基于PLC的供水控制系統(tǒng)設(shè)計講解

1、基于 PLC 的供水控制系統(tǒng)設(shè)計 系名稱 電氣與信息工程系 專業(yè)及班級 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名 張?zhí)N 學(xué)號 144139240471 指導(dǎo)教師 陳偉明 湖南交通工程學(xué)院 2017 年 10 月 31 日星期二 摘要 本課題以某小區(qū)供水系統(tǒng)的改造為背景，根據(jù)供水系統(tǒng)的特性和實際情況 的要求，采用 PLC實現(xiàn)供水過程的全自動控制， 滿足居民用水的需要。 研究的主 要內(nèi)容包括 : 基于 PLC自來水控制系統(tǒng)整體方案的設(shè)計、 PLC控制系統(tǒng)原理、重 點探討 PLC控制系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計，對 PLC在實際現(xiàn)場控制過程中經(jīng)常遇到 的一些實際問題的解決， 基于該工程項目的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)展開的

2、， 采 用可編程控制器 PLC，完成了整個電氣控制系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計，基本達到了預(yù) 期的目標，實現(xiàn)了小區(qū)供水的自動化。 關(guān)鍵詞 PLC；供水系統(tǒng)；自動控制 目錄 第 1 章 描述與要求 4 1.1 課題背景和意義 4 1.2 國內(nèi)外物業(yè)供水系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀 4 1.3 可編程控制器 (PLC) 的特點及應(yīng)用 5 1.4 基于 PLC的物業(yè)供水系統(tǒng)實現(xiàn)功能及特點 6 第 2 章 方案設(shè)計 7 2.1 恒壓供水系統(tǒng)原理 7 2.2 系統(tǒng)方案確定 7 第 3 章 方案實現(xiàn) 9 3.1 系統(tǒng)主要配置的選型 9 3.1.1 水泵機組的選型 9 3.1.2 PLC 的選型 10 3.1.3 壓力傳感器的選型

3、 11 3.2 可編程控制器 I/O 分配 13 3.3 系統(tǒng)電路分析及設(shè)計 14 3.3.1 系統(tǒng)電源 14 3.3.2 供水系統(tǒng)主電路分析與設(shè)計 14 3.3.3 PLC I/O 接線圖 16 3.3.4 壓力傳感器信號處理 17 3.3.5 報警電路設(shè)計 18 第 4 章 供水系統(tǒng)的程序設(shè)計 20 4.1 供水系統(tǒng)程序流程圖 21 4.2 供水系統(tǒng)程序設(shè)計 22 4.2.1 供水系統(tǒng)的程序主體思路 22 4.3.2 供水系統(tǒng)程序設(shè)計 23 第 5 章 課程設(shè)計總結(jié)與致謝 28 第 6 章 參考文獻 28 第 1 章 描述與要求 1.1 課題背景和意義 我們都知道， 水是人類生活、 生產(chǎn)中

4、不可缺少的重要物質(zhì)， 在建設(shè)節(jié)約型時 代特征的前提下， 我們這個水資源和電能短缺的國家， 長期以來在市政供水、 高 層建筑供水、 工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后， 自動化程度低， 而隨 著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展， 人們生活水平的不斷提高， 以及住房制度改革的不斷深 入，城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速， 同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更 高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面， 供水的可靠性、 穩(wěn)定性、 經(jīng)濟性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活， 也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平 的高低。本系統(tǒng)就是在這種背景下設(shè)計的。 PLC 供水系統(tǒng)集電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供

5、水可以 提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性， 同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性， 這在能源日益緊 缺的今天尤為重要， 所以研究設(shè)計該系統(tǒng)， 對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水 平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 1.2 國內(nèi)外物業(yè)供水系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀 可編程序控制器 (program logical controller)，簡稱 PLC，是一種專為在 工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng)。 世界上第一臺可編程控制器是美國數(shù) 字設(shè)備公司 (DEC)于1969年研制的。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模 集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等，PLC將 傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計

6、算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性 高、功能強、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點。 70年代初期，體積 小、功能強和價格便宜的微處理器被用于 PLC，使得PLC的功能大大增強， 具有了： 可靠性高、具有豐富的 I O接口模塊、采用模塊化結(jié)構(gòu)、編程簡單易學(xué)安裝簡單， 維修方便等特點。 以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標實現(xiàn)性能， 在工 業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。 PLC在物業(yè)供水方面也得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有恒速泵加 壓供水、水塔高位水箱供水、 氣壓罐供水、 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的 供水方式、 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等。 這些傳統(tǒng)的供水方式或多或少都存在

