【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 7 式中： UPf ：上限頻率 LOWf ：下限頻率 sP ：設(shè)定壓力 fP ：反饋壓力 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 8 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 根據(jù)基于 PLC 的恒壓供水控制系統(tǒng)的原理，控制系統(tǒng) 框圖如圖 所示： A / D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報(bào) 警 、 控 制等 量 輸 出人 機(jī) 界 面上 位 機(jī) 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機(jī) 組軟 啟 動(dòng) 、 自耦 變 壓 器 圖 控制系統(tǒng)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。主要設(shè)備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 SFL 系列水泵 3臺(tái)（ 上海 熊貓機(jī)械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它需要完成很多任務(wù)，如：輸入號(hào)的采集、輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)、對(duì)外的數(shù)據(jù)交換等。因此在選擇 PLC 時(shí)，首先要考慮 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 9 PLC 的整體性能，如：指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、帶擴(kuò)展模塊的能力、通訊接口及協(xié)議、編程軟件的方便與否等。由于目前世界上專業(yè)應(yīng)用于恒 壓供水控制系統(tǒng)的控制設(shè)備相對(duì)較少，因此決定選用德國(guó) SIEMENS 公司的 S7200 型。S7200 型 PLC 的特點(diǎn)較為突出：整體結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格實(shí)惠，高性價(jià)比。 SIEMENS公司的產(chǎn)品可擴(kuò)展性好，可靠性高，有豐富的通信指令，通信協(xié)議簡(jiǎn)單；工控計(jì)算機(jī)與 PLC 建立連接后，控制系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制。 根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目和預(yù)留量的考慮，因此選用的主模塊為CPU226，它有 16 點(diǎn)開關(guān)量輸出口，以 AC220V 繼電器形式輸出；有 24點(diǎn)開關(guān)量輸入口，以 +24V 直流形式輸入。在實(shí)際中由于還有模擬量輸入，所以需要模擬 量輸入點(diǎn)和模擬量輸出點(diǎn)各 1 個(gè)。由于原有的設(shè)備已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)，所以需要擴(kuò)展模塊的補(bǔ)充，在此選擇的是 EM235。此模塊由 4個(gè)模擬輸入 (AIW)， 1個(gè)模擬輸出 (AQW)信號(hào)總共 5個(gè)通道組成。此模塊的輸入輸出端口能夠自動(dòng)完成 A/D 和 D/A 的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換信號(hào)可以是一個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù)字信號(hào)，也可以是標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出信號(hào)。EM235 模塊還可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出信號(hào)，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，它的拓展性和實(shí)用性還可以為系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)提供有效的硬件支持。 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主 電路圖如圖 所示 ：執(zhí)行機(jī)構(gòu)由三臺(tái)水泵電機(jī)組成，分別為 M M M3，它們分別帶動(dòng)水泵 3。接觸器 KM KMKM5 分別控制 M M M3的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 M MM3 的變頻運(yùn)行； FR FR FR3 為熱繼電保護(hù)器，分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)；QS QS QS QS4為隔離開關(guān)； FU 為熔斷器，用來保護(hù)主電路。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即 3 臺(tái)水泵中只有 1 臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換到下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)。因此 在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 10 圖 恒壓供水控制系統(tǒng)主電路圖 三相電源經(jīng)過低壓熔斷器、隔離開關(guān)連接至變頻器的 R、 S、 T 端，電機(jī)通過接觸器的觸點(diǎn)與變頻器的 U、 V、 W 端相連。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器與變頻器之間斷開，工頻運(yùn)行的接觸器與隔離開關(guān)之間閉合。低壓熔斷器除除了可以保護(hù)接通電源外，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，對(duì)應(yīng)的熱繼電器 FR 則可以對(duì)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)。在工作狀態(tài)下，變頻和工頻不可能同時(shí)接通，二者只可以有一種工作狀態(tài)。變頻器的輸出端必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，不能直接與電源相連接，這是為了保證變頻器過載時(shí)的安全性。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于工頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，接觸器的觸點(diǎn)會(huì)自動(dòng)斷開。同樣的當(dāng)水泵機(jī)組從工頻狀態(tài)轉(zhuǎn)為變頻狀態(tài)時(shí)，工頻接觸器必須先斷開，才允許變頻器輸出端與接觸器接通，所以 KM1和 KM KM3 和 KM KM5 和 KM6 絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖，防止上述情況的發(fā)生。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)負(fù)載的運(yùn)行情況，主回路的電流大 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 11 小將通過 電流互感器和變送器測(cè)得的信號(hào)以 4~20mA 電流信號(hào)實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)。同時(shí)在轉(zhuǎn)換開關(guān)處接電壓表測(cè)線電壓，電壓表還可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)測(cè)得不同相之間的線電壓，由此可以使系統(tǒng)更實(shí)用簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)開始初始運(yùn)行時(shí)，必須先觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，確保轉(zhuǎn)向正常。