恒壓供水系統(tǒng)課程設(shè)計

1、沈陽理工大學課程設(shè)計摘 要 自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。對城鎮(zhèn)住宅電力驅(qū)動恒壓供水的原理及幾種實用化方案進行了深入的討論，以變頻器為主體的恒壓供水系統(tǒng)對供水水泵實現(xiàn)全方位的寶護

2、。該系統(tǒng)不但能最大限度地節(jié)約水資源，而且能夠節(jié)約電能，延長供水水泵的使用壽命，并在緊急情況下（消防，減災）能夠做到重點供水。最后，對幾種實用化供水方案進行了詳細的討論。關(guān)鍵詞：變頻器；恒壓供水；變頻調(diào)速；供水系統(tǒng)目 錄1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和應(yīng)用11.1變頻調(diào)速恒壓供水的應(yīng)用11.2變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義12 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)22.1供水系統(tǒng)的基本特性22.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理22.2.1系統(tǒng)的構(gòu)成22.2.2變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理32.2.3變頻恒壓控制理論模型43 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計63.1設(shè)計任務(wù)及要求63.2系統(tǒng)主電路設(shè)計73.3控制系統(tǒng)組成方框圖

3、74 器件的選型及介紹144.1 變頻器簡介144.2 變頻器選型144.2.1 變頻器的控制方式144.2.2 變頻器容量的選擇154.2.3 變頻器主電路外圍設(shè)備選擇174.3 可編程控制器(PLC)194.3.1 PLC的定義及特點194.3.2 PLC及壓力傳感器的選擇205 系統(tǒng)的軟件設(shè)計215.1 PLC程序設(shè)計215.1.1 初始化子程序設(shè)計215.1.2 PID控制中斷子程序225.2 變頻器參數(shù)的設(shè)置245.2.1 參數(shù)復位245.2.2電機參數(shù)設(shè)置24總 結(jié)26參考文獻27III1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和應(yīng)用1.1變頻調(diào)速恒壓供水的應(yīng)用通常在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺

4、常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調(diào)速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據(jù)壓力反饋信號，通過PID運算自動調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動機轉(zhuǎn)速，最終達到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個閉環(huán)回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來的發(fā)展方向，比如NKL-A系列恒壓供水控制系統(tǒng)就可實現(xiàn)一變頻器控制任意數(shù)馬達的功能。1.2變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 泵站擔負著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對國民經(jīng)濟有重大意義。我過泵站的特點是數(shù)

5、量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計中忽視動能經(jīng)濟觀點以及機電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等原因，至使在技術(shù)水平、工程標準以及經(jīng)濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動能消耗在水泵、風機負載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負載中占了相當大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法是目前較為重要的一件事。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠程監(jiān)控技術(shù)與一體。采用該系統(tǒng)

6、進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便的實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，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)實意義。2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)2.1供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(tǒng)的基本特性是水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程h與流量q之間的關(guān)系曲線f (q)，前提是供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變。揚程特性所反映的是揚程h與用水流量q之間的關(guān)系。由圖2.1的揚程特性表明，流量q越大，揚程h越小。在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量q的大小主要取決于用戶的用水情況。管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，閥門在某一

7、開度下，揚程h與流量q之間的關(guān)系h=f (q)。管阻特性反映了水泵轉(zhuǎn)動的能量用來克服水泵系統(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2.1可知，在同一閥門開度下，揚程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系統(tǒng)的供水能力。 揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的平衡工作點，如圖2.1中a點。在這一點，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量達到平衡狀態(tài)，供水系統(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。當用水流量和供水流量達到平衡時，揚程ha穩(wěn)定，供水系統(tǒng)的壓力也保持恒定。 圖2.1 供水系統(tǒng)的基本特性2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理2.2.1系統(tǒng)的構(gòu)成變頻恒壓供