7、各 自的缺點和不足， 比如：恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的 反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進行手工操作水塔高位水箱供水基建投資大， 占地 面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大、單片機變頻調(diào)速供水系 統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便， 且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。 綜上所述， 傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪 費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，在這種情況下 人們想到了基于 PLC的供水系統(tǒng)設(shè)計。 目前國內(nèi)外基于 PLC的供水系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)比較多，并且有些技術(shù)已經(jīng)相當成 熟，從簡單的基于 PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計到

8、基于 PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計， 其中后者的變頻技術(shù)是現(xiàn)在研究的核心， 變頻技術(shù)是在電力電子技術(shù)、 計算機技 術(shù)和自動控制技術(shù)及電機控制理論發(fā)展的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 本文的基于 PLC的物業(yè)供水系統(tǒng)設(shè)計屬于恒壓供水， 由于 PLC的可靠性高、功 能強、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等特點，與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)相比本系統(tǒng)有 很大的實用價值。 1.3 可編程控制器 (PLC) 的特點及應(yīng)用 可編程序控制器 (program 109ical controller)，簡稱 PLC，是一種專為在工業(yè) 環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng)， 它是以微處理機為基礎(chǔ)， 綜合了計算機技 術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)

9、代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝 置，是當今工業(yè)發(fā)達國家自動控制的標準設(shè)備之一。由于PLC 采用了“三機一 體化”的綜合技術(shù)即集計算機、儀器儀表、電氣控制于一身，具有高可靠性、強 抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，因而與其它 控制器相比它更加適合工業(yè)控制環(huán)境和市場的要求，再加上 PLC 發(fā)展過程中產(chǎn) 品的系列化、產(chǎn)業(yè)化和標準化， 使之從早期的邏輯控制、 順序控制迅速擴展到了 連續(xù)控制， 開始進入批量控制和過程控制領(lǐng)域， 并迅速成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的支 柱。目前， PLC 在小型化、大型化、大容量、強功能等方面有了質(zhì)的飛躍。 1.4 基于 PLC的物業(yè)供水系統(tǒng)實現(xiàn)

10、功能及特點 本設(shè)計是基于 PLC 的物業(yè)供水系統(tǒng)，具有以下特點： 供水系統(tǒng)有水泵 4 臺，供水管道安裝壓力檢測開關(guān) K1 ，K2 和 K3。K1 接通，表 示水壓偏低； K2 接通，表示水壓正常； K3 接通，表示水壓偏高。 （1）系統(tǒng)分手動工作和自動工作兩種狀態(tài)，自動工作時，當用水量少，壓力增 高，K3 接通，此時可延時 30s后撤除 1 臺水泵工作，要求先工作的水泵先切斷； 當用水量多時，壓力降低， K1 接通，此時可延時 30s后增設(shè) 1 臺水泵工作，要 求未曾工作過的水泵增加投入運行；當 K2 接通，表示供水正常，可維持水泵運 行數(shù)量。 （2）各水泵工作時，均應(yīng)有工作狀態(tài)顯示。 （3）

11、手動工作時，要求 4 臺水泵可分別獨立操作（分設(shè)起動和停止開關(guān)），并 分別具有過載保護， 可隨時對單臺水泵進行斷電控制 （若輸入點不夠， 可減少一 個過載保護收入）。 （4）設(shè)有“自動 /手動”切換開關(guān)（ ON手動， OFF自動），另設(shè)自動運 行控制開關(guān)（ ON自動運行， OFF自動運行停止）。 （5）設(shè)有高壓報警和低壓報警。高壓報警指示燈，當只有一臺水泵在工作，但 是，水壓還是超過正常值， 這時就要報警來提醒工作人員， 由工作人員決定是否 手動關(guān)掉所有水泵。低壓報警指示燈，當 4 臺水泵都投入工作，但是，水壓還是 低于正常值， 如果這種狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生， 那么，這個系統(tǒng)就要考慮增設(shè)水泵以保證 供

