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1、毕业设计恒压供水系统设计系 部：专 业： 班 级：姓 名：学 号：联系电话：指导老师：目 录 摘 要- 3 -第一章 绪 论- 4 -1.1 课题设计背景- 4 -1.2 课题研究的目的和意义- 4 -第二章 恒压供水基本原理- 7 -2.1 供水系统简介- 7 -2.2 恒压供水基本原理- 7 -2.2.1 恒压供水原理- 7 -2.2.2 系统结构框图设计- 8 -2.2.3 恒压供水的优点- 9 -第三章 恒压供水系统元件选择- 11 -3.1 变频恒压供水系统的组成- 11 -3.1.1 变频恒压供水系统硬件结构- 11 -3.1.2 变频恒压供水系统的控制方案- 12 -3.1.3
2、系统主要设备的选型- 13 -3.2 PLC及其扩展模块的选型- 14 -3.3 变频器的介绍- 15 -3.3.1 选择变频器规格- 15 -3.3.2 开关指令信号的输入- 17 -3.3.3 变频器与PLC的连接- 17 -3.4 传感器- 19 -第四章 恒压供水系统电路设计- 21 -4.1 系统主电路分析及其设计- 21 -4.2 系统控制电路分析及其设计- 22 -4.3 PLC的I/O端口分配及外围接线图- 24 -4.4 PLC程序设计- 27 -4.4.1 控制系统主程序设计- 27 -4.4.2 控制系统子程序设计- 31 -4.5 PID设计- 34 -4.5.1 PI
3、D控制- 34 -4.5.2 恒压供水PID调节过程分析- 35 -4.5.3 PID控制器的应用- 36 -第五章 总 结- 38 -5.1 全文总结- 38 -5.2 研究展望- 38 -致 谢- 39 -参 考 文 献- 40 -摘 要建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源是一项艰巨任务。由于传统供水方式的缺陷，本文设计了一套PLC控制的变频调速恒压供水系统。恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力变送器等构成。共三台电机，其中由一台变频器拖动两台电动机的起动、运行与调速，一台电机备用。控制系统中采用德
4、国SIEMENS公司的S7-200可编程控制器来控制水泵电机的投入台数及运行方式；同时利用其中的数字PID控制器，由FB41将压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。此方法具有短路保护、过载保护功能，工作稳定可靠，大大延长了电机的使用寿命。第一章 绪 论1.1 课题设计背景随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤
5、其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的
6、供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。1.2 课题研究的目的和意义众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为
7、时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优缺点如下： 1、恒速
8、泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高
9、、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。 4、液力涡合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修;优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。 5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面几种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和
10、工业系统中的用水。目前的供水方式朝高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗1。基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所
11、以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。第二章 恒压供水基本原理2.1 供水系统简介 自80年代初，全国各行业大力开展节能工作。自此，住房小区的给水系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水、气压供水，克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实际用水量决定的。根据反馈原理:要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不变，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。因为在恒压供水系统
12、中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定的压力值比较，从而形成闭环系统。2.2 恒压供水基本原理2.2.1 恒压供水原理对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的基本控制对象。但是，流量的大小取决于扬程，扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关：供水能力QG用水需求QU，则压力上升；供水能力QG用水需求QU，则压力下降；供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾反映在流体压力的变化上。因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压
13、力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。2.2.2 系统结构框图设计采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入经运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压
14、力信号(420mA)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解
15、决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。 图2.1为恒压供水的系统构成框图。图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。图2.1 系统结构框图调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来管网水压的实测值和根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。调节器的
16、输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节；它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。如规定和变频器相连接的泵为主泵(主泵也是轮流担任的)，主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。PLC同
17、时还是变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如：手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。2.2.3 恒压供水的优点对供水系统进行的控制，归根到底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力(供水
18、流量)和用水需求(用水流量)之间的平衡情况关系有关，即供水能力大于用水需求时压力上升，供水能力小于用水需求时压力下降，当两者相等时压力不变。供水能力和用水需求之间的矛盾具体反映在水压的变化上。从而压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。当供水系统中某处压力恒定时，供水与用水处于平衡状态，恰好满足用户所需的用水流量，恒压供水有以下优点：1) 节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。2) 占地面积小，投入少，效率高。3) 配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。4) 运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的
