恒壓變頻供水(三)

恒壓變頻供水（三）

第三章供水系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

主要器件選型

供水泵的選擇

我們山東理工大學(xué)學(xué)校里，設(shè)定每人一天的用水量為30升，我校共有32000多名學(xué)生、2600多名教職工，共34000多人，可按30000人來計算。則一天的最大用水量為

每小時最大時的用水量為

最高的樓為11層，每層高度按3m計算，則樓高為33m，供水高度為33m。一般由現(xiàn)實需要還要加上一層，即供水高度為36m，再加上經(jīng)驗值15m～20m，則泵的總揚程為51～56m。選擇離心泵ISG80-50-200，適配15KW的電機，共3臺。

變頻器和軟起動選型

由于電機的功率為15KW，選擇康沃生產(chǎn)的P2系列CVF-P2-4T0185，軟起動器選擇STR015A，功率為。

供水系統(tǒng)的電氣設(shè)計

恒壓供水思路

本系統(tǒng)具體控制方案為

1、供水

單泵工作

開機延時5秒，首先開啟真空泵，開啟1泵真空電磁閥和1泵電動閥，真空泵工作1分鐘后，開啟變頻1泵，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉1泵真空電磁閥；1泵按2HZ/S速度上升至出水頻率，再按1HZ/S速度工作。

進泵

當(dāng)1泵到達全速但壓力達不到設(shè)定值，延時開啟真空泵，開啟2泵真空電磁閥和2泵電動閥，真空工作1分鐘后，軟起工頻2泵，關(guān)閉真空泵，關(guān)閉2泵真空電磁閥；1泵下降至出水頻率，若壓力超過設(shè)定壓力，重新執(zhí)行單泵工作程序。

退泵

當(dāng)1泵頻率下降至出水頻率，實際壓力超過設(shè)定壓力，延時，停止2泵，關(guān)閉2泵電動閥，重新執(zhí)行單泵工作程序；

3泵為手動/自動備用泵，本系統(tǒng)考慮到當(dāng)遇到特殊情況時兩個泵達不到需求時，要啟動3泵。故在PLC程序中編寫了進退3泵的程序。

電動閥門可自動，也可手動控制。

2、取水

當(dāng)蓄水池水位下降到水位下限后，停止所有工作供水泵，并開啟取水電動閥；到達工作上限時，自動啟動系統(tǒng)，關(guān)閉取水電動閥，按照以上程序執(zhí)行。

3、工作狀態(tài)

系統(tǒng)分自動和手動控制，在自動狀態(tài)下執(zhí)行自動程序，在手動狀態(tài)下能夠手動啟動所有負載。具體思路如圖3-1所示。

圖3-1恒壓供水思路圖

強電驅(qū)動線路1

系統(tǒng)采用3臺水泵并聯(lián)運行方式，功率為15kw，兩備一用。把1泵和變頻器連接，實現(xiàn)變頻運行。2泵和3泵用軟起動器來啟動，起動參數(shù)可調(diào)，而且采用的軟起動器具有軟停車功能。

在變頻器的接點中，常開觸點KM7代表手動，常開觸點KM8代表自動，當(dāng)需要系統(tǒng)自動時，KM8閉合，由PLC的模擬量模塊輸出電壓信號來改變變頻器頻率，變頻器中的AM，AM-接點連接模擬量模塊中的頻率輸入端口，并進行處理；當(dāng)旋鈕打到手動檔時，KM7閉合，由滑動變阻器來改變VI1口的輸入電壓，進而改變頻率，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。KA1線圈連接+24V和OC1端口，作用是當(dāng)變頻器啟動完成后，線圈通電。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，TA、TC內(nèi)置開關(guān)閉合，P01口接通。FWD和CM接通時電機正轉(zhuǎn)，因為本系統(tǒng)不需要電機反轉(zhuǎn)，故沒有顯示反轉(zhuǎn)接口。

