基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u1717基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例綜述 1296911.1系統(tǒng)構(gòu)成部件選型 1221041.1.1變頻器的選型 1114311.1.2壓力傳感器的選型 1321851.1.3液位開關(guān)的選型 2271231.1.4接觸器的選型 2134781.1.5熱繼電器的選型 2238981.2plc及cpu選型 3256061.3恒壓供水控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 3153851.3.1主電路設(shè)計(jì) 3256781.3.2控制電路的設(shè)計(jì) 5154391.4恒壓供水控制系統(tǒng)的I/O地址分配 61.1系統(tǒng)構(gòu)成部件選型在本系統(tǒng)中將根據(jù)每個(gè)器件所要滿足的要求和最優(yōu)選型要求進(jìn)行器件的選型。1.1.1變頻器的選型正常變頻器的選型通過變頻器的型式確定和容量確定來進(jìn)行選擇，它依照的規(guī)則是先要滿足系統(tǒng)的需求，然后要對(duì)花費(fèi)進(jìn)行節(jié)約。該系統(tǒng)中因?yàn)橐臀鏖T子的PLC相匹配選擇的的是西門子MM4系列變頻器。MM4系列的不同型號(hào)規(guī)格的變頻器所匹配的控制器和應(yīng)用的環(huán)境也有所差別。MM420可使用在各種調(diào)速裝置中，非常適用于水泵和傳送帶等工業(yè)裝置。MM430也適用于不同的調(diào)速裝置，因?yàn)槠潇`活性而能在廣泛的范圍得到普及使用。尤其適用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機(jī)。與MM420相比這種變頻器具有更多的接口模塊，還具有手動(dòng)控制的控制面板，以及廣泛普及的軟件功能。MM440同樣適用于各種變速驅(qū)動(dòng)裝置。因?yàn)樗暮芎玫撵`活性所以可以把它使用在很多場(chǎng)所。綜上述的MM4系列變頻器，在本系統(tǒng)中將選擇MM430變頻器。MM430還帶有PID調(diào)節(jié)模塊，可以使用其控制面板對(duì)控制目標(biāo)的壓力設(shè)定值規(guī)定一個(gè)固定的頻率，經(jīng)過壓力感應(yīng)器的反饋信號(hào)和設(shè)置的信號(hào)進(jìn)行比較，通過對(duì)其頻率的改變來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用來改變供水管網(wǎng)中的水壓來達(dá)到恒壓供水的目的。1.1.2壓力傳感器的選型在恒壓供水系統(tǒng)中壓力傳感器是一個(gè)十分重要的器件它用于反饋管網(wǎng)中實(shí)時(shí)變化的水壓,它的精度反應(yīng)著恒壓供水管網(wǎng)中供水流量的調(diào)節(jié)。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將選用的是YTZ-150型帶電接點(diǎn)式的壓力感應(yīng)器。該傳感器的壓力感應(yīng)范圍為0~1.6MPa,其系統(tǒng)的精準(zhǔn)度為±0.01MPa。此感應(yīng)器將0~1.6MPa范圍內(nèi)的壓力信號(hào)變換為0~10V的電壓號(hào)，然后把此信號(hào)作為反饋信號(hào)反饋給壓力變頻器。該感應(yīng)器相比于碳膜式感應(yīng)器具有可靠性高,價(jià)格優(yōu)惠等優(yōu)點(diǎn)。此感應(yīng)器還可以對(duì)其進(jìn)行極限壓力值的設(shè)定,其中極限壓力值分別設(shè)在給定壓力值前后兩側(cè)和給定壓力有一些差異。當(dāng)用水管道中的水壓達(dá)到極限位置,此時(shí)感應(yīng)器將會(huì)輸出兩個(gè)數(shù)字信號(hào)進(jìn)PLC輸入點(diǎn),和存放在變頻器中的上下限輸出頻率觀測(cè)信號(hào)對(duì)比,然后使用PLC來操控水泵的變頻和工頻的改變。1.1.3液位開關(guān)的選型液位開關(guān)是使用內(nèi)部電子探頭對(duì)水位觀測(cè)反饋，進(jìn)而對(duì)觀測(cè)到的液位信號(hào)通過內(nèi)置CPU進(jìn)行計(jì)算分析，當(dāng)反映出蓄水池有水時(shí)，芯片給出高電平12V，當(dāng)判斷蓄水池?zé)o水時(shí)，芯片給出低電平0V。