基于西門子S7-200型PLC的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文PAGEPAGE40成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文基于PLC的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者姓名:專業(yè)名稱:電子測量技術(shù)與儀器指導(dǎo)老師:基于PLC的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要現(xiàn)在，城市火災(zāi)、森林火災(zāi)出現(xiàn)的頻率較高，怎樣才能減少損失，消防部門責(zé)任較大，因此研究高效能的消防給水泵控制系統(tǒng)可以減少財(cái)產(chǎn)損失，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本論文敘述了用西門子S7-200型PLC實(shí)現(xiàn)對消防水泵知道控制的方法。用PLC實(shí)現(xiàn)對消防水泵的控制，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配線，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且增加了傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的定期主備互投和自動測試功能。本文介紹了以可編程邏輯控制器為核心的控制系統(tǒng)，并對其工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)闡述，從而對傳統(tǒng)的消防給水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以有效的解決以前系統(tǒng)故障率高、可靠性差、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等一系列問題。同時(shí)，系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，便于對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)修理，提高效率，實(shí)現(xiàn)自動化消防給水。日用消防水泵房控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，核心部分采用西門子S7-200型PLC，PLC對泵運(yùn)行的各工藝參數(shù)進(jìn)行采集、處理，實(shí)現(xiàn)泵與泵、閘閥等設(shè)備之間閉鎖，并可通過設(shè)于PLC對泵運(yùn)行的各工藝參數(shù)進(jìn)行采集、處理，實(shí)現(xiàn)泵與泵、閘閥等設(shè)備之間閉鎖，并可通過設(shè)于印，顯示故障顯示等集中管理。上位機(jī)配有與上級管理系統(tǒng)通訊的接口，可與礦局域網(wǎng)相連使上級管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對日用消防水泵房的監(jiān)控。當(dāng)調(diào)試、現(xiàn)場檢修或集控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可由就地按鈕箱上按鈕操作。關(guān)鍵詞：PLC消防給水泵自動控制AbstractNow,thecityfire,forestfireswillappearthefrequencyishigher,howtoreducelosses,firedepartmentsresponsibility,sothestudyofefficientlargefirepumpcontrolsystemcanreducepropertylosses,andhascertainpracticalvalues.controlsystem’sworkprinciple,thehardwaredesignandsoftwaredesign.Thustransformedthetraditionalcitywater-supplysystem.Effectivesettlementthesystempublishesfaultratehigh,energyserieswastesuchastheseproblems.Meanwhile,thesystemhasautomaticandmanualtwokindsofcontrolway.Canbeconvenientmaintainandrepairingtothesystem.Raisetheefficiency,realizeautomationsupplieswater.Inthispaper,TheauthordescriptshowtouseSiemensS7-200PLCtocontorlfirefightingpump.UsingPLCcansimplifiythesystemstructure,makethesystemmorereliable,andproformfixedperiodmain/backuppumpswitchingandautomatictestingthatcanneverberealizedbefore.Dailyfirewaterpumpinghousecontrolsystemadoptscomputercontroltechnology,thecorepartadoptspanasonicSiemensS7-200typeofPLC,PLCofpumpoperationofvariousparametersonacquisition,processing,realizepumpandpump,gatevalveclosure,andequipmentthroughbetweensetinthepumprunningPLCinvariousprocessparametersforacquisition,processing,realizepumpandpump,gatevalveclosure,andequipmentthroughbetweenlocatedinprint,showsfaultdisplaycentralizedmanagement.PCwithsuperiormanagementsystemandcommunicationwiththeinterface,andorelansmakesuperiormanagementsystemtorealizethefirewaterpumpindailymonitoring.Whencommissioning,fieldrepairorsetcontrolsystemmalfunction,butbyinsitubuttonboxonbuttonoperation.Keywords:PLCFirepumpAutomaticallyControl目錄TOC\o"1-3"\h\u17767摘要 I10535Abstract II31393目錄 III280821緒論 112721.1本課題研究設(shè)計(jì)背景和目的 1145691.2設(shè)計(jì)任務(wù)及內(nèi)容 