无人值守恒压供水系统(共32页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上无人值守恒压供水系统的设计摘 要本文针对我校恒压供水的要求和特点，设计成无人值守恒压供水系统。在设计的过程中，通过设计方案的对比，最终给出了由变频器，PLC，压力传感器，水泵组成的最优设计方案。同时，本论文还给出了该恒压供水系统的硬件设计，其中包括系统主电路图，控制系统接线图和外围接线图以及扩展模块；软件设计，主要包括I/O端口的地址分配以及实现的功能，利用西门子STEP7 MicroWIN编程，给出了部分程序，并对程序做出了相应的介绍。关键词: 无人值守，恒压供水，PLC，设计专心-专注-专业Design of unattended and constant pre

2、ssure water supply systemABSTRACTIn this article,according to my schools requirement and characteristics of Water Supply System ,being compared with the Unattended Water Supply. By comparing , finally I come up with the optimal design .AT the same time,the article also give the hardware design of th

3、e water supply system, Including the main circuit system, wiring diagrams control system and external wiring diagrams as well as external expansion modules.The software design,including I / O port address assignment and the realization of the function,we use Siemens STEP7 MicroWIN to program and we

4、also give the part of the program, and make the corresponding introduction of program.Keywords: unattended，constant-pressure water supply, PLC, design目录第一章 绪论1.1 课题的提出水是我们人类生活的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实环境下，对于我们这个水资源短缺的国家，长期以来在市政生活供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断

5、深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区，学校供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性将直接影响到大家的正常工作，生活和学习。传统的供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其特点如下：(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，

6、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，但此方式调节范围小、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

7、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资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了人们的正常生活用水。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

8、速水泵节能效果尤为突出，主要表现在开、停机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。1.2 国内外研究现状恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起动控制以及制动控制、压频比控制以及各种保护功能。应用于恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视

9、并推出具有恒压供水功能的变频器。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都希望集团

10、也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw22kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。1.3 本课题

11、的任务学习无人值守恒压供水系统的理论，总结出该系统所具备的特点，满足在其设计过程中的要求，当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，进行对电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。对各种设计方案进行比较，选择最优的设计方案，给出硬件设计系统主电路图，系统的控制回路图和PLC外围接线图。同时还利用西门子STEP7 MicroWIN编程软件设计了无人值守恒压供水系统的部分程序。由于在该系统中，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速

12、冲击，延长了设备的使用寿命。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。第二章 恒压供水系统方案的分析随着变频技术的发展和人们对生活用水品质要求的不断提高，无人值守恒压供水系统与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是从设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有很大的优势，而且具有显著的节能效果。广泛应用于多层住宅小区，学校及消防供水中。2.1 无人值守恒压供水系统的基本要求本课题所要研究的是无人值守的恒压供水系统。所谓无人值守是指采用可编程序控制器（PLC）对水泵的运行状态进行控制和检测，监控。无人值守恒压供水系统，主要依靠压力传

13、感器实际反馈值与压力感器设定值之间进行比较、运算，为了平衡实际供水压力值与设定压力值的差，将这个增量和变频器当前的输出值相运算，得出的值即为变频器当前应该输出的频率，重复该过程，直到实际供水压力值与设定压力值相等为止。一旦压力值在所有水泵都正常工作时，依旧压力传感器的反馈值小于设定值时，系统给与报警，同时，当管内缺水时，系统会自动给与报警，接着自动切断电源。整个过程都不需要人的参与。2.1.1 无人值守恒压供水系统所具备的特点(1) 系统根据压力传感器的实际反馈值与压力设定值比较的原则，来进行传送给变频器；（2）变频器通过压力传感器的反馈结果，来进行PID调节设置参数，进一步确定水泵的工作运行

14、状态；（3）在每次进行水泵启动时，都要进行判断水泵的运行状态，根据运行时间，启动工作时间最短的水泵，这样就保证了水泵的使用具有相同的磨损率及检修率，以及相同的使用寿命； (4) 在水泵的运行过程中，需要实时检测和显示流量、压力、温度、电流、电压等参数，出现问题给出相应的信息，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁等功能；(5) 系统具有通讯接口功能，PLC可同时与远程控制进行通讯，传送数据，交换信息，实现远程控制功能；(6) 该系统中要求水泵不能在过短时间内频繁启停，在水泵启动及运行过程中均有可靠的切换、合理的过载、过流保护；（7）对于开关量，是PLC装置正确接收信息和发出指令的关键设备，要求有高可

