西门子PLC地铁排水控制系统.pdf

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1、 第一章 绪论 1.1 研究背景 随着社会的越来越进步,人们对出行的需求也越来越高,目前城市的汽车数量增幅较大,直接导致了路面交通形成拥堵,为了解决路面交通拥堵,城市轨道交通成为一种有效疏导地面人流和缓解交通堵塞的重要手段。地铁车站的设计是地铁总设计中最重要的设计，通过车站的设计能保证乘客方便的坐上地铁，地铁车站的排水设计是车站给排水及防灾设计的主要内容之一,及时排放车站内部的积水,对车辆的正常运行及各类电器设备的保护有着重要意义。地铁车站设备监控系统分为中央级,车站级和就地级三级对车站设备进行监控,在中央级和车站级进行系统管理。车站设备监控系统对全线各个车站的通风空调系统设备、给排水设备、自

2、动扶梯、电梯、车站公共区照明、广告照明、车站事故照明电源、屏蔽门、人防密闭隔断门等车站设备进行全面且有效的自动化监控及管理,确保设备处于高效,节能,可靠的最佳运行状态,创造一个舒适的地下环境；并能在火灾等灾害或阻塞事故状态下,更好地协调车站设备的运行,充分发挥各种设备应有的作用,保证乘客的安全和设备的正常运行。1.2 研究意义 快速轨道交通系统在大都市圈中具有不可替代的作用，对城市的交通结构、城市形态的调整均有着巨大的影响。在大都市圈中，需要考虑城市外围地区与城市中心部之间的紧密交通联系，而城际轨道交通系统恰恰正是促进这种交通结构合理化的重要手段。为此，不仅需要重视城市中心部的地铁建设，而且必

3、须给于城际轨道交通以足够的关注。为实现城市公共交通系统较大的分担率，必须加强轨道交通系统的建设，加强地区之间的协调、规划。轨道交通的发展应该纳入都 市圈的发展战略规划，目前将轨道交通作为独立的系统进行规划的方法值得商榷，应当从体制和机构上进行协调。都市发展战略规划中的交通专项规划，应与经济发展政策以及其他交通方式相协调，确定轨道交通系统的发展政策及整体网络布局，最大限度发挥其在地区发展中的作用，合理诱导都市圈的发展，促进地区发展战略目标的实现，为实现可持续发展创造条件。1.3 国内研究现状 在我国，目前已经有 33 个城市已经规划轨道交通建设，其中 28 个城市已获批，且目前北京、天津、上海、

4、广州、南京、沈阳、成都、武汉、西安、重庆、深圳、苏州等 11 个城市均已开通地铁。地铁的建设目前 已经发展为一个城市交通现代化的重要标识之一。1.4 地铁排水设计方法 而地铁车站中最重要的设计之一就是地铁排水的设计。及时对车站的积水进行排放对对车辆的正常运行及各类电器设备的保护有着重要意义。对于地铁排水的控制方法有很多：(1)可编程控制系统(2)继电器控制系统(3)集散控制系统(4)工业微机控制系统(5)单片机控制 由于目前对于地铁的控制要求越来越高，在未来的发展中，我们还需要进行添加新的控制功能，这就需要我们所设计的控制方法能够进行扩展，而可编程控制系统比其他系统的稳定性好，并且还可以扩展模

5、块，所以在本课题的设计中我选择选用可编程控制系统来进行控制地铁的排水功能。第二章 排水系统总体方案设计 2.1 地铁水的来源及排放方式 城市地铁水的来源及排放方式见下表：来源 排放方式 雨水 城市雨水管网系统 集中空调冷凝水 城市雨水管网系统 结构渗漏废水 城市雨水管网系统 生活污水 城市污水管网系统 消防废水 城市污水管网系统 人员卫生间的污水 城市污水管网系统 2.2 排水系统实现的功能 对于上述产生的几种水，我们需要对其进行不用处理排放，保证地铁周围环境的干净。为了排除这些不同种类的水，我们所设计的系统应该具备以下的功能：各种不同的水通过不同的管道排放到不同的处理池，不可将几种水一起排放

