基于PLC的隧道通风排水控制系统设计

郑州大学毕业设计 论文 题 目 基于 PLC 的隧道通风 排水控制系统设计 院 系 专 业 班 级 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 学生姓名 学 号 指导教师 职称 2016 年 5 月 26 日 精品文档 II欢迎下载 摘 要 本设计以普通地下车辆交通隧道通风风机和排水泵为控制对象 根据隧道内 检测的烟雾浓度 风速 蓄水池液位及相应控制要求 设计电气控制原理图和 PLC 控制程序 可实现烟雾浓度检测 液位检测 风机启停 水泵启停全自动控 制 具有互锁保护功能 能实现自动 手动转换操作 本文采用了西门子 S7 200PLC 的 CPU226 AC DC RLY 模块 加之 EM231 的模拟量输入扩展模块 并辅以 隧道 CO VI 检测器 超声波液位计 单向式射流风机和德国威乐水泵等元器件 成功实现了对隧道通风排水的自动 手动控制 即使是火灾或暴风雨等特殊情况 该系统经过运行调试后也能游刃有余 关键词 隧道 通风排水 射流风机 水泵 Abstract The design of common underground vehicle traffic tunnel ventilation and drainage pump as the control object according to the requirements of the tunnel detection of smoke concentration wind speed liquid level of the reservoir and corresponding control and electrical design control principle diagram and the PLC control program can achieve the start and stop smoke concentration detection liquid level detection fan pump start and stop automatic control 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 II with interlocking protection function can realize the automatic and manual conversion operation In this paper the Siemens S7 200 cpu226 AC DC RLY module coupled with the EM231 analog input expansion module and supplemented by tunnel CO VI detector is and ultrasonic level meter one way jet fan and German wilo pumps and other components successfully realize the of tunnel ventilation and drainage of automatic and manual control Even the fire storm or other special circumstances the system can also ease after operation after commissioning Key words tunnel ventilation and drainage jet fan water pump 目 录 摘 要 I Abstract I 1 绪 论 1 1 1 选题的背景和意义 1 1 2 国内外研究情况综述 1 精品文档 IIIIII欢迎下载 1 3 论文应达到的要求及采用设备方法 3 1 4 本章总结与反思 3 2 可编程控制器 4 2 1 可编程控制器发展 4 2 2 可编程控制器概述 4 2 3 可编程控制器分类及组成 5 2 4 S7 200 PLC 简述 7 2 5 本章总结与反思 7 3 PLC 硬件设计 8 3 1 通风系统硬件设计 8 3 2 排水系统硬件设计 18 3 3 隧道通风排水控制系统总 PLC 原理图 22 3 4 本章总结与反思 25 4 PLC 软件设计 26 4 1 系统控制要求简述 26 4 2 PLC 软件设计 27 4 3 PLC 的安装与维修 36 4 4 本章总结与反思 38 5 结 论 40 致 谢 42 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 IV 参考文献 42 附录 1 外文资料翻译 44 A1 1 译文 基于 PLC 专用处理器的一种高性能体系结构设计 44 A1 2 原文 A high performance architecture design of PLC dedicated processor 53 附录 2 电气原理图 64 附录 3 程序清单 67 基于 PLC 的隧道通风排水控制系统设计 1 1 绪 论 1 1 选题的背景和意义 自从改革开放以来 伴随着我国国际地位的飞速提升 我国的经济水平也走 到了世界的前列 堪称世界第三大经济体 这其中 交通运输业对经济增长助力 颇多 但是我国国土资源有限 