《可编程控制器》课程设计-PLC控制的双恒压供水水泵站设计.doc

设 计 任 务 书可编程控制器课程设计全套设计加扣 3012250582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： 电气工程及其自动化14级 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院2017年 2 月 20日可编程控制器课程设计任务书（一） 设计题目PLC控制的双恒压供水水泵站（二） 情况简介生活都离不开水。但如果水源离用水场所较远，就需要管路的输送。而将水送到较远或较高的地方，管路中是需要一定的水压的，水压高了，才能将水送到远的或较高的楼层。产生水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压越高。传统的维持管路的水压是建造水塔，水泵开的时候将水打到水塔中，水泵休息时，借助水塔继续供水。水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小，也就是说水塔能维持的供水管路中水压的基本恒定。但是，建造水塔需要发费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题。通常的办法是：用量大时，增加水泵的数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。这在电机速度调节技术不发达的年代是不可设想的，但今天办到这一点已变得很容易了，交流变频器的诞生为水泵转速平滑联系调节提供了方便。交流变频器是改变交流电源频率的电力电子设备，输入三相工频交流点后，可以输出频率平滑变化的三相交流电。鉴于社会的需求，设计一个由三台水泵组构成的生活、消防双恒压无塔供水泵站系统。如图所示（一），市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水池注水，但是当水池的水位高于高水位上限时 ，延时一段时间后，由PLC发出信号，关闭注水阀YV1，等到水位低于高水位上限时，过一段时间后，再打开注水阀YV1继续注水（这种情况在处于消防状态时被关闭）。水池的高、低水位信号也直接送给PLC，作为高、低水位的报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水和消防用水共用三台水泵，平时电磁阀YV2处于关闭状态，生活管网处于接通状态，电磁阀YV3处于失电状态，关闭消防管网，三台水泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV3得电，消防用水管路打开，并同时打开三台水泵供水，管路中的水压为消防用水的高恒压，生活用水管路没有关闭，生活用水的水压由减压阀控制。但是当管路中的水压低于消防用水的高恒压或水池水位已经达到水池低水位下限时，给电磁阀YV2通电，关闭生活用水的管路。火灾结束后，三台水泵改为为生活用水供水。EQ市网来水YV1STHSTL水池消防用水YV3生活用水YV2减压阀1#3#2#图（一）、生活消防双恒压供水系统构成（三） 设计要求对于三台水泵生活/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）、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。（四） 设计步骤1.查找资料，了解和分析题目所要求具体工程项目控制的过程。2.确定I/O点数，选择PLC 的型号，并根据需要进行硬件系统配置。3.绘制外部I/O接线图及相关的电气原理图。4.编程。5.调试。6.编写设计说明书。（五） 设计说明书要求1. 完整的设计任务书。2. 确定I/O点数，选择PLC 的型号，完成系统组态或硬件配置。3. 正确合理地进行编程元件的地址分配。4. 画出输入/输出接线图及相关电气原理图。5. 设计梯形图控制程序。6. 编制系统的操作说明。7. 编制系统的调试说明及注意事项。8. 设计体会（可选）.9. 参考文献.