1、设 计 说 明 书 可 编 程 控 制 器 课 程 设 计设 计 题 目： PLC 控制的双恒压供水水泵站 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14 级电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院2017 年 3 月 1 日1目录目录 .11 引言 .31.1背景 .31.2设计内容及目的 .32 系统总体方案设计 .52.1 系统硬件配置及组成原理 .52.1.1系统硬件配置 .52.1.2 PLC系统的结构组成 .52.1.3 PLC 控制的双恒压供水水泵站工作原理 .62.2 系统变量定义及分配表 .72.3 系统接线图设计 .83 控制系统程序设计
2、.103.1 控制程序流程图设计 .103.1.1 欠水位模块 .103.1.2 过水位模块 .113.2.3 手动模式模块 .123.2.4 自动控制模块 .133.2.5 水泵电机组运行模块 .143.2 控制系统的设计思路及设计程序 .153.3 创新设计内容 .184、控制系统的上位机设计 .204.1 人机界面选择 .204.2 人机界面设计 .204.2.1通讯连接 .204.2.2变量设置 .224.2.3画面组态 .225、系统调试及结果分析 .265.1 PLC程序调试及解决的问题 .265.2 PLC与上位机联调 .2725.3 结果分析 .27结束语 .27参考文献 .2
3、831 引言1.1背景我国城市水资源存在极其匮乏且涉及面广的问题，全国城市每年缺水 60 亿 m3，每年因缺水造成经济损失约 2,000 亿元。在我国，城市水资源的需求几乎涉及到国民经济的方方面面，如工业、农业、建筑业、居民生活等，严重的缺水问题导致我国城镇现代化建设进程、GDP 的增长和居民生活水平的提高都受到了限制。为满足城市发展对于供水质量的要求，降低供水厂单位制水能耗，保证可靠、稳定地城市供水需求，需要对原有供水系统进行升级改造，将原有地取水系统和供水系统都改为恒压供水，实现对整个系统的自动化控制和计算机监测管理。目前，国内大部分城市供水系统，包括水厂、生活小区、高层建筑的供水系统，能
4、采用较为传统的供水方式。值班人员根据实际的用水量或累计的经验，通过人工的方式调节水泵电机的开停来实现简单的供水控制。用水量增大，供水压力变小时，即手动增加一台水泵；当用水量减小，供水压力变大时，则把最先运行的水泵电机关掉。这种传统的供水方式存在着许多的缺点，特别是多台水泵供水系统尤为严重：其一，由于水泵电机只能工作在额定运行和停车两种工作状态，无法为用户提供稳定可靠的供水压力，且经常会出现断水、水管崩裂、管道共振等现象。其二，由于水泵电机只能工作在工频状态，长时间高速运行，电能浪费较大，据统计，在目前传统的供水方式中，电费在水费成本中的比例高达 50%以上。其三，由于人为的控制难以始终保证电机
5、在运行过程中投切的正确性，容易导致电机在长期运行过程中磨损不均，并且增大了误操作的可能性；同时设备运行不合理，机械磨损大，造成设备使用寿命短，维修量大，设备和人工成本都较高。其四，在目前的城市生活小区、高层建筑供水系统中，基本采用高位水箱或水塔的供水方式，这样既增大了基建投资，同时也造成水资源二次污染等1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：PLC 控制的双恒压供水水泵站。随着社会进步和发展，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水和控制系统应运而生，
6、就是 PLC 控制的双恒压供水系统。恒压供水系统保证了供水的质量，以 PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。下面以一个三水泵恒压供水系统为例说明其工艺过程。如图 1 所示，当管道中压力为正常时，三水泵中有两台工作，一台停止待用；当管道中的压力为低时，三水泵全部运行；当管道中压力为高压时，只有一台水泵运行。诺为消防状态下，则三台水泵全部工作。4管道压力高压中压低压切除 1 台水泵2 台水泵运行接通三台水泵消防状态接通三台水泵图 1-1、控制要求说明对于三台水泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：（1） 、生活供水时，系统低恒压运行，消防供水时系统高恒压运行。（2）
7、、三台水泵根据恒压的要求，采取“先开先停”的原则接入和退出。（3） 、在用水量小的情况下（即不是在消防的情况和增开工频泵的情况） ，如果一台水泵连续运行超过三小时，则要切换到下一台水泵，即系统具有“倒泵功能” ，避免某一台水泵工作时间过长。（4） 、三台水泵在启动的时候都要具有软启动的功能。（5） 、要求完善的报警功能。（6） 、对水泵的操作要具有手动的功能，手动只在应急或检修的时候临时使用。52 系统总体方案设计2.1 系统硬件配置及组成原理2.1.1系统硬件配置根据系统设计要求，PLC 需要的 I/O 口分配如下（1） 输入：总开关、手动自动切换开关、水位上限模拟开关、水位下限模拟开关、1
