小区变频恒压供水控制系统设计

兰州理工大学毕业设计 论文 TECHNOLOGY 摘 要 本设计根据中国城市小区的供水要求 设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水 系统 变频恒压供水系统由可编程控制器 变频器 水泵机组 压力传感器 工控机 等构成 本系统包含五台水泵电机 它们分别实现对生活用水 消防用水的提供和对排污 水的排放 采用变频器实现生活用水泵和消防用水泵的软启动和变频调速 压力传感 器检测当前水压信号 经过压力变送器送入 PLC 与设定值比较后进行 PID 运算 从而 控制变频器的输出电压和频率 进而改变水泵电机的转速来改变供水量 最终保持管 网压力稳定在设定值附近 通过工控机与 PLC 的连接 采用组态软件完成系统监控 实现了运行状态动态显示及数据 报警的查询 关键词关键词 变频调速 恒压供水 PLC 兰州理工大学毕业设计 论文 I Abstract According to the requirement of China s urban water supply this paper designs a set of water supply system of frequece control of constant voltage based on PLC and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data Acquisition The system is made up of PLC transducerunits of pumps pressure sensor and control machine and so on This system is formed by three pump generators and they form the circulating run mode of frequency conversion With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control operation switch adopts the principle of start first stop first The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure via PLC with set value by carry out PID comparison operation so control frequency and the export voltage of frequency converter and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity eventually it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value Through work control machine the connection with PLC with group form software consummately systematic monitoring have realized operation state development to show and data report to the police inquiry Key Words variable frequency speed regulating constant pressure water supply PLC 兰州理工大学毕业设计 论文 II 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 选题背景 1 1 2 选题依据 2 第 2 章 设计内容与要求 3 2 1 设计内容 3 2 1 1 系统概述 3 2 1 2 设计的主要内容 4 2 1 3 主要技术参数与技术指标 4 2 2 系统设计的功能要求 4 第 3 章 系统方案设计 6 3 1 方案选择 6 3 2 系统原理与组成 7 3 2 1 原理框图设计 8 3 2 2 系统原理分析 9 第 4 章 系统的硬件电路设计 13 4 1 系统硬件设计分析 13 4 2 系统主电路设计 13 4 3 器件选型 15 4 3 1 变频器的选型 15 4 3 2 水泵机组的选型 16 4 3 3 压力变送器的选型 16 4 3 4 液位变送器选型 17 4 3 5 低压电器选型 17 4 4 系统控制电路设计 20 4 4 1 PLC 的选择 20 第 5 章 系统的软件设计 25 5 1 系统软件分析 25 5 2 软件流程图设计 27 5 3 软件编制 30 5 3 1 控制系统主程序设计 32 5 4 仿真实验 38 结 论 41 参考文献 