第三章 供水系统的硬件电路设计
3.1主要器件选型
3.1.1供水泵的选择
我们山东理工大学学校里，设定每人一天的用水量为30升，我校共有32000多名学生、2600多名教职工，共34000多人，可按30000人来计算。则一天的最大用水量为
（3-1）
每小时最大时的用水量为
（3-2）
最高的楼为11层，每层高度按3m计算，则楼高为33m，供水高度为33m。一般由现实需要还要加上一层，即供水高度为36m，再加上经验值15m～20m，则泵的总扬程为51～56m。选择离心泵ISG80-50-200，适配15KW的电机（Y160M2-2），共3台。
3.1.2变频器和软起动选型
由于电机的功率为15KW，选择康沃生产的P2系列CVF-P2-4T0185，软起动器选择STR015A，功率为18.5KW。
3.2供水系统的电气设计
3.2.1恒压供水思路
本系统具体控制方案为：
1、供水
（1）单泵工作
开机延时5秒，首先开启真空泵，开启1泵真空电磁阀和1泵电动阀，真空泵工作1分钟后（可以设置），开启变频1泵，关闭真空泵，关闭1泵真空电磁阀；1泵按2HZ/S速度上升至出水频率（可以设置），再按1HZ/S速度工作。
（2）进泵
当1泵到达全速但压力达不到设定值，延时（可以设置）开启真空泵，开启2泵真空电磁阀和2泵电动阀，真空工作1分钟后（可以设置），软起工频2泵，关闭真空泵，关闭2泵真空电磁阀；1泵下降至出水频率（可以设置），若压力超过设定压力，重新执行单泵工作程序。
（3）退泵
当1泵频率下降至出水频率（可以设置），实际压力超过设定压力，延时（可以设置），停止2泵，关闭2泵电动阀，重新执行单泵工作程序；
（4）3泵为手动/自动备用泵，本系统考虑到当遇到特殊情况时两个泵达不到需求时，要启动3泵。故在PLC程序中编写了进退3泵的程序。
（5）电动阀门可自动，也可手动控制。
2、取水
当蓄水池水位下降到水位下限后，停止所有工作供水泵，并开启取水电动阀；到达工作上限时，自动启动系统，关闭取水电动阀，按照以上程序执行。
3、工作状态
系统分自动和手动控制，在自动状态下执行自动程序，在手动状态下能够手动启动所有负载。具体思路如图3-1所示。
图3-1 恒压供水思路图
3.2.2强电驱动线路1
系统采用3台水泵并联运行方式，功率为15kw，两备一用。把1泵和变频器连接，实现变频运行。2泵和3泵用软起动器来启动，起动参数可调，而且采用的软起动器具有软停车功能。
在变频器的接点中，常开触点KM7代表手动，常开触点KM8代表自动，当需要系统自动时，KM8闭合，由PLC的模拟量模块输出电压信号来改变变频器频率，变频器中的AM，AM-接点连接模拟量模块中的频率输入端口，并进行处理；当旋钮打到手动档时，KM7闭合，由滑动变阻器来改变VI1口的输入电压，进而改变频率，从而调节水泵的转速。KA1线圈连接+24V和OC1端口，作用是当变频器启动完成后，线圈通电。当变频器出现故障时，TA、TC内置开关闭合，P01口接通。FWD和CM接通时电机正转，因为本系统不需要电机反转，故没有显示反转接口。
软启动器的STOP、COM和RUN端口连接方式如图3-2，当RUN和COM接通时，软启动器启动，启动时间可以设置。启动完成后，12V和OC端口接通。K12和K14接口分别接P03和24V，当软启动器出现故障时，两端口的内置开关接通，P03有信号，PLC会自动令水泵停止工作并令3泵启动接替2泵。3泵故障设置同2泵。
变频器和两个软启动器的启动完成端口连接的线圈电路中都连接有一个二极管，它的作用是为了消除继电器线圈中的剩余电量，防止浪涌电流烧毁端口内部器件。
两软启动器下面的线路是为定时转换备用泵而设计的，系统启动时默认开一号线路，即KM9，KM10闭合，KM11，KM12断开；当设定时间与系统内部时间相等时，KM9，KM10断开，KM11，KM12闭合。最初的设计想法是把KM9和KM10定义为三个常闭触点，这样定义I/O口和编程时都会简便一些，比如把KM9和KM10分别改为常闭触点KM11’和KM12’。当需要备用泵转换时，只让KM11（KM11’归于KM11）和KM12（KM12’归于KM12）动作即可。但从实际考虑一个接触器只有一个辅助常闭触点，这样一个电路就需要三个接触器，这样运作起来更麻烦了；辅助触头是有三个常闭触点的，但辅助触头绝对不能用到主电路的控制上。所以用四个常开触点更安全。主要参数的设定可用文本显示器来设定，省去了改写程序的麻烦。
图3-2 强电驱动图1