6、，造成水的浪费；在处理不同水的处理池应设置 3 个传感器检测水位线和 1 个报警器，具备能够检测最低水位和最高水位，一旦超过最高水位给予报警提示；设置一个备用的水池，以防止由于污水过多导致前面几个污水处理池超过警戒线而溢出；设置 3 台抽水泵实施 8 小时倒班工作制度，同时设置过载和短路保护，防止在没有人看管的情况下能够自动停止带故障运行，避免抽水泵出现故障或者长时间工作导致其损坏；设置手动停止操作，防止出紧急现故障时能够手动停止进行检修。2.3 系统控制功能设计 由于排水管道一般处于地面下，且低于市政所铺设的污水处理管道，不能够自动地排除污水，所以需要将处理过后的污水通过电动机抽取污水至市政

7、排污管道，我们应该选取适当的方式进行排污。2.3.1 处理池的选择和分配 对于地铁车站，起污水主要来源于雨水，生活污水，消防用水和结构渗水四个方面。我们应该对不同的污水进行不同的处理，所以在地铁车站下面我们选择了三个污水处理池及一个备用池来收集和处理污水。具体分配如下：1 号水池用于处理生活污水；2 号水池用于处理结构渗水和消防用水；3 号水池用于处理雨水；4 号水池作为备用水池，可以处理任何污水。对于这些污水池，我们在污水处理池中设置 3 个传感器，分别用来监控高水位、排水位和低水位，当水位达到高水位，提示报警。2.3.2 处理池的工作方式 对于地铁的污水处理池，我们在每个污水处理池设置有进

8、出水阀门，对于不同编号的水池有着不同的处理方式。其具体有以下几种工作方式：单一集水池自动排水控制：当有一集水池到达排水位时，自动打开其排水电磁阀并启动台排水泵进行排水；当该集水池没水时，自动关闭其排水电磁阀并停止排水泵；先到排水位先抽排水控制：按照集水池先到达排水位的时间先后顺序进行排水。即哪个集水池先到达排水位，就先对该集水池进行排水；集水池不同满水情况下的先到排水位先抽的自动排水控制：若号排水泵在对某一集水池进行排水的过程中，其它 3 个集水池中有 1 个集水池到达排水位等待排水，则按排水位的时间先后顺序自动再打开一集水池的排水电磁阀并启动号排水泵进行排水，且当只剩一个集水池排水时，自动关

9、闭号排水泵。此功能根据集水池不同到达排水位的情况来决定启动排水泵的台数，并按先到达排水位先抽原则进行自动排水控制，同时充分考虑到可能的消防或洪涝灾害时大量排水的需要。2.3.3 车站的控制方式 对于一个控制系统，我们需要在任何地方都能看到并能够处理，对于本系统，我们提供了三种控制方式：水位自动控制、现场手动控制、车站控制室远程控制 2.3.4 处理池故障处理方式 当处理池出现故障时，我们应该对其给予检修，在检修时我们应该关闭系统然后再进行检修，对于检修故障我们设置了以下 2 种方式：当系统出现故障时，设置停止按钮使系统停止下来，当停止按钮触发最后一次排水信号，所有进水阀门关闭，排水阀门打开,1

10、 号电机和备用电机启动抽水 5分钟后系统自动停止工作。当电机发生故障时，此时没有人在工作岗位上时，系统不可继续执行抽水工作。关闭所有进水阀门和排水阀门，系统发出报警，报警30 分钟后自动断电。2.3.5 排水管道的选择 本地铁排水系统污水有四个不同的来源，其中消防用水和结构渗水可以一起处理，考虑到对不同程度的污水处理方式的不同，对水资源的再生利用。对于管道铺设应该分三类不同的管道，分别对应三个不同的污水处理池。其中主排水管道要大于各个污水处理池排除管道，以保证污水能够从地铁站迅速排除，当某一种污水来不及处理时，应该将其先排放到第四号污水处理池等待处理。第三章 系统硬件的设计 5.1 输入输出接

