PLC控制的水泵机组群控系统设计.doc

摘 要 供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一 任何时 候都能提供足够的水量 平稳的水压 合格的水质是对给水系统提出的基本要求 随着社 会的飞速发展和城市建设规模的扩大 人口的增多以及人们生活水平的提高 对城市供水 的质量 数量 稳定性等问题提出了越来越高的要求 我国中小城市供水的自动化配置相 对落后 机组的控制主要依靠值班人员的手操作 控制过程烦琐 而且手动控制无法对供 水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应 所以利用先进的自动化技术 控制技术以 及通讯技术 设计高性能 高节能 能适应不同领域的供水系统成为必然趋势 本文详细研究设计了一种基于 PLC 技术控制水泵组合供水系统 说明了可编程控制器 PLC 在供水系统中所担任的角色 从系统的整体设计方案和实际需求分析开始 紧密的 联系实际生活的需要 力求做到使系统运行稳定 操作简便 解决实际中问题 保证供水 安全 快捷 可靠 PLC 技术控制水泵组合供水保证了供水质量 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 关键词 继电器 接触器 PLCPLC 供水 ABSTRACT The water supply project often becomes one of most important infrastructures in the high rise construction or the Industrial and mining establishment and the Small businesses Providing the enough water volume at any time the steady hydraulic pressure the qualified water quality is the essential requirements which proposed to the aqueous system With the progress development of social economic and the construct scale of city continuously enlarge increasing of population and standard of living of people continuously improved more and more demanding to quantity quality and stability of water supply bring forward in city The automatic degree of waterworks the town is much lower than the correspondence in city Especially in some old waterworks the equipment of automatic control system is dropped behind The control of unit is mainly depended on manual operating of watches The progress of control is very complicated and that manual control can t meet the change of pressure in the pipes and the water level of the pond It also can t act the proper feedback in time So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well with help of advanced technique of automation control and communication At the same time this system can adapt different water supply fields This article dissect design a inverter water supply system base on PLC technology to control have stated the role served as of the programmable controller PLC in the water supply system of constant voltage Since the whole design plan of the system and actual demand are analyzed the need of close life of integrating with practice make every effort to make sure to make the system run steadily easy and simple to handle solve and hit the problem actually guarantee to supply water of