喷泉的PLC控制 辽宁工业大学 (3).doc

辽 宁 工 业 大 学

PLC技术及应用课程设计（论文）

题目：基于PLC的小区供水系统设计

院（系）： 电气工程学院
专业班级： 自动化093
学 号： 090302073
学生姓名： 郭峥
指导教师：
起止日期： 2012.12.19— 12.28

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：
学 号
090302073
学生姓名
郭峥
专业班级
自动化093
课程设计（论文）题目
基于PLC的小区供水系统设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数
实现功能
某小区供水系统有水泵4台，供水管道安装压力检测开关K1，K2和K3，分别对应水压偏低，水压正常，水压偏高。自动工作时，当用水量少时，K3接通，延时30s后撤除1台水泵，要求先工作的水泵先切断；当用水量多时， K1接通，延时30s后增设1台水泵工作，要求未曾工作过的水泵增加投入运行；当K2接通，表示供水正常，可维持水泵运行数量。工作时，要求水泵数量最少为1台，最多不得超出4台。各水泵工作时，均应有工作状态显示；手动工作时，要求4台水泵可分别独立操作（分设起动和停止开关）；设置“自动/手动”切换开关。
设计任务及要求
1、根据系统功能，确定输入输出点数，选择PLC的型号；2、选择水泵电机；
3、建立I/O分配表，完成PLC与输入/输出信号的的外部接线；
4、按系统的控制要求，用梯形图设计程序；5、上机调试、完善程序；
6、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
水泵电机的相关参数为：额定功率1Kw，额定电压380V，额定转速1450rpm。
进度计划
1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）
2、建立I/O分配，完成外部接线设计（2天）
3、按系统的控制要求，完成梯形图设计（2天）
4、上机调试、修改程序（2天）
5、撰写、打印设计说明书（2天）
6、答辩（1天）
指导教师评语及成绩

平时： 论文质量： 答辩：

总成绩： 指导教师签字：

年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要
随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，城市中各类小区的建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求，小区的供水系统是其中的一个重要方面。本论文是针对供水要求设计的基于PLC的物业供水系统。
本设计由PLC、四台水泵、压力传感器等组成，系统工作时分手动操作和自动操作，自动操作时首先由传感器把信号传给PLC，再由PLC根据水压的高低信号分析控制四台水泵的工作状态；手动操作时，可以通过各个水泵的启动停止按钮独立的工作。该系统还设有过载等保护。本设计是基于PLC的小区供水系统，通过调试表明本系统能够满足设计要求并有很好的使用价值。

关键词： PLC；小区供水；自动/手动操作；恒压

目 录
第1章 绪论 1
第2章 课程设计的方案 3
2.1 概述 3
2.2 系统组成总体结构 4
第3章 硬件设计 5
3.1 供水系统主电路设计 5
3.2供水系统的I/O地址分配表、I/O接线图 6
3.3 供水系统的元件选择 7
第4章 软件设计 8
4.1 系统流程图 8
第5章 系统测试与分析/实验数据及分析 10
5.1 梯形图 10
5.2 语句表 14
5.3 程序分析 18
第6章 课程设计总结 19
参考文献 21

