频器380V5.5k7.5k11k15k18.5k22k30k37k45k55k380VFR-BU-H15K%ED80401510-FR-BU-H30K-6530251510-FR-BU-H55K-906030201510FR-BU-H15K制动力矩（%）2802001201008070-FR-BU-H30K-2601801601301008070-FR-BU-H55K-300250180150120100表2-5 组合制动单元，制动电阻，电线尺寸制动单元型号电阻型号电线尺寸380VFR-BU-H15KFR-BR-H15K3.5mm2FR-BU-H30KFR-BR-H30K3.5mm2FR-BU-H55KFR-BR-H55K5.5mm2（4）三菱FR-A500系列变频器的端子说明：主回路端子说明：端子记号端子名称说明R、S、T交流电源输入连接工频电源，当使用高功率因数转换器时，确保这些端子不连接U、V、W变频器输出接三相电机P、RP连接制动电阻器拆开端子PR-PX之间的短路片，在P-PR之间连接选件制动电阻器P、N连接制动单元连接选件FR-BU型制动单元或电源再生单元（FR-RC）或高功率因数转换器接地变频器外壳接地用，必须接大地控制回路端子说明：端子记号端子名称说明STF正转启动STF信号处于ON便正转，处于OFF便停止，程序运行模式时为程序运行开始信号（ON开始，OFF停止）RH、RM、RL多段速度控制用RH、RM和RL信号的组合可以选择多段控制RUN变频器正常运行变频器输出频率为启动频率以上时为低电平，正在停止或正在支流制动时为高电平，容许负荷为DC24V，0.1ASU频率到达输出频率达到设定频率的+10%时为低电平，正在加/减速或停止时为高电平，容许负荷为DC24V，0.1AOL过负荷报警当失速保护功能动作时为地电平，失速保护解除时为高电平，容许负荷为负荷为DC24V，0.1AI PF瞬时停电瞬时停电，电压不足保护动作时为低电平，容许负荷为负荷为DC24V，0.1AFU频率检测输出频率为任意设定的检测频率以上时为低电平，以下时为高电平，容许负荷为负荷为DC24V，0.1ASE集电极开路端子输出公共端端子RUN、SU、OL、I PF、FU的公共端2.2.3 变频器的应用根据污水处理系统的需要及要求，污水泵额定功率为22KW，制动单元功率为（22+22）KW。本人变频器选择三菱FR-A500系列的A540；制动单元选择了三菱FR-A500系列的FR-BU-H55K，制动电阻选择了三菱FR-A500系列。（1）三菱FR-A540变频器的电源和电机的连接图如图2-10：图2-10 电源和电机的连接（2）三菱FR-A540变频器连接FR-BU制动单元如图2-11：图2-11 连接FR-BU制动单元注：1 连接时应使变频器端子（P，N）与FRBU制动单元的端子的记号相同。（接错时会损坏变频器）。另外，对7.5K以下型号的，请拆下PPPX间的短路片。 2 变频器，制动单元，制动电阻单元之间的布线距离应在5m以内。即使使用双绞线也应限定在10m以内。3如果制动单元内的晶体管被损坏(短路)，电阻将非常热,导致起火。因此，在变频器的电源侧安装电磁接触器，可在故障时切断电源。（3）在污水处理中变频器的电气接线设计如图2-12：图2-12 变频器的电气接线设计 2.2.3.1 操作面板的使用（1）三菱FR-A540变频器操作面板(FR-DU04)的使用：用操作面板(FR-DU04)，可以设定运行频率，监视操作命令，设定参数，显示错误和参数，见图2-13。图2-13 操作面板的名称和功能按键表示：可用于选择操作模式或设定模式用于确定频率和参数的设定用于连续增加或降低运行频率。按下这个键可改变频率 在设定模式中按下此键,则可连续设定参数用于给出正转指令用于给出反转指令用于停止运行用于保护功能动作输出停止时复位变频器 (用于主要故障)单位显示，运行状态显示：显 示说 明Hz显示频率时点亮A显示电流时点亮V显示电压时点亮MON监视显示模式下点亮PUPU操作模式时点亮EXT外部操作模式时点亮FWD正转时闪烁REV反转时闪烁（2）模式的选择：按键改变监视显示（如图2-14）：监视模式 频率设定模式 参数设定模式 运行模式 帮助模式图2-14 模式的选择（3）监视显示：监示器显示运转中的指令 ，EXT指示灯亮表示外部操作，PU指示灯亮表示PU操作； EXT和PU灯同时亮表示PU和外部操作组合方式（如图2-15）。 