若轉(zhuǎn)向相反，則需要通過改變電源相序來調(diào)整轉(zhuǎn)向。在系統(tǒng)進(jìn)行啟停操作時(shí)，主電路不能被直接斷開 (如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開 )，而必須進(jìn)行軟啟動(dòng)或軟停止，這可以通過變頻器實(shí)現(xiàn)。為了使變頻器更高效，所以要接電抗器來提高變頻器的功率因素。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng) 的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司 S7200 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，非常適合小型控制系統(tǒng)。 PLC 主要用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，負(fù)責(zé)以下功能的實(shí)現(xiàn)：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換； 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使 用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中 SA 為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng) SA 打在1的位置時(shí)，此時(shí)為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2 的位置時(shí)，此時(shí)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過按鈕 SB1~SB6 來實(shí)現(xiàn)三臺(tái)水泵的啟 /停功能；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在已經(jīng)寫好了的 PLC 程序控制下自動(dòng)運(yùn)行。 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的電源指示燈。如果變頻器想進(jìn)行復(fù)頻控制，只需要通過中間繼電器的觸點(diǎn)即可。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點(diǎn)，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 12 圖 恒壓供水控制系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC各 I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O端口分配中將詳細(xì)介紹。 本系統(tǒng)在手動(dòng) /自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下： (1) 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測(cè)與維修。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 1端時(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過開關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。 SB1 按下時(shí)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(shí)才會(huì)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 SB SB5 啟動(dòng)電機(jī) M M3，通過按下 SB SB6 來 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13 使電機(jī) M M3 停機(jī)。 （ 2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 2 端時(shí)開啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由 PLC程序控制。 輸出 1水泵工頻運(yùn)行信號(hào)， 輸出 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) 輸出 1時(shí)， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運(yùn)行指示燈 HL1 點(diǎn)亮，同時(shí) KM1 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖。當(dāng) 輸出 1時(shí)， KM2 線圈得電， 1水泵 變頻運(yùn)行指示燈 HL2 點(diǎn)亮，同時(shí) KM2 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM1 的電氣互鎖。同理， 3水泵的控制原理也是如此。當(dāng) 輸出 1 時(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 HL9 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，報(bào)警電鈴 HA響起；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，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(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點(diǎn)亮。 PLC 的 I/O 端口分配及外圍接線圖 基 于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下： (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。 (2) 在供水量小的情況下，如果同一臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換至下一臺(tái)水泵，此舉就是通常所說的“倒泵功能”，這是為了避免同一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的使用壽命下降。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下。 (3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先 停、先停先啟原則。 (4) 水泵在啟動(dòng)時(shí)通常使用軟啟動(dòng)，但水泵系統(tǒng)具有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，在緊急情況下或者檢修時(shí)才能使用。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表 所示。 表 I/O地址編號(hào) 名 稱 代 碼 地址編號(hào) 輸入信號(hào) 供水模式信號(hào) (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號(hào) SLHL 變頻器報(bào)警信號(hào) SU 試燈按鈕 SB7 壓力變送器輸 出模擬量電壓值 Up AIW0 輸出信號(hào) 1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL3 2泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL4 3泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL5 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 14 3泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號(hào) 水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7 變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 白 天模式運(yùn)行指示燈 HL9 報(bào)警電鈴 HA 變頻器頻率復(fù)位控制 KA 變頻器輸入電壓信號(hào) Uf AQW0 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫出 PLC