第1章 绪论
我们都知道，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在建设节约型时代特征的前提下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，本系统就是在这种背景下设计的。
本设计是基于PLC的物业供水系统，具有以下特点：
（1）：供水系统有水泵4台，供水管道安装压力检测开关K1，K2和K3。K1接通，表示水压偏低；K2接通，表示水压正常；K3接通，表示水压偏高。
（2）：系统分手动工作和自动工作两种状态，自动工作时，当用水量少，压力增高，K3接通，此时可延时30s后撤除1台水泵工作，要求先工作的水泵先切断；当用水量多时，压力降低，K1接通，此时可延时30s后增设1台水泵工作，要求未曾工作过的水泵增加投入运行；当K2接通，表示供水正常，可维持水泵运行数量。工作时，要求水泵数量最少为1台，最多不得超出4台；手动工作时，要求4台水泵可分别独立操作（分设起动和停止开关），并分别具有过载保护，可随时对单台水泵进行断电控制（若输入点不够，可用I/O扩展模块）。
（3）：并设有“自动/手动”切换开关（ON——手动，OFF——自动），另设自动运行控制开关（ON——自动运行，OFF——自动运行停止）。
各水泵工作时，均应有工作状态显示。
可编程序控制器(program logical controller)，简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统。世界上第一台可编程控制器是美国数字设备公司(DEC)于1969年研制的。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等，PLC将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强，具有了：可靠性高、具有丰富的I／O接口模块、采用模块化结构、编程简单易学安装简单，维修方便等特点。以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。
而PLC在物业供水方面也得到了广泛的应用。传统的小区供水方式有恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等。这些传统的供水方式或多或少都存在各自的缺点和不足，比如：恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作、、水塔高位水箱供水基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大、单片机变频调速供水系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比
较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，在这种情况下人们想到了基于PLC的供水系统设计。
目前国内外基于PLC的供水系统设计技术比较多，并且有些技术已经相当成熟，从简单的基于PLC的恒压供水系统设计到基于PLC的变频恒压供水系统设计，其中后者的变频技术是现在研究的核心，变频技术是在电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论发展的基础上发展起来的。
本文的基于PLC的物业供水系统设计属于恒压供水，由于PLC的可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等特点，与传统的供水系统相比本系统有很大的实用价值。

第2章 课程设计的方案
2.1 概述
随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义[1]。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:
(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水(5)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。
(6)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
(7)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进。
2.2 系统组成总体结构
图2.1 供水流程简图
此次设计研究的对象是小区的供水系统。由于高层楼对水压的要求高，在水压低时，高层用户将无法正常用水甚至出现无水的情况，水压高时将造成能源的浪费。如图2.1所示，是这个小区的供水流程。自来水厂送来的水先储存的水池中再通过水泵加压送给用户。通过水泵加压后，必须恒压供给每一个用户。

第3章 硬件设计
3.1 供水系统主电路设计
由设计内容和要求可知，本设计需要用到四台水泵，水泵的型号都为：载泽Y160M—4，1.1kw，1460转/分，380v，22.5A。在设计主电路时水泵以电动机代替，图中的KM为接触器线圈，FR为热继电器，主电路并设有短路过载保护。主电路如图2-1所示：

图3.1 主电路图
3.2供水系统的I/O地址分配表、I/O接线图
本设计的控制部分由PLC完成，由于本系统控制分手动和自动运行，手动运行时，每台水泵分别有启动和停止开关输入，自动运行时，需要有自动运行/停止开关输入，水压判断开关以及保护输入等，还有四个水泵输出。所以PLC的I/O地址分配表如表3.1所示，I/O接线图如图3.2所示。

表3.1 I/O地址分配表
输入点
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
I0.6
I0.7
I1.0
对应信号
自动/手动切换
手动启动泵1
手动停止泵1
手动启动泵2
手动停止泵2
手动启动泵3
手动停止泵3
手动启动泵4
手动停止泵4
输入点
I1.1
I1.2
I1.3
I1.4
I1.5
I1.6
I1.7
I2.0

对应信号
自动启动/停止
低压开关K1
水压正常反馈K2
高压开关K3
泵1的过载保护
泵2的过载保护
泵3的过载保护
泵4的过载保护

输出点
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3

对应信号
供水水泵1
供水水泵2
供水水泵3
供水水泵4

图3.2 I/O接线图

3.3 供水系统的元件选择
本系统主要用到的元器件有：可编程序控制器PLC，水泵，以及继电器，接触器等。PLC选用的是S7-200,四台水泵选用载泽Y160M—4，1.1kw，1460转/分，380v，22.5A。

