【文章內容簡介】 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 警 、 控 制等 量 輸 出人 機 界 面上 位 機 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機 組軟 啟 動 、 自耦 變 壓 器 圖 31 系統的電氣控制總框圖 由以上系統電氣總框圖可以看出 ,該系統的主要硬件設備應包括以下幾部分： (1) PLC 及其擴展模 塊、 (2) 變頻器、 (3) 水泵機組、 (4) 壓力變送器、 (5) 液位變送器。主要設備選型 見 表 31。 表 31 本系統主要硬件設備清單 主要設備 型號 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機組 水泵 4 臺 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26 PLC 概述 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable Logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會 (International Electrical Committee)頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產過程。 PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統形成一個整體 ，易于擴展其功能的電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設計 (論文 ) 8 原則而設計 。 西門子 S7200 PLC 簡介 西門子公司具有品種非常豐富的 PLC 產品。 S7 系列是傳統意義的 PLC， S7200屬于小型 PLC，在 1998 年升級為第二代產品， 2020 年升級為第三代產品 。 特點 ： (1)功能強，有 PID 參數自整定、配方、數據歸檔等功能 (2)先進的程序結構 (3)靈活方便的尋址方法 (4)功能強大、使用方便的編程軟件 (5)簡化復雜編程任務的向導功能 (6)強大的通信功能 (7)品種豐富的配套人機界面 (8)有競爭力的價格 (9)完善的網上技術支持 PLC 及其擴展模塊的選型 PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統的核心，它要完成對系統中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。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、內存空間、通訊接口及協議、帶擴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控制設備相對較少，因此 PLC 選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 S7200 型 PLC 的結構緊湊，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。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協議簡單等優(yōu)點；PLC 可以上接工控計算機，對自動控制系統進行監(jiān)測控制。 PLC 和上位機的通信采用PC/PPI 電纜，支持點對點接口 (PPI)協議， PC/PPI 電纜可以方便實現 PLC 的通信接口RS485 到 PC 機的通信接口 RS232 的轉換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序實施安全保護。 根據控制系統實際所需端子數目，考慮 PLC 端子數目要有一定的預留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關量輸出為 16點，輸出形式為 AC220V繼電器輸 出；開關量輸入 CPU226 為 24 點，輸入形式為 +24V 直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點 1個，模擬量輸出點 1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是 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 的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長 (16bit)的數字信號；電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設計 (論文 ) 9 輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A 的轉換，一個字長 (16bit)的數字信號能夠轉換成標準輸出信號。 EM235 模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過 DIP 開關進行設置。 變頻器的 選型 變頻器是本系統控制執(zhí)行機構的硬件，通過頻率的改變實現對電機轉速的調節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據水泵電機的功率和電流進行選擇。本系統中要實現監(jiān)控，所以變頻器還應具有通訊功能。根據控制功能不同，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。供水系統屬泵類負載，低速運行時的轉矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器。 由于本設計中 PLC 選擇的西門子 S7200 型號，為了方便 PLC 和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的 MicroMaster440 變頻器。它是用于三相交流電動機調速的系列產品，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，具有很高的運行可靠性和很強的功能。它采用模塊化結構，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能，有內置的 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可以根據用戶的特殊需要對 I/O 端子進行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖崿F了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應特性，低頻時也可以輸出大力矩。 MicroMaster440變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、 功率大的場合，恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過 RS485 通信協議和接口直接與西門子 PLC 相連，更便于設備之間的通信。 水泵機組的選型 水泵機組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統用水量的變化幅度相匹配。本設計的要求為：電動機額定功率 75KW，供水壓力控制在 177。 。根據本設計要求并結合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用 3 臺上海熊貓機械有限公司生產的 SFL 系列水泵機組（電機功率 75KW）。 SFL 型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質，葉輪、導葉采用鑄造件，經過靜電噴塑處理，效率可提高 5%以上；采用低噪音電機，機械密封，前端配有泄壓保護裝置，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；采用低進低出的結構設計，水力模型先進，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質類似于水的無顆粒、無雜質不揮發(fā)、弱腐蝕介質，一般用在城市 給排水、鍋爐給水、空調冷卻系統、消防給水等。因此本設計中選擇電機功率為 75KW電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設計 (論文 ) 10 的上海 熊貓機械有限公司生產的 SFL 系列水泵 3 臺。 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉變?yōu)?1~5V 或 4~20mA 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 4~20mA輸出壓力變送器。在運行過程中，當壓力傳感器和壓力變送器出現故障時，系統有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達不到， 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備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統使用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個數字量輸入，當壓力超出上限時，關閉所有水泵并進行報警輸出。 根據以上的分析，本設計中選用普通 壓力表 Y100 和 XMT1270 數顯儀實 現壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍 0~1Mpa，精度 ；數顯儀輸出一路 4~20mA電流信號，送給與 CPU226 連接模擬量模塊 EM235，作為 PID 調節(jié)的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信 號。 液位變送器選型 考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設計要求貯水池水位： 2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉換成標準電信號（ 4~20mA 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：本設計選擇 淄博丹佛斯公司生產的型號為 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；零點和滿量程外部可調；供電電源： 24VDC；輸出信號：兩線制 4~20mADC 精度等級： 級。 統主電路分析及其設計 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統主電路圖如圖 32 所示 ： 四 臺電機分別為 MM M M4，它們分別帶動水泵 4。接觸器 KM KM KMKM7 分別控制 M M M M4 的工頻運行；接觸器 KM KM KM KM8分別控制 M M M M4 的變頻運行； KH KH KH KH4 分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器； QS QS QS QS QS5 分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關； FU 為主電路的熔 斷器。 電氣工程及其自動化專業(yè)綜合設計 (論文 ) 11 圖 32 變頻恒壓供水系統主電路