高层楼宇恒压供水控制系统的设计(编辑修改稿)

高层楼宇恒压供水控制系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

加泵条件： UPff 2dfsPPP 且延时判别成立 () 减泵条件： LOWff 2dfsPPP 且延时判别成立 () 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 高层楼宇恒压供水控制系统整体设计 7 式中： UPf ：上限频率 LOWf ：下限频率 sP ：设定压力 fP ：反馈压力 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统的硬件设计 8 3 系统的硬件设计 系统主要设备的选型 根据基于 PLC 的恒压供水控制系统的原理，控制系统 框图如图 所示： A / D 模 块 可 编 程 控 制 器 ( P L C ) 通 讯 模 块压 力变 送 器故 障 、 状 态等 量 输 入报 警 、 控 制等 量 输 出人 机 界 面上 位 机 、组 态 等变 频 器水 泵 机 组软 启 动 、 自耦 变 压 器 图 控制系统框图 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。 主要设备选型如表 所示： 表 本系统主要硬件设备清单 主要设备 型号及其生产厂家 可编程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模拟量扩展模块 Siemens EM 235 变频器 Siemens MM440 水泵机组 SFL 系列水泵 3台（ 上海 熊猫机械有限公司） 压力变送器及显示仪表 普通 压力表 Y100、 XMT1270 数显仪 液位变送器 分体 式液位变送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) PLC 及其扩展模块的选型 PLC 是整个系统的核心部件，它需要完成很多任务，如：输入号的采集、输出单元的控制、恒压的实现、对外的数据交换等。 因此在选择 PLC 时，首先要考虑 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统的硬件设计 9 PLC 的整体性能，如：指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、带扩展模块的能力、通讯接口及协议、编程软件的方便与否等。 由于目前世界上专业应用于恒 压供水控制系统的控制设备相对较少，因此决定选用德国 SIEMENS 公司的 S7200 型。 S7200 型 PLC 的特点较为突出：整体结构紧凑，价格实惠，高性价比。 SIEMENS公司的产品可扩展性好，可靠性高，有丰富的通信指令，通信协议简单；工控计算机与 PLC 建立连接后，控制系统就可以实现监测控制。 根据对控制系统实际所需端子数目和预留量的考虑，因此选用的主模块为CPU226，它有 16 点开关量输出口，以 AC220V 继电器形式输出；有 24点开关量输入口，以 +24V 直流形式输入。 在实际中由于还有模拟量输入，所以需要模拟 量输入点和模拟量输出点各 1 个。 由于原有的设备已经不能实现，所以需要扩展模块的补充，在此选择的是 EM235。 此模块由 4个模拟输入 (AIW)， 1个模拟输出 (AQW)信号总共 5个通道组成。 此模块的输入输出端口能够自动完成 A/D 和 D/A 的转换，转换信号可以是一个字长 (16bit)的数字信号，也可以是标准的输入输出信号。 EM235 模块还可以针对不同的标准输入输出信号，通过 DIP 开关进行设置，它的拓展性和实用性还可以为系统的进一步升级提供有效的硬件支持。 系统主电路分析及其设计 基于 PLC 的变频恒压供水系统主 电路图如图 所示 ：执行机构由三台水泵电机组成，分别为 M M M3，它们分别带动水泵 3。 接触器 KM KMKM5 分别控制 M M M3的工频运行；接触器 KM KM KM6 分别控制 M MM3 的变频运行； FR FR FR3 为热继电保护器，分别为三台水泵电机过载保护；QS QS QS QS4为隔离开关； FU 为熔断器，用来保护主电路。 本系统采用三泵循环变频运行方式，即 3 台水泵中只有 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， 在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过 3h，则要切换到下一台水泵，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。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统的硬件设计 10 图 恒压供水控制系统主电路图 三相电源经过低压熔断器、隔离开关连接至变频器的 R、 S、 T 端，电机通过接触器的触点与变频器的 U、 V、 W 端相连。 当电机工频运行时，隔离开关及变频器输出端的接触器与变频器之间断开，工频运行的接触器与隔离开关之间闭合。 低压熔断器除除了可以保护接通电源外，同时还可以实现短路保护，对应的热继电器 FR 则可以对每台电动机进行过载保护。 在工作状态下，变频和工频不可能同时接通，二者只可以有一种工作状态。 变频器的输出端必须经过接触器的触点，不能直接与电源相连接，这是为了保证变频器过载时的安全性。 当电动机处于工频运行状态时，接触器的触点会自动断开。 同样的当水泵机组从工频状态转为变频状态时，工频接触器必须先断开，才允许变频器输出端与接触器接通，所以 KM1和 KM KM3 和 KM KM5 和 KM6 绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁，防止上述情况的发生。 