毕业设计（论文）-PLC自动控制供水系统.doc

： 专专 科科 毕毕 业业 论论 文文 PLCPLC 自动控制供水系统自动控制供水系统 学院名称： 电子信息与电气工程 专业班级： 电气自动级化技术 2 班 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 副教授 2016 年 4 月 摘要摘要 水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统的控 制方式存在控制精度低、能耗大的缺点。采用新型的 PLC 控制供水方式 与过去旧的控制方式相比在运行中的经济性、可靠性、稳定性、等方面 有显著优势 为了达到节能的目的提高供水系统的质量，考虑采用可编程控制器 （PLC）、继电器。传感器技术和数据采集，设计一套实用水位控制方 案，使系统实现自动控制，以提高控制精度、可靠性和供水质量。并通 过模拟仿真来验证程序编写的正确性。 本文首先阐述了课题背景，在分析了当前研究中存在的问题的基础 上，论述了本课题研究的重要意义。并根据水塔水位控制系统的控制要 求以及控制原理确定水塔水位控制系统的硬件设计，画出系统流程图， 确定PLC系统的输入输出分配，编写程序，系统的模拟仿真等。最终完 成基于PLC的水塔水位控制系统的设计。 关键字：PLC 自动控制 供水系统 目录目录 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1 1.1 论文课题背景与意义.1 1.2 水位控制水塔供水系统的组成.2 第第 2 2 章章 可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）概述）概述.4.4 2.1 可编程控制器简介 .4 2.2 可编程控制器（PLC）的特点 .5 2.3 可编程控制器（PLC）的应用 .5 2.4 可编程控制器（PLC）的组成 .6 2.5 可编程控制器的工作方式及过程 .9 2.6 可编程控制器的编程语言梯形图 .10 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计.1 12 2 3.1 恒压供水系统的基本构成 .14 3.2 系统控制要求 .17 3.3 控制系统的 I/O 点及地址分配 .17 3.4 系统选型 .18 3.5 PLC 模拟量控制单元的配置以及应用.19 3.5.1 EM235 模拟量工作单元性能指标.21 3.5.2 校准及配置 .21 3.5.3 EM235 的安装使用.21 3.5.4 电气控制系统原理图 .21 第四章第四章 系统程序系统程序的的设计设计.2.24 4 4.1 由“恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理 .24 4.2 多泵组泵站泵组管理规范 .24 4.3 程序的结果以及程序功能的实现 .24 第第 5 5 章章 总结总结.3.37 7 5.1 系统的优点 .37 5.2 结束语 .37 参考文献参考文献.3.38 8 致致 谢谢.3.39 9 3 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 论文课题背景与意义论文课题背景与意义 生活用水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在能源匮乏的现在，节水 节能已成为时代特征的现实条件下，长期以来在市政供水、工厂工业生产循环供水 等方面科学技术一直比较落后，自动化程度较低。建设自动化供水系统是其中的一 个重要方面，使得供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作 和生活。以往小区的供水方式有:恒速泵加压供水方式、水塔高位水箱供水方式、 液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机的变频调速供水系统等方式。 恒速泵加压供水方式，恒速水泵的增减过于依赖人工进行手工操作，依旧自动 化程度低，而且为了保证长期供水，机组会常处于满负荷运行，不但效率很低、耗 电量大。 单片机变频调速供水系统既能做到变频调速，又优于其他的供水方式，但是系 统开发周期比较长，对操作员的技术要求比较高，但是可靠性比较低，维修不太方 便，且不适用于较恶劣的工业环境下使用。 综上所述，传统的供水方式都普遍不同程度的存在浪费水力资源、电力资源、 效率较低、可靠性不强、自动化程度不高等缺点。现代采用的 PLC 水塔水位控制系 统来进行供水，即可以有效的提高供水系统的稳定性和可靠性，同时也具有良好的 节能性，所以研究设计该系统， 1.21.2 水位控制水塔供水系统的组成水位控制水塔供水系统的组成 水位自动控制系统由 PLC、高低位的水位检测电路、高低水位信号传送给 PLC 水泵电动机控制电路 4 第第 2 2 章章 可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）概述）概述 2.12.1 可编程控制器简介可编程控制器简介 可编程序控制器 (program logical controller)，简称 pLc，是一种现代专为 在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，可编程序控制器是以微处理机为基础， 结合了计算机技术、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，不但具有高可靠性、强抗千扰能力、组合灵活、编程简单、而且 维修方便和低成本等多个特点。旱期的可编程序控制器 ，主要用来代替继电器实 现逻辑控制。随着通信技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控 制器将代替传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，不仅 具有可靠性高、功能强、而且应用灵活、编程简单、使用方便，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。 2.22.2 可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）的特点）的特点 随着电子信息技术和计算机技术的迅速发展，PLC 的功能得到大大的增强，具 有以下特点: 具有可靠性高。