11、口的确定 本次地铁排水控制系统是通过PLC编程来进行控制的，通过PLC的输入输出控制，实现每个排水池的自动排水操作。通过对地铁水来源的分析，我们采用了 4 个处理池和 3 台电动机来进行处理污水，每个处理池设置传感器进行高水位、排水位和低水位检测，当水位处于低水位时，低水位指示灯亮，排水阀门关闭，同时电动机处于停止状态；当水位处于排水位时，排水阀门打开，低水位指示灯熄灭，1 号电动机启动排水；若此时还有 2 号水池到达排水位，则打开该水池的排水阀门，同时启用 2 号电动机进行排水；若此时还有 3 号水池也到达排水位，则启用第三台电动机进行排水；若此时有水池到达满水位，则将其多余的水排入 4 号

12、备用水池。其具体分配件表 3-1。表 3-1 I/O 分配表 输入点 功能 输出点 功能 I0.0 池 1 低水位检测 Q0.0 池 1 进水阀门 I0.1 池 1 排水位检测 Q0.1 池 1 排水阀门 I0.2 池 1 高水位检测 Q0.2 池 2 进水阀门 I0.3 池 2 低水位检测 Q0.3 池 2 排水阀门 I0.4 池 2 排水位检测 Q0.4 池 3 进水阀门 I0.5 池 2 高水位检测 Q0.5 池 3 排水阀门 I0.6 池 3 低水位检测 Q0.6 池 4 进水阀门 I0.7 池 3 排水位检测 Q0.7 池 4 排水阀门 I1.0 池 3 高水位检测 Q1.0 池 1

13、 低水位指示 I1.1 池 4 低水位检测 Q1.1 池 1 排水位指示 I1.2 池 4 排水位检测 Q2.0 池 1 高水位指示 I1.3 池 4 高水位检测 Q2.1 池 2 低水位指示 I1.4 一号电机故障检测 Q2.2 池 2 排水位指示 I1.5 二号电机故障检测 Q2.3 池 2 高水位指示 I2.0 三号电机故障检测 Q2.4 池 3 低水位指示 I2.1 启动 Q2.5 池 3 排水位指示 I2.2 停止 Q2.6 池 3 高水位指示 Q2.7 池 4 低水位指示 Q3.0 池 4 排水位指示 Q3.1 池 4 高水位指示 Q3.2 一号电机运行指示 Q3.3 二号电机运行

14、指示 Q3.4 三号电机运行指示 Q3.5 一号电机工作时间指示灯 Q3.6 二号电机工作时间指示灯 Q3.7 三号电机工作时间指示灯 Q4.0 一号电机故障报警指示 Q4.1 二号电机故障报警指示 Q4.2 三号电机故障报警指示 由表 3-1 可以看出，本次共需要 12 个输入接口，22 个输出接口，故采用西门子S7-200 CPU224 型 PLC，5.2 传感器的选择 LC-SW1 型水位传感器容器内的水位传感器，将感受到的水位信号传送到控制器，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质，向给水电动阀发出开关的指令，保证容器达到设定水位。进水程序完成

15、后，温控部份的计算机向供给热媒的电动阀发出开的指令，于是系统开始对容器内的水进行加热。到设定温度时。控制器才发出关阀的命令、切断热源，系统进入保温状态。程序编制过程中，确保系统在没有达到安全水位的情况下，控制热源的电动调节阀不开阀，从而避免了热量的损失与事故的发生。5.3 阀门的选择 ZBSF 不锈钢电磁阀为分步动作直接先导式电磁阀，根据断电时所处开关状态的不同，可分为常闭电磁阀和常开电磁阀。常闭电磁阀，线圈通电后衔铁在电磁力作用下先带动副阀工启，主阀在所形成的介质压差和电磁力的作用下而开启。线圈断电，衔铁部件复位，主副阀利用介质压力而紧密关关闭。常开电磁阀，线圈通电后，衔铁在磁力作用下下移，