15、靠性、稳定性，能实现某些电、磁的隔离功能；（8） 对于一些测量仪表，PLC系统通过接收该设备发出的信号判断被控制设备的运行状态，以及是否适于设备运行的运行环境条件，同时，要求仪表设备具有高可靠性和稳定性、精确性。2.1.2 系统对工艺流程和运行方式的要求1 运行工艺的要求(1) 水泵启动运行的台数以及运行时间：根据确定压力传感器的压力反馈值与设定值比较来进行控制启动水泵数量和运行时间；(2) 水泵的启停原则：要求系统能够实现在每次启动过程中选择启动运行时间最小的进行启动，这样有效的避免水泵连续工作时间过长，从而保证每台水泵具有相同的磨损率；(3) 电气控制：要求水泵不能在过短时间内频繁启停，影

16、响配电系统稳定。在水泵启动及运行过程中均有自锁和互锁功能。同时，在水泵进行切换过程中采用软启动切换，有效地避免了冲击电流。2 对运行方式的要求（1）手动运行：手动按钮，在检查故障或者自动控制出现故障时才会用到手动控制；（2）自动运行：开启自动控制状态，整个过程都由PLC程序控制 。在正常情况下，水泵都处于自动运行状态。2.2 恒压供水系统控制的方案的讨论2.2.1 恒压供水系统控制的方案恒压变频供水系统主要有压力传感器、变频器、PLC控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的任务是根据实际供水压力值与设定压力值进行比较，通过变频器的调节，使的 PLC控制单元控制水泵的工作状态。同时，还要能

17、对运行过程中的一些参数能够进行检测和调节。根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择：（1）第一种方案：由有供水基板的变频器，水泵机组，压力传感器三者组成由于该控制系统结构的组成十分简单，仅仅将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等电控系统的控制功能从资源及成本的角度考虑，它虽然集成了电路结构，降低了设备的成本，但是，在压力传感器的设定值和压力传感器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。同时，在进行调试的过程中，PID调节参数不易寻优，调节范围比较小，系统的稳态性、动态性都很难保证。由于，该系统的输出接口的

18、扩展功能灵活性很差，很难进行数据通信，并且限制了带负载的容量，因此，该系统仅适用于要求不高的小容量场合。（2）第二种方案：由变频器，单片机，压力传感器，水泵机组组成该系统的控制和第一种方案相比，由于单片机的引入，通过程序的控制，使得PID调节调节范围变大，系统的稳态性、动态性都得到了很好的保证。同时，该系统的接口扩展功能比较灵活，但是由于单片机的开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性比较差，同时变频器在运行时，将产生很多干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，因此，必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。所以，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）第

19、三种：由变频器，PLC，压力传感器，水泵组成该系统的除了具有以上方案的优点以外，它的控制方式十分方便灵活，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据传递，信息的交换，通用性很强，同时，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的控制系统。对于第三种方案，在硬件设计上：通过实际供水压力值与设定压力值进行比较，控制系统的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增量值，将这个增量和变频器当前的输出值进行运算，得出的值即为变频器当前的频率值。该频率来进行调整水泵机组的转速，从而使系统供水的压力值与设定值平衡。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所

20、以，水压的调节十分平滑，稳定。对于PLC,只需确定它的硬件配置和I/O地址分配以及外部接线，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，所以现场调试十分方便。从软件编程：西门子系列PLC编程采用STEP7-Micro/WIN32编程软件，它是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。因此，可以很明显的判断出该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，满足无人值守恒压供水系统的要求。2.2.2

