PLC自动供水泵站控制设计

目录绪论.1第1章可编程控制器.31.1可编程控制概述.41.2可编程控制器的结构.41.3可编程控制软件.41.3.1FX2N可编程控制器的基本结构.51.4可编程控制器原理.6第2章PLC在自动供水泵站中的应用.62.1课题背景简介.72.2自动供水基本构成.72.2.1水泵作用及工作原理82.2.2三相异步电动机92.2.3传感器92.2.4电磁阀的工作原理.9第3章系统程序设计.123.1系统控制要求.123.2电气控制系统原理图.123.3系统控制I/O地址分配.143.4系统控制状态流程图.15第4章调试过程中遇到的问题及解决方法174.4控制系统顺序功能图.184.5控制系统的程序设计.19本章小结.21致谢.22参考文献.23结束语.24第0页共31页绪论可编程控制器（ProgrammableLogicController）于1969年面世，发展到现在已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。第1页共31页第1章可编程序控制器1.1可编程序控制概述目前的控制器有很多种，有可编程序控制器、单片机、工业计算机等，而可编程序控制器具有驱动能力好、通信接口不复杂、指令简单、运行可靠等优点，所以本课题选用可编程序控制器PLC的硬件的主机由CPU、存储器、输入/输出接口、电源等几大部分组成，此外配备的各种外部设备如计算机可通过通信接口与主机连接。可编程序控制器（简称PLC）是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用自动控制装置，PLC是电子技术、计算机技术与继电逻辑自动控制系统相结合的产物。PLC作为自动控制系统中的一个核心部件，要使它能在控制系统中充分发挥其功能，就必须了解PLC的结构、工作原理等。以可编程控制器为核心单元的控制系统称为可编程控制系统。可编程控制系统可分为硬件和软件。可编程控制系统中硬件组成及各部分的作用PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内，其组成框图如图1-5-1所示；对于模块式PLC，各部件独立封装成模块，各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上，其组成框图如图1-5-2所示。无论是哪种结构类型的PLC，都可根据用户需要进行配置与组合。图1-5-2组成框图第2页共31页1.2.可编程控制器的结构1、按硬件的结构类型分类可编程控制器是专门为工业生产环境设计的。为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别，常见的有单元式、模块式及叠装式三种结构。2、按应用规模及功能分类为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程控制器能够处理信号的输入信号数量是不一样的。一般将一路信号称作一个点，将输入点和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小（微）、小、中、大、超大等五种类型。可编程控制器还可以按功能分为低档机、中档机及高档机。而可编程控制器按功能划分及按点数规模划分是有一定联系的。一般大型、超大型机都是高档机。机型和机器的结构形式及内部存储器的容量一般也有一定的联系，大型机都是模块式机，具有很大的存储容量。1.3可编程控制器的软件1、可编程控制器的软件分类可编程控制器的软件包含系统软件和应用软件两大部分。（1）系统软件系统软件包含系统的管理程序，用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成用户指令变换为机器码的工作。系统软件在用户使用可编程控制器之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调整。（2）应用软件应用软件也叫用户软件，是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。根据控制要求若使用导线连接继电接触器来确定控制器件间逻辑关系方式叫做接线逻辑。用预先存储在PLC机内的程序实现某种控制功能，就是人们所指的存储逻辑。另外应用软件是一定控制功能的表述。同一台用于不同的控制目的时，需要编制不同的应用软件。应用软件存入PLC后如需改变控制目的可多次改写。第3页共31页1.3.1FX系列可编程控制器的基本构成FX系列可编程控制器的硬件构成：（1）单片机PLC中的单片机包含了中央处理器、随机存储器、只读存储器、串行接口SIO、时钟CTC等，是PLC的指挥系统。FX2系列中大部分都采用表面封装技术的芯片，主板中只含两片超大规模集成电路：一片是通用16位CPU，用于处理一般逻辑指令；另一片是专用逻辑处理器，用于处理高速指令、中断等。（2）电源FX2系列PLC基本单元和扩展单元均采用开关电源。