12、水的正常。 第 2 章 方案設(shè)計 2.1 恒壓供水系統(tǒng)原理 恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通常由 異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水， 并且把電機和水泵做成一體， 通過調(diào)節(jié)電機機 組工作電機的數(shù)量， 從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。 因此，恒壓供 水系統(tǒng)的實質(zhì)是電機的工作控制。 電動機的控制通常使用接觸器， PLC 通過控制 接觸器來實現(xiàn)自動控制電機機組的電機從而實現(xiàn)了恒壓供水。 2.2 系統(tǒng)方案確定 恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、恒壓控 制單元、水泵機組以及低壓電器組成。 系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元 控制多臺水泵，實現(xiàn)管

13、網(wǎng)水壓的恒定壓力供水，可供選擇的方案有： 1、人工控制 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)起來也比較容易，就是派專人看著壓力傳感器 傳輸過來的數(shù)據(jù)， 人工選擇哪臺水泵工作和控制幾臺水泵機組工作。 這種控制比 較落后，可靠性不高。需要工作人員一直守在控制室里，實時控制，效率低。因 此不選并用此方案。 2、單片機 +水泵機組 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性能價格 比。但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差， 同時在運行時，將產(chǎn)生干擾，水泵的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取 相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠

14、性。 該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的 恒壓供水系統(tǒng)中。 3、PLC+ 水泵機組 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進 行數(shù)據(jù)交換，通用性強，由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各 種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 IO 的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 Pc 機來改變存貯器中的 控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于 PLC 的抗干擾能力強、可靠性高，因 此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合， 并且與供水機組的容量大小無關(guān)。 通過對以上這幾種方案的比

15、較和分析，可以看出“ PLC+水泵機組 +壓力傳感 器”的控制方式更適合于本系統(tǒng)。 這種控制方案既有擴展功能靈活方便、 便于數(shù) 據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 第 3 章 方案實現(xiàn) 3.1 系統(tǒng)主要配置的選型 3.1.1 水泵機組的選型 水泵機組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運 行，以求取得較好的節(jié)能效果。 要使泵組常處于高效區(qū)運行， 則所選用的泵型必 須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。 本文以某小區(qū)的實際生活用水的數(shù)據(jù)進行選型，該小區(qū)生活用水具體要求 為： 1）由多臺水泵機組實現(xiàn)供水，流量范圍 600m2h，揚程 60 米左右，出水口 水壓大小為

16、0.4Mpa； 2）設(shè)置一臺水泵作用于小流量時的供水；供水壓力要求恒定，尤其在換泵時 波動要?。?3）系統(tǒng)能自動可靠運行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動功能。 4）具有完善的過載保護功能，系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟運行性能。 根據(jù)以上系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計秒流量和設(shè) 計供水壓力 （水泵揚程 ），考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用4 臺上海熊貓機械 （集團）有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列主水泵機組。 表 3.1 水泵機組參數(shù)表 型號 數(shù) 量 主要性能參數(shù) 流量 m2/h 揚 程 m 效 率% 轉(zhuǎn)速 r/min 電機 功率 kw 余 量 m 進出口 徑 mm 水 泵 機

17、組 150sfl160-20 x4 4 160 80 73 1450 55 2.9 150 9 3.1.2 PLC 的選型 PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心， 它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號 的采集、所有輸出單元的控制、 恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。 因此我們在選 擇 PLC 時，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口 及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素，以日本三菱 PLC為例，該 PLC有 FX、A 、Q三大系列，在 FX系列中又有 FX1S，F(xiàn)X1N 和 FX2N 三種型號。依據(jù)控制任務(wù)， 從PLC的輸入輸出點數(shù)、存儲器容量、輸入 輸

18、出接口模塊類型等方面等來選 PLC 型號。在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，我們選擇 三菱 FX1N-40MR-001 型 PLC。FX1N-40MR-001 的主要參數(shù)為： IO 點數(shù)： 2416； 基本指令： 27 條； 功能指令： 298 條； 基本指令執(zhí)行時間： 0.55-0.7 微秒； 用戶程序步驟： 8K； 通信功能：強； 輸出形式：繼電型； 輸出能力： 2A 點； 三菱 FX1N-40MR-001 是三菱電機推出的功能強大的普及型 PLC。具有擴展 輸入輸出， 模擬量控制和通訊、 鏈接功能等擴展性。 是一款廣泛應(yīng)用于一般的順 序控制三菱 PLC。 特點：三菱 FX1N-40MR-001 PLC