42 英文文献与翻译 44 致 谢 59 附录 61 兰州理工大学毕业设计 论文 III 兰州理工大学毕业设计 论文 0 第 1 章 绪论 1 1 选题背景 随着人民生活水平的日趋提高 新技术和先进设备的应用 使给供水设计得到了 发展的机遇 当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合 不再仅 仅追求立面和平面的美观和合理 而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本 的理念 特别是在市场经济的浪潮中 力求土地使用效率的最大化 于是选择一种符 合各方面规范 卫生安全而又经济合理的供水方式 对我们给供水设计带来了新的挑 战 传统的恒压供水方式是采用水塔 高位水箱 气压罐等设施实现的 存在着以下 忧缺点 1 恒速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 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 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 3 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 4 液力耦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 4 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工业系统中的用水 目 前的供水方式朝向高效节能 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 兰州理工大学毕业设计 论文 1 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 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 1 2 选题依据 传统的高塔供水系统受到地理位置的限制 无法满足恒压 节能 安全 可靠等 功能 采用变频调速供水系统 克服了传统高塔供水系统的缺点 生活用水供水系统 由水池 离心泵 主泵 备用泵 压力传感器 PID 调节器 变频器 主泵 备用泵 可编程控制器 PLC 管网组成 恒压供水控制系统的基本控制策略是 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稳定在设定的压力值上 恒压供水系统能自动控制一至多台水泵和一台备用泵的运行 恒压供水系统具备 过流 过压 欠压 欠相 短路保护 瞬时停电保护 过载 失速保护等功能 功能 完善 完全自动化 泵房不设岗位 只需派人定是检查保养 恒压供水系统实现了系 统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化 从而可以保证用户任何时候的用水压 力 不会出现在用水高峰期水管压力太小的情况 它改变传统的采用水塔 高位水箱 气压罐等设施来实现恒压供水方式 真正做到智能 节能 卫生安全而有经济合理的 供水方式 兰州理工大学毕业设计 论文 2 第 2 章 设计内容与要求 2 1 设计内容 本文主要完成PLC 变频器实现的生活用水供水过程的恒压 由于供水系统管道长 管径大 管网的充压比较慢 故系统是一个大滞后系统 不宜直接采用PID调节器进行 控制 而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节 本系统采用通用变频器 实现三相水泵电机的软启动和变频调速 压力传感器检测当前水压信号 水压信号经 变送器输出标准电信号 4 20mA 通过A D转换模送入PLC 经PLC进行压力反馈值与设 定值的PID运算 运算结果送入变频器频率控制端控制变频器的输出频率 从而改变电 机转速 由PLC接受控制信号 并实现对电机的起停及切换控制 变频器的故障输出及 报警信号以及系统显示信号全部送入PLC 以方便利用PLC与上位机进行通讯并实现监 控 系统的操作与管理采用微机实现 运行参数有记录 使系统节能达到最佳效果 具体内容如下 1 对水泵电机的调速原理进行分析 根据供水特点 分析水泵电机的运行特点 运行参数及工作点 分析供水系统对电气调速的要求 阐述了变频器拖动电动机的恒 压供水模式的工作原理 设计一套基于PLC的变频调速恒压供水控制系统 2 从水泵运行曲线及管网特性曲线入手 分析水泵工况调节的几种方法 详细阐 述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理 3 重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其工作原理 进行系统硬件的选择及 PLC程序的设计 变频器功能预置等 