21、本系统设计方案的分析无人值守能压供水系统系统主要由变频器，压力传感器，水泵机组等组成，该系统的组成框图如下所示：图2-1 无人值守恒压供水系统组成框图（1）压力传感器：本系统主要是根据压力传感器在系统运行过程中实际供水压力与设定压力进行比较，将它们的差值送给变频器，经过系统的调节，最后调节的结果实际供水压力和设定压力相等。（2）变频器：变频器根据压力传感器的传给的增量，进行计算出变频器当前应该输出的频率值，该频率来调节水泵机组的转速，从而使系统供水的压力值发生变化，直到实际供水压力值与设定压力值相等为止。在本系统的运行过程中，选择采用ABB ACS 510变频器。由于变频器内部自带的PID调节

22、器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。（3）PLC:采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。在本系统的设计过程中选择S7-200CPU226。（4）软启动器：由

23、于水泵在运行过程中，电机由变频切工频过程中，一定要遵循电机变频-软起-切换到工频运行，因为变频与工频之间切换不当，会引起很大的电流冲击和严重的电磁干扰。切换的方式有：直接切换，异步切换，同步切换，软切换。直接切换：保证变频器与电网电源相序一致的前提下，直接倒闸切换工频与变频。异步切换：检测电压的幅值和频率而不检测电压相位的切换，异步切换时最严重的情况出现在变频器输出电压与电网电压相位相反时，就会造成很大的冲击电压和电流，冲击电流最大可以达到额定电流的30倍左右。同步切换：检测电压的幅值，频率和相位，采用这种方式切换技术可以使切换电流不超过电机额定电流2.5倍。软切换：在检测幅值，频率和相位后，

24、控制变频器输出同幅值，同频率，同相位可控的电压，实现“无扰”切换。软切换的实现方式：软切换是在同步切换的硬件基础上，通过控制器的特殊逻辑设计，完成变频与工频之间的切换。电机运行在变频电网需要切换到工频电网调速运行时，相位和频率，选择最优的工作运行点投入变频器，然后逐步升高变频器的输出电压和频率达到工频电压和频率值，使电机逐步运行到稳定状态，这时电机的冲击电流最小，电机的转矩基本保持不变。在切换过程中，一定要尽可能的减小对电网，变频器以及电机的冲击。第三章 无人值守恒压供水控制系统硬件的设计从无人值守恒压供水的原理分析可知，该系统主要由压力传感器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器等组成

25、。该系统主要利用压力传感器的给定值和反馈值得比较，通过变频器自带的PID进行参数的调整，进而传送给PLC，PLC通过输出端口来控制水泵的运行状态。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信息的交换。3.1 变频器3.1.1 变频器工作原理变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变

26、频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。3.1.2 变频器的保护回路（1）逆变器保护1）瞬时过电压保护：由于逆变器负载侧短路，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流；交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转；2）过载保护：逆变器输出电流超过额定值,且持续达到设定的时间以上,为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止工作。恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。过负载是由于负载的GD2，（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生的；3）再生过电压保护：采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高

27、，有时超过容许值，可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压；4）瞬时停电保护：对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常，但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转；5）接地过电流保护：逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能，但为了确保人身安全，需要专设漏电断路器；6）冷却风机异常：有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器；（2）异步电动机的保护1）过载保护：过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋

28、入温度传感器，或者利用逆变器内的电子热保护来检出过热，动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等；2）超频（超速）保护：逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转；（3）其他保护1）防止失速过电流：急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运行就不能继续进行。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制；2）防止失速再生过电压：减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。3.2 软启动器异步电

29、动机以其优良的性能及无需维护的特点，在各行各业中得到广泛的应用。然而由于其起动时要产生较大冲击电流(一般为额定电流ie的47倍)，同时由于起动电应力较大，使负载设备的使用寿命降低。解决办法有两个:一是增大配电容量;二是采用限制电机启动电流的起动设备。 如果仅仅为起动电机而增大配电容量，从经济角度上来说，显然不可取。为此，人们往往需要配备限制电机起动电流的起动设备，过去多采用Y/降压、自耦变压器降压,磁控降压等方式来实现。这些方法虽然可以起到一定的限流作用，但没有从根本上解决问题。 随着电力电子技术的快速发展，智能型软起动器得到广泛应用。软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能

30、于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。1 软起动运行特点（1）能使电机起动电压以恒定的斜率平稳上升，起动电流小，对电网无冲击电流，减小负载的机