軟啟動器的STOP、COM和RUN端口連接方式如圖3-2，當(dāng)RUN和COM接通時，軟啟動器啟動，啟動時間可以設(shè)置。啟動完成后，12V和OC端口接通。K12和K14接口分別接P03和24V，當(dāng)軟啟動器出現(xiàn)故障時，兩端口的內(nèi)置開關(guān)接通，P03有信號，PLC會自動令水泵停止工作并令3泵啟動接替2泵。3泵故障設(shè)置同2泵。

變頻器和兩個軟啟動器的啟動完成端口連接的線圈電路中都連接有一個二極管，它的作用是為了消除繼電器線圈中的剩余電量，防止浪涌電流燒毀端口內(nèi)部器件。

兩軟啟動器下面的線路是為定時轉(zhuǎn)換備用泵而設(shè)計的，系統(tǒng)啟動時默認開一號線路，即KM9,KM10閉合，KM11,KM12斷開；當(dāng)設(shè)定時間與系統(tǒng)內(nèi)部時間相等時，KM9,KM10斷開，KM11,KM12閉合。最初的設(shè)計想法是把KM9和KM10定義為三個常閉觸點，這樣定義I/O口和編程時都會簡便一些，比如把KM9和KM10分別改為常閉觸點KM11’和KM12’。當(dāng)需要備用泵轉(zhuǎn)換時，只讓KM11和KM12動作即可。但從實際考慮一個接觸器只有一個輔助常閉觸點，這樣一個電路就需要三個接觸器，這樣運作起來更麻煩了；輔助觸頭是有三個常閉觸點的，但輔助觸頭絕對不能用到主電路的控制上。所以用四個常開觸點更安全。主要參數(shù)的設(shè)定可用文本顯示器來設(shè)定，省去了改寫程序的麻煩。

圖3-2強電驅(qū)動圖1

強電驅(qū)動線路2

圖3-3強電驅(qū)動圖2

電路圖左邊的是真空泵的主電路，斷路器QF4和熱繼電器FR1用來保證電機安全運行，KM1的作用是在PLC中用來控制真空泵的開閉。三個電壓表用來檢測主電源線中電壓是否穩(wěn)定。

最右邊的電路是為控制電路和PLC供電設(shè)計的。先通過變壓器把380V轉(zhuǎn)換成220V，用低通濾波器濾掉高頻諧波，最后通過開關(guān)電源就得到24V和5V。

電動閥控制電路

圖3-4中控制四個電動閥的接觸器分別是KM2、KM3、KM4、KM5。電動閥里有兩個限位開關(guān)，三個接線端子。其中兩個常開、常閉觸點是主管閥門的開啟和閉合。

連接在端子排中的1號位的是公共端，2號位的常閉觸點的作用是關(guān)閉電動閥，3號位的常開觸點閉合后電動閥開啟。當(dāng)電動閥開到90°時，會碰到5號位的關(guān)到位限位開關(guān)，線圈就會通電說明電動閥已經(jīng)完全打開。同樣，當(dāng)關(guān)閉電動閥時，反轉(zhuǎn)到90°時，會碰到4號位的開到位的限位開關(guān)，線圈通電表明電動閥已經(jīng)成功關(guān)閉。

圖3-4電動閥控制線路

PLC接線圖

圖3-5所示的是LG-PLC接線圖。在可編程控制器的左右兩邊分別是定義的輸入點和輸出點。本系統(tǒng)共用到三個泵，所以需要定義三個泵的狀態(tài)輸入和故障輸入，又因為所用的泵是離心泵，離心泵啟動時必須有真空泵把空氣抽凈，所以又加上了真空泵的控制端口。在現(xiàn)實控制中，手動是必須的。為了能讓備用泵順利轉(zhuǎn)換，定義循環(huán)線路的輸入和輸出端口來保證兩個軟起泵能按時轉(zhuǎn)換。在PLC右邊，定義了三個供水泵，真空泵和四個電動閥的輸出控制端口。最后的那三個供水泵電磁閥是用在每個泵啟動時控制真空泵抽各離心泵中空氣用的。