8、水系統(tǒng)采用西門子的S7-200 plc作為控制器，變頻器MM440是頻率調(diào)節(jié)器，交流接觸器和電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，壓力傳感器作為控制的反饋元件。S7-200 plc選用內(nèi)部控制模塊CPU224，模擬量2路輸入通用模塊、模擬量2路輸出通用模塊和pid模塊CPU224有14路輸入/10路輸出，對于小型的控制系統(tǒng)而言夠用。pid模塊使用方便，在軟件中只需要配置pid的每個參數(shù)。 三相交流電與MM440的電源輸入口連接，經(jīng)過變頻器變頻后的交流電接異步電動機，異步電動機帶動水泵轉(zhuǎn)動。S7-200數(shù)字輸出口輸出控制信號到交流接觸器，交流接觸器兩端連接的是工頻或變頻的三相交流電，主要起接通或斷開三相交流電與異

9、步電動機。S7-200的模擬輸出口輸出控制電壓信號給MM440的模擬電壓輸入口ain1+和ain1-，該控制電壓主要調(diào)節(jié)交流電的頻率。壓力傳感器從供水網(wǎng)絡(luò)中反饋壓力信號，壓力信號經(jīng)過濾波放大后輸入給S7-200的模擬輸入口。2.2.2變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理1.電動機的調(diào)速原理水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉(zhuǎn)速公式為： （）)(式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有：(l) 改變電源頻率(2) 改變電機極對數(shù)(3) 改變轉(zhuǎn)差率改變電機極對數(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，是有級調(diào)速，而且級差

10、比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。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，但由于線路過于復雜，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。下面重點分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點。根據(jù)公式可知，當轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f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的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。2.變

11、頻恒壓控制系統(tǒng)節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線，如圖2.1所示。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用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qu間的關(guān)系H=f(Qu)。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?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線，如圖2.1所示。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。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的

12、關(guān)系H=f(Qc)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖2.1中A點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(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。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的2.2.3變頻恒壓控制理論模型 變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為

13、控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(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)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上從圖2.2中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓

14、力和設(shè)定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力。因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等。 從圖2-2中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運行過程中實際供

15、水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等。 圖2.2變頻恒壓控制原理圖 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計3.1設(shè)計任務(wù)及要求本系統(tǒng)是以一個供水系統(tǒng)作為被控對象，PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制電機的轉(zhuǎn)速與啟動和停止。控制要求：（1）工藝參數(shù): 水泵流量：295 m3/h 水泵出口壓力： 0.08Mpa （2）水泵參數(shù)：型號：125H-13額定流量：793 m3/h揚程：32.3 m功率：80.3 KW額定轉(zhuǎn)速：1450 r/min配用電機功率：100KW（3）電動機參數(shù)：型號：JD-L-39-4 功率：1

16、00KW 額定頻率：50Hz 額定電壓：380VAC； 額定轉(zhuǎn)速：1470 r/min 額定電流：188.2 A（4）水泵電機的起動/停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。（5）變頻器采用遠方控制方式。（6）變頻器的頻率由420mA電流信號控制。（7）變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。（8）變頻器的報警處理。3.2系統(tǒng)主電路設(shè)計圖3.1 系統(tǒng)主電路圖主電路。如圖所示，接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端，KM2用于將變頻器的輸出端接至電動機，KM3用于將工頻電源直接接至電動機，熱繼電器KR用于工頻運行時的過載保護3.3控制系統(tǒng)組成方框圖恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成是：變頻器+水泵+水管網(wǎng)壓力檢

17、測部件+PID調(diào)節(jié)器(目前大多數(shù)變頻器已將PID調(diào)節(jié)器集成到其內(nèi)部)，如圖3.2所示：該圖為簡單的單泵控制系統(tǒng)。圖3.2 恒壓供水系統(tǒng)示意圖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3.1所示：圖3.2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)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為：(1)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，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、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓

18、恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。(2) 信號檢測機構(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，需進行A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感

19、器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。(3) 控制機構(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、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵機組)進行控制；變頻器是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，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

20、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)的運行，防止因電機過載、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行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，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，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(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)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上10。圖3.3控制電路當鈕子開關(guān)S 為合上位置時為自動啟動, 否則為手動啟動。當水位為

