净水厂送水泵站控制系统设计及应用毕业设计

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1、吉林化工学院毕业设计说明书吉林化工学院毕业设计净水厂送水泵站控制系统设计及应用Design and Application ofwaterworks water supply pump station control system摘 要本课题设计主要设计了一种变频调速恒压供水系统，它主要包括了三个部分既下位机PLC控制部分；上位机WINCC监控部分；和PLC仿真部分组成的。它的原理是以西门子S7-300系列作为下位机，由变频器、PLC及PID调节器组成控制系统来调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及

2、速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水，上位机采用WINCC为监控软件,实时监控系统工作状态。经调试和仿真运行表明，该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效地降低能耗，保证了供水系统维持在最佳运行状况，提高生产管理水平。该监控系统安装维护方便，运行稳定可靠,监控软件功能齐全，人机界面友好，使用方便。关键词：变频调速；恒压供水；PLC；Wincc- I -AbstractThe project design is mainly designed a constant pressure water supply system.It mainly consists of three part

3、s both lower machine PLC control section; PC WINCC monitoring section; and the PLC simulation part. it principle is based on Siemens S7-300 series as the next crew.By the inverter, PLC and PID regulator integral control system to adjust the pump output flow.Motor pump group of three pumps parallel a

4、nd become, by inverter or industrial frequency power supply, according to the water supply system to control the pressure and flow export of frequency switching between motor pump group, so the system and speed in the most reasonable position, make sure on-demand water supply. In this paper, wincc a

5、s PC monitoring software. Commissioning and operation shows that the system can be automatic control of water supply process can effectively reduce the energy consumption and ensure the water supply system to maintain in the best operation condition, improve production management level. Monitoring s

6、ystems easy installation and maintenance, operation is stable, reliable; Monitoring software function is well-found, friendly man-machine interface, easy to use.Key Words：Variable frequency speed-regulating;Constant-pressure watersupply;Plc;Wincc- 33 -目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 变频调速恒压

7、供水的发展11.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状11.4 本文主要研究内容2第2章 恒压供水基本原理32.1 恒压供水工艺简介32.2 变频调速供水原理32.3 变频恒压供水系统的节能原理52.4 变频恒压供水系统的组成及原理图5第3章 变频调速恒压供水控制系统设计83.1 变频恒压供水系统控制原理83.2 恒压供水系统方案设计与选择83.3 系统工作原理93.3.1 系统控制组成93.3.2 系统工作原理103.3.3 PID调节恒压控制原理113.4 硬件选择113.4.1 PLC及模块123.4.2 变频器123.4.3 水泵机组133.4.4 液位变送器133.4.5 压力变送器1

8、33.5 电气设备选型143.5.1 用电设备负荷计算143.5.2 用电设备尖峰电流的计算143.5.3 熔断器选择与校验153.5.4 低压断路器选择与校验163.6.5 低压隔离开关选择16第4章 程序设计184.1 系统主电路设计184.2 系统控制电路分析及其设计194.3 PLC I/O分配214.4 PLC程序设计21第5章 监控程序设计255.1 WinCC软件简介255.2 恒压供水系统监控界面255.2.1 恒压供水系统登录画面255.2.2 恒压供水系统主画面265.2.3 恒压供水系统PID画面275.2.4 恒压供水系统报警画面275.2.5 恒压供水系统历史曲线画面

9、28结束语29参考文献30致 谢31第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义水是生命之源，是人类赖以生存和发展的不可替代的重要资源之一。随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。我国家是一个在水资源和电能方面都很短缺的国家，在大力提倡节约能源的今天，人们也更加重视有关降低供水系统能耗的问题。据统计，风机和泵类负载约占我国总耗电量的80%，这主要是由于我国供水设备工作效率低，控制方式不合理，据统计，水泵的效率大多不足60%，存在着很大的能源浪费，

10、因此运用水泵供水节能技术，设计可靠性高，运行效率高的供水系统具有重大的经济意义。变频调速恒压供水系统是集变频技术，电气传动技术，现代控制技术于一体先进的供水控制系统。它可以根据用水管网瞬间用水量的不同所引起的压力变化，自动地改变水泵的转速，自动调节峰谷供水量，保证管网供水压力恒定，以满足用水的要求。变频恒压供水系统自80年代世界各国将其投入工业应用以来，它显示出了强劲的竞争力，采用该系统供水可以取得非常显著的节能效果，从而提高企业的经济效益和社会效益。这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 变频调速恒压供

