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湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 Hunan Industry Polytechnic 題目 基于PLC的供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系名稱 電氣工程系 專業(yè)及班級 機(jī)電S2012-1 學(xué)生姓名 李長虹 學(xué)號 43 指導(dǎo)教師 李力 顏志紅  摘 要 本課題以某小區(qū)供水系統(tǒng)的改造為背景，根據(jù)供水系統(tǒng)的特性和實(shí)際情況的要求，采用PLC實(shí)現(xiàn)供水過程的全自動控制，滿足居民用水的需要。研究的主要內(nèi)容包括:基于PLC自來水控制系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)、PLC控制系統(tǒng)原理、重點(diǎn)探討PLC控制系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)，對PLC在實(shí)際現(xiàn)場控制過程中經(jīng)常遇到的一些實(shí)際問題的解決，基于該工程項(xiàng)目的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開的，采用可編程控制器PLC，完成了整個電氣控制系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)，基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了小區(qū)供水的自動化。 關(guān)鍵詞 PLC；供水系統(tǒng)；自動控制 目 錄 第1章緒論 4 1.1課題背景和意義 4 1.2 國內(nèi)外物業(yè)供水系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀 4 1.3 可編程控制器(PLC)的特點(diǎn)及應(yīng)用 5 1.4 基于PLC的物業(yè)供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能及特點(diǎn) 6 第2章 供水系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 7 2.1 恒壓供水系統(tǒng)原理 7 2.2 系統(tǒng)方案確定 7 第3章 供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 9 3.1 系統(tǒng)主要配置的選型 9 3.1.1 水泵機(jī)組的選型 9 3.1.2 PLC的選型 10 3.1.3 壓力傳感器的選型 11 3.2 可編程控制器I/O分配 13 3.3 系統(tǒng)電路分析及設(shè)計(jì) 14 3.3.1 系統(tǒng)電源 14 3.3.2 供水系統(tǒng)主電路分析與設(shè)計(jì) 14 3.3.3 PLC I/O接線圖 16 3.3.4 壓力傳感器信號處理 17 3.3.5 報警電路設(shè)計(jì) 18 第4章 供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 20 4.1 供水系統(tǒng)程序流程圖 21 4.2 供水系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 22 4.2.1 供水系統(tǒng)的程序主體思路 22 4.3.2 供水系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 23 結(jié) 論 27 參考文獻(xiàn) 28 第1章 緒 論 1.1課題背景和意義 我們都知道，水是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在建設(shè)節(jié)約型時代特征的前提下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度低，而隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。本系統(tǒng)就是在這種背景下設(shè)計(jì)的。 PLC供水系統(tǒng)集電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2 國內(nèi)外物業(yè)供水系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀 可編程序控制器(program logical controller)，簡稱PLC，是一種專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)。世界上第一臺可編程控制器是美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)于1969年研制的。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等，PLC將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。