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1、设 计 说 明 书可编程控制器课程设计设 计 题 目： PLC控制的双恒压供水水泵站 学 院： 机电工程学院 学 号： 专业（方向）年级： 14级电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 福建农林大学机电工程学院2017年 3月1日目录目录11 引言31.1背景31.2设计内容及目的32 系统总体方案设计52.1 系统硬件配置及组成原理52.1.1系统硬件配置52.1.2 PLC系统的结构组成52.1.3 PLC控制的双恒压供水水泵站工作原理62.2 系统变量定义及分配表72.3 系统接线图设计83控制系统程序设计103.1 控制程序流程图设计103.1.1欠水位模块103.1.2过水位模块113
2、.2.3手动模式模块123.2.4自动控制模块133.2.5水泵电机组运行模块143.2 控制系统的设计思路及设计程序153.3 创新设计内容184、控制系统的上位机设计204.1 人机界面选择204.2 人机界面设计204.2.1通讯连接204.2.2变量设置224.2.3画面组态225、系统调试及结果分析265.1 PLC程序调试及解决的问题265.2 PLC与上位机联调275.3 结果分析27结束语27参考文献281 引言1.1背景我国城市水资源存在极其匮乏且涉及面广的问题，全国城市每年缺水60亿m3，每年因缺水造成经济损失约2,000亿元。在我国，城市水资源的需求几乎涉及到国民经济的方
3、方面面，如工业、农业、建筑业、居民生活等，严重的缺水问题导致我国城镇现代化建设进程、GDP的增长和居民生活水平的提高都受到了限制。为满足城市发展对于供水质量的要求，降低供水厂单位制水能耗，保证可靠、稳定地城市供水需求，需要对原有供水系统进行升级改造，将原有地取水系统和供水系统都改为恒压供水，实现对整个系统的自动化控制和计算机监测管理。目前，国内大部分城市供水系统，包括水厂、生活小区、高层建筑的供水系统，能采用较为传统的供水方式。值班人员根据实际的用水量或累计的经验，通过人工的方式调节水泵电机的开停来实现简单的供水控制。用水量增大，供水压力变小时，即手动增加一台水泵；当用水量减小，供水压力变大时
4、，则把最先运行的水泵电机关掉。这种传统的供水方式存在着许多的缺点，特别是多台水泵供水系统尤为严重：其一，由于水泵电机只能工作在额定运行和停车两种工作状态，无法为用户提供稳定可靠的供水压力，且经常会出现断水、水管崩裂、管道共振等现象。其二，由于水泵电机只能工作在工频状态，长时间高速运行，电能浪费较大，据统计，在目前传统的供水方式中，电费在水费成本中的比例高达50%以上。其三，由于人为的控制难以始终保证电机在运行过程中投切的正确性，容易导致电机在长期运行过程中磨损不均，并且增大了误操作的可能性；同时设备运行不合理，机械磨损大，造成设备使用寿命短，维修量大，设备和人工成本都较高。其四，在目前的城市生
5、活小区、高层建筑供水系统中，基本采用高位水箱或水塔的供水方式，这样既增大了基建投资，同时也造成水资源二次污染等1.2设计内容及目的本次的课程设计的主题就是：PLC控制的双恒压供水水泵站。随着社会进步和发展，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水和控制系统应运而生，就是PLC控制的双恒压供水系统。恒压供水系统保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。下面以一个三水泵恒压供水系统为例说明其工艺过程。如图1所示，当管道中
6、压力为正常时，三水泵中有两台工作，一台停止待用；当管道中的压力为低时，三水泵全部运行；当管道中压力为高压时，只有一台水泵运行。诺为消防状态下，则三台水泵全部工作。管道压力高压中压低压切除1台水泵2台水泵运行接通三台水泵消防状态接通三台水泵图1-1、控制要求说明对于三台水泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：（1）、生活供水时，系统低恒压运行，消防供水时系统高恒压运行。（2）、三台水泵根据恒压的要求，采取“先开先停”的原则接入和退出。（3）、在用水量小的情况下（即不是在消防的情况和增开工频泵的情况），如果一台水泵连续运行超过三小时，则要切换到下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工