开关电源输出DC5V、DC12V、DC24V三种电压等级的直流电：5V的一路供内部IC用，12V的一路用以驱动输出继电器，24V的一路提供给用户以作传感器的电源。（3）通信接口FX2系列PLC的基本单元带有三个与外部装置相连的通信接口，一个是连接编程器的接口，一个是连接扩展单元或扩展模块的接口，还有一个是连接特殊功能适配器的接口。（4）编程器编程器的主要功能是编写用户程序，并将用户程序送入PLC基本单元的用户存储器中，有些编程器还兼有监控和向主机发出各种命令的功能。（5）输入、输出接口电路1）输入接口电路FX2型PLC输入接口电路如图5-4，电路中光耦的输出端设有RC滤波器，这是为防止由于输入点的抖动及信号输入线中混入的噪声引起误动作而设计的，所以输入信号从ONOFF或从OFFON变化时，PLC输入接口电路内部约有10ms的响应滞后。第4页共31页图5-4FX2型PLC输入接口电路输入接口电路中一个不容忽视的参数是输入灵敏度，也就是输入的动作电流。FX2型PLC的输入电流为7mA，能引起输入动作的最小电流为2.53mA，但为使动作可靠，输入电流必须大于4.5mA，为了保证可靠切断，输入电流必须小于1.5mA。因此，当输入回路中串有二极管或电阻，或者有并联电阻，或有漏电流时应特别注意，以免造成系统误动作。与PLC输入端X相连的信号输入元件可以是按钮、行程开关等无源触点或接近开关、光电开关等NPN型集电极开路输出方式的传感器。对无源触点，应直接接在X端与公共端COM之间；对NPN型集电极开路输出的传感器，应按照图5-4所示的方式连接。当X端与COM端接通时，输入指示灯亮表示有输入信号。2）输出接口电路FX2型的PLC输出接口电路共有三种形式：一种是继电器输出型，一种是晶闸管输出型，一种是晶体管输出型。输出接口电路的隔离方式继电器输出型是利用继电器线圈与输出触点，将PLC内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶闸管输出型是采用光控晶闸管，将PLC的内部电路与外部负载电路进行电气隔离；晶体管输出型是采用光电耦合器将PLC内部电路与输出晶体管进行隔离。无论哪种隔离方式都能有效地防止因外部电路故障而波及到内部电路，保证PLC的输出安全可靠。输出接口电路的主要技术参数响应时间响应时间是表示PLC输出器件从ON状态转变为OFF状态，或从OFF状态转变为ON状态所需要的时间。继电器型响应时间最长，从输出继电器的线圈通电或断电到输出触点ON或OFF的响应时间均为10ms；晶闸管型从光控晶闸管获得驱动信号或失去驱动信号输入端子传感器XCOMCOMDC电源可变程序控制器LED5V24V+24V第5页共31页到晶闸管完全导通或完全截止的时间在1ms以下；晶体管型从光耦获得驱动信号或失去驱动信号到输出晶体管完全导通或完全截止的时间在0.2ms以下（24V、200mA时）。输出电流继电器型具有较大的输出电流，一般对电压为AC250V以下的电路驱动纯电阻负载的能力为2A/点，晶闸管型和晶体管型输出电流都较小。对于感性负载，由于在断开的瞬间会产生较高的自感电势，因此在考虑PLC的输出电流时应留有余地。此外对交流电路中的感性负载应在负载两端并接RC（一般R取120，C取0.1）浪涌吸收电路，对F直流电路中的感性负载要在负载两端并接续流二极管。开路漏电流开路漏电流指PLC输出处于OFF状态时，输出回路中的电流。继电器型输出为OFF时没有漏电流。晶闸管输出型由于在PLC内部与输出晶闸管并联了RC吸收支路，故将引起开路漏电流，此开路漏电流可能使PLC外部所接的小型继电器保持吸合，应加以重视。晶体管输出型开路漏电流一般较小（100以下），一般不会造成输出误动作。A3）输出公共端PLC的输出端子有两种接法：一种是输出端无公共端，每一路输出都是各自独立的；另一种是若干路输出构成一组，共用一个公共端，各组的公共端用编号区分如COM1、COM2，各组公共端间相互隔离。对共用一个公共端的同一组输出，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点组可使用不同的电压类型和电压等级。除上述开关量输入输出接口电路外，FX2还可通过专用模块进行模拟量输入输出。FX4AD为专用模拟量输入模块，FX2DA为专用模拟量输出模块。（6）输入输出继电器PLC的输入端是其内部的输入继电器（X）从外部接收开关信号的端口，输入端与输入继电器之间是经过光电隔离的。由于输入端与输入继电器是一一对应的，所以有多少个输入继电器就有多少个输入端。FX2系列PLC最多有128个输入继电器，故又称128点输入。所有输入继电器只能由输入端接收的外部信号驱动，而不能用程序驱动。输入继电器是一种电子继电器，其常开触点和常闭触点可重复使用无数次，这与普通的电磁继电器不一样。PLC的输出端是输出继电器（Y）向外部负载输出信号的端口。输出继电器的触点分外部输出触点和内部触点两种，外部输出触点（继电器触点、晶闸管、晶体管等输出元件）接到PLC的输出端子上，且只有常开触点。