70年代初期，體積小、功能強(qiáng)和價格便宜的微處理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增強(qiáng)，具有了：可靠性高、具有豐富的I／O接口模塊、采用模塊化結(jié)構(gòu)、編程簡單易學(xué)安裝簡單，維修方便等特點(diǎn)。以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。 PLC在物業(yè)供水方面也得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等。這些傳統(tǒng)的供水方式或多或少都存在各自的缺點(diǎn)和不足，比如：恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作水塔高位水箱供水基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動，啟動電流大、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點(diǎn)，在這種情況下人們想到了基于PLC的供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 目前國內(nèi)外基于PLC的供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)比較多，并且有些技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，從簡單的基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)到基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中后者的變頻技術(shù)是現(xiàn)在研究的核心，變頻技術(shù)是在電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)及電機(jī)控制理論發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 本文的基于PLC的物業(yè)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬于恒壓供水，由于PLC的可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)相比本系統(tǒng)有很大的實(shí)用價值。 1.3 可編程控制器(PLC)的特點(diǎn)及應(yīng)用 可編程序控制器(program 109ical controller)，簡稱PLC，是一種專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，它是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置，是當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國家自動控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一。由于PLC采用了“三機(jī)一體化”的綜合技術(shù)即集計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電氣控制于一身，具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，因而與其它控制器相比它更加適合工業(yè)控制環(huán)境和市場的要求，再加上PLC發(fā)展過程中產(chǎn)品的系列化、產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化，使之從早期的邏輯控制、順序控制迅速擴(kuò)展到了連續(xù)控制，開始進(jìn)入批量控制和過程控制領(lǐng)域，并迅速成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、強(qiáng)功能等方面有了質(zhì)的飛躍。 1.4 基于PLC的物業(yè)供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能及特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)是基于PLC的物業(yè)供水系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)： 供水系統(tǒng)有水泵4臺，供水管道安裝壓力檢測開關(guān)K1，K2和K3。K1接通，表示水壓偏低；K2接通，表示水壓正常；K3接通，表示水壓偏高。 （1）系統(tǒng)分手動工作和自動工作兩種狀態(tài)，自動工作時，當(dāng)用水量少，壓力增高，K3接通，此時可延時30s后撤除1臺水泵工作，要求先工作的水泵先切斷；當(dāng)用水量多時，壓力降低，K1接通，此時可延時30s后增設(shè)1臺水泵工作，要求未曾工作過的水泵增加投入運(yùn)行；當(dāng)K2接通，表示供水正常，可維持水泵運(yùn)行數(shù)量。 （2）各水泵工作時，均應(yīng)有工作狀態(tài)顯示。 （3）手動工作時，要求4臺水泵可分別獨(dú)立操作（分設(shè)起動和停止開關(guān)），并分別具有過載保護(hù)，可隨時對單臺水泵進(jìn)行斷電控制（若輸入點(diǎn)不夠，可減少一個過載保護(hù)收入）。 （4）設(shè)有“自動/手動”切換開關(guān)（ON——手動，OFF——自動），另設(shè)自動運(yùn)行控制開關(guān)（ON——自動運(yùn)行，OFF——自動運(yùn)行停止）。 （5）設(shè)有高壓報警和低壓報警。高壓報警指示燈，當(dāng)只有一臺水泵在工作，但是，水壓還是超過正常值，這時就要報警來提醒工作人員，由工作人員決定是否手動關(guān)掉所有水泵。低壓報警指示燈，當(dāng)4臺水泵都投入工作，但是，水壓還是低于正常值，如果這種狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生，那么，這個系統(tǒng)就要考慮增設(shè)水泵以保證供水的正常。 第2章 供水系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 2.1 恒壓供水系統(tǒng)原理 恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過調(diào)節(jié)電機(jī)機(jī)組工作電機(jī)的數(shù)量，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，恒壓供水系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是電機(jī)的工作控制。電動機(jī)的控制通常使用接觸器，PLC通過控制接觸器來實(shí)現(xiàn)自動控制電機(jī)機(jī)組的電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)了恒壓供水。 2.2 系統(tǒng)方案確定 恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元控制多臺水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定壓力供水，可供選擇的方案有： 1、人工控制+水泵機(jī)組+壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易，就是派專人看著壓力傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)，人工選擇哪臺水泵工作和控制幾臺水泵機(jī)組工作。這種控制比較落后，可靠性不高。需要工作人員一直守在控制室里，實(shí)時控制，效率低。因此不選并用此方案。 2、單片機(jī)+水泵機(jī)組+壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性能價格比。但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時在運(yùn)行時，將產(chǎn)生干擾，水泵的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的恒壓供水系統(tǒng)中。 3、PLC+ 水泵機(jī)組+壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和I／O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過Pc機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。 通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出“PLC+水泵機(jī)組+壓力傳感器”的控制方式更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 第3章 供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)主要配置的選型 3.1.1 水泵機(jī)組的選型 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。 本文以某小區(qū)的實(shí)際生活用水的數(shù)據(jù)進(jìn)行選型，該小區(qū)生活用水具體要求為： 1)由多臺水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)供水，流量范圍600m2／h，揚(yáng)程60米左右，出水口水壓大小為0.4Mpa； 2)設(shè)置一臺水泵作用于小流量時的供水；供水壓力要求恒定，尤其在換泵時波動要??； 3)系統(tǒng)能自動可靠運(yùn)行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動功能。 4)具有完善的過載保護(hù)功能，系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能。 根據(jù)以上系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚(yáng)程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量和設(shè)計(jì)供水壓力(水泵揚(yáng)程)，考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用4臺上海熊貓機(jī)械(集團(tuán))有限公司生產(chǎn)的SFL系列主水泵機(jī)組。 