11、水的发展变频调速被认为是一种理想的交流调速供水方法。20世纪60年代中期，随着普通晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置。这个时期的变频装置，多为分立元件，体积大，造价高，大多为特定的控制对象而研制。调速后的电动机静、动态性能较差，因此应用场合较少。20世纪70年代以后，电力电子和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频调速供水技术也随之取得了日新月异的进步，石油危机以后以节能为目的的变频器供水开始出现并得到了广泛应用。由于变频器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系统中较多采用。1.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的基础上发展起来的。早期，由于变

12、频器功能较简单，在恒压供水系统中仅作为执行机构，为满足用户需求的变化，保证管网压力恒定，需通过压力变送器和PID控制器对压力进行闭环控制。水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试更为简单、方便。1.4 本文主要研究内容 本课题通过前面对传统供水现状和变频恒压

13、供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、人机界面、各种传感器等组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。本设计的主要内容如下:1.分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案。2.研究PID控制器的设计原理及方法。3.设计变频恒压供水系统的硬件和软件。4.对变频调速技术及可编程序控制器(PLC)进行简单介绍。5.以组态软件wincc设计工控机监控程序。第2章 恒压供水基

14、本原理2.1 恒压供水工艺简介供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： 1.维持水压恒定； 2.控制系统可手动/自动运行；3.多台泵自动切换运行； 4.在线调整PI

15、D参数； 5.泵组及线路保护检测报警，信号显示等。 将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。2.2 变频调速供水原理1.异步电动机的调速方法变频供水系统是通过变频器控制泵的异步电机的转速，通过异步电动机驱动水泵供水来改变水泵的实时供水量，完成恒压供水的目标。因此，供水系统变频调速的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电动机的同步转速为: （2-1）其中n0是异步电动机的同步转速，f1是异

16、步电动机的电源频率，p为异步电动机的极对数。异步电动机的转差率为： （2-2）其中n为异步电动机的转子转速。根据公式 (2-1)和公式 (2-2)，得三相异步电动机的转速为: （2-3）式中f1是电源频率，p是电动机极对数，s是转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：1.改变电源频率2.改变电机极对数3.改变转差率改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化大，转矩变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，

17、节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率厂成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。因为当电源电压不变时，若频率减小，主磁通将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增加；而当频率增加时，磁通减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。因此，为了使电动机能保持较好的调速性能，要求在调节频率的同时，改变定子电压，以维持主磁通不变，或者保持电动机的过载能

18、力不变。电源电压随频率按什么样的规律变化最为合适呢?一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。2.变频装置简介变频器由整流电路、中间电路、逆变电路、控制电路、操作面板等组成。交流电源首先经过整流电路，将工频交流电源整流成直流，通过中间电路中的电感或者电容滤波作用，使整流后的直流纹波降低，同时中间电路可以降低逆变电路反馈到工频电源的谐波电流。逆变电路是变频器的功率输出部分，一般由多刀T等大功率开关器件及其驱动、保护电路构成。逆变电路接受来自控制板的控制信号，将直流电进行逆变成交流电，而逆变得到的交流电的频率、电压是可变的。控制电路是变频器的控

19、制中心，它可以根据外部接线端子、操作面板或者由上位机来的通讯指令控制变频器中的逆变电路输出一个频率和电压可变的交流电压。一般在控制电路中还集成了其它功能，如PID调节器等。操作面板是变频器人-机对话的界面，通过操作面板可以观察变频器的运行状态，或者修改变频器的运行参数。综上所述，通过改变电源频率的方法，可以从高速到低速保持高效率、宽范围和高精度的调速性能。2.3 变频恒压供水系统的节能原理变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系

20、统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方

21、式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。2.4 变频恒压供水系统的组成及原理图PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2.1所示：PLC(含PID)液位变送器器变频器压力变送器用户M水池水池水位信号报警信号水泵机组图2.1 变频恒压供水系统控制流程图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：执行机构：执

22、行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大（变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时）的情况下投入工作。信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果

23、可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进

24、行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在

25、某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。第3章 变频调速恒压供水控制系统设计3.1 变频恒压供

26、水系统控制原理恒压供水控制原理图如3.1所示：PID变频器管道压力压力变送器U* +-Uf图3.1 闭环恒压供水原理图用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低;用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。如图3.1所示，变频器是电机变频调速的执行者，只要改变f就可实现n的变化，从而达到无级调速的目的。测量元件用压力变送器，U*为恒定压力供水设定值。供水压力P作为输出量，构成闭环控制系统。在运行中，当用水量增