内部触点如同输入继电器一样，其常开和常闭触点可重复使用无数次。输出继电器和输出端子是一一对应的，FX2的输出继电器最多有128个，故又称128点输出。输出继电器是PLC唯一能驱动外部负载的元件。FX2系列PLC的输入输出点数均可扩展至128点（即X0X177，Y0Y177），使用时总点数不可超过256点。FX系列可编程控制器的软件构成：（1）系统程序第6页共31页PLC的系统程序是由制造商编制的用于控制PLC本身运行的程序，它分为管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块和系统调用三部分。（2）用户程序用户程序是由用户根据控制的需要而编制的程序，编程语言可以是梯形图、指令语句表及流程图等。用户程序依次存放在监控程序指定的存储空间内。第1.4节可编程序控制器的工作原理尽管整体式与模块式PLC的结构不太一样，但各部分的功能作用是相同的，下面对PLC主要组成各部分进行简单介绍。（1）中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。目前，小型PLC为单CPU系统，而中、大型PLC则大多为双CPU系统，甚至有些PLC中多达8个CPU。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位或16位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视内部定时器，监视扫描时间，处理字节指令以及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的采用,提高了PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面：1）接收从编程器输入的用户程序和数据。2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。3）通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄有器或数据寄存器中。4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。（2）存储器存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。第7页共31页用户程序是随PLC的控制对象而定的，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编制的应用程序。为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在只读存储器EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。存放在RAM中，以适应随机存取的要求。在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。由于系统程序及工作数据与用户无直接联系，所以在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。（3）输入/输出单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选用。I/O接口的主要类型有：数字量（开关量）输入、数字量（开关量）输出、模拟量输入、模拟量输出等。常用的开关量输入接口按其使用的电源不同有三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交/直流输入接口。常用的开关量输出接口按输出开关器件不同有三种类型：是继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出，其基本原理电路如图4所示。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低；而晶体管输出和双向晶闸管输出接口的响应速度快，动作频率高，但前者只能用于驱动直流负载，后者只能用于交流负载。PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出（I/O）点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。（4）通信接口PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口可与监视器、打印机、其它PLC、计算机等设备实现通信。PLC与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其它PLC第8页共31页连接，可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制。