小區(qū)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文.doc

小區(qū)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文目 錄第1章 緒論11.1 選題背景11.2選題依據(jù)2第2章 設(shè)計內(nèi)容與要求32.1 設(shè)計內(nèi)容32.1.1 系統(tǒng)概述32.1.2 設(shè)計的主要內(nèi)容42.1.3 主要技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)42.2系統(tǒng)設(shè)計的功能要求4第3章 系統(tǒng)方案設(shè)計63.1 方案選擇63.2 系統(tǒng)原理與組成73.2.1 原理框圖設(shè)計83.2.2 系統(tǒng)原理分析9第4章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計134.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計分析134.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計134.3 器件選型154.3.1變頻器的選型154.3.2水泵機(jī)組的選型164.3.3壓力變送器的選型164.3.4液位變送器選型174.3.5 低壓電器選型174.4系統(tǒng)控制電路設(shè)計204.4.1 PLC的選擇20第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計255.1 系統(tǒng)軟件分析255.2 軟件流程圖設(shè)計275.3 軟件編制305.3.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計325.4 仿真實(shí)驗(yàn)38結(jié) 論41參考文獻(xiàn)42英文文獻(xiàn)與翻譯44致 謝59附錄61第1章 緒論1.1 選題背景隨著人民生活水平的日趨提高，新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用 ，使給供水設(shè)計得到了發(fā)展的機(jī)遇，當(dāng)前住宅建筑的小區(qū)規(guī)劃趨向于更具人性化的多層次住宅組合，不再僅僅追求立面和平面的美觀和合理，而是追求空間上布局的流暢和設(shè)計中貫徹以人為本的理念，特別是在市場經(jīng)濟(jì)的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、衛(wèi)生安全而又經(jīng)濟(jì)合理的供水方式，對我們給供水設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn) 。傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設(shè)施實(shí)現(xiàn)的。存在著以下憂缺點(diǎn)：(1) 恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。(2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動，啟動電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。(4) 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點(diǎn)是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，維修方便。(5) 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面4種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機(jī)時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。 基于PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義1.2選題依據(jù)傳統(tǒng)的高塔供水系統(tǒng)受到地理位置的限制，無法滿足恒壓，節(jié)能，安全，可靠等功能。采用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)高塔供水系統(tǒng)的缺點(diǎn)。生活用水供水系統(tǒng)由水池、離心泵（主泵+備用泵）、壓力傳感器、PID 調(diào)節(jié)器、變頻器（主泵+備用泵）、可編程控制器PLC、管網(wǎng)組成。恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器(PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水系統(tǒng)能自動控制一至多臺水泵和一臺備用泵的運(yùn)行。恒壓供水系統(tǒng)具備過流，過壓，欠壓，欠相，短路保護(hù)，瞬時停電保護(hù)，過載，失速保護(hù)等功能，功能完善，完全自動化，泵房不設(shè)崗位，只需派人定是檢查保養(yǎng)。恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現(xiàn)在用水高峰期水管壓力太小的情況。它改變傳統(tǒng)的采用水塔，高位水箱，氣壓罐等設(shè)施來實(shí)現(xiàn)恒壓供水方式。真正做到智能，節(jié)能，衛(wèi)生安全而有經(jīng)濟(jì)合理的供水方式。第2章 設(shè)計內(nèi)容與要求2.1 設(shè)計內(nèi)容本文主要完成PLC、變頻器實(shí)現(xiàn)的生活用水供水過程的恒壓。