监视显示在运行中也能改变。频率监视 电流监视 电压监视 报警监视至频率设定图2-15 监视显示注：1 按下标有*1的SET键超过1.5秒能把电流监视模式改为上电监视模式。 2 按下标有*2的SET键超过1.5秒能显示包括最近4次的错误指示。3 在外部操作模式下转换到参数设定模式。（4）设定运行频率（如图2-16）：频率设定模式 改变设定频率 写入设定频率 至参数设定方法图2-16 设定运行频率（5）参数设定方法（如图2-17）：按下SET键1.5秒写入设定值并更新。例：把Pr.79“运行模式选择”设定值从“2”（外部操作模式）变更到“1”（PU操作模式）Pr.79 的设定Pr.79 设定值功能0电源接通时为外部操作模式；PU或外部操作模式可切换1PU操作模式2外部操作模式3外部/PU组合操作模式14外部/PU组合操作模式25程序运行模式6切换模式7外部操作模式（PU操作互锁）8切换到除外部操作模式以外的模式（运行时禁止）参数设定模式 最高位闪烁 中间位闪烁 最低位闪烁图2-17 参数设定方法（6）运行模式的选择（如图2-18）：外部操作 PU操作 PU点动操作图2-18 运行模式的选择2.2.3.2 用PLC实现变频器的段速控制如下表3-1所示，显示的是变频器的段速控制表，选择不同不同的组合，达到不同的频率。通过公式n=60 f / p可以算出电机的转速。f ：电动机的电源频率p ：电动机定子绕组的磁极对数n ：电动机的转速表3-1 变频器的段速控制表一 二 三 四 五 六 七RHRMRL1 0 0 1 1 0 10 1 0 0 1 1 10 0 1 1 0 1 15Hz 10 Hz 15 Hz 20 Hz 25 Hz 30 Hz 50 HzPr.4 Pr.5 Pr.6 Pr.24 Pr.25 Pr.26 Pr.27例：五速正转 RH、RM，STF； 三速正转 RL，STF根据本文设计的要求，以及2.2.3.1操作面板的操作，设定Pr.4为5Hz，Pr.5为10Hz，Pr.6为15Hz，Pr.24为20Hz，Pr.25为25Hz，Pr.26为30Hz，Pr.27为50Hz。第3章 污水处理系统的自动化设计3.1 污水处理流程设计自来水厂污水处理系统需处理污水为沉各行业生产厂家对排放的废渣、废气、废水。处理物质主要是污水中含有的泥沙、藻类、细小固形物以及水处理中投加的混凝剂、助凝剂等，无机成分含量较多，一般可通过污泥的吸附、沉淀去除。自来水厂污水处理工艺要达到的目标是去除污水中的固形物、水处理过程中添加的残留药物，使之达到排放标准，处理后的污泥可直接运走。基于上述特点和目的，一般的污水处理主要采用二级处理方式：第一级机械处理：一般采用格栅等机械设备过滤污水中漂浮物或颗粒较大的物质。 第二级生化处理：根据不同处理要求，处理污水含有的各种超标的硅物质或金属元素，使处理后的水能满足后续用水设备的要求，如生活用纯净水、工业锅炉软化与除盐水等，其处理流程如图3-1所示。主要构筑物为：污水集水池、初沉池、二沉池、污泥池和生化池。图 3-1 设备系统之间的电气连接参见参见附录：污水处理系统电气原理图。以某矿厂污水处理为例，其污水处理系统图如图3-1所示，污水主要来源生产线各种设备、工艺用水及部分生活污水等，这些污水经下水管道排送到污水集水池，集水池中的污水先进行机械预处理，主要采用机械转动格栅，经过格栅过滤可将污水的漂浮物或颗粒较大的固状物滤去，由两台潜水泵将污水送人沉淀池，沉淀池采用对角斜板结 构这样有利于污泥沉淀于底部，污泥混合物进入污泥池后由一台污泥泵将泥水混合物送人污泥离心机(脱水机)进行固液分离，分离水返回沉淀池重新处理，脱干后的污泥经消毒后送出。经沉淀池预处理后的污水由一台污水泵将水送人生化处理池进行处理，生化处理主要根据不同的用水要求对污水进行不同的化学处理如酸碱中和、除盐等，经生化处理后的水可进入后续环节。3.2 污水处理系统的自动化控制设计本污水处理电气控制系统分为污水处理电气控制、污泥处理电气控制生化处理电气控制三部分，其自动控制系统结构图如图3-2所示：图 3-2 系统结构图A. 系统所要实现的功能：a. 