第4章 软件设计
4.1 系统流程图
由于该系统即可以手动运行又可以自动运行，所以本系统设计主要分两部分，一部分是手动模块，一部分是自动模块。系统的总流程图如图4.1所示。
启动
I0.1是否按下
泵1 I0.1启动 I0.2停止
泵2 I0.3启动 I0.4停止
泵3 I0.5启动 I0.6停止
泵4 I0.7启动 I1.0停止
至少一台水泵工作
判断水压的高低
跳到P2执行输出
延时30s执行加一台泵
延时30s执行减一台泵
水压低I1.2
水压高I1.4
水压高正常I1.3
NO 进入自动P1
YES 进入手动P0

图4.1 系统的总流程

该流程图主要介绍了本系统的设计思路，其中的具体细节没有在流程图中给出，详细介绍将会在后面的程序分析中介绍。
第5章 系统测试与分析/实验数据及分析
5.1 梯形图

5.2 语句表
Network 1 // 网络注释
LD I0.0
O M1.5
O M0.0
AN M0.5
= M0.0 M0.0得电自锁
Network 2
LD I0.0
O M1.5
O M0.2
AN M0.6
= M0.2
Network 3
LD M0.0
TON T37, 200
Network 4
LD T37
A M0.0
= M0.5
Network 5
LD T37
O M0.1
AN M0.7
= M0.1
Network 6
LD T37
O M0.3
AN M1.0
= M0.3
Network 7
LD M0.1
TON T38, 200
Network 8
LD T38
A M0.1
= M0.7
Network 9
LD T38
O M1.1
AN M0.5
= M1.1
Network 10
LD T38
A M0.2
= M0.6
Network 11
LD M1.1
TON T39, 200
Network 12
LD T39
LPS
A M1.1
= M0.5
LPP
A M0.3
= M1.0
Network 13
LD T39
O M1.2
AN M0.7
= M1.2
Network 14
LD T39
O M1.3
AN M0.6
= M1.3
Network 15
LD M1.2
TON T40, 200
Network 16
LD T40
LPS
A M1.2
= M0.7
LPP
A M1.3
= M0.6
Network 17
LD T40
O M1.5
AN M1.4
= M1.5
Network 18
LD I0.2
O M1.6
AN M0.5
= M1.6
Network 19
LD I0.3
A M0.6
= M0.5
Network 20
LD M0.0
O M1.1
O M1.6
= Q0.0
Network 21
LD M0.1
O M1.2
O M1.7
= Q0.1
Network 22
LD M0.2
O M1.3
O M2.0
= Q0.2
Network 23
LD M0.3
O M2.1
= Q0.3
Network 24
LD I0.1
O Q0.4
AN M2.2
= Q0.4
Network 25
LD I0.0
A Q0.4
= M2.2

