PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9948PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1106511.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 15331.1.1PLC及其擴(kuò)展模塊的選型 258801.1.2變頻器的選型 2317591.1.3水泵機(jī)組的選型 395931.1.4壓力變送器的選型 349561.1.5液位變送器選型 4283501.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 48101.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 6207641.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖 81.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖1.1所示：圖1.1系統(tǒng)的電氣控制總框圖從以上系統(tǒng)的電氣框圖可以看出，系統(tǒng)的主要硬件裝置必須包括（1）PLC及擴(kuò)展模塊、（2）轉(zhuǎn)換器、（3）泵單元、（4）壓力發(fā)射器、（5）液位發(fā)射器。主要設(shè)備選型如表1.1所示：表1.1本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號(hào)及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）SiemensCPU226模擬量擴(kuò)展模塊SiemensEM235變頻器SiemensMM440水泵機(jī)組SFL系列水泵3臺(tái)（上海熊貓機(jī)械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)1.1.1PLC及其擴(kuò)展模塊的選型PLC是頻率變換恒壓控制系統(tǒng)整體的核心。由于必須收集所有輸入數(shù)字、對(duì)所有生產(chǎn)單元的控制、實(shí)現(xiàn)恒壓和完成外部數(shù)據(jù)的交換，所以在選擇PLC時(shí)，考慮到指令執(zhí)行的速度、指令的豐富性、存儲(chǔ)空間等，考慮通信接口和協(xié)議、考慮到擴(kuò)展模塊的容量和編程軟件的便利性，由于自動(dòng)控制系統(tǒng)的恒壓供水量相對(duì)較少，PLC選擇西門子S7-200型，PLCS7-200結(jié)構(gòu)緊湊，西門子PLC可靠性高，擴(kuò)展性高，通信命令豐富有通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。PLC可與控制器連接，監(jiān)視自動(dòng)控制系統(tǒng)，PLC與上級(jí)機(jī)之間的通信采用PC電纜/PPI，采用支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口協(xié)議（PPI）。PC電纜/PPI可容易地從PLCRS485通信接口轉(zhuǎn)換成RS232CC通信接口。用戶程序有三級(jí)密碼保護(hù)，可以保護(hù)程序的安全。根據(jù)控制系統(tǒng)所需的實(shí)際端子的數(shù)量，考慮到PLC端子的數(shù)量需要預(yù)定，S7-200PLC的主模塊是cpu226，其開關(guān)量為16點(diǎn)，輸出模塊是AC220V繼電器輸出。cpu226開關(guān)輸入是24點(diǎn)，輸入模塊是+24V直流輸入，實(shí)際上需要模擬輸入點(diǎn)和模擬輸出點(diǎn)。選擇EM235作為擴(kuò)展模塊，具有4個(gè)模擬輸入（AIW）和模擬信號(hào)信道（aqw），當(dāng)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)連接到a口時(shí)，a/D轉(zhuǎn)換自動(dòng)完成，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成16位字的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)輸出信號(hào)連接到a口時(shí)，D/one轉(zhuǎn)換將自動(dòng)完成，16位數(shù)字信號(hào)將轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)，EM235模塊可根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過微動(dòng)開關(guān)進(jìn)行設(shè)定。1.1.2變頻器的選型頻率轉(zhuǎn)換器是系統(tǒng)控制致動(dòng)器的硬件，通過改變頻率來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，可以改變水的輸出。頻率轉(zhuǎn)換器的選擇必須根據(jù)泵的電力和電流來決定。頻率轉(zhuǎn)換器還應(yīng)具有通信功能，根據(jù)控制功能，一般的頻率轉(zhuǎn)換器分為3種。一般的U/F控制逆變器功能，高性能U/F控制轉(zhuǎn)換器，扭矩控制功能和高矢量功能轉(zhuǎn)換器，供水系統(tǒng)泵負(fù)荷，低速時(shí)扭矩小。