236391.2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 2244731.2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 2188172可編程序控制器（PLC）的概述 4153152.1PLC的定義 4138722.2PLC的特點(diǎn) 4283672.3PLC的一般組成和基本工作原理 5150382.3.1PLC的一般組成 5283472.3.2PLC的基本工作原理 6245352.4PLC的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟 6299483消防給水系統(tǒng)的特性及原理 8301603.1給水系統(tǒng)基本特性 8295503.2給水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 951073.3異步電動機(jī)調(diào)速的方法及其原理 9228373.3.1變極調(diào)速 10317903.3.2變轉(zhuǎn)差調(diào)速 10177823.3.3變頻調(diào)速 11296283.4水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)能原理 12103654給水泵組及控制要求及控制系統(tǒng) 14291034.1變頻給水泵組 14115624.2泵組的控制要求 1433794.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15283164.3.1系統(tǒng)主回路 15233004.3.2系統(tǒng)的PLC的I/O接線圖 16256774.3.3系統(tǒng)的二次控制回路 1770764.3.4控制柜面板指示燈回路 17327654.3.5可編程序控制器PLC的輸出輸入信號 18266294.3.6變頻器的控制回路 1851575系統(tǒng)硬件選型 19145365.1PLC 1937835.2變頻器 19174785.3水壓傳感器 20132565.4模擬量轉(zhuǎn)換模塊 22209805.5電動機(jī) 2469856變頻器及電動機(jī)參數(shù) 24219957硬件連接 2670628系統(tǒng)PID設(shè)計(jì) 28321459系統(tǒng)程序 29173079.1地址分配表 29242539.2梯形圖 2929191總結(jié) 3017612致謝 3113954參考文獻(xiàn) 3213181附錄 33基于PLC的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1緒論1.1本課題研究設(shè)計(jì)背景和目的在我國目前的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下,消火栓系統(tǒng)仍是高層民用建筑最基本的滅火設(shè)備。發(fā)生火災(zāi)時(shí),消防水泵及時(shí)啟動加壓是保證消火栓系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要步驟。為此,有相關(guān)規(guī)定:臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)的每個消火栓處應(yīng)設(shè)置直接啟動消防水泵的按鈕,并應(yīng)設(shè)有保護(hù)按鈕的設(shè)施,以便迅速遠(yuǎn)距離啟動消防泵(設(shè)計(jì)中較常采用破玻按鈕)。在高層民用建筑自動消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中(電氣專業(yè)),消防水泵的啟動依據(jù)就是破玻按鈕的動作。倘若在消防系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)下列情況(1)有人出于好奇或惡作劇在無火災(zāi)時(shí)啟動按鈕；(2)發(fā)生火災(zāi)時(shí),慌亂中人可能先擊碎破玻按鈕,然后才動用水槍滅火,由于不熟練,在展開水帶、連接搭扣、開啟閥門等步驟中就會延誤一些時(shí)間,或者由于火情危急,現(xiàn)場中人僅擊碎破玻按鈕而來不及動用水槍滅火。這兩種情況都會導(dǎo)致整個消防管網(wǎng)在沒有投入運(yùn)行前(無槍出水滅火)消防水泵已經(jīng)啟動，這必然造成消防管網(wǎng)壓力劇增，產(chǎn)生嚴(yán)重超壓現(xiàn)象,極有可能引起管網(wǎng)爆裂。火災(zāi)時(shí)若發(fā)生管網(wǎng)爆裂,整個消火栓系統(tǒng)就會癱瘓,后果不堪設(shè)想。隨著技術(shù)的發(fā)展，很多設(shè)備需要改造，如啟動方式和元件的升級換代，很多設(shè)備的遠(yuǎn)程操作和使用方法需要調(diào)整，如就地控制改為遠(yuǎn)動控制或計(jì)算機(jī)控制等。對于這些技術(shù)的更新，傳統(tǒng)控制回路設(shè)計(jì)方式所存在的元件數(shù)量多、元件使用壽命較短、接線復(fù)雜、通用性差等缺點(diǎn)給設(shè)備的改造、維護(hù)帶來了較多的困難。另外，盡管規(guī)范、規(guī)章明確要求消防設(shè)施，器材應(yīng)定期維護(hù)保養(yǎng)，但是目前消防水泵都不能做到定期試機(jī)運(yùn)行，天長日久就會導(dǎo)致泵體、底閥和單向閥卡死、銹死，所以經(jīng)常會出現(xiàn)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)設(shè)備不能充分發(fā)揮作用，造成不應(yīng)有的損失。為此，《民用建筑水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定超高建筑、一類高層公共建筑的消防泵宜設(shè)定時(shí)自檢裝置?？删幊炭刂破鳎≒LC）是以微處理器為核心，綜合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)自動控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。目前，世界上許多工業(yè)國家把PLC的使用作為衡量電氣控制水平的標(biāo)志。因此，本系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）對消防泵組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)泵組在備用時(shí)定期試運(yùn)行，撲救火災(zāi)時(shí)自動啟動，從而有效地杜絕消防水泵關(guān)鍵時(shí)刻不能用的情況。目前，一旦遇到火災(zāi)都會出現(xiàn)大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，為什么會出現(xiàn)這樣的狀況呢。因?yàn)楝F(xiàn)在一旦火災(zāi)發(fā)生就很難控制，無法及時(shí)的撲救和報(bào)警。