表3.1 水泵機(jī)組參數(shù)表 型號 數(shù)量 主要性能參數(shù) 流量m2/h 揚(yáng)程m 效率% 轉(zhuǎn)速r/min 電機(jī)功率kw 余量m 進(jìn)出口徑mm 水泵機(jī)組 150sfl160-20x4 4 160 80 73 1450 55 2.9 150 3.1.2 PLC的選型 PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素，以日本三菱PLC為例，該P(yáng)LC有FX、A、Q三大系列，在FX系列中又有FX1S，F(xiàn)X1N和FX2N三種型號。依據(jù)控制任務(wù)，從PLC的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)、存儲器容量、輸入／輸出接口模塊類型等方面等來選PLC型號。在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們選擇三菱FX1N-40MR-001型PLC。FX1N-40MR-001的主要參數(shù)為： I／O點(diǎn)數(shù)：24／16； 基本指令：27條； 功能指令：298條； 基本指令執(zhí)行時間：0.55-0.7微秒； 用戶程序步驟：8K； 通信功能：強(qiáng)； 輸出形式：繼電型； 輸出能力：2A／點(diǎn)； 三菱FX1N-40MR-001是三菱電機(jī)推出的功能強(qiáng)大的普及型PLC。具有擴(kuò)展輸入輸出，模擬量控制和通訊、鏈接功能等擴(kuò)展性。是一款廣泛應(yīng)用于一般的順序控制三菱PLC。 特點(diǎn)：三菱FX1N-40MR-001 PLC擁有相當(dāng)快的速度， FX是從16路到256路輸入/輸出的多種應(yīng)用的選擇方案； FX1N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相當(dāng)于FX系列中高檔次的超小形程序裝置。 除輸入輸出16-25點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于在多個基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。 三菱FX1N-40MR-001在基本單元上連接擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊，可進(jìn)行16-256點(diǎn)的靈活輸入輸出組合?？蛇x用16/32/48/64/80/128點(diǎn)的主機(jī)，可以采用最小8點(diǎn)的擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展?？筛鶕?jù)電源及輸出形式，自由選擇。 程序容量：內(nèi)置800步RAM（可輸入注釋）可使用存儲盒，最大可擴(kuò)充至16K步。豐富的軟元件應(yīng)用指令中有多個可使用的簡單指令、高速處理指令、輸入過濾常數(shù)可變，中斷輸入處理，直接輸出等。便利指令數(shù)字開關(guān)的數(shù)據(jù)讀取，16位數(shù)據(jù)的讀取，矩陣輸入的讀取，7段顯示器輸出等。數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)排列、三角函數(shù)運(yùn)算、平方根、浮點(diǎn)小數(shù)運(yùn)算等。特殊用途、脈沖輸出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脈寬調(diào)制，PID控制指令等。 3.1.3 壓力傳感器的選型 壓力傳感器是供水系統(tǒng)中的主要傳感器。PLC自動控制水泵的工作情況的信息全部來自壓力傳感器，它必須要有很高的可靠性，如果壓力傳感器出錯，將會帶來災(zāi)難性的事故，很可能是管道爆裂或者是水壓不足，造成居民用水的不方便，因此壓力傳感器的選用很關(guān)鍵。 根據(jù)供水系統(tǒng)的具體的要求，我們選擇佛山一眾傳感儀器有限公司的水壓傳感器PY206。它有以下特點(diǎn)： 水壓傳感器，廠家采用進(jìn)口高精度感應(yīng)芯體，先進(jìn)的貼片工藝，配套帶有零點(diǎn)、滿量程補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償?shù)母呔群透叻€(wěn)定性放大集成電路，將被測量介質(zhì)的壓力轉(zhuǎn)換成0～5VDC標(biāo)準(zhǔn)電信號 。采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。廣泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車輛制動、樓宇供水等壓力測量與控制。 