the security swift reliable Constant voltage has supplied water and guaranteed to support the water quality amount the control system taking PLC as host computer has enriched the systematic control function have improved systematic dependability KEYKEY WORDS WORDS Relay Contactor PLC Water supply 目目 录录 前前 言言 4 第一章第一章 供水技术背景供水技术背景 6 第二章第二章 技术方案的制定技术方案的制定 8 2 1 设计内容和要求 8 2 1 1 设计内容 8 2 1 2 设计要求 8 2 2 技术方案选择 8 2 3 方案论证 9 第三章第三章 可编程逻辑控制器概述可编程逻辑控制器概述 10 3 1 PLC 的定义 10 3 2 PLC 的特点 10 3 3 PLC 工作原理 10 3 3 1 循环扫描 10 3 3 2 I O 响应时间 12 3 3 3 PLC 中的存储器 12 3 4 PLC 的编程语言 13 3 4 1 PLC 的编程结构功能图 13 3 4 2 梯形图编程语言 13 3 5 PLC 的分类 14 3 5 1 按 I O 点数容量分类 14 3 5 2 按结构形式分类 15 第四章第四章 系统设计系统设计 16 4 1 主电路设计 16 4 2 系统控制电路的设计 17 4 2 1 I O 分配表 17 4 2 2 PC 接线图设计 17 4 3 梯形图设计及分析 19 4 3 1 备用选择 19 4 3 2 上 下液位指示 19 4 3 3 自动运行 19 4 3 4 保护和报警系统 21 4 3 5 机组的故障检测 21 4 3 6 故障情况下备用机组的自动投入 21 4 3 7 手动运行 23 4 4 消防系统的程序分析 23 第五章第五章 设备选型设备选型 24 5 1 可编程逻辑控制器的选择 24 5 2 水泵的选择 24 5 3 接触器的选择 25 5 4 继电器的选择 26 5 4 1 热继电器的选择 26 5 4 2 压力继电器 27 5 5 低压断路器的选择 28 5 6 按钮开关的选择 29 5 7 万能转换开关 29 5 8 其它元器件的选择 30 第六章第六章 控制柜的设计控制柜的设计 31 6 1 相关布置规定 31 6 1 1 设计准备工作 31 6 1 2 控制柜布局和器件配置 31 6 2 控制柜内部布置 31 6 3 面板布置 32 结束语结束语 33 致致 谢谢 34 参考文献参考文献 35 附录附录 A A 设备明细表设备明细表 36 附录附录 B B 操作说明书操作说明书 37 附录附录 C C 程序程序 38 前 言 在当前应用较普遍的是变频恒压供水系统具有供水压力稳定 能实现水泵电机的软启动 软停止和高效节能等特点 但也有其缺点 变频器及配套器件价格昂贵 其配套器件通常 占供水设备总投资很大份额 对用户的使用 维护要求高 变频器的下调频率只有在 100 到 30 的范围内才具有明显的节能效果 如果再下调频率 就会出现水泵运转而不出水的工 况 也就是说 在用水低峰期不仅不能变频恒压供水 而且水泵工况恶化 发热造成的损耗也 会比额定功率提高 25 变频器产生的高次谐波对附近的电子类电器设备 如电视机 收音 机 手机等 的干扰较大 要抑制这种干扰 必须配置高性能的噪声滤波器 但这样又会使本 来就比较昂贵的变频器投资更大 工作可靠性也会相应降低 由于变频恒压供水的优缺点兼 而有之 因此比较适用于大容量的恒压供水系统 对一般用户而言 采用变频恒压供水是否最 佳 值得研究和有待实践 文中将详细介绍一种既经济又可靠的水控制系统 这种供水方式与变频恒压供水方式 相比 具有以下优点 1 控制系统简单 价格低 投资少 设备折旧费低 2 工作可靠 寿命长 3 对使用 维护的技术要求低 4 节能效果比变频恒压供水差一些 但比传统供水方式好得 多 5 对泵站周围电子类电器等无噪声干扰 6 在供水系统控制系统的整个寿命期中 从投资 折旧 节能 维修等方面衡量 本系统综合效益优于同容量的变频恒压供水系统 但主要缺 点是水泵启停频繁 所以本文设计的系统只适用于供水量较小的场合 对市政等大型泵站不 适用 第一章 供水技术背景 近年来我国中小城市发展迅速 集中用水量急剧增加 据统计 从 1995 年到 2000 年 我国人均日生活用水量 包括城市公共设施等非生产用水 有 201 8 7 升增加到 281 1 升 增长了 37 2 与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高 供水量的增加给小 区居民的供水提出了更高的服务要求 在用水量高峰期时供水量普遍不足 造成城市公用管 网水压浮动较大 由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大 仅仅靠值班人员依 据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的 这种情况造成用水高峰期时供水压力 不足 用水低峰期时供水压力过高 不仅十分浪费能源而且存在事故隐患 目前国内高层建筑主要供水方式有两种 高位水箱供水和变频调速泵供水 1 高位水箱供水方式 这种供水方式又可分为 