小区变频恒压供水控制系统设计(4)

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HH2H1H0b1b2b30Q2Q1Qn2DEn1F

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，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

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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：

故障、状态等量输入报警、控制等量输出上位机、组态等A/D模块可编程控制器(PLC)通讯模块变频器压力变送器人机界面软启动、自耦变压器水泵机组

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。

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/Δ降压启动。

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NL1L2L3QS2QS3QS4QS5FUQS0QS1RSTKAR1股障复位PLC模拟输入CC1正转指令FWDRSTCMRSTKM5FWDRSTCMPLC模拟输入M0V0GNDTaTb故障报警Tc输出TaTb故障报警Tc输出M0KAR2股障复位正转指令CC1FR5V0UVWGND兰州理工大学毕业设计(论文)

图4.2 变频恒压供水系统主电路图

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KM2KM3FR2FR3UVWM53~KM4KM7FR4KM6KM1FR1M1M23~3~M33~M43~兰州理工大学毕业设计(论文)

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：

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三相电源RSTX1X2X3X4X5X6X7CM正转指令反转指令故障复位FWDREVRSTCMP++100-5v频率设定0-20mA频率设定0-10v频率设定VI1CC1VI2GNDP-PB外接制动电阻电动机UVWM可编程输入端接地TaTb故障报警输出Tc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/㎝2，而消防用水的供水压力控制在12 kg/㎝2。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

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