19、寿命大大提高。5) 由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。6) 通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。第三章 恒压供水系统元件选择3.1 变频恒压供水系统的组成 3.1.1 变频恒压供水系统硬件结构变频恒压供水系统主要由压力传感器、差压变送器、变频器、PLC控制单元、水泵机组等组成，如图3.1所示。系统主要的设计任务是利用PLC控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。图3.1 系统硬件原理图系统可分为:执行机构、信号检测机构、控
20、制机构三大部分，具体为:1) 执行机构:执行机构是由三台水泵组成，它们用于将水供入用户管网。 2) 信号检测机构:在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号。水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入;液位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器;报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机
21、是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。3) 控制机构:供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制;变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。3.1.2 变频恒压供水系统的控制方案变频恒压供水系统的控制方案有多种，根据水泵机组中水泵被变频器拖
22、动的情况不同，变频器有两种工作方式即变频循环式和变频固定式，变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机；变频固定式是变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择2。本设计中采用变频循环式，下面重点介绍其控制特点：利用变频循环式单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中
23、比较先进的一种方案。下面以单台变频器控制两台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原理如图3.2所示。图3.2 控制原理框图 控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制两台水泵按12341的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有一台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制系统处于状态2。当系统用水高峰过后，用水量减少
24、时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有一台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于状态3。当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有一台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电机，控制系统处于状态4。当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有一台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将2号泵电机停运，
25、1号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往复的工作，以满足系统用水的需要。3.1.3 系统主要设备的选型根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3.3所示：图3.3系统的电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表3.1所示：表3.1 本系统主要硬件设备清单主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（PLC）Siemens CPU 226模拟量扩展模块Siemens EM 235变频器富士公司的P11
26、S系列水泵机组SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司）压力变送器及显示仪表HR-YTZ电阻远传压力表液位变送器分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.2 PLC及其扩展模块的选型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。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的
27、性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监测控制。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护3。根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为2
28、4点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。3.3 变频器的介绍3.3.1 选择变频器规格变频器产品说明书都提供了标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数，因此，直接按
29、照变频器标称功率进行选择，在实践中可能会行不通。根据具体工程情况，可以有几种不同的变频器规格选择方式。1.按照标称功率选择一般而言，按照标称功率选择只适合作为初步投资估算依据，在不清楚电动机额定电流时使用，比如电动机型号还没有最后确定的情况。作为估算依据，在一般恒转矩负载应用时可以放大一级估算，例如，90KW电动机可以选择110KW变频器。在需要按照过载能力选择是，可以放大一倍来估算，例如，90KW电动机可以选择185KW变频器。2.按照电动机额定电流选择对于多数的恒转矩负载新设计项目，可以按照这个方式选择变频器规格： IevfK1Ied (3-1)式中，Ievf 是变频器额定电流；Ied是电
30、动机额定电流；K1是电流裕量系数，根据应用情况一般可取为1.051.15，一般情况可取小值，在电动机持续负载率超过80%时，则应该取大值，因为多数变频器的额定电流都是以持续负载率不超过80%来确定的。另外，启动停止频繁的时候也应该考虑取大值，这是因为启动过程以及有制动电路的停止过程电流会短时超过额定电流，频繁启动停止则相当于增加了负载率。3.按照电动机实际运行电流选择这个方式用于改造工程，对于原来电动机已经处于大马拉小车的情况，可以选择功率比较合适的变频器以节省投资： IevfK2Id (3-2)式中，K2是电流裕量系数，考虑到测量误差，可取K2=1.11.2，在频繁启动停止时应该取大值；Id
31、是电动机实测运行电流，指的是稳态运行电流，不包括启动、停止和负载突变的动态电流，实测时应该针对不同工况作多次测量，取其中最大值。 4.按照转矩过载能力选择变频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低，因此，按照常规配备变频器时电动机转矩过载能力不能充分发挥作用。由于变频器能够控制在稳定转矩下持续加速直到全速运行，因此，平均加速度并不低于直接启动的情况，一般应用中没有什么问题。通过上述论述和系统要求，决定选用富士公司的P11S系列变频器。P11S系列是风机泵用标准系列，采用高性能和多功能的理想结合动态转矩矢量控制，能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制。动态转矩矢量控制是一种先进的驱动控制