27、大的时候，水管道内压力值变低，反馈值Uf变小，即U*大于Uf时，变频器通过内置PID进行调速，使电机的转速加快，增加水流量，提高管道压力，直到管道压力P与设定压力U*对应的期望压力值相等。当用水量减少时，水管道内压力值p变大，反馈值Uf变大，即U*小于Uf时，变频器通过内置PID进行调速，使电机的转速降低，减小水流量，降低管道压力，直到管道压力P与期望压力设定值U*相等。总之，根据反馈控制原理，最终达到的平衡状态使实际供水压力和设定期望压力相等。3.2 恒压供水系统方案设计与选择从恒压供水的原理分析可知，系统主要有变频器、压力传感器、压力变送器等。 前面已介绍了目前常用的恒压供水控制系统。鉴于

28、专用变频器系统的不足之处，本文采用通用变频器加PLC控制系统。水压反馈值送入PLC进行PID运算，运算结果经DA转换输出送给变频器的反馈信号输入端，从而调整变频器频率，改变电动机的转速，调整管网水压，保障水压恒定。上位机与PLC进行通信，对压力数值进行显示并实现系统启停控制、压力设定值的修改。且由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种要求和规格不同的控制系统。由于PLC和上位机具有良好的通信功能，此系统方便与其他系统进行通信和数据交换。当控制要求改变时，利用编程软件很容易进行程序的修改和下载。因此，该系统能适用于不同控制要求的场合，与机组容量大小无关。且由于良好的人机界面，使得操作更

29、加简单，系统运行状态更直观。因此本系统采用“变频器+PLC+上位监控计算机的模式。3.3 系统工作原理3.3.1 系统控制组成此系统由信号检测、水泵拖动机组、电气控制、上位机等组成，各部分的作用及工作原理如下。1.信号检测主要包括蓄水池液位检测、管网压力检测与反馈。液位检测通过安装在蓄水池的浮球液位传感器实现。当液位正常时，水泵机组处于工作状态。当水压不足，液面过低时，系统实施保护，以防止电机空转而损坏。管网压力检测通过安装在用户总管的压力传感器实现，实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为4-20mA的电信号。此检测信号是实现恒压供水的关键参数。2.水泵拖动机组系统由一个机组3

30、台水泵电机组成。MI、M2、M3既可以变频运行又可以工频恒速运行，组成变频循环运行方式。系统首先启动一台水泵作为变速泵，当水压发生变化，变频器输出频率达到50Hz时，若供水量仍不能达到用水要求，则该泵退出变频状态，转入工频，启动另外一台泵变频运行。以此循环。另一台小泵电机采用恒速运行方式，使系统在用水量很低(如夜间)时，可以停止所有的主泵，用小泵补水，减小系统功耗及噪音。3.电气控制系统电气控制系统一般安装在控制柜中，由PLC、变频器和电控设备组成。(1)PLC：是整个控制系统的核心部分。它采集系统的压力、液位、报警等信号，进行处理、运算和输出。并接收人机接口和通讯接口的数据信息进行分析，通过

31、变频调速器和接触器等电气元件实现控制。(2)变频器：实现电机转速控制的单元，接受PLC运算处理后数据，实现输出频率的改变，从而完成调速泵的转速控制。(3)电控设备：主要由空气断路器、接触器、保护继电器和转换开关、按钮等组成。空气断路器用于接通电源；接触器用于实现变频运行与工频运行；转换开关用于实现手自动的控制。4.上位监控计算机用于操作者与系统进行信息交流，实现控制和显示系统运行状态。通过监控计算机，操作者可以很方便地根据系统需求对压力设定值进行修改，对控制方式进行改变，并可以方便地控制系统的启停和控制方式的转换。3.3.2 系统工作原理1.系统自动变频循环运行系统变频全自动运行时，当用户用水

32、量发生变化，水压变送器反馈的电信号将发生变化，此时将进行水泵的增减。电机切换过程如下：(1)若原为1号电机变频运行，用户用水量增加，则管网压力下降，反馈到AD转换模块输入端的模拟量减小，通过PLC内部的PID运算，DA转换模块输出量增加，即变频器频率给定端的电信号值增加，使变频器输出频率增加，电机转速增加，从而增大供水量直到与用水量平衡，管网水压随之上升，最后必须达到设定值。若在第一台电机的频率达到50Hz之前，管网水压已经达到设定值，此系统依然只运行第一台电机，只是运行于较高的频率。若第一台电机的频率达到50Hz时，管网水压仍然低于设定值，则进行水泵切换，此时第一台电机退出变频状态，转入工频

