凈水廠送水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計

1、吉林化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計凈水廠送水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用design and application ofwaterworks water supply pump station control system摘 要本課題設(shè)計主要設(shè)計了一種變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，它主要包括了三個部分既下位機(jī)plc控制部分；上位機(jī)wincc監(jiān)控部分；和plc仿真部分組成的。它的原理是以西門子s7-300系列作為下位機(jī)，由變頻器、plc及pid調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。電動機(jī)泵組由三臺水泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動機(jī)泵組之間的切換及速度，使系統(tǒng)運(yùn)行在最合理的

2、狀態(tài)，保證按需供水，上位機(jī)采用wincc為監(jiān)控軟件,實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)。經(jīng)調(diào)試和仿真運(yùn)行表明，該系統(tǒng)能夠?qū)┧^程進(jìn)行自動控制，能夠有效地降低能耗，保證了供水系統(tǒng)維持在最佳運(yùn)行狀況，提高生產(chǎn)管理水平。該監(jiān)控系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠,監(jiān)控軟件功能齊全，人機(jī)界面友好，使用方便。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；恒壓供水；plc；winccabstractthe project design is mainly designed a constant pressure water supply system.it mainly consists of three parts both lower machi

3、ne 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 and become, by inve

4、rter 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 as pc monitoring so

5、ftware. 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 systems easy instal

6、lation 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目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 課題研究背景及意義11.2 變頻調(diào)速恒壓供水的發(fā)展11.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究

7、現(xiàn)狀11.4 本文主要研究內(nèi)容2第2章 恒壓供水基本原理32.1 恒壓供水工藝簡介32.2 變頻調(diào)速供水原理32.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理52.4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖5第3章 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計83.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制原理83.2 恒壓供水系統(tǒng)方案設(shè)計與選擇83.3 系統(tǒng)工作原理93.3.1 系統(tǒng)控制組成93.3.2 系統(tǒng)工作原理103.3.3 pid調(diào)節(jié)恒壓控制原理113.4 硬件選擇113.4.1 plc及模塊123.4.2 變頻器123.4.3 水泵機(jī)組133.4.4 液位變送器133.4.5 壓力變送器133.5 電氣設(shè)備選型143.5.1 用電設(shè)備負(fù)

8、荷計算143.5.2 用電設(shè)備尖峰電流的計算143.5.3 熔斷器選擇與校驗(yàn)153.5.4 低壓斷路器選擇與校驗(yàn)163.6.5 低壓隔離開關(guān)選擇16第4章 程序設(shè)計184.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計184.2 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計194.3 plc i/o分配214.4 plc程序設(shè)計21第5章 監(jiān)控程序設(shè)計255.1 wincc軟件簡介255.2 恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控界面255.2.1 恒壓供水系統(tǒng)登錄畫面255.2.2 恒壓供水系統(tǒng)主畫面265.2.3 恒壓供水系統(tǒng)pid畫面275.2.4 恒壓供水系統(tǒng)報警畫面275.2.5 恒壓供水系統(tǒng)歷史曲線畫面28結(jié)束語29參考文獻(xiàn)30致 謝31第1章 緒論

9、1.1 課題研究背景及意義水是生命之源，是人類賴以生存和發(fā)展的不可替代的重要資源之一。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。我國家是一個在水資源和電能方面都很短缺的國家，在大力提倡節(jié)約能源的今天，人們也更加重視有關(guān)降低供水系統(tǒng)能耗的問題。據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載約占我國總耗電量的80%，這主要是由于我國供水設(shè)備工作效率低，控制方式不合理，據(jù)統(tǒng)計，水泵的效率大多不足60%，存在著很大的能源浪費(fèi)，因此運(yùn)用水泵供水節(jié)能技術(shù)，設(shè)計可靠性高，運(yùn)行效率