19、 擁有相當快的速度， FX 是從 16 路到 256 路輸入 /輸出的多種應(yīng)用的選擇方案； FX1N 系列是小型化，高速度，高性能和 所有方便都是相當于 FX 系列中高檔次的超小形程序裝置。 除輸入輸出 16-25 點的獨立用途外， 還可以適用于在多個基本組件間的連接， 模擬控制， 定位控制 等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的 PLC。 三菱 FX1N-40MR-001 在基本單元上連接擴展單元或擴展模塊，可進行 16-256 點的靈活輸入輸出組合?？蛇x用 16/32/48/64/80/128 點的主機，可以采用 10 最小 8 點的擴展模塊進行擴展。 可根據(jù)電源及輸出形式， 自由選擇

20、。 程序容量： 內(nèi)置 800 步 RAM （可輸入注釋）可使用存儲盒，最大可擴充至 16K 步。豐富的 軟元件應(yīng)用指令中有多個可使用的簡單指令、 高速處理指令、輸入過濾常數(shù)可變， 中斷輸入處理，直接輸出等。便利指令數(shù)字開關(guān)的數(shù)據(jù)讀取， 16 位數(shù)據(jù)的讀取， 矩陣輸入的讀取， 7 段顯示器輸出等。數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)排列、三角函 數(shù)運算、平方根、浮點小數(shù)運算等。特殊用途、脈沖輸出（ 20KHZ/DC5V ， KHZ/DC12V-24V ），脈寬調(diào)制， PID 控制指令等。 3.1.3 壓力傳感器的選型 壓力傳感器是供水系統(tǒng)中的主要傳感器。 PLC 自動控制水泵的工作情況的信 息全部來自壓力傳

21、感器， 它必須要有很高的可靠性， 如果壓力傳感器出錯， 將會 帶來災(zāi)難性的事故，很可能是管道爆裂或者是水壓不足， 造成居民用水的不方便， 因此壓力傳感器的選用很關(guān)鍵。 根據(jù)供水系統(tǒng)的具體的要求， 我們選擇佛山一眾傳感儀器有限公司的水壓傳 感器 PY206。它有以下特點： 水壓傳感器，廠家采用進口高精度感應(yīng)芯體，先進的貼片工藝，配套帶有零 點、滿量程補償， 溫度補償?shù)母呔群透叻€(wěn)定性放大集成電路， 將被測量介質(zhì)的 壓力轉(zhuǎn)換成 0 5VDC 標準電信號 。采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮 能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。 廣泛用于工業(yè)設(shè)備、 水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、 金剛石壓機、冶金、車輛制動、

22、樓宇供水等壓力測量與控制。 產(chǎn)品概述及特點： A、采用進口感壓芯片； B、先進的貼片工藝，具有零點、滿量程補償，溫度補償； C、高精度和高穩(wěn)定性放大集成電路； D、全封焊結(jié)構(gòu)、抗沖擊、耐疲勞、可靠性高； E、輸出信號多樣化（有電流型、電壓型）； F、結(jié)構(gòu)小巧，安裝方便； G、采用高溫補償最高介質(zhì)溫度可達 350 度； 11 產(chǎn)品主要參數(shù)： 被測介質(zhì)： 氣體、液體及蒸氣（弱腐蝕性） 壓力類型： 表壓 量 程： -100KPa-0.6Mpa60 Mpa 120 Mpa 間任意可選（量小量 程為 0.6MPa,量大量程為 120MPa） 輸出：420mA（二線制）、05VDC 、010VDC、0.5

23、4.5VDC （三線制） 綜合精度： 0.1%FS（量程 60MPa以下）、 0.25%FS、0.5%FS 供 電： 24V DC （15 30VDC ） 絕緣電阻： 1000 M/100VDC 負載電阻 : 電流輸出型：最大 800 電壓輸出型：大于 50K 介質(zhì)溫度： -2085、-20150、 -20200、 -20300（可選） 環(huán)境溫度： -2085 儲存溫度： -4090 相對濕度： 095% RH 密封等級： IP65/IP68 過載能力： 150%FS 響應(yīng)時間： 10mS 穩(wěn) 定 性： 0.15%FS/年 振動影響： 0.15%FS/年（機械振動頻率 20Hz 1000Hz）