为了实时监控电机负载的运行情况，主回路的电流大 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统的硬件设计 11 小将通过 电流互感器和变送器测得的信号以 4~20mA 电流信号实时传送至上位机。 同时在转换开关处接电压表测线电压，电压表还可通过转换开关测得不同相之间的线电压，由此可以使系统更实用简洁。 系统开始初始运行时，必须先观察电动机的转向，确保转向正常。 若转向相反，则需要通过改变电源相序来调整转向。 在系统进行启停操作时，主电路不能被直接断开 (如直接使熔断器或隔离开关断开 )，而必须进行软启动或软停止，这可以通过变频器实现。 为了使变频器更高效，所以要接电抗器来提高变频器的功率因素。 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。 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 S7200 系列 PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越，非常适合小型控制系统。 PLC 主要用于实现变频恒压供水系统的自动控制，负责以下功能的实现：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 为电控系统控制电路图。 图中 SA 为手动 /自动转换开关，当 SA 打在1的位置时，此时为手动控制状态；打在 2 的位置时，此时为自动控制状态。 手动运行时，通过按钮 SB1~SB6 来实现三台水泵的启 /停功能；自动运行时，系统会在已经写好了的 PLC 程序控制下自动运行。 图中的 HL10 为自动运行状态下的电源指示灯。 如果变频器想进行复频控制，只需要通过中间继电器的触点即可。 图中的 ~ 及 ~ 为 PLC 的输出继电器触点，可结合下节中图 一起读图。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统的硬件设计 12 图 恒压供水控制系统控制电路图 注： PLC各 I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节 I/O端口分配中将详细介绍。 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 SB SB5 启动电机 M M3，通过按下 SB SB6 来 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统的硬件设计 13 使电机 M 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。 输出 1水泵工频运行信号， 输出 1水泵变频运行信号，当 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 KM KM2 的电气互锁。 当 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 KM KM1 的电气互锁。 同理， 3水泵的控制原理也是如此。 当 输出 1 时，水池水位上下限报警指示灯 HL7点亮；当 输出 1 时，变频器故障报警指示灯 HL8 点亮；当 输出 1 时，白天供水模式指示灯 HL9 点亮；当 输出 1 时，报警电铃 HA响起；当 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。 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，本设计采用白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，小区的用水量大，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) 在供水量小的情况下，如果同一台水泵运行时间超过 3h，则要切换至下一台水泵，此举就是通常所说的“倒泵功能”，这是为了避免同一台水泵工作时间过长导致的使用寿命下降。 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) 水泵在启动时通常使用软启动，但水泵系统具有手动 /自动控制功能，在紧急情况下或者检修时才能使用。 (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、代码及地址编号如表 所示。 表 I/O地址编号 名 称 代 码 地址编号 输入信号 供水模式信号 (1白天， 0夜间 ) SA1 水池水位上下限信号 SLHL 变频器报警信号 SU 试灯按钮 SB7 压力变送器输 出模拟量电压值 Up AIW0 输出信号 1泵工频运行接触器及指示灯 KM HL1 1泵变频运行接触器及指示灯 KM HL2 2泵工频运行接触器及指示灯 KM HL3 2泵变频运行接触器及指示灯 KM HL4 3泵工频运行接触器及指示灯 KM HL5 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统的硬件设计 14 3泵变频运行接触器及指示灯 KM HL6 输出信号 水池水位上下限报警指示灯 HL7 变频器故障报警指示灯 HL8 白 天模式运行指示灯 HL9 报警电铃 HA 变频器频率复位控制 KA 变频器输入电压信号 Uf AQW0 结合系统控制电路图 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，画出 PLC。