交通运输业目前还存在着浪费土地的不高效现状 违背了可持续发展 再加之很多山地地区由于地形的缘故 所以隧道工程自改革 开放以来在我国得到了突飞猛进的发展 隧道的高效安全问题 以及自动工业化 程度也就显得尤为重要 隧道的几何特性导致了隧道具有相对密闭性 尾气等污染物无法第一时间排 出隧道 就这样日积月累 当污染物聚积到一定浓度 就会导致可见度下降和有 害气体含量上升 甚至隧道内积水无法及时排掉 直接危害到行车安全以及人体 健康 1 在这种情况下 基于 PLC 的隧道通风排水控制系统应运而生 该系统能加强隧道内的通风排水 以降低汽车所排污染物浓度 保证隧道正 常的空气湿度 通风排水系统即在实时监测这些隧道环境参数的基础上 控制隧 道通风风机和排水泵的开启台数及功率大小 保障隧道的安全健康运营 通过 PLC 和各种传感器的配合使用 使通风排水控制的安全性 可靠性大大的提高 不仅节约了电能 而且还提高了设备的运转率 特别是在面对车祸火灾或暴雨积 水的特殊情况时 该系统能自动进行调整 这将有着很强的现实意义和应用前景 一个国家的交通运输对一个国家的经济发展起到至关重要的作用 其一我国 国土辽阔 在广阔的土地上 一条条交通要道纵横交错 有很多的交通要道都要 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 2 经过隧道 因而探寻更加合理高效的隧道技术是我国经济高速发展的必要条件 再者 据有效数据统计 我国每年交通事故发生在隧道内的比重很大 而且造成 的损失也十分的严重 因此隧道技术在减少事故发生率和安全运营方面也显得更 加不可或缺 1 2 国内外研究情况综述 在高速公路工程的建设上 国外相对于国内起步比较早 对隧道通风排水系 统的设计研究也更为先进 国外拥有交通工控的一套完整设计思路 尤其瑞士等 一些欧洲国家在公路及铁路隧道建设方面经验丰富 瑞士这个国度以多山地形闻 名 其中就有世界著名的阿尔卑斯山横贯 早在 100 多年前的 20 世纪初 在美 国矿务局以及当时一些知名大学通力合作下 美国修建纽约一隧道时 对隧道内 CO 浓度以及人体能够承受 CO 浓度上限进行了研究测试 研究结果显示科学家们 将 400ppm 当做 CO 临界值 并以此计算隧道需要的通风量 这是历史上第一次对 隧道系统的正式研究 世界各国的隧道通风方式的发展也经历了一个逐步完善的 过程 日本大多数隧道所采用的纵向式通风 包括分段纵向式通风 开始了隧 道通风的新纪元 其中以日本的惠娜山隧道为代表隧道 高速公路高速发展的过 程中出现了许多特长特大隧道 但因隧道通风排水系统设计不恰当所引起的交通 事故 造成了许多的生命和财产损失 2 因此隧道通风排水控制系统自动化程度 需要不断提高才能跟上社会的脚步 满足人们的需求 最近几年我国经济实力的飞速发展离不开以高速公路为骨干的高等级公路建 设 其中隧道的建设更是重中之重 我国的多山丘陵地形决定了隧道在公路建设 中的必要性 目前隧道通风方式种类繁多 但以机械通风为主要形式 其中机械通风又细 分为纵向式 射流式 风道式 喷嘴式和竖井式通风 自然通风 这种通风方式不安装专门的通风设备 是采用存在于两个洞口间 精品文档 3 3 欢迎下载 的自然压力差值产生的自然风或者汽车行驶时车体周围摩擦产生的交通风 达到 送风的目的 我国规定 LN 600 可采用自然通风 L 隧道长度 公里 N 高峰 小时交通量 辆 小时 纵向通风 其中射流式送风方式利用设置于隧道顶部的射流式风机通风 设 备费用低 但是噪声颇大 而竖井式通常用于长隧道中 进行分段通风 半横向式通风 其特点是利用空气动力学原理使新鲜的空气聚集在汽车排气 孔附近 第一时间稀释尾气 这种方法仅需要设置排风道 比较经济 横向通风 这种通风方式方便了防止火灾和处理烟雾 但需建造送风道和排 风道 从而变向增加建设费用和维护费用 隧道是否积水是隧道正常行车与否的关键 这个问题也是隧道能否正常运营 的关键 目前国外隧道排水系统主要是在隧道内按一定的距离设置滤水箅 滤水 箅通常是设置在路面以下 滤水箅主要分为暗沟与开口式明沟 暗沟较之明沟更 加的隐蔽 也更加的易于维护 而我国根据隧道附近地理形态的相异 提出了隧 道排水的原则是 排 隔 堵三种处理方式相互结合 因地制宜 综合治理 我国常用的排水结构 盲沟 泄水沟 排水沟 但是这种排水系统收集隧道内 积水的能力还是有限 遇到大雨或者暴雨时 其排水能力就显得捉襟见肘 同时 目前众多排水系统基本上是一个项目一个边沟型式 未把隧道的长度考虑在内 往往得不到对积水的最佳引排效果 3 1 3 论文应达到的要求及采用设备方法 该系统应达到的要求 a 能够实现全自动控制 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 4 b 能够手动控制 c 具有互锁保护功能 拟用设备 AUTO CAD V4 0 STEP7 Micro WIN SP9 S7 200 仿真 鼓风机 排风机 水泵 CO VI 检测器 监测仪 液位传感器 方法 使用 AUTO CAD 绘制主电气控制原理图 使用 V4 0 STEP7 Micro WIN SP9 绘制 PLC 程序清单和软件梯形图 最后使用 S7 200 仿真进行仿真 1 4 本章总结与反思 本章着重介绍了选这个课题的背景和意义 对于此课题目前国内外的研究现 状 以及 PLC 在隧道内的应用现状 最后我大致叙述了本论文拟解决的主要问题 和论文应达到的要求 一些采用的设备和方法 此章节是我对这个设计的一些宏 观规划 