并联供水 串联供水 减压水箱供水 减压阀供水方式 1 高位水箱并联供水 此种供水方式优点有 1 各区独立给水系统 互不影响 供水安全可靠 2 水泵可集 中设在地下室 管理维护方便 3 运行动力费用经济 缺点 1 水泵台数多 上区高压管 线长 设备费用增加 2 分区水箱占用楼层面积 减少了有效使用面积 3 水箱进水噪 声易对周围房间环境造成影响 2 高位水箱串联供水 该供水方式水泵分散设置在各区的楼层中 低区水箱兼作上一区水箱的水池 其优点 1 无高压水泵和高压管线 2 运行动力费用经济 缺点 1 水泵分散设置 连同水箱所 占楼层面积较大 2 水泵设在楼层 防震噪音要求高 3 水泵分散 维护管理不便 4 若下区发生事故 上区供水受影响 供水可靠性差 3 减压水箱供水 整个建筑用水量 不包括室外管网直接供水部分 全部由设在底部的水泵提升至屋顶水 箱 然后再分送至各分区水箱 其优点有 1 水泵数量少 设备费降低 管理维护方便 2 水泵房面积小 各分区水箱调节容积减小 缺点 1 水泵运行动力费用高 2 屋顶总 水箱容积大 对建筑的造型 抗震不利 3 供水可靠性较差 4 减压阀供水 工作原理同减压水箱 其优点 不占楼层面积 缺点也是运行动力费用高 目前工程 中一般采用进口减压阀 2 变频调速泵供水方式 变频供水方式也分为并联和减压阀供水方式两种 其工作原理是水泵启动后 压力传 感器向微机控制器输入水泵出口或最不利用水点管内压力 h 的信号 当 h 低于设计压力 h0 时 微机控制器向变频器发出提高电流频率的信号 变频器将电机电流频率提高后 水泵 转速相应提高 出水量增大 管内压力 h 升高 当 h 高于 h0 时 则水泵转速 n 流量 Q 压力 h 降低 水泵转速的提高与降低完全根据水泵出口压力是低于设计压力还是高于设计 压力来调节 故供水压力始终恒定在设计压力 h0 上下很小的范围内 其最大优点是省去高 位水箱 根据用水量变化自动改变水泵转速 从而保证供水压力的恒定 其次是运行可靠 稳定 装置采用软启动方式 不存在电气 机械冲击 启动功率小 缺点是变频设备进口 价格较贵 维修复杂 一旦停电 则断水 随着这种供水方式在国内逐渐推广使用 目前 全国已有数十家厂家生产变频调速供水设备 总之 1 在相同分区情况下 高层建筑各种供水方式中 以高位水箱并联或串联供 水方式动力消耗最低 2 一栋高层建筑采用何种供水方式 应结合设备投资 动力消耗 供水安全性以及管理方便程度等因素综合考虑 目前使用比较多的供水方式仍然是传统的 高位水箱并联供水或减压阀供水方式 变频调速水泵由于受一次设备投资较大 关键部件 仍需进口 维修管理不便等制约 设计使用还不太普遍 第二章 技术方案的制定 2 1 设计内容和要求 2 1 1 设计内容 可编程控制器作为一种新型的工业自动化控制装置 因其功能强 可靠性高 操作使 用方便 广泛应用于各个行业中 将可编程控制器应用于高低位水箱双为式控制系统中 使系统的可靠性提高 功能增强 通用灵活 保证了高质量的供水 本系统采用群泵控制 的工作方式 根据实际需要 灵活选择工作方式 系统应包括自动 手动运行 各种保护 通过对此控制系统的设计 加深对所学知识的理解和应用 增强电气控制系统的设计与开 发能力 并初步掌握电气控制系统的工程设计方法 2 1 2 设计要求 现有一小区供水系统 供水系统由四台水泵组成 每台水泵功率 22KW 由 PLC 作为中心控制器件组成控制系统 其控制要求如下 1 在自动工作方式下 当达到高位水箱的低位和低位水箱的高位时 水泵起动 当达 到高位水箱高位或低位水箱的低位时 水泵停止 2 四台电机均为降压起动 每台电机均有过载保护 3 水泵工作方式为 可任意确定工作水泵的台数 即一台 二台 三台 四台泵工作 每台泵的启动时间 错开 备用机组可在操作台上任意切换 当工作水泵有故障时 备用泵自投 4 设二台消防泵 45KW 当有火灾时 起动二台消防泵 5 系统设有自动 手动工作方式 各种保护 并有显示 任选一型号 PLC 实现控制系统的设计 2 2 技术方案选择 设计方案 采用 PLC 技术控制水泵组合供水系统 由 PLC 实现对高低位水箱液位的控 制和水泵的启停切换 当工作水泵台数按钮打到一台泵工作时 4 泵起动 当工作水泵台 数按钮打到两台泵工作时 3 泵先起动 最后起动 4 泵 当工作水泵台数按钮打到三台泵 工作时 2 泵先起动 3 和 4 泵依次顺序起动 当工作水泵台数按钮打到四台泵工作时 1 泵先起动 2 3 和 4 依次顺序起动 设计步骤 1 初步了解系统设计要求 阅读各种有关资料 做出总体计划 2 在充分研 究系统要求后 分析各个单元的控制要求 3 进行分配下拉 PLC 资源 完成各单元控制的 编程 反复试验做出最优化的系统 在完成以下步骤后 最后完成毕业论文 2 3 方案论证 1 供水需可靠保证 首先给水设备要可靠 由合适选择运行可靠性能优良的泵保证 其次采取某些措施保证供水不间断高质量供水 例如有手动控制 保证自动控制失灵时的供 水 各种故障保护动作时能及时停止相关供水泵 同时转为手动检修状态以检修出故障处 实施维护修理 防止因设备故障而断水等 接触器与 PLC 控制器配合 即可实现多泵并联 组合供水 2 课题研究对象必须要清楚 由于研究的是小区供水系统设计 就不能泛泛而谈 必须以一个具体的研究对象来进行研究设计 这点可以通过考察市内某处高层建筑的居民 区的供水用水状况数据分析后再对其供水系统进行具体的设计 第三章 可编程逻辑控制器概述 3 1 PLC 的定义 最初 