31、械冲击；（2）起动电压上升斜率可调，保证了起动电压的平滑性，起动电压可依据不同的负载在30%70%Ue范围内连续可调；（3）可以根据不同的负载设定起动时间；（4）起动器还具有可控硅短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护；2 软起动器的功能（1）过载保护功能：软起动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，使电机过载时，关断晶闸管并发出报警信号；（2）缺相保护功能：工作时，软起动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流，即可作出缺相保护反应；（3）过热保护功能：通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度

32、超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号；（ 4 ）其它功能：通过电子电路的组合，还可在系统中实现其它种种联锁保护。3 软启动的优点（1）无冲击电流，软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值；（2）恒流起动，软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动；（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流3.3 SIMATIC S7-200系列PLC1 SIMATIC S7-200系列PLCSIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。极高的可靠性、极丰

33、富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块 2 PLC的工作原理： PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。3 PLC工作过程：S7-200在扫描循环中完成一系列任务，任务循环执行一次称为一个扫描周期，在一个扫描周期中，S7-200主要执行

34、下列五个部分的操作：（1）读输入：S7-200从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。（2）执行程序：CPU根据这些输入信号控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。（3）处理通讯请求：S7-200执行通讯处理。（4）执行CPU自诊断：S7-200检查固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常（5）写输出：在程序结束时，S7-200将数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器，最后复制到物理输出点，驱动外部负载。3.4 无人值守恒压供水控制系统的硬件设计3.4.1系统主电路设计下图为无人值守恒压供水系统的主电路图。三台电机分别为M1、M

35、2、M3，接触器1KM2、2KM2、3KM2分别控制M1、M2、M3水泵的变频运行；接触器1KM1、2KM1、3KM1分别控制M1、M2、M3水泵的工频运行；ZJ1、 ZJ2、 ZJ3、 ZJ5是对相应原件电源的检测，和其相连的是熔断器，熔断器（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。在使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。1KH、2KH、3KH是热继电器，热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。QF1、QF2、QF3、1QF分别为三台水泵电机主电路和变频器的空气开关，合上接通电源。变频器为

36、ABB ACS 510，内部自带PID调节器，这样使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。U1 V1 W1分别为变频器的进线端子，U2 V2 W2分别是变频器的出线端子。继电器KA0闭合，变频器启动，继电器KA39闭合，变频器复位，频率高时，继电器KA41动作，频率低时，继电器KA42动作，当变频器发生故障时，继电器KA1动作。图3-1 无人值守恒压供水系统的主电路图在该主电路图中，当合上变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器，断开工频运行的接触器和隔离开关，水泵工作于变频状态；

37、当断开变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器，合上工频运行的接触器和隔离开关，水泵工作于工频状态。变频和工频是两个不允许同时接通的回路。电机在运行时由变频切工频过程中，一定要遵循电机变频-软起最后再切换到工频运行，因为变频与工频之间切换不当，会引起很大的电流冲击和严重的电磁干扰。因此，本系统采用软启动器进行切换，从而，有效的避免了电流冲击和电磁干扰。本系统中软启动切换的电路图如图所示：图3-2 软启动切换的电路图对于软启动器，L1 L2 L3分别为软启动器的进线端子，T1 T2 T3分别为软启动器的出线端子，继电器KA30闭合，软启动器运行。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，

38、电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。同时软启动器还具有短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护。3.4.2 控制系统接线图如图所示为控制系统接线图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打到1的位置为自动控制状态，

39、打在2的状态为手动控制状态。当旋钮SA旋至2，按下1SB1, 2SB1,3SB1按钮，线圈1KM1,2KM1,3KM1得电，电机M1，M2，M3分别启动，同时，线圈1KM1,2KM1,3KM1所对应的常开触点闭合，形成自锁，对应的常闭触点断开，松开按钮1SB1, 2SB1,3SB1 ，电机M1，M2，M3分别工作于工频状态。在接通的过程中1KM1,2KM1,3KM1和1KM2,2KM2,3KM2形成互锁，有效的避免了同一台电机工作与不同状态的发生。当继电器KA9，KA11 ，KA13分别接通时，线圈1KM2,2KM2,3KM2得电，同时线圈1KM2,2KM2,3KM2所对应的常闭触点断开，也就