24、 電氣連接：緊線螺母直接出線；標準配線 3 米 壓力連接： M20 1.5，其它螺紋可依據(jù)客戶要求設(shè)計 連接螺紋材料： 304/316L 不銹鋼 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖： 12 圖 3-1 水壓傳感器 PY206 結(jié)構(gòu)圖 3.2 可編程控制器 I/O 分配 表 3.2 控制器 I/O 口分配表 輸入元件 地址編碼 輸出元件 地址編碼 低水壓輸入 X000 水泵 1 接觸器 Y001 正常水壓輸入 X001 水泵 2 接觸器 Y002 高水壓輸入 X002 水泵 3 接觸器 Y003 模式選擇開關(guān) X003 水泵 4 接觸器 Y004 自動模式開關(guān) X004 水泵 1 工作指示燈 Y005 水泵 1 過載

25、X005 水泵 2 工作指示燈 Y006 水泵 2 過載 X006 水泵 3 工作指示燈 Y007 水泵 3 過載 X007 水泵 4 工作指示燈 Y010 水泵 4 過載 X010 自動模式指示燈 Y011 水泵 1 手動開 X011 手動模式指示燈 Y012 水泵 1 手動關(guān) X012 自動模式開關(guān)指示燈 Y013 水泵 2 手動開 X013 高壓報警燈 Y014 水泵 2 手動關(guān) X014 低壓報警燈 Y015 水泵 3 手動開 X015 水泵 3 手動關(guān) X016 水泵 4 手動開 X017 水泵 4 手動關(guān) X020 13 3.3 系統(tǒng)電路分析及設(shè)計 3.3.1 系統(tǒng)電源 供電系統(tǒng)的

26、設(shè)定直接影響到控制系統(tǒng)的可靠性， 因此在設(shè)定供電系統(tǒng)時應(yīng)考 慮下列因素： 1）輸入電源電壓在一定的允許范圍內(nèi)變化； 2）當輸入交流電斷電時，應(yīng)不破壞控制器程序和數(shù)據(jù)； 3）當控制系統(tǒng)不允許斷電的場合，要考慮供電電源的冗余； 4）當外部設(shè)備電源通斷電時，應(yīng)不影響控制器的供電； 5）要考慮電源系統(tǒng)的抗干擾措施。 為實現(xiàn)以上要求，在主電路和控制電路加上了保護，包括過載保護，當主電 路因某些原因出現(xiàn)故障時， 比如水泵過載， 這時過載保護工作， 水泵停止運行既 使水泵安全，也使電源供電安全確保 PLC 的電源正常。 3.3.2 供水系統(tǒng)主電路分析與設(shè)計 由設(shè)計內(nèi)容和要求可知，本設(shè)計需要用到四臺水泵，水泵

27、的型號都為： 150sfl160-20 x4，55kw，1450轉(zhuǎn)/ 分，380V，144A。在設(shè)計主電路時水泵以電動機 代替，圖中的 KM為接觸器線圈， FR為熱繼電器，主電路并設(shè)有短路過載保護。 硬件設(shè)設(shè)計主電路圖如圖 3-2 所示： 14 圖中的三相電接入口處有熔斷器，當水泵因故障或其他原因過載時，主電路 上的電流超過正常值時熔斷器自動熔斷， 起到保護水泵和主電路的作用。 在每臺 水泵上單獨再安裝熔斷器 FU1、2、3、4，因為，4 臺水泵的工作狀態(tài)不同主電路 的電流不同， 主電路上的熔斷器只能起到保護主電路的作用， 所以，在每臺水泵 上單獨再裝上熔斷器以保證當水泵超載時可單獨切斷電源。

28、刀開關(guān)QS1、2、3、 4 由人工手動控制， PLC控制電路失靈時刀開關(guān)是切斷電源的唯一方法。接觸器 KM1、2、3、4是由 PLC自動控制水泵的開關(guān)。 FR1、2、3、4 是熱繼電器，把它 們穿在電機的繞組中，當水泵過載時，熱繼電器動作，切斷電源。 M1、2、3、4 代表四臺水泵。 15 3.3.3 PLC I/O 接線圖 水壓低信號輸入 水壓正常信號輸入 水壓高信號輸入 自動手動模式開關(guān) 自動模式開關(guān) 水泵 1過載保護輸入 水泵 2過載保護輸入 水泵 3過載保護輸入 水泵 4過載保護輸入 水泵 1 手動啟動 水泵 1手動關(guān)閉 水泵 2 手動啟動 水泵 2手動關(guān)閉 水泵 3 手動啟動 水泵