3.2.3强电驱动线路2
图3-3 强电驱动图2
电路图左边的是真空泵的主电路，断路器QF4和热继电器FR1用来保证电机安全运行，KM1的作用是在PLC中用来控制真空泵的开闭。三个电压表用来检测主电源线中电压是否稳定。
最右边的电路是为控制电路和PLC供电设计的。先通过变压器把380V转换成220V，用低通滤波器滤掉高频谐波，最后通过开关电源就得到24V和5V。
3.2.4电动阀控制电路
图3-4中控制四个电动阀的接触器分别是KM2、KM3、KM4、KM5。电动阀里有两个限位开关，三个接线端子。其中两个常开、常闭触点是主管阀门的开启和闭合。
连接在端子排中的1号位的是公共端，2号位的常闭触点的作用是关闭电动阀，3号位的常开触点闭合后电动阀开启。当电动阀开到90°时，会碰到5号位的关到位限位开关，线圈就会通电说明电动阀已经完全打开。同样，当关闭电动阀时，反转到90°时，会碰到4号位的开到位的限位开关，线圈通电表明电动阀已经成功关闭。
图3-4 电动阀控制线路
3.2.5 PLC接线图
图3-5所示的是LG-PLC接线图。在可编程控制器的左右两边分别是定义的输入点和输出点。本系统共用到三个泵，所以需要定义三个泵的状态输入和故障输入，又因为所用的泵是离心泵，离心泵启动时必须有真空泵把空气抽净，所以又加上了真空泵的控制端口。在现实控制中，手动是必须的。为了能让备用泵顺利转换，定义循环线路的输入和输出端口来保证两个软起泵能按时转换。在PLC右边，定义了三个供水泵，真空泵和四个电动阀的输出控制端口。最后的那三个供水泵电磁阀是用在每个泵启动时控制真空泵抽各离心泵中空气用的。
下图右边是完成本次系统任务的必需扩展。首先，是两个ADHB模数转换模块，用来处理如水位，压力和频率的模数转换。这三个模拟量不能直接参与PLC的运算，需要转换成数字量后才行。每个输入输出都有自己的寄存器地址，在编程时还要在调用寄存器的值的时候与相应的系数进行运算才可用于PLC中的PID运算。
文本显示器用于改变PLC程序中的有关参数。它对于编程和现场控制有很大帮助。可以随时在需要的情况下改变如三个模拟量系数、水位的上下限和备用泵的转换时间。
图3-5 PLC接线图
3.2.6控制线路
下面两图为本系统的控制线路。电源线为三相线的A、B相线，为了防止过载、短路和欠电压，最开始设置上了断路器。下面的K按钮是应急按钮。再下面的手动转换开关是用来选择手动还是自动。接触器最多只有四个常开触点，拿手动来说，需要两个10型的接触器和两个40型的辅助触头，共16个常开触点，KM8同理。每个泵阀门都有自动和手动，这是在实际需要的立场上设计的。
当手动时，KM7闭合2SB1为启动按钮，2SB2为停止按钮，当2SB1按下时，KM13自联锁，以下各环节一样；当自动时，KM8闭合由PLC控制的J继电器来决定各个J开关的开闭。右边的那一列指示灯是用来指示各开关按钮、泵和阀门是否动作到位。到位后按钮闭合，指示灯亮。指示灯这一列的电源接线接在急停按钮下的转换开关处，各电路环节在右边均有注解。
图3-6 控制线路1
图3-7为两个电动阀，循环控制线路和三个电磁阀的手动/自动控制线路。在循环控制线路中由于接触器触点较多，只能用两个接触器并联在一起使用。循环控制那两栏必须是两个开关同时接通指示灯才能亮。三个泵的电动阀的开到位限位开关、关到位限位开关也在指示灯上有体现，正常工作时相应的灯亮。
另外，接触器不能串联，线圈通电后，静铁心磁化，吸合动铁心，这时主电路才接通。如果两个接触器串联，也就是两个线圈串联，通电后，两个线圈可视作同时得电，控制电路里回路是存在的。但由于静铁心磁化后产生的吸力不可能完全相等，所以两个动铁心吸合必定有快有慢。铁心先吸合的接触器在铁心吸合后线圈电感增大，其端电压也大，这就可能导致另一个接触器线圈压降过低，铁心一直吸合不上。这就相当于单独的一个110V接触器接在220V电路中了，当然导致控制电路回路中电流过大，时间一长可能会烧毁线圈。
图3-7 控制线路2
第四章 恒压供水系统软件设计
本设计由于采用的PLC是LG系列的，所以在这里简单介绍一下LG系列PLC的一些编程规则。
4.1梯形图的基本绘制规则
1、编程顺序
梯形图按照从上到下，从左到右的顺序控制。每个逻辑行开始于左母线，一般来说，触点要放在左侧，线圈和指令盒放在右侧，线圈和指令盒右侧不能有触点，整个梯形图形成阶梯形结构。
2、编号分配
对于外接电路的各元件分配编号，编号的分配必须是主机或者扩展模块本身实际提供的，而且可以用来编程，两个设备不能共用一个输入输出点。
