基于PLC的消防給水泵控制系統(tǒng)設計

基于PLC的消防給水泵控制系統(tǒng)設計作者姓名:古曉龍專業(yè)名稱:電子測量技術與儀器指導老師:閆智武講師摘要現(xiàn)在，城市火災、森林火災出現(xiàn)的頻率較高，怎樣才能減少損失，消防部門責任較大，因此研究高效能的消防給水泵控制系統(tǒng)可以減少財產(chǎn)損失，具有一定的實際應用價值。本論文表達了用西門子S7-200型PLC實現(xiàn)對消防水泵知道控制的方法。用PLC實現(xiàn)對消防水泵的控制，簡化系統(tǒng)的結(jié)構和配線，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、硬件設計、軟件設計進行重點闡述，從而對傳統(tǒng)的消防給水泵系統(tǒng)進行改造，可以有效的解決以前系統(tǒng)故障率高、可靠性差、能源浪費嚴重等一系列問題。同時，系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，便于對系統(tǒng)進行維護修理，提高效率，實現(xiàn)自動化消防給水。日用消防水泵房控制系統(tǒng)采用計算機控制技術，核心局部采用西門子S7-200型PLC，PLC對泵運行的各工藝參數(shù)進行采集、處理，實現(xiàn)泵與泵、閘閥等設備之間閉鎖，并可通過設于PLC對泵運行的各工藝參數(shù)進行采集、處理，實現(xiàn)泵與泵、閘閥等設備之間閉鎖，并可通過設于印，顯示故障顯示等集中管理。上位機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)實現(xiàn)對日用消防水泵房的監(jiān)控。當調(diào)試、現(xiàn)場檢修或集控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可由就地按鈕箱上按鈕操作。關鍵詞：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I10535AbstractII31393目錄III280821緒論112721.1本課題研究設計背景和目的1145691.2設計任務及內(nèi)容236391.2.1設計任務2244731.2.2設計內(nèi)容2188172可編程序控制器〔PLC〕的概述4153152.1PLC的定義4138722.2PLC的特點4283672.3PLC的一般組成和根本工作原理515038PLC的一般組成528347PLC的根本工作原理6245352.4PLC的應用設計步驟6299483消防給水系統(tǒng)的特性及原理8301603.1給水系統(tǒng)根本特性8295503.2給水系統(tǒng)實現(xiàn)方式951073.3異步電動機調(diào)速的方法及其原理922837變極調(diào)速1031790變轉(zhuǎn)差調(diào)速1017782變頻調(diào)速11296283.4水泵調(diào)速運行節(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)設計1528316系統(tǒng)主回路1523300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1732765可編程序控制器PLC的輸出輸入信號1826629變頻器的控制回路1851575系統(tǒng)硬件選型19145365.1PLC1937835.2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2469856變頻器及電動機參數(shù)24219957硬件連接2670628系統(tǒng)PID設計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3213181附錄331緒論1.1本課題研究設計背景和目的在我國目前的經(jīng)濟、技術條件下,消火栓系統(tǒng)仍是高層民用建筑最根本的滅火設備。發(fā)生火災時,消防水泵及時啟動加壓是保證消火栓系統(tǒng)正常運行的重要步驟。為此,有相關規(guī)定:臨時高壓給水系統(tǒng)的每個消火栓處應設置直接啟動消防水泵的按鈕,并應設有保護按鈕的設施,以便迅速遠距離啟動消防泵(設計中較常采用破玻按鈕)。在高層民用建筑自動消防系統(tǒng)設計中(電氣專業(yè)),消防水泵的啟動依據(jù)就是破玻按鈕的動作。倘假設在消防系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)以下情況(1)有人出于好奇或惡作劇在無火災時啟動按鈕；(2)發(fā)生火災時,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。這兩種情況都會導致整個消防管網(wǎng)在沒有投入運行前(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)生嚴重超壓現(xiàn)象,極有可能引起管網(wǎng)爆裂?；馂臅r假設發(fā)生管網(wǎng)爆裂,整個消火栓系統(tǒng)就會癱瘓,后果不堪設想。隨著技術的開展，很多設備需要改造，如啟動方式和元件的升級換代，很多設備的遠程操作和使用方法需要調(diào)整，如就地控制改為遠動控制或計算機控制等。對于這些技術的更新，傳統(tǒng)控制回路設計方式所存在的元件數(shù)量多、元件使用壽命較短、接線復雜、通用性差等缺點給設備的改造、維護帶來了較多的困難。另外，盡管標準、規(guī)章明確要求消防設施，器材應定期維護保養(yǎng)，但是目前消防水泵都不能做到定期試機運行，天長日久就會導致泵體、底閥和單向閥卡死、銹死，所以經(jīng)常會出現(xiàn)在發(fā)生火災時設備不能充分發(fā)揮作用，造成不應有的損失。為此，《民用建筑水滅火系統(tǒng)設計規(guī)程》規(guī)定超高建筑、一類高層公共建筑的消防泵宜設定時自檢裝置。可編程控制器〔PLC〕是以微處理器為核心，綜合了微電子技術、計算機技術、自動化技術和通信技術而開展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結(jié)構簡單、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，近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應用。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志。因此，本系統(tǒng)采用可編程控制器〔PLC〕對消防泵組進行控制，實現(xiàn)泵組在備用時定期試運行，撲救火災時自動啟動，從而有效地杜絕消防水泵關鍵時刻不能用的情況。