基于PLC的小區排水自動控制系統目 錄1 引 言11.1研究背景11.2研究目的和意義11.3設計內容及實現目標12 系統總體設計22.1系統控制功能要求22.2系統控制工藝的確定22.3確定設計方案33 控制系統硬件設計43.1 PLC選型及擴展43.1.1 PLC的選型43.1.2 模擬量輸出模塊的選擇53.2 電機及驅動控制63.2.1 電機的選擇63.2.2 變頻器的選擇63.3 低壓電器選型73.3.1 低壓斷路器73.3.2 繼電器83.3.3熔斷器83.3.4水位開關83.4 電源的設計93.5 人機接口的設計104 控制系統軟件設計114.1 控制程序流程圖114.2 顯示操作界面設計125 控制系統軟件調試145.1 系統啟動145.2 系統高水位排水145.3系統變頻器上電調速155.4系統電機運行165.5系統低水位停止排水17結束語18參考文獻19附錄20附錄A 程序清單20附錄B硬件原理圖22總結23231 引 言1.1研究背景近年隨著城市化進程的加快，城市人口急劇增多，國內各大城市的小區均面臨著巨大的壓力，小區排水系統是小區給排水及防災系統的主要設施之一。及時排放小區內部的積水，對整個的排水設備、自動扶梯、公共區照明等小區設備進行全面且有效的自動化監控及管理，確保設備處于高效、節能、可靠的最佳運行狀態，創造一個舒適的地下環境。并能在火災等災害或阻塞事故狀態下，更好地協調小區設備的運行，充分發揮各種設備應有的作用，保證住戶的安全和設備的正常運行。排水系統包括消防用水系統和排水系統。消防用水利用城市現有設施排入城市雨水系統，生活污水及廁所沖洗水經化糞池處理后排入城市污水系統。1.2研究目的和意義本課題主要采用穩定性較好，編程和操作都比較簡單的PLC控制系統來主導各個站點的排水控制。隨著社會經濟的發展，小區網絡將會愈加復雜，繼電器控制已經無法滿足各大城市小區的排水控制需求。排水系統，需要保持非常好的穩定性，同時由于本排水系統所處工作環境惡劣。所以本課題的主要研究目的是利用PLC，開發一套運行穩定，便于監控 ，自動化程度高的系統以降低系統的維護成本，延長系統的使用壽命。1.3設計內容及實現目標本系統采用西門子S7-200PLC的224CPU和擴展模塊以及少量的中間繼電器來代替傳統的繼電-接觸器控制系統，以PLC梯形圖的“軟接線控制網絡”取代傳統的繼電器構成的硬接線控制線路，對各蓄水池按設定指令進行抽水，對各蓄水池水位進行實時監控。電機發生故障時及時報警并在一定時間后緊急停止系統。小區排水控制系統的軟件和硬件，有效的實現了小區排水系統的邏輯控制、安全控制、故障診斷及其應對措施。同時也實現了泵、閥控制的自動化和智能化，大大降低了電氣控制系統的復雜程度，提高了自動化程度和整個系統的可靠性。2 系統總體設計2.1系統控制功能要求為保證各水池順利排水，對系統進行以下要求：（1）根據實際情況采用過載和短路兩種保護方式以保護電機不被損壞（2）設置水位顯示燈，便于監控（3）兩臺主抽水泵實行兩班倒輪換制(即12小時輪換一次)（4）設置手動控制方式，便于在系統的人工檢測維修小區自動排水控制系統示意圖如圖2.1所示。圖2.1小區自動排水控制系統示意圖2.2系統控制工藝的確定（1）本系統設置1個蓄水池，蓄水池中設置有水位開關。（2）當蓄水池中水位為滿水時，滿水指示燈亮同時打開排水閥門，關閉進水閥門。（3）當蓄水池處于無水狀態時，處于工作時間的主泵停止工作。（4）系統安全：電機發生故障時,系統不可繼續執行抽水工作。關閉所有進水閥門和排水閥門,系統發出報警,報警30分鐘后自動斷電。2.3確定設計方案早期的控制系統多采用繼電器接觸器控制系統，但隨著電子技術的飛速發展，控制要求的不斷提高，該類控制方法已不能滿足現代工業污水處理系統的控制要求，因此已逐漸被淘汰，取而代之的是DCS、現場總線控制、PLC等控制方法。用PLC作為處理系統的控制器，實現控制系統的功能要求，也可利用計算機作為其上位機，通過網絡連接PLC，對生產過程進行實時監控，其特點如下：編程方便，開發周期短，維護容易。通用性強，使用方便。控制功能強。模塊化結構，擴展能力強。系統控制方案如圖2.2所示，各個池，抽水機組以及閥門的動作均由主控制器控制。抽水機組按照指令將蓄水池中的廢水抽出并排至指定的排水溝中。每臺驅動電機對控制器都有故障報警的連接。為便于對系統的監控，監控器對外不僅有聲光輸出，還能夠與遠程PC終端進行連接。