PLC 的高可靠性得益于硬件、软件上的一系列的抗干扰措施 和它特殊的周期循环扫描的工作方式。 具有丰富的 1/0 接口模块。PLC 针对不同的工业现场信号，有相应的 1/0 模 块与工业现场的器件或设备直接连接，另外为了提高操作性。 具有采用模块化结构。PLC 的各个部件，包括电源、1/0、CPU 等均采用模块 化设计，系统的规模和功能可以自行组合来达到用户的需要。 具有编程简单易学。编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对 使用熟练者来说，不需要具备太多计算机的专项知识，因此很容易被一般工程技术 人员所理解和掌握。 具有安装简单，维修方便。不需要专业的 PLC 机房，可以在各种工业环境下 直接安装运行和维修。 5 2.32.3 可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）的应用）的应用 由于 PLC 强大功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。 PLC 在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自 动加矾、水泵变频调速、SCADA 系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进 行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。 2.42.4 可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）的组成）的组成 图 2.1 PLC 结构图 可编程控制器 PC 或 PLC 是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制的工业控 制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似， 只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制 要求的编程语言。PLC 机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入/输出单元 以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。PLC 可分为以下几个部分: l)中央处理单元(CPU):同一般微处理机一样，中央处理单元是可编程控制的核 心部件，它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果 通过输出装置去控制外设。 2)存贮器:可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序、用户程序和数据。常 用的存贮器形式有 CMOSROM、EPROM 和 EEPROM。 6 用户存贮器主要用来存放用户的应用程序。数据存贮器用来存放 PLC 的数据。 包括输入、输出、辅助继电器状态的映像区，定时器、计数器、移位寄存器、状态 寄存器、数据寄存器和特殊功能寄存器等状态的映像寄存器。 3)输入/输出模块:可编程控制器有多种输入/输出模块，其类型有数字量输入/ 输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块又分直流和交流、电压和电流类型，每 种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块， 部件上都设有输入接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于 PLC 内部对信号的处理， 这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。 4)扩展模块:当一个 PLC 中心单元的 1/0 点数不够用时，就要对系统进行扩展， 扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业 控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口 模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。智能 1/0 接口模块种类很多，例如 高速技术模块、PLCA 控制模块、数字位基于 PLC 的变频恒压供水系统的设计置译码 模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能 1/0 模块等。 5)编程器:它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器 还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上， 磁带上的信息可以重新装入 PLC。目前编程器主要有以下三种类型:便携式编程器 (也叫简易编程器);图形编程器;用于 IBM 一 PC 及其兼容机的编程器。便于携带的特 点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以 显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。图形编程器以液晶显示器 (LCD)或阴极射线管(CRT)作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继 电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各 种信号状态、出错提示等。使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示 在屏幕上十分直观。图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接。但它 的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。用于 IBM 一 PC 及其兼容机的 编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯 形图，其监控功能也很强。 