29、3手動關(guān)閉 水泵 4 手動啟動 水泵 4 手動關(guān)閉 X000 Y001 X001 Y002 X002 Y003 X003 Y004 X004 COM X005 X006 Y005 X007 Y006 X010 Y007 X011 Y010 X012 Y011 X013 Y012 X014 Y013 X015 Y014 X016 Y015 X017 COM X020 PLC FX1N-40MR-001 COM 低壓信號 24V 過載保護繼電器 KM1 24V 正常壓信號 高壓信號 KM2 KM3 KM4 220V 水泵 1指示燈 水泵 2指示燈 水泵 3指示燈 水泵 4指示燈 自動模式指示燈 手

30、動模式指示燈 自動模式開關(guān)指示燈 自動模式開關(guān)指示燈 高壓報警燈 低壓報警燈 圖 3-3 供水系統(tǒng) PLC I/O 接線圖 如圖 3-3 所示，按鍵 S1-S16 分別為不同信號輸入， COM 口為公共端， Y001-Y015 分別為不同控制信號輸出端，輸出控制信號控制執(zhí)行電路的工作狀 態(tài)。其中， S3 是自鎖開關(guān)，當 S3 接通時系統(tǒng)工作在手動模式，當 S3 斷開時， 系統(tǒng)工作在自動模式， 而 S3 的默認狀態(tài)是斷開的。 S4 是當系統(tǒng)工作在自動模式 時的開關(guān)，當 S4 接通時，自動工作有效，當 S4斷開時，自動工作停止。 S4-S8 是過載保護的輸入， 以開關(guān)形式代替。 過載保護， 除了有

31、硬件上的保護還有 PLC 程序中的保護，以確保系統(tǒng)的可靠性。 S9-S16 是手動模式下的功能選擇，使 4 臺水泵可以任意設(shè)置其工作狀態(tài)， 4 臺水泵在手動控制模式下是相互獨立的，相 互之間沒有影響。 Y1-Y4 是水泵的接觸器控制端，由于選用的 PLC 是繼電器輸出型，因此可 以直接驅(qū)動接觸器，為了增加系統(tǒng)的安全系數(shù)，在接觸器和 PLC 組成的回路中 加入了熱繼電器。 Y5-Y10 是各個水泵工作狀態(tài)指示燈口， Y11 是自動模式指示 燈控制口， Y12 是手動模式指示燈控制口， Y13是自動模式開關(guān)狀態(tài)之燈控制接 16 口。Y14 是高壓報警指示燈，當只有一臺水泵在工作，但是，水壓還是超過

32、正常 值，這時就要報警來提醒工作人員，由工作人員決定是否手動關(guān)掉所有水泵。 Y15 是低壓報警指示燈，當 4 水泵都投入工作，但是，水壓還是低于正常值，如 果這種狀態(tài)經(jīng)常發(fā)生， 那么，這個系統(tǒng)就要考慮增設(shè)一臺水泵以保證供水的正常。 3.3.4 壓力傳感器信號處理 壓力傳感器選用的是佛山一眾傳感儀器有限公司的水壓傳感器PY206。 PY206能將水壓轉(zhuǎn)換成 05VDC 標準電信號。采用進口高精度感應(yīng)芯體，先進 的貼片工藝，配套帶有零點、 滿量程補償， 溫度補償?shù)母呔群透叻€(wěn)定性放大集 成電路。采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。 壓力傳感器 PY206 能將水壓信號轉(zhuǎn)換成