本課題研究的基于PLC的消防給水泵控制系統(tǒng)將在自動撲救火災(zāi)的環(huán)節(jié)起到重要的作用。本課題的研究將會給人們的生產(chǎn)生活安全帶來更加強(qiáng)力的保障。采用PLC控制的消防給水泵，有利于及時(shí)了解消防泵的實(shí)際性能，能解決消防泵的銹蝕卡死問題、保持消防泵良好的工作狀況，也有利于消防管理系統(tǒng)的智能化。它對提高消防給水系統(tǒng)的可靠性具有劃時(shí)代的意義。極大的提高了在發(fā)生火災(zāi)時(shí)人的生命財(cái)產(chǎn)安全。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)及內(nèi)容1.2.1設(shè)計(jì)任務(wù)用西門子S7-200型PLC實(shí)現(xiàn)對消防水泵知道控制的方法。用PLC實(shí)現(xiàn)對消防水泵的控制，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配線，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且增加了傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的定期主備互投和自動測試功能。1.2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容通過對現(xiàn)有給水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，確定以工作可靠、性能穩(wěn)定、價(jià)格合理等特點(diǎn)的西門子S7-200型PLC和西門子變頻器構(gòu)成的控制核心來設(shè)計(jì)消防給水系統(tǒng)，確定控制要求，設(shè)計(jì)控制軟件，并在工程項(xiàng)目實(shí)踐中考驗(yàn)與使用，保證整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。具體的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：分析給水系統(tǒng)特性和原理，分析和論證變頻調(diào)速方式在消防給水系統(tǒng)中的節(jié)能原理和效果。通過對比異步電動機(jī)的調(diào)速方法后,給水系統(tǒng)中采用的變頻調(diào)速節(jié)能效果顯著。最后列舉消防給水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。2、本文就最簡的給水泵組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的敘述，包括硬件電路設(shè)計(jì)，控制軟件的總體方案及程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及相關(guān)的控制程序?qū)嶋H。闡述設(shè)備的調(diào)試及變頻器參數(shù)設(shè)定。最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。2可編程序控制器（PLC）的概述2.1PLC的定義1987年2月，國際電工委員會（IEC）對可編程序控制器的定義是：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向消防的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入/輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。2.2PLC的特點(diǎn)（1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好PLC在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。（2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)PLC及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。（3）編程方便，易于使用PLC是面向消防的設(shè)備，PLC的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣，PLC程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員都可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會。（4）功能完善PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開關(guān)量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、及報(bào)表生成等功能。（5）設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短用繼電接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。而采用PLC控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在PLC到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。（6）體積小，維護(hù)操作方便PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。PLC的輸入/輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場總線信號的變化狀態(tài)，還能通過各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。（7）易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。（8）可實(shí)現(xiàn)三電一體化PLC將電控（邏輯控制）、電儀（過程控制）和電結(jié)（運(yùn)動控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。2.3PLC的一般組成和基本工作原理2.3.1PLC的一般組成目前PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。一般地PLC主要由中央處理單元（CPU）、存儲器（RAM和ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、電源及其他可選組件構(gòu)成。前三大部分是PLC完成各種控制任務(wù)所必需的，一般稱為PLC的基本組成部分，其它可選組件包括編程器、外存儲器、I/O模塊及通信接口等。2.3.2PLC的基本工作原理當(dāng)PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、消防程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。如下圖2.1所示