下圖右邊是完成本次系統(tǒng)任務(wù)的必需擴展。首先，是兩個ADHB模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用來處理如水位，壓力和頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換。這三個模擬量不能直接參與PLC的運算，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才行。每個輸入輸出都有自己的寄存器地址，在編程時還要在調(diào)用寄存器的值的時候與相應(yīng)的系數(shù)進行運算才可用于PLC中的PID運算。

文本顯示器用于改變PLC程序中的有關(guān)參數(shù)。它對于編程和現(xiàn)場控制有很大幫助。可以隨時在需要的情況下改變?nèi)缛齻€模擬量系數(shù)、水位的上下限和備用泵的轉(zhuǎn)換時間。

圖3-5PLC接線圖

控制線路

下面兩圖為本系統(tǒng)的控制線路。電源線為三相線的A、B相線，為了防止過載、短路和欠電壓，最開始設(shè)置上了斷路器。下面的K按鈕是應(yīng)急按鈕。再下面的手動轉(zhuǎn)換開關(guān)是用來選擇手動還是自動。接觸器最多只有四個常開觸點，拿手動來說，需要兩個10型的接觸器和兩個40型的輔助觸頭，共16個常開觸點，KM8同理。每個泵閥門都有自動和手動，這是在實際需要的立場上設(shè)計的。

當(dāng)手動時，KM7閉合2SB1為啟動按鈕，2SB2為停止按鈕，當(dāng)2SB1按下時，KM13自聯(lián)鎖，以下各環(huán)節(jié)一樣；當(dāng)自動時，KM8閉合由PLC控制的J繼電器來決定各個J開關(guān)的開閉。右邊的那一列指示燈是用來指示各開關(guān)按鈕、泵和閥門是否動作到位。到位后按鈕閉合，指示燈亮。指示燈這一列的電源接線接在急停按鈕下的轉(zhuǎn)換開關(guān)處，各電路環(huán)節(jié)在右邊均有注解。

圖3-6控制線路1

圖3-7為兩個電動閥，循環(huán)控制線路和三個電磁閥的手動/自動控制線路。在循環(huán)控制線路中由于接觸器觸點較多，只能用兩個接觸器并聯(lián)在一起使用。循環(huán)控制那兩欄必須是兩個開關(guān)同時接通指示燈才能亮。三個泵的電動閥的開到位限位開關(guān)、關(guān)到位限位開關(guān)也在指示燈上有體現(xiàn)，正常工作時相應(yīng)的燈亮。

另外,接觸器不能串聯(lián)，線圈通電后，靜鐵心磁化，吸合動鐵心，這時主電路才接通。如果兩個接觸器串聯(lián),也就是兩個線圈串聯(lián)，通電后，兩個線圈可視作同時得電，控制電路里回路是存在的。但由于靜鐵心磁化后產(chǎn)生的吸力不可能完全相等，所以兩個動鐵心吸合必定有快有慢。鐵心先吸合的接觸器在鐵心吸合后線圈電感增大，其端電壓也大，這就可能導(dǎo)致另一個接觸器線圈壓降過低，鐵心一直吸合不上。這就相當(dāng)于單獨的一個110V接觸器接在220V電路中了，當(dāng)然導(dǎo)致控制電路回路中電流過大,時間一長可能會燒毀線圈。

圖3-7控制線路2

第四章恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計由于采用的PLC是LG系列的，所以在這里簡單介紹一下LG系列PLC的一些編程規(guī)則。

梯形圖的基本繪制規(guī)則

1、編程順序

梯形圖按照從上到下，從左到右的順序控制。每個邏輯行開始于左母線，一般來說，觸點要放在左側(cè)，線圈和指令盒放在右側(cè)，線圈和指令盒右側(cè)不能有觸點，整個梯形圖形成階梯形結(jié)構(gòu)。