后续实验设计都是以本章为核心的 由于实际情况限制 这个设计我无 法去现场试验 所以我采用的设备可能不足以支撑整个长隧道的运营 所以 我 觉得我的设计更适合中小型隧道 一些射流风机 水泵以及传感器的实际安装还 需要进一步实地检测 这些是我的设计以后需要改进的地方 精品文档 5 5 欢迎下载 2 可编程控制器 2 1 可编程控制器发展 PLC 最初研制时的目的主要是用于替代传统的控制装置 即以继电器接触器 为代表的低压电器控制 继电器控制装置的运行方式是若某个线圈得电或失电 这个线圈的其他触点也会同时动作 是硬逻辑并行运行 这种控制系统有着明显 的缺点 系统体积大 运行不方便 学习成本高 尤其无法根据设计要求灵活改 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 6 变程序 必须全部从头开始 而不同于继电器控制装置 PLC 运行方式是一种类 似栈的方式 不管输出继电器是动作信号还是存储信号 他都会按照顺序 只有 其触点被扫描到 它才会动作进行后续操作 相对来说安全保障性更佳 PLC 的发展与数字电子 模拟电子 电力电子等大多数工控学科的发展完善 息息相关 从控制功能来分 PLC 的发展经历下列四个阶段 第一阶段 也就是可编程序控制器的诞生阶段 指从第一台可编程序逻辑控 制器问世取代继电器控制方式开始 这一阶段产品主要用于逻辑运算和定时 计 数 其功能相对简单实用 第二阶段 贯穿 20 世纪中期到末期为止 属于可编程序逻辑控制器的小范 围扩展阶段 此阶段新增了从模拟仪表发展而来的控制器 主要功能是逻辑运算 和模拟运算 第三阶段 从 20 世纪 70 年代末期到 80 年代中期 是 PLC 的大力发展阶段 期间伴随计算机通信的发展 PLC 也形成了小范围的通信功能 数据传播与运算 在这一时段得到了迅速发展 第四阶段 即第三阶段开始至今 是 PLC 的开放阶段 此阶段 PLC 形成工业 控制产业网 全球自动化开始发展 形成统一的通信软硬件系统 增加了多种编 程语言 可以称之为一门完整的学科了 2 2 可编程控制器概述 PLC 的全称是可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 国际 工委会 IEC 对 PLC 进行过定义 通俗的讲 可编程逻辑控制器是一种服务于 自动化工业生产的电子系统 它通过数字运算 利用内部的可以编程序的存储器 来处理逻辑运算 顺序控制 存储 定时 计数和算术操作等面向用户的指令 并通过数字的输入输出或模拟的输入和输出来控制各种生产过程 4 可编程序控 精品文档 7 7 欢迎下载 制器及其上位机 下位机构成完整的以太网控制系统 在工业生产中提供了很大 的便利与帮助 世界上生产 PLC 的著名企业有 美国 Rockwell 公司所属的 AB 公司 GE Fanuc 公司 日本 三菱 松下公司 OMRON 德国 西门子 法国 施耐 德 PLC 具有十分强大的功能 不仅具有采集信号 处理数据的能力 还可以实 现逻辑控制 对输出进行控制 而且对于系统故障具有自诊断功能 具有以太网 接口 可实现通信联网 人机对话 PLC 具有如下特点 a 安全可靠 自主能力强 PLC 是用软件代替了中间继电器和时间继电器 与传统的继电器控制相比 减少了大量的硬件触点和接线 仅仅在输入和输出电路部分还需使用一些硬件元 件 可以大大降低因为硬件触点的老化 使用时间过长造成的接触不良 提高系 统的可靠性 可编程逻辑控制器有很强的抗干扰能力 原因就在于 PLC 设计者设计了许 多抗干扰措施 包括硬件电路的抗干扰和软件设计中加入软件抗干扰的方法 使 系统运行过程中受现场的干扰信号的影响很小 自主性能好 b 编程容易 操作方便 梯形图语言是 PLC 应用广泛的编程语言 梯形图语言十分形象直观 它的表 达方式和电路符号与继电器电路的原理图十分相似 没有接触过梯形图的电气技 术人员只需要花上很短的时间就能过掌握梯形图语言 并能够编写简单的用户程 序 c 便于设计 调试 安装 以及后期的维护 由于采用软件电路代替大量的时间继电器 中间继电器和定时 计数器 系 统的设计 调试 安装十分方便 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 8 d 体积小 重量轻 功耗低 由于软件电路代替了大量的继电器 PLC 的体积 重量也大大降低 e 模块化结构 通用性强 PLC 采用模块化的设计方式 便于系统的安装与拆卸 而且方便对模块进行 扩展 使系统具有较强的通用性 2 3 可编程控制器分类及组成 2 3 1 可编程逻辑控制器分类 a 按结构分类 PLC 以其硬件的结构形式为标准 分为整体式 模块式和叠装式 b 按照控制规模分类 PLC 的控制规模 即数字量的 I O 点数及模拟量的输入 输出点数 按照以上 划分方式 PLC 较为细致的被分为数十点的微型机 500 点以下的小型机 500 点 至上千点的中型机 数千点的大型机 上万点的超大型机等 2 3 2 可编程控制器工作过程 PLC 的工作过程是以按顺序循环扫描的方式的方式进行的 运行状态下的 PLC 其运行周期可划分为输入采样阶段 程序执行阶段和输出刷新阶段总共三 个基本阶段 此工作过程的特点是输出对输入的响应有滞后现象 这个滞后时间 精品文档 9 9 欢迎下载 的长短主要取决于循环周期的长短 输入电路滤波时间和输出电路滞后时间等 2 3 3 可编程逻辑控制器的组成 图 2 1 PLC 硬件系统的基本结构框图 