水塔供水系统的PLC控制设计

等级:课 程 设 计课程名称电气控制与PLC课程设计课题名称水塔供水系统的PLC控制设计专 业测控技术班 级1301学 号姓 名指导老师刘星平，赖指南，谭梅，沈细群2016年6月17日电气信息学院课程设计任务书课题名称水塔供水系统的PLC控制设计姓 名专业 测控技术与仪器班级学号指导老师刘星平、赖指南等课程设计时间2016年6月6日-2016年6月17日（15、16周）教研室意见意见： 同意 审核人：汪超 林国汉一.任务及要求设计任务：以PLC为核心，设计一个水塔供水系统的PLC控制系统，为此要求完成以下设计任务：1.根据系统的基本结构、工艺过程和控制要求，确定控制方案。2.配置电器元件，选择PLC型号。3.绘制PLC控制系统线路原理图和PLC I/O接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。4.上机调试程序。5.上位机组态监控的设计(可选项）6.编写设计说明书。设计要求（1）所选控制方案应合理，所设计的控制系统应能够满足控制对象的工艺要求，并且技术先进，安全可靠，操作方便。（2）所绘制的设计图纸符合国家标准局颁布的GB472884电气图用图形符号、GB698887电气制图和GB715987电气技术中的文字符号制定通则的有关规定。（3）所编写的设计说明书应语句通顺，用词准确，层次清楚，条理分明，重点突出。二.进度安排1.第一周星期一：布置课程设计任务，讲解设计思路和要求，查阅设计资料。2.第一周星期二星期四：详细了解控制系统的基本组成结构、工艺过程和控制要求。确定控制方案。配置电器元件，选择PLC型号。绘制控制系统的控制线路原理图和控制系统的PLC I/O接线图。设计PLC梯形图程序，列出指令程序清单。4.第一周星期五：上机调试程序。5.第二周星期二星期四：编写设计说明书。6.第二周星期五：答辩。三.参考资料1 刘星平.PLC原理及工程应用M.北京：中国电力出版社，2014年。2 廖常初.S7-200 PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2014年。3 王阿根.西门子S7-200 PLC 编程实例精解M.北京：电子工业出版社，2013年。4 赖指南.PLC原理与应用补充教材（内部使用），本校自编教材，2010年。四原始资料某高层住宅屋顶上设有4.2m高的生活水箱，由设在地下设备层的2台水泵为其供水。水箱正常水位变化为3.5m，由安装在水箱内的上，下液位开关SL1和SL2分别对水箱的上限水位和下限水位进行控制。控制要求两台电动机均采用Y减压启动。设有手动/自动方式转换开关SA。在手动方式时（触点SA闭合SA断开），可由操作者分别启动每台水泵，水泵之间不进行联动。在自动方式时，由上、下液位开关SL1、 SL2对水泵的启、停自动控制，且启动时要联动。两台水泵互为备用。在正常情况下要求一用一备，当运行中任意一台机组出现故障，备用机组应立即投入运行。为了防止备用泵长期闲置而锈蚀，要求备用机组可在操作台上用按钮任意切换。在控制台上有2台水泵的备用状态运行、故障指示及上、液位指示。目 录第1章 引言11.1、 课题背景11.2、 概述11.3、 设计要求及意义21.3.1. 设计要求21.3.2. 设计意义2第2章 总体设计方案32.1. 总体设计方案32.2. 方案论证与选择32.2.1. PLC编程器选择32.2.2. 水泵选择42.2.3. 热继电器的选择42.2.4. 接触器选择42.2.5. 水位信号器的选择42.2.6. 控制按钮的选择42.2.7. 指示灯的选择4第3章 系统控制硬件设置53.1. 水泵电路设计53.2. 输入输出I/O口分配63.3. 硬件清单63.4. PLC的外部硬件接线图73.5. 梯形图程序设计73.4.1. 水泵手动、自动Y/降压启动起保停控制83.4.2. 水位指示灯控制93.4.3. 备用指示灯控制103.4.4. 故障指示灯控制10第4章 系统调试114.1. 调试方法与结果11第5章 设计心得与体会14参考资料15附录16II第1章 引言1.1、 课题背景供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，要满足及时、准确、安全保证充足供水，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行水塔水位控制自动化系统的改造。