圖2.1PLC的工作過程2.4PLC的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟PLC控制系統(tǒng)是以程序形式來體現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時(shí)間將用在軟件設(shè)計(jì)，即程序設(shè)計(jì)上。PLC程序設(shè)計(jì)可遵循以下六步進(jìn)行：（1）確定被控系統(tǒng)必須完成的動作及完成這些動作的順序。（2）分配輸入輸出設(shè)備

即確定哪些外圍設(shè)備是送信號到PLC，哪些外圍設(shè)備是接受來自PLC信號的。并將PLC的輸入輸出口與之進(jìn)行分配。（3）設(shè)計(jì)PLC程序畫出梯形圖。梯形圖體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系。（4）實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對PLC的梯形圖的直接編程。（5）對程序進(jìn)行調(diào)試（模擬和現(xiàn)場）。（6）保存已完成的程序。顯然，在建立一個PLC控制系統(tǒng)時(shí)，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來，然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。確定控制上的相互關(guān)系之后，即可進(jìn)行編程的第二步分配輸入輸出設(shè)備。在分配了PLC的輸入輸出點(diǎn)，內(nèi)部輔助繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器之后，就可以設(shè)計(jì)PLC程序畫出梯形圖。在畫梯形圖時(shí)要注意每個從左邊開始的邏輯行必須終止于一個繼電器線圈或定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，與實(shí)際的電路圖不一樣。梯形圖畫好后便用編程軟件直接把梯形圖輸入計(jì)算機(jī)并下裝到PLC進(jìn)行模擬調(diào)試，修改直至符合控制要求，這便是程序設(shè)計(jì)的整個過程。3消防給水系統(tǒng)的特性及原理3.1給水系統(tǒng)基本特性給水系統(tǒng)的參數(shù)表明了給水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用給水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線。見圖3.1。水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以給水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程與流量Q之間的關(guān)系曲線f（Q）。由圖3.1可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于消防的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Qv之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(Qv)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，給水系統(tǒng)向消防的給水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與給水流量Qg之間的關(guān)系H=f(Qg)。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為給水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖3.1中A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，消防的用水流量Qv和給水系統(tǒng)的給水流量Qg處于平衡狀態(tài)，給水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖3.1給水系統(tǒng)的基本特性3.2給水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)對給水系統(tǒng)的控制就是為了滿足消防對流量的需求。所以，流量是給水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制。考慮到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)程與給水能力(由流量Qg表示)和用水需求(由用水流量Qg表示)之間的平衡情況有關(guān)。若：給水能力Qg用水需求Qv，則壓力P上升;若：給水能力Qg用水需求Qv，則壓力P下降;若：給水能力Qg用水需求Qv，則壓力P不變。由此可見，流體壓力P的變化反映了給水能力Qg與用水需求Qv之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調(diào)節(jié)管道流量大小。這說明，通過恒壓給水就能保證給水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了消防所需的用水流量。將來消防需求發(fā)生變化時(shí)，需要對給水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來實(shí)現(xiàn)的。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。1、閥門控制法轉(zhuǎn)速保持不變，通過調(diào)節(jié)閥門的開度大小來調(diào)節(jié)流量。實(shí)質(zhì)是水泵本身的給水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量大小，以適應(yīng)消防對流量的需求。這時(shí)的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。2、轉(zhuǎn)速控制法閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的給水能力來適應(yīng)消防對流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。3.3異步電動機(jī)調(diào)速的方法及其原理通過轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓給水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動機(jī)來拖動，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[9][10]。