21、低水位H1時，表的壓力為設(shè)定的最低壓力值，指針指向SP1，下電接點SP1閉合；當水位為高水位H2時，表的壓力為設(shè)定的最高壓力值，指針指向SP2，下電接點SP2閉合。自動啟動時：合上QF ，當水位為低水位H1時，到達表的壓力設(shè)定的最低壓力值，線圈KA1得電，同時KA1常開觸頭都閉合，線圈KM1得電，同時KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，指示燈HL1亮，此時，電動機開始工作為水泵加壓。 若當電動機工作5分鐘后水壓到達設(shè)置值，指針指向SP2，上限電接點SP2閉合，線圈KA2得電，同時KA2常開觸頭閉合自鎖，KA2常閉觸頭斷開，同時線圈KA1失電，KA1常開觸頭斷開，同

22、時線圈KA2失電，KA2常開觸頭斷開，KA2常閉觸頭閉合，此時，時間繼電器KT1不得電，KT1常開延時觸頭仍斷開，第二臺電動機不投入工作。若當電動機工作5分鐘后水壓未到達設(shè)置值，未指針指向SP2，指針仍指向SP1，線圈KA1仍電，KA1常開觸頭仍閉合，線圈KM1仍得電，指示燈HL1仍亮，同時依然KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，時間繼電器 6KT1通電延時動作，KT1常開觸頭閉合，線圈KM2得電，同時KM2主觸頭閉合，KM2常開觸頭閉合自鎖，KM2常閉觸頭斷開，指示燈HL2亮，第二臺電動機也投入工作此時，兩臺電動機均開始工作。若當電動機工作20分鐘后水壓到達設(shè)置

23、值，指針指向SP2，上限電接點SP2閉合，線圈KA2得電，同時KA2常開觸頭閉合自鎖，KA2常閉觸頭斷開，同時線圈KA1失電，KA1常開觸頭斷開，同時線圈KA2失電，KA2常開觸頭斷開，KA2常閉觸頭閉合，同時線圈KM2失電，同時KM2主觸頭斷開，KM2常開觸頭斷開，KM2常閉觸頭閉合，指示燈HL2滅，此時，切除第二臺電動機；若當電動機工作20分鐘后水壓未到達設(shè)置值，未指針指向SP2，指針仍指向SP1，線圈KA1仍電，KA1常開觸頭仍閉合，線圈KM1仍得電，指示燈HL1仍亮，同時依然KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，時間繼電器KT2通電延時動作，KT2常開延時觸

24、頭閉合，線圈KA3得電，KA3常開觸頭閉合自鎖，KA3常閉觸頭斷開，KT2常閉延時觸頭斷開，同時線圈KM1失電，同時KM1主觸頭斷開，KM1常開觸頭斷開，KM1常閉觸頭閉合，此時，切除第一臺電動機，指示燈HL1滅，同時線圈KM2失電，同時KM2主觸頭斷開，KM2常開觸頭斷開，KM2常閉觸頭閉合，指示燈HL2滅，此時，切除第二臺電動機，兩臺電動機均停止工作，指示燈HL3滅。手動啟動時：合上QF ，按下SB2啟動按鈕，線圈KA1得電，同時KA1常開觸頭都閉合，線圈KM1得電，同時KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，指示燈HL1亮，此時，電動機開始工作為水泵加壓。若當電

25、動機工作5分鐘后水壓到達設(shè)置值，指針指向SP2，上限電接點SP2閉合，線圈KA2得電，同時KA2常開觸頭閉合自鎖，KA2常閉觸頭斷開，同時線圈KA1失電，KA1常開觸頭斷開，同時線圈KA2失電，KA2常開觸頭斷開，KA2常閉觸頭閉合，此時，時間繼電器KT1不得電，KT1常開延時觸頭仍斷開，第二臺電動機不投入工作。若當電動機工作5分鐘后水壓未到達設(shè)置值，未指針指向SP2，指針仍指向SP1，線圈KA1仍電，KA1常開觸頭仍閉合，線圈KM1仍得電，指示燈HL1仍亮，同時依然KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，時間繼電器KT1通電延時動作，KT1常開觸頭閉合，線圈KM2得