2、編號分配

對于外接電路的各元件分配編號，編號的分配必須是主機或者擴展模塊本身實際提供的，而且可以用來編程，兩個設(shè)備不能共用一個輸入輸出點。

3、觸點的使用次數(shù)和線圈的使用次數(shù)

在PLC的梯形圖中，觸點的使用次數(shù)可能用無數(shù)次，而線圈的使用次數(shù)只能是一次，否則，容易引發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)意外的事故。

4、線圈的連接

使用一個條件驅(qū)動多個線圈時，不能串聯(lián)，只能并聯(lián)。

恒壓供水系統(tǒng)I/O分配表

1、系統(tǒng)具體控制方案上章已敘述，在此把恒壓供水系統(tǒng)的I/O分配列舉表4-1I/O分配表

輸入1泵狀態(tài)輸入P001泵故障輸入P012泵狀態(tài)輸入P022泵故障輸入P033泵狀態(tài)輸入P043泵故障輸入P05真空泵狀態(tài)輸入P06真空泵故障輸入P07自動P08手動P09循環(huán)線路1狀態(tài)P0A循環(huán)線路2狀態(tài)P0B變頻器頻率輸入V0COM0D4980(出變頻器)壓力輸入V1COM1D4981頻率輸出V0+V0-D4982(入變頻器)水位輸入V0COM0D4984出水頻率D465030Hz左欄為默認工作壓力設(shè)定D4012水位下限D(zhuǎn)4000水位上限D(zhuǎn)4005供水下限D(zhuǎn)40162m文本顯示器時間周D3500時D3503分D3506顯示器內(nèi)部時間周D3510時D3513分D3516實際水位D4004實際壓力D4018變頻器實際輸出D4150壓差上限D(zhuǎn)4060壓差下限D(zhuǎn)4070壓力系數(shù)D403040頻率系數(shù)D404080水位系數(shù)D405080頻率上升時間D402690s輸出供水1泵P40供水2泵P41供水3泵P42真空泵啟動P431泵電動閥輸出P442泵電動閥輸出P453泵電動閥輸出P46取水電動閥輸出P47循環(huán)控制線路1P48循環(huán)控制線路2P49供水1泵電磁閥輸出P4A供水2泵電磁閥輸出P4B供水3泵電磁閥輸出P4C

注：備用泵轉(zhuǎn)換時間默認為：每周三凌晨兩點。

2、上表中所列舉的參數(shù)可變的寄存器由LG文本顯示器輸入，文本顯示器上有接串口線的端口RS232，與PLC的RS232端口連接后就可設(shè)置參數(shù)。如下圖對水位進行設(shè)置的文本顯示器面板。

