基于PLC的地铁排水控制系统毕业设计

摘要地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，其安全稳定运行直接关系到市民的出行效率与生命财产安全。地铁车站及区间隧道的排水系统是保障地铁正常运营的关键子系统之一，负责及时排除结构渗漏水、雨水及生产生活废水。本文针对地铁排水系统的特点与控制需求，提出了一种基于可编程逻辑控制器（PLC）的自动排水控制系统设计方案。该方案通过PLC作为核心控制单元，结合液位传感器、压力传感器等检测元件，以及排水泵、阀门等执行机构，实现了对地铁排水过程的智能化、自动化控制。文章详细阐述了系统的总体设计、硬件选型、软件流程设计以及主要控制功能的实现，旨在为地铁排水系统的自动化升级改造提供一种实用、可靠的技术参考。一、引言随着城市化进程的不断加快，地铁以其大运量、高速度、低污染等优势，成为缓解城市交通拥堵的重要手段。然而，地铁系统深埋地下，其运营环境复杂，面临着诸多潜在风险，其中水患威胁尤为突出。一旦排水系统失效，可能导致线路瘫痪、设备损坏，甚至引发严重的安全事故。因此，构建一套高效、可靠、智能的排水控制系统，对于保障地铁运营安全具有至关重要的现实意义。传统的地铁排水控制方式多依赖人工操作或简单的继电器控制，存在响应速度慢、控制精度不高、维护成本高、可靠性欠佳等问题，已难以满足现代地铁对安全运营和精细化管理的要求。PLC作为一种专为工业环境设计的数字运算操作电子系统，具有高可靠性、强抗干扰能力、编程灵活、易于扩展及维护方便等显著优点，已广泛应用于工业自动化控制的各个领域。将PLC技术引入地铁排水控制系统，能够有效提升系统的自动化水平和运行可靠性，降低人工干预，确保排水系统在各种工况下都能稳定高效地工作。本文正是基于此背景，深入研究地铁排水系统的控制需求，设计并实现了一套以PLC为核心的自动排水控制系统。该系统能够根据集水井水位的变化，自动控制排水泵的启停，并具备完善的故障检测与报警功能，从而显著提高地铁排水系统的安全性和经济性。二、系统总体设计2.1控制对象分析地铁排水系统的控制对象主要为设置在车站出入口、站厅层、站台层、区间隧道及设备房等处的集水井及其配套的排水泵。雨水、结构渗漏水、消防废水及少量生产生活废水通过排水管道汇集至各集水井，再由排水泵提升排至城市污水管网或雨水管网。典型的集水井排水系统通常包含1至2台排水泵（一用一备或两用一备，视水量大小而定）、液位检测装置、手动/自动转换开关及相关的管路阀门等。排水泵的运行直接影响集水井的水位，是控制系统的核心执行元件。2.2系统控制需求根据地铁排水系统的运行特点和安全要求，控制系统应满足以下主要需求：1.自动控制功能：系统应能根据集水井内的实际水位自动控制排水泵的启动与停止。通常设置多个水位控制点，如低水位（停泵水位）、启泵水位（一泵启动水位）、高水位（二泵启动水位或一泵高速）、超高水位（报警水位）。2.水泵轮换功能：为保证各水泵运行时间均衡，避免长期闲置或过载，系统应具备水泵自动轮换工作功能。在多泵系统中，当达到启泵水位时，可按预设顺序或累计运行时间自动选择优先启动的水泵。3.手动控制功能：为方便系统调试、检修及应急操作，应保留手动控制方式，可通过控制柜上的按钮直接操作单台水泵的启停。4.故障检测与报警功能：系统应能对水泵过载、短路、缺相、漏水（若配备传感器）以及液位传感器故障等异常情况进行检测，并通过声、光信号在本地控制柜及远程监控中心发出报警。5.远程监控功能：控制系统应能与地铁综合监控系统（ISCS）或环境与设备监控系统（BAS）进行数据通信，上传水泵运行状态、集水井水位、故障报警等信息，并接受远方控制指令（如远程启停泵）。6.保护功能：水泵应具备过载、短路、欠压等电气保护，以及空载（如干转保护，通过流量开关或功率检测实现）保护。2.3系统总体结构基于PLC的地铁排水控制系统采用典型的分层分布式控制结构，主要由以下几个部分组成：1.现场检测层：主要包括液位传感器（如投入式液位变送器、超声波液位计或浮球液位开关）、压力传感器（用于检测泵出口压力，可选）、流量开关、电机电流传感器等，负责采集现场各类物理量信号。2.