26、電，同時KM2主觸頭閉合，KM2常開觸頭閉合自鎖，KM2常閉觸頭斷開，指示燈HL2亮，第二臺電動機也投入工作此時，兩臺電動機均開始工作；若當電動機工作20分鐘后水壓到達設(shè)置值，指針指向SP2，上限電接點SP2閉合，線圈KA2得電，同時KA2常開觸頭閉合自鎖，KA2常閉觸頭斷開，同時線圈KA1失電，KA1常開觸頭斷開，同時線圈KA2失電，KA2常開觸頭斷開，KA2常閉觸頭閉合，同時線圈KM2失電，同時KM2主觸頭斷開，KM2常開觸頭斷開，KM2常閉觸頭閉合，指示燈HL2滅，此時，切除第二臺電動機；若當電動機工作20分鐘后水壓未到達設(shè)置值，未指針指向SP2，指針仍指向SP1，線圈KA1仍電，KA1

27、常開觸頭仍閉合，線圈KM1仍得電，指示燈HL1仍亮，同時依然KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，時間繼電器KT2通電延時動作，KT2常開延時觸頭閉合，線圈KA3得電，KA3常開觸頭閉合自鎖，KA3常閉觸頭斷開，KT2常閉延時觸頭斷開，同時線圈KM1失電，同時KM1主觸頭斷開，KM1常開觸頭斷開，KM1常閉觸頭閉合，此時，切除第一臺電動機，指示燈HL1滅，同時線圈KM2失電，同時KM2主觸頭斷開，KM2常開觸頭斷開，KM2常閉觸頭閉合，指示燈HL2滅，此時，切除第二臺電動機，兩臺電動機均停止工作，指示燈HL3滅。手動啟動時：合上QF ，按下SB2啟動按鈕，線圈KA1

28、得電，同時KA1常開觸頭都閉合，線圈KM1得電，同時KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，指示燈HL1亮，此時，電動機開始工作為水泵加壓。若當電動機工作5分鐘后水壓到達設(shè)置值，指針指向SP2，上限電接點SP2閉合，線圈KA2得電，同時KA2常開觸頭閉合自鎖，KA2常閉觸頭斷開，同時線圈KA1失電，KA1常開觸頭斷開，同時線圈KA2失電，KA2常開觸頭斷開，KA2常閉觸頭閉合，此時，時間繼電器KT1不得電，KT1常開延時觸頭仍斷開，第二臺電動機不投入工作。若當電動機工作5分鐘后水壓未到達設(shè)置值，未指針指向SP2，指針仍指向SP1，線圈KA1仍電，KA1常開觸頭仍閉合，

29、線圈KM1仍得電，指示燈HL1仍亮，同時依然KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，時間繼電器KT1通電延時動作，KT1常開觸頭閉合，線圈KM2得電，同時KM2主觸頭閉合，KM2常開觸頭閉合自鎖，KM2常閉觸頭斷開，指示燈HL2亮，第二臺電動機也投入工作此時，兩臺電動機均開始工作；若當電動機工作20分鐘后水壓到達設(shè)置值，指針指向SP2，上限電接點SP2閉合，線圈KA2得電，同時KA2常開觸頭閉合自鎖，KA2常閉觸頭斷開，同時線圈KA1失電，KA1常開觸頭斷開，同時線圈KA2失電，KA2常開觸頭斷開，KA2常閉觸頭閉合，同時線圈KM2失電，同時KM2主觸頭斷開，KM2常