可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 只能进行计 数 定时及开关量的逻辑控制 1987 年 2 月 国际电工委员会 IEC 对可编程控制器的定 义是 可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统 专为在工业环境下的应用而设计 它采用一类可编程序的存储器 用于其内部存储程序 执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术操作等面向拥护的指令 并通过数字式和模块式输入 输出 控制各种类型的机 械和生产过程 可编程序控制器及其有关外部设备 都按易于与工业控制系统连成一个整 体 易于扩充功能的原则设计 3 2 PLC 的特点 1 可靠性高 在 I O 环节 PLC 采用了光电隔离 滤波等多种措施 系统程序和大部 分的用户程序都采用 EPROM 存储 一般 PLC 的平均无故障工作时间可达几万小时以上 2 控制功能强 PLC 采用的 CUP 一般是具有较强位处理功能的为处理机 为了增强其 复杂的控制功能和连网通讯等管理功能 可以采用双 CPU 的运行方式 使其功能得到极大 的增强 3 编程方便易学 第一编程语言 梯形图 是一种图形编程语言 与多年来工业现 场使用的电器控制图非常相似 理解方式也相同 非常适合现场人员学习 4 使用于恶劣的工作环境 采用封装的方式 适合于各种震动 腐蚀 有毒气体等 的应用场合 5 与外部设备连接方便 采用统一接线方式的可拆装的活动端子排 提供不同的端 子功能适合于多种电器规格 6 体积小 重量轻 功耗底 7 性价比高 8 模块化结构 扩展能力强 根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装 一种型 号的 PLC 可用于控制从几个 I O 点到几百个 I O 点的控制系统 9 维修方便 功能更灵活 程序的修改就以意味着功能的修改 因此功能的改变非 常灵活 3 3 PLC 工作原理 3 3 1 循环扫描 CUP 连续执行用户程序 任务的循环序列称为扫描 CUP 的扫描周期包括读输入 执行 程序 处理通讯请求 执行 CUP 自诊断测试及写输出等等内容 PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备 他意识周而复始的循环扫描并执行 由系统软件规定好的任务 用户程序只是扫描周期的一个组成部分 用户程序不运行时 PLC 也在扫描 只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入 写输出这几部分的内容 典 型的 PLC 在一个周期中可以完成以下 5 个扫描过程 1 自诊断测试扫描过程 为保证设备的可靠行 及时放映所出现的故障 PLC 都具 有自监视功能 2 与网络进行通讯的扫描过程 一般小型系统没有这一扫描过程 配有网络的 PLC 系统才有通讯扫描过程 这一过程用于 PLC 之间及 PLC 与上位计算机或终端设备之间的通 信 3 用户程序扫描过程 机器处于正常运行状态下 每一个扫描周期内都包含该扫描 过程 该过程在机器运行中是否执行是可控的 即用户可以通过软件进行设定 用户程序 的长短会影响过程所用的时间 4 读输入 写输出扫描过程 机器在正常运行状态下 每一个扫描周期都包含这个 扫描过程 该过程在机器运行中是否被执行是可控的 CUP 在处理用户程序时 使用的输入 值不是直接从输入点读取的 运算的结果也不直接送到实际输出点 而是在内存中设置了 两个映像寄存器 一个为输入映像寄存器 另一个为输出映像寄存器 用户程序所用的输 入值是输入映像寄存器的值 运算结果也放在输出映像寄存器 在输入扫描过程中 CUP 把 实际输入点的状态锁入到输入映像寄存器 在输出扫描过程中 CUP 把输出映像寄存器的值 的输出点 循环扫描有如下特点 1 扫描周期周而复始地进行 读输入 输出和用户程序是否执行是可控的 2 输入映像寄存器的内容是由设备驱动的 在程序执行过程中的一个周期内输入映 像寄存器的值保持不变 CUP 采用集中输入的控制思想 只能使用输入映像寄存器的值来控 制程序的执行 3 对同一个输出单元的多次使用 修改次序会造成不同的执行结果 4 各个电路和不同的扫描阶段会造成输入和输出的延迟 这是 PLC 的主要缺点 在读输入阶段 CUP 对各个输入端子进行扫描 通过输入电路将各输入点的状态锁入映 像寄存器中 紧接着转入用户程序执行阶段 CUP 按照先左后右 先上后下的顺序对每条指 令进行扫描 根据输入映像寄存器和输出映像寄存器的状态执行用户程序 同时将执行结 果写入输出映像寄存器 在程序执行期间 即使输入端子状态发生变化 输入状态寄存器 的内容也不会改变 输入端子状态变化只能在下一个周期的输入阶段才被集中读入 输入 输出采用映像寄存器的优点 1 集中采用 I O 程序扫描期间输入值固定不变 程序执行完后统一输出 这种集中 I O 的方式保证的程序的顺序执行与外部电路乱序执行的统一 使系统更加稳定可靠 2 程序执行时 存取映像寄存器要比读写 I O 端点快的多 这样可以加快程序执行 速度 3 I O 点必须按位存取 而映像寄存器可按位 字节 字 双字灵活的存取 增加了 程序的灵活性 用户输入设备 输入端子 输入电路 输入映像寄存器 输入映像寄存器 输出锁存器 输出电路 输出端子 用户输出设备 Q0 2 Q0 1 输入 输出 Q0 1 I0 1 I0 1 图 