高低液位信號(hào)將輸入PLC內(nèi)置程序進(jìn)行處理。在恒壓供水的設(shè)計(jì)中液位開關(guān)是為了測(cè)量水箱中的高低水位，防止在供水中出現(xiàn)水位過高溢出或水位過低電機(jī)空轉(zhuǎn)損壞電機(jī)。液位開關(guān)的輸入信號(hào)將于PLC連接，通過PLC的管理可以起到保護(hù)水泵防止水池水位過高的作用。在本系統(tǒng)中將選擇的是BL-YW120連桿浮球式液位開關(guān)。1.1.4接觸器的選型在工業(yè)使用中接觸器是一種使用電磁效應(yīng)來控制觸頭開閉的裝置。接觸器的組成部分有電磁感應(yīng)裝置、觸頭以及滅弧器組成。其工作方式是當(dāng)接觸器的電磁線圈通電后，將會(huì)有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，使靜鐵芯出現(xiàn)磁力來吸住銜鐵，并使觸頭動(dòng)作：常閉觸頭斷開；常開觸頭閉合，兩者是聯(lián)動(dòng)的。當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，失去吸力使銜鐵得到系統(tǒng)彈性勢(shì)能的釋放，使觸頭回歸初始狀態(tài)：常閉觸頭閉合；常開觸頭斷開。接觸器的選型一般依據(jù)所選擇電路的電路數(shù)據(jù)、控制電路的數(shù)據(jù)、輔助電路數(shù)據(jù)以及接觸器所選類型來進(jìn)行選型的敲定。在選擇接觸器時(shí)首要要考慮的是電路的負(fù)載，根據(jù)電路負(fù)載的大小來選擇接觸器。然后在根據(jù)所選電機(jī)的的負(fù)載情況，再來確定接觸器的容量。最后根據(jù)主控制回路的需求來選擇線圈，然后根據(jù)霍杰條件來選擇接觸器的規(guī)格。在本文中將選擇的是天水二一三電器有限公司生產(chǎn)的GSC3-25AC交流接觸器其交流電頻率50HZ，額定電壓為660V,在AC-3類別下的額定工作電壓為380V而此時(shí)額定電流為9A~95A。1.1.5熱繼電器的選型熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)原理來工作對(duì)用電器進(jìn)行保護(hù)，其和電機(jī)的容許過載能力相近的反時(shí)限保護(hù)特點(diǎn)。這種器件一般情況下是對(duì)電機(jī)運(yùn)行情況下的過載進(jìn)行保護(hù)。也常與接觸器組合成電磁啟動(dòng)器。目前市場(chǎng)上使用最多的是雙金屬片式熱繼電器。這種繼電器有著簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)、較低的生產(chǎn)價(jià)格、較小的體積以及較好的熱保護(hù)效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)。在本系統(tǒng)中選擇的是JRS4-dR型號(hào)過載繼電器。該繼電器可使用50HZ的交流電，額定絕國(guó)家的城市標(biāo)準(zhǔn)為1.3-1.5;N：計(jì)算供水戶數(shù)，設(shè)計(jì)依據(jù)為320戶;Q=N*M*q0*Kh÷1000÷24=32m3/h；恒壓供水設(shè)備的系統(tǒng)揚(yáng)程的計(jì)算：根據(jù)我國(guó)的城市建筑供水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，水泵在進(jìn)行供水時(shí)所要用的揚(yáng)程是根據(jù)下面的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的：Hb≥1.2Hy+∑h+h0-Hz其中：Hb-供水管網(wǎng)最難供水點(diǎn)的要用到的水壓；Hy—在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選用該數(shù)據(jù)的高度差為58M;h—供水設(shè)備中水壓的損失，在本設(shè)計(jì)中取值為3M;h0—地下一層的供水設(shè)備和水平面的距離4M;Hz—該系統(tǒng)使用水池供水該系數(shù)取值為0M;1.2—恒壓供水設(shè)備中供水管網(wǎng)所要考慮到的系統(tǒng)損失系數(shù)。通過上述計(jì)算：采用恒壓供水設(shè)備用水高峰期水泵滿足最不利點(diǎn)所需的壓力約為：H=76.2m。即：Q≥11.2m3/h，H≥76.2m查閱資料和文獻(xiàn)將選擇三臺(tái)湘泵公司的IS50-32-250系列水泵，其流量為11.5m/h揚(yáng)程為80m電機(jī)功率為11kw。