33、；第二台电机变频启动，直到管网水压上升到设定值。若第二台电机频率达到50Hz，管网水压仍未达到设定值，则第二台电机也转为工频，而变频启动第三台电机。若此时用水量又减小，则管网压力将上升，如果第三台变频泵电机频率下降至下限值，管网压力仍不能达到设定值，则系统将根据“先开先停的原则减泵。即系统将首先使第一台泵停止运行。系统进入水压的闭环控制，使压力重新达到设定值。若仅停掉一台水泵，压力仍不能达到设定值，将关掉第二台水泵，再次进入水压的闭环控制。(2)以上分析的是一个循环的用水增加又减小，电机的切换过程。第二个过程将仍然根据“先开先停”的原则，即用水增加时将按三号泵变频一一三号泵工频、二号泵变频一一

34、三号、二号泵工频，一号泵变频的顺序进行切换。2.系统自动工频运行控制如果变频器不能正常工作，系统采用自动工频运行方式，此时电动机采用软启动器启动，系统不能实现恒压，水压保持在一个规定的区间内。设泵l先工作在工频状态，压力变送器采样后送给PLC，如果压力在控制区间内，系统状态不变，若水压不在设定区间内，则改变状态，超过区间上限则切除一个泵，超过下限则工频启动一个泵，系统继续压力信号采样，重新建立监控区间。如此循环扫描，直至达到控制目的。该运行方式下，水泵只有工频运行和停止两种工作状态。如果系统发生故障，则转入故障处理程序。3.3.3 PID调节恒压控制原理在供水系统的设计中，选用了含PID调节的

35、PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)： （3-1）经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图3.2所示，图中

36、u(t)为PID调节器输出的调节量。 积分变频器管道压力压力变送器给定 -微分比例水泵图3.2 PID控制原理框图3.4 硬件选择前面已经阐述了恒压供水系统框图，根据系统框图可得知本系统所需硬件如下：1 PLC，含特殊功能模块AD，DA2 水池液位传感器、管网压力表3 控制所需低压电器及电气控制柜4 变频器5 水泵机组6 监视、控制上位机3.4.1 PLC及模块PLC是系统控制核心器件。它采集系统所有输入信号，包含启停控制信号及系统自动反馈的控制信号，如报警，压力等，并实现对所有动作器件如中间继电器、电磁阎线圈，变频器的控制，同时完成和上位机的数据通讯。表3-1 plc的选型序号名称订货号数量

37、1480mm导轨(模块安装用)6ES7 390-1AE80-0AA012电源模块(5A)6ES7 307-1EA01-0AA013CPU315-2DP,256内存6ES7 315-2AH14-0AB014SIMATIC Micro内存卡128KByte(MMC)6ES7 953-8LG10-0AA015开入模块(16点，24VDC)6ES7 321-1BH02-0AB016开出模块(16点，24VDC)6ES7 322-1BH01-0AB017模拟量输入模块(8路,13位精度)6ES7 331-1KF02-0AB018模拟量输出模块(8路)6ES7 332-5HF00-0AB019CP5611

38、通讯卡(上位机ISA插槽)6GK1 562-1AA0110研华工控机IPC5601合理选择适当的PLC是使整个系统性能可靠，控制方便的关键。选择PLC时，首先要选择的是PLC的型号。不同生产厂商的PLC具有不同的技术参数，指令系统也不同。3.4.2 变频器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。由于设计中PLC选择的西门子S7-300型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，选择西门子的MicroMaster440变频器。它是三相交流电动机调速的系列产品

39、，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，内置的RS-485/232C接口和PI闭环控制器。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。MicroMaster440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。3.4.3 水泵机组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

40、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75KW，供水压力控制在0.30.01Mpa。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台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。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

41、、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。因此本设计中选择电机功率为75KW的上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵3台。3.4.4 液位变送器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

42、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。3.4.5 压力变送器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损耗，我们采用4-20mA输出压力变送器。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，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

43、，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，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，因此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。3.5 电气设备选型3.5.1 用电设备负荷计算 计算负荷是通过负荷的统计求出的、用来按发热条件选择供电系统中各元件的负荷值。根据计算负荷选择电气设备和导线电缆