可以選擇相對(duì)便宜的U/F控制逆變器。本項(xiàng)目的PLC選擇了西門子S7-200的機(jī)型，為了方便PLC和頻率轉(zhuǎn)換器之間的通信，使用西門子。由微處理器控制的三級(jí)交流引擎的轉(zhuǎn)速系列產(chǎn)品。采用分離門雙極晶體管作為能量產(chǎn)生裝置。各種完善的逆變器功能和電機(jī)保護(hù)集成在RS-485/232C接口和閉環(huán)PI控制器中，用于簡(jiǎn)單的過程控制。這可以根據(jù)用戶的特殊要求定制I/O終端的功能，流量控制可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，高個(gè)子可以在低頻下輸出，微主440的逆變器的輸出為0.75~90kw，在高要求、大功率的情況下那個(gè)輸出信號(hào)可以作為75kW的泵引擎的輸入信號(hào)使用。西門子頻率轉(zhuǎn)換器可以通過RS-485的通信協(xié)議和接口直接連接西門子PLC。設(shè)備之間的通信很方便。1.1.3水泵機(jī)組的選型選擇泵組的基本原則是保證泵的良好運(yùn)行。第二，為了在高效區(qū)域工作，實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果，選擇泵必須適應(yīng)系統(tǒng)用水量的變化范圍。本項(xiàng)目要求發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為75kW，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，配合小區(qū)內(nèi)水的現(xiàn)狀，供水壓力由0.3±0.01Mpa控制，上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL（75kW發(fā)動(dòng)機(jī)功率）系列泵3臺(tái)。生活供水泵的低噪音SFL外殼，棒采用不銹鋼，主軸，導(dǎo)向軸采用鑄件，靜電噴霧后效率提高5%以上。降低噪音發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)械關(guān)閉、前端壓力保護(hù)裝置、噪音低（外部噪聲60分貝）、磨損和使用壽命。下軸承采用低噪音、壽命長(zhǎng)的耐磨彈性軸承。采用低投入、低輸出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠，可輸送清水和理化性質(zhì)的水，無顆粒、無雜質(zhì)、無揮發(fā)性、無弱腐蝕性的土壤，一般為城市供水、鍋爐供水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、用于消防供水等。本項(xiàng)目使用上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的3臺(tái)75kW發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力SFL系列泵。1.1.4壓力變送器的選型壓力變送器被用于測(cè)量管道網(wǎng)的水壓，通常設(shè)置在泵的出口。壓力傳感器和壓力發(fā)射器將水管水壓的變化轉(zhuǎn)換為1～5V或4～20mA的模擬信號(hào)，作為模擬輸入模塊（A/D模塊）的輸入。選擇時(shí)，為了防止傳輸中的干擾和損失，可以采用4~20mA的輸出壓力，當(dāng)運(yùn)行中壓力傳感器和壓力發(fā)射器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以打開所有泵。為了防止因爆炸管道和超高水壓而造成的室內(nèi)水設(shè)備（熱水器、廁所等）損傷，本表的供水系統(tǒng)采用PLC數(shù)字輸入等電極點(diǎn)壓力表的上部輸出，當(dāng)壓力超過上限時(shí)，停止所有泵應(yīng)該發(fā)出警報(bào)輸出[13]。通過以上分析，使用xml-170數(shù)字工具和普通y-100壓力計(jì)實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)、顯示和傳輸，壓力計(jì)的測(cè)量范圍為0~1MPa，精度為1.0。數(shù)字顯示工具產(chǎn)生發(fā)送到連接到cpu226的模擬模塊EM235的4到20mA的電流信道。作為PID調(diào)整的電反饋信號(hào)，可以設(shè)置壓力的上下限，并輸出通過兩個(gè)中繼控制抑制輸出壓力的信號(hào)。1.1.5液位變送器選型考慮到泵的空擺影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，需要對(duì)池的水位進(jìn)行測(cè)量和控制，本圖中池的水位需要2m～5m，因此將檢測(cè)到的水位用液位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（4~20mA信號(hào)電壓）需要插入窗口的比較器，利用比較器的高水位輸出成為罐的水位的警報(bào)信號(hào)，輸入到PLC。綜合以上因素：本項(xiàng)目使用淄博丹佛公司生產(chǎn)的ds26分體式液位轉(zhuǎn)換器，測(cè)定范圍為0m~200m，適合水箱、深井等液位的測(cè)量。零和全刻度應(yīng)該可以外部調(diào)整。食物：24VDC；輸出信號(hào)：2線制4~20mADC，精度等級(jí)：0.25級(jí)。