16、推动副阀阀塞下移，直到和副阀座压紧，副阀关闭，由于主阀阀杯上下压差趋于相等，主阀阀杯由磁力和自重压紧紧密封面，阀门关闭。线圈断电，磁力为零，衔铁和副阀阀塞由弹簧作用上升，副阀打开，主阀阀杯内介质经副阀流走，压力下降，主阀阀杯由下下压差作用向上升起，主阀打开，阀门开启。图 3-1 阀门结构图 5.4 泵的选择 WQ 系列高效节能无堵塞排污泵；其排水口径为 40mm;流量为 15m3/h;扬程 30m;额定功率 2.2Kw;额定转速 2840r/min;工作效率为 48%。该泵是引进国外高效节能无堵塞排污泵先进经验，结合本单位技术力量研制而成，各项性能指标均达到国家标准同类产品水平。由于采用独特的

17、单通道叶轮、动密封采用两组特殊材料的硬质合金机械密封装置。电机用油室隔开，具有无堵塞、高效率、节能显著。应用范围：该泵最大优点能输送含有固体颗粒和含有纤维材料的污水，不堵塞、不缠绕。适用于输送工业废水和城市生活污水，还可用作疏水泵、纸浆泵、过过滤冲洗冷凝循环泵，灌溉用泵等污水处理场合也可用于抽送清水。5.5 电机的选择 与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难7。电机型号 Y90L-2;额定功率：2.2kw；额定转速：

18、2840r/min；额定电流：4.7A；效率 82%；功率因数：cos=0.86；堵转电流：7.0A；堵转转矩：2.2；最大转矩：2.2 由于本系统仅控制电机的启停与工作状态的保持，只需让电机保持在额定功率的运行即可。故选用成本较低的鼠笼式三相异步电机。5.6 接触器的选择 交流接触器的特点：交流接触器广泛用于电力传动系统中，作为频繁或分断带负荷电路的控制电器，交流接触器为电动操作，所以适合于远距离操作及自动控制系统。交流接触器不具有过电流保护功能，因此在线路中使用需要与带有过电流保护功能的电器配合使用。如配合熔断器、动空气断路器、热继电器等。交流接触器由电磁系统、触头系统、灭弧装置及机构附件

19、组成。电磁系统包括电磁线圈和静、动铁芯。接触器的选型 查新简明电工手册选择 CJXIF-9 型交流接触器8 主要技术参数:额定电流:9A 线圈控制电压：220V 可控电动机的最大功率 4KW 操作频率 1000 次/时 机械寿命 150000 次 5.7 过载保护装置 继电器保护 继电器是一种基本的电气设备，它用来打开或关闭一定数量互相独立的电路。这种操作是利用由电压控制的线圈绕组所产生的电磁场来实现的。继电器的种类繁多，各种强电弱电，低压高压的电气控制和保护都离不开继电器，随着科技的发展，出现了很多新型继电器。都是一般生产领域的继电器变化没有 那么快，传统的继电器控制操作还是必不可少的。继电

20、器作为一个控制电器来讲，它有两个主要部分：一个是控制系统(又叫输入回路)；另一个是被控制系统(又叫输出回路)。继电器之所以能起自动控制作用，是因为当它的控制系统中输入的某信号(输入量)，如电、磁、光、热等物理量，达到某一定值时，能使输出回路的被控制量(输出量)跳跃式的由零变化到一定值(或由一定位突跳到零)。我们把这种能自动使被控制量发生跳跃变化的控制元件称为继电器。继电器保护装置的选择 型号：MiCOM P24 同步、异步电动机保护 主要特点：数字光耦，电压可整定 开入、开出和 LED 功能自定义 图形化可编程逻辑 TA 额定值 1/5A 自适应 带事件记录、故障记录及故障录 功能配置 电动机