与计算机连接，可组成多级分布式控制系统，实现控制与管理相结合。远程I/O系统也必须配备相应的通信接口模块。（5）智能接口模块智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。它作为PLC系统的一个模块，通过总线与PLC相连，进行数据交换，并在PLC的协调管理下独立地进行工作。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。（6）编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。专用编程器有简易编程器和智能编程器两类。简易型编程器只能联机编程，而且不能直接输入和编辑梯形图程序，需将梯形图程序转化为指令表程序才能输入。简易编程器体积小、价格便宜，它可以直接插在PLC的编程插座上，或者用专用电缆与PLC相连，以方便编程和调试。有些简易编程器带有存储盒，可用来储存用户程序，如三菱的FX-20P-E简易编程器。智能编程器又称图形编程器，本质上它是一台专用便携式计算机，如三菱的GP-80FX-E智能型编程器。它既可联机编程，又可脱机编程。可直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作也比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。专用编程器只能对指定厂家的几种PLC进行编程，使用范围有限，价格较高。同时，由于PLC产品不断更新换代，所以专用编程器的生命周期也十分有限。因此，现在的趋势是使用以个人计算机为基础的编程装置，用户只要购买PLC厂家提供的编程软件和相应的硬件接口装置。这样，用户只用较少的投资即可得到高性能的PLC程序开发系统。基于个人计算机的程序开发系统功能强大。它既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件还可实现数据采集和分析等许多功能。（7）电源PLC配有开关电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。（8）其它外部设备除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。EPROM写入器是用来将用户程序固化到EPROM存储器中的一种PLC外部设备。为了使调试好用户程序不易丢失，经常用EPROM写入器将PLC内RAM保存到EPROM中。第9页共31页PLC内部的半导体存储器称为内存储器。有时可用外部的磁带、磁盘和用半导体存储器做成的存储盒等来存储PLC的用户程序，这些存储器件称为外存储器。外存储器一般是通过编程器或其它智能模块提供的接口，实现与内存储器之间相互传送用户程序。人/机接口装置是用来实现操作人员与PLC控制系统的对话。最简单、最普遍的人/机接口装置由安装在控制台上的按钮、转换开关、拨码开关、指示灯、LED显示器、声光报警器等器件构成。对于PLC系统，还可采用半智能型CRT人/机接口装置和智能型终端人/机接口装置。半智能型CRT人/机接口装置可长期安装在控制台上，通过通信接口接收来自PLC的信息并在CRT上显示出来；而智能型终端人/机接口装置有自己的微处理器和存储器，能够与操作人员快速交换信息，并通过通信接口与PLC相连，也可作为独立的节点接入PLC网络。第10页共31页第2章PLC在自动供水泵站中的应用第2.1节课题背景简介生产及生活都离不开水。但如果水源离用水的场所较远，就需要管路的输送。而将水送到较远或较高的地方，管路中是需要有一定的水压的，水压高了，才能将水送到远处或较高的楼层。产生水压的设备是水泵，水泵转动的越快，产生的水压越高。传统的维持管路水压的方法是建造水塔，水泵开着时将水打到水塔中，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，也就是说水塔能维持供水管路中水压的基本恒定。第2.2节自动供水系统的基本构成自动供水泵站一般需设多台水泵及电动机，这比设单台水泵及电动机节能而可靠，配单台电动机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电动机肯定是浪费的，电动机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电动机都有维修的时候，备用泵是必要的。以下介绍一个以三台泵构成的生活/消防供水泵站的实例。如图21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。水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为高/低水位报警。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，维持生活用水的供给。