10、高的供水系統(tǒng)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術(shù)，電氣傳動技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)于一體先進(jìn)的供水控制系統(tǒng)。它可以根據(jù)用水管網(wǎng)瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動地改變水泵的轉(zhuǎn)速，自動調(diào)節(jié)峰谷供水量，保證管網(wǎng)供水壓力恒定，以滿足用水的要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)自80年代世界各國將其投入工業(yè)應(yīng)用以來，它顯示出了強(qiáng)勁的競爭力，采用該系統(tǒng)供水可以取得非常顯著的節(jié)能效果，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 變頻調(diào)速恒壓供水的發(fā)展變頻調(diào)速被認(rèn)為是一種理想的交流調(diào)速供水方

11、法。20世紀(jì)60年代中期，隨著普通晶閘管、小功率管的實(shí)用化，出現(xiàn)了靜止變頻裝置。這個時期的變頻裝置，多為分立元件，體積大，造價高，大多為特定的控制對象而研制。調(diào)速后的電動機(jī)靜、動態(tài)性能較差，因此應(yīng)用場合較少。20世紀(jì)70年代以后，電力電子和微電子技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，變頻調(diào)速供水技術(shù)也隨之取得了日新月異的進(jìn)步，石油危機(jī)以后以節(jié)能為目的的變頻器供水開始出現(xiàn)并得到了廣泛應(yīng)用。由于變頻器供水具有的高效率性能和良好的控制特性，使之在供水系統(tǒng)中較多采用。1.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。早期，由于變頻器功能較簡單，在恒壓供水系統(tǒng)中僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，

12、為滿足用戶需求的變化，保證管網(wǎng)壓力恒定，需通過壓力變送器和pid控制器對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。水壓由壓力傳感器的信號4-20ma送入變頻器內(nèi)部的pid模塊，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置pid運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。由于變頻器內(nèi)部自帶的pid調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡單、方便。1.4 本文主要研究內(nèi)容 本課題通過前面對傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)

13、在我國已成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、人機(jī)界面、各種傳感器等組成。本文研究的目標(biāo)是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計的主要內(nèi)容如下:1.分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實(shí)用性的控制方案。2.研究pid控制器的設(shè)計原理及方法。3.設(shè)計變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。4.對變頻調(diào)速技術(shù)及可編程序控制器(plc)進(jìn)行簡單介紹。5.以組態(tài)軟件wincc設(shè)計工控機(jī)監(jiān)控程序。第2章 恒壓供水基本原理2.1 恒壓供水工藝簡介供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)

14、生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而最主要的缺點(diǎn)是水壓不能保持恒定，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù)，它以其獨(dú)特優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于速度控制領(lǐng)域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴(yán)格的要求，因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運(yùn)行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： 1.維持水壓恒定； 2.控制系統(tǒng)可手動/自動運(yùn)行；3.多臺泵自動切換運(yùn)行； 4.在線調(diào)整pid參數(shù)； 5.泵組及線路保護(hù)檢測報警，信號顯示等

15、。 將管網(wǎng)的實(shí)際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進(jìn)行比較，當(dāng)管網(wǎng)壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增加，迫使管網(wǎng)壓力上升。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量減小，管網(wǎng)壓力下降，保持恒壓供水。2.2 變頻調(diào)速供水原理1.異步電動機(jī)的調(diào)速方法變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器控制泵的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過異步電動機(jī)驅(qū)動水泵供水來改變水泵的實(shí)時供水量，完成恒壓供水的目標(biāo)。因此，供水系統(tǒng)變頻調(diào)速的實(shí)質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為: （2-1）其中n0是異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，f1是異步電動機(jī)的電源頻率，p為異步電動機(jī)的極對數(shù)。異步

16、電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為： （2-2）其中n為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。根據(jù)公式 (2-1)和公式 (2-2)，得三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為: （2-3）式中f1是電源頻率，p是電動機(jī)極對數(shù)，s是轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有：1.改變電源頻率2.改變電機(jī)極對數(shù)3.改變轉(zhuǎn)差率改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化大，轉(zhuǎn)矩變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，