系统由一台变频器拖动三台水泵变频启动运行 由PLC控制切换 由压力传感器检测管网压力 根据压力大小进行PID控制 调整变频 器的输出频率 从而改变水泵电机转速 改变流量的大小 适应用户用水量改变的需 求 保持管网压力恒定 2 1 1 系统概述 本设计的恒压供水系统主要有变频器 可编程控制器 压力变送器和现场的水泵 机组 它们一起组成一个完整的闭环调节系统 本设计中有 2 个贮水池 分别是供水 水池和排污水池 五台水泵 但是生活水泵和消防水泵中同时各只有 1 台水泵在变频 器控制下作变速运行 PLC 根据管网压力自动控制各个水泵之间切换 并根据压力检 测值和给定值之间偏差进行 PID 运算 输出给变频器控制其输出频率 调节流量 使 供水管网压力恒定 以达到恒压供水的目的 恒压供水系统具有投资少 自动化程度高 保护功能齐全 运行可靠 操作简便 节水节电效果显著 尤其对水质不构成二次污染 其优异的性能价格比是其他任何供 水设备无法比拟的 兰州理工大学毕业设计 论文 3 2 1 2 设计的主要内容 一个变频调速恒压供水控制装置 系统中应结合微机技术 变频技术与电机控制 技术 毕业设计的主要内容为 1 掌握水利工程对控制 通信等的需求 提出综合自动化系统方案 2 提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化 3 完成软件需求的系统分析 4 完成软件的编制 PLC 的编程与说明 5 绘制系统总体结构图 系统原理图 电气控制原理图 软件流程图 6 按期完成毕业论文的撰写 7 充分准备 顺利完成毕业答辩 2 1 3 主要技术参数与技术指标 两台生活用水泵 15KW 交流电动机 一备一用 变频调速 两台消防用水泵 37KW 交流电动机 一备一用 变频调速 1 台排污泵 1 5KW 交流电动机 工频运行 生活用水压力设定值 4 5kg cm2 高压消防压力设定值为 12 kg cm2 2 2 系统设计的功能要求 本设计系统需要实现的功能如下 1 实现生活用水的变频调速自动恒压控制 压力值连续可调 能自动 24 小时维 持恒定压力 并根据压力信号自动启动备用泵 两台生活用水泵组采用一备一用方式 运行 实现两台水泵的定式自动切换和手动切换 实现两台水泵的自动并泵和切除功 能 2 实现生活用水和消防用水的自动调整 即两台生活用水泵组和两台高压消防 用水泵组 一备一用 之间的切换 实现高压消防用水泵的变频调速自动控制 3 实现各水泵的一用一备运行方式的自动控制 本地手动控制的选择和控制 各台水泵的安全启动控制 泵的出口蝶阀控制 故障报警功能 无级调整压力 供水 质量好 与传统供水比较 不会造成管网破裂及水龙头共振现象 4 采用变频恒压供水保护功能齐全 运行可靠 恒压供水系统具备了过流 过 压 欠压 欠相 短路保护 瞬时停电保护 过载 失速保护等功能 功能完善 完 全自动化 泵房不用设岗位 只需派人定时检查保养 5 实现污水池的水位检测和手动 自动排污 6 实现供水装置的上位监控 兰州理工大学毕业设计 论文 4 第 3 章 系统方案设计 3 1 方案选择 恒压变频供水系统主要有压力变送器 变频器 恒压控制单元 水泵机组以及低 兰州理工大学毕业设计 论文 5 压电器组成 系统主要的任务是利用恒压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起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和监控 根据系统的设计任务要求 有以下几种方案 可供选择 1 有供水基板的变频器 水泵机组 压力传感器 这种控制系统结构简单 它将 PID 调节器和 PLC 可编程控制器等硬件集成在变频 器供水基板上 通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能 它虽然微化了 电路结构 降低了设备成本 但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦 无法 自动实现不同时段的不同恒压要求 在调试时 PID 调节参数寻优困难 调节范围小 系统的稳态 动态性能不易保证 其输出接口的扩展功能缺乏灵活性 数据通信困难 并且限制了带负载的容量 因此仅适用于要求不高的小容量场合 2 通用变频器 单片机 包括变频控制 调节器控制 人机界面 压力传感器 这种方式控制精度高 控制算法灵活 参数调整方便 具有较高的性价比 但开 发周期长 程序一旦固化 修改较为麻烦 因此现场调试的灵活性差 同时变频器在 运行时 将产生干扰 变频器的功率越大 产生的干扰越大 所以必须采取相应的抗 干扰措施来保证系统的可靠性 该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水 中 3 通用变频器 PLC 包括变频控制 调节器控制 人机界面 压力传感器 这种控制方式灵活方便 具有良好的通信接口 可以方便地与其他的系统进行数 