基于PLC控制的恒压供水系统设计 (4)

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3.1.3 水泵机组的选型

水泵机组选型基本原则，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0.3±0.01Mpa。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）。它可用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。 3.1.4 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，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入。在选型时，为防止传输过程中的干扰与损耗，通常采用4~20mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力变送器出现故障时，系统有可能启动所有的水泵，如果此时的用水量又达不到，则会造成水压过高。为防止爆管和超高水压损坏用水设备，本设计中的供水系统采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，系统关闭所有水泵并报警输出。

供水系统的压强是P??gh，下面单位都是估计标准单位??103，g=9.8，一般情况下，h<60米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，据以上综合分析，系统选用普通压力表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0.01；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。 3.1.5 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。

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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。 3.2 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3.2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分别控制水泵机组M1、M2、M3工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制水泵机组M1、M2、M3变频运行；FR1、FR2、FR3为过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4为主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。

NL1L2L3FUQS1QS2QS3QS4RST变频器UVWKM1KM3KM5KM2FR1M13~KM4FR2M23~KM6FR3M33~

图3-2 变频恒压供水系统主电路图

本设计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，其余水泵在工频下运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超

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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。

三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的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，应先断开变频器的隔离开关和其输出端的接触器，再把工频回路的接触器和隔离开关接通。主电路中的低压熔断器除接通电源外，还可实现短路保护，每台水泵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决不能同时接通，而且变频器的输出端绝不能直接接电源，必须经过接触器的触点。当电动机接通工频回路时，应先断开变频回路接触器的触点。相应地从工频转换为变频时，工频接触器也应先断开，才可接通变频器输出端接触器，因此KM1和KM2，KM3和KM4，KM5和KM6不允许同时动作，相互之间必须有可靠的互锁。为监视电机负载运行情况，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。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路，而需通过变频器实现软启动和软停。手动控制系统时，必须采用降压启动或软启动的方式以降低启动电流，本设计采用软启动器。 3.3 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，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。

要实现以下功能：自动控制三台水泵PLC用于实现变频恒压供水系统的自动控制，

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。如图3.3为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，打在2的状态为自动控制状态。SA打在1的位置为手动控制状态；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。

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NL1FU2SA21SB1SB2KM1Q0.0PLCKM1KM24N1FR1HL1KM2HL2KM3FR2HL3KM4HL4KM5FR3HL5KM6HL6HL7Q0.16KM1SB3SB4KM3Q0.2KM48KM3Q0.310SB5SB6KM5Q0.4KM612KM5Q0.514Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.51618202224HL8HL9HAKAHL10

图3-3 变频恒压供水系统控制电路图

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。 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，可结合下节中图3-4一起读图。

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

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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Q1.1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。 3.4 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) 在用水量小的情况下，如果一台水泵连续变频运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵”功能，以防止某一台水泵工作时间过长。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) 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，

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