PLC數字量輸入液位開關模擬量輸出報警變頻器電機1電機2數字量輸出人機界面圖2.2 系統控制方案圖 3 控制系統硬件設計3.1 PLC選型及擴展3.1.1 PLC的選型本系統選用西門子S7-200 CPU224型PLC，具有14點輸入/10點輸出，共有24點數字量I/O。可連接7個擴展模塊，最大擴展至168點數字量I/O或35路模擬量I/O； 6個獨立的30 kHz高速計數器，兩路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，具有比例、積分、微分(PID)控制器；1個RS-485通信/編程口，具有PPI通信協議、MPI通信協議和自由方式通信能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸，是具有較強控制能力的控制器，可完全滿足一些中小型復雜控制系統的要求。CPU224如圖3.1所示。圖3.1 CPU224示意圖3.1.2 模擬量輸出模塊的選擇該系統需要擴展兩個模擬量輸出模塊，選用EM232。此輸出擴展模塊主要參數為DC24V，2點模擬量輸出，功耗0.25W。如圖3.2所示。圖3.2 EM232示意圖在擴展的模擬量輸出模塊中，需要使用的輸出點共2個，即：AQW0變頻器1模擬量輸出口；AQW2變頻器2模擬量輸出口。小區自動排水控制系統的PLC輸入接口如下表3.3所示表3.3 小區自動排水控制系統PLC輸入接口功能表序號名稱文字符號輸入口1啟動SF1I0.02停止SF2I0.13蓄水池高水位開關信號BG1I0.24蓄水池低水位開關信號BG2I0.3小區自動排水控制系統的PLC輸出接口如下表3.4所示。表3.4 小區自動排水系統PLC輸出接口功能表序號名稱文字符號輸出口1電機1繼電器KF1Q0.02電機2繼電器KF2Q0.13蓄水池高水位紅色指示燈PG1Q0.24蓄水池低水位綠色指示燈PG2Q0.35變頻器1接觸器QA1Q0.46變頻器2接觸器QA2Q0.57報警紅色指示燈PG3Q0.68電機1運行指示燈PG4Q0.79電機2運行指示燈PG5Q1.0小區自動排水系統的PLC模擬量輸出接口如下表3.5所示表3.5 小區自動排水系統模擬量輸出地址分配表地址功能AQW0變頻器1AQW2變頻器23.2 電機及驅動控制3.2.1 電機的選擇該小區自動排水系統中所使用的動力設備為水泵，電機。均采用三相交流異步電動機，電動機和水泵選配防水防潮型。其具體參數如下：電機1：立式離心泵LS50-10-A，揚程10m，流量29m3/h，1kW。電機2：立式離心泵LS40-32.1，揚程30m，流量16m3/h，3kW。 與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節省各種材料。按轉子結構的不同，三相異步電動機可分為籠式和繞線式兩種。籠式轉子的異步電動機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用，其主要缺點是調速困難。3.2.2 變頻器的選擇該系統選用的變頻器是西門子MM430變頻器，具有多個繼電器輸出，具有多個模擬量輸出（020 mA），2 個模擬輸入：AIN1：010 V， 020 mA 和10 至+10 V； AIN2：010 V， 020 mA，6個帶隔離的數字輸入，并可切換為NPN/PNP接線。它是一種風機水泵負載專用變頻器，能適用于各種變速驅動系統，尤其是適用于工業部門的水泵和風機。該型變頻器，具有能源利用率高的特點，優化了部分結構與功能，便于工作人員進行操作，實現功能強。它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護。其接線圖如圖3.6所示：圖3.6 主電路接線圖3.3 低壓電器選型低壓電器是一種能根據外界的信號和要求，手動或自動地接通、斷開電路，以實現對電路或非電對象的切換、控制、保護、檢測、變換和調節的元件或設備。控制電器按其工作電壓的高低，以交流1000V、直流1500V為界，可劃分為高壓控制電器和低壓控制電器兩大類。總的來說，低壓電器可以分為配電電器和控制電器兩大類，是成套電氣設備的基本組成元件。在工業、農業、交通、國防以及人們用電部門中，大多數采用低壓供電，因此電器元件的質量將直接影響到低壓供電系統的可靠性。3.3.1 低壓斷路器低壓斷路器是一種不僅可以接通和分斷正常負荷電流和過負荷電流，還可以接通和分斷短路電流的開關電器。低壓斷路器在電路中除起控制作用外，還具有一定的保護功能，如過負荷、短路、欠壓和漏電保護等。