目前，一旦遇到火災都會出現(xiàn)大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失，為什么會出現(xiàn)這樣的狀況呢。因為現(xiàn)在一旦火災發(fā)生就很難控制，無法及時的撲救和報警。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)生活平安帶來更加強力的保障。采用PLC控制的消防給水泵，有利于及時了解消防泵的實際性能，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)的可靠性具有劃時代的意義。極大的提高了在發(fā)生火災時人的生命財產(chǎn)平安。1.2設計任務及內(nèi)容設計任務用西門子S7-200型PLC實現(xiàn)對消防水泵知道控制的方法。用PLC實現(xiàn)對消防水泵的控制，簡化系統(tǒng)的結(jié)構和配線，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)無法實現(xiàn)的定期主備互投和自動測試功能。設計內(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、價格合理等特點的西門子S7-200型PLC和西門子變頻器構成的控制核心來設計消防給水系統(tǒng)，確定控制要求，設計控制軟件，并在工程工程實踐中考驗與使用，保證整個系統(tǒng)運行可靠，平安節(jié)能，獲得最正確的技術經(jīng)濟性能。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。通過比照異步電動機的調(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。2、本文就最簡的給水泵組控制系統(tǒng)的設計做了詳細的表達，包括硬件電路設計，控制軟件的總體方案及程序結(jié)構設計，以及相關的控制程序?qū)嶋H。闡述設備的調(diào)試及變頻器參數(shù)設定。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)字運算操作的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應用而設計的。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)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術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，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P外部設備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體、易于擴充功能的原那么設計。2.2PLC的特點〔1〕抗干擾能力強，可靠性好PLC在電子線路、機械結(jié)構以及軟件結(jié)構上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗，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)設計有完善的通道保護與信號調(diào)理電路；在結(jié)構上對耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮?！?〕控制系統(tǒng)結(jié)構簡單，通用性強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)?！?〕編程方便，易于使用PLC是面向消防的設備，PLC的設計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術人員的技能和習慣，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，不需要專門的計算機知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員都可在短時間內(nèi)學會?！?〕功能完善PLC的輸出/輸入功能完善，性能可靠，能夠適應與任何形式和性質(zhì)的開關量和模擬量的輸入/輸出。在PLC內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時序、計算機、主控繼電器以及移位存放器、中間存放器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實現(xiàn)延時、鎖存、比擬、跳轉(zhuǎn)、和強制I/O等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術運算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運算、顯示、監(jiān)控、打印、及報表生成等功能?！?〕設計、施工、調(diào)試的周期短用繼電接觸器控制完成一項控制工程，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，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到貨前進行，因而縮短了設計周期，使設計和施工可同時進行?！?〕體積小，維護操作方便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)的運行狀態(tài)?！?〕易于實現(xiàn)網(wǎng)絡化PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡系統(tǒng)?！?〕可實現(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)，以適應各種工業(yè)控制的需要。2.3PLC的一般組成和根本工作原理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)控制的專用計算機，所以其結(jié)構和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構與微機相似。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成。前三大局部是PLC完成各種控制任務所必需的，一般稱為PLC的根本組成局部，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的根本工作原理當PLC投入運行后，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。