（六） 列出设计参考资料目录设计时间 2017 年 2 月 20 日至 2017 年 3 月 5 日（2周）指导教师 张 翠 云 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： 3146112056 专业（方向）年级： 电气工程及其自动化14级 学 生 姓 名： 杨惠文 福建农林大学金山学院信息与机电工程系2017年 2月 20日目录1、引言11.1背景11.2设计内容及目的1 1.2.1课题内容1 1.2.2控制要求22、系统总体方案设计32.1 系统硬件配置及组成原理32.1.1系统硬件配置32.1.2 PLC系统的结构组成32.1.3双恒压供水水泵站组成原理32.2 系统变量定义及分配表42.3 系统接线图设计63、控制系统程序设计73.1 控制程序流程图设计73.2 控制系统的设计思路及设计程序94、控制系统的上位机设计194.1 人机界面选择194.2 人机界面设计194.2.1通讯连接194.2.2画面组态195、系统调试及结果分析215.1 PLC程序调试及解决的问题215.2 PLC与上位机联调225.3 结果分析22结束语22参考文献23附录：触摸屏模拟241 引言1.1背景 我们都知道水在人类生活、生产中的重要意义，对于发展迅速的中国来说，如何更好的进行高楼供水已经成为了时代的主题，高度自动化供水系统的出现变得十分迫切。特别是进入21世纪以来，随着我国城市化进程的不断推进，住房小区多以高楼的形式出现，对小区的基础设施建设提出了更高的要求。在要求供水质量的同时，还要求不能因为水压的波动造成供水障碍；另外要求保证居民日常供水的可靠性和安全性的前提下，能够在发生火灾时可靠、及时的供水。不管是城市还是农村中，高层建筑的供水成为困扰居民的一大难题。因此，设计一个安全可靠，高性能的供水系统是势在必行的。近年来，通过对供水方式的分析发现，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），仍采用较为传统的供水方式，如恒速泵加压供水、高位水塔供水、气压罐加压供水、单片机变频调试供水系统等方式。传统的供水方式一般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。当用水量增大，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停。这种传统的供水方式存在着许多缺点，特别是多台水泵供水系统尤为严重，在人力、物力上都有一定程度的浪费；而且经济效果不好，可行性差，自动化程度低。但是，当应用上PLC后这些缺点就可以很大程度的避免了。这便是PLC控制的双恒压供水系统。“双恒压”系统指的是生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制，通过控制水泵以维持恒压，具有很好的节能效果。其优点主要体现在：双恒压供水系统保证了供水的质量，同时以PLC为主机的控制系统优化了供水系统的控制；使用软启动，减少系统对电机和电网的破坏；安全可靠、环保，节约大量能源。1.2设计内容及目的1.2.1课题内容本次的课程设计的主题就是：PLC控制的双恒压供水水泵站。如图1-1所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水池注水，但是当水池的水位高于高水位上限时，延时一段时间后，由PLC发出信号，关闭注水阀YV1，等到水位低于高水位上限时，过一段时间后，再打开注水阀YV1继续注水（这种情况在处于消防状态时被关闭）。水池的高、低水位信号也直接送给PLC，作为高、低水位的报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活用水和消防用水共用三台水泵，平时电磁阀YV2处于关闭状态，生活管网处于接通状态，电磁阀YV3处于失电状态，关闭消防管网，三台水泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV3得电，消防用水管路打开，并同时打开三台水泵供水，管路中的水压为消防用水的高恒压，生活用水管路没有关闭，生活用水的水压由减压阀控制。但是当管路中的水压低于消防用水的高恒压或水池水位已经达到水池低水位下限时，给电磁阀YV2通电，关闭生活用水的管路。火灾结束后，三台水泵改为为生活用水供水。EQ市网来水YV1STHSTL水池消防用水YV3生活用水YV2减压阀1#3#2# 图1-1、生活消防双恒压供水系统构成1.2.2控制要求 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）、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。2 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（1） 输入：输入变量有总开关、自动开关、手动开关、消防开关、水位上限、水位下限、水泵1号、水泵2号、水泵3号、减压阀开关，总的DI点数为10。（2） 输出：输出变量有高水位报警、低水位报警、YV1、YV2、YV3、水泵电机1、水泵电机2、水泵电机3，、减压阀，总的DO点数为9。（3） DIDO点数：由输入输出可得，总的DIDO点数为10DI9DO。（4） CPU选型：选用CPU224XP,有14DI/10DO,既满足了控制要求，也有一定的输入输出预留。