30、開觸頭斷開，KM2常閉觸頭閉合，指示燈HL2滅，此時，切除第二臺電動機；若當電動機工作20分鐘后水壓未到達設(shè)置值，未指針指向SP2，指針仍指向SP1， 7線圈KA1仍電，KA1常開觸頭仍閉合，線圈KM1仍得電，指示燈HL1仍亮，同時依然KM1主觸頭閉合并且KM1常開觸頭閉合自鎖，KM1的常閉觸頭斷開，時間繼電器KT2通電延時動作，KT2常開延時觸頭閉合，線圈KA3得電，KA3常開觸頭閉合自鎖，KA3常閉觸頭斷開，KT2常閉延時觸頭斷開，同時線圈KM1失電，同時KM1主觸頭斷開，KM1常開觸頭斷開，KM1常閉觸頭閉合，此時，切除第一臺電動機，指示燈HL1滅，同時線圈KM2失電，同時KM2主觸頭斷

31、開，KM2常開觸頭斷開，KM2常閉觸頭閉合，指示燈HL2滅，此時，切除第二臺電動機，兩臺電動機均停止工作，指示燈HL3滅。高水位保護：若水壓超過高水位時，即表的壓力設(shè)定的最高壓力值，SL 浮球斷電器閉合，同時線圈KA3得電，KA3常開觸頭閉合自鎖，KA3常閉觸頭斷開，切除正在工作的電動機，指示燈HL1滅，此時沒有任何電動機工作。按下SB1停止按鈕解除保高水位保護線圈KA3失電，KA3常開觸頭斷開，KA3常閉觸頭閉合，此時恢復到最初狀態(tài)。4 器件的選型及介紹4.1 變頻器簡介1、變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備。變頻器包

32、括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。 2、變頻器的分類 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性

33、能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 4.2 變頻器選型4.2.1 變頻器的控制方式控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產(chǎn)的共約5O多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。下表中參數(shù)供選用時參考。表4.1控制方式的比較控制方式U/f=C控制電壓空間矢量控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制反饋裝置不帶PG帶PG或PID調(diào)節(jié)器不要不帶PG帶PG或編碼器速比I<1:401:601:1001:1001:10001:100起動轉(zhuǎn)矩（在3Hz）150%150%150%150

34、%零轉(zhuǎn)速時為150%零轉(zhuǎn)速時為>150%200%靜態(tài)速度精度/%±（0.20.3）±（0.20.3）±0.2±0.2±0.02±0.2適用場合一般風機、泵類等較高精度調(diào)速，控制一般工業(yè)上的調(diào)速或控制所有調(diào)速或控制伺服拖動、高精傳動、轉(zhuǎn)矩控制負荷起動、起重負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，恒轉(zhuǎn)矩波動大負載故選擇U/f=C控制4.2.2 變頻器容量的選擇變頻器的容量直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補充。1、從電流的角度：大多

35、數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關(guān)鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細了解設(shè)備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不

36、允許超過變頻器的額定電流。 2、從效率的角度：系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。（2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應(yīng)略大于電動機的功率。（3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是

37、否會造成過電流保護動作。（5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達到較高的節(jié)能效果。3、從計算功率的角度：對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式：(1)滿足負載輸出： PcnPm (4.1)(2)滿足電動機容量： Pcn3KUeIe cos ×10-3(4.2)(3)滿足電動機電流： IcnKIe(4.3)式中Pcn為變頻器容量（單位kW），PM-負載要求的電動機軸輸出功率（單位kW），Ue為電動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），為電動機效率（通常約為085），cos為電動機功率因數(shù)（通常約為075），k是電流波形補償系數(shù)（

38、由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應(yīng)有所增加，通常K約為10511）。將本系統(tǒng)參數(shù)帶入求得所取變頻器容量最低為88KW故取100KW，額定電流139.26A，故取150A。 根據(jù)計算所得的所需參數(shù)可以選取西門子MicroMaster430（風機水泵專業(yè)）變頻器，具體的可以選擇MM430-110K型號的變頻器，他配接電機的容量是110kw，額定電流為205A滿足使用需求，可以選擇。4.2.3 變頻器主電路外圍設(shè)備選擇1、斷路器當變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當變頻器輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時，進行保護。選擇原則(1)