2 4 S7 200 PLC 简述 西门子的可编程控制产品有三个系列 S7 M7 和 C7 它们各有特点及应用 环境 S7 200 是其中一款经济型的 PLC 它的结构简单紧凑 易于扩展 价格低 廉而功能强大 可靠性高 运行速度快 性价比一流 S7 200 继承和发挥了其在 大 中型 PLC 领域的技术优势 S7 200 系列 PLC 的基本结构包括四部分 其中以 PLC 主机为核心 PLC 本身 自带有 I O 端口 同时还可以扩展各种功能模块 因此 S7 200 系列 PLC 既可以 单机运行 也可以连接各种功能扩展模块 为了扩展 I O 点和执行特殊功能 S7 200 可以连接扩展模块 常用的扩展模 块有 定位模块 EM253 通信处理模块 EM241 和测温模块 EM231 等 S7 200 拥有三种模式 分别是 PLC 共有的模式 RUN 和 STOP 以及特色的模 式 TERM 终端 模式 而且这种模式需要编程软件 STEP7 的结合使用 这三者 之间可以通过安装在 PLC 上的方式选择开关进行切换使用 除此之外 S7 200 拥 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 10 有 5 种常用编程语言 2 5 本章总结与反思 本章主要介绍了可编程逻辑控制器的发展 概述 组成以及工作过程 世界 上一些生产 PLC 的大型厂商中没用中国厂商 这实在是一种遗憾和讽刺 特别的 我着重介绍了本设计我使用的 PLC S7 200 它的组成 CPU 模块以及编程语言 在后续的研究中 我发现 S7 200 已经渐渐被 S7 1200 所取代了 我得扩展我的 PLC 掌握范围 学习更先进的 PLC 赶上时代的步伐 像 S7 300 或 S7 400 等中 大型机才是工业生产的主力军 这些我都得弥补 精品文档 11 11 欢迎下载 3 PLC 硬件设计 3 1 通风系统硬件设计 通风系统主要是为了使隧道系统的 CO 浓度以及能见度保持在正常值范围 使隧道内的空气质量 行车环境符合标准而设计的 本设计中隧道通风系统现场 设备主要是由 CO VI 传感器 PLC 风机等几部分组成 CO VI 检测仪可以对隧道 内的 CO 浓度和能见度进行实时监测 将测得的模拟信号转换为标准的电压或电 流信号 2 10v 4 20mA 输入到 PLC 的模拟输入模块 PLC 对该信号进行处理 控制风机做出相应的动作 为了设计隧道通风控制系统 首先应该对通风系统的 硬件进行选择 主要包括风机型号的选型 传感器型号的选型 以及 PLC 型号的 选型 最后根据系统的要求得出 PLC 的输入输出分配表 得出 PLC 的原理图 然 后再组成系统 3 1 1 VI CO 检测仪的选型 经查阅资料得到 隧道一般情况下 CO 浓度范围为 0 500ppm VI 数值为 0 0 035 l m 左右 根据上述数据选择 CO VI 检测仪 US Regal Tunnel VICO 740 隧道 CO VI 检测器 监测仪 US Regal Tunnel VICO 740 是一款设计用来实时 采集 CO VI 数据 并为进行实时监控而服务的仪器 也为隧道通风及道路通行提 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 12 供决策依据 VI 分析仪由两个部分组成 结构简单 安装距离 3 米或 10 米 可调 经 反射后其量程会得到翻倍 光束经过灰尘会衰减 此时接收器得到信号并经判断 阅读单元处理为测量值 分析仪会自我进行一部分数据分析与误差处理 CO 采用红外光谱气体吸收相关法 利用特定 CO 在红外光谱上显示的 CO 吸收 波峰左右数值来估算 CO 的浓度测量值 隧道 CO VI 检测器 监测仪 US Regal Tunnel VICO 740 特点 可同时或分别测量能见度和 CO 浓度 分析部分可显示测量曲线 开机后可自动调整 快速 节约费用 安装 开机 维护费用低 大量程 完善且耐用的光学探头 零点补偿功能 多种输出方式 数据采集方便 可安装于小隧道 只需测量一点 可安装于长隧道 每一隧道口可集成有雾探头 具有可扩展功能 根据未来设计需要 可增加对含氮或硫元素等其他 有害气体的检测功能 技术参数如下 产品型号 US Regal Tunnel VICO 740 量程 VIS K 0 35 1 km CO 0 500ppm 精品文档 13 13 欢迎下载 测量精度 VIS 0 1 1 km CO 1ppm 防护等级 IP68 模拟输出 2 通道 0 2 4 20mA 最大负载 1000 欧 数字接口 RS232 RS485 RS422 继电器输出 CO 故障 VI 故障 维护 污染 报警指示 数字输入 5V 最大 2mA 外部维护开关 工作温度 50 70 工作湿度 0 100 RH 无冷凝 数据存储 本地数据存储 72 小时 状态显示 设备状态 LED 显示 数值显示 测量数值 LCD 实时显示 安装方式 壁挂安装 响应时间 30s 5 电流转换参数对照表如下所示 表 3 1 电流转换参数对照表 烟雾浓度 1 m 输出电流 4 20mA 04 00 3 5E 0220 00 烟雾浓度和输出电流成线性关系 见下图 3 1 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 14 图 3 1 烟雾浓度和输出电流关系 CO 与输出电流转换关系如下 表 3 2 CO 