17、增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價值。根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率廠成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。因?yàn)楫?dāng)電源電壓不變時，若頻率減小，主磁通將增加，這將導(dǎo)致磁路過分飽和，勵磁電流增大，功率因數(shù)降低，鐵心損耗增加；而當(dāng)頻率增加時，磁通減小，電磁轉(zhuǎn)矩及最大轉(zhuǎn)矩下降，過載能力降低，電動機(jī)的容量也得不到充分利用。因此，為了使電動機(jī)能保持較好的調(diào)速性能，要求在調(diào)節(jié)頻率的同時，改變定子電壓，以維持主磁通不變，或者保持電動機(jī)的過載能力不變。電源電壓隨頻率按什么樣的規(guī)律變化最為合適

18、呢?一般認(rèn)為，在任何類型負(fù)載下變頻調(diào)速時，若能保持電動機(jī)的過載能力不變，則電動機(jī)的運(yùn)行性能較為理想。2.變頻裝置簡介變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。交流電源首先經(jīng)過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時中間電路可以降低逆變電路反饋到工頻電源的諧波電流。逆變電路是變頻器的功率輸出部分，一般由多刀t等大功率開關(guān)器件及其驅(qū)動、保護(hù)電路構(gòu)成。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進(jìn)行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變的?？刂齐娐肥亲冾l器的控制中心，它可以根據(jù)外部接線端子、操作面板或者由上

19、位機(jī)來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個頻率和電壓可變的交流電壓。一般在控制電路中還集成了其它功能，如pid調(diào)節(jié)器等。操作面板是變頻器人-機(jī)對話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，或者修改變頻器的運(yùn)行參數(shù)。綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的

20、變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化

21、自動地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機(jī)加速，用水量減小時電機(jī)減速。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。2.4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖plc控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2.1所示：plc(含pid)液位變送器器變頻器壓力變送器用戶m水池水池水位信號報警信號水泵機(jī)組圖2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)

22、，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入plc時，需進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給plc，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映

23、水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號?？刂茩C(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(plc系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤

24、供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，由plc判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的

25、實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時地測量參考點(diǎn)的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為420ma的電信號，此檢測信號是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過plc的a/d轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行pid運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過d/a轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。第3章 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制原理恒壓供水控制原理圖如3.1所示：p

26、id變頻器管道壓力壓力變送器u* +-uf圖3.1 閉環(huán)恒壓供水原理圖用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低;用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。如圖3.1所示，變頻器是電機(jī)變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變f就可實(shí)現(xiàn)n的變化，從而達(dá)到無級調(diào)速的目的。測量元件用壓力變送器，u*為恒定壓力供水設(shè)定值。供水壓力p作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。在運(yùn)行中，當(dāng)用水量增大的時候，水管道內(nèi)壓力值變低，反饋值uf變小，即

27、u*大于uf時，變頻器通過內(nèi)置pid進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力p與設(shè)定壓力u*對應(yīng)的期望壓力值相等。當(dāng)用水量減少時，水管道內(nèi)壓力值p變大，反饋值uf變大，即u*小于uf時，變頻器通過內(nèi)置pid進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力p與期望壓力設(shè)定值u*相等?？傊?，根據(jù)反饋控制原理，最終達(dá)到的平衡狀態(tài)使實(shí)際供水壓力和設(shè)定期望壓力相等。3.2 恒壓供水系統(tǒng)方案設(shè)計與選擇從恒壓供水的原理分析可知，系統(tǒng)主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送器等。 前面已介紹了目前常用的恒壓供水控制系統(tǒng)。鑒于專用變頻器系統(tǒng)的不足之處，本文采用通用變頻器加p

28、lc控制系統(tǒng)。水壓反饋值送入plc進(jìn)行pid運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)da轉(zhuǎn)換輸出送給變頻器的反饋信號輸入端，從而調(diào)整變頻器頻率，改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整管網(wǎng)水壓，保障水壓恒定。上位機(jī)與plc進(jìn)行通信，對壓力數(shù)值進(jìn)行顯示并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟?？刂?、壓力設(shè)定值的修改。且由于plc產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種要求和規(guī)格不同的控制系統(tǒng)。由于plc和上位機(jī)具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。當(dāng)控制要求改變時，利用編程軟件很容易進(jìn)行程序的修改和下載。因此，該系統(tǒng)能適用于不同控制要求的場合，與機(jī)組容量大小無關(guān)。且由于良好的人機(jī)界面，使得操作更加簡單，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)更直觀。因此本系統(tǒng)采用“變頻

