【正文】 第 17 頁 1M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。 (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。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵連續(xù)變頻運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵”功能，以防止某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)。 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。同理， 3水泵的控制原理也是如此。 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。 (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。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。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。圖中的~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的 8 等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合下節(jié)中圖 34 一起讀圖。 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕 SB1~SB6 控制三臺(tái)水泵的啟 /停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在 PLC 程序控制下運(yùn)行。如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。 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，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。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開主電路，而需通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。相應(yīng)地從工頻轉(zhuǎn)換為變頻時(shí)，工頻接觸器也應(yīng)先斷開，才可接通變頻器輸出端接觸器，因此 KM1和 KM2， KM3 和 KM4， KM5 和 KM6 不允許同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須有可靠的互鎖。變頻和工頻兩個(gè)回路決不能同時(shí)接通，而且變頻器的輸出端絕不 能直接接電源，必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)先斷開變頻器的隔離開關(guān)和其輸出端的接觸器，再把工頻回路的接觸器和隔離開關(guān)接通。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。接觸器 KM KM KM5 分別控制 水泵機(jī)組 MM M3 工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 水泵機(jī)組 M M M3 變頻運(yùn)行； FR FR FR3 為 過載保護(hù)用的熱繼電器； QS QS QS QS4 為主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔斷器。 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 12 頁 綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)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(cè)量；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源： 24VDC；輸出信號(hào)：兩線制 4~20mADC； 精度等級(jí)： 級(jí)。 液位變送器選型 考慮到水泵電機(jī)空載時(shí)會(huì)影響電機(jī)壽命，因此需要對(duì)水池水位作必要的檢測(cè)和控制。 供水系統(tǒng)的壓強(qiáng)是 gh??P ，下面單位都是估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)單位 310?? ， g=，一般情況下， h60 米，所以本系統(tǒng)供水系統(tǒng)輸出壓力一 般小于或等于 ，據(jù)以上綜合分析，系統(tǒng)選用普通 壓力表 Y100 和 XMT1270 數(shù)顯儀實(shí) 現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能啟動(dòng)所有的水泵，如果此時(shí)的用水量又達(dá)不到，則會(huì)造成水壓過高。 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測(cè)管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，作為模擬輸入模塊(A/D 模塊 )的輸入。根據(jù)本設(shè)計(jì)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 3 臺(tái)上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率 75KW）。要使泵組常處于高效區(qū)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。 MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、功率大的場(chǎng)合，恰好其輸出信號(hào)能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。它是用于三相交流電動(dòng)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。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。 EM235 模塊由 DIP 設(shè)置不同的標(biāo)準(zhǔn)，切換輸入信號(hào)。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1 個(gè)，模擬量輸出點(diǎn) 1 個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235， 該模塊有 4 個(gè)模擬輸入 (AIW)， 1 個(gè)模擬輸出 (AQW)信號(hào)通道。 S7200 型 PLC 具有較高的性價(jià)比，廣泛適用于 一些小型控制系統(tǒng) ；又 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) 。因此在選擇 PLC 時(shí)，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)展模塊的能力等多方面因素。 圖 24 電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu) (a) 電壓型變頻器主電路； (b)電流型變頻器主電路 電源 M~ 電動(dòng)機(jī) 平 滑 電 容 + M~ 電動(dòng)機(jī) 平滑電感 電源 （ a） （ b） 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁 3 系統(tǒng)硬件選擇及系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 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 31 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 面變 頻 器水 泵 機(jī) 組 圖 31 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。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。直流中間電路的儲(chǔ)能元件在整流電路是電壓源時(shí)是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時(shí)是大容量的電感。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的開關(guān)控制，對(duì)整流器的電壓控制及完成各種保護(hù)功能。 (4)控制電路。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電轉(zhuǎn)換為頻率 及電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。 (3)逆變器。所以其)1(60)1( 11 sP fsNN ???? 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁 功率因數(shù)總不會(huì)為 1。直流中間電路的作用是平滑輸出電流，以確保逆變電路和控制電源得到高品質(zhì)的直流電。電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，其作用是把三相 (可以是單相 )交流整流成直流。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電．又稱間接式變頻器。交 交變頻器將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。因而，改變頻率可以方便地改變電機(jī)的運(yùn)行速度，也就是說變頻對(duì)于交流電機(jī)的調(diào)速來說是十分合適的。而交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 PfN 11 60? 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁 控制指令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控制指令 控制指令 網(wǎng)側(cè)變流器 整流器 逆變器 AC M 運(yùn)行指令 式中 1N 同步轉(zhuǎn)速， r/min； 1f 定子頻率， Hz； P 電機(jī)的 磁極對(duì)數(shù)。微計(jì)算機(jī)是變頻器的核心， 電力電子器件 構(gòu)成了變頻器的主電路。 PLC 有著其它工業(yè)控制設(shè)備難具備的優(yōu)點(diǎn) :高可靠性，豐富的 I/O 接口模塊，采用模塊化結(jié)構(gòu)，編程方便，易于使用?？删幊炭刂破骱屯獠吭O(shè)備和工業(yè)控制系統(tǒng)輕松地聯(lián)成一個(gè)整體 ，以擴(kuò)大其功能設(shè)計(jì)的原則。圖 21 中，液位檢 測(cè)機(jī)構(gòu)把測(cè)量的水箱水位信號(hào)送入到變頻控制柜，經(jīng)過 PLC 程序的運(yùn)算處理，輸出運(yùn)行與停止控制信號(hào)，控制水泵啟動(dòng)與停止工況的轉(zhuǎn)換。 2 恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及組成 本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)由 PLC 和通用變頻器構(gòu)成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 21所示。 （ 2） 系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行。因此，需進(jìn)一步研究，以提高恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其 能更好地應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實(shí)踐。雖然這些設(shè)備采用微型電路結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備成本，但缺乏靈活性輸出接口，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，和其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和組態(tài)軟件是很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，帶負(fù)荷能力的限制，所以在實(shí)際使用的范圍將是有限的。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，國(guó)外廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，日本 Samc 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”和“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。在提倡節(jié)能減排的今天，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。 PLC性能穩(wěn)定，成本低，功能強(qiáng)大，編程方便的特點(diǎn)，采用變頻控制技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于可編程控制器的變頻調(diào)速供水系統(tǒng) 。 另一方面，由于供水的隨機(jī)性，采用傳統(tǒng)方法供水難以保證實(shí)時(shí)，水泵的選擇往往是由最大供水確定，而最高水位時(shí)間短，不僅泵效低，水壓不穩(wěn)定，造成了浪費(fèi)大量電力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生活和生產(chǎn)需要。 Constant pressure water supply 北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 III 頁 目 錄 1 緒論 ……………………………………………………… ..……………… ..…………… .4 課 題背景及 意義 …………………………………………………………………… 4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 …………………………… ……………… 4 本課題主要研究?jī)?nèi)容 …………………………………………………… ………… 5 2 恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) …………………………………… ………… ..………… ...5 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及組成 … ..………………………………… …………………… ..5 PLC 概述及其系統(tǒng)組成 ………… ...………………… .………………………… ...6 變頻器 簡(jiǎn)介及選型 ……… .………………………………… ……………… …… ...6 變頻器簡(jiǎn)介 ……………………………………… .…… ………………… ...6 變頻器的基本結(jié)構(gòu) ………………………………… …… ………………… 7 3 系統(tǒng)硬件選擇及系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) …… …………………… ...………… …… .………… ....9 硬件選擇 ……………………………………………………… ………………… ...9 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) ……………………… ………………………………. ..12 系統(tǒng)控制 電路分析及其設(shè)計(jì)