21、差动保护;短路保护；接地故障保护；灵敏接地故障保护；热过负荷保护；负序过流保护；逆功率保护；低电压保护；过电压保护；零序电压保护；频率保护；电动机堵转保护；失步保护；启动次数限制；RTD 输入、mA 量输入输出9。主要技术参数 工作电压：110-250V 交流电流额定值:5A 交流电压额定值：100-120V 频率额定值：50Hz,60Hz 定值精度：2%电流过载能力：4In 连续；100In,1s 电压过载能力：2Un 连续；2.6Un,10s 通信规约：Mod bus,Courier,IEC 103 中间继电器的选择 选择 JZ7-62 中间继电器 适用于交流 50Hz 或 60Hz，交流

22、电压至 380V，直流电压至 220V 的控制电路中，用来控制各种电磁线圈，以使信号放大或将信号同时传递给有关控制元件。继电器符合 GB14048。5-1993、IEC60947-5-1 修正件 No.1（1999）。正常工作条件及安装条件 海拔不超过 2000M 周围空气温度上限值不超过 40，下限值不低于-5。空气的相对湿度不大于 85%与垂直面的倾斜度不超过 5 无显著摇动和冲击振动地方 在无爆炸危险的介质中，且介质中无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体和尘埃（包括导电尘埃）结构特征 继电器的结构为开启型、空气电磁式，动作结构为直动式，产品躯壳用热固体性塑料制成，整个结构紧凑，使用方便。继电器

23、的触头系统为双断点桥式结构，分上、下两层排列，每层各装四对触点。为减轻继电器在闭合过程中的铁芯撞击和触头振动，铁芯采用弹性固定，有利于使用寿命的延长。继电器的接线端采用瓦型垫圈，接线方便可靠。技术参数 型号 JZ7-62;额定电压交流 380V;直流 220V;消耗功率启动 75V*A;吸持13V*A;操作频率 1200 次/H;外形尺寸/mm 60X52X90 54X30/2-5。第四章 系统控制硬件设计 4.1 系统配电图 如图 4-1 所示为系统主回路配电图，各个抽水泵都有独立电源，采用了AC380V交流电源,相互不会干涉。图 4-1 系统配电图 4.2 系统主电路 系统主电路的线路采用

24、了三相四线制，三台电动机由 KM1、KM2、KM3 电动机有分别控制启动与停止，每台电动机配有过电流保护，防止因为电流过大而烧坏电动机。对于 PLC 部分则是由空气开关 QF2 来决定其是否启动，PLC 采用的是 24V 直流电源，所以需要一个变压器进行变压，对于整个主回路，我设置了一个空气开关 QF1，只有闭合了 QF1 方可以启动电动机，断开 QF1，则整个主回路将关闭。具体电路图将附录二。4.3 输入回路 对于输入回路，我采用了 18 个输入回路，通过 18 个按钮 SB 进行控制，通过这些输入回路按钮 SB 的打开与关闭，可以实现电动机的启动和停机，通过输入回路的状态监测，使其对输出回

25、路进行控制，达到控制不同情况下水池的排水需求。在 CAD 的设计图纸上，我设计了 3 个输出回路图纸，具体图纸见附录二。4.4 输出回路 对于输出回路，我设计了 28 输出，用来监测各种不同状态，通过输入回路给出的信号，我们可以对水位的高低进行监测，对四个水池的阀门进行打开和关闭，以此来保证水池的水位正常。在 CAD 的设计图纸上，我用了 4 个输出回路的图纸来进行绘制，图纸详见附录二。第五章 控制系统的程序设计 5.1 系统流程图设计 对于一个好的设计，必须要有流程图的设计，流程图的设计结构清晰，逻辑性强，便于描述，容易理解。对于流程图的设计的设计，我们应该遵循以下原则：线段之间连接需要到位

