发布时间 : 星期三 文章基于PLC控制的恒压供水系统设计更新完毕开始阅读7d1f1b75f705cc175427095d
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功率因数总不会为1。因此，中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换。
(3)逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出。
(4)控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、栅极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。
一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。直流中间电路的储能元件在整流电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。图2-4为电流型变频器主电路基本结构示意图。
电源 （a） 平滑电感 电动机 M~ 电源 平 滑 电 容 电动机 + - M~ （b）
图2-4 电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构 (a) 电压型变频器主电路；(b)电流型变频器主电路
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3 系统硬件选择及系统电路设计
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-1所示：
故障、状态等量输入报警、控制等量输出A/D模块可编程控制器(PLC)通讯模块变频器压力变送器人机界面水泵机组 图3-1 系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表3.1所示：
表3-1 本系统主要硬件设备清单
主要设备 可编程控制器（PLC） 模拟量扩展模块 变频器 水泵机组 压力变送器及显示仪表 液位变送器 型号及其生产厂家 Siemens CPU 226 Siemens EM 235 Siemens MM440 SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司） 普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪 分体式液位变送器DS26
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3.1 硬件选择
3.1.1 PLC及其扩展模块的选型
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统；又具有可靠性高，可扩展性好，有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入和输出信号，可自动完成A/ D转换，标准输入信号可以转换成一个字数字信号，输出信号则可以自动完成端口的D / A转换，一个字的数字信号转换成标准的输出信号。 EM235模块由DIP设置不同的标准，切换输入信号。 3.1.2 变频器的选型
变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。
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3.1.3 水泵机组的选型
水泵机组选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.3±0.01Mpa。根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。它可用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。 3.1.4 压力变送器的选型
压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入。在选型时，为防止传输过程中的干扰与损耗，通常采用4~20mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力变送器出现故障时，系统有可能启动所有的水泵，如果此时的用水量又达不到，则会造成水压过高。为防止爆管和超高水压损坏用水设备，本设计中的供水系统采用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，系统关闭所有水泵并报警输出。
供水系统的压强是P??gh，下面单位都是估计标准单位??103，g=9.8，一般情况下，h<60米，所以本系统供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，据以上综合分析，系统选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0~1Mpa，精度0.01；数显仪输出一路4~20mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。 3.1.5 液位变送器选型
考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m~5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准信号（4~20mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号，输入PLC。