第三章负荷计算与供水系统硬件设计

1、第三章负荷计算与供水系统硬件设计3.1负荷计算3.2系统主要设备的选型3.3系统主要电路分析及其设计3.4 plc的i/o端口分配及外围接线图3.1负荷计算(1) 时变化系数查建筑给水排水设计规范(gb50015-2003)，洒店客房旅客的变化系数 kh为2.52.0;中餐餐厅最高日生活用水定额为每人每天4060l,小时变化系 数kh为1.5,供水时间10h,每r就餐次数3次；洗衣房最高円生活用水定额为 每千克干衣45高日生活用水定额为250400l，员工的最高日生活用水定额为 80100l,小时l，以每客房每天810千克计算，时变化系数kh为1.5，供 水吋间为8h;健身中心最高日生活用水定

2、额为每人每次3050l,吋变化系数 kh为1.51.2,供水时间812h。(2) 最高闩用水量取客房旅客最高日用水定额为35ol,员工用水定额为90l，时变化系数为 kh=2.0o客房用水量：ql=ml*ql +m2*q2=(280x350+40x90)/1000=101.6m3/d取就餐人员最高hl用水定额为50l,吋变化系数kh=1.5。餐厅用水量：q2=m3*q3=(280+100)x50x3/1000=57m3/d取健身人员最高日用水定额为40l,时变化系数kh=1.4。健身屮心用水量：q3=m4-q4=80x40x 10/1000=32m3/d取每客房每天8千克干衣。洗衣房用水量：q

3、4=m5*q5=140x8x45/1000=50.4m3/d最高日用水量为：qd=ql +q2+q3+q4= 101.6+57+32+50.4=241 m3/d(3) 最高日最大时用水量客房最高日最大时用水量为：qh 1 = q1 kh/tlol .6x2.0/24=8.47m3/h餐厅、健身屮心、洗衣房最高口最大时用量为:qh2= q*kh/t=57x 1.5/10+32x1.4/10+50.4x1.5/8=8.55+4.88+9.45=22.88m3/h最高hl最大时用水量为：qh= qh 1 +qh2=8.47+22.88=31.35m3/h（4）地下蓄水池容量为丫方便设计，贮水池的调节

4、容积可按最高日用水量的20%25%确定。如按最 高日用水量的20%计，则v=241x20%=48.2m3。3.2系统主要设备的选型hi繁、拽糾 匁m输出根据基于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3.1 所示：故鳅、状态：r 巧入牧扁劝、自vi: v.<=>水鉍机hiv.7可編枰拽制器（pi.c）<m>变频：is图3.1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。（1）plc及其扩展模块的选型s7-200型plc的结

5、构紧凑，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。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，plc选用德国siemens 公司的 s7-200 型。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。由于实际中需耍模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需耍扩展， 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门时能够自动完成

6、a/d的转换，标准输入信号 能够转换成-个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口吋能够自动完成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。(2) 变频器的选型根据控制功能不同，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，我们选择西门子的micmma

7、ster440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，具奋很高的运行可靠性和很强的功能。micmmaster440变频器的输出功率为 0.7590kw，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。(3) 水泵机组的选型根据本设计相关负荷的计算与变频器的选型，最终确定确定采用3台离心泵 sfl系列水泵机组(电机功率75kw)。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

8、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。(4) 压力变送器的选型压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为15v或420ma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420ma输出压力变送器。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，而此时的用水量乂达不到，这就 使水管中的水压上升，为了防止爆管和超高水压损坏

9、家中的用水设备（热水器、 抽水马桶等），本文中的供水系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0impa，精度1.0;数显仪输岀一 路420ma电流信号，送给与cpu226连接模拟量模块em235,作为md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。（5）液位变送器的选型考虑到水泵电机空载吋会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测 和控制。木设计要求贮水池水位：2m5m,所

10、以要通过液位变送器将检测到的水 位转换成标准电信号（420ma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。本设计选择型号为ds26分体式液位变送器，其量程为：0m200m，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420madc精度等级：0.25级。3.2系统主要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3.2所示:三台电机分别为ml、 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、

11、km6分别控制ml、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。nr图3.2变频恒压供水系统主电路图本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵屮只有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。三相电源经低压熔断器、隔离开关接

12、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。当电机工频运行吋，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，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工 频冋路吋，变频冋路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频吋，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

13、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。同吋可以通过通过转换幵关接电压表显示 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，木系统采用软启动器。plc主要是用于实现变频恒

14、压供水系统的自动控制，耍完成以下功能：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/&动控制功能，手动只在应急或 检修时临吋使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。如图3.3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控制三台水泉的启/停；自动运行时，系统在plc程序控制下运行。图屮的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-个中间继电器ka的触点对变频

15、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3.4起读图。图3.3变频恒压供水系统控制电路图注：plc各i/o端口、各指示灯所代表含义在下一节i/o端口分配巾将详细介绍。 本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：(1) 手动控制：手动控制只在检査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按下吋由于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 m

16、l可以稳定的运行在工频下。只有当sb2按下时方会切断电路，km1线圈失 电，电机ml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來使电机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吋，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h

17、l2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；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直点亮。3.4 plc的i/o端门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) 由于白天和夜间酒店用水量明显不同，木设计采用白

18、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，酒店的用水量大，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,则要切换不 一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作吋间过长。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

19、号如 表3. 1所示。表3. 1输入输出点代码及地址编号名称代码地址编号输入供水模式信号(h白天，0-夜间)sa110.0水池水位上下限信号slhl10. 1信号变频器报警信号su10.2试灯按钮sb7to. 3压力变送器输出模拟量电压值upai wo输出信号1#泵工频运打接触器及指示灯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鵬、hl4q0. 33#泵工频运行接触器及指示灯km5、 hl5q0. 43#泵变频运彳了接触器及指示灯km6、 hl6q0. 5输出信号水池水位上下限报警指示灯hl7ql. 1变频器故障报警指75灯hl8q1.2白天模式运行指示灯hl9q1.3报赘电铃