由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大，管網(wǎng)的充壓比較慢，故系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)，不宜直接采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而應(yīng)采用PLC參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用通用變頻器實(shí)現(xiàn)三相水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速，壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，水壓信號經(jīng)變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)電信號(4-20mA)通過AD轉(zhuǎn)換模送入PLC，經(jīng)PLC進(jìn)行壓力反饋值與設(shè)定值的PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入變頻器頻率控制端控制變頻器的輸出頻率，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。由PLC接受控制信號，并實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的起停及切換控制。變頻器的故障輸出及報警信號以及系統(tǒng)顯示信號全部送入PLC，以方便利用PLC與上位機(jī)進(jìn)行通訊并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。系統(tǒng)的操作與管理采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行參數(shù)有記錄，使系統(tǒng)節(jié)能達(dá)到最佳效果。具體內(nèi)容如下：(1)對水泵電機(jī)的調(diào)速原理進(jìn)行分析。根據(jù)供水特點(diǎn)，分析水泵電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)、運(yùn)行參數(shù)及工作點(diǎn)，分析供水系統(tǒng)對電氣調(diào)速的要求，闡述了變頻器拖動電動機(jī)的恒壓供水模式的工作原理。設(shè)計一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)。(2)從水泵運(yùn)行曲線及管網(wǎng)特性曲線入手，分析水泵工況調(diào)節(jié)的幾種方法，詳細(xì)闡述變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)耗能原理及節(jié)能原理。(3)重點(diǎn)闡述變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理，進(jìn)行系統(tǒng)硬件的選擇及PLC程序的設(shè)計、變頻器功能預(yù)置等。系統(tǒng)由一臺變頻器拖動三臺水泵變頻啟動運(yùn)行，由PLC控制切換，由壓力傳感器檢測管網(wǎng)壓力，根據(jù)壓力大小進(jìn)行PID控制，調(diào)整變頻器的輸出頻率，從而改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變流量的大小，適應(yīng)用戶用水量改變的需求，保持管網(wǎng)壓力恒定。2.1.1 系統(tǒng)概述本設(shè)計的恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組，它們一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有2個貯水池，分別是供水水池和排污水池，五臺水泵，但是生活水泵和消防水泵中同時各只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定，以達(dá)到恒壓供水的目的。恒壓供水系統(tǒng)具有投資少自動化程度高，保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠，操作簡便，節(jié)水節(jié)電效果顯著，尤其對水質(zhì)不構(gòu)成二次污染，其優(yōu)異的性能價格比是其他任何供水設(shè)備無法比擬的。2.1.2 設(shè)計的主要內(nèi)容一個變頻調(diào)速恒壓供水控制裝置，系統(tǒng)中應(yīng)結(jié)合微機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)。畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容為：（1）掌握水利工程對控制、通信等的需求，提出綜合自動化系統(tǒng)方案。（2）提出綜合自動化系統(tǒng)的硬件方案和方案論證優(yōu)化。（3）完成軟件需求的系統(tǒng)分析。（4）完成軟件的編制（PLC的編程與說明）。（5）繪制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)原理圖、電氣控制原理圖、軟件流程圖（6）按期完成畢業(yè)論文的撰寫（7）充分準(zhǔn)備，順利完成畢業(yè)答辯2.1.3 主要技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo) 兩臺生活用水泵： 15KW交流電動機(jī)，一備一用，變頻調(diào)速； 兩臺消防用水泵： 37KW交流電動機(jī)，一備一用，變頻調(diào)速；1臺排污泵：1.5KW交流電動機(jī)，工頻運(yùn)行。 生活用水壓力設(shè)定值4-5kg/cm2,高壓消防壓力設(shè)定值為12 kg/cm2。 2.2系統(tǒng)設(shè)計的功能要求本設(shè)計系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）實(shí)現(xiàn)生活用水的變頻調(diào)速自動恒壓控制，壓力值連續(xù)可調(diào)。