40、使线圈1KM1,2KM1,3KM1失电，即就是保证了电机工作于一种状态。当SA接通2时，手动运行，可用按钮的接通与断开来进行对三台水泵的启/停的控制。手动运行方式一般是用于水泵的故障与检修。手动启动控制水泵电机启/停如表所示：表3-1 手动操作水泵电机启/停控制表编号按钮接触器水泵电机启/停11SB1接通1KM1接通1#水泵电机启动21SB2断开1KM1断开1#水泵电机停止32SB1接通2KM1接通2#水泵电机启动42SB2断开2KM1断开2#水泵电机停止53SB1接通3KM1接通3#水泵电机启动63SB2断开3KM1断开3#水泵电机停止当SA打到1时，自动工作状态，继电器KA8，KA10，K

41、A12分别闭合，线圈1KM1,2KM1,3KM1得电，同时，常开触点闭合，形成自锁，常闭触点断开与线圈1KM2,2KM2,3KM2形成互锁。正常运行状态下，电源指示灯HL1一直亮；M1，M2，M3分别工作于工频状态时，对应的指示灯HL2， HL4， HL6亮；M1，M2，M3分别工作于变频频状态时，对应的指示灯HL3， HL5， HL7亮；变频器发生故障时，指示灯HL8亮；当软启动器发生故障时，指示灯18亮；当缺水时，报警电铃响起。图3-3 控制系统接线图对该系统运行在手动/自动控制下的过程进行分析：(1) 手动控制：一般而言，在检查故障或者自动控制出现故障时才会用到手动控制。当开关SA打至手

42、动开关，开启手动控制状态，此时可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频状态下的运行和停止。按下1SB1时，通过1KM2 1KM3的常闭触点接通电路使得1KM1的线圈得电，1KM1线圈的常开触点闭合，从而实现自锁功能，使得电机M1可以稳定的运行在工频状态下。当1SB2按下时，切断电路，同时1KM1线圈失电，电机M1停止运行。依此，可以通过按下2SB1、3SB1启动电机M2、M3，通过按下2SB2、3SB2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，当开关SA打至自动开关状态时，开启自动控制状态，自动控制的工作情况由PLC程序控制。其中，Q0.1为1#水泵工

43、频运行信号，Q0.2为1#水泵变频运行信号，当Q0.1输出1时，1KM1线圈得电，1#水泵工频运行指示灯HL2亮，当Q0.2输出1时，1KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL3亮。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。3.4.3 PLC及扩展模块的接线图如下图所示为PLC及扩展模块的接线图。图3.-4 PLC外围接线图对PLC接线图的分析：对于输入端口：中间继电器ZJ1，ZJ2，ZJ3分别为1#，2#，3#泵电源检测；热继电器1KH,2KH,3KH分别为1#，2#，3#泵热继检测；接触器1KM1,2KM1,3KM1分别为1#，2#，3#泵的工频启动输入触点；接触器1KM2,2KM2,3K

44、M2分别为1#，2#，3#泵的变频启动输入触点；接触器1KM3,2KM3,3KM3分别为1#，2#，3#泵的软启动输入触点。 对于输出端口：Q0.1，Q0.3，Q0.5分别为1#，2#，3#泵的工频输出端；Q0.2， Q0.4， Q0.6分别为1#，2#，3#泵的变频输出端；Q1.1，Q1.2，Q1.3分别为1#，2#，3#泵的软启动输出端； Q0.0 为变频器启动输出端；Q0.7为软启动器启动；Q1.0为软启动器允许启动；Q1.6为变频器的复位端。第四章 无人值守恒压供水的软件设计PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件进行编程。该软件的SIM

45、ATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入

46、端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。4.1 编程软件的简单介绍STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为S7-200系列PLC设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。现在加上全中文化程序后，可在中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。STEP7-Micro/WIN32的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加