可编程控制器(PLC)是以计算接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知机技术为基础的新型工业控制装置。因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。本文针对目前比较流行的控制技术，利用PLC和传感器构成了水塔水位的控制系统。改造后的水塔水位自控系统，实现水塔水位自动控制系统，远程监控，实现无人值守。在一般住宅或大楼顶楼常设置水塔或水箱以提供充足的水压供用户使用,另备有地下水槽储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔进水使用。由于当前可编程序控制器(PLC)技术已日趋成熟,因而考虑利用它来实现水塔/水箱供水控制。1.2、 概述在一般住宅或大楼顶楼常设置水塔或水箱以提供充足的水压供用户使用,另备有地下水槽储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔进水使用。由于当前可编程序控制器(PLC)技术已日趋成熟,因而考虑利用它来实现水塔/水箱供水控制。多年来，可编程控制器（简称PLC）从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃，今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统供水系统大多采用水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，用水泵以高出实际用水高度的扬程来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能耗。现研究设计的水塔水位控制系统采用变频调速恒压供水系统，实现水泵无级调速。依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。1.3、 设计要求及意义1.3.1. 设计要求 某高层住宅屋顶上设有4.2m高的生活水箱，由设在地下设备层的2台水泵为其供水。水箱正常水位变化为3.5m，由安装在水箱内的上，下液位开关SL1和SL2分别对水箱的上限水位和下限水位进行控制。控制要求两台电动机均采用Y减压启动。设有手动/自动方式转换开关SA。在手动方式时（触点SA闭合SA断开），可由操作者分别启动每台水泵，水泵之间不进行联动。在自动方式时，由上、下液位开关SL1、 SL2对水泵的启、停自动控制，且启动时要联动。两台水泵互为备用。在正常情况下要求一用一备，当运行中任意一台机组出现故障，备用机组应立即投入运行。为了防止备用泵长期闲置而锈蚀，要求备用机组可在操作台上用按钮任意切换。在控制台上有2台水泵的备用状态运行、故障指示及上、液位指示。1.3.2. 设计意义水塔水位控制系统是我国住宅小区广泛应用的供水系统，传统供水系统大多采用水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，用水泵以高出实际用水高度的扬程来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能耗。现研究设计的水塔水位控制系统采用变频调速恒压供水系统，实现水泵无级调速。依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。 第2章 总体设计方案2.1. 总体设计方案水塔供水系统是目前生活小区、学校等人口较多的地方常用的供水系统。当水塔水位降低到一定液位时，水泵启动从地面水池向上供水，水塔充水达到液位上线时，水泵停止供水。该系统配置两台电机，两台电动机均采用Y减压启动。在手动方式时（触点SA闭合SA断开），可由操作者分别启动每台水泵，水泵之间不进行联动；在自动方式时，由上、下液位开关SL1、 SL2对水泵的启、停自动控制，且启动时要联动；两台水泵互为备用。在正常情况下要求一用一备，当运行中任意一台机组出现故障，备用机组应立即投入运行。为了防止备用泵长期闲置而锈蚀，要求备用机组可在操作台上用按钮任意切换。其中电机M1、M2、均采用PLC可编程控制器实现编程自动控制，完成水塔（水池）液位状态读取实现自动抽水、故障自启、故障警报等任务。 2.2. 方案论证与选择 2.2.1. PLC编程器选择 本次课设选取西门子PLC S7-200系列的CPU 226，该CPU集成24输入/16输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O 点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 2-1 S7-200系列的CPU 2262.2.2. 