產(chǎn)品概述及特點(diǎn)： A、采用進(jìn)口感壓芯片； B、先進(jìn)的貼片工藝，具有零點(diǎn)、滿量程補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償； C、高精度和高穩(wěn)定性放大集成電路； D、全封焊結(jié)構(gòu)、抗沖擊、耐疲勞、可靠性高； E、輸出信號多樣化（有電流型、電壓型）； F、結(jié)構(gòu)小巧，安裝方便； G、采用高溫補(bǔ)償最高介質(zhì)溫度可達(dá)350度； 產(chǎn)品主要參數(shù)： 被測介質(zhì)： 氣體、液體及蒸氣（弱腐蝕性） 壓力類型： 表壓 量 程： -100KPa-0.6Mpa～60 Mpa～120 Mpa間任意可選（量小量程為0.6MPa,量大量程為120MPa） 輸 出：4～20mA（二線制）、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC（三線制） 綜合精度： 0.1%FS（量程60MPa以下）、0.25%FS、0.5%FS 供 電： 24V DC（15～30VDC） 絕緣電阻： ≥1000 MΩ/100VDC 負(fù)載電阻: 電流輸出型：最大800Ω 電壓輸出型：大于50KΩ 介質(zhì)溫度： -20～85℃、-20～150℃、-20～200℃、-20～300℃（可選） 環(huán)境溫度：-20～85℃ 儲存溫度：-40～90℃ 相對濕度： 0～95% RH 密封等級：IP65/IP68 過載能力： 150%FS 響應(yīng)時間：≤10mS 穩(wěn) 定 性：≤0.15%FS/年 振動影響：≤0.15%FS/年（機(jī)械振動頻率20Hz～1000Hz） 電氣連接：緊線螺母直接出線；標(biāo)準(zhǔn)配線3米 壓力連接：M201.5，其它螺紋可依據(jù)客戶要求設(shè)計(jì) 連接螺紋材料：304/316L不銹鋼 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖： 圖 3-1水壓傳感器PY206結(jié)構(gòu)圖 3.2 可編程控制器I/O分配 表3.2 控制器I/O口分配表 輸入元件 地址編碼 輸出元件 地址編碼 低水壓輸入 X000 水泵1接觸器 Y001 正常水壓輸入 X001 水泵2接觸器 Y002 高水壓輸入 X002 水泵3接觸器 Y003 模式選擇開關(guān) X003 水泵4接觸器 Y004 自動模式開關(guān) X004 水泵1工作指示燈 Y005 水泵1過載 X005 水泵2工作指示燈 Y006 水泵2過載 X006 水泵3工作指示燈 Y007 水泵3過載 X007 水泵4工作指示燈 Y010 水泵4過載 X010 自動模式指示燈 Y011 水泵1手動開 X011 手動模式指示燈 Y012 水泵1手動關(guān) X012 自動模式開關(guān)指示燈 Y013 水泵2手動開 X013 高壓報警燈 Y014 水泵2手動關(guān) X014 低壓報警燈 Y015 水泵3手動開 X015 水泵3手動關(guān) X016 水泵4手動開 X017 水泵4手動關(guān) X020 3.3 系統(tǒng)電路分析及設(shè)計(jì) 3.3.1 系統(tǒng)電源 供電系統(tǒng)的設(shè)定直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性，因此在設(shè)定供電系統(tǒng)時應(yīng)考 慮下列因素： 1)輸入電源電壓在一定的允許范圍內(nèi)變化； 2)當(dāng)輸入交流電斷電時，應(yīng)不破壞控制器程序和數(shù)據(jù)； 3)當(dāng)控制系統(tǒng)不允許斷電的場合，要考慮供電電源的冗余； 4)當(dāng)外部設(shè)備電源通斷電時，應(yīng)不影響控制器的供電； 5)要考慮電源系統(tǒng)的抗干擾措施。 為實(shí)現(xiàn)以上要求，在主電路和控制電路加上了保護(hù)，包括過載保護(hù)，當(dāng)主電路因某些原因出現(xiàn)故障時，比如水泵過載，這時過載保護(hù)工作，水泵停止運(yùn)行既使水泵安全，也使電源供電安全確保PLC的電源正常。 3.3.2 供水系統(tǒng)主電路分析與設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求可知，本設(shè)計(jì)需要用到四臺水泵，水泵的型號都為：150sfl160-20x4，55kw，1450轉(zhuǎn)/分，380V，144A。在設(shè)計(jì)主電路時水泵以電動機(jī)代替，圖中的KM為接觸器線圈，F(xiàn)R為熱繼電器，主電路并設(shè)有短路過載保護(hù)。 硬件設(shè)設(shè)計(jì)主電路圖如圖3-2所示： 圖3-2 硬件設(shè)計(jì)主電路圖 圖中的三相電接入口處有熔斷器，當(dāng)水泵因故障或其他原因過載時，主電路上的電流超過正常值時熔斷器自動熔斷，起到保護(hù)水泵和主電路的作用。在每臺水泵上單獨(dú)再安裝熔斷器FU1、2、3、4，因?yàn)椋?臺水泵的工作狀態(tài)不同主電路的電流不同，主電路上的熔斷器只能起到保護(hù)主電路的作用，所以，在每臺水泵上單獨(dú)再裝上熔斷器以保證當(dāng)水泵超載時可單獨(dú)切斷電源。刀開關(guān)QS1、2、3、4由人工手動控制，PLC控制電路失靈時刀開關(guān)是切斷電源的唯一方法。接觸器KM1、2、3、4是由PLC自動控制水泵的開關(guān)。FR1、2、3、4是熱繼電器，把它們穿在電機(jī)的繞組中，當(dāng)水泵過載時，熱繼電器動作，切斷電源。M1、2、3、4代表四臺水泵。 