33、 0 5VDC 標準電信號，但是， PLC 需要的是三個分立的信號：低水壓信號，正常水壓，高水壓信號。因此，就必須 把壓力傳感器的輸出信號進行轉(zhuǎn)換， 為此我們設(shè)計了如圖 3-4 所示的信號轉(zhuǎn)換電 圖 3-4 壓力傳感器信號轉(zhuǎn)換電路 此電路，主要由電壓比較器 Lm393，數(shù)字芯片非門芯片 74f04 、同或門 74ls266 組成。通過電阻橋式電路分壓， 設(shè)定了高水壓和低水壓的參考電壓， 由于水壓傳 感器 PY206的輸出信號是 05VDC標準電信號， 因此，可以采用這種形式。 傳感 器信號接到電壓比較器 Lm393的 2腳和 5腳，通過由 Lm393組成的窗口比較器電 路將水壓轉(zhuǎn)換成低中高三檔

34、信號送給 PLC。 17 3.3.5 報警電路設(shè)計 1.必要性分析 確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計方案的基本依據(jù)是設(shè)計供水能力能滿足系統(tǒng)最不利 點的用水需求， 同時還需要結(jié)合用戶用水量變化類型， 考慮方案適用性、 節(jié)能性 及其它技術(shù)要求。 根據(jù)用戶的用水時段特點， 可將用戶用水量變化類型分為連續(xù) 型、間歇型兩大類，根據(jù)流量的變化特點，還可進一步細分為高流量變化型，低 流量變化型，全流量變化型等。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也會改變。 連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候， 或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有 一定的流量；間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時間， 流量很小或為零。 各種類型 圖 3-5 用戶用水量

35、變化類型 a）連續(xù)型 （全流量變化型 ）b）連續(xù)型 （高流量變化型 ） c）連續(xù)型 （低流量變化型 ）d）間歇型 根據(jù)以上分析知道：由于居民用水的集中性，當只有 1 臺水泵在工作時，如 果水壓傳感器還檢測到水壓過高， 這時就要采取行動， 不然會使水壓過高造成管 道破裂，造成水資源和電能的浪費。在用水高峰期， 4 臺水泵都投入工作，如果 水壓傳感器傳回數(shù)據(jù)仍顯示水壓低， 這時，部分用戶的用水將受到影響。 如果經(jīng) 常出現(xiàn)低壓報警，那么，就提醒管理者增加水泵個數(shù)，以保證用水正常。 18 2.報警電路 圖 3-6 報警電路電路圖 如圖 3-6所示，當報警控制信號為 1 時，報警器發(fā)聲報警。這時管理者就

36、要 根據(jù)實際情況作出相應(yīng)回應(yīng)， 如果是高壓報警則可以通過系統(tǒng)的手動功能， 將所 有水泵都關(guān)掉，或者是低壓報警， 這就要根據(jù)實際情況適當增加水泵的數(shù)量以確 保用戶用水的正常。 19 第 4 章 供水系統(tǒng)的程序設(shè)計 供水系統(tǒng)概況：供水系統(tǒng)有水泵 4 臺，供水管道安裝壓力檢測開關(guān) K1 ，K2 和 K3 。K1 接通，表示水壓偏低； K2 接通，表示水壓正常； K3 接通，表示水壓 偏高。 1. 控制要求： （1）自動工作時，當用水量少，壓力增高， K3 接通，此時可延時 30s 后撤 除 1 臺水泵工作，要求先工作的水泵先切斷；當用水量多時，壓力降低， K1 接 通，此時可延時 30s后增設(shè) 1

37、臺水泵工作，要求未曾工作過的水泵增加投入運行； 當 K2 接通，表示供水正常，可維持水泵運行數(shù)量。工作時，要求水泵數(shù)量最少 為 1 臺，最多不得超出 4 臺。 （2）各水泵工作時，均應(yīng)有工作狀態(tài)顯示。 （3）手動工作時，要求 4 臺水泵可分別獨立操作（分設(shè)起動和停止開關(guān)）， 并分別具有過載保護，可隨時對單臺水泵進行斷電控制。 （4）設(shè)置“自動 /手動”切換開 關(guān)（ ON手動， OFF自動），另 設(shè)自動運行控制開關(guān)（ ON自動運行， OFF自動運行停止）。 2. 擴展功能報警功能，當只有 1 臺水泵工作，水壓仍然高，發(fā)生高壓報警， 當 4 臺水泵都工作，水壓仍然低，發(fā)生低壓報警。 20 4.1