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。火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。图21生活/消防供水系统构成图第11页共31页2.2.1水泵的作用及工作原理1水泵的分类及泵的性能参数泵的种类繁多，有不同的结构特点和使用范围，根据工作原理可分成三类：叶片泵、容积泵、喷射泵。叶片泵是利用叶轮的叶片来输送液体的，如离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵等。本次设计采用的是离心泵，所以下面详述一下离心泵。离心泵的主要性能参数（1）泵的流量流量是泵在单位时间内所抽送液体的数量，有体积流量和重量流量两种表示方法。常用的流量是体积流量，以表示，其单位是m/h。重量流量以G表示，其单位是Q3kgf/h。与的关系是：=（2-1）GQG式中-液体重度（kgf/m）3-泵的流量（m/h）（2）泵的扬程扬程是单位重量的液体通过泵后获得的能量，有的也称总扬程或全扬程，通常用所抽送液体的液柱高度表示，其单位是m。H（3）泵的转速转速是指泵的转子每分钟旋转的圈数，以表示，其单位是r/min。n（4）泵的功率叶片泵的功率是指泵的轴功率，也是原动机传给泵的功率，用表示，单位是kW。P泵的输出功率，也称有效功率，用表示，它是单位时间内泵输送出去的液体从泵Pe中获得的有效能量。的习惯计算式为：=(kW)（2-2）Pe102QH式中-液体重度（kgf/m）3-泵的流量（m/h）Q-泵的扬程（m）H（5）泵的效率叶片泵的轴功率与有效功率的差值，是泵工作时损失的功率。其大小用效率来Pe衡量。效率是与的比值，以表示，的计算式为=我们知道泵的有效功率ePe（或流量、扬程）和效率后，就可以计算出泵的轴功率：PeQH第12页共31页（kW）（2-3）102QHPe（6）泵的比转数sn比转数是水力机械的一个重要参数。但了解该参数前，必须搞清楚相似定律。s泵的相似定律：在叶片泵的设计研究中，由于经济性或技术条件的限制，经常将实型泵缩小成模型泵进行试验，再将模型泵放大成实型泵，这就必须用到流体动力相似定律。工况相似的实型泵和模型泵，其流量、扬程、功率与泵的尺寸。转速及效率之间有以下三个关系：泵的流量相似定律：mvmDnQ3（2-4）泵的扬程相似定律：（2-mnmDH2)(5）泵的功率相似定律：（2-mmP53)(6）式中-叶轮外径尺寸D-容积效率v-水力效率n-机械效率m上角标表示模型泵，无上角标表示实型泵。如果两个工况相似的泵的尺寸比不是很大（不超过23），转速比值不超过2，而且是抽送同一种液体（即），则可认m为两台泵的各种效率均相等，于是得到：（2-3)(mDnQ7）（2-2)(mH8）（2-53)(mmDnp第13页共31页9）在工况相似时的实型泵和模型泵的参数，应该满足以上公式所谓比转数就是把某一叶轮的几何尺寸相似缩小为标准叶轮，使这个标准叶轮所产生的扬程为m，流量为m/s，有效功率等于746W（1马力）时的转速。它的表达式075.为：（2-10）436.HQnS式中-转速（r/min）n-流量（m/h）Q3-扬程（m）H比转数是有因次的，但通常都省略其单位。比转数是以单吸离心泵为基准来比较的。sn对于双吸单级离心泵，比转数为：（2-11）43265.HQns对于多级泵，比转数为：（2-12）4365.ins式中-多级泵叶轮极数i（7）泵的汽蚀余量汽蚀余量是指为了保证泵不汽蚀，泵叶轮吸入口处单位重量液体所具有的能量必须比饱和蒸汽压力（相应于液体所处温度）时液体所具有的能量的富裕程度大，以表示，h其单位为m这是用能量的观点来表示泵的汽蚀性能。的表达式中，=（m）（2-13）hh8.928.9VSPgs式中-泵吸入口处的压力（Pa）SP-液体重度（kgf/ms）-液体吸入口处的平均流速（m/s）Vs-液体所处温度下的饱和蒸汽压力（Pa）Pv第14页共31页-重力加速度（m/s）g2等式右边括号内两项表示泵吸入口处单位重量液体具有的能量，第三项是饱和蒸汽压力下单位重量液体具有的能量。（8）泵的吸上真空高度泵的吸上真空高度是指为了保证泵运行时不发生汽蚀而具有的最大的吸上真空高度，以表示，其单位为m。在实际使用中规定留有0.3m的安全量，即将减去maxHsmaxHs0.3m作为允许最大吸上真空高度，以表示，Hs=-0.3（m）（2-14）sax泵吸入口处的吸上真空高度不仅与水泵几何安装高度有关，而且还与吸入口处j的流速，吸入管路损失及液面压力有关，如果水泵在某一流量下运行，则项SVhw0pgsV2是定值，而管路水力损失也几乎是定值，则吸上真空高度随着几何安装高度的Hs的增大而逐渐增大。当几何安装高度增大到某一数值后，泵就不能工作。对应于这HjHj一工况的吸上真空高度即为上面所述的最大吸上真空高度，目前只能靠试maxsaxs验得出。