1.2plc及cpu選型在本科學(xué)習(xí)中接觸過西門子型號(hào)的PLCS7-1200，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可編程控制器是S7-1200，CPU為1214DC/DC/DC的型號(hào)這個(gè)型號(hào)擁有100KB工作存儲(chǔ)器；24VDC電源，板載DI14x24VDC漏型/源型，DQ10x24VDC和AI2；板載6個(gè)高速計(jì)數(shù)器和4路脈沖輸出；信號(hào)板擴(kuò)展板載I/O；多達(dá)3個(gè)用于串行通信的通信模塊；多達(dá)8個(gè)用于I/O擴(kuò)展的信號(hào)模塊；1.3恒壓供水控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)1.3.1主電路設(shè)計(jì)從下圖中可以看到每臺(tái)水泵都有變頻和工頻兩種工作方式，在每臺(tái)水泵上方可以看到分別連接兩個(gè)交流接觸器，其中一個(gè)連接著變頻器，另一個(gè)和供電網(wǎng)絡(luò)相連接。在系統(tǒng)中在每個(gè)水泵的工頻運(yùn)行和變頻器連接的上面設(shè)置了一個(gè)開關(guān)。這樣做是為了防止當(dāng)變頻器或水泵發(fā)生故障時(shí)影響到其他水泵的運(yùn)行，而且這樣還可以在發(fā)生故障時(shí)通過手動(dòng)方式來控制每臺(tái)水泵的運(yùn)行。這樣做可以使供水系統(tǒng)在變頻器發(fā)生問題時(shí)仍可以使用。在系統(tǒng)的連接圖中可以看到每個(gè)水泵和兩個(gè)交流接觸器相連接。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，每當(dāng)要換泵變頻運(yùn)行時(shí)，將會(huì)斷開前一臺(tái)泵和變頻器的連接，并為其切換為工頻狀態(tài)，然后讓這臺(tái)泵和變頻器連接做變頻工作。在各泵之間做變頻切換時(shí)，中間繼電器將會(huì)使變頻器無輸出。系統(tǒng)主電路圖如圖1.1所示。圖1.SEQ圖2.\*ARABIC1系統(tǒng)主電路圖圖中有三臺(tái)水泵電機(jī)M1、M2、M3，接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。QS為工頻電開關(guān)，F(xiàn)U為電機(jī)變頻器電路的熔斷器，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵過載保護(hù)用的熱繼電器。本系統(tǒng)采用變頻器分布式循環(huán)控制，即一臺(tái)變頻器分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。M1、M2、M3可以通過接觸器的開端來控制直接接入工頻電從而工頻運(yùn)轉(zhuǎn)或者接入變頻器從而變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。任何一臺(tái)水泵電機(jī)可以處于停止、變頻運(yùn)轉(zhuǎn)、工頻運(yùn)轉(zhuǎn)三種狀態(tài)，但是最多只有一臺(tái)處于變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。以M1變頻運(yùn)轉(zhuǎn)為例，接觸器KM2處于關(guān)閉狀態(tài)，其他接觸器打開。若需要M1工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，M2變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。則切斷接連接M1和變頻器的接觸器KM2，合上M1工頻運(yùn)轉(zhuǎn)接觸器KM1，再合上M2變頻運(yùn)轉(zhuǎn)的接觸器KM4，這樣就可以實(shí)現(xiàn)M1工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，M2變頻運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。1.3.2控制電路的設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)的是基于PLC控制的，而主控制線路是否滿足條件，程序是否穩(wěn)定等因素直接關(guān)聯(lián)到該供水系統(tǒng)是否可以穩(wěn)定工作。