据交换 通用性强 由于 PLC 产品的系列化和模块化 用户可灵活组成各种规模和要 求不同控制系统 在硬件设计上 只需确定 PLC 的硬件配置和 I O 的外部接线 当控 制要求发生改变时 可以方便地通过 PC 机来改变存贮器中的控制程序 所以现场调试 方便 同时由于 PLC 的抗干扰能力强 可靠性高 因此系统的可靠性大大提高 该系 统能适用于各类不同要求的恒压供水场合 并且与供水机组的容量大小无关 通过对以上这几种方案的比较和分析 可以看出第三种控制方案更适合于本系统 这种控制方案既有扩展功能灵活方便 便于数据传输的优点 又能达到系统稳定性及 控制精度的要求 3 2 系统原理与组成 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 流量的大小取决于扬程 但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系 供水能力QG 用水需求Qu 则压力上升 供水能力QGH0 所以当用阀门控制流量时 有正比于 H1 H0 Q2的功 率被浪费掉 并且随着阀门的不断关小 阀门的摩擦阻力不断变大 管阻特性曲线上 移 运行工况点也随之上移 于是 H1增大 而被浪费的功率要随之增加 所以调速控 制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多 节能效果显著 H H2 H1 H0 0Q2 Q1Q n1 n2 E F D b1 b2 b3 图 3 4 管网及水泵的运行特性曲线 变频恒压供水系统控制流程如下 l 系统通电 按照接收到有效的自控系统启动信号后 首先启动变频器拖动变 频泵 M1 工作 根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器 的输出频率 控制 Ml 的转速 当输出压力达到设定值 其供水量与用水量相平衡时 转速才稳定到某一定值 这期间 Ml 工作在调速运行状态 2 当用水量增加水压减小时 压力变送器反馈的水压信号减小 偏差变大 PLC 的输出信号变大 变频器的输出频率变大 所以水泵的转速增大 供水量增大 最终 水泵的转速达到另一个新的稳定值 反之 当用水量减少水压增加时 通过压力闭环 减小水泵的转速到另一个新的稳定值 3 如果用水量继续增加 变频器输出频率达到上限频率 50Hz 时 压力仍未达到 兰州理工大学毕业设计 论文 11 设定值时 控制系统就会发出水压超限报警 第 4 章 系统的硬件电路设计 4 1 系统硬件设计分析 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 4 1 所示 A D模块可编程控制器 PLC 通讯模块 压力 变送器 故障 状态 等量输入 报警 控制 等量输出 人机界面 上位机 组态等 变频器 水泵机组 软启动 自 耦变压器 图 4 1 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设计应包括以下几部分 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 兰州理工大学毕业设计 论文 12 4 2 系统主电路设计 基于 PLC 的变频恒压供水系统主电路图如图 4 2 所示 图中共有五个水泵 其中 1 2 水泵为生活用水泵 3 4 为消防用水泵 5 为 排污泵 五台电机分别为 M1 M2 M3 M4 M5 它们分别带动水泵 1 2 3 4 5 接触器 KM1 KM2 KM3 KM4 分别控制 M1 M2 M3 M4 的变频运行 接触器 KM5 KM6 KM7 分别控制 M5 的工频运行和降压启动 由于 1 泵和 2 泵为一备一用 所以二台水泵之间必须互锁 也就是说只有当前一台水泵出 现故障后 才启用备用泵进行工作 以提供供水正常 同理二台消防用水泵也应该互 锁 以保证一台消防水泵出现故障后消防用水的正常 其中生活用水泵和消防用水泵 都由变频器控制它的启动 故不需要进行降压启动 而 5 水泵不是由变频器控制的 所以它的启动会造成电网电压的较大波动 影响其他用电设备的正常运行 为了不影 响其它电器的正常使用 5 泵启动的时候使用 Y 降压启动 兰州理工大学毕业设计 论文 13 QS1QS2 QS3 QS4 QS5 KM4 KM1 KM3 FR1 FR2 FR3 FR4 FR5 L1 L2 L3 KM5 QS0 3 3 3 3 3 KM6 KM7 R S T U V W FWD RST CM Ta Tb Tc 正转指令 股障复位 故障报警 输出 KM2 M1M2 M3M4 M5 CC1 GND KAR1 R S T U V W FWD RST CM Ta Tb Tc 正转指令 股障复位 故障报警 输出 CC1 GND KAR2 M0 V0 PLC模拟输入M0 V0 PLC模拟输入 N FU 图 4 2 变频恒压供水系统主电路图 兰州理工大学毕业设计 论文 14 4 