控制层：以PLC为核心，接收来自现场检测层的信号，按照预设的控制逻辑进行运算处理，并向执行机构发出控制指令。PLC是整个控制系统的“大脑”。3.执行层：包括水泵电机的接触器、继电器、软启动器或变频器（用于实现水泵软启动或调速运行，可选）、电磁阀（用于控制管路阀门，可选）等，负责执行PLC发出的控制命令。4.人机交互层：包括本地控制柜上的触摸屏（HMI）或指示灯、按钮、转换开关等，用于实现本地参数设置、状态监视和手动操作。5.通信层：实现PLC与远程监控中心（如BAS/ISCS）之间的数据交换，通常采用工业以太网（如PROFINET、EtherNet/IP）或RS485总线（如ModbusRTU）等通信方式。2.4系统总体方案本系统设计采用PLC作为核心控制器，通过采集液位传感器的模拟量或开关量信号，结合预设的控制逻辑，输出开关量信号控制水泵电机的接触器线圈，从而实现排水泵的自动控制。系统配置触摸屏作为本地人机交互界面，可实时显示各集水井水位、水泵运行状态、故障信息，并可进行参数设置（如各水位阈值、轮换时间等）。PLC通过通信模块与地铁BAS系统连接，实现数据上传和远程监控。典型的控制流程为：当集水井水位上升至“启泵水位”时，PLC控制一台水泵启动；若水位继续上升至“高水位”，则启动第二台水泵；当水位下降至“停泵水位”时，PLC控制水泵依次停止。在运行过程中，若出现故障，则报警并尝试切换至备用泵（若有）。三、系统硬件设计3.1PLC控制器选型PLC是控制系统的核心，其选型应综合考虑I/O点数、性能要求、可靠性、扩展性、通信能力及成本等因素。对于地铁排水这类中小型控制系统，通常选用结构紧凑、性能可靠的中小型PLC。本设计中，以选用某品牌紧凑型PLC为例，其自带数字量I/O，并可通过扩展模块增加模拟量输入（用于连接液位变送器）和更多数字量I/O点。3.2液位检测装置选型液位检测的准确性直接影响控制系统的性能。常用的液位检测装置有：1.浮球液位开关：结构简单，价格低廉，输出开关量信号。通过不同高度的浮球控制不同水位的开关动作。但易受水流冲击影响，精度不高，寿命相对较短。2.投入式液位变送器：基于静压原理，可输出4-20mA模拟量信号或数字信号（如HART、MODBUS）。测量精度较高，稳定性好，适合连续液位监测。在地铁排水系统中应用广泛。3.超声波液位计：非接触式测量，安装方便，不受介质污染影响。但易受安装环境（如蒸汽、泡沫、搅拌）影响，精度可能受温度、湿度变化影响。综合考虑测量精度、可靠性及维护等因素，本系统优先选用投入式液位变送器，用于连续监测集水井水位，并将模拟量信号送入PLC的模拟量输入模块。对于关键部位或作为冗余，可考虑增加浮球液位开关作为辅助或紧急停泵/报警信号。3.3其他主要硬件设备1.水泵电机控制回路：包括断路器、交流接触器、热继电器（或电机保护器）、浪涌保护器等。用于实现水泵电机的供电、通断控制及过载、短路保护。若需软启动或调速，可增加软启动器或变频器。2.人机界面（HMI）：选用小型触摸屏，安装于控制柜面板，用于显示系统状态、参数设置、报警信息等。3.控制柜：根据元器件数量和安装要求定制，具备防尘、防潮、散热功能，防护等级通常不低于IP54。柜内安装PLC、I/O模块、电源、继电器、端子排及上述控制回路元件。4.辅助电源：为PLC、HMI、传感器等提供稳定的直流电源（如DC24V）。3.4I/O地址分配在进行硬件配置时，需根据实际选用的PLC型号和I/O模块，对系统的输入输出信号进行地址分配。这是软件编程的基础。例如：*数字量输入（DI）：水泵过载信号、手动/自动切换信号、手动启/停按钮信号、浮球开关信号等。*数字量输出（DO）：水泵接触器线圈控制信号、报警指示灯信号、故障继电器输出信号等。*模拟量输入（AI）：液位变送器信号（4-20mA）。*模拟量输出（AO）：（可选）用于控制变频器频率。四、系统软件设计系统软件设计是PLC控制系统的核心，主要包括主程序、各功能模块子程序（如初始化模块、自动控制模块、手动控制模块、故障检测与报警模块、通信模块等）的设计。编程语言可根据设计者习惯和PLC支持情况选择，如梯形图（LD）、功能块图（FBD）或结构化文本（ST）。梯形图因其直观易懂、与继电器控制电路相似，在工业控制中应用最为广泛。