而本次設(shè)計(jì)所采用的系統(tǒng)是基于西門子S7-1200PLC，此款PLC具有小體積，速度快，穩(wěn)定性強(qiáng)，性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。恒壓供水系統(tǒng)使用PLC是為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。在供水系統(tǒng)中要使用PLC實(shí)現(xiàn)三臺(tái)水泵的自動(dòng)控制。其中包括：三臺(tái)水泵和變頻器之間的切換；水泵在啟動(dòng)時(shí)要使用軟啟動(dòng)；電機(jī)的管理要用到手動(dòng)和自動(dòng)的工作模式，手動(dòng)模式主要用于系統(tǒng)維護(hù)和修理時(shí)工作；系統(tǒng)還要具有警報(bào)和顯示運(yùn)行狀態(tài)的功能。在電控系統(tǒng)控制電路中。其中SA作萬(wàn)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)使用手動(dòng)工作狀態(tài)，可使用開關(guān)SB1~SB6來管理三臺(tái)電機(jī)的開關(guān)；當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)工作狀態(tài)，將使用PLC來管理整個(gè)電路的工作。當(dāng)系統(tǒng)做自動(dòng)工作時(shí)使用HL10來顯示。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用控制開關(guān)KA來對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位管理。而圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)。系統(tǒng)控制圖如圖1.2所示。圖1.SEQ圖2.\*ARABIC2系統(tǒng)控制圖上圖為硬件設(shè)計(jì)的控制電路部分，水泵可以在手動(dòng)控制或PLC的自動(dòng)控制下工作。SA為萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開關(guān)，切換到手動(dòng)控制時(shí)通過控制按鈕SB1、SB3、SB5以自鎖和互鎖的方式可以控制1#、2#、3#水泵是否工頻運(yùn)轉(zhuǎn),控制按鈕SB2、SB4、SB4來控制1#、2#、3#水泵是否停止工作。當(dāng)切換至PLC控制時(shí)，通過PLC的Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5輸出分別控制1#水泵工頻、1#水泵變頻、2#水泵工頻、2#水泵變頻、3#水泵工頻、3#水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。Q1.1控制水池水位上下限指示燈，Q1.2控制變頻器報(bào)警指示燈，Q1.3控制變天模式指示燈，Q1.4控制報(bào)警電鈴，Q1.5控制變頻器復(fù)位。恒壓供水系統(tǒng)在手動(dòng)工作狀態(tài)和自動(dòng)工作狀態(tài)下的工作過程：(1)手動(dòng)狀態(tài)：手動(dòng)控制只有發(fā)生故障檢修時(shí)才會(huì)使用，在手動(dòng)狀態(tài)下利于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的故障進(jìn)行檢修?？刂瓢粹oSA打開到1端時(shí)使用手動(dòng)工作狀態(tài)，在這種狀態(tài)下可以使用控制按鈕來控制三個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)控制開關(guān)SB1按動(dòng)時(shí)會(huì)使KM2處于工作狀態(tài)進(jìn)而使線圈KM1通電，而此時(shí)的KM1將處于工作狀態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了互鎖功能，電機(jī)M1可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。當(dāng)系統(tǒng)的控制開關(guān)SB2工作時(shí)會(huì)使電路斷電，而這時(shí)的線圈KM1將斷電，進(jìn)而使水泵M1停止工作。同理，另外兩個(gè)電機(jī)的停止與工作也是同過這種模式來進(jìn)行工作的。(2)自動(dòng)狀態(tài)：一般情況下該系統(tǒng)是運(yùn)行在自動(dòng)情況下。