3.3.3 PLC I/O接線圖 圖3-3供水系統(tǒng)PLC I/O接線圖 如圖3-3所示，按鍵S1-S16分別為不同信號輸入，COM口為公共端，Y001-Y015分別為不同控制信號輸出端，輸出控制信號控制執(zhí)行電路的工作狀態(tài)。其中，S3是自鎖開關(guān)，當(dāng)S3接通時系統(tǒng)工作在手動模式，當(dāng)S3斷開時，系統(tǒng)工作在自動模式，而S3的默認(rèn)狀態(tài)是斷開的。S4是當(dāng)系統(tǒng)工作在自動模式時的開關(guān)，當(dāng)S4接通時，自動工作有效，當(dāng)S4斷開時，自動工作停止。S4-S8是過載保護(hù)的輸入，以開關(guān)形式代替。過載保護(hù)，除了有硬件上的保護(hù)還有PLC程序中的保護(hù)，以確保系統(tǒng)的可靠性。S9-S16是手動模式下的功能選擇，使4臺水泵可以任意設(shè)置其工作狀態(tài)，4臺水泵在手動控制模式下是相互獨(dú)立的，相互之間沒有影響。 Y1-Y4是水泵的接觸器控制端，由于選用的PLC是繼電器輸出型，因此可以直接驅(qū)動接觸器，為了增加系統(tǒng)的安全系數(shù)，在接觸器和PLC組成的回路中加入了熱繼電器。Y5-Y10是各個水泵工作狀態(tài)指示燈口，Y11是自動模式指示燈控制口，Y12是手動模式指示燈控制口，Y13是自動模式開關(guān)狀態(tài)之燈控制接口。Y14是高壓報警指示燈，當(dāng)只有一臺水泵在工作，但是，水壓還是超過正常值，這時就要報警來提醒工作人員，由工作人員決定是否手動關(guān)掉所有水泵。Y15是低壓報警指示燈，當(dāng)4水泵都投入工作，但是，水壓還是低于正常值，如果這種狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生，那么，這個系統(tǒng)就要考慮增設(shè)一臺水泵以保證供水的正常。 3.3.4 壓力傳感器信號處理 壓力傳感器選用的是佛山一眾傳感儀器有限公司的水壓傳感器PY206。PY206能將水壓轉(zhuǎn)換成0～5VDC標(biāo)準(zhǔn)電信號。采用進(jìn)口高精度感應(yīng)芯體，先進(jìn)的貼片工藝，配套帶有零點(diǎn)、滿量程補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償?shù)母呔群透叻€(wěn)定性放大集成電路。采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。 壓力傳感器PY206能將水壓信號轉(zhuǎn)換成0～5VDC標(biāo)準(zhǔn)電信號，但是，PLC需要的是三個分立的信號：低水壓信號，正常水壓，高水壓信號。因此，就必須把壓力傳感器的輸出信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為此我們設(shè)計(jì)了如圖3-4所示的信號轉(zhuǎn)換電路。 圖3-4 壓力傳感器信號轉(zhuǎn)換電路 此電路，主要由電壓比較器Lm393，數(shù)字芯片非門芯片74f04、同或門74ls266組成。通過電阻橋式電路分壓，設(shè)定了高水壓和低水壓的參考電壓，由于水壓傳感器PY206的輸出信號是0～5VDC標(biāo)準(zhǔn)電信號，因此，可以采用這種形式。傳感器信號接到電壓比較器Lm393的2腳和5腳，通過由Lm393組成的窗口比較器電路將水壓轉(zhuǎn)換成低中高三檔信號送給PLC。 3.3.5 報警電路設(shè)計(jì) 1.必要性分析 確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的基本依據(jù)是設(shè)計(jì)供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點(diǎn)的用水需求，同時還需要結(jié)合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節(jié)能性及其它技術(shù)要求。根據(jù)用戶的用水時段特點(diǎn)，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩大類，根據(jù)流量的變化特點(diǎn)，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也會改變。 連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有一定的流量；間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時間，流量很小或?yàn)榱?。各種類型的水流量變化關(guān)系曲線如圖3-5所示 圖 3-5用戶用水量變化類型 a)連續(xù)型(全流量變化型) b)連續(xù)型(高流量變化型) c)連續(xù)型(低流量變化型) d)間歇型 根據(jù)以上分析知道：由于居民用水的集中性，當(dāng)只有1臺水泵在工作時，如果水壓傳感器還檢測到水壓過高，這時就要采取行動，不然會使水壓過高造成管道破裂，造成水資源和電能的浪費(fèi)。在用水高峰期，4臺水泵都投入工作，如果水壓傳感器傳回數(shù)據(jù)仍顯示水壓低，這時，部分用戶的用水將受到影響。如果經(jīng)常出現(xiàn)低壓報警，那么，就提醒管理者增加水泵個數(shù)，以保證用水正常。 2.