1.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖1.2所示：三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3，它們分別帶動(dòng)水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行；FR1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的熔斷器。系統(tǒng)采用3個(gè)泵的循環(huán)頻率變換方式。也就是說，3臺(tái)泵中只有1臺(tái)在變頻器控制下進(jìn)行變速運(yùn)轉(zhuǎn)。剩下的泵在頻率下勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。使用水量小的情況下，頻率轉(zhuǎn)換泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間超過3小時(shí)的話，需要切換到下一個(gè)泵。也就是說，系統(tǒng)為了不讓一臺(tái)泵的工作時(shí)間變長(zhǎng)，而具備了“裝泵功能”。只有一個(gè)泵可以同時(shí)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換工作，但是三個(gè)泵可以在不同的時(shí)間進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換工作。圖1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三級(jí)電源i通過低壓熔斷器和切斷開關(guān)與逆變器的R、s、t端子連接，逆變器的輸出端子u、V、W通過接觸器的接觸與引擎連接。連接到頻率轉(zhuǎn)換器的切斷開關(guān)和逆變器的出口端的開關(guān)關(guān)閉，主電路中的低壓保險(xiǎn)絲在連接電源的同時(shí)提供短路保護(hù)。各發(fā)動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)由其熱繼電器fr實(shí)現(xiàn)，頻率轉(zhuǎn)換電路和電氣頻率電路不能同時(shí)連接，逆變器的輸出端子不能直接與電源連接，因此必須通過接觸器的接點(diǎn)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入頻率電路時(shí)，請(qǐng)先切斷反相器電路的接觸器。同樣，從頻率切換到頻率轉(zhuǎn)換器時(shí)，在連接反相器輸出開關(guān)之前，請(qǐng)切斷頻率開關(guān)。因此，KM1與km2、KM3與KM4、KM5與KM6不同時(shí)動(dòng)作，需要設(shè)計(jì)它們之間的可靠連接。通過電流傳感器和發(fā)射器向上級(jí)機(jī)發(fā)送4～20mA的電流信號(hào)，顯示主電路的電流。電路電壓用與電壓表連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)顯示。相同電壓計(jì)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)顯示不同相位之間的線路電壓。仔細(xì)觀察引擎的旋轉(zhuǎn)方向，使其符合要求。向相反的方向移動(dòng)的話，可以得到正確的方向轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的運(yùn)行和停止不能直接斷開主電路（例如，直接切斷保險(xiǎn)絲或切斷保險(xiǎn)絲。）必須通過轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)軟件啟動(dòng)和停止。為了提高頻率轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)，電抗器必須連接。手動(dòng)控制時(shí)，必須使用自動(dòng)變壓器啟動(dòng)或軟啟動(dòng)來減少電流。1.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)PLC是恒壓供水系統(tǒng)的主要控制裝置。控制電路的合理性和程序的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC。PLC主要用于供水系統(tǒng)的自動(dòng)恒壓轉(zhuǎn)換控制，完成了以下功能。自動(dòng)控制3臺(tái)泵的投入運(yùn)行。可以通過三臺(tái)泵之間。三臺(tái)泵最初應(yīng)該有軟啟動(dòng)功能。泵的操作應(yīng)具備手動(dòng)/自動(dòng)控制功能。手動(dòng)操作只能在緊急或修理時(shí)使用。系統(tǒng)需要顯示完整的警報(bào)功能和運(yùn)行狀態(tài)。圖1.3是電氣控制系統(tǒng)控制電路的示意圖，圖中的SA是手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA～1的位置是手動(dòng)控制狀態(tài)。2狀態(tài)為自動(dòng)控制，手動(dòng)操作時(shí)可以通過SB1~sb6按鈕控制3臺(tái)泵的啟動(dòng)停止。