小区变频恒压供水控制系统设计(5)

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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：

ICN?PN?10/K3U (4.1)

N它们的型号如下：

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表4.1 编号 KM1—KM15 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 YV1 YV2 YV3 H1 H2

（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：

① 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。 ② 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。 ③ 欠电压脱扣器的额定电压应等于线路的额定电压。

④ 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+ΣIer) (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；ΣIer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

接触器型号 主触点额定电压/V 主触点类型 CJ10-20 220 常开 接触器型号 主触点额定电压/V 主触点类型 CZ0-40/20 CZ0-40/20 CZ0-40/20 CZ0-40/20 CZ0-40/20 440 440 440 440 440 常闭 常闭 常闭 常开 常开 18

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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)。

（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。①返回系数 ②储备系数 ③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。

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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

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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，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

1 2 1号抽水泵启动 1号抽水泵停止 I0.0 I0.1 输入1号水泵启动信号 输入1号水泵停止信号

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