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5变频恒压供水系统的硬件设计
5.1结构介绍及作用
根据第2章中所阐述的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图5-1所示： 由以上系统电气总框图（图5-1）可以看出，系统所需要的主要硬件包括：水泵机组、异步电动机、变频器、PLC及扩展模块、压力传感器、软启动器等。
电源故障、状态量输入上位机组态接触器接触器A/D转换模块可编程控制器PLC通信模块D/A转换模块变频器软启动器接触器报警、控制来给你输出接触器压力传感器离心泵异步电机 图5-1 变频恒供水系统结构图 各部分作用如下： 1.离心泵
离心泵是依靠旋转叶轮对液体的作用吧原动机的机械能传递给液体。由于离心泵的作用液体从叶轮进口流向出口的过程中，其速度能和压力能都得到增加，被叶轮排除的液体经过压出室，大部分速度能转换成压力能，然后沿排出管路输送出去，这是，叶轮进口处液体的排除而形成真空或低压，吸水池中的液体在液面压力的作用下，被压入叶轮的进口，于是，旋转着的叶轮就连续不断地西如何排除液体。
2.异步电动机
异步电动机主要用作电动机，拖动各种生产设备。其优点是结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高且适应性强。
3.接触器
交流接触器广泛用作电力的开断和控制电路。交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功
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能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。从而起到远程控制或弱电控制强电的功能。
4.变频器
变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。
5.PLC
可编程序控制器，英文称Programmable Controller，简称PC。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
6.传感器
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
5.2系统主要配置的选型 5.2.1水泵的选型
水泵机组的选型基本原则，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
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幅度相匹配。本设计以某小区的实际生活用水的数据进行选型，该小区生活用水具体要求为：
3（1）由多台水泵机组实现供水，流量400m/h范围，扬程60米左右，出水口水压大小
为0.4MPa；
（2）设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水；供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；
（3）系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能，各主泵均能可靠地实观软启动；
（4）具有完善的保护和报警功能，系统要求较高的经济运行性能。
表5-1 水泵型号及参数
型 号 数 量 流量扬程m 效率% 主要性能参数 进电压 出口V 径mm 转速r/min 电机功率KW 气蚀余量m m3/h 主泵机组 辅助泵 150SFL160-20x4 50SFL12-15x5 2 112 160 192 8.4 12 14.4 88 80 66 80 75 60 66 73 68 48 56 51 1450 55 2.9 3.6 3.[8 2.1 2.6 2.9 150 380 1 1450 5.5 50 380 根据以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力
（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用2台上海熊猫机械（集团）有限公司生产的SFL系列主水泵机组和1台SFL辅助泵机组。型号及参数见表5-1所示。
SFL型低噪音生活给水泵在外壳、轴上采用不锈钢材质，叶轮、导叶采用铸造件，经过静电喷塑处理，效率可提高5％以上；采用低噪音电机，机械密封，前端配有泄压保护装置，噪声更低（室外噪音60分贝）、磨损小、寿命更长；下轴承采用柔性耐磨轴承，噪音低，寿命长；采用低进低出的结构设计，水力模型先进，性能更可靠。它可以输送清水及理化性质类似于水的无颗粒、无杂质不挥发、弱腐蚀介质，一般用在城市给排水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。国外生活泵均采用此种形式，而不采用DL型泵，DL泵是60年代产品。SKL型低噪音生活给水泵的型号意义及工作范围如图5-3。
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150SFL160-20X4级数单级扬程（m）流量（m2/h）低转速、低噪音多级泵吸入、排出口径流量：1-360（m2/h）扬程：12-180（m)功率：0.75-132（Kw)
图5-3 SKL型低噪音生活给水泵的型号意义及工作范围
5.2.2变频器的选型
要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量（KVA）应同时满足下列三式：
PCN?kPM(kWA) （5-1）
?cos? PCN?k?3UMIM?10?3(kWA) （5-2） ICN?kIM(A) （5-3）
式中：PM—负载所要求的电动机的输出功率； ?—电动机的效率（通常在0.85以上）； cos?—电动机的功率因数（通常在0.8以上）； UM—电动机电压（V）；
IM—电动机工频电源时的电流（A）；
k—电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0-1.05； PCN—变频器的额定容量（kWA）；
ICN—变频器的额定电流（A）。
这三个公式是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
综合以上因素，我们选择西门子公司的MM430型变频器。其控制示意图如图5-4所示，主要技术数据如表5-2所示。
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表5-2 MM430变频器的主要技术数据
电源电压和功率范围 380V至480V±10%三相，交流7.5kW - 90.0kW (变转矩) 过载能力 可达1.4x额定输出电流(即允许过载 140%)，持续时间3s，重复周期时间300s；或1.1x额定输出电流(即允许过载110%)，持续时间60s，重复周期时间300s 0.98 96%至97% 3个，可编程，30V DC/5A(电阻性负载)，250V AC/2A (电感性负载) 2个，可编程，(0/4mA至20mA) 6个可自由编程的数字输入，带电位隔离，可以切换为PNP/NPN型接线 2个，可编程；0至10V，0mA至20mA，-10V至 +10V(AIN1)；??0至10V，和0mA至20mA(AIN2)；两个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入 变频器效率 变频器效率 继电器输出 模拟输出 数字输入 模拟输入 5.2.3 PLC配置
1.S7-200型PLC的特点
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信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素，以SIEMENS公司的S7-200PLC为例，该PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制。S7-200PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有丰富的通信指令，且通信协议简单等优点；PLC可以上接工控计算机，对自动控制系统进行监控。PLC和上位机的通信PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS323的转换，通信传输率为9.6Kbaud或19.2Kbaud。用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU。CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222 CN具有8个输入点和6个输出点，CPU 224CN具有14个输入点和10个输出点，CPU 224 CN具有14个输入点和10个输出点，CPU226 CN具有24个输入点和16个输出点。S7-200系列 PLC主要有六种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点数。数字量扩展模块：EM221具有8个输入点没有输出点，EM222具有8个输出点没有输入点，EM223输入输出都具有4/8/16三种。模拟量扩展模块：EM231具有3个输入点没有输出点，EM232具有2个输出点无输入点，EM235具有3个输入点2个输出点考虑到本设计需
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