報警電路 圖3-6 報警電路電路圖 如圖3-6所示，當(dāng)報警控制信號為1時，報警器發(fā)聲報警。這時管理者就要根據(jù)實(shí)際情況作出相應(yīng)回應(yīng)，如果是高壓報警則可以通過系統(tǒng)的手動功能，將所有水泵都關(guān)掉，或者是低壓報警，這就要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加水泵的數(shù)量以確保用戶用水的正常。 第4章 供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 供水系統(tǒng)概況：供水系統(tǒng)有水泵4臺，供水管道安裝壓力檢測開關(guān)K1，K2和K3。K1接通，表示水壓偏低；K2接通，表示水壓正常；K3接通，表示水壓偏高。 1. 控制要求： （1）自動工作時，當(dāng)用水量少，壓力增高，K3接通，此時可延時30s后撤除1臺水泵工作，要求先工作的水泵先切斷；當(dāng)用水量多時，壓力降低，K1接通，此時可延時30s后增設(shè)1臺水泵工作，要求未曾工作過的水泵增加投入運(yùn)行；當(dāng)K2接通，表示供水正常，可維持水泵運(yùn)行數(shù)量。工作時，要求水泵數(shù)量最少為1臺，最多不得超出4臺。 （2）各水泵工作時，均應(yīng)有工作狀態(tài)顯示。 （3）手動工作時，要求4臺水泵可分別獨(dú)立操作（分設(shè)起動和停止開關(guān)），并分別具有過載保護(hù)，可隨時對單臺水泵進(jìn)行斷電控制。 （4） 設(shè)置“自動/手動”切換開 關(guān)（ON——手動，OFF——自動），另設(shè)自動運(yùn)行控制開關(guān)（ON——自動運(yùn)行，OFF——自動運(yùn)行停止）。 2. 擴(kuò)展功能報警功能，當(dāng)只有1臺水泵工作，水壓仍然高，發(fā)生高壓報警，當(dāng)4臺水泵都工作，水壓仍然低，發(fā)生低壓報警。 4.1 供水系統(tǒng)程序流程圖 開始 手動模式 X3是否閉合 自動模式 至少1臺水泵工作 判斷水壓 水壓低 水壓高 延時30s 增加1臺水泵 沒工作過的先啟動 水壓正常 延時30s 減少1臺水泵 先工作的先停止 返回循環(huán)執(zhí)行 X3斷開ai X3閉合 X4是否閉合 X4閉合 X4斷開 X4斷開ai X11水泵1啟動 X12水泵1停止 X13水泵2啟動 X14水泵2停止 X15水泵3啟動 X16水泵3停止 X17水泵4啟動 X20水泵4停止 報警判斷 低壓報警 高壓報警 4臺水泵都開啟檢測到水壓低 只有1臺水泵開啟檢測到水壓高 水壓正常 4.2 供水系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 4.2.1 供水系統(tǒng)的程序主體思路 （1）自動工作時，當(dāng)用水量少，壓力增高，K3接通，此時可延時30s后撤除1臺水泵工作，要求先工作的水泵先切斷；當(dāng)用水量多時，壓力降低，K1接通，此時可延時30s后增設(shè)1臺水泵工作，要求未曾工作過的水泵增加投入運(yùn)行；當(dāng)K2接通，表示供水正常，可維持水泵運(yùn)行數(shù)量。工作時，要求水泵數(shù)量最少為1臺，最多不得超出4臺。 （2）各水泵工作時，均應(yīng)有工作狀態(tài)顯示。 （3）手動工作時，要求4臺水泵可分別獨(dú)立操作（分設(shè)起動和停止開關(guān)），并分別具有過載保護(hù)，可隨時對單臺水泵進(jìn)行斷電控制。 （4） 設(shè)置“自動/手動”切換開 關(guān)（ON——手動，OFF——自動），另設(shè)自動運(yùn)行控制開關(guān)（ON——自動運(yùn)行，OFF——自動運(yùn)行停止）。 （5） 擴(kuò)展功能報警功能，當(dāng)只有1臺水泵工作，水壓仍然高，發(fā)生高壓報警，當(dāng)4臺水泵都工作，水壓仍然低，發(fā)生低壓報警。  4.3.2 供水系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 1. 主程序的模式選擇部分程序設(shè)計(jì)及解析 圖4-2 主程序模式選擇 這是主程序的模式選擇部分，當(dāng)X3接通時選擇手動模式，在手動模式下要打開手動模式指示燈即SET Y012，同時把自動模式的指示燈關(guān)掉即RST Y011。再調(diào)用手動處理子函數(shù)。然后復(fù)位在自動模式下開啟的T0和T1，這時為下一次進(jìn)入自動模式做好準(zhǔn)備；當(dāng)X3斷開時，系統(tǒng)工作在自動模式，這時要關(guān)閉手動模式指示燈同時打開自動模式指示燈，然后調(diào)用自動模式子程序。 2. 水壓低處理初始化部分程序設(shè)計(jì)及解析 圖4-3水壓低處理初始化 這是水壓低處理初始化部分。當(dāng)自動模式開啟即X4閉合，同時X000即水壓低輸入I/O口閉合，則程序進(jìn)入。首先，要打開定時器T0定時30S,30S之后再增加要增加水泵，這樣的設(shè)計(jì)為的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果不延時，立馬開啟水泵，那么，4臺水泵會頻繁的開啟和停止，將嚴(yán)重影響水泵的壽命。 在進(jìn)入低壓處理部分時對T1即高壓延時定時器復(fù)位，這是為進(jìn)入高壓處理做好準(zhǔn)備。