对于泵的样本上或泵的铭牌上都已明确规定的允许吸上真空高度，并不等于几何安装高度，其相互关系应为：（）（m）jjHsgV2hw（2-15）2离心泵的选用（1）选型的意义泵的选型是一项十分重要的工作。如果选用不当，泵在工作中流量偏大或偏小，扬程偏高或偏低，材料不耐腐蚀等，都会造成使用时满足不了生产要求，且效率低寿命短。（2）泵型号的确定按结构、口径、性能的不同，泵的种类繁多。所以在确定泵的型号前，首先要掌握整个装置所需要的流量和扬程，再选择泵型（系列）然后才能确定泵的型号。流量是选泵的重要性能数据之一。它关系到整个装置的生产能力。在对装置工艺流程设计时，泵所给出的设计流量不仅要与装置设备的生产能力相协调，而且还需了解在生产中流量的变化范围，即最小流量和最大流量，以适应工况变化要求。选泵时以最大流量作为依据。如没有给出最大流量，通常可取正常流量的1.1倍。扬程是选泵的另一个重要的性能数据。它与管路系统的布置情况，容器间的压差，克服液体在系统内流动时的摩擦阻力（包括阀门、弯头、管径的大小、长短、材料）等一系列因素有关。同时还要注意，选泵用的扬程应考虑到最低吸入液面和最高输出高度，并取系统扬程的1.051.1倍作为选型依据。掌握了所需要选用的泵的用途，目的和工第15页共31页作的液体的性质、流量、总扬程等，再和各种泵型的特性相对照，则泵型（系列）的选用范围自然就限定了。（3）水泵应用于实际水泵普遍采用交流异步电动机作原动机。这是因为异步电动机结构简单，运行可靠，维修方便，价格便宜。单台水泵调速运行泵的调速范围是随实际工况的不同而变化的。一般来说,调速降低不宜超过50%，否则水泵效率很低，不能保证安全供水，当转速太低时，甚至无法抽水。如图1-1所示，学校生活用水要求出水压力在高峰和低谷时不能低于HB，也不要高于HA，管路系统性能曲线与调速运行的泵的性能曲线相交于A和B点(即水泵工况点)。这种情况下，调速装置的调速范围在nA到nB之间，相应的流量是QA和QB。图1-1单泵供水时调速范围的控制选用了两个离心泵，一个是冠力片离心泵它的型号是650L-3，扬程为48m，流量为30m/h，转速为1350r/min，配套功率为7.5kW。另一个是清水离心泵型号是380DL2，扬程为40m，流量50m/h，额定电压36V，配套功率11kW，转速1450r/min。3实物如图2-2图2-2水泵实物图3离心泵的工作原理（1）离心泵的工作原理HHAHBHO0ABnAnBQAQBQ管路系统性能曲线第16页共31页叶轮安装在泵壳2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动。泵壳中央有一液体吸入4与吸入管5连接。液体经底阀6和吸入管进入泵内。泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体；启动后，启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。（2）气缚现象当泵壳内存有空气，因空气的密度比液体的密度小得多而产生较小的离心力。从而，贮槽液面上方与泵吸入口处之压力差不足以将贮槽内液体压入泵内，即离心泵无自吸能力，使离心泵不能输送液体，此种现象称为“气缚现象”。为了使泵内充满液体，通常在吸入管底部安装一带滤网的底阀，该底阀为止逆阀，滤网的作用是防止固体物质进入泵内损坏叶轮或防碍泵的正常操作。4离心泵的主要部件离心泵主要部件有叶轮、泵壳和轴封装置。（1）叶轮叶轮的作用是将原动机的机械能直接传给液体，以增加液体的静压能和动能(主要增加静压能)。叶轮一般有612片后弯叶片。叶轮有开式、半闭式和闭式三种。开式叶轮在叶片两侧无盖板，制造简单、清洗方便，适用于输送含有较大量悬浮物的物料，效率较低，输送的液体压力不高；半闭式叶轮在吸入口一侧无盖板，而在另一侧有盖板，适用于输送易沉淀或含有颗粒的物料，效率也较低；闭式叶轮在叶轮在叶片两侧有前后盖板，效率高，适用于输送不含杂质的清洁液体。一般的离心泵叶轮多为此类。叶轮有单吸和双吸两种吸液方式。（2）泵壳作用是将叶轮封闭在一定的空间，以便由叶轮的作用吸入和压出液体。泵壳多做成蜗壳形，故又称蜗壳。由于流道截面积逐渐扩大，故从叶轮四周甩出的高速液体逐渐降低流速，使部分动能有效地转换为静压能。泵壳不仅汇集由叶轮甩出的液体，同时又是一个能量转换装置。（3）轴封装置作用是防止泵壳内液体沿轴漏出或外界空气漏入泵壳内。常用轴封装置有填料密封和机械密封两种。第17页共31页填料一般用浸油或涂有石墨的石棉绳。机械密封主要的是靠装在轴上的动环与固定在泵壳上的静环之间端面作相对运动而达到密封的目的。2.2.2三相异步电动机1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由两个基本部分组成：定子和转子。定子、转子之间留有空隙，一般小型电机的空隙为0.35mm0.5mm,大型电机的空隙约为11.5mm。定子主要由机座、定子铁心和定子绕组三部分组成的，转子是由转轴、转子铁心和转子绕组组成。