44、，如果以计算负荷连续运行，其发热温度不超过允许值。计算负荷实际上与从负荷曲线上查得的半小时最大负荷P30是基本相当，有功计算负荷、无功计算负荷、视在计算符合和计算电流相应地表示为P30、Q30、S30和I30。我国目前普遍采用的确定用电设备计算负荷的方法，有需要系数法和二项式法。本系统采用系数法计算，其有功计算负荷基本公式为P30=Kd Pe，视在计算负荷为S30=P30 / cos,计算负荷为I30=S30 / ( 0.38),其中Kd 称为需要系数，tan为正切值，cos为平均功率因数，Pe为设备容量。系数Kd =0.8，cos=0.8，tan=0.75。1. 水泵（1台运行）有功计算负荷

45、：P30=Kd Pe= 0.87.5=6kw 视在计算负荷：S30=P30 / cos=6/0.8=7.5kva计算电流：I30=S30 / ( 0.38)=7.5/( 0.38)=11.4A2. 变频泵运行有功计算负荷：P30=Kd Pe= 0.87.5=6kw 视在计算负荷：S30=P30 / cos=6/0.8=7.5kva 计算电流：I30=S30 / ( 0.38)=7.5/( 0.38)=11.4A3. 动力系统 有功计算负荷：P30=Kd Pe= 0.8（7.53+7.5）=24kw 视在计算负荷：S30=P30 / cos=24/0.8=30kva 计算电流：I30=S30 /

46、 ( 0.38)=30/( 0.38)=45.6A3.5.2 用电设备尖峰电流的计算尖峰电流是指持续时间1-2s的短时最大电流。尖峰电流主要用来选择熔断器和低压断路器、整定继电保护装置及减压电动机自启动条件等。多台用电设备尖峰电流的计算 （3-2）或 （3-3）其中为起动电流，为用电设备的起动电流倍数。单台用电设备尖峰电流的计算 （3-4）动力柜的尖峰电流 Ipk=45.6+（50.5-7.5）=88.6A变频泵的尖峰电流 Ipk=1.5 11.4=17.1A水泵的尖峰电流 Ipk=1.5 11.4=17.1A3.5.3 熔断器选择与校验熔断器在供配电系统中的配置，应符合选择性保护的原则，也就

47、是熔断器要配置得能使故障范围缩小到最低限度。供电系统中配置的熔断器数量要尽量少。低压配电系统中熔断器起安全保护作用，当电流超过规定值一定时间后以它本身产生的热量使用熔体融化而分断电流。本系统采用RM10型低压密闭管式熔断器，RM10型熔断器由纤维管、变截面锌溶片和触头底座等部分组成，这种熔断器的灭弧能力很强，属限流熔断器。1动力柜熔断器选择熔体及熔断器的额定电流：熔体额定电流IN.FE应不小于线路计算电流I30，即IN.FE I30 =45.6 A，又熔体额定电流IN.FE还应躲过线路的尖峰电流IPK,即IN.FE IPK=88.6 A,选型RM10-100型低压熔断器，其熔体电流IN.FE为

48、100 A, 最大电流为150A，熔管额定电压交流500V，直流440V，最大分断电流10KA，满足设计需求。2变频柜熔断器选择熔体及熔断器的额定电流：IN.FE I30 =11.4A，IN.FE KIPK=17.1A,选型RM10-60型低压熔断器，其熔体电流为15A, 最大电流为60A满足设计需求。3水泵熔断器选择熔体及熔断器的额定电流：IN.FE I30 =11.4A，IN.FE KIPK= 17.1 A,选型RM10-60型低压熔断器，其熔体电流为15, 最大电流为60A满足设计需求。 4室内照明和控制柜熔断器选择RM10-15，其熔体电流为10A。最大电流为15A，满足设计要求。 3

49、.5.4 低压断路器选择与校验低压断路器，又称低压自动开关，它既能带负荷通断电路，又能在短路、过负荷和低电压下自动跳闸，当线路上出现短路故障时，其过电流脱扣器动作，使开关跳闸，如果出现过负荷时，其串联在一次线路的加热电阻丝加热，是双金属片弯曲，也使开关跳闸。当线路电压严重下降或失压时，其失压脱扣器动作，同样使开关跳闸。低压断路器有配电断路器、电动机保护用断路器、照明用断路器和漏电断路器等。1动力柜断路器选择低压断路器及其过电流脱扣器规格：选择DZ47-63型低压断路器的过电流脱扣器额定电流IN.OR=63I30=45.6A,故初步选DZ47-63型低压断路器，其IN.OR= 63A。设瞬时脱扣