圖4-1文本顯示器界面

顯示屏面板共有12個按鍵，包括：4個功能鍵、4個箭頭鍵和ESC鍵、ALM鍵、SET鍵、ENT鍵。

開機顯示封面，按ESC鍵退出并進入主菜單，按▲▼鍵選擇項目，再按ENT鍵進入選中的項目畫面。按ESC鍵可退出當(dāng)前畫面并返回主菜單。

項目說明

水位設(shè)置：用戶可自己設(shè)定水位上限、供水下限和水位下限。

水位顯示：顯示當(dāng)前水位的實際狀態(tài)。

壓力顯示：顯示當(dāng)前管道壓力的實際狀態(tài)，及可設(shè)定壓力窗口。

頻率顯示：顯示當(dāng)前變頻器的實際頻率，并有出水頻率設(shè)定窗口，根據(jù)具體情況設(shè)定出水頻率。

系統(tǒng)循環(huán)定時：即備用泵轉(zhuǎn)換時間，當(dāng)時間和條件都符合時，2泵和3泵輪換工作，延長備用泵壽命。

系統(tǒng)內(nèi)部時間：控制柜可與電腦連接，文本顯示器同時可以與電腦時間校準(zhǔn)，保證兩泵準(zhǔn)時轉(zhuǎn)換。

系數(shù)設(shè)置：可跟據(jù)傳感器的實際參數(shù)設(shè)置壓力系數(shù)、頻率系數(shù)、水位系數(shù)。

壓差設(shè)置：用戶可設(shè)定壓差上限、壓差下限、頻率上升時間。

程序流程圖

具體控制方案上面已有詳細敘述，根據(jù)本課題要求和實際情況的限制，恒壓供水系統(tǒng)流程圖見附錄。

程序編寫

在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用了一臺變頻器連接1臺電動機，變頻器輸入電源前面接入一個空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。對于用軟啟動器控制的電動機，還需要在軟啟動器上面接入兩個空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機的過流過載保護，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電動機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當(dāng)選擇。水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。

PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、變頻1泵起動程序、恒壓供水模塊程序、進2泵程序、求模擬量平均值程序、進3泵程序、退3泵程序、壓差程序、故障處理程序等構(gòu)成。

程序調(diào)試

為了保證系統(tǒng)的能夠順利運行，我對PLC程序進行了上電調(diào)試，用電位器作為模擬量輸入，用一根導(dǎo)線一段連接+24V，另一端按需要接觸PLC端子作為接口輸入。在第一次調(diào)試時，有多個程序點通不過，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是程序編寫不夠完善，后經(jīng)多次修改，現(xiàn)在可以完成系統(tǒng)要求任務(wù)。由于程序指令太長，現(xiàn)只截取1泵啟動時的圖像。如圖4-2。

圖4-2程序調(diào)試圖

結(jié)論

此次設(shè)計是以山東XX大學(xué)的供水狀況為設(shè)計課題，包括：恒壓供水系統(tǒng)原理、恒壓供水系統(tǒng)的電氣實現(xiàn)、系統(tǒng)的硬件選型、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件電路設(shè)計等，本設(shè)計一共包含四大章設(shè)計內(nèi)容，其主體是由變頻技術(shù)、壓差—恒壓自動轉(zhuǎn)換技術(shù)、微泄漏補償技術(shù)組成的，是現(xiàn)階段水處理行業(yè)較為先進的供水方法。本系統(tǒng)與現(xiàn)在普通二級加壓水廠相比，具有簡單經(jīng)濟、控制方便、節(jié)能降耗的優(yōu)點。

首先，普通二級加壓水廠只單純手動控制電機的啟動和切換，這樣在電機啟動時會產(chǎn)生很大的啟動電流，長此以往對電機壽命有很大損害，而且在供水時一直按工頻全速運轉(zhuǎn)效率低、能耗大。而本系統(tǒng)可根據(jù)實際壓力變化自動調(diào)整變頻器頻率，從而改變電機轉(zhuǎn)速，減少了能量的消耗。

其次，普通恒壓供水在用水量變化較大時有高效、節(jié)能的優(yōu)點，但在用水量很小的情況下，如晚上，變頻器工作在出水頻率附近時耗電量增大。而本系統(tǒng)通過壓差—恒壓自動轉(zhuǎn)換技術(shù)和微泄露補償技術(shù)解決了這個難題。

再次，本設(shè)計運行維護簡單方便，對于操作人員不要求具備專業(yè)的水處理知識，只根據(jù)操作說明書和操作規(guī)程就可以對整個水廠進行操作管理，因此，采用此設(shè)計建設(shè)的水廠適應(yīng)性強，在現(xiàn)階段很受客戶的歡迎。

這種水處理技術(shù)未來發(fā)展前景很大，它的供水方式和控制方式都符合供水發(fā)展方向，是現(xiàn)代人們生活所要求的并且前景光明。

參考文獻

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張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)(第二版).北京