与电流成线性关系 一氧化碳 CO ppm 输出电流 4 20mA 04 00 50020 00 CO 浓度和输出电流成线性关系 见下图 3 2 精品文档 15 15 欢迎下载 图 3 2 CO 浓度和输出电流关系 VI CO 检测仪如图 3 3 图 3 3 VI CO 检测仪 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 16 US Regal Tunnel VICO 740 检测仪是专门针对隧道恶劣环境所设计的 它能 将隧道内的能见度值 CO 浓度值转换为 4 20mA 的标准电流信号输入到 PLC 的模 拟量通道 输入量程与模拟量输入输出通道的量程相匹配 方便计算对应值 因 此选 US Regal Tunnel VICO 740 检测仪作为隧道通风系统测量能见度 CO 浓度 值的传感器 3 1 2 隧道风机型号选型 射流风机是专门针对公路及铁路隧道的通风系统而设计的 以射流风机为主 要通风设备的通风方式属于纵向通风方式 隧道风机一般是悬挂在隧道的顶部和 两侧的位置 不占用交通面积 也不需要修建风道 是一种十分经济可靠地通风 方式 射流风机运行过程中 能产生较高的推力 流经隧道内的部分空气被吸入风 机中 经过叶轮做功 由风机出口喷出高速的气流 根据冲击传动原理 获得能 量的高速气流将能量传递给隧道内的 空气 推动隧道内的空气向前流动 隧道 内间隔分布的风机将隧道内的气流不断向前传递 新鲜空气从隧道入口处被吸入 隧道内被污染的空气通过风机运行及自然风的作用由出口排出 通过隧道内的空 气流动 改善隧道中的空气质量 营造更好的行车环境 遂道式通风机有两种类型组成 分别是单向射流风机 SDS 和双向射流风机 SDS R 最大推力可达 3500 牛 SDS 隧道射流风机结构图如图 3 4 所示 精品文档 17 17 欢迎下载 图 3 4 隧道射流风机结构图 从上图射流风机外观来看 风机主要由左右两端的消声器 支架脚以及风机 本体组成 SDS 射流风机外部进行涂装处理以保证风机的强度和防腐度 风机本 体中的叶轮可根据需要由设计人员改变叶片数和叶片角度 两端的消声器通过螺 栓与风机本体固定 消声器通常情况下为风机直径的一倍 对消除噪声要求严格 的场合也可以取为风机直径的两倍 6 本系统选择型号为 SDS 90t 4p 22kw 的射流风机 是单向运转轴流风机 且 自带故障信号 具体参数如下 风机直径 900mm 电机功率 22 KW 轴向推力 695 N 风机转速 N min 1470 风机出口风量 20 3 ms 风机出口风速 31 4 m s 射流风机外形如图所示 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 18 图 3 5 单向式射流风机 由风机参数可得 基于 SDS 90t 4p 22kw 射流风机的射流通风方式能满足长 度在 1000 米及以下的双向交通隧道 符合本文中隧道通风的要求 3 1 3 PLC 选型 选择 PLC 时 对所选择的 PLC 的基本要求是所选择的 PLC 要能够满足控制系 统对功能的要求 选择 PLC 主要从以下几个方面考虑 1 结构的选择 系统在功能和 I O 点数相同的情况下 整体式的 PLC 相对与模块式的 PLC 价 格要低 精品文档 19 19 欢迎下载 2 输出方式的选择 不同的负载对 PLC 的输出方式的要求也不相同 一般来讲 PLC 的输出类型 有晶体管 继电器和 SSR 输出三种 但对于 S7 200CPU 则只有前两种方式 其中 继电器输出型的 PLC 可以驱动直流负载和交流负载 在下列表中 电源电压是 PLC 的工作电压 输出电压是由用户提供的负载工作电压 3 I O 响应时间的选择 系统的输入 输出电路和 PLC 的扫描工作方式会引起延时 这也是 PLC 响应 时间的重要组成部分 没有模拟量输入输出的系统不许考虑 PLC I O 响应时间 4 联网通信的选择 如果控制系统要求 PLC 要能够与其他设备通信 那么所选择的 PLC 就应具 备通信联网的功能 即所选择的 PLC 要有与系统中其他的 PLC 上位机 HMI 等 设备互联的接口 5 PLC 电源的选择 电源是 PLC 干扰引入的主要途径之一 为了确保系统稳定可靠的运行 应选 择优质电源 6 I O 点数和 I O 接口设备的选择 a 输入模块的输入电路应与外部传感器或电子设备 例如变频器 的输出 电路的类型相匹配 最好能使二者直接相连 b 选择模拟量模块时应考虑使用变送器 以及执行机构的量程是否能与 PLC 的模拟量输入 输出模块的量程匹配 C 使用旋转编码器时 应考虑 PLC 的高速计数器的功能和工作频率是否能 满足要求 7 存储器容量的选择 存储器是储存系统程序 用户程序和逻辑变量的一种半导体电路 系统程序 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 20 是控制和完成 PLC 多种功能的程序 有生产厂家编写 用户程序是根据生产工艺 和工艺要求设计的控制程序 PLC 中常用的存储器有 ROM RAM 和 EPROM 存储器 容量可按照下式对进行估算 并加上 20 30 的裕量 存储容量 字节 开关量 I O 通道数 10 模拟量 I O 通道数 100 一般情况下 能够满足输入输出点数要求的 PLC 对存储器容量也能满足 S7 200 的 CPU 模块目前有五种型号 见下表 表 3 3 S7 200 PLC 