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為：（3.1）異步電機(jī)的同步速度為：（3.2）異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：（3.3）其中：s為轉(zhuǎn)速差；n1為異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，r/min；n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；f是異步電機(jī)的定子電源頻率；p為異步電機(jī)的極對數(shù)。可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)速。3.3.1變極調(diào)速在電源頻率一定的情況下，改變電動機(jī)的磁極對數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。磁極對數(shù)的改變通過改變電機(jī)定子繞組的接線方式來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機(jī)，而且是有極調(diào)速，級差大，不適用于給水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。3.3.2變轉(zhuǎn)差調(diào)速通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為：（3.4）該損耗和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。但在給水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓給水時(shí)，為適應(yīng)流量的變化，電機(jī)一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)運(yùn)行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時(shí)過載能力低，還需一臺與電動機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓給水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。3.3.3變頻調(diào)速從公式(3.3)可知，當(dāng)極對數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為VVVF(VariablevoltageVariableFrequency)。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通基本不變，其關(guān)系為：U1/f1=常數(shù)式中：U1為變頻器輸出電壓；f1為變頻器輸出頻率。變頻調(diào)速方式時(shí)，電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式：（3.5）式中：m1為電機(jī)相數(shù)；r1為定子電阻；X1為定子漏電抗；x2’頻率f從額定值fn往下調(diào)時(shí)，電機(jī)機(jī)械特性的變化情況，如圖3.2所示。圖中Fn>f1>f2>f3>f3>f4。圖3.2變頻調(diào)速機(jī)械特性3.4水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)能原理在給水系統(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，管阻將隨著閥門開度的改變而改變，但其揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門的開度在一段時(shí)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，但管阻的特性不變。變頻調(diào)速給水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)消防用水量的變化自動地調(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(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。圖3.3管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特征曲線用閥門控制時(shí)，若給水量高峰期水泵工作在E點(diǎn)，流量為Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)給水量從Q1減小到Q2時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從β3移到β1，揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從H0上升到H!，運(yùn)行的工況點(diǎn)從E點(diǎn)移到F點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為(,Q1,F,H1)圍成矩形部分，其值為:（3.6）用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓(H0)、變速泵(n2)給水，管阻特性曲線為β2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為(,Q2,D,H0)圍成的矩形面積，其值為：（3.7）可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為(H0,D,F,H1)圍成的矩形面積，其值為：（3.8）所以，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有功率被浪費(fèi)掉。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律，變速前后流量Q、揚(yáng)程H、功率P與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系為：；；（3.9）式中，Q1、H1、P1為變速前的流量、揚(yáng)程、功率，Q2、H2、P2為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。由公式(3.9)可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式給水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。4給水泵組及控制要求及控制系統(tǒng)4.1變頻給水泵組變頻給水泵組通常由2~4臺相同功率及類型相同的水泵并聯(lián)運(yùn)行，為維修、安裝及減振需要，每臺泵的進(jìn)出水管上必須裝有閥門、止回閥、橡膠接頭等配件。由4臺水泵構(gòu)成的變頻泵組實(shí)例如下圖：圖4.1變頻給水泵組1、自來水進(jìn)水閥2、液壓水位控制閥3、浮球閥4、儲水箱5、閥門6、橡膠接頭7、水泵8、橡膠接頭9、止回閥10、閥門11、出水總管4.2泵組的控制要求對變頻給水泵組的控制要求是PLC程序設(shè)計(jì)的依據(jù)，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及程序之前必須確定具體的控制要求。