5.3 程序分析
本系统主要分为手动运行和自动运行两部分，在编程过程中将本系统主要分为三大模块：手动运行模块（P0）、自动运行模块（P1）、输出模块（P2）。在系统一上电情况下首先通过判断自动/手动开关I0.0，判断是进入手动模块（P0）还是进入自动模块(P1)，I0.0为ON表示手动，OFF表示自动。然后进入相应的模块执行程序。
手动模块，当进入手动模块后，I0.1是泵1的手动启动开关，IO.2是泵1的手动停止开关；I0.3是泵2的手动启动开关，I0.4是泵2的手动停止开关；I0.5是泵3的手动启动开关，I0.6是泵3的手动停止开关；
I0.7是泵4的手动启动开关，I1.0是泵4的手动停止开关；可以通过上述开关相对独立的对单台水泵进行通断电控制。
自动模块，当进入自动模块后，在自动运行模块还设有自动运行停止开关I1.1（ON表示运行，OFF表示停止），在I1.1为ON的情况下，系统首先判断四台水泵的运行状态，如四台水泵都没工作则将自动把第一台水泵打开，其中M20、M21、M22、M23分别是四台水泵自动运行的标志，然后再通过压力传感器判断水压的高低，在系统中I1.2表示低压，I1.3表示水压正常、I1.4表示水压高。水压低/高的时候延时30秒，增加/减少一台水泵工作，增加的顺序是没工作过的优先增加本程序为了满足这个要求采用的是四台水泵按M20—M21—M22—M23—M20的顺序依次循环启动或停止，这样就能满足没工作过的优先则加和工作过的优先停止的要求。其次在选择增加那个水泵时考虑到PLC工作室扫描程序遵受从上到下从左到右的原则，为了避免上面程序对下面产生的影响对结果产生影响，在设计过程中对于水压低需要加泵时先写四台水泵同时工作的情况，然后逐次减一到只有一台工作；对于水压高需要减泵时先从一条水泵工作，然后逐次加一到四台全工作这样就能满足上述要求。每次当自动模块执行完之后程序跳到公共输出模块执行。
输出模块，在输出模块中，M0、M20别是泵1的手泵和自动运行标志，I1.5是泵1的过载保护；M1、M21别是泵2的手泵和自动运行标志，I1.6是泵2的过载保护；M2、M22别是泵3的手泵和自动运行标志，I1.7是泵3的过载保护；M3、M23别是泵4的手泵和自动运行标志，I2.0是泵4的过载保护。
第6章 课程设计总结
程序设计完成之后需要进行调试仿真，本系统调试用的S7-200的PLC。在调试过程中我遇到很多问题，并最终在老师和同学的帮助下把问题解决。
我遇到的主要问题有：在编写程序过程中由于程序太长写着写着程序写不进去了，最后在老师的帮助下才知道需要将程序先转换一下才能继续写，这是自己对调试软件不太熟悉的原因造成的。其次，在调试过程中，手动操作运行都正常结果也正确，自动运行时当水压低需要加泵运行时也能正常运行，就是在水压高需要减泵时出现问题，当减泵时只要运行水泵数超过两台应该每次减一台，但系统都只留下最后一台工作前面的几台全部停止工作不满足要求，经检查发现原来是减泵程序中上面的指令对下面产生了影响从而产生，于是我将减泵程序的顺序上下换了一下让他们不能相互干扰，从而问题得以解决；另外还有只要出现四台水泵同时运行，需减泵时本系统都是先减第一台水泵，这是不符合设计要求的，面对这种情况我苦思冥想就是想不出解决办法，最后我有向一同学请教讨论这种问题的解决方法，这时这位同学的一句话点醒梦中人，原来是自己在水压低加泵加到四台时的判断有问题，于是在加泵加到四台时的每位加上一个状态标志并在减泵时用上这些标志之后问题就得以解决。整个程序设计能够完整的正常运行，结果正确。
经过一周的努力本次设计圆满的完成了。然而在第一次看到这个设计题目及要求时，说实话自己有点害怕和担心，担心自己不能够完成本次设计，害怕遇到问题时不知道该怎么解决。当然在设计中的确遇到很多困难，这些问题及其解决办法在前面已经介绍。在这些问题的解决过程中是我什么体会到仔细一个人能力的有限，也让我感受到了团结互助的作用。我要特别感谢本次设计中帮助过我的老师和同学，可以说要是没有大家的帮助我可能还要迷茫很久，可能到现在也不可能完成设计。
在这一周的设计中，也是我的自信心有了很大的提高，使我明白在面对困难时我要轻言放弃，要相信自己，并努力的发现困难解决困难。同时也是我明白在面对一件事情时不要被他的表象所迷惑，不要第一眼看去认为他难他就难，有时只要我们认真的按部就班的来做，所有的问题都能解决，到后来我们也会发现他也并不像我们想象的那么难。
当看到实验台上自己最终的正确的调试结果时，我有一种说不出的愉快，因为这此设计是由自己独立完成的，这里有自己的心血和汗水，结果的正确是对自己努力和辛苦的证明。
参考文献
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[6] 廖常初.PLC编程及应用. 北京：机械工业出版社，2003
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