29、器+plc+上位監(jiān)控計算機(jī)的模式。3.3 系統(tǒng)工作原理3.3.1 系統(tǒng)控制組成此系統(tǒng)由信號檢測、水泵拖動機(jī)組、電氣控制、上位機(jī)等組成，各部分的作用及工作原理如下。1.信號檢測主要包括蓄水池液位檢測、管網(wǎng)壓力檢測與反饋。液位檢測通過安裝在蓄水池的浮球液位傳感器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)液位正常時，水泵機(jī)組處于工作狀態(tài)。當(dāng)水壓不足，液面過低時，系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)，以防止電機(jī)空轉(zhuǎn)而損壞。管網(wǎng)壓力檢測通過安裝在用戶總管的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，實(shí)時地測量參考點(diǎn)的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為4-20ma的電信號。此檢測信號是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。2.水泵拖動機(jī)組系統(tǒng)由一個機(jī)組3臺水泵電機(jī)組成。mi、m2、m3既可以變頻運(yùn)行又

30、可以工頻恒速運(yùn)行，組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。系統(tǒng)首先啟動一臺水泵作為變速泵，當(dāng)水壓發(fā)生變化，變頻器輸出頻率達(dá)到50hz時，若供水量仍不能達(dá)到用水要求，則該泵退出變頻狀態(tài)，轉(zhuǎn)入工頻，啟動另外一臺泵變頻運(yùn)行。以此循環(huán)。另一臺小泵電機(jī)采用恒速運(yùn)行方式，使系統(tǒng)在用水量很低(如夜間)時，可以停止所有的主泵，用小泵補(bǔ)水，減小系統(tǒng)功耗及噪音。3.電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)一般安裝在控制柜中，由plc、變頻器和電控設(shè)備組成。(1)plc：是整個控制系統(tǒng)的核心部分。它采集系統(tǒng)的壓力、液位、報警等信號，進(jìn)行處理、運(yùn)算和輸出。并接收人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，通過變頻調(diào)速器和接觸器等電氣元件實(shí)現(xiàn)控制。(2)變頻

31、器：實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的單元，接受plc運(yùn)算處理后數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變，從而完成調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。(3)電控設(shè)備：主要由空氣斷路器、接觸器、保護(hù)繼電器和轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕等組成。空氣斷路器用于接通電源；接觸器用于實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行；轉(zhuǎn)換開關(guān)用于實(shí)現(xiàn)手自動的控制。4.上位監(jiān)控計算機(jī)用于操作者與系統(tǒng)進(jìn)行信息交流，實(shí)現(xiàn)控制和顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。通過監(jiān)控計算機(jī)，操作者可以很方便地根據(jù)系統(tǒng)需求對壓力設(shè)定值進(jìn)行修改，對控制方式進(jìn)行改變，并可以方便地控制系統(tǒng)的啟停和控制方式的轉(zhuǎn)換。3.3.2 系統(tǒng)工作原理1.系統(tǒng)自動變頻循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)變頻全自動運(yùn)行時，當(dāng)用戶用水量發(fā)生變化，水壓變送器反饋的電信號將發(fā)生變化，此