1 PLC 信号的传递过程 3 3 2 I O 响应时间 由于 PLC 采用循环扫描的工作方式 而且对输入和输出信号只在没个扫描周期的固定 时间集中输入 输出 所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象 扫描周期越长 滞后现象越严重 响应时间有输入延迟 输出延迟和程序执行时间部分决定 1 PLC 输入电路设置了滤波器 滤波器的常数越大 对输入信号的延迟作用越强 输 入延迟是由硬件决定的 有的 PLC 滤波器时间常数可调 2 从输出锁存器到输出端子所经历的时间称为输出延迟 对于不同的输出形式 其 值大小不同 它也是由硬件决定的 对于不同信号的 PLC 可以通过查表得到 3 程序执行时间主要由程序长短来决定 对于一个实际的控制程序 编程人员须对 此进行现场测算 使 PLC 的响应时间控制在系统允许的范围内 在最有利的情况下 输入状态经过一个扫描周期在输出得到响应的时间 称为最小 I O 响应时间 在最不利的情况下 输入点的状态恰好错过了输入的锁入时刻 造成在下一个 输出锁定才能被响应 这就需要两个扫描周期时间 称为最大 I O 响应时间 它们是由 PLC 的扫描执行方式决定的 与编程方法无关 3 3 3 PLC 中的存储器 PLC 中的存储器按用途分为系统程序存储器 用户程序存储器以及工作数据存储器 1 系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的 PLC 的指令的系统编写的系统程序 它决定了 PLC 的功能 用户不能更改其内容 2 用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序 3 用来存储工作数据的区域称为工作数据区 3 4 PLC 的编程语言 PLC 的硬件系统中 与 PLC 的编程应用关系最直接的要算数据存储器 计算机运行处 理的是数据 数据存储在存储区中 找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址 PLC 和其他的计算机一样 为了使用方便 数据存储器都作了分区 为了每个存储单 元编排了地址 并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能 形成了专用的存 储元件 这就是前面提到过的编程的 软 元件 为了理解方便 PLC 的编程元件用 继电 器 命名 认为它们像继电器一样具有线圈以及触点 并且线圈得电 触点动作 当然这 个线圈和触点只是假象 所谓线圈得电不过是存储单元置 1 线圈失电 不过就是存储单元 置 0 也正因为如此 我们称之为 软 元件 但是这种 软 继电器也有个突出的好处 可以认为它们具有无数多对动合动断触点 因此每取用一次它的触点 不过是读一次它的 存储数据而已 3 4 1 PLC 的编程结构功能图 任何语言都有编程的对象和基础 重要介绍梯形图语言和语句表语言 而功能图是理 解这两种语言的基础 输入继电器是由外部输入驱动的 梯形图中只能使用其介入点状态值 用户不能改变输 入继电器的状 态 辅助继电器的种类和多少决定了 PLC 控制功能的强弱 相当于工作寄存器的多少和功 能的强弱 实际的 PLC 中并没有图中的物理继电器 用继电器来表示 PLC 的内部功能结构是为了 使习惯于继电器控制的工程技术人员更好的理解 PLC 的功能 更好的使用 PLC 就像他在设 计继电器控制电路一样 梯形图语言是一种图形化的语言 是一种面向控制过程的 自然语言 梯形图编程语 言形象 直观 准确的描述了逻辑控制关系 容易被广大的工程技术人员所掌握 PLC 与被控对象所连接的只是 I O 条件 而 I O 之间的组合控制关系需要用软件的方法 来描述清楚 梯形图是一种描述方法 当然还有语句等表示其他的语言 语言的支持取决 于厂家开发的系统程序只要将其输入 PLC 的用户程序存储器中 PLC 就能够直接解释并实现 I O 间的控制关系 当控制关系发生改变时 只要修改梯形图程序 重新输入到 PLC 的存储 器即可 3 4 2 梯形图编程语言 PLC 是通过程序对系统进行控制的 作为一种专用计算机 为了适应其应用领域 一定 有其专用的语言 PLC 的编程语言有多种 如梯形图 语句表 功能图 逻辑方程等 梯形 图编程语言是一种图形语言 具有继电器控制电路形象 直观的优点 语句表编程语言类 似计算机的汇编语言 用助记符来表示各种指令的功能 是 PLC 用户程序的基础元素 一般而言 梯形图程序让 PLC 仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件 根据 结果决定逻辑输出的允许条件 逻辑通常被分解成小的容易理解的片 这些片通常被称为 梯级 或网络 程序一次扫描执行一次网络 按照从做到右 从上到下的顺序进行 一旦 CUP 执行到 程序的结尾 就又从上到下执行程序 在每一个网络中 指令以列为基础被执行 从上而 下 从左到右依次执行 直到本网络的最后一个线圈列 因此为了充分利用存储器容量 使扫描时间尽可能短 利用梯形图编程时应限制触点之间的距离 并使网络左上边这部分 空白最少 其中 串联触点较多的支路要写在上面 并联支路应写在左边 线圈放于触点 的右边 3 5 PLC 的分类 PLC 发展到今天 已经有了多种形式 而且功能也不尽相同 分类时 一般按以下原则 来考虑 3 5 1 按 I O 点数容量分类 一般而言 处理 I O 点数越多 则控制关系就 比较复杂 