2三相异步电动机的变频调速的控制三相异步电动机工作原理：一是导体被磁场切割会在导体中产生感应电动势；二是载流导体与磁场相互作用，使载流导体受力而运动的理论基础上的。三相异步电动机和三相同步电动机，它们的转速公式为：n（同步电动机）（2-16）Pfn/60（异步电动机）（2-18）)1(/)1(sfs式中-频率f-极对数P-转差率（03或06）s由转速公式可见，只要设法改变三相异步电动机的供电频率，就能十分方便地改f变电动机的转速，比改变极对数和转差率两个参数简单得多，近二十年来，由于交nPs流变频调速器得到了突飞猛进的发展，使得三相异步电动机变频调速成为当前电气调速的主流。3三相异步电动机的选用应考虑额定电压、额定功率、额定频率、额定转速、绝缘等级、安装结构形式、防护型式、传动方式、起动状况以及负载情况等参数。（1）电动机铭牌上的性能指标：型号：用以表示电动机的类型、性能、用途、结构特征等。额定功率：也叫容量。以W或kW表示。额定电压：电动机正常工作时，加在定子绕组线端的电压，比如220/380V。额定电流：在额定电压、额定频率、额定功率运行时，定子绕组线端的电流。额定频率：电动机规定的交流电源的频率。额定转速：在额定电压、额定频率、额定功率、额定电流下运行时，电动机每分钟的转速。第18页共31页电动机的额定电压、频率要和电源电压的电压值、频率相一致，尤其对Y/接法的电动机更应注意这一点。电动机的额定功率一般情况下要略大于所用负载的功率，但不能大于两倍的负载功率。额定转速要依据被拖动机械的正常转速和传动方式决定，额定转速=被拖动机械转速传动比，转速一致时，可用联轴器传动；转速不一致时，可用皮带或齿轮传动；负载转速很低时配购减速装置。（2）电动机电压的选择电动机的额定电压应与电源电压相符。电动机只能在铭牌上规定的电压条件下使用，允许工作电压的偏差为额定电压的+10%5%。如果铭牌上标有220V/380V，说明此电动机有两种额定电压。当电源电压为380V时，将电动机绕组接成Y形；当电源电压为220V时，将绕组接成形。（3）电动机容量的选择电动机的额定功率(容量)必须根据被拖动的生产机械所需的功率来决定。如果容量选得太小，负载超过它的额定功率，则会使电动机难以起动，即使勉强起动成功，也会因电流超过额定值而使电动机过热甚至烧毁。反之，如果容量选得太大，就不能充分发挥电动机的作用，不仅会造成资金和材料的浪费，而且电动机在轻载时效率和功率因数都降低，造成电力浪费。一般对于采用直接传动的电动机，容量以11.1倍负载功率为宜；对于采用皮带传动的电动机，容量以1.051.15倍负载功率为宜。（4）电动机转速的选择电动机和水泵都有各自的额定转速。电动机拖动水泵后，两者都应在各自的额定转速下运转，选择电动机的转速时，应注意转速不宜选得过低，这是因为电动机额定转速越低，则极数越多，体积越大，价格越高，反之，电动机的转速也不宜选得过高，否则会使传动装置过于复杂。本系统用了两个三相异步电动机一个型号为Y132M-4，额定频率为50Hz，额定功率为7.5kW，额定电压为380V，额定转速为1440r/min，额定电流为15.4A，与冠力片离心泵相配用；另一个型号为Y160M-4，额定频率为50Hz，额定功率为11kW，额定电压为380V，额定转速为1460r/min，额定电流为22.6A，与清水离心泵相配用2.2.3传感器在科学技术高度发达的现代社会中,人类已进入瞬息万变的信息时代。人们在从事工业生产和科学实验等活动中,主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学实验和生产过程,特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息,都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。1传感器的概念：传感器通常是指按一定规律将所感受的被测非电量（包括物理量、化学量、生物量等）转换成便于处理与传输的电量（少数为其他物理量，如光信号）的器件或装置。传感器包含两个必不可少的内容：一是拾取信息，二是将拾取到的信息进行变换，使之变第19页共31页成为一种与被测量有确定函数关系且便于处理与传输的物理量，多数为电量。传感器是传感系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。2传感器的组成：一般是由敏感元件、转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测非电量，并将其送到“转换元件”转换成电量的部分。转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。因为课题用于水中因此选用液位传感器，利用液体浮力测液位的原理应用广泛，靠浮子随液面升降的位移反映液位变化的，属于恒浮力式；靠液面升降对物体浮力改变反映液位的属于变浮式力。自由状态下的浮子能跟随液面升降，这是人尽皆知的水涨船高规律。