為節(jié)省控制成本，可采用一臺變頻器對4臺水泵進(jìn)行變頻控制。常規(guī)的變頻器均集成有PID閉環(huán)控制功能，如使用變頻器的PID功能，則PLC就僅負(fù)責(zé)控制水泵的切換。控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過壓力傳感器對消防管網(wǎng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并與設(shè)定壓力值比較，根據(jù)壓力偏差來控制變頻泵的速度及定量泵的啟、停，實(shí)現(xiàn)恒壓、變量的供水，以達(dá)到節(jié)能、恒壓的目的。其控制要求是：當(dāng)消防管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，控制器通過壓力傳感器檢測，輸出控制信號啟動其中一臺水泵作變頻運(yùn)行，通過控制變頻泵使消防管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力值相等。如消防用水量較大，變頻器輸出頻率達(dá)到50Hz,變頻泵達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，而消防管網(wǎng)壓力仍然低于設(shè)定壓力，控制器將變頻泵切換成工頻運(yùn)行，待變頻器輸出頻率下降至最低值時(shí)再變頻軟啟動另一臺水泵，由一臺工頻泵和一臺變量泵同時(shí)供水。經(jīng)過變量泵的切換調(diào)節(jié)，如管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定值，控制器則以同樣的方式將運(yùn)行頻率為50Hz的變頻泵切換成工頻運(yùn)行，而后繼續(xù)軟啟動另外一臺水泵作變頻運(yùn)行，直至滿足消防用水要求為止。當(dāng)消防用水量較少，變量泵轉(zhuǎn)速降到一定程度時(shí)，控制器自動停止最先運(yùn)行的定量泵，并根據(jù)管網(wǎng)壓力調(diào)整變量泵轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定。這樣，每臺水泵的啟動均經(jīng)變頻器控制，全部機(jī)組實(shí)現(xiàn)循環(huán)軟啟動，即每臺泵的啟動頻率都從設(shè)定的最低頻率開始逐漸上升。停機(jī)時(shí)遵循“先開的泵先停，先停的泵先開”的原則。各泵循環(huán)輪換工作，使水泵均衡運(yùn)行。設(shè)備還可以通過時(shí)控器控制水泵的強(qiáng)行切換。4.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.3.1系統(tǒng)主回路圖4.2變頻控制系統(tǒng)主回路圖中：QL：空氣開關(guān)；1KM、3KM、5KM、7KM:工頻交流接觸器；2KM、4KM、6KM、8KM：變頻交流接觸器。4.3.2系統(tǒng)的PLC的I/O接線圖圖4.3PLC接線圖4.3.3系統(tǒng)的二次控制回路圖4.4二次控制回路4.3.4控制柜面板指示燈回路圖4.5控制柜面板指示燈回路4.3.5可編程序控制器PLC的輸出輸入信號控制系統(tǒng)的PLC采用西門子S7-224產(chǎn)品。PLC的輸入信號是：I0.0:缺水保護(hù)信號；I0.1變頻頻率下限；I0.2變頻頻率上限；I0.5時(shí)控信號。PLC的輸出信號是：Q0.0:1＃泵變頻運(yùn)行；Q0.1：1＃泵工頻運(yùn)行；Q0.2：2＃泵變頻運(yùn)行；Q0.3：2＃泵工頻運(yùn)行；Q0.4：3＃泵變頻運(yùn)行；Q0.5：3＃泵工頻運(yùn)行；Q0.6：4＃泵變頻運(yùn)行；Q0.7：4＃泵工頻運(yùn)行。4.3.6變頻器的控制回路變頻器采用西門子440（也可用430，但其過載能力較差，對輸入電壓的偏差要求較高）壓力傳感器接到變頻器的1#模擬輸入口。本設(shè)計(jì)使用的壓力傳感器為遠(yuǎn)傳壓力表，遠(yuǎn)傳壓力表要求的輸入單元不大于5V，因此必須串連一個500Ω左右的電阻后連接到變頻器的+10V端子1。變頻器的18腳為頻率下限信號，與PLC的I0.1相連，用于控制水泵的停機(jī)；變頻器的22腳為頻率上限信號，與PLC的I0.2相連，用于控制變頻泵切換為工頻運(yùn)行，然后軟啟動另一臺水泵。5系統(tǒng)硬件選型5.1PLC根據(jù)系統(tǒng)硬件的I/O點(diǎn)數(shù)、內(nèi)部寄存器數(shù)量及種類、智能模塊、性價(jià)比等因素，本系統(tǒng)選用西門子S7-200CPU—224型PLC西門子S7-200CPU單元CPU-224參數(shù)主要性能主要性能本機(jī)集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點(diǎn)?？蛇B接7個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間其他性能6個獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。特點(diǎn)1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。是具有較強(qiáng)控制能力的控制器產(chǎn)品尺寸120.5×80×62mm5.2變頻器變頻器：對于變頻器的選型，變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn)：1)采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。2)變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。3)變頻器與負(fù)載的匹配問題；I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。II.電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。4)對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時(shí)會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。綜上所述，本系統(tǒng)選用風(fēng)機(jī)水泵型MM430系列西門子變頻器，型號：6SE6430-2UD27-5CA0具體參數(shù)：380V-480V±10%，三相，交流，7.5kW-250kW；風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專用；牢固的EMC（電磁兼容性）設(shè)計(jì)；控制信號的快速響應(yīng)；傳動平穩(wěn)，輕松無憂控制功能：線性v/f控制，并帶有增強(qiáng)電機(jī)動態(tài)響應(yīng)和控制特性的磁通電流控制（FCC），多點(diǎn)v/f控制；