32、時將進(jìn)行水泵的增減。電機(jī)切換過程如下：(1)若原為1號電機(jī)變頻運(yùn)行，用戶用水量增加，則管網(wǎng)壓力下降，反饋到ad轉(zhuǎn)換模塊輸入端的模擬量減小，通過plc內(nèi)部的pid運(yùn)算，da轉(zhuǎn)換模塊輸出量增加，即變頻器頻率給定端的電信號值增加，使變頻器輸出頻率增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，從而增大供水量直到與用水量平衡，管網(wǎng)水壓隨之上升，最后必須達(dá)到設(shè)定值。若在第一臺電機(jī)的頻率達(dá)到50hz之前，管網(wǎng)水壓已經(jīng)達(dá)到設(shè)定值，此系統(tǒng)依然只運(yùn)行第一臺電機(jī)，只是運(yùn)行于較高的頻率。若第一臺電機(jī)的頻率達(dá)到50hz時，管網(wǎng)水壓仍然低于設(shè)定值，則進(jìn)行水泵切換，此時第一臺電機(jī)退出變頻狀態(tài)，轉(zhuǎn)入工頻；第二臺電機(jī)變頻啟動，直到管網(wǎng)水壓上升到設(shè)定值。

33、若第二臺電機(jī)頻率達(dá)到50hz，管網(wǎng)水壓仍未達(dá)到設(shè)定值，則第二臺電機(jī)也轉(zhuǎn)為工頻，而變頻啟動第三臺電機(jī)。若此時用水量又減小，則管網(wǎng)壓力將上升，如果第三臺變頻泵電機(jī)頻率下降至下限值，管網(wǎng)壓力仍不能達(dá)到設(shè)定值，則系統(tǒng)將根據(jù)“先開先停的原則減泵。即系統(tǒng)將首先使第一臺泵停止運(yùn)行。系統(tǒng)進(jìn)入水壓的閉環(huán)控制，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。若僅停掉一臺水泵，壓力仍不能達(dá)到設(shè)定值，將關(guān)掉第二臺水泵，再次進(jìn)入水壓的閉環(huán)控制。(2)以上分析的是一個循環(huán)的用水增加又減小，電機(jī)的切換過程。第二個過程將仍然根據(jù)“先開先?！钡脑瓌t，即用水增加時將按三號泵變頻一一三號泵工頻、二號泵變頻一一三號、二號泵工頻，一號泵變頻的順序進(jìn)行切換。2.

34、系統(tǒng)自動工頻運(yùn)行控制如果變頻器不能正常工作，系統(tǒng)采用自動工頻運(yùn)行方式，此時電動機(jī)采用軟啟動器啟動，系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)恒壓，水壓保持在一個規(guī)定的區(qū)間內(nèi)。設(shè)泵l先工作在工頻狀態(tài)，壓力變送器采樣后送給plc，如果壓力在控制區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)狀態(tài)不變，若水壓不在設(shè)定區(qū)間內(nèi)，則改變狀態(tài)，超過區(qū)間上限則切除一個泵，超過下限則工頻啟動一個泵，系統(tǒng)繼續(xù)壓力信號采樣，重新建立監(jiān)控區(qū)間。如此循環(huán)掃描，直至達(dá)到控制目的。該運(yùn)行方式下，水泵只有工頻運(yùn)行和停止兩種工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則轉(zhuǎn)入故障處理程序。3.3.3 pid調(diào)節(jié)恒壓控制原理在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了含pid調(diào)節(jié)的plc來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。在

35、連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用proportional(比例)、integral(積分)、derivative(微分)控制方式，稱之為pid控制。pid控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。pid控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)： （3-1）經(jīng)比例(p)、積分(i)和微分(d)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對被控對象進(jìn)行控制，故稱pid控制器。系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖3.2所示，圖中u(t)為pid調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 積分變頻器

36、管道壓力壓力變送器給定 -微分比例水泵圖3.2 pid控制原理框圖3.4 硬件選擇前面已經(jīng)闡述了恒壓供水系統(tǒng)框圖，根據(jù)系統(tǒng)框圖可得知本系統(tǒng)所需硬件如下：1 plc，含特殊功能模塊ad，da2 水池液位傳感器、管網(wǎng)壓力表3 控制所需低壓電器及電氣控制柜4 變頻器5 水泵機(jī)組6 監(jiān)視、控制上位機(jī)3.4.1 plc及模塊plc是系統(tǒng)控制核心器件。它采集系統(tǒng)所有輸入信號，包含啟停控制信號及系統(tǒng)自動反饋的控制信號，如報警，壓力等，并實(shí)現(xiàn)對所有動作器件如中間繼電器、電磁閻線圈，變頻器的控制，同時完成和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。表3-1 plc的選型序號名稱訂貨號數(shù)量1480mm導(dǎo)軌(模塊安裝用)6es7 390-