如果自動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)將在PLC程序的控制下運(yùn)行。圖中的Hl10是自動(dòng)操作狀態(tài)的功率指示符。為了復(fù)位頻率，只提供干式啟動(dòng)點(diǎn)的信號(hào)。系統(tǒng)通過中間繼電器KA的觸點(diǎn)控制頻率轉(zhuǎn)換器，圖中的Q0.0~Q0.5和q1.1~q1.5是PLC輸出繼電器觸點(diǎn)，旁邊的4、6、8是接線編號(hào)，可結(jié)合下節(jié)中圖1.4一起讀圖。圖1.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細(xì)介紹。本系統(tǒng)在手動(dòng)/自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下：（1）手動(dòng)控制：手動(dòng)控制僅用于確認(rèn)故障原因，易于檢測(cè)和修理發(fā)動(dòng)機(jī)故障，當(dāng)單極雙擲開關(guān)SA到達(dá)第一端時(shí)，啟動(dòng)手動(dòng)控制模式。此時(shí)，開關(guān)分別控制3臺(tái)電源泵發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止，按下SB1，KM1線圈即接通。通常閉合的km2觸點(diǎn)與電路連接，因此常開的KM1觸點(diǎn)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖定功能。M1發(fā)動(dòng)機(jī)在頻率以下穩(wěn)定運(yùn)行。只需按下SB2，電路就中斷，KML線圈關(guān)閉，M1發(fā)動(dòng)機(jī)停止。同樣，按Sb3和S5時(shí)，m2和M3發(fā)動(dòng)機(jī)將啟動(dòng)，按Sb4和S6時(shí)，m2和M3發(fā)動(dòng)機(jī)將停止。（2）自動(dòng)控制：通常情況下，頻率轉(zhuǎn)換器恒壓供水系統(tǒng)自動(dòng)工作，當(dāng)兩個(gè)端子轉(zhuǎn)動(dòng)SPDT開關(guān)SA時(shí)，自動(dòng)控制模式啟動(dòng)，自動(dòng)控制的工業(yè)情況由PLC控制，Q0.0輸出1-655。頻率轉(zhuǎn)換泵運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，Q0.1輸出1-655泵頻率轉(zhuǎn)換信號(hào)。當(dāng)q0.0結(jié)束1時(shí)，KML線圈激活，1-655HL1泵的工作頻率指示符打開，并且KML觸點(diǎn)總是斷開，從而形成KM1和km2的電互鎖。當(dāng)q0.1退出1時(shí)，km2線圈打開，1655泵的頻率轉(zhuǎn)換燈HL2點(diǎn)亮，總是切斷km2觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)km2和KML電的聯(lián)動(dòng)，相同2655和3-655；泵的控制原理相同，q1.1退出1時(shí)，池水位的上下限HL7警報(bào)燈亮。q1.2退出1后，逆變器警報(bào)燈亮燈。退出1點(diǎn)，HL9天的供水指示燈亮燈。q1.4結(jié)束后，響鈴。當(dāng)q1.5退出1時(shí)，KA中間繼電器線圈開關(guān)，并且KA觸點(diǎn)總是閉合，并且逆變器頻率復(fù)位。在自動(dòng)控制狀態(tài)下，hl10電源燈始終處于活動(dòng)狀態(tài)。1.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的頻率轉(zhuǎn)換恒壓供水系統(tǒng)的基本要求如下：。（1）由于晝夜用水量差異明顯，本項(xiàng)目采用晝夜兩種供水方式，兩種供水方式的水壓值不同。小區(qū)使用水量大，系統(tǒng)恒壓運(yùn)行高。夜間使用水量低，系統(tǒng)以低恒壓運(yùn)行。（2）使用水量小的情況下，1臺(tái)泵連續(xù)超過3小時(shí)的情況下，需要切換到下一個(gè)泵。也就是說，系統(tǒng)為了防止泵的工作時(shí)間過長(zhǎng)，僅在頻率轉(zhuǎn)換泵的工作時(shí)間長(zhǎng)的情況下才使用泵。（3）考慮到泵的節(jié)能和壽命因素，原則上是先啟、先停、先啟。（4）3臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)應(yīng)具備軟啟動(dòng)功能，并提供泵運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)手動(dòng)控制功能。手動(dòng)操作僅在緊急或維護(hù)時(shí)使用。（5）系統(tǒng)需要完全的警報(bào)功能。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表1.2所示。表1.2輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)供水模式信號(hào)(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號(hào)SLHLI0.1變頻器報(bào)警信號(hào)SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警