26、，做到不漏任何一个线段；对于有判断的语句，应该用菱形进行表示，且还应该有 Y/N 进行标明；所有的线段都要做到对整齐，应该用连接符连接，不使用线条连接，这样可以做到没有歪斜；不可以有死循环。对于本系统，我设计绘画了以下几个流程图：系统总流程图，通过系统的总流程图可以初步了解本系统的工作过程和原理；启动程序流程图，通过启动自检来确保线路没有损坏，是保证系统正常先决条件；排水控制流程图，对于本系统要求就是排水，通过排水控制系统，可以实现各种情况下不同水位的处理，保证系统正常运行；满水控制流程图，对于水池，总有部分时候会达到满水，这时候我们就应该讲多余的水排入备用水池，所以对于系统满水时，我们应该及

27、时处理，避免污水发生外泄，通过满水控制系统，能够完美避免这类情况的发生；阀门控制流程图，为了保证污水及时得到处理，此系统中阀门则是最重要的，阀门的开关是否合理，直接影响污水处理的效果，通过阀门控制流程图，可以实现各个阀门有序的控制；定时控制流程图，对于任何一个系统，都需要一个精确的定时系统，才能准确无误的进行控制各种开关，在本系统中，通过定时控制流程图，可以实现电机的替换和故障时系统的关闭；报警控制流程图，对于一个系统，报警必不可少，通过报警系统，能够提示人们系统故障需要检修，通过报警系统程序，可以实现没人值班的情况下自动关闭系统，保证设备正常运行。5.1.1 系统的总流程图 对于系统的总流程

28、图，应该反映整个系统的工作过程，对于本系统的设计，从系统总流程图可以看出系统具备以下功能：在系统上电后，会立即进行自检，在确保各个部分没有故障后，方可正常启动，一旦有部分出现故障，这应该自动启动故障处理程序，用指示灯进行指示并发出报警，由在场的工作人员断开电源，进行故障处理，处理完毕后再上电检测，确认各个部分没有问题后再启动系统；当没有人存在的情况下，系统出现了故障，系统设置一个自动关闭程序，用一个定时器进行定时，定时一定时间后自动关闭系统，保证仪器和设备的完好；此系统使用了三台电动机，当有一个水池到达排水位的时候会立即开启当前应该工作电动机，若此时还有水池到达排水位，则会启动第二台电动机排水

29、；吃系统还匹配了备用水池，可以保证当水池达到高水位时，可以及时将多余的水排进备用水池。具体流程图见下图 5-1。图 5-1：系统启动并自检 报警并启动报警子程序 Y 任意电机故障 Y 5.1.2 启动程序流程图 所有水池都处于排水位以下 满水池=3 满水池=2 抽水机进入待命状态 Y Y Y N N 开 始 系统通电自检 通过以上的启动流程图可以看出本从设计在启动方面有以下几个特点：5.1.3 排水控制流程图 检测无误 按下启动按钮启动程序 按下停止按钮结束程序 报警并启用报警程序 10 分钟后自动关闭程序，等待检修 手动关闭程序进行检修 检修完毕 Y N Y Y 开 始 5.1.4 满水控制

30、流程图 排水程序启动 有一个水池到达排水位，排水指示灯亮 1 个 1 号电动机启动排水 有两个水池到达排水位，排水指示灯亮 2 个 有三个水池到达排水位，排水指示灯亮 3 个 2 号电动机启动排水 备用电机启动排水 检测水位 水池到达低水位 水池到达高水位 电动机关闭，等待下次排水 启动满水程序 开 始 结 束 5.1.5 阀门控制流程图 启动满水程序 1 个水池满水 2 个水池满水 3 个水池满水 该水池满水灯和排水灯亮，无水指示灯灭 所满水的水池满水灯和排水灯亮，无水指示灯灭 所满水水池满水灯和排水灯亮，无水指示灯灭 启用备用水池，将多余的水排入备用水池 开 始 5.1.6 定时控制流程图 对所有阀门状态进行复原 水位检测 低水位 排水位 高水位 进水阀门打开，排水阀门关闭 进水阀门关闭，排水阀门打开 进水阀门打开，排水阀门打开 结 束 开 始 电动机启动 5.1.7 报警控制流程图 开 始 任意电机出现故障