37、1ae80-0aa012電源模塊(5a)6es7 307-1ea01-0aa013cpu315-2dp,256內(nèi)存6es7 315-2ah14-0ab014simatic micro內(nèi)存卡128kbyte(mmc)6es7 953-8lg10-0aa015開入模塊(16點(diǎn)，24vdc)6es7 321-1bh02-0ab016開出模塊(16點(diǎn)，24vdc)6es7 322-1bh01-0ab017模擬量輸入模塊(8路,13位精度)6es7 331-1kf02-0ab018模擬量輸出模塊(8路)6es7 332-5hf00-0ab019cp5611通訊卡(上位機(jī)isa插槽)6gk1 562-1a

38、a0110研華工控機(jī)ipc5601合理選擇適當(dāng)?shù)膒lc是使整個系統(tǒng)性能可靠，控制方便的關(guān)鍵。選擇plc時，首先要選擇的是plc的型號。不同生產(chǎn)廠商的plc具有不同的技術(shù)參數(shù)，指令系統(tǒng)也不同。3.4.2 變頻器變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。由于設(shè)計中plc選擇的西門子s7-300型號，為了方便plc和變頻器之間的通信，選擇西門子的micromaster440變頻器。它是三相交流電動機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率

39、輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，內(nèi)置的rs-485/232c接口和pi閉環(huán)控制器?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性。micromaster440變頻器的輸出功率為0.75-90kw，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75kw的水泵電機(jī)的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過rs-485通信協(xié)議和接口直接與西門子plc相連，更便于設(shè)備之間的通信。3.4.3 水泵機(jī)組水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度

40、相匹配。本設(shè)計的要求為：電動機(jī)額定功率75kw，供水壓力控制在0.30.01mpa。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用3臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的sfl系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率75kw）。sfl型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、

41、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設(shè)計中選擇電機(jī)功率為75kw的上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的sfl系列水泵3臺。3.4.4 液位變送器考慮到水泵電機(jī)空載時會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設(shè)計要求貯水池水位：2m-5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號（4-20ma電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入plc。綜合以上因素：本設(shè)計選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為ds26分體式液位變送器，其量程為：0m-200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24vdc；輸出信號：

42、兩線制4-20madc精度等級：0.25級。3.4.5 壓力變送器壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?-5v或4-20ma的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(a/d模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的損耗，我們采用4-20ma輸出壓力變送器。運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為plc的一個數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報警輸出。

43、根據(jù)以上的分析，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?-5v或4-20ma的模擬量信號，因此本設(shè)計中選用普通壓力表y-100和xmt-1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0-1mpa，精度1.0；數(shù)顯儀輸出一路4-20ma電流信號，送給與cpu226連接模擬量模塊em235，作為pid調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。3.5 電氣設(shè)備選型3.5.1 用電設(shè)備負(fù)荷計算 計算負(fù)荷是通過負(fù)荷的統(tǒng)計求出的、用來按發(fā)熱條件選擇供電系統(tǒng)中各元件的負(fù)荷值。根據(jù)計算負(fù)荷選擇電氣設(shè)備和導(dǎo)線電纜，如果以計算負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，其發(fā)熱溫度不超過允許值

44、。計算負(fù)荷實(shí)際上與從負(fù)荷曲線上查得的半小時最大負(fù)荷p30是基本相當(dāng)，有功計算負(fù)荷、無功計算負(fù)荷、視在計算符合和計算電流相應(yīng)地表示為p30、q30、s30和i30。我國目前普遍采用的確定用電設(shè)備計算負(fù)荷的方法，有需要系數(shù)法和二項式法。本系統(tǒng)采用系數(shù)法計算，其有功計算負(fù)荷基本公式為p30=kd pe，視在計算負(fù)荷為s30=p30 / cos,計算負(fù)荷為i30=s30 / ( 0.38),其中kd 稱為需要系數(shù)，tan為正切值，cos為平均功率因數(shù)，pe為設(shè)備容量。系數(shù)kd =0.8，cos=0.8，tan=0.75。1. 水泵（1臺運(yùn)行）有功計算負(fù)荷：p30=kd pe= 0.87.5=6kw 視