2.1.2 PLC系统的结构组成PLC硬件系统结构主要有：中央处理器、电源、输入/输出单元以及其他外部设备。其结构框图如图2-1所示。扩展机架拓展接口输出单元输入单元CPU224XP存储器电源编程设备通信接口图2-1 PLC系统的结构框图2.1.3双恒压供水水泵站组成原理PLC控制的恒压供水系统根据管网压力自动控制各个水泵之间的切换，并根据压力检测值测值和给定值之间偏差进行 PID 运算，输出给变频器控制其输出频率，调节水泵的流量，使供水管网压力保持在恒定值附近；各水泵切换遵循先起先停、先停先起的原则。该系统由执行机构、控制机构、信号检测机构组成，水泵机组是该系统的执行机构，信号检测机构主要对管网水压信号、液位信号和报警信号进行检测，控制机构由控制器、变频器和电控设备三部分组成。出口管网水压作为该恒压供水系统的控制对象，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力保持在设定供水压力上下一个很小的区间内波动，实现恒压功能。当管道中的压力为正常时，三台水泵中有两台水泵运行，一台停止待用；当管道中的压力为低压时，三台水泵全部运行；当管道中的压力为高压时，只有一台水泵运行。系统工作原理图2-2所示。给定值PIDD/A变频器接触器水泵机组管道管道压力+压力变送器A/D-PLC图2-2 双恒压供水水泵站原理图2.2 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2-1、表2-2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输入信号总开关按钮开关SB1I0.0自动开关SB2I0.1消防开关SB3I0.2水位上限SB4I0.3水位下限SB5I0.5水泵1号SB6I0.6水泵2号SB7I0.7水泵3号SB10I1.0减压阀开关SB11I1.1手动开关SB12I1.2总开关上位机上位机开关M0.0M0.0自动开关上位机M0.1M0.1消防开关上位机M0.2M0.2水位上限上位机M0.3M0.3水位下限上位机M0.4M0.4水泵1号上位机M0.5M0.5水泵2号上位机M0.6M0.6水泵3号上位机M0.7M0.7手动开关上位机M1.0M1.0表2-2 输出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输出信号YV1接触器KM1Q0.2YV2KM2Q0.3YV3KM3Q0.4水泵电机1KM4Q0.5水泵电机2KM5Q0.6水泵电机3KM6Q0.7减压阀KM7Q1.0高水位报警指示灯KM8Q0.0低水位报警KM9Q0.1自动控制标志KM10M2.2电机1工作标志KM11M3.0电机2工作标志KM12M3.1电机3工作标志KM13M3.2减压控制标志KM14M3.6消防状态标志KM15M3.7手动控制标志KM16M4.42.3 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10个输入继电器和9个输出继电器，所以本系统可以选用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，这样才能达到保护的目的。此双恒压供水水泵站接线图可如图2-3所示。西门子S7-2001MI0.0MI0.1MI0.2MI0.3MI0.4MI0.5MI0.6MI1.0MI1.1M2MQ0.0Q0.1Q0.2MQ0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0MDC 24VLAC 220VFU总开关自动开关消防开关水位上限开关水位下限开关水泵1号水泵2号手动开关减压阀开关高水位报警低水位报警YV1YV2YV3水泵电机1水泵电机2水泵电机3减压阀CPU224XPI0.7M水泵3号 图2-3 双恒压供水水泵站控制系统接线图3控制系统程序设计3.1 控制程序流程图设计 我设计的双恒压水泵控制系统分为两个主要部分：手动控制和自动控制。手动模式水泵通过人工拨动手动开关实现对水泵的控制。分别通过三个开关控制水泵1号2号3号的工作。手动控制的接线相比较下更加简单，也为检修提供了便利。手动控制流程图如图3-1所示。自动控制线路复杂，维修相对复杂点，但起动控制得较好。自动控制程序流程图如图3-2所示。YY开始M0.5接通NYM0.6接通M0.7接通M0.5断开M0.6断开M0.7断开水泵1工作YYNNNNY水泵2工作水泵3工作水泵1断电水泵2断电水泵3断电结束图3-1手动控制程序流程图开始自动控制自动控制水泵工作NY初始化手动结束图3-2自动控制程序流程图3.2 控制系统的设计思路及设计程序设计思路：根据要求，可分为手动模式和自动模式。