低壓斷路器廣泛應用于低壓配電系統各級饋出線，各種機械設備的電源控制和用電終端的控制和保護。本設計采用DZ20J-100型斷路器。其部分參數見表3.7。表3.7 DZ20J-100型斷路器部分參數脫扣器額定電流架殼等級額定電流交流短路極限通斷能力電壽命機械壽命飛弧距離100A100A35KA4000次4000次150mm3.3.2 繼電器繼電器是一種電控制器件，是當輸入量的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統和被控制系統之間的互動關系。通常應用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。本設計采用JT18-1型繼電器。其部分參數見表3.8。表3.8 JT18-1型繼電器部分參數額定電壓消耗功率機械壽命電壽命220V19W300萬次50萬次3.3.3熔斷器熔斷器是根據電流超過規定值一段時間后，以其自身產生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開；運用這種原理制成的一種電流保護器。熔斷器廣泛應用于高低壓配電系統和控制系統以及用電設備中，作為短路和過電流的保護器，是應用最普遍的保護器件之一。本設計采用的熔斷器型號為RL1B。其部分參數見表3.9。表3.9 熔斷器部分參數額定電壓熔斷器額定電流額定分段電流功率因數380V100A50KA0.253.3.4水位開關采用SKYWEAL的LSYZ-6型側裝浮球開關，每個蓄水池在滿水位和無水水位分別安裝一個，可分別發出脈沖。LYZ系列側裝型小尺寸單點液位開關。這種低價位的開關適合于在小容器的應用中大量使用。工程塑料的構造提供了與水、油和化學物質的廣泛兼容性。 開關額定值：SPST，20VA，引線規格：No.22 AWG，安裝方式：水平，工作電壓：DC24V。按照安裝位置的不同，這些開關上的浮子隨液位的上升或下降而移動。將開關旋轉180，開關的動作可以是N.O.(常開)或N.C.(常閉)。開關安裝表面的箭頭向上時表示N.O.(常開)其他元件，見表3.10的元件明細表。表3.10元件明細表文字符號名稱型號數量MA1MA2電動機Y系列2TA1TA2變頻器MM4302FA1FA6熔斷器RL1B6QA1QA3斷路器DZ20J-1003TA1TA2變壓器BK-1002SF1SF2按鈕LAY372QA4QA5接觸器DJX-92PG1PG5指示燈AD16-225KF1KF2繼電器HH52P2BG1BG2限位開關XCE1022TP觸摸屏TP177B1PS電源模塊HMAC-JDC28Z15Y2PLC可編程序控制器S7-20013.4 電源的設計直流電源模塊采用HMAC-JDC28Z15Y型直流電源模塊，由于控制電路的指示燈等元件工作電壓為直流24V，需將220V電源電壓經過變比為8：1的降壓變壓器進行電壓變換得到交流為27.5V的交流電，再經過整流電路、濾波電路得到24V的直流電壓。可編程序控制器一般使用市電（220V，50Hz）。電網的沖擊、頻率的波動將直接影響到可編程序控制器系統實時控制的精度和可靠性，有時電網的沖擊，可給系統帶來毀滅性的破壞。為了提高系統的可靠性和抗干擾性能，在對可編程序控制器的供電系統設計中采用隔離變壓器，這樣可以隔離掉供電電源中的各種干擾信號，從而提高了系統的抗干擾性能。對于S7-200PLC的供電電源，采用一個獨立的開關，它能夠同時切斷CPU、輸入電路和輸出電路的所有供電，并用斷路器過電流保護裝置來限制供電線路中的電流。其工作電源的接線圖如圖3.11所示。圖3.11 工作電源的接線3.5 人機接口的設計本次設計采用TP177B，該產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、輸入單元、通訊接口、數據存貯單元等，其中處理器的性能決定了HMI產品的性能高低，是HMI的核心單元。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統軟件和運行于PC機Windows操作系統下的畫面組態軟件。使用者都必須先使用HMI的畫面組態軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。TP177B具有透明，絕對坐標，檢測觸摸并定位的特性。觸摸屏的結構圖如圖3.12所示。