基于PLC的供水控制系统设计.docx

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1、基于PLC的供水控制系统设计.doc 湖南工业职业技术学院Hunan Industry Polytechnic 题目基于PLC的供水控制系统设计 系名称电气工程系 专业及班级机电 S2022-1 学生姓名李长虹 学号43 指导教师李力颜志红 摘要 本课题以某小区供水系统的改造为背景，根据供水系统的特性和实际情况 的要求，采用 PLC实现供水过程的全自动控制，满足居民用水的需要。研究的主要内容包括 : 基于 PLC自来水控制系统整体方案的设计、 PLC控制系统原理、重点探讨 PLC控制系统硬件、软件的设计，对 PLC在实际现场控制过程中经常遇到的一些实际问题的解决，基于该工程项目的电气控制系统设

2、计与实现展开的，采用可编程控制器 PLC，完成了整个电气控制系统的软硬件的设计，基本达到了预期的目标，实现了小区供水的自动化。 关键词 PLC；供水系统；自动控制 目录 第 1 章绪论 (4) 1.1 课题背景和意义 (4) 1.2 国内外物业供水系统发展与现状 (4) 1.3 可编程控制器 (PLC) 的特点及应用 (5) 1.4 基于 PLC的物业供水系统实现功能及特点 (6) 第 2 章供水系统的理论分析及方案的确定 (7) 2.1 恒压供水系统原理 (7) 2.2 系统方案确定 (7) 第 3 章供水系统的硬件设计 (9) 3.1 系统主要配置的选型 (9) 3.1.1 水泵机组的选型

3、 (9) 3.1.2 PLC 的选型 (10) 3.1.3 压力传感器的选型 (11) 3.2 可编程控制器 I/O 分配 (13) 3.3 系统电路分析及设计 (14) 3.3.1 系统电源 (14) 3.3.2 供水系统主电路分析与设计 (14) 3.3.3 PLC I/O 接线图 (16) 3.3.4 压力传感器信号处理 (17) 3.3.5 报警电路设计 (18) 第 4 章供水系统的软件设计 (20) 4.1 供水系统程序流程图 (21) 4.2 供水系统程序设计 (22) 4.2.1 供水系统的程序主体思路 (22) 4.3.2 供水系统程序设计 (23) 27 结论 . 参考文献

4、 (28) 第1章绪论 1.1 课题背景和意义 我们都知道，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在建设节约型时代特征的前提下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。本系统就是在这种背景下设计的。 PLC 供水系统集电气技

5、术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以 提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 1.2国内外物业供水系统发展与现状 可编程序控制器 (program logical controller)，简称PLC，是一种专为在 工业环境应用而设计的数字运算电子系统。世界上第一台可编程控制器是美国数 字设备公司 (DEC)于1969年研制的。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模 集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等，PLC将传统的继电

6、器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性 高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得 PLC的功能大大增强，具有了：可靠性高、具有丰富的 I O接口模块、采用模块化结构、编程简单易学安装简单，维修方便等特点。以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。 PLC在物业供水方面也得到了广泛的应用。传统的小区供水方式有恒速泵加 压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等。这些传统的供水方式或多或少都存在各 自

7、的缺点和不足，比如：恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的 反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作水塔高位水箱供水基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大、单片机变频调速供水系 统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便， 且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪 费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，在这种情况下 人们想到了基于 PLC的供水系统设计。 目前国内外基于 PLC的供水系统设计技术比较多，并且有些技术已经相当成熟，从简单的基于 PLC的恒压供水系统设计到基于 PLC的变频

8、恒压供水系统设计，其中后者的变频技术是现在研究的核心，变频技术是在电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论发展的基础上发展起来的。 本文的基于 PLC的物业供水系统设计属于恒压供水，由于 PLC的可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等特点，与传统的供水系统相比本系统有很大的实用价值。 1.3可编程控制器(PLC)的特点及应用 可编程序控制器(program 109ical controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今

9、工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC 采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗 干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它 控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求，再加上PLC 发展过程中产 品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前， PLC 在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。 1.4基于PLC的物业供水系统实现功能及特点 本设计是基于 PLC 的物业供水系统，具有以下特点： 供水系