编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在 PLC 机处于停机状 态时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和 修改。监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对 某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还 可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些 器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非 常有用和方便的。 编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的 7 显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单 功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中 一种方式工作。 2.52.5 可编程控制器的工作方式及过程可编程控制器的工作方式及过程 、 图 2.3 一个扫描周期 PLC 的工作方式:采用循环扫描方式.在 PLC 处于运行状态时,从内部处理,通信 操作,程序输入,程序执行,程序输出,一直循环扫描工作. PLC 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控制 下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，.然后顺序向各个输出点发 出相应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时的接收外来的控制命令， 每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信。因此，PLC 工 作过程分为以下五步: (1)自诊断 自诊断功能可使 PLC 系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此 PLC 每次扫描用户程序以前都对 CPU、存储器、输入输出模块等进行故障诊断，若自 诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保留现行 工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。 (2)与外设通信 自诊断正常后 PLC 即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应处 理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要显示 的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、清内 存等监控命令。在与上位机通信过程中 PLC 将接收上位机发出的指令进行相应的操 8 作，把现场工作状态、PLC 的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机以及执行 启动、停机、修改参数等命令。 (3)输入现场状态 完成前两步工作后 PLC 便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关的 通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输出刷新，在一个扫 描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态己经发生了变化也只能在下 一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入值的内存 映象值而不是当时现场的实际值。 (4)解算用户逻辑 即执行用户程序。一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开始， 在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程序进行 逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数器、定时 器，内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器，输出继电器 则用的是内存映象值。在一个扫周期内，某个输入信号的状态不管外部实际情况是 否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。 (5)输出结果 将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块取代前一次扫描解算的结果， 也称为输出刷新。解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号被存入 输出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号被输出门阻隔，待全部解算 完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模块，其相应开 关动作。驱动用户输出设备即 PLC 的实际输出。 在依次完成上述五个步骤操作后 PLC 又开始进行下一次扫描。如此不断的反复 循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、或出现 故障。 2.62.6 可编程控制器的编程语言可编程控制器的编程语言梯形图梯形图 梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，是 PLC 中普遍采用的一种编程方式。梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号，这 些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。