45、在計算負(fù)荷：s30=p30 / cos=6/0.8=7.5kva計算電流：i30=s30 / ( 0.38)=7.5/( 0.38)=11.4a2. 變頻泵運(yùn)行有功計算負(fù)荷：p30=kd pe= 0.87.5=6kw 視在計算負(fù)荷：s30=p30 / cos=6/0.8=7.5kva 計算電流：i30=s30 / ( 0.38)=7.5/( 0.38)=11.4a3. 動力系統(tǒng) 有功計算負(fù)荷：p30=kd pe= 0.8（7.53+7.5）=24kw 視在計算負(fù)荷：s30=p30 / cos=24/0.8=30kva 計算電流：i30=s30 / ( 0.38)=30/( 0.38)=45.6

46、a3.5.2 用電設(shè)備尖峰電流的計算尖峰電流是指持續(xù)時間1-2s的短時最大電流。尖峰電流主要用來選擇熔斷器和低壓斷路器、整定繼電保護(hù)裝置及減壓電動機(jī)自啟動條件等。多臺用電設(shè)備尖峰電流的計算 （3-2）或 （3-3）其中為起動電流，為用電設(shè)備的起動電流倍數(shù)。單臺用電設(shè)備尖峰電流的計算 （3-4）動力柜的尖峰電流 ipk=45.6+（50.5-7.5）=88.6a變頻泵的尖峰電流 ipk=1.5 11.4=17.1a水泵的尖峰電流 ipk=1.5 11.4=17.1a3.5.3 熔斷器選擇與校驗(yàn)熔斷器在供配電系統(tǒng)中的配置，應(yīng)符合選擇性保護(hù)的原則，也就是熔斷器要配置得能使故障范圍縮小到最低限度。供電

47、系統(tǒng)中配置的熔斷器數(shù)量要盡量少。低壓配電系統(tǒng)中熔斷器起安全保護(hù)作用，當(dāng)電流超過規(guī)定值一定時間后以它本身產(chǎn)生的熱量使用熔體融化而分?jǐn)嚯娏鳌１鞠到y(tǒng)采用rm10型低壓密閉管式熔斷器，rm10型熔斷器由纖維管、變截面鋅溶片和觸頭底座等部分組成，這種熔斷器的滅弧能力很強(qiáng)，屬限流熔斷器。1動力柜熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：熔體額定電流in.fe應(yīng)不小于線路計算電流i30，即in.fe i30 =45.6 a，又熔體額定電流in.fe還應(yīng)躲過線路的尖峰電流ipk,即in.fe ipk=88.6 a,選型rm10-100型低壓熔斷器，其熔體電流in.fe為100 a, 最大電流為150a，熔管額定電壓交

48、流500v，直流440v，最大分?jǐn)嚯娏?0ka，滿足設(shè)計需求。2變頻柜熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：in.fe i30 =11.4a，in.fe kipk=17.1a,選型rm10-60型低壓熔斷器，其熔體電流為15a, 最大電流為60a滿足設(shè)計需求。3水泵熔斷器選擇熔體及熔斷器的額定電流：in.fe i30 =11.4a，in.fe kipk= 17.1 a,選型rm10-60型低壓熔斷器，其熔體電流為15, 最大電流為60a滿足設(shè)計需求。 4室內(nèi)照明和控制柜熔斷器選擇rm10-15，其熔體電流為10a。最大電流為15a，滿足設(shè)計要求。 3.5.4 低壓斷路器選擇與校驗(yàn)低壓斷路器，又稱低