10、统有水泵 4 台，供水管道安装压力检测开关K1 ，K2 和 K3。K1 接通，表示水压偏低； K2 接通，表示水压正常； K3 接通，表示水压偏高。 （1）系统分手动工作和自动工作两种状态，自动工作时，当用水量少，压力增高，K3 接通，此时可延时 30s 后撤除 1 台水泵工作，要求先工作的水泵先切断；当用水量多时，压力降低， K1 接通，此时可延时 30s 后增设 1 台水泵工作，要求未曾工作过的水泵增加投入运行；当 K2 接通，表示供水正常，可维持水泵运行数量。 （2）各水泵工作时，均应有工作状态显示。 （3）手动工作时，要求 4 台水泵可分别独立操作（分设起动和停止开关），并分别具有过载

11、保护，可随时对单台水泵进行断电控制（若输入点不够，可减少一个过载保护收入）。 （4）设有“自动 /手动”切换开关（ ON手动， OFF自动），另设自动运行控制开关（ ON自动运行， OFF自动运行停止）。 （5）设有高压报警和低压报警。高压报警指示灯，当只有一台水泵在工作，但 是，水压还是超过正常值，这时就要报警来提醒工作人员，由工作人员决定是否手动关掉所有水泵。低压报警指示灯，当4 台水泵都投入工作，但是，水压还是低于正常值，如果这种状态经常发生，那么，这个系统就要考虑增设水泵以保证供水的正常。 第 2 章供水系统的理论分析及方案的确定 2.1恒压供水系统原理 恒压供水系统的供水部分主要由水

12、泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由 异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过调节电机机组工作电机的数量，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，恒压供水系统的实质是电机的工作控制。电动机的控制通常使用接触器，PLC 通过控制接触器来实现自动控制电机机组的电机从而实现了恒压供水。 2.2系统方案确定 恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、恒压控 制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元 控制多台水泵，实现管网水压的恒定压力供水，可供选择的方案有： 1、人工控制 +水泵机组 +压力传感器 这种控制系统结构简单，实现起来

13、也比较容易，就是派专人看着压力传感器 传输过来的数据，人工选择哪台水泵工作和控制几台水泵机组工作。这种控制比较落后，可靠性不高。需要工作人员一直守在控制室里，实时控制，效率低。因此不选并用此方案。 2、单片机 +水泵机组 +压力传感器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格 比。但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差， 同时在运行时，将产生干扰，水泵的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取 相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的 恒压供水系统中。 3、PLC+ 水泵机组 +压力传感器 这种控制方式灵活方便。具

14、有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进 行数据交换，通用性强，由于PLC 产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各 种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC 的硬件配置和 I O 的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过Pc 机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合， 并且与供水机组的容量大小无关。 通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“PLC+水泵机组 +压力传感器”的控制方式更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，

15、又能达到系统稳定性及控制精度的要求。 第 3 章供水系统的硬件设计 3.1系统主要配置的选型 3.1.1水泵机组的选型 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幅度相匹配。 本文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： 1)由多台水泵机组实现供水，流量范围600m2h，扬程 60 米左右，出水口水压大小为 0.4Mpa； 2)设置一台水泵作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

16、功能。 4)具有完善的过载保护功能，系统要求较高的经济运行性能。 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 4 台上海熊猫机械 (集团 )有限公司生产的 SFL 系列主水泵机组。 表 3.1 水泵机组参数表 数主要性能参数 型号量流量扬效转速电机余进出口 m2 /h程率%r/min功率量径mm m kw m 水 泵150sfl160-20x4 41608073145055 2.9150 机 组 3.1.2 PLC 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信号

17、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 及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素，以日本三菱 PLC 为例，该 PLC 有 FX 、A 、Q 三大系列，在 FX 系列中又有 FX1S，FX1N 和FX2N 三种型号。依据控制任务，从 PLC 的输入输出点数、存储器容量、输入输出接口模块类型等方面等来选 PLC 型号。在供水系统的设计中，我们选择 三菱 FX1N-40MR-001 型 PLC。FX1N-40MR-001 的主要参数为： IO 点数： 2416； 基本指

18、令： 27 条； 功能指令： 298 条； 基本指令执行时间： 0.55-0.7 微秒； 用户程序步骤： 8K； 通信功能：强； 输出形式：继电型； 输出能力： 2A 点； 三菱 FX1N-40MR-001 是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。具有扩展 输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用于一般的顺 序控制三菱 PLC。 特点：三菱 FX1N-40MR-001 PLC 拥有相当快的速度，FX 是从 16 路到 256 路输入 /输出的多种应用的选择方案；FX1N 系列是小型化，高速度，高性能和 所有方便都是相当于FX 系列中高档次的超小形程序装置。除输入输出16-25 点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。 三菱 FX1N-40MR-001 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行 16-256 点的灵活输入输出组合。可选用 16/32/48/64/80/128 点的主机，可以采用