不同厂家的 PLC， 其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。 梯形图有如下特点。 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个继电器为一个逻辑行，称 为梯形。每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈，整个 图形呈梯形。 9 梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存 储器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示该继电器 通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。 梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器以外， 还包括定时器、计数器等。 梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触 点是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。 梯形图是 PLC 形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图 中各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流来形象的描述解算 中满足输出线圈的动作条件。所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向右 流动，层次的改变只能是先上后下。3.4 可编程序控制器 PLC 的优点 能适应工业现场的恶劣环境，不要求空调，能抗电磁干扰与电压冲击。 简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。 可靠性高，平均故障间隔时间(MTBF)超过 20000 小时。 编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。 体积小，价格低。 可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。 可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达 10000 英尺，内 存可以扩展。 有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。 系统化，有标准外围接口模块。 系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用等一系列优点。 10 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 随着现代科学技术的发展 PLC 功能的不断完善和提高，PLC 几乎可以完成工业 领域的所以控制任务。控制对象以及控制装置确定后，还需要进一步确定 PLC 的控 制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器直接测量的参数， 控制逻辑复杂的部分都由 PLC 控制来完成。当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后。 选择 PLC 就成为最重要的事情。一方面是选择多大容量的 PLC，另一方面是选择什 么公司的 PLC 以及外设。 对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的 I/O 点找出来， 包括开关量 I/O，模拟量 I/O 以及这些 I/O 点的性质。I/O 点是性质主要是指他们是 直流信号还是交流信号，它们的电源电压。控制系统输出点的类型非常关键，如果 它们之中既有交流 220V 的接触器、电磁阀，又有直流 24V 的指示灯，则最后选用的 PLC 的输出点有可能大于实际点数。因为 PLC 的输出点一般是几个一组共用一个公 共端，这一组的输出只能有一个电源的种类和等级。 对于第二个问题，则有以下几个方面要考虑： （1）功能方面 所有 PLC 一般都具有常规的功能，但是对于某些特殊要求，就 要知道所选用的 PLC 是否有能力完成控制任务。这就要求用户对市场上流行的 PLC 品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。图 3-1 为 PLC 控制系统设计步骤。 （2）价格方面 不同厂家的 PLC 产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、 I/O 点数相当的 PLC 的价格能相差 40%以上。在使用 PLC 较多的情况下，这样的差价 必须是需要考虑的。 （3）个人喜好方面有些工程技术人员对某种品牌的 PLC 熟悉，所以一般比较喜 欢使用这种产品。 11 分析评估控制 任务 PLC 机选型 I/O 设备选择 I/O 地址分配 程序设计电气系统安装 调试程序设计硬件系统接线图和 控制柜 满足 要 求 检查硬件 连机调试 满足要求 编制技术文件 现场安装调试 交付使用 检查修改 Y N N N Y N 图图 3-13-1 PLCPLC 控制系统设计步骤控制系统设计步骤 输入/输出信号在 PLC 接线端子上的地址分配是进行 PLC 控制系统设计的基础。 对软件设计来说，I/O 地址分配以后才可以进行编程；对控制柜和 PLC 的外围接线 来说，只有 I/O 地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据 线路图和安装图安装控制柜。 系统调试分模拟调试和联机调试 硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分是否 正确。 12 软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和 PLC 输出端的输出指示灯进行。需要 模拟量信号 I/O 时，可用电位器和万用表配合进行。调试时。可利用上诉外围设备 模拟各种现场开关和传感器状态，然后观察 PLC 的输出逻辑是否正确。如果有错误 则修改后反复调试。