3 器件选型 4 3 1 变频器的选型 变频器是本系统控制执行机构的硬件 通过频率的改变实现对电机转速的调节 从而改变出水量 变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择 本系统中 要实现监控 所以变频器还应具有通讯功能 根据控制功能不同 通用变频器可分为 三种类型 普通功能型 U f 控制变频器 具有转矩控制功能的高功能型 U f 控制变频 器以及矢量控制高功能型变频器 供水系统属泵类负载 低速运行时的转矩小 可选 用价格相对便宜的 U f 控制变频器 由于本设计中 PLC 选择的西门子 S7 200 型号 为了方便 PLC 和变频器之间的通信 我 们选择 E320 变频器 它是用于三相交流电动机调速的系列产品 由微处理器控制 采 用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件 具有很高的运行可靠性和很强的功能 它 采用模块化结构 组态灵活 有多种完善的变频器和电动机保护功能 有内置的 RS 485 232C 接口和用于简单过程控制的 PI 闭环控制器 可以根据用户的特殊需要对 I O 端子进行功能自定义 快速电流限制实现了无跳闸运行 磁通电流控制改善了动态响 应特性 低频时也可以输出大力矩 E320 变频器的输出功率为 0 75 90KW 适用于要 求高 功率大的场合 恰好其输出信号能作为 75KW 的水泵电机的输入信号 另外选择 西门子的变频器可以通过 RS 485 通信协议和接口直接与西门子 PLC 相连 更便于设备 之间的通信 本设计选用E320风机水泵型变频器 该系列变频器具有如下特点 1 由微处理器控制 并采用IGBT作为功率组件 运行可靠 功能多样 2 脉冲调制频率可调 电动机运行噪声低 3 牢固的EMC设计 4 具有多个继电器输出 5 具有多个模拟量输出 6 多个个模拟量输入 7 BiCo 二进制互联 技术 该变频器的基本配线图如4 3所示 兰州理工大学毕业设计 论文 15 三相电源 可编程输入端 正转指令 反转指令 故障复位 0 5v频率设定 0 10v频率设定 0 20mA频率设定 电动机 接地 故障报警输出 外接制动电阻 CM RST REV FWD CM X7 X6 X5 X4 X3 X2 X1 R S T U V W M Ta Tb Tc P P PB 10 VI1 CC1 VI2 GND 图4 3 E320变频器基本配线图 4 3 2 水泵机组的选型 水泵机组的选型基本原则 一是要确保平稳运行 二是要经常处于高效运行 以 求取得较好的节能效果 要使泵组常处于高效运行 则所选用的泵型必须与系统用水 量的变化幅度相匹配 本设计的要求为 电动机额定功率为 15KW 37KW 生活用水供 水压力控制在 4 5kg 而消防用水的供水压力控制在 12 kg 根据本设计要求 并结合实际中小区生活用水情况 最终确定采用 5 台上海熊猫机械有限公司生产的 SFL 系列水泵机组 SFL 型低噪音生活给水泵在外壳 轴上采用不锈钢材质 叶轮 导叶采 用铸造件 经过静电喷塑处理 效率可提高 5 以上 采用低噪音电机 机械密封 前 端配有泄压保护装置 噪声更低 室外噪音 60 分贝 磨损小 寿命更长 下轴承采用 柔性耐磨轴承 噪音低 寿命长 采用低进低出的结构设计 水力模型先进 性能更 可靠 它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒 无杂质不挥发 弱腐蚀介质 一般用在城市给排水 锅炉给水 空调冷却系统 消防给水等 4 3 3 压力变送器的选型 压力变送器用于检测管网中的水压 常装设在泵站的出水口 压力传感器和压力 变送器是将水管中的水压变化转变为 1 5V 或 4 20mA 的模拟量信号 作为模拟输入模 块 A D 模块 的输入 在选择时 为了防止传输过程中的干扰与损耗 我们采用 4 20mA 输出压力变送器 在运行过程中 当压力传感器和压力变送器出现故障时 系 统有可能开启所有的水泵 而此时的用水量又达不到 这就使水管中的水压上升 为 了防止爆管和超高水压损坏家中的用水设备 热水器 抽水马桶等 本文中的供水系 兰州理工大学毕业设计 论文 16 统使用电极点压力表的压力上限输出 作为 PLC 的一个数字量输入 当压力超出上限 时 关闭所有水泵并进行报警输出 根据以上的分析 本设计中选用普通压力表 Y 100 和 XMT 1270 数显仪实现压力的 检测 显示和变送 压力表测量范围 0 1Mpa 精度 1 0 数显仪输出一路 4 20mA 电流 信号 送给与 CPU226 连接模拟量模块 EM235 作为 PID 调节的反馈电信号 可设定压 力上 下限 通过两路继电器控制输出压力超限信号 4 3 4 液位变送器选型 考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命 因此需要对水池水位作必要的检测和控 制 本设计要求贮水池水位 