39、變頻器在剛接電源的瞬間，對電容器的充電電流可達額定電流的（2-3）倍；(2)變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^額定電流；(3)變頻器允許的過載能力為150%，1min。為了避免誤動作，斷路器的額定電流應(yīng)選： (4.4)其中為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇210A根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以選擇斷路器DW15400斷路器額定電壓為380V，額定電流為300滿足要求可以選擇。2、接觸器(1)主要作用：可通過按鈕開關(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。(2)選擇原則：由于接觸器自身并無保護功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流，應(yīng)該大于126.6

40、A,可以選擇主觸點額定電流為130A的接觸器。根據(jù)上述數(shù)據(jù)施奈德的LC1D150，滿足參數(shù)要求，可以選擇3、主電路的線徑(1)電源和變頻器之間的導線一般說來，和同容量普通電動機的電線選擇方法相同?？紤]到其輸入側(cè)的功率因數(shù)往往較低，應(yīng)本著宜大不宜小的原則來決定線徑。(2)變頻器和電機之間的導線因為頻率下降時，電壓也要下降，在電流相等的情況下，線路電壓降在輸出電壓中的比例將上升，而電動機得到電壓的比例則下降。這有可能導致電動機帶不動負載并發(fā)熱。所以，在決定變頻器和電動機之間導線的線徑時，最關(guān)鍵的因素便是線路電壓降的影響。一般要求： (4.5)的計算公式是： (4.6)式中：額定相電壓，V ； 電動

41、機額定電流，A ； 單位長度（每米）導線的電阻，m/m ； 導線的長度，m 。由上兩式可直接求出的取值范圍。根據(jù)Ro值確定導線面積。由公式（4.5）得：11.4）V由公式（4.6）得：0.69 m/m 1.04 m/m 根據(jù)表3.1判斷所需的導線截面積，為了滿足控制系統(tǒng)的要求，應(yīng)該選擇截面積為16的導線。表4.2 常用電動機引出線的單位長度電阻值。標稱截面/mm21.01.52.54.06.010.016.025.035.0/(m/m)17.811.96.924.402.921.731.100.690.494、制動電阻準確計算制動電阻值十分麻煩，在實際工作中基本不用。許多變頻器的使用說明書上給

42、了一些計算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動電阻的規(guī)格。但按說明書上選擇電阻時須注意下面問題，變頻器生產(chǎn)廠家為了減少制動電阻檔次，常常對若干種不同容量的電動機提供相同阻值和容量的制動電阻。選用時，應(yīng)注意根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況進行調(diào)整。對同一擋中電動機容量較小者，制動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應(yīng)根據(jù)制動過程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值較大的制動電阻。對同一擋中電動機容量較大者，制動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動的場合，或者如起重機械那樣，需要釋放位能的場合，上述制動電阻有可能滿足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動電阻。4

43、.3 可編程控制器(PLC)4.3.1 PLC的定義及特點 在PLC的發(fā)展過程中，美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）經(jīng)過4年的調(diào)查，于1980年把這種新型的控制器正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller），英文縮寫為PC，并作如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、計數(shù)、計時和算術(shù)運算功能，用來對各種機械或生產(chǎn)過程進行控制。PLC的特點如下：1、高可靠性(1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。(2)各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1

44、020ms.(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。(5)對采用的器件進行嚴格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。(7)大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。2、豐富的I/O接口模塊 PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如： 交流或直流； 開關(guān)量或模擬量； 電壓或電流； 脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如： 按鈕 行程開關(guān) 接近開關(guān) 傳感器及變送器 電磁線圈 控制閥直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種

45、人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學 PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O

46、端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。4.3.2 PLC及壓力傳感器的選擇 水泵M1、M2、M3可變頻運行，也可工頻運行，需要6個輸出點，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求需要五個輸入點，則選擇西門子的S7-200系列PLC。 壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實現(xiàn)壓力測量的力-電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，

47、同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標的要求。傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560，輸出電壓為05V，作為本系統(tǒng)的反饋信號供給PLC。5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1 PLC程序設(shè)計PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言14。語句表(STL)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運行維護人員所接受，是初學者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