當(dāng)系統(tǒng)控制按鈕SA工作在2端時(shí)將會(huì)使用自動(dòng)工作狀態(tài)。在自動(dòng)模式下系統(tǒng)將會(huì)由PLC程序進(jìn)行管理。輸出信號(hào)Q0.0控制第一臺(tái)電機(jī)的工頻運(yùn)行，輸出信號(hào)Q0.1控制第一臺(tái)電機(jī)的變頻運(yùn)行，當(dāng)輸出信號(hào)Q0.0處于1工作狀態(tài)時(shí)，線圈KM1處于通電狀態(tài)，第一臺(tái)水泵電機(jī)的工頻工作指示燈HL1工作，而此時(shí)KM1的常閉開關(guān)關(guān)斷，這就是電機(jī)控制中的互鎖狀態(tài)。當(dāng)輸出信號(hào)Q0.1處于1工作狀態(tài)時(shí)，線圈KM2處于通電狀態(tài)，第一臺(tái)水泵電機(jī)的變頻工作指示燈HL2工作，而此時(shí)KM2的常閉開關(guān)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)KM2、KM1之間的互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。1.4恒壓供水控制系統(tǒng)的I/O地址分配該設(shè)計(jì)對(duì)PLC的設(shè)計(jì)規(guī)定如下：（1）一臺(tái)水泵在在變頻器的帶動(dòng)下最長(zhǎng)工作時(shí)間為3h，否則要進(jìn)行切泵處理，是為了防止一臺(tái)水泵工作過長(zhǎng)時(shí)間燒壞水泵。（2）電機(jī)在工作時(shí)時(shí)要具有軟啟動(dòng)功能，而且電機(jī)要有手動(dòng)和自動(dòng)工作狀態(tài)。（3）系統(tǒng)要具有報(bào)警，和仿真模擬功能（4）考慮的電機(jī)的使用年限，電機(jī)的啟動(dòng)要使用先工作先斷開，先停止先工作的原則。

表1.1恒壓供水控制系統(tǒng)的I/O地址分配表類型名稱地址編號(hào)輸入信號(hào)水池水位上限信號(hào)I0.0輸入信號(hào)水池水位下限信號(hào)I0.1輸入信號(hào)壓力上限到達(dá)信號(hào)I0.2輸入信號(hào)1#電機(jī)過載信號(hào)I0.3輸入信號(hào)2#電機(jī)過載信號(hào)I0.4輸入信號(hào)3#電機(jī)過載信號(hào)I0.5輸入信號(hào)自動(dòng)和手動(dòng)轉(zhuǎn)換I0.6輸入信號(hào)壓力傳感器輸出模擬量電壓值A(chǔ)IWO輸入信號(hào)液位傳感器輸出模擬量電壓值A(chǔ)IW2輸入信號(hào)變頻器輸出模擬量AIW4輸入信號(hào)泵房淹水警告I1.0輸入信號(hào)水池進(jìn)水閥門全開信號(hào)I1.1輸入信號(hào)水池進(jìn)水閥門全關(guān)信號(hào)I1.2輸入信號(hào)水池進(jìn)水閥故障信號(hào)I1.3輸入信號(hào)水池進(jìn)水閥自動(dòng)/手動(dòng)信號(hào)I1.4輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈Q0.0輸出信號(hào)1#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈Q0.1輸出信號(hào)2#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈Q0.2輸出信號(hào)2#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈Q0.3輸出信號(hào)3#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈Q0.4輸出信號(hào)3#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈QO.5輸出信號(hào)變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷Q1.1輸出信號(hào)聲響報(bào)警Q1.2輸出信號(hào)電動(dòng)閥開信號(hào)Q1.3輸出信號(hào)電動(dòng)閥關(guān)信號(hào)Q1.4

該變頻供水系統(tǒng)有15個(gè)輸入量，這當(dāng)中有12個(gè)數(shù)字信號(hào)和3個(gè)模擬信號(hào)。其中有壓力傳感器和液位傳感器輸入給PLC的模擬電壓信號(hào)和一個(gè)變頻器反饋給PLC的模擬信號(hào)，他們占用了PLC的三個(gè)模擬量輸入接口；水池水位上限信號(hào)和水池水位下