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。如以下圖2.1所示圖2.1PLC的工作過程2.4PLC的應用設計步驟PLC控制系統(tǒng)是以程序形式來表達其控制功能的，大量的工作時間將用在軟件設計，即程序設計上。PLC程序設計可遵循以下六步進行：〔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〕分配輸入輸出設備即確定哪些外圍設備是送信號到PLC，哪些外圍設備是接受來自PLC信號的。并將PLC的輸入輸出口與之進行分配。〔3〕設計PLC程序畫出梯形圖。梯形圖表達了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關系?！?〕實現(xiàn)用計算機對PLC的梯形圖的直接編程。〔5〕對程序進行調(diào)試〔模擬和現(xiàn)場〕?！?〕保存已完成的程序。顯然，在建立一個PLC控制系統(tǒng)時，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系。確定控制上的相互關系之后，即可進行編程的第二步分配輸入輸出設備。在分配了PLC的輸入輸出點，內(nèi)部輔助繼電器，定時器，計數(shù)器之后，就可以設計PLC程序畫出梯形圖。在畫梯形圖時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器，計數(shù)器，與實際的電路圖不一樣。梯形圖畫好后便用編程軟件直接把梯形圖輸入計算機并下裝到PLC進行模擬調(diào)試，修改直至符合控制要求，這便是程序設計的整個過程。3消防給水系統(tǒng)的特性及原理3.1給水系統(tǒng)根本特性給水系統(tǒng)的參數(shù)說明了給水的性能。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，主要有揚程特性曲線和管阻特性曲線。見圖3.1。水系統(tǒng)的根本特性和工作點揚程特性是以給水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，說明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程與流量Q之間的關系曲線f〔Q〕。由圖3.1可以看出，流量Q越大，揚程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，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qv之間的關系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，說明閥門在某一開度下，揚程H與流量Q之間的關系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，揚程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，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程與給水流量Qg之間的關系H=f(Qg)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為給水系統(tǒng)的工作點，如圖3.1中A點。在這一點，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)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。圖3.1給水系統(tǒng)的根本特性3.2給水系統(tǒng)實現(xiàn)方式實現(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)的根本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制?？紤]到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與給水能力(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。假設：給水能力Qg用水需求Qv，那么壓力P上升;假設：給水能力Qg用水需求Qv，那么壓力P下降;假設：給水能力Qg用水需求Qv，那么壓力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，需要對給水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來實現(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行改變流量大小，以適應消防對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性那么不變。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。實質(zhì)是通過改變水泵的給水能力來適應消防對流量的需求。當水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性那么不變。3.3異步電動機調(diào)速的方法及其原理通過轉(zhuǎn)速控制法實現(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來拖動，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實質(zhì)就是異步電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[9][10]。異步電機的轉(zhuǎn)差率定義為：〔3.1〕異步電機的同步速度為：〔3.2〕異步電機的轉(zhuǎn)速為：〔3.3〕其中：s為轉(zhuǎn)速差；n1為異步電機的理想空載轉(zhuǎn)速，r/min；n為異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；f是異步電機的定子電源頻率；p為異步電機的極對數(shù)?？芍{(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，改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。磁極對數(shù)的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機，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)速通過改變電動機的轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。