用户要求的程序存储器容量 比较大 要求 PLC 指令及其他功能比较多 指令执行的过程也比较快 按 PLC 的输入 输 出点数的多少可将 PLC 分为以下三类 1 小型机 小型机 PLC 的功能一般以开关量控制为主 小型 PLC 输入 输出点数一般在 256 点以 下 用户程序存储器容量在 4K 左右 现在的高性能小型 PLC 还具有一定的通讯能力和少量 的模拟量处理能力 这类的 PLC 的特点是价格低廉 体积小巧 适合于控制单台设备和开 发机电一体化产品 典型的小型机有 SIEMENS 公司的 S7 200 系列 OMRON 公司的 CPM2A 系列 MITUBISH 公 司的 FX 系列和 AB 公司的 SLC500 系列等整体式 PLC 产品 2 中型机 中型 PLC 的输入 输出总点数在 256 2048 点之间 用户程序存储器容量达到 8K 字左 右 中型 PLC 不仅具有开关量和模拟量的控制功能 还具有更强的数字计算能力 它的通 信功能和模拟量处理功能更强大 中型机比小型机更丰富 中型机适用于更复杂的逻辑控 制系统以及连续生产线的过程控制系统场合 典型的中型机有 SIEMENS 公司的 S7 300 系列 OMRON 公司的 C200H 系列 AB 公司的 SLC500 系列等模块式 PLC 产品 3 大型机 大型 PLC 的输入 输出总点数在 2048 点以上 用户程序储存器容量达到 16K 以上 大型 PLC 的性能已经与工业控制计算机相当 它具有计算 控制和调节的能力 还具有强 大的网络结构和通信联网能力 有些 PLC 还具有冗余能力 它的监视系统采用 CRT 显示 能够表示过程的动态流程 记录各种曲线 PID 调节参数等 它配备多种智能板 构成一台 多功能系统 这种系统还可以和其他型号的控制器互联 和上位机相联 组成一个集中分 散的生产过程和产品质量控制系统 大型机适用于设备自动化控制 过程自动化控制和过 程监控系统 典型的大型 PLC 有 SIEMENS 公司的 S7 400 OMRON 公司的 CVM1 和 CS1 系列 AB 公司的 SLC5 05 等系列 3 5 2 按结构形式分类 根据 PLC 结构形式的不同 PLC 主要可分为整体式和模块式两类 1 整体式结构 整体式结构的特点是将 PLC 的基本部件 如 CUP 板 输入板 输出板 电源板等紧凑 的安装在一个标准的机壳内 构成一个整体 组成 PLC 的一个基本单元 主机 或扩展单 元 基本单元上设有扩展 端口 通过扩展电缆与扩展单元相连 配有许多专用的特殊功能的模块 如模拟量输 入 输出模块 热电偶 热电阻模块 通信模块等 以构成 PLC 不同的配置 整体式结构的 PLC 体积小 成本底 安装方便 微型和小型 PLC 一般为整体式结构 如西门子的 S7 200 2 模块式结构 模块式结构的 PLC 是由一些模块单元构成 这些标准模块如 CUP 模块 输入模块 输 出模块 电源模块和各种功能模块等 将这些模块插在框架上和基板上即可 各个模块功 能是独立的 外型尺寸是统一的 可根据需要灵活配置 整体式 PLC 每一个 I O 点的平均价格比模块式的便宜 在小型控制系统中一般采用整 体式结构 但是模块式 PLC 的硬件组态方便灵活 I O 点数的多少 输入点数与输出点数的 比例 I O 模块的使用等方面的选择余地都比整体式 PLC 大的多 维修时更换模块 判断故 障范围也很方便 因此较复杂的 要求较高的系统一般选用模块式 PLC 第四章 系统设计 4 1 主电路设计 各台水泵电机均采用 Y 起动方式 主系统线路如图 2 所示 图中 M1 M4 为水泵电机 每台电机用三个接触器分别控制电源 Y 起动和 运行 各电机均设有过载保护 FR1 FR4 为了反映各机组工作是否正常 在每台水泵的压力出口处设置压力继电器 SP1 SP4 将其常 开触点输入 PC 中 图 2 主电路图 4 2 系统控制电路的设计 4 2 1 I O 分配表 图 3 I O 分配表 4 2 2 PC 接线图设计 PC 接线图只要根据图 3 的 I O 分配关系和 C60P 的端子排列位置进行相应的接线即可 图 4 是所设计的 PC 系统外部接线图 图中各接触器和信号指示部分均采用 220V 交流电源 需要说明的有两点 一是输入 PC 的开关量信号可以常开 也可以常闭 但相应的梯形 图中有关软触点的状态应随之变化 本设计采用常开形式输入 PC 二是不同型号的 PC 机的 输出端子与输出通道不一定完全对应 例如 C60P 的 0512 0515 它们是输出变量 但在输 出端子上没有与之对应的接线外置 它们只能作为内部辅助继电器使用 而不能外接负载 因此在编制 I O 分配表和绘制 PC 接线图时 应事先通过 PC 手册或实物了解外部端子的外 置和编号 图 4 控制电路图 4 3 梯形图设计及分析 4 3 1 备用选择 控制台上的三个备用选择按钮 SRES1 SRES3 分别与梯形图输入点 0001 0003 相对应 按下任一个按钮时 同时按下水泵工作台数按钮 可以选择 1 3 作为相对应的情况下的备 用 备用机组可用上述按钮任意切换 设选择 3 机组备用 按下 SRES3 则 0003 闭合 同时将 SN 打到 1 台水泵的工作状态 即 0012 闭合 这时输入继电器 0600 也随之闭合 控制台 3 备用 指示灯亮 同时 0600 的软触点在梯形图内部起控制作用 图 5 备用选择 4 3 2 上 下液位指示 安装在水箱内的上 下液位开关 SU SD 均为常开型 与输入点 0010 