2m 5m 所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标 准电信号 4 20mA 电压信号 再将其输入窗口比较器 用比较器输出的高电平作为贮 水池水位的报警信号 输入 PLC 综合以上因素 本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为 DS26 分体式液位变送器 其量程为 0m 200m 适用于水池 深井以及其他各种液位的测量 零点和满量程外 部可调 供电电源 24VDC 输出信号 两线制 4 20mADC 精度等级 0 25 级 4 3 5 低压电器选型 1 接触器选型 接触器是一种适用于在低压配电系统中远距离控制 频繁操作交直流主回路及大 容量控制电路的自动控制开关电器 接触器具有强大的执行机构 大容量的主触头及 迅速熄灭电弧的能力 当系统发生故障时 能根据检测元件所给出的动作信号 迅速 可靠地切断电源 并有低压释放保护功能 与保护电器组合可构成各种电磁启动器 用于电动机的控制及保护 1 交流接触器 交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路 它利用主接点来开闭电路 用辅 助接点来执行控制指令 主接点一般只有常开接点 而辅助接点常有两对具有常开和 常闭功能的接点 小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用 由银钨合金 制成 具有良好的导电性和耐高温烧蚀性 该控制系统中的接触器均选交流接触器 电机所选用的接触器的主触头在主电路 中 所以主触头通断负载额定电压为被控制线路额定电压 AC380V 线圈在控制回路 中 线圈电压取 AC220V 主触头额定电流经验公式 4 1 3 10C NNN K IPU 它们的型号如下 表 4 1 兰州理工大学毕业设计 论文 17 编号接触器型号主触点额定电压 V主触点类型 KM1 KM15CJ10 20220常开 2 直流接触器 主触点额定电压选择直流 440V 线圈电压选择直流 24V 数字量扩展模块均为直流接触器 因此它们的型号为 表 4 2 编号接触器型号主触点额定电压 V主触点类型 YV1CZ0 40 20440常闭 YV2CZ0 40 20440常闭 YV3CZ0 40 20440常闭 H1CZ0 40 20440常开 H2CZ0 40 20440常开 2 断路器选型 低压断路器也称作自动开关或空气开关 是低压配电网络和电力拖动系统中非常 重要的开关电器和保护电器 它集控制和多种保护功能于一身 除了能完成接通和分 断电路外 还能对电路或电气设备发生的短路 严重过载及欠电压等进行保护 也可 以用于不频繁地启动电动机 低压断路器的选择要满足如下几点 额定电流和额定电压应大于或等于线路 设备的正常工作电压和工作电流 热脱扣器的整定电流应与所控制负载 比如电动机 的额定电流一致 欠电压脱扣器的额定电压应等于线路的额定电压 过电流脱扣器的额定电流 Iz大于或等于线路的最大负载电流 对于单台电动机来说 可按下式计算 Iz kIq 4 2 式中 k 为安全系数 可取 1 5 1 7 Iq为电动机的启动电流 对于多台电动机来说 可按下式计算 Iz K Iq max Ier 4 3 式中 K 也可取 1 5 1 7 Iq max为最大一台电动机的启动电流 Ier为其他电动 机的额定电流之和 根据选型原则 选用 NZMB1 A160 断路器 3 熔断器选型 熔断器基于电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计 具有一定的瞬时动作性 用于电路的短路保护盒严重过载保护 熔断器的选择包括熔断器类型的选择和熔体额 定电流的选择两部分 根据负载类型 选用 GSTA00 160 S00 160A 兰州理工大学毕业设计 论文 18 4 主令电器选型 控制按钮简称按钮 是一种结构简单且使用广泛的手动电器 在控制电路中用于 手动发出控制信号以控制接触器 继电器等 设计中选用的按钮 NP6 MB Y 额定工作 电压 DC24V 额定工作电流 0 7A 行程开关选用 LXZ1 03Z W 5 信号电器选型 照明灯选用 HK 220V 60W 指示灯选用 LED 指示灯 24v 6 热继电器选型 热继电器主要是用于电气设备 主要是电动机 的过负荷保护 热继电器是一种 利用电流热效应原理工作的电器 它具有与电动机容许过载性相近的反时限动作特性 主要与接触器配合使用 用于对三相异步电动机的过负荷和断相及电流不平衡的保护 及其他电气设备发热状态的控制 三相异步电动机在实际运行中 常会遇到因电气或机械原因等引起的过电流 过 载和断相 现象 如果过电流不严重 持续时间短 绕组不超过允许升温 这种过电 流是允许的 如果过电流情况严重 持续时间较长 则会加快电动机绝缘老化 甚至 烧毁电动机 因此 在电动机回路中应设置电动机保护装置 常用的电动机保护装置 