內(nèi)置PID控制器；

快速電流限制，防止運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘；數(shù)字量輸入6個，模擬量輸入2個，模擬量輸出2個，繼電器輸出3個；

具有15個固定頻率，4個跳轉(zhuǎn)頻率，可編程；采用BiCo技術(shù)，實(shí)現(xiàn)I/O端口自由連接；

集成RS485通訊接口，可選PROFIBUS-DP通訊模塊；靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，可選平滑功能；

三組參數(shù)切換功能：電機(jī)數(shù)據(jù)切換，命令數(shù)據(jù)切換；

風(fēng)機(jī)和泵類專用功能：多泵切換，旁路功能

手動/自動切換；斷帶及缺水檢測

保護(hù)功能：過載能力為140％額定負(fù)載電流，持續(xù)時(shí)間3秒和110％額定負(fù)載電流，持續(xù)時(shí)間60秒；

過電壓、欠電壓保護(hù)；變頻器過溫保護(hù)；接地故障保護(hù)，短路保護(hù)；12t電動機(jī)過熱保護(hù)；

PTC/KTY電機(jī)保護(hù)。5.3水壓傳感器選用PT500-503水壓傳感器PT500-503水壓傳感器的詳細(xì)介紹PT500-503壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。廣泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制。量程:0～1～150(MPa)

綜合精度:0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS

輸出信號:4～20mA(二線制)、0～5V、1～5V、0～10V(三線制)

供電電壓:24DCV(9～36DCV)

介質(zhì)溫度:-20～85～150℃

環(huán)境溫度:常溫(-20～85℃)