水泵选择此次课设需要用水泵将水抽到建筑住宅顶上的高4.2m的生活水箱，由设在地下设备层中的两台水泵为其供水。故选择的单台水泵电动机功率为5.5kW，额定电压为380V。 2-2 电动机图2.2.3. 热继电器的选择 选用具有断相保护功能的热继电器。电机的额定电流约为9.3A，故选用的热继电器的型号为LR1-D12热元件的额定电流为12A，并将其额定电流整定为12A，能保证水泵的正常工作。2.2.4. 接触器选择当P=5.5KW，U=380V时由P=1.732UIcos得：I=P/（1.732Ucos）9.3A。 接触器线圈的额定电压为220V，故所选接触器的型号为NC8-12M，数量为2个。2.2.5. 水位信号器的选择信号继电器选用浮球水位信号器，水塔和水箱均需一对常开触点和常闭触点。选用的浮球磁性开关的型号为FQS-4。 2.2.6. 控制按钮的选择 根据系统原理图及系统电压可选择：按钮用SLA1-11M 工作电压为24220V。尺寸为：直径为18mm,安装孔为16mm.。 2.2.7. 指示灯的选择 在控制电路上，为了接线简单起见，给指示灯供电为220V。故选择指示灯类型为：XDY1-B/41 颜色：红色 额定电压为220V ，XDY1-B/42 颜色：绿色 额定电压为220V。 第3章 系统控制硬件设置3.1. 水泵电路设计两台水泵电动机均采用Y/形启动方式，主电路控制线路如图一所示。图中M1、M2为水泵电动机，每台电动机用3个接触器分别控制电源、Y形启动和形运行，各电动机均设有过载保护FR1和FR2。Y-降压启动控制线路示意图如下：3-1Y-降压启动控制线路图Y-降压启动工作原理按下SB2，时间继电器KT得电，接触器KM3线圈得电，常闭触头分断，对KM2进行联锁，主触头闭合，电动机接成Y形，常开触头闭合，接触器KM1线圈得电，自锁触头与主触头闭合，电动机Y形启动。经延时，KT延时分断触头分断，切断KM3线圈电源，KM3常闭触头恢复闭合，KM2线圈得电，KM2主触头闭合，电动机接成三角形全压运行。3-2水泵接线图3.2. 输入输出I/O口分配表3-1 I/O口分配表输入输出M1自启I0.0KM1Q0.0手/自动切换I0.1KM2Q0.1M2自启I0.3KM3Q0.2M1手动开I0.6KM4Q0.3M1手动关I0.7KM5Q0.4M2手动开I1.0KM6Q0.5M2手动关I1.1M1备份灯Q0.6水位下限I1.2M2备份灯Q0.7水位上限I1.3上限位灯Q1.0M1FRI1.4下限位灯Q1.1M2FRI1.5M1故障灯Q1.2M2故障灯Q1.3M1运行灯Q1.4M2运行灯Q1.53.3. 硬件清单表3-2 元器件清单型号规格数量PLCCPU 2261台电机Y132S1-25.5KW2个熔断器RT36N-0010A2个热继电器LR1-D1212A2个交流接触器NC8-12M10A2个控制按钮SLA1-11M 直径18mm三个指示灯XDY1-B/42220V8个水位信号器FQS-424V2个导线若干3.4. PLC的外部硬件接线图 了解和熟悉被控制设备的工艺控制和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理，这样才能做到在设计和调试控制系统时心中有数。在分析PLC控制系统的功能时，可以将他想像成一个继电器控制系统中的控制系统，其外部接线图描述了这个控制箱的外部接线。画出PLC的外部接线图后，同时也确定了PLC的个输入信号和输出负载对应的输入继电器和输出继电器的元件号。3-3 PLC CPU 226的外部硬件接线图3.5. 梯形图程序设计梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。3.4.1. 水泵手动、自动Y/降压启动起保停控制水泵启动分为手动控制与自动控制两种，手/自动控制由I0.1切换，常态为自动控制状态，当I0.1闭合，则为手动控制状态。手动控制方式时M1由IO.6启动，I0.7停止；M2由I1.0启动，I1.1停止。选择自动控制时，有I0.0与I0.3选择M1或M2作为运行水泵，则另一台为备用水泵，当水池缺水，触发下液位开关SL1，I1.2为ON态，产生缺水信号M1.1，使运行水泵开始抽水，水池水满，触发上液位开关SL2，I1.3为ON态，水泵停止抽水，另当运行水泵抽水过程中发生故障，热继电器FR断开，即I1.4或I1.5为ON态，则启动备用水泵抽水，水满后停止抽水。