种类很多 使用最多 最普遍的是双金属片式热继电器 继电器的主要技术参数 1 额定参数 主要有工作电压和电流 吸合电压和电流 释放电压和电流等 2 动作特性参数 返回系数 储备系数 响应时间 3 整定参数 包括整定值和灵敏度 因为电机的额定电流为 1 8A 所有按照 1 05 倍整定为 1 89A 可以选择 热元件额定电流为 2 4A 的型号为 JR0 20 3 的热继电器五个 6 电源模块 S7 200 的 CPU 单元有一个内部电源 它为 CPU 模块 扩展模块和 DC 24V 用户 供电 每一个 CPU 模块都有一个 DC 24V 传感器电源 它为本机的输入点或扩展模块 的继电器线圈提供电源 如果要求的负载电流大于该电源的额定值 应增加一个 DC 24V 电源为扩展模块供电 本设计选用 SITOP PS207 电源模块 该模块电源有 60W 和 100W 两种功率类型 其 功能和设计能够与 SIMATIC S7 200 CN 系统完美匹配 也可以同时向其它负载提供 24 V 供电 如传感器和驱动等感性 容性负载 此电源模块安装方式灵活 既可使用标 准导轨安装 也可通过螺钉墙面安装 灵活的安装方式和紧凑的设计节约安装空间 可广泛应用于小型的 OEM 设备控制系统 配电箱或开关柜中 4 4 系统控制电路设计 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 兰州理工大学毕业设计 论文 19 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 能在二台水泵之间实现变频泵的切换 4 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 系 统要有完善的报警功能并能显示运行状况 如图 4 4 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 SB1 SB6 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 0 Q0 5 及 Q1 1 Q1 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 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 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 4 4 1 PLC 的选择 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 兰州理工大学毕业设计 论文 20 凑 价格低廉 具有较高的性价比 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 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 24 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 图 4 5 说明了 PLC 控制系统的设备组成和硬件接线 图中 PLC控制系统主要包括CPU 数字量扩展模块 EMl 以及模拟量扩展模块 EM2 本系统选择SIEMENS S7 200系列PLC产品 该PLC的CPU及数字量扩展模块如下 1 CPU 采用s7 200 cPu224 Dc Ac继电器输出型 该产品集成14个数字量 输入和10个数字量输出 可扩展7个模块 最大扩展至168路数字量I o或38路模拟量 I o 22K字节程序和数据存储空间 具有6个独立的高速计数器和2个100KHz的高速脉 冲输出 2个Rs485通讯口 具有PPI通讯协议 MPI通讯协议和自由口通讯方式 该产 品还内置自整定PID功能 线性斜坡脉冲指令 诊断LED 数据以及配方功能 是 SIEMENS家族小型PLC领域的新产品 2 EM1 s7 200 EM222 8 点继电器输出模块 本系统 PLC 的数字 I O 地址分配及其意义如下 表 4 3 变量地址分配表 11 号抽水泵启动I0 0输入 1 号水泵启动信号 21 号抽水泵停止I0 1输入 1 号水泵停止信号 32 号抽水泵启动I0 2输入 2 号水泵启动信号 42 号抽水泵停止I0 3输入 2 号水泵停止信号 53 号抽水泵启动I0 4输入 3 号水泵启动信号 63 号抽水泵停止I0 5输入 3 号水泵停止信号 74 号抽水泵启动I0 6输入 4 号水泵启动信号 84 号抽水泵停止I0 7输入 4 号水泵停止信号 兰州理工大学毕业设计 论文 21 95 号抽水泵启动I1 1输入 5 号水泵启动信号 105 号抽水泵停止I1 2输入 5 号水泵停止信号 11手动运行I1 3手动控制系统运行信号 12自动运行I1 4自动控制系统运行信号 13非火灾状态I1 5 14火灾状态I1 6火灾信号 