0011 相对应 设 水位上升到上限位置时 则 0010 闭合 在其前沿产生一个扫描周期的脉冲信号 1200 该脉 冲使输出继电器 0601 闭合 发出上限位指示 并用在梯形图中进行有关控制 若水位下降 到下限位置 由于触点 SD 要断开 使 0011 断开 故用 DIFU 指令在 SD 断开时产生脉冲信 号 1201 从而使输出点 0602 闭合 发出下限位指示 并进行有关控制 上 下液位状态由 脉冲信号 1200 和 1201 互相复位 4 3 3 自动运行 每台水泵电机起动时接触器的动作顺序依次为 Y 形连接 电源接触器 接触器 t1 是 Y 转换时间 梯形图中 0500 0503 0506 0509 分别控制四个电机的电源 0501 0504 0507 0510 分别控制四个电机的电源 0502 0505 0508 0511 分别控制四 个 接触器 软件定时器 TIM00 TIM01 TIM02 TIM06 分别控制每台电机 Y 转换时间 t1 软件定时器 TIM03 TIM04 TIM05 分别控制相邻两台机组的启动时间 t2 由万能开关 SA 打到自动运行方式下 按下水泵工作台数按钮 SN 后 确定水泵的工作 台数 1 一台泵工作时 当水位达到下限时 可知产生微分脉冲 1002 于是 4 电机 Y 接 线接触器得电 同时接通 4 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM06 启动定时 t1s 一方面切断了 4 电机 Y 接线接触器 另一方面接通了 4 电机 接线接触器 这样 4 电机就自动实现了 Y 降压起动 2 两台泵工作时 当水位达到下限时 可知产生微分脉冲 1002 于是 3 电机 Y 接 线接触器得电 同时接通 3 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM02 启动定时 t1s 一方面切断了 3 电机 Y 接线接触器 另一方面接通了 3 电机 接线接触器 这样 3 电机就自动实现了 Y 降压起动 而 3 电机 接线接触器的接通使得 TIM05 开始启动定时 时间为 t2s 当 TIM05 定时结束后 4 电机 Y 接线接触器开始得电并闭合 这就接通了 4 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM06 启动定时 t1s 在切断 4 电机 Y 接线接触 器的同时接通了 4 电机 接线接触器 这样 4 电机就自动实现了 Y 降压起动 3 三台泵工作时 当水位达到下限时 可知产生微分脉冲 1002 于是 2 电机 Y 接 线接触器得电 同时接通 2 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM01 启动定时 t1s 一方面切断了 2 电机 Y 接线接触器 另一方面接通了 2 电机 接线接触器 这样 2 电机就自动实现了 Y 降压起动 而 2 电机 接线接触器的接通使得 TIM04 开始启动定时 时间为 t2s 当 TIM04 定时结束后 3 电机 Y 接线接触器开始得电并闭合 这就接通了 3 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM02 启动定时 t1s 在切断 3 电机 Y 接线接触 器的同时接通了 3 电机 接线接触器 这样 3 电机就自动实现了 Y 降压起动 而 3 电 机 接线接触器的接通使得 TIM05 开始启动定时 时间为 t2s 当 TIM05 定时结束后 4 电 机 Y 接线接触器开始得电并闭合 这就接通了 4 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM06 启动定时 t1s 在切断 4 电机 Y 接线接触器的同时接通了 4 电机 接线接触器 这 样 4 电机就自动实现了 Y 降压起动 4 四台泵工作时 当水位达到下限时 可知产生微分脉冲 1002 于是 1 电机 Y 接 线接触器得电 同时接通 1 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM00 启动定时 t1s 一方面切断了 1 电机 Y 接线接触器 另一方面接通了 1 电机 接线接触器 这样 1 电机就自动实现了 Y 降压起动 而 1 电机 接线接触器的接通使得 TIM03 开始启动定时 时间为 t2s 当 TIM03 定时结束后 2 电机 Y 接线接触器开始得电并闭合 这就接通了 2 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM01 启动定时 t1s 在切断 2 电机 Y 接线接触 器的同时接通了 2 电机 接线接触器 这样 2 电机就自动实现了 Y 降压起动 而 2 电 机 接线接触器的接通使得 TIM04 开始启动定时 时间为 t2s 当 TIM04 定时结束后 3 电 机 Y 接线接触器开始得电并闭合 这就接通了 3 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM02 启动定时 t1s 在切断 3 电机 Y 接线接触器的同时接通了 3 电机 接线接触器 这 样 3 电机就自动实现了 Y 降压起动 而 3 电机 接线接触器的接通使得 TIM05 开始启动 定时 时间为 t2s 当 TIM05 定时结束后 4 电机 Y 接线接触器开始得电并闭合 