4.1主程序流程图主程序主要负责系统的初始化、各功能模块的调用及循环扫描。初始化模块在系统上电或复位时执行，完成变量初始化、参数读取、设备初始状态检测等。随后，程序进入循环扫描阶段，依次调用手动控制模块、自动控制模块、故障检测模块、数据处理与通信模块等。4.2主要功能模块设计4.2.1初始化模块系统上电后，首先执行初始化程序。主要完成以下工作：*设置PLC内部寄存器、标志位的初始值。*读取预设的控制参数（如各水位阈值、水泵轮换周期等）。*检测手动/自动状态，若为自动，初始化水泵轮换顺序或优先启动泵。*对关键输入信号进行初始检测，若有故障则立即报警。4.2.2手动控制模块当系统处于手动模式时，该模块被激活。操作人员可通过控制柜上的按钮直接控制各水泵的启停。程序通过读取手动启、停按钮的状态，控制相应水泵的输出。在此模式下，自动控制逻辑失效，但故障检测功能仍应有效。4.2.3自动控制模块自动控制模块是系统的核心，其逻辑设计直接关系到控制效果。该模块根据液位变送器输入的当前水位值（或浮球开关状态组合）与设定的水位阈值进行比较，决定水泵的运行状态。基本控制逻辑：1.当水位低于“停泵水位”时，所有水泵停止。2.当水位上升至“启泵水位”时，启动1号泵（或根据轮换逻辑确定的优先泵）。3.若水位继续上升至“高水位”，且1号泵已运行，则启动2号泵。4.当水位下降至“停泵水位”以下时，先停止后启动的泵（如2号泵），若水位持续下降，再停止先启动的泵（如1号泵）。5.若水位上升至“超高水位”，无论水泵是否运行，立即发出声光报警，并可考虑启动备用措施或通知值班人员。水泵轮换逻辑：为均衡水泵工作时间，可采用累计运行时间记录方式。每次系统上电或从手动切换至自动时，比较各泵累计运行时间，优先启动累计运行时间较短的泵。或者，每完成一个排水周期（从启动到停止），自动切换下次启动的优先泵。4.2.4故障检测与报警模块该模块实时监测系统运行状态，主要包括：*水泵故障：通过检测热继电器的常闭触点或电机保护器的故障输出信号，判断水泵是否过载或发生其他电气故障。一旦检测到故障，立即停止故障泵，若有备用泵且处于自动模式，则尝试启动备用泵，并置位相应的故障报警标志。*液位传感器故障：通过检测液位信号是否超出正常范围（如小于4mA或大于20mA，对于模拟量传感器），或长时间无变化（结合水泵运行状态判断），判断传感器是否故障。*报警输出：当检测到任何故障或达到“超高水位”时，PLC驱动相应的报警继电器，使控制柜上的蜂鸣器发声、报警指示灯闪烁，并通过通信模块将报警信息上传至监控中心。4.3HMI界面设计HMI界面设计应遵循简洁直观、操作方便的原则。主要界面可包括：*主监控界面：显示各集水井水位（数值及棒图）、各水泵运行状态（运行、停止、故障）、手/自动状态。*参数设置界面：用于修改水位阈值、轮换时间等控制参数（需权限）。*报警信息界面：显示当前报警和历史报警记录，包括报警类型、发生时间等。*I/O监控界面：（调试用）显示主要I/O点的实时状态。五、系统调试与结果分析系统调试是确保控制系统按设计要求可靠运行的关键步骤，通常分为硬件调试、软件调试和联机调试三个阶段。5.1硬件调试硬件调试主要检查控制柜内各元器件的安装、接线是否正确、牢固，电源电压是否正常，接地是否良好。*断开PLC及所有负载电源，用万用表检查各回路绝缘电阻和通断情况，特别是强电回路与弱电回路之间的隔离。*接通辅助电源（如DC24V），检查PLC、HMI、传感器等低压设备供电是否正常。*模拟输入信号（如用信号发生器给PLC模拟量输入模块送入4-20mA信号），检查HMI上显示的水位值是否准确。*手动操作各按钮，检查相应的指示灯是否正常点亮，接触器线圈是否能正常吸合与释放。5.2软件调试软件调试可在PLC编程软件中进行模拟调试，或连接PLC硬件进行在线调试。*模拟调试：利用编程软件提供的仿真功能，模拟各种输入信号（如水位变化、按钮操作、故障信号），观察程序运行结果（输出状态、内部标志位变化）是否符合设计逻辑。重点测试自动控制流程、轮换逻辑、故障判断及报警输出。5.3联机调试将控制柜与现场的水泵、液位传感器等设备连接后进行整体联动调试。*向集水井内注水（或通过传感器模拟器模拟水位变化），观察系统是否能按预设水位准确控制水