32、技术4。3.3.2 开关指令信号的输入变频器的输入信号中包括对运行、停止，正转、反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号(数字输入信号)。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件(如晶体管)与PLC连接，获取运行状态指令。使用继电器接点时，常因接触不良而带来误动作;使用晶体管进行连接时，则需要考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在考虑变频器的输入信号电路时还应该注意到，当输入信号电路连接不当时有时会造成变频器的误动作。如当输入信号电路采用继电器等感性负载，继电器开闭时产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应该尽量避免，这时可以考虑采用阻容振荡
33、吸收，光电隔离的方式。3.3.3 变频器与PLC的连接图3.4 变频器图3.5变频器与PLC的连接变频器与PLC的连接如图3.5所示，其中变频器各端子功能如下：R,S,T端子为主电路的电源输入端子，连接三相电源，不需考虑连接相序；U,S,W端子为变频器输出连接端子，连接三相电机水泵，如电机转动方向不对，则可交换其中的任意两相；G端子为接地端子；端子11为模拟输入信号的公共端子；端子12为设定电压输入端，输入PID控制的反馈信号，以此来设定频率；FWD端子为正转运行/停止命令端子，端子FWD-CM间：闭合（ON），正转运行；断开（OFF），减速停止，此端子有PLC输出点控制；接点输入公共端CM为
34、接点输入信号的公共端子；X1为选择输入1端子，作为报警复位命令信号端子；Y1、Y2为晶体管输出1端子与晶体管输出2端子，为水位上限与下限报警端子；晶体管输出公共端CME，为晶体管输出信号的公共端子，端子CM和11在变频器内部相互绝缘；可选信号输出继电器端子Y5A,Y5C,为变频器报警输出端子5。3.4 传感器在工程上，所谓压力，是指一定介质垂直作用于单位面积上的力。压力测量有很多方法，有利用液体在重力作用下液位发生改变与被测压力平衡的液柱测压法，有根据弹性原件受力变形的测压法，也有将被测压力转换成各种电量的电测法等。在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。绝对压力是指被测介质作
35、用在单位面积上的全部压力，用PA表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用P0表示。用来测量大气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即 PI=PA-P0 （3-3）由于工程上需测量的往往是物体超出大气压力之外所受的压力，因而所使用的压力仪表测量的值称为表压力。显然当绝对压力值PA 小于大气压力值P0时，表压力为负值，所测值称为负压力或称真空压，它的绝对值称为真空度。压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米，通常称为帕斯卡或简称帕(Pa)，工业上常采用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作为压力的单位6。设计中需要测量管道出口
36、处的压力值，故采用远传压力表。可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。青岛奥斯特技术开发有限公司的HR-YTZ电阻远传压力表，如图3.5所示。HR-YZ表示压力真空表；HR-Z表示真空表；HR-Y表示一般压力表；HR-YB表示精密压力表。图3.6 远传压力表用途说明：电阻远传压力表适用于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置一滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离点的二次仪表上，以实现集中检测和远距控制。此外，本仪表并能就地指示压力，以便于现场工艺检查。主要技术要求：精确度等级：1.6发送器起始电阻值：320发送器满度电阻值：340400第四章
37、 恒压供水系统电路设计4.1 系统主电路分析及其设计基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图4.1所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续
38、运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。图4.1 变频恒压供水系统主电路图三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触
39、器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将420mA电流信号送至上位机来显示。同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔
40、断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。4.2 系统控制电路分析及其设计系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。PLC主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，
41、手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。如图4.2为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置为手动控制状态；打在2的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1SB6控制三台水泵的启/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5为PLC的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合下节中图4.3一起读图。图4.2变频恒压供水系统控制电路图注：
42、PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：(1) 手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。（2）自动
43、控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；
44、当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；当Q1.5输出1时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮7。4.3 PLC的I/O端口分配及外围接线图基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：(1) 由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间小区用水量小，系统低恒压值运行。(2) 在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具
45、有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。(3) 考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。(4) 三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。(5) 系统要有完善的报警功能。根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表4.1所示。表4.1 输入输出点代码及地址编号名 称代 码地址编号输入信号供水模式信号(1-白天，0-夜间)SA1I0.0水池水位上下限信号SLHLI0.1变频器报警信号SUI0.2试灯按钮SB7I0.3压力变送器输出模拟量电压值
46、UpAIW0输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5输出信号水池水位上下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2白天模式运行指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5变频器输入电压信号UfAQW0结合系统控制电路图4.2和PLC的I/O端口分配表4.1，画出PLC及扩展模块外围接线图，如图4.3所示： 图4.3 PLC及扩展模块外围接线图本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开