当浮子的升降程度到达设定的刻度时，行程开关开始工作。并将采集到的信号传送给PLC。浮子式水位传感器是选用JZB系列绝对编码器，配用线轮、不锈钢绳、重锤、防浪锤和浮子等构成。此传感器安装在测井口上方，连接浮子和重锤的测绳挂在挂轮上。当水位变化时浮子随之上升或F降，测绳便带动线轮作旋转运动，传感器输出与水位相应的编码数字量。适用于水库、水电站、水文站、水厂、江河、湖泊等水位测量。传感器以绝对编码的方式，输出并行循环参码供仪表采集，配以变送装置可输出4-20mA或RS485供PLC或微机采集，该传感器性能稳定可靠，适应性强，具有绝对编码器的突出优点，深受广大水文、水利工程技术人员的好评。主要技术参数：测量范围：5m10m20mm40mm80mm分辨率：1cm1mm精度：1cm回差：1cm使用环境：温度-5-+50相对湿度95%（RH40）2.2.4电磁阀的作用及工作原理电磁阀是利用电能流经线圈产生电磁吸力将阀芯(克服弹簧或自重力)吸引.分常开与常闭两类.通常用于切断油,水,气等物质的流通.配合压力,温度传感器等电气设备实现自动控制.它主要分以下几个种类：1直动式电磁阀原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。2分布直动式电磁阀原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主第20页共31页阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点：在零压差或真空、高压时亦能可靠动作，但功率较大，要求必须水平安装。3先导式电磁阀原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点：流体压力范围上限较高，可任意安装(需定制)但必须满足流体压差条件。第3章本课题的系统程序设计第3.1节系统控制要求根据图21所示,我们对三泵生活/消防供水系统的基本要求是:(1)三台泵根据需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。(2)在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过2小时，则要切换下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵时间过长。(3)三台泵在启动时都要有软启动功能。(4)要有完善的报警功能。(5)生活供水时，正常维持；消防用水时，要自动切换进入消防用水系统。(6)上限报警时，电磁阀YV1关闭，打开排水阀，直至水位正常，解除警报。(7)下限报警时，打开1、2、3号泵，至水位正常，解除警报。(8)火警时，同时打开1、2、3号泵,电磁阀YV2得电，进入消防用水，至危险解除。第3.2节电器控制系统原理图电器控制原理图包括主电路图、控制电路图及PLC外接线图。1主电路图如图31为电控系统主电路。三台电动机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM2、KM3分别控制M1、M2、M3的运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3分别为三台泵电动机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器。第21页共31页2控制电路图如图32为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的位置为自动控制状态。手动运行时，可用按扭SB1SB8控制三台泵的启动/停止和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。图中的Y001Y006及Y010Y011为PLC的输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合图31一起读图。图32电控系统控制电路3PLC接线图图33为PLC外围接线图。图31电控系统主电路第22页共31页图33供水系统PLC外围接线图第3.3节本课题控制系统的I/O点及地址分配根据图21及系统控制的要求,我们统计出控制系统输入输出信号的名称和地址编号,如表31所示.水位上下限信号为X001、X002，它们在水淹没时为0，露出时为1。表31输入输出点及地址编号输入信号输出信号启动按钮X000一号泵运行Y001水位下限信号X001二号泵运行Y002水位上限信号X002三号泵运行Y003火警开关X003水位下限指示Y004解除警报X004水位上限指示Y005停止按钮X005火警指示(电铃)Y006排水泵运行Y010生活供水电磁阀Y011消防供水电磁阀Y012辅助继电器1M1辅助继电器2M2第23页共31页第3.4节本课题控制系统的状态流程图图34系统的状态流程图第24页共31页第3.5节本课题控制系统的梯形图程序