47、密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式，参数和运行监控等。程序编辑过程中的语法检查功能可以提前避免一些语法和数据类型方面的错误。软件的功能的实现可以在联机工作方式（在线方式）下进行，部分功能的实现也可以在离线工作方式下进行。S7-200PLC使用STEP7-Micro/WIN32编程软件进行编程。在此界面可完成主程序，子程序，中断程序的编制与修改，完成程序编制后单击保存，再单击下载，程序即可供PLC使用。 图4-1 STEP7编程软件图标STEP7-Micro/WIN操作界面如下：图4-2 STEP7-Micro/WIN32编程软件界面图4.2 系统 I/O的分配根据无人值守恒压供水系

48、统的功能要求，对PLC的I/O进行如下配置：（1）输入部分I端口 在该控制系统中，所需要的输入量主要包括各种控制按钮，接触器，继电器等，它们的输入地址分配和功能如下表所示：表4-1 I端口输入量地址分配和功能表序号输入地址功能1I0.01#泵电源检测2I0.12#泵电源检测3I0.23#泵电源检测4I0.3软启动器电源检测4I0.4M1过载保护5I0.5M2过载保护6I0.6M3过载保护7I0.7变频器故障8I1.0变频器投泵9I1.1变频器切泵10I1.2软启动器故障11I1.3软启动器完成12I1.41#泵工频启动13I1.52#泵工频启动14I1.63#泵工频启动15I1.71#泵软起启

49、动16I2.02#泵软起启动17I2.13#泵软起启动18I2.21#泵变频启动19I2.32#泵变频启动20I2.43#泵变频启动21I2.5变频器出线接触器22I2.6软启动器出线接触器23I2.7变频器已上电24I3.0软启动器已上电25I3.1手动切换软启动旋钮26I3.2手动切换变频器旋钮27I3.3变频器上限28I3.4变频器下限29I3.5变频器故障30I3.6变频器电源检测（2）输出部分O端口在该控制系统中，输出地址分配和对应所实现的功能其如下表所示：表4-2 O端口输入量地址分配和功能表序号输出地址功能1Q0.0变频器启动2Q0.11#电机工频工作3Q0.21#电机变频工作4

50、Q0.32#电机工频工作5Q0.42#电机变频工作6Q0.53#电机工频工作7Q0.63#电机变频工作8Q0.7软启动器启动9Q1.0软启动器允许启动10Q1.11#泵软起11Q1.22#泵软起12Q1.33#泵软起13Q1.4声音报警14Q1.5变频器选择15Q1.6变频器复位（3）软元件配置在设计程序过程中，会使用到许多寄存器、中间继电器、定时器等元件，为便于编程及修改，在程序编写前应先列出可能用到的软元件，如表所示表4-3 软元件设置序号软元件功 能状 态1M0.0系统停止标志on有效2M0.11#电机工频运行标志on有效3M0.22#电机工频运行标志on有效4M0.33#电机工频运行标

51、志on有效5M0.41#电机变频运行标志on有效6M0.52#电机变频运行标志on有效7M0.63#电机变频运行标志on有效8M0.71#电机变频到工频切换标志on有效9M1.02#电机变频到工频运行标志on有效10M1.13#电机变频到工频运行标志on有效11M1.2工频切泵状态on有效12VB10变频器的频率寄存器13VB201#电机速度寄存器14VB302#电机速度寄存器15VB403#电机速度寄存器16VD100压力传感器标准值寄存器17VD102压力传感器反馈值寄存器18VB104变频器50Hz标准值寄存器19VB106水泵的额定转速20T5定时器100ms21T6定时器100ms2

52、2T7定时器100ms4.3 程序编写及分析（1）每台泵的运行计时为了保证每台水泵具有相同的磨损率和检修概率，利用定时计数器对每台泵进行计时，选用分辨率为100ms的定时器，设定它的最大计数值PT=32767，当计数值超过设定值时使用复位指令，定时器清零。每复位一次，它的计时为T=100*32767=54.6min （4-1）那么无论泵工作在工频状态还是变频状态情况，只要处于工作状态，则定时器就开始计数，当到达最大设定值时，计数器C0就加1。计数器的最大设定值为32767，则计数器的总计是时间为 T=32767*54.6=3.4年 （4-2）即就是每隔一定的时间要对水泵进行一次检查和维护，同时对计数器进行清零。编程如下：对于1#泵而言，无论水泵工频输出端Q0.1还是变频输出端Q0.2，只要处于闭合状态，定时器T5