三相異步電動機的轉(zhuǎn)子銅損耗為：〔3.4〕該損耗和電機的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動機工作在額定狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率很小，相應的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機效率高。但在給水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓給水時，為適應流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠低于額定轉(zhuǎn)速，此時的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機運行效率降低。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，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，本錢高，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，當極對數(shù)p不變時，電機轉(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)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉(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也改變輸出電壓，以保證電機磁通根本不變，其關系為：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，電動機的機械特性表達式：〔3.5〕式中：m1為電機相數(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，電機機械特性的變化情況，如圖3.2所示。圖中Fn>f1>f2>f3>f3>f4。圖3.2變頻調(diào)速機械特性3.4水泵調(diào)速運行節(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，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(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，但其揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，假設閥門的開度在一段時間內(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)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。圖3.3管網(wǎng)及水泵的運行特征曲線用閥門控制時，假設給水量頂峰期水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0，當給水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從β3移到β1，揚程特性曲線不變。而揚程那么從H0上升到H!，運行的工況點從E點移到F點，此時水泵輸出功率用圖形表示為(,Q1,F,H1)圍成矩形局部，其值為:〔3.6〕用調(diào)速控制時，假設采用恒壓(H0)、變速泵(n2)給水，管阻特性曲線為β2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。此時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，當用閥門控制流量時，有功率被浪費掉。并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是增大，而被浪費的功率要隨之增加。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量Q、揚程H、功率P與轉(zhuǎn)速N之間關系為：；；〔3.9〕式中，Q1、H1、P1為變速前的流量、揚程、功率，Q2、H2、P2為變速后的流量、揚程、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)運行，為維修、安裝及減振需要，每臺泵的進出水管上必須裝有閥門、止回閥、橡膠接頭等配件。由4臺水泵構成的變頻泵組實例如以下圖：圖4.1變頻給水泵組1、自來水進水閥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程序設計的依據(jù)，因此在設計控制系統(tǒng)及程序之前必須確定具體的控制要求。為節(jié)省控制本錢，可采用一臺變頻器對4臺水泵進行變頻控制。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，那么PLC就僅負責控制水泵的切換?？刂葡到y(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過壓力傳感器對消防管網(wǎng)壓力進行實時采樣，并與設定壓力值比擬，根據(jù)壓力偏差來控制變頻泵的速度及定量泵的啟、停，實現(xiàn)恒壓、變量的供水，以到達節(jié)能、恒壓的目的。其控制要求是：當消防管網(wǎng)壓力低于設定壓力時，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行，通過控制變頻泵使消防管網(wǎng)壓力與設定壓力值相等。如消防用水量較大，變頻器輸出頻率到達50Hz,變頻泵到達最高轉(zhuǎn)速，而消防管網(wǎng)壓力仍然低于設定壓力，控制器將變頻泵切換成工頻運行，待變頻器輸出頻率下降至最低值時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)壓力仍低于設定值，控制器那么以同樣的方式將運行頻率為50Hz的變頻泵切換成工頻運行，而后繼續(xù)軟啟動另外一臺水泵作變頻運行，直至滿足消防用水要求為止。當消防用水量較少，變量泵轉(zhuǎn)速降到一定程度時，控制器自動停止最先運行的定量泵，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，全部機組實現(xiàn)循環(huán)軟啟動，即每臺泵的啟動頻率都從設定的最低頻率開始逐漸上升。停機時遵循“先開的泵先停，先停的泵先開〞的原那么。各泵循環(huán)輪換工作，使水泵均衡運行。設備還可以通過時控器控制水泵的強行切換。