的主要技术性能指标 7 性能指标 CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226 外形尺寸 mm 90 80 6290 80 62120 5 80 62140 80 62196 80 62 用户程序 4096409681921228816384 用户数据 2048204881921024010240 掉电保持时间 h 5050100100100 本机数字量 I O 6 48 614 1014 1024 16 精品文档 21 21 欢迎下载 本机模拟量 I O无无无 2 1 无 扩展模块数量 02777 数字量 I O 映像 区 128 A 128 出 128 A 128 出 128 A 128 出 128 入 128 出 128 入 128 出 模拟量 I O 映像 区 无16 A 16 出32 入 32 出32 A 32 出32 A 32 出 脉冲捕捉输入 68141424 脉冲输出 22222 辅助继电器 M 256256256256256 定时器 计数器 256 256256 256256 206256 256256 256 状态寄存器 S 256256256256256 高速计数器 44666 定时中断 2 1 255ms 2 1 255ms 2 1 255rns 2 1 255ms 1 255ms 边沿中断4 个上升沿或 4 个下降沿 模拟电位器 1 8bit 1 8bjt 2 8bit 2 8bit 2 8bit 布尔指令执行速 度 S 指令 0 220 220 220 220 22 口令保护有有有有有 通信口 11122 通信协议PPI DP 自由口 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 22 最多主站数 3232323232 根据系统的控制要求 每个 PLC 要控制三台风机 水泵的启停 另外考虑安 全性问题 要在输入端加入风机 水泵的过流 欠压保护输入 以及超声波液位 计 CO VI 检测仪的模拟信号输入 由于 PLC 的输入输出 I O 接口价格相对较高 因此在选择 I O 点数时应本着在满足系统控制要求的前提下尽可能的使 I O 点数 最少且必须留有一定的裕量的原则 I O 点数应根据控制对象的 I O 点数数量实 际需求 再加上 10 15 的裕量来确定 本系统中有 18 个数字量输入 控制隧道 通风系统的 PLC 应有 VI 检测输入和 CO 检测输入两个模拟量输入通道 控制隧道 排水系统的 PLC 应具有超声液位信号输入一个模拟量输入通道 比较上表 s7 200 的五种 CPU 的参数可知 PLC 的 CPU 型号选为 CPU226 CPU 模块的型号有 5 种 见表 3 4 S7 200 系列 PLC 的电源供电形式有两种 即交流 DC 与直流 AC 所有的 S7 200 系列 PLC 不只有为其自身 扩展模 块和其他用电设备供电的内部电源 其本身还向外提供一个 DC 24V 电源 从电 源输出点 L M 引出 除此之外 每个扩展模块都需要 DC 5V 的电源供电 应当检查所有扩展模块的电源要求是否超出 CPU 供电能力 一旦超出 就得减少 或者改变模块配置 表 3 4 S7 200 PLC 的 CPU 型号 CPU 模块 CPU 供电 标称 数字量输人 数字量输出 通信 口 模拟量输 入 模拟量输 出 可拆卸连接 CPU22124V DC6 24V DC4 24V DC1 否否否 CPU221120 240V AC6 24V DC4 继电器1 否否否 CPU22224V DC5 24V DC6 24V DC1 否否否 精品文档 23 23 欢迎下载 CPU222120 240V AC5 24V DC6 继电器1 否否否 CPU22424V DC14 24V DC 10 24V DC1 否否是 CPU224120 240V AC14 24V DC 10 继电器1 否否是 CPU224XP24V DC14 24V DC 10 24V DC221 是 CPU224XP120 240V AC14 24V DC 10 继电器221 是 CPU22624V DC24 24V DC 16 24V DC2 否否是 CPU226120 240V AC24 24V DC 16 继电器2 否否是 因为输入回路一般使用 CPU 内置的 DC24V 电源 输出回路控制的是交流负载 因此采用继电器输出 CPU 电源电压和输入 输出版本选择为 AC DC Relay CPU AC DC Relay 的外部接线图如图所示 图 3 6 CPU226AC DC Relay 端子接线 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 24 S7 200 的 CPU 可以根据系统的需要进行扩展 CPU221 除外 信号模块连 接到 CPU 的右侧 以扩展其数字量或模拟量 I O 的点数 CPU 226 可以最多连接 7 个扩展模块单元 所有的 S7 200CPU 模块上 都至少有一个或多个通信口 因为本系统属于小型系统 输入输出点数较少 S7 200 的 226 型的 CPU 不 需扩展信号板与信号模块 不必集成通信接口与通信模块 只需要在传感器和 CPU 之间添加一个模拟量输入模块用以 A D 转换数据处理即可 此设计中有 VI 检测输入 CO 检测输入和超声液位信号输入三个模拟量输入 通道 我选用 EM231 模块 