基于PLC的变频恒压供水系统(5)

第三章 系统分析与设计

压力变送器及显示仪表 浮球液位开关

普通压力表Y-100、亚克特CPC316 普通侧装浮球液位开关 3.1.1 PLC的选型

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，参照西门子s7200PLC产品目录及市场实际价格,选用的S7-200型PLC的主模块为CPU224，其开关量输出为10点；开关量输入CPU226为14点。这样的配置是最经济的。

3.1.2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。

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图书借阅管理系统

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MicroMaster430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。MM430变频器的输出功率为7.5~250KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为37KW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。

3.1.3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区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，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37KW，供水压力控制在0.7±0.01Mpa。根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定确定采用3台南方泵业股份有限公司CDL系列水泵机组（电机功率2台37KW+１台5.5KW）。CDL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上，叶轮、导叶均采用不锈钢材质，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。

3.1.4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0~10V或4~20mA的模拟量信号，作为PID控制器模拟输入，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(净水器、热水器等)，本文中的供水系统使用电极点压力表的压力上限输出，作为超保护，当压力超出上限时，关闭所有水泵并进行报警输出。

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第三章 系统分析与设计

根据以上的分析，本设计中选用普通压力表Y-100(参考压力)和亚克特CPC316 PID控制器实现压力的检测、显示、变送和设定压力上、下限。压力表测量范围0~1Mpa，精度1.0；PID控制器输出一路0~10V电压信号，接入变频器MM430模拟量输入口，作为变频器调节转速的反馈电信号。

3.1.5浮球液位开关选型

考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对无负压稳流罐水位作必要的检测和控制。所以要通过浮球液位开关将检测到的水位电信号，输入PLC。

因为本设计只须检测无负压稳流罐水位作PLC开关量输入，所以选用普通侧装式浮球开关即可。

3.2系统电路分析及其设计

3.2.1主电路部分分析及其设计

基于PLC的变频恒压供水系统原理，如图3-2主电路部分所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动主水泵1#、2#、、辅助泵3#。接触器MG1、MG2分别控制M1、M2的工频运行；接触器MB1、MB2、MB3分别控制M1、M2、M3的变频运行；TH1、TH2、TH3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；Q1、Q2、Q3、Q4、Q5分别为变频器、三台水泵电机、控制电路的主电路断路器；

本系统采用循环变频运行方式，即2台主水泵中只有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；如果变频泵连续运行时间超过8h，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；在用水量小的情况下（小于主泵最低运行频率），辅助泵启动运行。

三相电源经断路器接至变频器的U、V、W端，变频器的输出端R、S、T通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的断路器及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和断路器。主电路中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，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器

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的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，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MB1和MG1、MB2和MG2、绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。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送电流表来来显示。同时可以通过通过转换开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。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，本系统采用软启动器。

3.2.2系统控制电路分析及其设计

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/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3-2基于PLC的变频恒压供水系统原理图控制电路部分。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NO1~NO3/OFF1~OFF3分别启/停三台水泵；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5分别为变频器、三台水泵电机、控制电路的主电路断路器；继电器J7为缺水保护反馈继电器；远程电接式压力表在设备失控时起超压保护作用，通过时间继电器T延时断开控制电路电源强行停止设备。

3.2.3 PLC的I／O端口分配及外围接线图

基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：

１、 由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用主水泵（大功率高流量）+辅助水泵（小功率低流量）方式解决用水量变化大的问题。根据实际所须流量大小，系统通过PLC程序自动切换主水泵/辅助水泵。避免夜间用水量突然增大而造成供水不足的问题（主要出现在分时段设置供水压力的系统）

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第三章 系统分析与设计

２、 在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过８h，则要切换下一台水泵（辅助水泵运行时除外），即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。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、控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表3.2所示。

表3.2 PLC I/O分配表

名 称 输入信号 输出信号 变频器高频到达（50Hz） 变频器低频到达（30Hz） 启动 水池水位下限及停止 1#泵变频运行 1#泵工频运行 2#泵变频运行 2#泵工频运行 3#泵变频运行 代 码 R1 R2 J6 J7 J1 J2 J3 J４ J5 地址编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.5 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5

本变频恒压供水系统有五个输入量，分别是I0.0、I0.1、I0.2、I0.5；其中变频器运行到达50Hz及30Hz时输出的开关量R1和R2，它作为开关量输入I0.0和I0.1；浮球液位开关把测得的稳流补偿器水位通过J7与I0.5相连；I0.2是PLC的启动信号端通过自动运行继电器J6接入

本变频恒压供水系统有５个数字量输出信号。Q0.1~Q0.5分别输出三台水泵电机的变频/工频运行信号,辅助水泵在自动运行时不工频运行；

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