3-3 M1手动、自动Y/降压启动起保停控制梯形图3-4 M1手动、自动Y/降压启动起保停控制梯形图3.4.2. 水位指示灯控制安装在水箱内的上、下液位开关SL1/SL2均为常开型，与输入点I1.3/I1.2相对应。设水位上升到上限位置，则I1.3为ON，在其前沿产生一个扫描周期的脉冲信号，该脉冲使输出继电器Q1.0为ON，发出上限位指示，水位上限位指示灯亮起，且电动机停止工作。若水位下降到下限位置，使I1.2为ON，故用PLF指令在SL1断开时产生脉冲信号，从而使输出点Q1.1为ON，发出下限指示，水位下限位指示灯亮起，并产生供水信号，使自动状态下水泵自动工作抽水。且上下限位信号互锁，即当水位到达下限位时上限位信号灯熄灭，当水位到达上限位时下限位信号灯熄灭。3-5水位信号控制梯形图3.4.3. 备用指示灯控制当I0.1未闭合，即自动运行时，选择M1启动时，则M2作为备用水泵，Q0.7为ON态，M2备用信号灯亮起，M2启动或且换为手动方式时信号灯熄灭；选择M2启动时，则M1作为备用水泵，Q0.6为ON态，M2备用信号灯亮起，M1启动或且换为手动方式时信号灯熄灭。3-6水泵备用指示灯控制梯形图3.4.4. 故障指示灯控制M1过载致继电器FR1熔断，致I1.4为ON状态，Q1.2为ON态，M1故障指示灯亮起，M1故障排除后I1.4为OFF状态，M1故障指示灯熄灭；M2过载致继电器FR2熔断，致I1.5为ON状态，Q1.3为ON态，则M2故障指示灯亮起，M2故障排除后I1.5为OFF状态，M2故障指示灯熄灭。3-7水泵故障指示灯控制梯形图 第4章 系统调试4.1. 调试方法与结果 系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入/输出端子连接好，然 后将控制程序送入可编程控制器中，并使PLC 处于运行状太。然后即可对整个系 统进行运行调试，具体方法和过程如下： 软硬件调试：接通电源，检查西门子S7-200 可编程控制器是否可以正常工 作，接头是否件调试：按要求输入梯形图，转换成指令表，并进行语法的检查， 正确后设置正确的通信口，将指令读入到指定的可编程控制器ROM 中，进行下一 步的调试。 选择M1自动运行，M2为备用水泵，触发下限位信号时M1自动启动抽水M1自动抽水时，当热继电器FR1熔断，I1.4为ON状态，M1故障停止运行，备用水泵M2启动 水满后触发上限位开关SL1，I1.3为ON状态，M1自动关闭： 选择手动方式启动控制系统，选择M1水泵抽水 水压不够启动M1、M2一起工作抽水水满后触发上限位开关SL1，I1.3为ON状态，M1、M2自动关闭第5章 设计心得与体会通过这次对水塔供水系统的PLC控制设计的PLC控制的试验，让我了解了PLC梯形图、指令表、外部接线图有了更好的了解，也让我了解了关于PLC设计原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。 课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识。在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。 在此要感谢我们的指导老师沈细群对我们悉心的指导，感谢老师们给我们的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。 另外，该水塔供水系统的PLC控制设计经过安装与调试，运行情况良好，基本达到预期要求。本系统充分发挥了PLC自动控制系统运行可靠，控制灵活，维护方便等优点。此次设计让我进一步了解懂得了可编程自动控制技术，让我更深一步的了解了PLC的性能和作用，为以后的工作发展作了铺垫。参考资料1 刘星平.PLC原理及工程应用M.北京：中国电力出版社，2014年。2 廖常初.S7-200 PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2014年。3 王阿根.西门子S7-200 PLC 编程实例精解M.北京：电子工业出版社，2013年。4 赖指南.PLC原理与应用补充教材（内部使用），本校自编教材，2010年。附录21Network 1 / 上限位信号灯控制LD I1.3O Q1.0AN I1.2= Q1.0Network 2 / 下限位信号灯与抽水信号控制LD I1.2O Q1.1AN I1.3= Q1.1= M1.1Network 3 / M1手动