50、电流整定为3倍，即IOP=633=189A。而KrelIpk=1. 588.6=132.9A（其中Krel为可靠系数，DZ系列断路器可取1.5），满足IOPKrelIpk的要求，即满足脱扣电流躲过尖峰电流的要求。2变频柜断路器选择小型断路器，其额定电流（ln）为IN=40A I30=22.8A，额定绝缘电压（Ui）为600V，额定冲击耐受电压(Uimp)为 4KV，额定短路分断能力（Icn）均能满足要求。3水泵断路器选择小型断路器，其额定电流（ln）为IN=16A I30=8.4A，额定绝缘电压（Ui）为600V，额定冲击耐受电压(Uimp)为 4KV，额定短路分断能力（Icn）均能满足要求。

51、4室内照明和控制柜断路器选择额定电流（ln）IN=16A额定绝缘电压（Ui）为600V，额定冲击耐受电压(Uimp)为 4KV，额定短路分断能力（Icn）均能满足要求。3.6.5 低压隔离开关选择低压隔离开关主要功能是保证电气设备及装置在检修工作时的安全，不能用于切断、投入负荷电流或开断短路电流，仅可允许用于不产生强大电弧的某些切换操作。本系统只有动力柜和粗格栅机、输送机、水泵控制柜需要安装低压隔离开关，需满足UN USN，即电气设备的额定电压UN不低于装置地点电网额定电压USN的条件选择，满足IN应不小于该回路在各种合理运行方式下的最大持续工作电流Imax，即IN Imax，满足动稳定及热稳

52、定校验即可。电气设备控制选型统计表如表3-2所示：表3-2 电气设备控制选型序号设备名称型号额定电流熔体电流/脱扣电流备注1动力柜熔断器RM10-100100A150A2水泵熔断器RM10-6015A25A3变频柜熔断器RM10-6015A25A4动力柜断路器DZ47-6363A50A5水泵熔断器DZ47-6325A20A6变频柜熔断器DZ47-6325A20A第4章 控制程序设计4.1 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4.1所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2

53、、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。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。图4.1 变频恒压供水系统主电路图三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频

54、器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，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KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监

55、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和变送器将4-20mA电流信号送至上位机来显示。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。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。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。4.2 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

56、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S7-300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4.2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/

57、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。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

58、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。图4.2 变频恒压供水系统控制电路图（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

59、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Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；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。4.3 PLC I/O分配PLC的输入输出点数根据系统的控制要求确定。本系统输入信号有开关量信号和模拟量信号，输出也有开关量和模拟量信号。系统分为自动

60、和手动控制，每台电动机有变频和工频运行，在加上对应的指示、报警等信号，因此系统输入输出信号有：1 PLC输入信号(1)变频调速恒压供水中为保证供水的不间断性，要求有手动和自动控制方式，当变频器出现故障时，采用手动方式，软启动电机实现工频下供水。手动和自动控制采用选择开关实现，此信号为开关量信号通过两个输入继电器送入PLC。 (2)电接点压力表上下限开关量信号作为PLC控制电机停止及变频与工频转换的条件。(3)变频器故障开关量信号送入PLC作为自动变频运行和全工频运行切换的条件。(4)水池液位开关信号送入PLC，控制水位过高时，停止进水，水位过低时系统停机，防止电机空转。2 PLC输出信号(1)

61、控制三台主电机的变频与工频运行接触器。每个水泵阀门的开关及市政水管的阀门开关由PLC控制。(2)输出三个点控制三台主电动机工频软启动。(3)开关量输出控制中间继电器，由中间继电器控制变频器。(4)1个模拟量输出送入变频器频率反馈端。(5)电动机停止、变频、工频运行显示。(6)变频器故障或水池水位低报警输出。4.4 PLC程序设计PLC的编程语言有梯形图、语句表、顺序功能图、功能块图。本系统程序的编制利用编程软件在计算机上完成，编译后把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。PLC指令主要由基本指令、步进指令、功能指令构成。为了使主程序结构清楚，系统将部分功能的程序作为子程序放置在主程序后，根据系统运行情况进行调用。本系统PLC程序主要由系统启动程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、阀门开启关闭程序、模拟量(压力、频率) 、比较计算程序、停机程序和报警程序等构成。1系统启动程序系统工作状态分为自动和手动两种状态，自动状态如图4.3所示，系统进