能自動24小時維持恒定壓力，并根據(jù)壓力信號自動啟動備用泵。兩臺生活用水泵組采用一備一用方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)兩臺水泵的定式自動切換和手動切換；實(shí)現(xiàn)兩臺水泵的自動并泵和切除功能。（2）實(shí)現(xiàn)生活用水和消防用水的自動調(diào)整。即兩臺生活用水泵組和兩臺高壓消防用水泵組（一備一用）之間的切換。實(shí)現(xiàn)高壓消防用水泵的變頻調(diào)速自動控制。（3）實(shí)現(xiàn)各水泵的一用一備運(yùn)行方式的自動控制、本地手動控制的選擇和控制；各臺水泵的安全啟動控制，泵的出口蝶閥控制；故障報警功能。無級調(diào)整壓力，供水質(zhì)量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會造成管網(wǎng)破裂及水龍頭共振現(xiàn)象。（4）采用變頻恒壓供水保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠。恒壓供水系統(tǒng)具備了過流，過壓，欠壓， 欠相，短路保護(hù)，瞬時停電保護(hù)，過載，失速保護(hù)等功能，功能完善，完全自動化，泵房不用設(shè)崗位，只需派人定時檢查保養(yǎng)。（5）實(shí)現(xiàn)污水池的水位檢測和手動、自動排污。（6）實(shí)現(xiàn)供水裝置的上位監(jiān)控。第3章 系統(tǒng)方案設(shè)計3.1 方案選擇恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇：(1) 有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實(shí)現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。(2) 通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運(yùn)行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。3.2 系統(tǒng)原理與組成對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是系統(tǒng)的基本控制對象。流量的大小取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制。考慮到在動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系有關(guān)系：供水能力QG用水需求Qu，則壓力上升；供水能力QGH0，所以當(dāng)用閥門控制流量時，有正比于(H1H0)Q2的功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。圖3.4管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:(l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。(2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。(3) 如果用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。第4章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計分析 根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖4.1所示：圖4.1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備設(shè)計應(yīng)包括以下幾部分：(1) PLC及其擴(kuò)展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機(jī)組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。4.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖4.2所示：圖中共有五個水泵，其中1#、2#水泵為生活用水泵，3#、4#為消防用水泵，5#為排污泵，五臺電機(jī)分別為M1、M2、M3，M4，M5它們分別帶動水泵1#、2#、3#、4#、5#。接觸器KM1、KM2、KM3、KM4分別控制M1、M2、M3、M4的變頻運(yùn)行；接觸器KM5、KM6、KM7分別控制M5的工頻運(yùn)行和降壓啟動。由于1#泵和2#泵為一備一用，所以二臺水泵之間必須互鎖，也就是說只有當(dāng)前一臺水泵出現(xiàn)故障后，才啟用備用泵進(jìn)行工作，以提供供水正常。同理二臺消防用水泵也應(yīng)該互鎖。以保證一臺消防水泵出現(xiàn)故障后消防用水的正常。其中生活用水泵和消防用水泵都由變頻器控制它的啟動，故不需要進(jìn)行降壓啟動，而5#水泵不是由變頻器控制的，所以它的啟動會造成電網(wǎng)電壓的較大波動，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，為了不影響其它電器的正常使用，5#泵啟動的時候使用Y/降壓啟動。圖4.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖4.3 器件選型4.3.1變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。由于本設(shè)計中PLC選擇的西門子S7-200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇E320變頻器。它是用于三相交流電動機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進(jìn)行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性，低頻時也可以輸出大力矩。