4.3控制系統(tǒng)設計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；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:缺水保護信號；I0.1變頻頻率下限；I0.2變頻頻率上限；I0.5時控信號。PLC的輸出信號是：Q0.0:1＃泵變頻運行；Q0.1：1＃泵工頻運行；Q0.2：2＃泵變頻運行；Q0.3：2＃泵工頻運行；Q0.4：3＃泵變頻運行；Q0.5：3＃泵工頻運行；Q0.6：4＃泵變頻運行；Q0.7：4＃泵工頻運行。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。本設計使用的壓力傳感器為遠傳壓力表，遠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；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點數(shù)、內(nèi)部存放器數(shù)量及種類、智能模塊、性價比等因素，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集成14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點?？蛇B接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。16K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間其他性能6個獨立的30kHz高速計數(shù)器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。特點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，變頻器選型時要確定以下幾點：1)采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。2)變頻器的負載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。3)變頻器與負載的匹配問題；I.電壓匹配；變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。II.電流匹配；普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等那么需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。4)對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時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)選用風機水泵型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；風機和泵類變轉(zhuǎn)矩負載專用；牢固的EMC〔電磁兼容性〕設計；控制信號的快速響應；傳動平穩(wěn)，輕松無憂控制功能：線性v/f控制，并帶有增強電機動態(tài)響應和控制特性的磁通電流控制〔FCC〕，多點v/f控制；

內(nèi)置PID控制器；

快速電流限制，防止運行中不應有的跳閘；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，實現(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：電機數(shù)據(jù)切換，命令數(shù)據(jù)切換；

風機和泵類專用功能：多泵切換，旁路功能

手動/自動切換；斷帶及缺水檢測

保護功能：過載能力為140％額定負載電流，持續(xù)時間3秒和110％額定負載電流，持續(xù)時間60秒；

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

PTC/KTY電機保護。5.3水壓傳感器選用PT500-503水壓傳感器PT500-503水壓傳感器的詳細介紹PT500-503壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結(jié)構，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)設備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機、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)換時間小于300μs模擬量輸入響應時間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電動機采用TS-200-150315型電動機揚程：h=32m功率：37kw6變頻器及電動機參數(shù)設定值為首先回復變頻器工廠默認值：設定P0010=30和P0970=1，按下P鍵，開始恢復，恢復過程大約3分鐘。電動機參數(shù)：參數(shù)號出廠值設定值說明P000311設用戶訪問級為標準級P001001快速調(diào)試P010000工作地區(qū)：功率以KW表示，頻率為50HZP0304230380電動機額定電壓〔V)P03053.25100電動機額定電流〔A)P03070.7537電動機額定功率〔KW)P030800.8電動機額定功率因數(shù)P03105050電動機額定頻率P031102800電動機額定轉(zhuǎn)速變頻器參數(shù)：參數(shù)號出廠值設定值說明P000311設定訪問級為標準級P000407命令和數(shù)字I/OPO70022命令源選擇“由端子排輸入P003012設定用戶訪問級為擴展級P000407命令和數(shù)字I/OP070111ON接通正轉(zhuǎn)P000311設定訪問級為標準級P0004010設定值通道和斜坡函數(shù)發(fā)生器P100022頻率設定值選擇為〞模擬輸入“P1080012電動機運行的最低頻率P10825050電動機運行的最高頻率其最低運行頻率設定依據(jù)：電機在最低頻率運行時，最末端設備的管道仍有一定的水壓。7硬件連接8系統(tǒng)PID設計系統(tǒng)程序的設計系統(tǒng)將通過變送器傳送的實時反應得到的反應值與目標值進行比擬，器差值送入PLC內(nèi)部，經(jīng)過PID模塊計算輸出變頻器參數(shù)驅(qū)動水泵轉(zhuǎn)動，進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。式中：——調(diào)節(jié)器的輸出；——比例時間常數(shù)；——差壓設定值()與差壓實測值()之差；Ti——差壓積分時間常