7、作时间过长。（4）、三台水泵在启动的时候都要具有软启动的功能。（5）、要求完善的报警功能。（6）、对水泵的操作要具有手动的功能，手动只在应急或检修的时候临时使用。2 系统总体方案设计2.1 系统硬件配置及组成原理2.1.1系统硬件配置根据系统设计要求，PLC需要的I/O口分配如下（1） 输入：总开关、手动自动切换开关、水位上限模拟开关、水位下限模拟开关、1#、2#、3#水泵开关、消防状态开关、减压阀传感器开关共9个输入（2） 输出：系统运行状态指示、高中低压供水指示、YV1、YV2、YV3、1#、2#、3#水泵、水位上限警报、水位下限警报、减压阀工作指示共13个输出从上可知选择的PLC型号至少
8、要有9入13出，应该选CPU226或者其他型号加端口扩展。但由于实验室只有CPU224XP，14入10出，输入量够用而且满足预留要求，但是输出量不够。于是输出量中用于工作情况指示的或者警报指示灯均用上位机维控触控屏。2.1.2 PLC系统的结构组成PLC的硬件系统结构图如图2-1所示：电源CPU224XP输出单元输出单元通讯接口存储器扩展接口编程器人机界面总线图2-1 PLC系统的结构框图2.1.3 PLC控制的双恒压供水水泵站工作原理PLC控制的双恒压供水水泵站工作原理即通过控制水泵组电机的工作和停车的电机数量和电机工作特性来维持水管水压恒定。为维持水压恒定需要用到水压检测装置和交流电机变频
9、器。水压测量装置可采用陶瓷电容压力传感器，测出水压值，并将压力信号转化为电信号。然后通过A/D转化，传输到PLC经过逻辑处理后发出命令到变频器。变频器通过改变电压频率来实现电机工作转速、输出功率的调节。从而实现水管水压恒定，减小水压过大造成水管损伤或者水压过小造成的供水问题，同时还有节约电能的作用。控制状态见表2-1所示。表2-1 根据水压控制恒压下水泵组工作状态水压水泵状态组1#2#3#非消防高压100101020013常压110101121013低压111消防高、常、低1112.2 系统变量定义及分配表根据不同控制要求，可以定义不同的变量名来代替外界发来的开关信号，并且合理的分配对应的变量
10、，从而针对性的进行开关信号的转变，使程序的可读性增强，使程序在扩展方面更加方便。在我的设计方案中，I/O分配如表2-2、表2-3所示。表2-1 输入信号的定义及地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输入信号系统总开关按键开关SB1I0.0手动自动切换开关SB2I0.1水位下限模拟开关SB3I0.2水位上限模拟开关SB4I0.3水泵电机1#SB5I0.5水泵电机2#SB6I0.6水泵电机3#SB7I0.7消防模拟开关SB10I1.0减压阀开关SB11I1.1系统总开关上位机辅助开关M3.0M3.0手动自动切换开关M3.1M3.1水位下限模拟开关M3.2M3.2水位上限模拟开关M3.3
11、M3.3水泵电机1#M3.4M3.4水泵电机2#M3.5M3.5水泵电机3#M3.6M3.6消防模拟开关M3.7M3.7减压阀开关M4.0M4.0表2-3 输出信号的定义及地址分配表控制信号信号名称元件名称元件符号地址编码输出信号水泵电机1#接触器KM1Q0.0水泵电机1#KM2Q0.1水泵电机1#KM3Q0.2YV1KM4Q0.3YV2KM5Q0.4YV3KM6Q0.5减压阀KM9Q1.0过水位警报指示灯KM7Q0.6欠水位警报KM8Q0.7高水位指示KM10M0.1欠水位指示KM11M0.2高水压指示KM12M0.3常水压指示KM13M0.4低水压指示KM14M0.5自动控制状态指示KM1
12、5M0.6消防状态指示KM16M0.7水泵电机1#工作指示KM17M1.0水泵电机2#工作指示KM18M1.1水泵电机3#工作指示KM19M1.2减压阀工作指示KM20M1.6辅助信号单按键触发辅助辅助继电器M2.0M2.0模式1M1.3M1.3模式2M1.4M1.4模式3M1.5M1.5电机运行顺序1辅助M2.1M2.1电机运行顺序2辅助M2.2M2.2电机运行顺序3辅助M2.3M2.32.3 系统接线图设计接线图，是根据电气设备和电器元件的实际位置和安装情况绘制的，只用来表示电气设备和电器元件的位置、配线方式和接线方式，而不明显表示电气动作原理。主要用于安装接线、线路的检查维修和故障处理。
13、 根据系统变量定义及分配表可以看出，要实现控制目的要利用PLC中的9个输入继电器和13个输出继电器，所以本系统可以选用PLC型号为西门子S7200(CPU224XP)，这种机型的I/O点数分别为14/10；而输入部分的电压可以采用DC24V的直流电，输出部分的电压则必须采用AC220V的交流电，并且热继电器的辅助常闭触点要接在主线上，这样才能达到保护的目的。此PLC控制双恒压供水水泵站的接线图可如图2-2所示。 西门子S7-200(CPU224XP)1MI0.0MI0.1MI0.2MI0.3MI0.5MI0.6MI0.7MI1.0MI1.1M2MQ0.0Q0.1Q0.2MQ0.3Q0.4Q0.5Q1.0Q0.6Q0.7MDC 24VLAC 220VFU系统总开关手自动切换开关水位下限开关水位