E320變頻器的輸出功率為0.75-90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。本設(shè)計選用E320風(fēng)機(jī)水泵型變頻器。該系列變頻器具有如下特點(diǎn)：(1)由微處理器控制，并采用IGBT作為功率組件：運(yùn)行可靠、功能多樣；(2)脈沖調(diào)制頻率可調(diào)，電動機(jī)運(yùn)行噪聲低；(3)牢固的EMC設(shè)計；(4)具有多個繼電器輸出；(5)具有多個模擬量輸出；(6)多個個模擬量輸入：(7)BiCo(二進(jìn)制互聯(lián))技術(shù)；該變頻器的基本配線圖如4.3所示：圖4.3 E320變頻器基本配線圖4.3.2水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計的要求為：電動機(jī)額定功率為15KW、37KW。生活用水供水壓力控制在4-5kg/，而消防用水的供水壓力控制在12 kg/。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定采用5臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵機(jī)組。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。4.3.3壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?5V或420mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用420mA輸出壓力變送器。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備(熱水器、抽水馬桶等)，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報警輸出。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計中選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍01Mpa，精度1.0；數(shù)顯儀輸出一路420mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。4.3.4液位變送器選型考慮到水泵電機(jī)空載時會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設(shè)計要求貯水池水位：2m-5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號（420mA電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC。綜合以上因素：本設(shè)計選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m-200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號：兩線制4-20mADC精度等級：0.25級。4.3.5 低壓電器選型 （1）接觸器選型接觸器是一種適用于在低壓配電系統(tǒng)中遠(yuǎn)距離控制、頻繁操作交直流主回路及大容量控制電路的自動控制開關(guān)電器。接觸器具有強(qiáng)大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、大容量的主觸頭及迅速熄滅電弧的能力。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，能根據(jù)檢測元件所給出的動作信號，迅速、可靠地切斷電源，并有低壓釋放保護(hù)功能。與保護(hù)電器組合可構(gòu)成各種電磁啟動器，用于電動機(jī)的控制及保護(hù)。1）交流接觸器交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。它利用主接點(diǎn)來開閉電路，用輔助接點(diǎn)來執(zhí)行控制指令。主接點(diǎn)一般只有常開接點(diǎn)，而輔助接點(diǎn)常有兩對具有常開和常閉功能的接點(diǎn)，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。由銀鎢合金制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐高溫?zé)g性。該控制系統(tǒng)中的接觸器均選交流接觸器。電機(jī)所選用的接觸器的主觸頭在主電路中，所以主觸頭通斷負(fù)載額定電壓為被控制線路額定電壓AC380V，線圈在控制回路中，線圈電壓取AC220V。主觸頭額定電流經(jīng)驗(yàn)公式： (4.1) 它們的型號如下：表4.1編號接觸器型號主觸點(diǎn)額定電壓/V主觸點(diǎn)類型KM1KM15CJ10-20220常開2）直流接觸器主觸點(diǎn)額定電壓選擇直流440V，線圈電壓選擇直流24V。數(shù)字量擴(kuò)展模塊均為直流接觸器，因此它們的型號為：表4.2編號接觸器型號主觸點(diǎn)額定電壓/V主觸點(diǎn)類型YV1CZ0-40/20440常閉YV2CZ0-40/20440常閉YV3CZ0-40/20440常閉H1CZ0-40/20440常開H2CZ0-40/20440常開（2）斷路器選型 低壓斷路器也稱作自動開關(guān)或空氣開關(guān)，是低壓配電網(wǎng)絡(luò)和電力拖動系統(tǒng)中非常重要的開關(guān)電器和保護(hù)電器，它集控制和多種保護(hù)功能于一身。除了能完成接通和分?jǐn)嚯娐吠?，還能對電路或電氣設(shè)備發(fā)生的短路、嚴(yán)重過載及欠電壓等進(jìn)行保護(hù)，也可以用于不頻繁地啟動電動機(jī)。 低壓斷路器的選擇要滿足如下幾點(diǎn)： 額定電流和額定電壓應(yīng)大于或等于線路、設(shè)備的正常工作電壓和工作電流。 