现在 PLC 的主流产品都可以在 P 机上编程，并可以在电脑上直 接进行模拟调试。 联机调试时，可以把编制好的程序下载到现场的 PLC 中。有时 PLC 也许只有这 一台，这时就要把 PLC 安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电路断电， 只对控制电路进行联调即可。通过现场联调信号的接入常常还会发现软件以及硬件 中的一些问题，有时厂家还需要对某些控制功能进行改进，这种情况下，都要经过 反复测试系统后，才能最后交付使用。 产生水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压就越高。传统的维持水 压的方法就是建造水塔，水泵开者时将水打到水塔中，水泵休息时借助水塔的水位 继续供水。水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小，也就是说水塔能够维持供 水管路中水压的基本恒定。 但是建造水塔需花费财力，水塔还会造成水的二次污染。不用水塔，而要解决 水压随用水量大小变化的问题。通常的办法是：用水量大时，增加水泵的数量或提 高水泵的转动速度以保证管网中的水压不变，用水量小时又需作出相反的调节。这 就是恒压供水的基本思路。这在电动机速度调节技术不发达的年代是不可设想的， 但是今天办到这一点已经变的很容易了，交流变频的诞生为水泵转速的平滑连续调 节提供了方便。交流变频器是改变交流电源频率的电子设备，输入三相工频交流电 后，可以输出频率平滑变化的三相交流电。 建造水塔需要花费财力，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？答案是肯定的，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：用水量大时，增加水泵的数量或提高水泵的转动速度以保持管网中 水压的不变，用水量小时又需要做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路，这 在电动机速度调节技术不发达的年代是不可以想象的，但是在今天办到这一切已经 边的很容易了。 3.13.1 恒压供水系统的基本构成恒压供水系统的基本构成 配单台电机和水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少于开一台大电机 肯定是浪费，电机选小了用水量大时供水不足。而且水泵和电机都有维修的时候， 备用泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管压网水的恒定，水泵电机的转速套 跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供电。这也有两种配置方式，一 是为每台水泵电机配一台变频器，下图为恒压供水泵站的示意图。如图 3-2 所示， 13 图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时， 水压降低；用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的 变化送给调节器。 压力传感 器 调节器变频器 水箱 水泵 用户 MACEUR M P PS 图图 3-23-2 变频恒压供水站的基本组成变频恒压供水站的基本组成 调节器是一种电子装备,在系统中完成以下几种功能: （1）设定水管压力的给定值，恒压供水水压的高低依需要设定。供水距离越远， 用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值，另 外有些供水系统可能有多种供水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水 压的设定值可能不只一个，一般消防用水的水压要高一些，调节器具有给定值设定 功能，可以以数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。 （2）接受传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置 称为反馈，调节器实反馈的接受点。 （3）根据给定值和实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节 器接受了实测水压的反馈信号后，将它与给定值比较，得到给定值与实测值之差。 如果给定值大于实测值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速，如 果水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都是由调节器的输出信号控制。 为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节工作中还有个调节规律的问题，传统 调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称 PID 调节。调节器的调节参数， 如 P、I、D 参数均是可以由使用者设定的，PID 调节过程视调节器的的内部构成由 数字式调节及模拟量调节两类，以微型计算机调节器多为数字调节器。 调节器的输出信号一般式模拟信号，4-20mA 变化的电流信号或 0-10V 间变化的 14 电压信号。信号的量值与前面提到的差值成正比，用于驱动执行设备工作。 下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，如图 3-3 所示，市网来水用高低水位控制器 EQ 来控制注水阀 TV1，它们自动把水注满储 水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号也直接送 给 PLC，作为低水位报警用。为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离 不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀 YV2 处于失电状态， 关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水 在恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀 YV2 得电，关 闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在 恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后三台泵再改为生活供水使用。 