15系统启动I1 7 16系统停止I2 1 17变频器 1 故障I2 2 18变频器 2 故障I2 3 191 号水泵故障I2 4 202 号水泵故障I2 5 11 号抽水泵启动I0 0输入 1 号水泵启动信号 21 号抽水泵停止I0 1输入 1 号水泵停止信号 32 号抽水泵启动I0 2输入 2 号水泵启动信号 42 号抽水泵停止I0 3输入 2 号水泵停止信号 53 号抽水泵启动I0 4输入 3 号水泵启动信号 63 号抽水泵停止I0 5输入 3 号水泵停止信号 74 号抽水泵启动I0 6输入 4 号水泵启动信号 84 号抽水泵停止I0 7输入 4 号水泵停止信号 95 号抽水泵启动I1 1输入 5 号水泵启动信号 105 号抽水泵停止I1 2输入 5 号水泵停止信号 11手动运行I1 3手动控制系统运行信号 12自动运行I1 4自动控制系统运行信号 13非火灾状态I1 5 14火灾状态I1 6火灾信号 15系统启动I1 7 16系统停止I2 1 17变频器 1 故障I2 2 18变频器 2 故障I2 3 191 号水泵故障I2 4 202 号水泵故障I2 5 213 号水泵故障I2 6 224 号水泵故障I2 7 兰州理工大学毕业设计 论文 22 235 号水泵故障I3 0 24压力信号AIWO压力信号同过变送器输入 PLC 25变频器 1 运行Q0 0变频器 1 运行控制信号 26变频器 2 运行Q0 1变频器 2 运行控制信号 271 号抽水泵变频Q0 21 号泵变频运行控制信号 282 号抽水泵变频Q0 32 号泵变频运行控制信号 293 号抽水泵变频Q0 43 号泵变频运行控制信号 304 号抽水泵变频Q0 54 号泵变频运行控制信号 315 号抽水泵工频Q0 65 号泵工频运行控制信号 321 号抽水泵故障Q0 71 号水泵故障显示信号 332 号抽水泵故障Q1 02 号水泵故障显示信号 343 号抽水泵故障Q1 13 号水泵故障显示信号 354 号抽水泵故障Q1 24 号水泵故障显示信号 365 号抽水泵故障Q1 35 号水泵故障显示信号 37系统运行Q1 4系统运行显示控制信号 38系统停止Q1 5非火灾状态显示控制信号 39非火灾状态Q1 6火灾状态显示控制信号 40变频器 1 运行Q1 7变频器 1 运行显示控制信号 41变频器 1 故障Q2 0变频器 1 故障显示控制信号 42变频器 2 运行Q2 1变频器 2 运行显示控制信号 43变频器 2 故障Q2 2变频器 2 故障显示控制信号 施工单位在泵房 包括水泵 水箱 阀门以及管道 仪表等 安装时 分别在自来 水进水和出水管道上安装有电接点压力表 电气施工时 取其作为进水压力和出水压 力的保护信号 水箱水位检测采用液位开关 水箱低于最低水位时 其常开触点闭合 10 0 1 PLC处理水箱水位低的报警信息 水泵过载信号来自与各电机对应的热继电 器 热保护动作时 启动对应的报警处理程序 模拟量I O模块的选择 EM2 S7 200 EM235 SIEMENS模拟量输入输出型模块 包括4AI和1AO 实际使用时 将EM235的DIP开关设置如表4 4所示 表4 4 EM235的DIP开关设置 SW1SW2SW3SW4SW5SW6 ONOFFOFFOFFOFFON 即输入信号定义为 1 单极性 兰州理工大学毕业设计 论文 23 2 满量程输入 0到5v 3 分辨率 1 25Mv 此时对应的输入格式为 0数据值12位000 MSB LSB 对应的输出格式为 数据值12位0000 MSB LSB 根据s7 200PLc的地址定义方法 本系统的模拟量分配为 AI A1w0 当前管网压力0 5v A0 AQWO 变频器频率给定O 201IlA 管网压力当前值 常用0 1 0MPa或o 1 6MPa 取自安装于出水总管上的远传压力表 并 将其转换为 0 5V的直流电压信号 提供给PLC的模拟量输入A口 PLC则输出0 20mA 的直流电流信号 与变频器的CC1相连用作变频器的频率调节信号输入 第 5 章 系统的软件设计 5 1 系统软件分析 系统以PLC为核心 运行程序完成成套装置的全部控制任务 本系统的PLC程序结 构如图4 1所示 兰州理工大学毕业设计 论文 24 主程序 PID 运 算 数 据 采 集 全 自 动 逻 辑 软 操 作 顺 序 控 制 定 时 切 换 手 动 工 频 手 动 变 频 软 手 动 初 始 化 子 程 序 手 动 子 程 序 自 动 子 程 序 故 障 与 报 警 中 断 服 务 通 讯 图4 1 PLC程序结构 硬件连接确定之后 系统的控制功能主要通过软件实现 结合泵站的控制要求 对泵站软件设计分析如下 1 由 恒压 要求出发的变频器频率的控制 为了恒定水压 在水压降落时要升高变频器的输出频率 且在一台水泵工作能满 足恒压要求 变频器需要自动调节自己频率已达到恒压的目的 判断需增加频率的标 准是变频器的输出频率所提供压力达不到预设的压力值设 这一功能可通过比较指令 实现 为了判断变频器工