49、壓自動開關(guān)，它既能帶負(fù)荷通斷電路，又能在短路、過負(fù)荷和低電壓下自動跳閘，當(dāng)線路上出現(xiàn)短路故障時，其過電流脫扣器動作，使開關(guān)跳閘，如果出現(xiàn)過負(fù)荷時，其串聯(lián)在一次線路的加熱電阻絲加熱，是雙金屬片彎曲，也使開關(guān)跳閘。當(dāng)線路電壓嚴(yán)重下降或失壓時，其失壓脫扣器動作，同樣使開關(guān)跳閘。低壓斷路器有配電斷路器、電動機(jī)保護(hù)用斷路器、照明用斷路器和漏電斷路器等。1動力柜斷路器選擇低壓斷路器及其過電流脫扣器規(guī)格：選擇dz47-63型低壓斷路器的過電流脫扣器額定電流in.or=63i30=45.6a,故初步選dz47-63型低壓斷路器，其in.or= 63a。設(shè)瞬時脫扣電流整定為3倍，即iop=633=189a。而k

50、relipk=1. 588.6=132.9a（其中krel為可靠系數(shù)，dz系列斷路器可取1.5），滿足iopkrelipk的要求，即滿足脫扣電流躲過尖峰電流的要求。2變頻柜斷路器選擇小型斷路器，其額定電流（ln）為in=40a i30=22.8a，額定絕緣電壓（ui）為600v，額定沖擊耐受電壓(uimp)為 4kv，額定短路分?jǐn)嗄芰Γ╥cn）均能滿足要求。3水泵斷路器選擇小型斷路器，其額定電流（ln）為in=16a i30=8.4a，額定絕緣電壓（ui）為600v，額定沖擊耐受電壓(uimp)為 4kv，額定短路分?jǐn)嗄芰Γ╥cn）均能滿足要求。4室內(nèi)照明和控制柜斷路器選擇額定電流（ln）in

51、=16a額定絕緣電壓（ui）為600v，額定沖擊耐受電壓(uimp)為 4kv，額定短路分?jǐn)嗄芰Γ╥cn）均能滿足要求。3.6.5 低壓隔離開關(guān)選擇低壓隔離開關(guān)主要功能是保證電氣設(shè)備及裝置在檢修工作時的安全，不能用于切斷、投入負(fù)荷電流或開斷短路電流，僅可允許用于不產(chǎn)生強(qiáng)大電弧的某些切換操作。本系統(tǒng)只有動力柜和粗格柵機(jī)、輸送機(jī)、水泵控制柜需要安裝低壓隔離開關(guān)，需滿足un usn，即電氣設(shè)備的額定電壓un不低于裝置地點(diǎn)電網(wǎng)額定電壓usn的條件選擇，滿足in應(yīng)不小于該回路在各種合理運(yùn)行方式下的最大持續(xù)工作電流imax，即in imax，滿足動穩(wěn)定及熱穩(wěn)定校驗(yàn)即可。電氣設(shè)備控制選型統(tǒng)計表如表3-2所示

52、：表3-2 電氣設(shè)備控制選型序號設(shè)備名稱型號額定電流熔體電流/脫扣電流備注1動力柜熔斷器rm10-100100a150a2水泵熔斷器rm10-6015a25a3變頻柜熔斷器rm10-6015a25a4動力柜斷路器dz47-6363a50a5水泵熔斷器dz47-6325a20a6變頻柜熔斷器dz47-6325a20a第4章 控制程序設(shè)計4.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖4.1所示：三臺電機(jī)分別為m1、m2、m3，它們分別帶動水泵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)

53、行；fr1、fr2、fr3分別為三臺水泵電機(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水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；fu為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。圖4.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的r、s、t端，變頻器的輸出端u、v、w通過接

54、觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器fr實(shí)現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動機(jī)接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以km1和km2、km3和km4、km5和km6絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過電流

55、互感器和變送器將4-20ma電流信號送至上位機(jī)來顯示。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運(yùn)行時，必須觀察電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開)，而必須通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動器。4.2 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是plc，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司s7-300系列plc，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。plc主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運(yùn)行；能在三臺水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；