15 市网来水 yv1 EQ 水池 Yv2 消防用水 生活用水 1# 2# 3# 图图 3-33-3 生活消防双恒压供水系统构成图生活消防双恒压供水系统构成图 3.23.2 系统控制要求系统控制要求 对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： （1）生活供水时，系统应低恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行； （2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出； （3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过 3H，则要切换到 下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长； （4）三台泵在启动时要软启动功能； （5）要有完整的报警功能； （6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。 3.33.3 控制系统的控制系统的 I/OI/O 点及地址分配点及地址分配 PLC 要能够识别和接受描述现场设备的开关量，同时要能够发出控制信号控制 一些执行设备，以便对现场设备进行控制。PLC 是通过 I/O 单元完成此工作的。I/O 单元是 PLC 与外部设备相互联系的通道，能输入/输出多种形式和驱动能力的信号， 以实现被控设备与 PLC 的 I/O 接口之间的电平转换、电气隔离、串/并转换、A/D 与 D/A 转换等功能。输入单元接受现场设备向 PLC 提供信号，包括人为的控制信号和 能描述现场状态的开关量信号，例如由按钮、限位开关、继电器触点、接近开关、 16 拨码器等提供的开关量。这些信号经过输入电路进行滤波、光电隔离、电平转换等 处理后，变成 CUP 能够接受和处理的信号。输出单元将经过 CUP 处理的弱电信号通 过光电隔离、功率放大等处理，转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执 行元器件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。 根据图 3-3 及以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址 编号如下表所示。水位上下限信号分别位 I0.1、I0.2，它们在水淹没时为 0，露出 时为 1。 输入输出点代码及地址编号输入输出点代码及地址编号 图表图表 名 称代 码地址编号 手动和自动消防信号SA1I0.0 水池水位下限信号SLLI0.1 水池水位上限信号SLHI0.2 变频器报警信号SUI0.3 消铃按钮SB9I0.4 试灯按钮SB10I0.5 输 入 信 号 远程压力表模拟量变压值UAIW0 1#泵工频运行接触器及指示灯KM1,HL1Q0.0 1#泵变频运行接触器及指示灯KM2,HL2Q0.1 2#泵工频运行接触器及指示灯KM3,HL3Q0.2 2#泵变频运行接触器及指示灯KM4,HL4Q0.3 3#泵工频运行接触器及指示灯KM5,HL5Q0.4 3#泵变频运行接触器及指示灯KM6,HL6Q0.5 生活/消防供水转换电磁阀YV2Q1.0 水池水位下限报警指示灯HL7Q1.1 变频器故障报警指示灯HL8Q1.2 火灾报警指示灯HL9Q1.3 报警电铃HAQ1.4 变频器频率复位控制KAQ1.5 输 出 信 号 控制变频器频率用电电压UFAQW0 17 3.43.4 系统选型系统选型 从上面分析可知，系统共有开关量输入点 6 个、开关量输出点 12 个；模拟量输 出点 1 个、模拟量输出点 1 个。如果选用 CPU 224 PLC，也需要扩展单元；如果选 用 CUO 266 PLC 则价格较高，浪费较大。参照 S7 200 的产品目以及市场实际价 格，选用主机为 CUP222（8 入/6 继电器输出）一台，加上一台扩展模块 EM222（8 继电器输出），再扩展一台模拟量模块 EM235（4AI/1AO）。这样的配置是最经济的。 整个 PLC 系统的配置如图 3-4 图图 3-43-4 PLCPLC 系统组成系统组成 S7-200PLC 是德国西门子公司生产德一种小型 PLC，其许多功能达到大、中型 PLC 的水平，而价格却和小型 PLC 一样，因此，它一经退出，即受到了广泛的关注。 特别是 S7-200CUP22*系列 PLC。由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选 择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易的组成 PLC 网络。 3.53.5 PLCPLC 模拟量控制单元的配置以及应用模拟量控制单元的配置以及应用 PLC 的普通输入输出端口均为开关量处理端口，了使 PLC 能完成模拟量的处理, 常见的方法是为整体式 PLC 加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量 转化为 PLC 可处理的数字量及将 PLC 内部运算结果数字量转换为机外可以使用的模 拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/转换的，也兼有模/数 和数/模两种功能的，以下介绍 S7-200 系列 PLC 的模拟量扩展模块 EM235，它具有 四路模拟量输入及一路模拟量输入，可以用于恒压供水控制中。 