由下表可知其具有 4 个模拟量输入通道 符合需要且 够用 模拟量输入分辨率为 12 位 单极性数据格式的全量程范围为 0 32000 双 极性范围则是 32000 32000 表 3 5 模拟量扩展模块型号 点数及消耗电流 模块消耗电流 mA 名称型号输入 输出点数 DC 5VDC 24V 输入模块 EM231 4 路模拟量输入 2060 输出模块 EM232 2 路模拟量输出 2070 混合模块 EM235 4 路模拟量输入 1 路 模拟量输出 3060 CPU 单元与扩展模块由导轨固定 CPU 模块放在最左侧 扩展模块依次放在 右侧 CPU 单元的扩展端口位于机身中部右侧前盖下 与扩展模块的扁平电缆连 接 如下图 3 7 所示 标准导轨安装 精品文档 25 25 欢迎下载 图 3 7 CPU 与扩展模块的连接 EM231 的外部接线如下图 3 8 所示 输入信号为电压信号时 用两个端子 如 A A 输入信号为电流信号时 用三个端子 如 RC C C 其中 RC 与 C 端子短接 未用的输入通道应该短接 如 B B 下部右边分别是增 益校准电位器 在没有精密仪器的情况下 不要调整 和配置设定 DIP 开关 图 3 8 EM231 的外部接线图 3 2 排水系统硬件设计 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 26 本文中排水系统主要是为了防止由于降雨或者是隧道火灾等情况发生时由于 消防用水等情况给隧道道路造成积水导致影响隧道交通正常运行的情况 本设计 中排水系统主要是由蓄水池收集隧道内的积水 然后当蓄水池水位到达一定高度 的时候 运行相应的排水泵进行排水处理以保证蓄水池水位在一个安全的水平 排水系统中蓄水池液位通过传感器采集 将液位值通过水位传感器的模拟信号输 入通道输入 PLC 通过 PLC 内部程序的处理 PLC 的输出驱动蓄水池中的水泵工 作 本文中对隧道排水系统的硬件设计主要包括对检测液位的传感器的选型 对 水泵型号的选型 对 PLC 型号的选型 最后根据系统的要求得出 PLC 的输入输出 分配表 作出 PLC 的原理图 最后组成隧道排水系统 3 2 1 传感器的选型 测量液位的传感器主要有浮筒式液位传感器 超声波液位计和雷达液位计等 浮筒式液位传感器利用著名科学家阿基米德浮力原理设计而成 此传感器利用其 内部金属薄片来感应液位信息 但是需要人工现场操作相对不是很方便 雷达液 位计主要用于重要性较高的场合 因为本系统中不仅要控制水泵启停来达到控制 液位的作用 还要把实时液位值在监控中心显示 因此本文中选用超声波液位计 超声波液位计 属于非接触式液位测量仪器 它利用超声波自带特性制成 既可以发射超声波也可以接受超声波 超声波液位计之所以能测量液位高度 其 原理主要是利用超声波测距 超声波在空气中的传播速度是一定的 超声波在空 气中传播 遇到障碍物被反射回来 可根据发射器和接收器接收到超声波的时间 差值计算出障碍物到超声波物 液位计的距离 表 3 6 超声波液位计参数 精品文档 27 27 欢迎下载 功能一体型分体型 量程 5 米 10 米 15 米 20 米 30 米 40 米 50 米 60 米 5 米 10 米 15 米 20 米 30 米 40 米 50 米 60 米 70 米 测量精度 0 25 0 5 0 25 0 5 模拟输出 4 线制 4 20mA 750 负载 2 线制 4 20mA 250 负载 4 20mA 750 负载 继电器输出 2 组 AC 250V 8A 或 DC 30V 5A 状 态可编程 可选配 单通道为 2 组 双通道是 4 组 AC 250V 8A 或 DC 30V 5A 状态可编 程 可选配 续表 3 6 功能一体型分体型 供电 标配 24DC 可选 220V AC 15 50HZ 标配 220V AC 15 50HZ 可选 24VDC 120 m A 定做 12VDC 或电池供电 环境温度显示仪表 20 60 C 显示仪表 20 60 C 探头温度探头 20 80 C探头 20 80 C 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 28 液位与电流呈线性关系 如下所示 表 3 7 液位与电流对应关系 液位 m 输出电流 4 20mA 04 00 5 0020 00 图 3 9 液位与电流转换关系 一体式超声波液位计如图所示 精品文档 29 29 欢迎下载 图 3 10 一体式超声波液位计 由上述图表可知超声波液位和输出电流值成正比 这样的话 一般 5 米深的 蓄水池内液位值以 4 20mA 的标准电流形式输入到我选好的模拟量扩展模块内 再根据比例关系进行操作计算 而且超声波液位计不必接触介质 可以大幅度增 长超声波液位计的使用寿命 相对于其他液位计长期与水接触容易被破坏其内部 结构 浪费资源 因此选超声波液位计作为隧道排水系统中的蓄水池液位检测仪 器 3 2 2 排水泵的选型 排水系统中的水泵主要是安装在池子底部 蓄水池的作用主要是收集雨水 消防用水等混杂有泥沙 杂物的污水 因为蓄水池深五米 因此水泵的扬程要选 择不低于 5 米的水泵 而蓄水池平时可能灌满水的情况不是很多 而一旦遇到强 降雨或特大交通事故 会有许多的水注入 因此选择水泵的流量时要选择流量相 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 30 对大些的以应对突然的水位增长 综合以上所述 