当管道中的压力为正常时，三台水泵中有两台水泵运行，一台停止待用；当管道中的压力为低压时，三台水泵全部运行；当管道中的压力为高压时，只有一台水泵运行。正常情况下，只有一台水泵处于工作状态，并且，其在工作三小时后会自动切换至下一台，这里，采用了定时器计时的方式来确定其工作时间。另外，当水位低于高水位之后，注水阀得电打开，开始注水。而当发生火灾时，消防状态开启且警报灯亮，三台水泵同时工作。 各部分程序设计图如下所示： 主程序中采用总开关M2.0通过单按钮的起停控制程序实现对系统的控制，并由总开关M2.0分别连接初始化、管道进水、管道出水及水泵工作情况子程序。图3-3 系统主程序设计图 子程序定义了自动控制按钮M2.2，手动控制按钮M4.4，通过这两个按钮以及自动、手动的上位机切换自动/手动模式。 子程序定义了消防状态标志M3.7，减压阀控制标志M3.6，它们都由I口输入并联上各自的上位机控制。图3-4 系统初始化程序设计图当水位低于水位下限时，低水位标志开启，使低水位报警启动，此时打开进水阀门YV1;当水位高于水位上限时，高水位标志开启，使高水位报警启动，此时延时一段时间后关闭进水阀门YV1。图3-5 管道进水程序设计图消防状态下开启消防用水YV3；非消防状态以及消防高压状态下开启生活用水YV2。图3-6 管道出水程序设计图 在手动模式下，通过外部开关I0.5、I0.6、I0.7以及各自并联的上位机实现对三台水泵的手动控制。 设置两个不同周期的定时器，C0对应的定时时间为T1=1.5*3=4.5小时，C1对应的定时时间为T2=3小时。由于调试等待时间不易过长，所以调试过程中取T1=45S,T2=30S。 在低压或是消防状态下，三个电机同时工作；在常压状态下，两台电机轮换工作；在高压状态下切除一台电机，仅有一台电机工作。在这过程中根据逻辑关系设计出满足先起先停，倒泵功能的工作方式。图3-7 水泵工作情况程序设计图4、控制系统的上位机设计4.1 人机界面选择 一般的人机界面有维控和组态王。对于人机界面，我们此次课程设计选用的是富昌维控公司的触摸屏。主要是为了更好的人员操作，分模块对机器进行操控。4.2 人机界面设计4.2.1通讯连接在系统的设备栏里，点击COM1，接着点击出现的新建设备，西门子S7-200系列PPI，然后选择串口号、设置地址指南等。4.2.2画面组态我的人机界面具体分为4个界面：主画面、手动画面、自动画面、开关状态（如下图）。图4-1 主画面图4-2 手动画面图4-3 自动画面图4-4 开关状态5、系统调试及结果分析5.1 PLC程序调试及解决的问题根据设计思路利用V4.0 STEP7 Micro WIN SP9软件编写程序，经过编译确认无误后，导出程序，接着打开S7-200仿真软件，选择CPU型号为224XP，在工具栏程序中装载之前导出程序块和数据块，点击监视器和运行按钮，就可进行仿真模拟。（也可以在实体机上进行通信-下载-运行，利用监控与状态表来判断正误。）PLC程序的调试是我们写程序中相当关键的一步，调试不仅可以帮我们检查程序的正误及如何改进，而且还能提前让我们了解我们所编程序的最终效果。利用S7-200仿真软件调试如下图（图5-1）。图5-1 仿真图5.2 PLC与上位机联调PLC与上位机的联调：首先在实验室将线路接通后，在V4.0 STEP7 Micro WIN SP9中打开程序，进行程序的通信，并下载程序，随后运行程序。紧接着，打开维控软件，选择自己的工程，运行自己创建的人机界面。联调时，第一，点击人机界面中的仿真模拟，按下低压按键，观察三台水泵是否全开；第二，直接拨动PLC工作台上的存取开关，同时拨下低压按键，观察三台水泵是否全开。只有两者都成功了，才能确保PLC与上位机联调成功。根据设计思路利用软件编写程序，经过编译确认无误后，导出程序，接着在上位机上进行通信-下载-运行，利用监控与状态表来判断正误。PLC程序的调试是我们写程序中相当关键的一步，调试不仅可以帮我们检查程序的正误及如何改进，而且还能提前让我们了解我们所编程序的最终效果。5.3 结果分析调试用的是维控，根据上面的程序作出了相应的操作按钮，并在上位机上进行模拟。所有要用手动操作的位，由于都并联了一个地址为M0.？的常开触点，常闭位开关串联地址为M0.？这符合上位机的操作规则，因此，我们可以用上位机来模拟某个情况的发生。消防指示灯监视的是位M0.2上的状态，当按下消防按钮，相应的M0.2置1，则指示灯亮。由于上位机的触屏不是很灵敏，因此在调试的时候需要耐心。结束语 经过近两个礼拜的努力，我的课设顺利完成了。本次的课程设计让我将我所学的知识很好的运用了出来。所谓书到用时方恨少，在设计时，我遇到了很多困难，一开始很难想到解决的办法，便重拾课本，温习书中的内容。同时也十分感谢老师的耐心指导和同学的热心帮助。最终，问题都成功解决了。本次的课程设计，我的课题是PLC控制下的双恒压供水水泵站，是为了解决高层建筑的供水问题。双恒压