3.5.13.5.1 EM235EM235 模拟量工作单元性能指标模拟量工作单元性能指标 主机单元 CUP222 AC/DC 继电器 扩展单元 EM222 8 点继电器 模拟量单元 EM235 4AI/1AO 18 模拟量扩展模块模拟量扩展模块 EM235EM235 输入输入/ /输出技术规范输出技术规范 图表图表 输 入 技 术 规 范输 出 技 术 规 范 最大输出电压30VDC隔离（现场 到逻辑） 无 最大输入电压32mA 输入滤波衰减-3dB，3.1kHz 分辨率12 位 A/D 转换器 信号范围 电压输出 电流输出 10 0-20 mA 隔离否 输入类型差分 输入范围 分辨率，满 量程 电压 电流 12 位 11 位 电压单极性0-10V，0-5V 0-1V，0-500mV 电压 电流 -32000 - +32000 0 - +32000 精度 最差情况 0- 55 电压输出 电流输出 2%满量程 2%满量程 电压双极性 电流 0-100Mv,0-50mV 10V，5V， 2.5V 1V，500mV，25 0Mv 100mV, 50mV, 25mv 0-20mA 输入分辨率 AD 转换时间250s 模拟输入阶跃 响应 1.5 mS 到 95% 共模抑制4dB,DC 到 60Hz 共模电压信号电压加共加 模电压12V 精度 最差情况 0- 55 电压输出 电流输出 典型，25 电压输出 电流输出 2%满量程 2%满量程 5%满量程 5%满量程 24V 电压范围20.4-28.8V设置时间 电压输出 电流输出 100s 2ms 19 为能适用各种规格的输入、输出量，模拟量处理模块都设计成可编程，而转换 生成的数字量一般具有固定的长度及格式。模拟量输出则希望将一定范围的数字量 转换为标准电流量或标准电压量以方便与其他控制接口。上表中，输入、输出信号 范围栏给出了 EM235 的输出、输入信号规格，以供选用。 3.5.23.5.2 校准及配置校准及配置 模拟量模块在接入电路工作前需完成配置及校准，配置指根据实际需接入的信 号类型对模块进行一些设定。校准可以简单的理解为仪器仪表使用前的调零以及调 满度。 3.5.33.5.3 EM235EM235 的安装使用的安装使用 （1）根据输入信号的类型及变化范围设置 DIP 开关，完成模块的配置工作。必 要时进行校准工作。 （2）完成硬件的接线工作。注意输入、输出信号的类型不同，采用不同的接入 方式。为防止空置端对接线端的干扰，空置端应短接。接线还应注意传感器的线路 尽可能短，且应使用屏蔽双绞线，要保证 24VDC 传感器电源无噪声、稳定可靠。 （3）确定模块安装入系统时的位置，并由安装位置确定模块的编号。S7-200 扩展单元安装时在主机的右边依次排列，并从模块 0 开始编号。模块安装完毕后， 将模块自带的接线排插入主机上的扩展总线插口。 （4）为了在主机中进行输入模拟量转换数字后处理及为了输出需要在模拟量单 元中转换为模拟量的数字量，要在主机中安排一定的存储单元。一般使用模拟量输 入 AIW 及模拟量输出 AQW 单元安排由模拟量模块送来的数字量及待入模块转变为模 拟量输出的数字量。而在主机的变量存储区 V 区存放处理产生的中间数据。 3.5.43.5.4 电气控制系统原理图电气控制系统原理图 电气系统控制原理图包括主电路图、控制电路图。 数据字格式 双极性，满量 程 单极性，满量 程 -32000 - +32000 0-32000 20 （1）主电路图 如下图 3-6 所示为电控系统主电路图。三台电机分别为 M1、M2、M3。接触 KM1、KM3、KM5 分别控制 M1、M2、M3 的工频运行；接触器 KM2、KM4、KM6 分别控制 M1、M2、M3 的变频运行，FR1、FR2、FR3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电 器；QS1、QS2、QS3、QS4 分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU1 为 主电路的熔断器，VVVF 为简单的一般变频器。 图图 3-63-6 电控系统主电路电控系统主电路 21 1 20 SB1 KM1 SB2 Q0.0 Q0.1 KM2 KM2 KM1 HL1 KM2 HL2 FR1 4 6 PLC SB4 Q0.2 Q0.3 KM4 KM2 KM3 8 10 SB6 Q0.4 Q0.5 KM6 KM2 KM5 12 14 SB3 KM3 FR2 HL3 KM4 HL4 FR3 HL5 KM6 HL6 KM5 SB5 SB7 YV2 SB8 YV2 HL7 HL8 HL9 HA KA HL10 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 N1 N L1 FU2 （2）控制电路图 图 3-7 所示电控系统控制电路图。图中 SA 为手动/自动转换开关，SA 打在 1 的 位置为手动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮 SB1- SB2 控制三台泵的启/停和电磁阀 YV2 的通/断；自动运行时，系统在 PLC 程序控制 下运行。 22 图图 3-73-7 电控系统控制电路电控系统控制电路 机电一体化技术专业毕业综合实践报告 23 第四章第四章 系统程序的设计系统程序的设计 硬件条件确定后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合前述泵站的控制要 求，对泵站软件设计分析如下： 4.14.1 由由“恒压恒压”要求出发的工作泵组数量控制管理要求出发的工作泵组数量控制管理 前面已经说过了，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且 在一台泵不能满足要求时，需启动第 2 台或第 3 太泵。判断需启动新泵的标准是变 频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可以同过比较指令来实现。为了判断 变频器的工作频率达到上限的确定性，应该滤去偶然的频率波动引起的频率达到上 限情况，在程序中考虑采取时间滤波。 4.24.2 多泵组泵站泵组管理规范多泵组泵站泵组管理规范 由于变频器泵站希望每一次启动电机都为软启动，又规定各台水泵必须交替使 用，多泵组泵站泵组的投运要有一个管理规范。控制要求中规定任意一台泵连续运 行时间不得超过 3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵 是合理的。具体的操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源 运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。 4.34.3 程序的结果以及程序功能的实现程序的结果以及程序功能的实现 由于 PLC 在恒压供水系统中的功能比较多，本程序可分为 3 部分：主程序、子 程