熱脫扣器的整定電流應(yīng)與所控制負(fù)載（比如電動機(jī)）的額定電流一致。 欠電壓脫扣器的額定電壓應(yīng)等于線路的額定電壓。 過電流脫扣器的額定電流Iz大于或等于線路的最大負(fù)載電流。對于單臺電動機(jī)來說，可按下式計算 Iz kIq (4.2) 式中，k為安全系數(shù)，可取1.51.7；Iq為電動機(jī)的啟動電流。 對于多臺電動機(jī)來說，可按下式計算 Iz K(Iq.max+Ier) (4.3) 式中，K也可取1.51.7；Iq.max為最大一臺電動機(jī)的啟動電流；Ier為其他電動機(jī)的額定電流之和。根據(jù)選型原則，選用NZMB1-A160斷路器。（3）熔斷器選型熔斷器基于電流熱效應(yīng)原理和發(fā)熱元件熱熔斷原理設(shè)計，具有一定的瞬時動作性，用于電路的短路保護(hù)盒嚴(yán)重過載保護(hù)。熔斷器的選擇包括熔斷器類型的選擇和熔體額定電流的選擇兩部分。根據(jù)負(fù)載類型，選用GSTA00-160-S00(160A)。（4）主令電器選型控制按鈕簡稱按鈕，是一種結(jié)構(gòu)簡單且使用廣泛的手動電器，在控制電路中用于手動發(fā)出控制信號以控制接觸器、繼電器等。設(shè)計中選用的按鈕NP6-MB/Y，額定工作電壓DC24V，額定工作電流0.7A。行程開關(guān)選用LXZ1-03Z/W。（5）信號電器選型照明燈選用HK(220V/60W),指示燈選用LED指示燈（24v）。（6）熱繼電器選型熱繼電器主要是用于電氣設(shè)備（主要是電動機(jī)）的過負(fù)荷保護(hù)。熱繼電器是一種利用電流熱效應(yīng)原理工作的電器，它具有與電動機(jī)容許過載性相近的反時限動作特性，主要與接觸器配合使用，用于對三相異步電動機(jī)的過負(fù)荷和斷相及電流不平衡的保護(hù)及其他電氣設(shè)備發(fā)熱狀態(tài)的控制。三相異步電動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，常會遇到因電氣或機(jī)械原因等引起的過電流（過載和斷相）現(xiàn)象。如果過電流不嚴(yán)重，持續(xù)時間短，繞組不超過允許升溫，這種過電流是允許的；如果過電流情況嚴(yán)重，持續(xù)時間較長，則會加快電動機(jī)絕緣老化，甚至燒毀電動機(jī)，因此，在電動機(jī)回路中應(yīng)設(shè)置電動機(jī)保護(hù)裝置。常用的電動機(jī)保護(hù)裝置種類很多，使用最多、最普遍的是雙金屬片式熱繼電器。繼電器的主要技術(shù)參數(shù)：1）額定參數(shù)。主要有工作電壓和電流，吸合電壓和電流，釋放電壓和電流等。2）動作特性參數(shù)。返回系數(shù) 儲備系數(shù) 響應(yīng)時間。3）整定參數(shù)。包括整定值和靈敏度。因?yàn)殡姍C(jī)的額定電流為1.8A，所有按照1.05倍整定為1.89A?？梢赃x擇熱元件額定電流為2.4A的型號為JR0-20/3的熱繼電器五個。（6）電源模塊S7-200的CPU單元有一個內(nèi)部電源，它為CPU模塊、擴(kuò)展模塊和DC 24V用戶供電。每一個CPU模塊都有一個DC 24V傳感器電源，它為本機(jī)的輸入點(diǎn)或擴(kuò)展模塊的繼電器線圈提供電源，如果要求的負(fù)載電流大于該電源的額定值，應(yīng)增加一個DC 24V電源為擴(kuò)展模塊供電。本設(shè)計選用SITOP PS207電源模塊,該模塊電源有60W 和100W 兩種功率類型，其功能和設(shè)計能夠與SIMATIC S7-200 CN 系統(tǒng)完美匹配。也可以同時向其它負(fù)載提供24 V供電，如傳感器和驅(qū)動等感性,容性負(fù)載。此電源模塊安裝方式靈活，既可使用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，也可通過螺釘墻面安裝。靈活的安裝方式和緊湊的設(shè)計節(jié)約安裝空間，可廣泛應(yīng)用于小型的OEM 設(shè)備控制系統(tǒng)，配電箱或開關(guān)柜中。4.4系統(tǒng)控制電路設(shè)計系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。PLC主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運(yùn)行；能在二臺水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；4臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運(yùn)行狀況。如圖4.4為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運(yùn)行時，可用按鈕SB1SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運(yùn)行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。圖中的HL10為自動運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個干觸發(fā)點(diǎn)信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器KA的觸點(diǎn)對變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中的Q0.0-Q0.5及Q1.1-Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號。本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運(yùn)行過程如下：(1) 手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機(jī)故障的檢測與維修。