圖3.12 觸摸屏的結構圖4 控制系統軟件設計4.1 控制程序流程圖采用西門子公司為S7200系列PLC開發的STEP7Micro/WIN32作為編程軟件，上面介紹了小區自動排水控制系統的結構、工作原理和電氣控制部分的結構，硬件結構的總體設計基本完成后，就要開始軟件部分的設計，根據控制系統的控制要求和硬件部分的設計情況及PLC控制系統I/O的分配情況，進行軟件編程設計。在軟件的設計中，首先按照需要實現的功能要求做出流程框圖，其次按照不同功能編寫不同功能模塊，這樣寫出的程序條例清晰，既方便編寫，也便于調試。根據控制要求，建立小區自動排水系統控制流程圖，表達出各控制對象的動作順序，相互間的制約關系。如圖4.1所示：圖4.1 軟件總流程圖4.2 顯示操作界面設計本系統設計的操作界面采用WinCC flexible 2008設計組態畫面，并通過TP177B觸摸屏來控制。 起始畫面如圖4.2所示，當按下啟動按鈕后，該小區自動排水控制系統開始工作，此時將進入下一個畫面，當按下停止按鈕時，該小區自動排水控制系統停止工作。如圖4.2所示：圖4.2 觸摸屏起始畫面當系統開始工作后，如果蓄水池中的水位高于正常水位時，電機1或電機2將會啟動，系統開始排水。我們可以通過畫面中的按鈕來控制電動機1和電動機2。如果需要系統停止運行，我們可以直接按下停止按鈕。如圖4.3所示。圖4.3電動機控制界面當蓄水池中的水位較低時，關閉蓄水池的閥門，并且同時啟動報警計時器，報警指示燈亮。按下系統啟動按鈕可取消報警，若不采取任何措施，在計時3分鐘后系統強制斷電以防機組燒壞。報警畫面如圖4.4所示：圖4.4系統報警界面5 控制系統軟件調試本次仿真調試采用S7-200仿真軟件，該仿真軟件可以仿真大量的S7-200指令。支持常用的位觸點指令、定時器指令、計數器指令、比較指令、邏輯運算指令和大部分的數學運算指令等。在不能完成實際接線調試的情況下，可以通過該軟件進行仿真調試。5.1 系統啟動蓄水池中的水位達到高水位時，系統啟動。如圖5.1所示：圖5.1蓄水池中水位為高水位時仿真圖5.2 系統高水位排水當按下啟動按鈕I0.0后，蓄水池高水位信號指示燈亮，電機1運行，運行指示燈亮。系統開始排水，如圖5.2所示：圖5.2 蓄水池為高水位時排水仿真圖5.3系統變頻器上電調速當按下啟動按鈕I0.0后，變頻器1上電并對電機1調速。如圖5.3所示：圖5.3 變頻器1上電調速仿真圖當按下啟動按鈕I0.0后，變頻器2上電并對電機2調速。如圖5.4所示：圖5.4 變頻器2上電調速仿真圖5.4系統電機運行系統控制功能要求兩臺主抽水泵實行兩班倒輪換制，所以仿真時設置電機1延時10s后，電機2運行，如圖5.5所示：圖5.5 排水系統電機運行仿真圖5.5系統低水位停止排水蓄水池達到低水位時，系統停止工作并報警。仿真結果如圖5.6所示：圖5.6 排水系統低水位運行仿真圖結束語小區自動排水控制系統是一個比較復雜的綜合系統，它包括與之相關的生產工藝流程、相關生產設備、控制流程的模型建立、對 PLC系統軟件應用研究等。本文詳細闡述了小區自動排水處理工藝流程、控制系統總體方案以及具體的軟件實現。通過兩周的實習和軟件仿真，基本上完成了對PLC自動排水控制系統的設計，達到了預期的設計目標。熟悉了PLC的工作原理，完成了整個系統的模擬調試，通過對系統的不斷修改和調試，基本上達到了預期的設計要求。在設計過程中主要從硬件和軟件兩個方面的問題進行，小區自動排水控制系統中，主要的硬件問題包括硬件選型和PLC的外圍電路設計。在PLC的外圍硬件連線方面，主要是增加一些保護設備。軟件方面主要問題在于程序編寫完畢后，需要首先在電腦上對程序進行軟件仿真，主要檢查是否存在各種錯誤，可利用西門子公司配套的仿真軟件。然后通過模擬硬件的方式檢查程序，主要檢查程序是否存在邏輯上的錯誤。調試時，可根據功能模塊分類分別調試，最后進行總體調試。在該控制程序中，需要根據外界輸入的狀態來控制電動機和水泵啟停，因此需要按照水位限位開關反饋來的信息進行判斷處理，然后再進行輸出控制。通過設計和調試，基本實現了這些功能。參考文獻1王永華.現代電氣控制及PLC應用技術，北京：北京航空航天出版社,2012,1.2廖常初.PLC編程及應用,北京:機械工業出版社,2008,1.3廖常初.PLC應用技術問答,北京: 機械工業出版社,2006,1.4西門子（中國）有限公司.深入淺出西門子S7-200PLC，北京：北京航空航天出版社,2007,7.5西門子（中國）有限公司. 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