38、供水系統(tǒng)程序流程圖 手動模 X3 閉 4 臺水泵都 開啟檢測到 只有 1 臺水泵 開啟檢測到水 水壓正 返回循 環(huán)執(zhí)行 21 4.2 供水系統(tǒng)程序設(shè)計 4.2.1 供水系統(tǒng)的程序主體思路 （1）自動工作時，當用水量少，壓力增高， K3 接通，此時可延時 30s 后撤 除 1 臺水泵工作，要求先工作的水泵先切斷；當用水量多時，壓力降低， K1 接 通，此時可延時 30s后增設(shè) 1 臺水泵工作，要求未曾工作過的水泵增加投入運行； 當 K2 接通，表示供水正常，可維持水泵運行數(shù)量。工作時，要求水泵數(shù)量最少 為 1 臺，最多不得超出 4 臺。 （2）各水泵工作時，均應(yīng)有工作狀態(tài)顯示。 （3）手動工作時

39、，要求 4 臺水泵可分別獨立操作（分設(shè)起動和停止開關(guān)）， 并分別具有過載保護，可隨時對單臺水泵進行斷電控制。 （4）設(shè)置“自動 /手動”切換開 關(guān)（ ON手動， OFF自動），另 設(shè)自動運行控制開關(guān)（ ON自動運行， OFF自動運行停止）。 （5）擴展功能報警功能，當只有 1 臺水泵工作，水壓仍然高，發(fā)生高壓報 警，當 4 臺水泵都工作，水壓仍然低，發(fā)生低壓報警。 22 4.3.2 供水系統(tǒng)程序設(shè)計 1. 主程序的模式選擇部分程序設(shè)計及解析 圖 4-2 主程序模式選擇 這是主程序的模式選擇部分，當 X3 接通時選擇手動模式，在手動模式下要 打開手動模式指示燈即 SET Y012，同時把自動模式

40、的指示燈關(guān)掉即 RST Y011。 再調(diào)用手動處理子函數(shù)。 然后復(fù)位在自動模式下開啟的 T0和 T1，這時為下一次 進入自動模式做好準備；當 X3 斷開時，系統(tǒng)工作在自動模式，這時要關(guān)閉手動 模式指示燈同時打開自動模式指示燈，然后調(diào)用自動模式子程序。 2. 水壓低處理初始化部分程序設(shè)計及解析 X000 即水 圖 4-3 水壓低處理初始化 這是水壓低處理初始化部分。當自動模式開啟即 X4 閉合，同時 壓低輸入 I/O 口閉合，則程序進入。首先，要打開定時器 T0 定時 30S,30S 之后 再增加要增加水泵， 這樣的設(shè)計為的是系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 如果不延時， 立馬開啟水 23泵，那么， 4 臺水泵會

41、頻繁的開啟和停止，將嚴重影響水泵的壽命。 在進入低壓處理部分時對 T1 即高壓延時定時器復(fù)位，這是為進入高壓處理 做好準備。用以實現(xiàn) 30S延時，如果不 RST T1，有可能剛進入高壓處理部分立 馬就切斷水泵。 后邊的程序采用 MC 和 MCR 指令是為了增加程序的簡潔和可讀性。 3. 水壓高處理初始化部分程序設(shè)計及解析 圖 4-4 水壓高處理初始化 和上面的水壓低處理相同，水壓高處理采用相同的初始化處理方式，這里不 再詳細解析。 4. 過載保護程序設(shè)計及解析 圖 4-5 過載保護 雖然硬件上有熱繼電器和熔斷器，但是為了系統(tǒng)的可靠性和完整性，在主程 序中還是寫入了過載保護， 當過載保護檢測到時， 立即停止所有水泵， 以保證水 泵和整個電路的安全。 這樣的設(shè)計雖然會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性， 但是，卻提高了系 統(tǒng)的可靠性。 5. 水泵工作狀態(tài)指示程序設(shè)計及解析 24 圖 4-6 水泵工作狀態(tài)指示 每一臺水泵的工作狀態(tài)，可以通過 PLC 的 Y005、 Y006、 Y007， Y010 控 制的指示燈上看到，這樣方便管理監(jiān)測和維護水泵。能夠?qū)崟r的看到 PLC 的控 制結(jié)果， 而不必到現(xiàn)場看水泵的工作狀態(tài)， 相當于起到了人機交互的作用， 體現(xiàn) 了系統(tǒng)的人性化設(shè)計理念。 6. 低壓報警程序設(shè)計及解析 圖 4-7 低壓報警 低壓報