由变频设备实现电机的自动控制，污水处理可以手动/自动两种方式启动。 b. 污水处理控制由2台水泵共用1台变频器，并实现系统自动切换工频运行方式。 c. 污泥处理控制由2台水泵共用1台变频器，并实现系统一拖二控制。d. 采用了电流信号串联电压信号并联的方式，对相应信号 (如液位信号)进行传输、显示，操作信号同样采用串并联的方式实现两地操作。 e. 上述过程全部由PLC控制 ，实现无人值守。 3.2.1 污水处理的电气自动控制设计污水集水池中的污水经两台污水泵Ml、污水泵M2将污水集水池中的污水送人沉淀池，两台水泵由一台变频器采用顺序控制，为防止沉淀池水溢出发生事故，沉淀池中设置有水位检测装置，当实际水位超过报警水位时控制系统自动关闭格栅前的电动蝶阀以防止发生溢水事故。污水处理电气控制如图3-3所示，电气连接参见附录：污水处理系统电气原理图。沉淀池内设置有高、低水位及上 、下限报警水位检测，其控制过程为当水位达到低水位时水位检测将信号送给PLC，PLC启动变频器并将频率上升信号输出给变频器，当变频器频率达到50Hz时若此时水位仍处于低水位位置，PLC发出切换信号将污水泵1切换到工频运行，延时一段时间后由变频器启动污水泵2，相反当水位达到高水位位置时则停止污水泵1，PLC发出变频器频率下降低信号。若因水泵或其它原因造成水位低于下限或超过上限水位报警时，水位检测器将报警信号送给 PLC，由PLC输出启动报警电路 (报警指灯与响铃)，以提示操作人员查看原因。污水泵 1、污水泵 2电机功率为 22KW。图 3-3 污水处理电气控制变频器顺序控制采用一台22KW三菱FR-A540型号变频器，顺序驱动污水泵Ml、污水泵M2。根据工艺要求，该电机正转方向应进行3段速度控制，控制方式采用软件控制。具体控制方式如下：上电，电路接通电源，KM2得电，当PLC发出切换信号时， KA3得电，KM2断开，KM3得电，污水泵Ml接工频运行，污水泵M2切换到变频器控制。3.2.2 污泥处理的电气自动控制设计污水池中的污泥经污泥泵M4将污泥混合物送人污泥脱水机M5(离心机)将污泥分别送入二沉池和生化池，两台水泵由一台变频器采用一拖二方式控制。污泥处理电气控制如下图3-4所示，电气连接参见附录：污水处理系统电气原理图。图3-4 污泥处理电气控制分离出来的污水返回二沉池重新处理，脱干后的污泥经消毒后送出。污泥污泥池中的污泥通过污泥泵定时排放，当污泥池中污泥水位达到高水位位置时，水位检测器将检测信号送给PLC，由PLC启动变频器进行排污(排污时间根据实际情况设定)，根据该污水处理厂污泥处理系统将污泥泵定时时间设定为1 h，每次排污泥约6 t。当因控制系统不正常造成污泥池液面达到上限水位报警时，水位检测器将信号送给 PLC，PLC输出信号启动报警电路(报警指灯与响铃)提示操作人员作相应处理，以防止污泥溢出事故发生。污泥泵M4电机，污泥脱水机M5(离心机)功率为22KW变频器一拖二控制采用一台45KW三菱FR-A540型号变频器，同时驱动污泥泵M4电机和污泥脱水机M5(离心机)。根据工艺要求，该电机正转方向应进行4段速度控制。电机参数的设置如下：电机的额定电流 I=I1+I2 （即两台电机的额定电流之和）电机的额定功率 P=P1+P2 （即两台电机的额定功率之和）电机的额定转速 R=R1+R2 （即两台电机的额定转速小的作为参数值）其余电机参数可根据铭牌值设定3.2.3 生化处理的电气自动控制设计二沉池中的污水经生化泵M3将污泥混合物送人生化处理池，两台水泵由一台变频器控制。生化处理电气控制如图3-5所示，电气连接参见附录：污水处理系统电气原理图。图 3-5 生化处理电气控制生化处理池设有高水位、低水位及上限报警水位检测，其控制过程为当水位达到低水位位置时水位检测将信号送给PLC，PLC启动变频器并将频率上升信号输出给变频器，相反当水位达到高水位位置时则停止生化泵M3，PLC发出变频器频率下降低信号。若水位到达上限水位报警时，水位检测器将报警信号送给 PLC，由PLC输出启动报警电路 (报警指灯与响铃)，以提示操作人员查看原因。生化泵M3功率为22KW生化泵M3变频控制采用三菱FR-A540型号变频器。3.3 污水处理系统的控制操作设计图3-6 污水处理系统程序总流程图 如上图3-6