8、#、2#、3#水泵开关、消防状态开关、减压阀传感器开关共 9 个输入（2） 输出：系统运行状态指示、高中低压供水指示、YV1、YV2、YV3、1#、2#、3#水泵、水位上限警报、水位下限警报、减压阀工作指示共 13 个输出从上可知选择的 PLC 型号至少要有 9 入 13 出，应该选 CPU226 或者其他型号加端口扩展。但由于实验室只有 CPU224XP，14 入 10 出，输入量够用而且满足预留要求，但是输出量不够。于是输出量中用于工作情况指示的或者警报指示灯均用上位机维控触控屏。2.1.2 PLC系统的结构组成PLC的硬件系统结构图如图 2-1所示：电源CPU224XP输出单元输出单元通
9、讯接口存储器扩展接口编程器人机界面总线图 2-1 PLC系统的结构框图62.1.3 PLC 控制的双恒压供水水泵站工作原理PLC 控制的双恒压供水水泵站工作原理即通过控制水泵组电机的工作和停车的电机数量和电机工作特性来维持水管水压恒定。为维持水压恒定需要用到水压检测装置和交流电机变频器。水压测量装置可采用陶瓷电容压力传感器，测出水压值，并将压力信号转化为电信号。然后通过 A/D转化，传输到 PLC经过逻辑处理后发出命令到变频器。变频器通过改变电压频率来实现电机工作转速、输出功率的调节。从而实现水管水压恒定，减小水压过大造成水管损伤或者水压过小造成的供水问题，同时还有节约电能的作用。控制状态见表
10、 2-1所示。表 2-1 根据水压控制恒压下水泵组工作状态水泵水压1# 2# 3#状态组1 0 0 10 1 0 2高压0 0 1 31 1 0 10 1 1 2常压1 0 1 3非消防低压 1 1 1消防 高、常、低 1 1 172.2 系统变量定义及分配表根据不同控制要求，可以定义不同的变量名来代替外界发来的开关信号，并且合理的分配对应的变量，从而针对性的进行开关信号的转变，使程序的可读性增强，使程序在扩展方面更加方便。在我的设计方案中，I/O 分配如表 2-2、表 2-3所示。表 2-1 输入信号的定义及地址分配表控制信号 信号名称 元件名称 元件符号 地址编码系统总开关 SB1 I0.
11、0手动自动切换开关 SB2 I0.1水位下限模拟开关 SB3 I0.2水位上限模拟开关 SB4 I0.3水泵电机1# SB5 I0.5水泵电机2# SB6 I0.6水泵电机3# SB7 I0.7消防模拟开关 SB10 I1.0减压阀开关按键开关SB11 I1.1系统总开关 M3.0 M3.0手动自动切换开关 M3.1 M3.1水位下限模拟开关 M3.2 M3.2水位上限模拟开关 M3.3 M3.3水泵电机1# M3.4 M3.4水泵电机2# M3.5 M3.5水泵电机3# M3.6 M3.6消防模拟开关 M3.7 M3.7输入信号减压阀开关上位机辅助开关M4.0 M4.08表 2-3 输出信号
12、的定义及地址分配表单按键触发辅助 M2.0 M2.0模式 1 M1.3 M1.3模式 2 M1.4 M1.4模式 3 M1.5 M1.5电机运行顺序 1 辅助 M2.1 M2.1电机运行顺序 2 辅助 M2.2 M2.2辅助信号电机运行顺序 3 辅助辅助继电器M2.3 M2.32.3 系统接线图设计接线图，是根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电气动作原理。主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理。 根据系统变量定义及分配表可以看出，要实现控制目的要利用 PLC 中的 9 个输入继电器和 13 个输出继电器，所
13、以本系统可以选用 PLC 型号为西门子 S7200(CPU224XP)，这种机型的 I/O 点数分别为 14/10；而输入部分的电压可以采用 DC24V 的直流电，输出部分的电压则必须采用 AC220V 的交流电，并且热继电器的辅助常闭触点要接在主线上，这样控制信号 信号名称 元件名称 元件符号 地址编码水泵电机1# KM1 Q0.0水泵电机1# KM2 Q0.1水泵电机1# KM3 Q0.2YV1 KM4 Q0.3YV2 KM5 Q0.4YV3 KM6 Q0.5减压阀接触器KM9 Q1.0过水位警报 KM7 Q0.6欠水位警报 KM8 Q0.7高水位指示 KM10 M0.1欠水位指示 KM1
14、1 M0.2高水压指示指示灯KM12 M0.3常水压指示 KM13 M0.4低水压指示 KM14 M0.5自动控制状态指示 KM15 M0.6消防状态指示 KM16 M0.7水泵电机1#工作指示 KM17 M1.0水泵电机2#工作指示 KM18 M1.1水泵电机3#工作指示 KM19 M1.2输出信号减压阀工作指示 KM20 M1.69才能达到保护的目的。此 PLC 控制双恒压供水水泵站的接线图可如图 2-2 所示。西门子 S7-200(CPU224XP)1MI0.0MI0.1MI0.2MI0.3MI0.5MI0.6MI0.7MI1.0MI1.1M2MQ0.0Q0.1Q0.2MQ0.3Q0.4Q0.5Q1.0Q0.6Q0.7MDC 24VLAC 220VFU系统总开关手自动切换开关水位下限开关水位上限开关水泵电机 1#水泵电机 2#水泵电机 3#消防模拟开关减压阀开关水泵电机 1#水泵电机 2#水泵电机 3#YV1YV2YV3减压阀过水位警报欠水位警报1L2L3L图 2-2 PLC 双恒压供水水泵站控制系统接线图