單刀雙擲開關(guān)SA打至1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關(guān)分別控制三臺水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。SB1按下時由于KM2常閉觸點(diǎn)接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī)M1可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。只有當(dāng)SB2按下時才會切斷電路，KM1線圈失電，電機(jī)M1停止運(yùn)行。同理，可以通過按下SB3、SB5啟動電機(jī)M2、M3，通過按下SB4、SB6來使電機(jī)M2、M3停機(jī)。（2）自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。單刀雙擲開關(guān)SA打至2端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運(yùn)行信號，Q0.1輸出1#水泵變頻運(yùn)行信號，當(dāng)Q0.0輸出1時，KM1線圈得電，1#水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1點(diǎn)亮，同時KM1的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)KM1、KM2的電氣互鎖。當(dāng)Q0.1輸出1時，KM2線圈得電，1#水泵變頻運(yùn)行指示燈HL2點(diǎn)亮，同時KM2的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當(dāng)Q1.4輸出1時，報警電鈴HA響起；當(dāng)Q1.5輸出1時，中間繼電器KA的線圈得電，常開觸點(diǎn)KA閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈HL10一直點(diǎn)亮。4.4.1 PLC的選擇PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)；PLC可以上接工控計算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。PLC和上位機(jī)的通信采用PC/PPI電纜，支持點(diǎn)對點(diǎn)接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實(shí)現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù)。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關(guān)量輸出為16點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU226為24點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個，模擬量輸出點(diǎn)1個，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。圖4.5說明了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)備組成和硬件接線：圖中，PLC控制系統(tǒng)主要包括CPU、數(shù)字量擴(kuò)展模塊(EMl)以及模擬量擴(kuò)展模塊(EM2)：本系統(tǒng)選擇SIEMENS S7200系列PLC產(chǎn)品。該P(yáng)LC的CPU及數(shù)字量擴(kuò)展模塊如下：(1)CPU：采用s7 200 cPu224，DcAc繼電器輸出型，該產(chǎn)品集成14個數(shù)字量輸入和10個數(shù)字量輸出，可擴(kuò)展7個模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量Io或38路模擬量Io22K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，具有6個獨(dú)立的高速計數(shù)器和2個100KHz的高速脈沖輸出： 2個Rs485通訊口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由口通訊方式；該產(chǎn)品還內(nèi)置自整定PID功能，線性斜坡脈沖指令，診斷LED，數(shù)據(jù)以及配方功能，是SIEMENS家族小型PLC領(lǐng)域的新產(chǎn)品；(2)EM1：s7200 EM222，8點(diǎn)繼電器輸出模塊。本系統(tǒng)PLC的數(shù)字IO地址分配及其意義如下：表4.3 變量地址分配表11號抽水泵啟動I0.0輸入1號水泵啟動信號21號抽水泵停止I0.1輸入1號水泵停止信號32號抽水泵啟動I0.2輸入2號水泵啟動信號42號抽水泵停止I0.3輸入2號水泵停止信號53號抽水泵啟動I0.4輸入3號水泵啟動信號63號抽水泵停止I0.5輸入3號水泵停止信號74號抽水泵啟動I0.6輸入4號水泵啟動信號84號抽水泵停止I0.7輸入4號水泵停止信號95號抽水泵啟動I1.1輸入5號水泵啟動信號105號抽水泵停止I1.2輸入5號水泵停止信號11手動運(yùn)行I1.3手動控制系統(tǒng)運(yùn)行信號12自動運(yùn)行I1.4自動控制系統(tǒng)運(yùn)行信號13非火災(zāi)狀態(tài)I1.514火災(zāi)狀態(tài)I1.6火災(zāi)信號15系統(tǒng)啟動I1.716系統(tǒng)停止I2.117變頻器1故障I2.218變頻器2故障I2.3191號水泵故障I2.4202號水泵故障I2.511號抽水泵啟動I0.0輸入1號水泵啟動信號21號抽水泵停止I0.1輸入1號水泵停止信號32號抽水泵啟動I0.2輸入2號水泵啟動信號42號抽水泵停止I0.3輸入2號水泵停止信號53號抽水泵啟動I0.4輸入3號水泵啟動信號63號抽水泵停止I0.5輸入3號水泵停止信號74號抽水泵啟動I0.6輸入4號水泵啟動信號84號抽水泵停止I0.7輸入4號水泵停止信號95號抽水泵