用以實(shí)現(xiàn)30S延時，如果不RST T1，有可能剛進(jìn)入高壓處理部分立馬就切斷水泵。 后邊的程序采用MC和MCR指令是為了增加程序的簡潔和可讀性。 3. 水壓高處理初始化部分程序設(shè)計(jì)及解析 圖4-4水壓高處理初始化 和上面的水壓低處理相同，水壓高處理采用相同的初始化處理方式，這里不再詳細(xì)解析。 4. 過載保護(hù)程序設(shè)計(jì)及解析 圖4-5過載保護(hù) 雖然硬件上有熱繼電器和熔斷器，但是為了系統(tǒng)的可靠性和完整性，在主程序中還是寫入了過載保護(hù)，當(dāng)過載保護(hù)檢測到時，立即停止所有水泵，以保證水泵和整個電路的安全。這樣的設(shè)計(jì)雖然會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是，卻提高了系統(tǒng)的可靠性。 5. 水泵工作狀態(tài)指示程序設(shè)計(jì)及解析 圖4-6水泵工作狀態(tài)指示 每一臺水泵的工作狀態(tài)，可以通過PLC的Y005、 Y006、 Y007， Y010控制的指示燈上看到，這樣方便管理監(jiān)測和維護(hù)水泵。能夠?qū)崟r的看到PLC的控制結(jié)果，而不必到現(xiàn)場看水泵的工作狀態(tài)，相當(dāng)于起到了人機(jī)交互的作用，體現(xiàn)了系統(tǒng)的人性化設(shè)計(jì)理念。 6. 低壓報警程序設(shè)計(jì)及解析 圖4-7低壓報警 低壓報警，當(dāng)4臺水泵都投入工作，但是，水壓還是低于正常值，將會對用戶造成很大的不便。如果這種狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生，那么，系統(tǒng)就會提醒管理人員增設(shè)水泵以保證供水的正常。 7. 高壓報警程序設(shè)計(jì)及解析 圖4-8高壓報警 高壓報警，當(dāng)只有一臺水泵在工作，但是，水壓還是超過正常值，這時就要通過報警來提醒工作人員，由工作人員決定是否手動關(guān)掉所有水泵。因?yàn)椋绻畨哼^高將會對管道造成破壞，很有可能是管道破裂，造成水資源的浪費(fèi)。 8. 水泵工作狀態(tài)和順序記憶程序設(shè)計(jì)及解析 圖4-9順序記憶 這是工作順序記憶程序，因?yàn)橹挥杏涀×四呐_水泵先工作，才能“實(shí)現(xiàn)先工作的先停止，沒工作過的先工作”。 圖4-10順序記憶 這是記憶的復(fù)位，因?yàn)椋洃浰玫墓ぷ黜樞?，如果不?fù)位，那么，它的效果將和沒有記憶效果一樣。 結(jié) 論 本設(shè)計(jì)是一個應(yīng)用型課題。其目的是借鑒當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域以廣泛應(yīng)用的PLC控制技術(shù)，在各種設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)思路并存的今天，尋求一種PLC在工業(yè)自動控制中的方法針對小區(qū)供水的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于PLC的小區(qū)供水系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要有壓力傳感器、PLC、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，故本次設(shè)計(jì)采用的“PLC+水泵機(jī)組+壓力傳感器”的控制方式。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用控制單元控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的啟動，同時還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且具有工作可靠信。 歷時一個月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過自己的探索努力以及老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。同時創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的開放也為我的設(shè)計(jì)提供了實(shí)習(xí)場地。在此對機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)所有老師表示深深的感謝。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我對PLC有了更加深刻的了解和掌握。并且檢驗(yàn)了大學(xué)三年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對于知識的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這一個月的設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1] 董愛華. 可編程控制器原理及應(yīng)用. 北京：中國電力出版社，2009 [2] 謝文輝,張志芳. 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