本系统所选择的水泵为德国威 乐 PDV A400E A 型号的水泵 PDV A400E A 水泵具体参数如下 输入功率 600 W 输出功率 400 W 扬程 最大扬程 7m 额定扬程 5m 流量 最大流量 230L min 额定流量为 150L min 管径 50mm 质量 13kg PDV A400E A 型水泵如图所示 图 3 11 PDV A400E A 型水泵 威乐公司潜水泵主要应用在地下室 排水沟 下水道等的排水 电机配有过 精品文档 31 31 欢迎下载 热保护器 可大大加长水泵的使用寿命 同时还允许含颗粒较大的污水通过 水 泵机身采用了工程塑料和不锈钢材质 防腐性能强 且重量轻 8 因此隧道排水 系统中应用此排水泵基本能满足要求 3 2 3 PLC 的选型 因为排水系统的控制要求与通风系统的控制要求基本相同 所以 PLC 的选型 标准与 3 1 3 完全相同 这里不再赘述 而且从经济的角度考虑 两个系统完全 可以由同一个 PLC 控制 节约资源最大化利用 3 3 隧道通风排水控制系统总 PLC 原理图 3 3 1 自动控制部分 在通风控制部分 PLC 需要控制三台风机的启动 因此这部分 PLC 输出有三 个 分别控制风机 1 2 3 而 PLC 的输入有风机自动切换开关 另外 SDS 隧道 射流风机自带有故障信号 此信号接入 PLC 当风机出现故障时 停止风机运行 同理 这台 PLC 还要控制三台水泵的启停 因此 PLC 输出又有三个 分别控制水 泵 1 2 3 而 PLC 的输入包括水泵自动切换开关 另外 PDV A400E A 型水泵自 带有故障信号 此信号接入 PLC 当水泵出现故障时 停止水泵运行 另外从安 全性方面考虑 还要对线路中的电源故障 电路故障 设备和元件故障等电气故 障检测并将检测信号输入 PLC 因此一共有 9 9 18 个数字量输入信号 超声波液 位检测值 CO 检测值 VI 检测值通过模拟量通道输入 PLC 占三个模拟量通道 根据以上分析 列出通风系统 S7 200 PLC I O 分配表 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 32 输入地址分配表 表 3 8 隧道通风排水控制系统输入分配表 输入地址功能输入地址功能 I0 0 1 号风机切换自动按钮 I1 3 1 号水泵自带故障信号 I0 1 1 号风机电气故障 I1 4 2 号水泵切换自动按钮 I0 2 1 号风机自带故障信号 I1 5 2 号水泵电气故障 I0 3 2 号风机切换自动按钮 I1 6 2 号水泵自带故障信号 I0 4 2 号风机电气故障 I1 7 3 号水泵切换自动按钮 I0 5 2 号风机自带故障信号 I2 0 3 号水泵电气故障 I0 6 3 号风机切换自动按钮 I2 1 3 号水泵自带故障信号 I0 7 3 号风机电气故障 AIW0 CO 检测信号输入 I1 0 3 号风机自带故障信号 AIW2 VI 检测信号输入 I1 1 1 号水泵切换自动按钮 AIW4 水位检测信号输入 I1 2 1 号水泵电气故障 输出地址分配表 表 3 9 隧道通风排水控制系统输出分配表 输出地址功能输出地址功能 精品文档 33 33 欢迎下载 Q0 0 1 号风机运行启动 Q0 3 1 号水泵运行启动 Q0 1 2 号风机运行启动 Q0 4 2 号水泵运行启动 Q0 2 3 号风机运行启动 Q0 5 3 号水泵运行启动 由上述系统的输入输出分配表得出隧道通风排水控制系统 PLC 原理图 L M PE L M 1M I0 0 I0 1 I0 4 I0 5 I0 7 I1 1 2M I0 2 I0 3 I0 6 I1 0 I1 4 I1 3 I1 2 I1 5 I1 6 I1 7 I2 0 I2 1 I2 2 AIW0 AIW2 AIW4 AIW6Q1 0 Q0 7 Q0 6 Q0 5 Q0 4 2L Q0 3 Q0 2 Q0 1 Q0 0 1LS 交流220V 24V直流 根据负载电压选择交流或直流 KM7 风机1号运行启动 KM8 风机2号运行启动 KM9 风机3号运行启动 KM10 水泵1号运行启动 KM11 水泵2号运行启动 KM12 水泵3号运行启动 24V24V 0V 24V 0V 0V 外部24V 电源输出 PLC24V输出 风机1号切换自动 KA1 风机1号电气故障 KA2 风机1号自带故障 KA3 风机2号切换自动 KA4 风机2号电气故障 KA5 风机2号自带故障 KA6 风机3号切换自动 KA7 风机3号电气故障 KA8 风机3号自带故障 KA9 水泵1号切换自动 KA10 水泵1号电气故障 KA11 水泵1号自带故障 KA12 水泵2号切换自动 KA13 水泵2号电气故障 KA14 水泵2号自带故障 KA15 水泵3号切换自动 KA16 水泵3号电气故障 KA17 水泵3号自带故障 KA18 500R 500R 500R 0V CO检测 VI检测 水位检测 CO VI传感器4 20mA 水位传感器4 20mA S7 200 CPU226 AC DC RLY 图 3 12 系统总 PLC 原理图 3 3 2 手动控制部分 郑州大学电气工程学院毕业设计 论文 34 图 3 13 控制部分图 手动部分电路我选择起保停自锁电路 并配以 FR 热继电器常闭触头 当电 路过热时 它能自我熔断 保护电路中的其他重要设备防止烧坏 其中 SB1 SB3 SB5 SB7 SB9 SB11 为急停按钮 当工作人员发现电路故障时 可 以断开此开关保护