这就接通 了 4 电机的电源接触器 这时内部时间继电器 TIM06 启动定时 t1s 在切断 4 电机 Y 接线 接触器的同时接通了 4 电机 接线接触器 这样 4 电机就自动实现了 Y 降压起动 4 3 4 保护和报警系统 主电路 三相总供电电路上设置一总空开 每一台电机设一空开 过载保护 为了防止电动机因长期过载运行而使电动机绕组的温升超过允许值而损坏 需用热继电器采用热保护 当某一个热继电器得电后常闭断开该热继电器接的上的控制电 路 常开闭合接通 4 台电机对应的故障指示红灯亮 水位达到下限时 亮水位下限指示红灯并自动停所有泵 故障指示时 有操作人员按水泵备用按钮来替换掉有故障的水泵 控制电路 控制电路设一两极空开 一方面保护控制电路 一方面可以在检修或者故障时把它与 主电路断开 较之用熔断器有它的优势 4 3 5 机组的故障检测 在任何一台运行机组有故障的情况下应当立即停止该机组运行 为此应把发生故障时的 状态在梯形图中反映出来 水泵机组可能出现的故障很多 为了尽量全面而简单地表示故障的发生 可以把出现 以下两种情况之一确定为出现故障的条件 1 某机组在进入正常运行后 水泵出水压力仍然很低 例如将装设在该机组出水管处 的压力继电器 SPi i 1 2 3 的动作压力整定为电机 Y 起动时的压力 如果进入 运 行后 管路压力仍不能使该继电器动作 则说明存在各种机械或电气故障 是水泵不能 正常工作 因此应视为故障出现 2 水泵电机在运行中过载 装设于电机主电路的热继电器可以反映出由于电机长期 过负荷工作或由于缺相引起的过载现象 这时压力继电器不一定动作 但属于不正常状 态 因此也视为故障 将上述两种情况相 或 即可得到任何一台机组的故障条件 梯形图中用输出继电器 0603 0606 分别表示 1 4 水泵机组的故障状态 则梯形图中对应的故障逻辑表达式为 0603 0500 0502 0107 0101 0604 0503 0505 0108 0102 0605 0506 0508 0109 0103 0606 0509 0511 0110 0104 上式中 0101 0102 0103 0104 是与四台电机热继电器输入信号 常开 相对应的输入继 电器常开触点 当电机过载时 它们将会闭合 4 3 6 故障情况下备用机组的自动投入 当运行机组出现故障时 备用机组应投入运行 这时应首先解除备用状态 然后才能 完成备用机组的投入过程 1 备用过程的解除 梯形图中的内部辅助继电器 1401 1403 分别为当 1 3 机组备用情况下解除备用的条件 从图 6 可以清楚的看出 1 备用机组要解除备用状态 条件就是水泵工作的台数为三台 并且 2 3 和 4 机组中的任何一台出现故障 例如在 0014 闭合的条件下 常开触点 0604 0605 或 0606 接通时 都会使 1401 继电器接通 将 1401 用 DIFU 指令转换为脉冲 信号 1101 则 1101 可以使 1 机组的备用状态 0608 复位 即解除了 1 机组的备用 图 6 备用过程的解除 2 备用机组自动投入 设 自动 方式下 这时水泵的工作的台数为两台 故选择 2 机组备用 如果此时 3 机组故障 则 2 电机应当投入工作 具体分析如下 如图 7 所示 当 3 号机组故障时 这是 2 电机的备用状态被解除 即 0600 复位 由于这 时水泵的工作台数为两台 则 1002 闭合 这是就接通了 2 电机的 Y 接触器 后面的步骤再 次就不一一详述了 当 2 电机 Y 降压起动后 由于 3 机组有故障 这是 TIM05 定时器定 时 联动 4 电机起动 图 7 2 电机起动的部分梯形图 4 3 7 手动运行 手动 自动转换开关 SA 是一个用动触点完成两种工况切换的开关 因此 当开关置于 手动 位置时 0007 闭合 同时必有 0008 断开 即手动方式建立 自动方式自然解除 这是每台电机是通过手动按钮完成起动任务的 根据控制要求 这种工作方式不进行联动 用手动起动按钮 SB1 SB4 对应输入点 0003 0006 和手动停止按钮 ST1 ST4 对应输入点 0111 0114 可以分别对 1 4 机组单独进行控制 4 4 消防系统的程序分析 当本系统有火灾时 这是需要立即 起动两台消防泵 而供水泵继续维持先 前的工作状态 如图 8 所示 当有消防信号时 这 时 0009 闭合 并同时接通 0607 发出 光信号 0607 的接通使得 5 电机的 Y 接 触器得电 这样 5 电机就开始进行 Y 降压起动 当 5 电机 Y 降压起动完成后 这时 接通定时器 TIM08 开始定时 定时结束后 开始又联动 6 电机 Y 降压起动 当火灾被扑灭后 消防消耗开关断开 即 0009 断开 这时两台消防泵立即停止运行 图 8 消防系统设计的梯形图 第五章 设备选型 根据每个器件所要满足的要求以及选择的原则 选择器件 5 1 可编程逻辑控制器的选择 PLC 是本设计的核心器件 所以第一个选 根据控制图统计出现场输入信号共 30 个 输出信号共 28 个 故选用 OMRON C 系列 PC 机 C60P 它可实现 32 点输入 28 点输出的控制 因此本系统选用此型号刚好够用 没有太 多的余量 不会造成资源的浪费 其 I O 分配点图 9 所示 图9 I O分配点 5 2 水泵的选择 供水系统的水泵用离心泵比较合适 IS 型卧式清水离心泵 供输送清水及物理化学性 质类似于清水的其它液体之用 适用于工业和城市给排水 高层建筑增压送水 园林喷灌 消防增压 远距离输送 暖通制冷