3、触点的使用次数和线圈的使用次数
在PLC的梯形图中，触点的使用次数可能用无数次，而线圈的使用次数只能是一次，否则，容易引发系统出现意外的事故。
4、线圈的连接
使用一个条件驱动多个线圈时，不能串联，只能并联。
4.2恒压供水系统I/O分配表
1、系统具体控制方案上章已叙述，在此把恒压供水系统的I/O分配列举如下：
注：备用泵转换时间默认为：每周三凌晨两点。
2、上表中所列举的参数可变的寄存器由LG文本显示器输入，文本显示器上有接串口线的端口RS232，与PLC的RS232端口连接后就可设置参数。如下图对水位进行设置的文本显示器面板。
图4-1 文本显示器界面
显示屏面板共有12个按键，包括：4个功能键（F1、F2、F3、F4）、4个箭头键（▲向上、▼向下、 向左、 向右）和ESC（退出）键、ALM（报警）键、SET（设置）键、ENT（确认）键。
开机显示封面，按ESC键退出并进入主菜单，按▲▼键选择项目，再按ENT键进入选中的项目画面。按ESC键可退出当前画面并返回主菜单。
项目说明：
（1）水位设置：用户可自己设定水位上限、供水下限和水位下限。
（2）水位显示：显示当前水位的实际状态。
（3）压力显示：显示当前管道压力的实际状态，及可设定压力窗口。
（4）频率显示：显示当前变频器的实际频率，并有出水频率设定窗口，根据具体情况设定出水频率。
（5）系统循环定时：即备用泵转换时间，当时间和条件都符合时，2泵和3泵轮换工作，延长备用泵寿命。
（6）系统内部时间：控制柜可与电脑连接，文本显示器同时可以与电脑时间校准，保证两泵准时转换。
（7）系数设置：可跟据传感器的实际参数设置压力系数、频率系数、水位系数。
（8）压差设置：用户可设定压差上限、压差下限、频率上升时间。
4.3程序流程图
具体控制方案上面已有详细叙述，根据本课题要求和实际情况的限制，恒压供水系统流程图见附录。
4.4程序编写
在硬件系统设计中，采用了一台变频器连接1台电动机，变频器输入电源前面接入一个空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。对于用软启动器控制的电动机，还需要在软启动器上面接入两个空气开关，来实现电机的过流过载保护，空气开关的容量依据电动机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开启和关闭。
PLC主程序主要由系统初始化程序、变频1泵起动程序、恒压供水模块程序、进2泵程序、求模拟量平均值程序、进3泵程序、退3泵程序、压差程序、故障处理程序等构成。（具体程序见附录）
4.5程序调试
为了保证系统的能够顺利运行，我对PLC程序进行了上电调试，用电位器作为模拟量输入，用一根导线一段连接+24V，另一端按需要接触PLC端子作为接口输入。在第一次调试时，有多个程序点通不过，经检查发现是程序编写不够完善，后经多次修改，现在可以完成系统要求任务。由于程序指令太长，现只截取1泵启动时的图像。如图4-2。
图4-2 程序调试图
结 论
此次设计是以山东XX大学的供水状况为设计课题，包括：恒压供水系统原理、恒压供水系统的电气实现、系统的硬件选型、系统的硬件电路设计和软件电路设计等，本设计一共包含四大章设计内容，其主体是由变频技术、压差—恒压自动转换技术、微泄漏补偿技术组成的，是现阶段水处理行业较为先进的供水方法。本系统与现在普通二级加压水厂相比，具有简单经济、控制方便、节能降耗的优点。
首先，普通二级加压水厂只单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。
其次，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的优点，但在用水量很小的情况下，如晚上，变频器工作在出水频率附近时耗电量增大。而本系统通过压差—恒压自动转换技术和微泄露补偿技术解决了这个难题。
再次，本设计运行维护简单方便，对于操作人员不要求具备专业的水处理知识，只根据操作说明书和操作规程就可以对整个水厂进行操作管理，因此，采用此设计建设的水厂适应性强，在现阶段很受客户的欢迎。
这种水处理技术未来发展前景很大，它的供水方式和控制方式都符合供水发展方向，是现代人们生活所要求的并且前景光明。
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