負(fù)載電阻:電流輸出型：最大800Ω；電壓輸出型：大于50KΩ

絕緣電阻:大于2000MΩ(100VDC

密封等級:IP65

長期穩(wěn)定性能:0.1%FS/年

振動影響:在機(jī)械振動頻率20Hz～1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS

電氣接口(信號接口):四芯屏蔽線、四芯航空接插件、緊線螺母5.4模擬量轉(zhuǎn)換模塊模擬量輸入特性輸入點(diǎn)數(shù)4隔離(現(xiàn)場與邏輯電路間)光耦隔離：500VAC，1分鐘輸入類型差分輸入量程范圍電壓輸入(單極性)0-10V,0-5V,?0-1V,0-500mV,0-100mV,0-50mV電壓輸入(雙極性)±10V,±5V,±2.5V,±1V,±500mV,?±250mV,?±100mV,±50mV,±25mV電流輸入0～20mA數(shù)據(jù)字格式15～30V單極性，全量程0～32000雙極性，全量程-32000~32000輸入分辨率電壓輸入(單極性)2.5mV(0～10V量程)

1.25mV(0～5V量程)電壓輸入(雙極性)2.5mV(±5V量程)

1.25mV(±2.5V量程)電流輸入5μA(0～20mA量程)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于300μs模擬量輸入響應(yīng)時(shí)間1.5ms共模抑制40dB，DCto60Hz共模電壓信號電壓+共模電壓(必須小于等于12V)輸入阻抗不小于10MΩ最大輸入電壓30V最大輸入電流30mAAD轉(zhuǎn)換器分辨率12位模擬量輸出特性輸出點(diǎn)數(shù)1輸出范圍電壓輸出

電流輸出±10V

0～20mA輸出分辨率電壓輸出

電流輸出12BIT

11BIT數(shù)據(jù)字格式電壓輸出

電流輸出-32000～+32000

0～32000精度電壓輸出

電流輸出典型值:滿量程的±0.5%，最壞情況：滿量程的±2%穩(wěn)定時(shí)間電壓輸出

電流輸出100μs

2ms最大驅(qū)動@24V用戶電源電壓輸出

電流輸出最小5000Ω

最大500Ω選用EM235型具體參數(shù)如下：5.5電動機(jī)采用TS-200-150315型電動機(jī)揚(yáng)程：h=32m功率：37kw6變頻器及電動機(jī)參數(shù)設(shè)定值為首先回復(fù)變頻器工廠默認(rèn)值：設(shè)定P0010=30和P0970=1，按下P鍵，開始恢復(fù)，恢復(fù)過程大約3分鐘。電動機(jī)參數(shù)：參數(shù)號出廠值設(shè)定值說明P000311設(shè)用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級P001001快速調(diào)試P010000工作地區(qū)：功率以KW表示，頻率為50HZP0304230380電動機(jī)額定電壓（V)P03053.25100電動機(jī)額定電流（A)P03070.7537電動機(jī)額定功率（KW)P030800.8電動機(jī)額定功率因數(shù)P03105050電動機(jī)額定頻率P031102800電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速變頻器參數(shù)：參數(shù)號出廠值設(shè)定值說明P000311設(shè)定訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級P000407命令和數(shù)字I/OPO70022命令源選擇“由端子排輸入P003012設(shè)定用戶訪問級為擴(kuò)展級P000407命令和數(shù)字I/OP070111ON接通正轉(zhuǎn)P000311設(shè)定訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級P0004010設(shè)定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器P100022頻率設(shè)定值選擇為”模擬輸入“P1080012電動機(jī)運(yùn)行的最低頻率P10825050電動機(jī)運(yùn)行的最高頻率其最低運(yùn)行頻率設(shè)定依據(jù)：電機(jī)在最低頻率運(yùn)行時(shí)，最末端設(shè)備的管道仍有一定的水壓。7硬件連接8系統(tǒng)PID設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)將通過變送器傳送的實(shí)時(shí)反饋得到的反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，器差值送入PLC內(nèi)部，經(jīng)過PID模塊計(jì)算輸出變頻器參數(shù)驅(qū)動水泵轉(zhuǎn)動，進(jìn)行閉