基于PLC的物业恒压供水系统设计论文.doc

摘 要我国正在建设节约型社会，在国家的号召下全社会都要有节能减排的意识。针对物业小区供水的问题，为了满足人们对供水质量和供水系统可靠性的要求，所以采用先进的PLC设备来设计节能高可靠性的恒压供水系统。针对目前的小区供水系统中存在的电能、水资源浪费且供水质量差等问题采用三菱FX2N PLC为核心控制器，构成恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，根据用水量的大小由PLC控制投入运行的水泵的数量实现管网水压的闭环调节，即实现恒压供水。本报告用四章的篇幅详细的讨论该设计的内容，关键的部分都有详细的说明和演示。本设计的全部程序均通过PLC调试。硬件部分列出参考元件，软件部分列出详细程序和程序分析的详细图解，心得体会部分写了本次设计中出现的各种问题和最终的解决办法。关键字： PLC，供水，恒压，三菱FX2N目 录第一章 概述 1第二章 硬件设计 32.1 系统主电路 32.2 系统I/O资源分配 32.3 PLC I/O接线图 42.4 系统使用电器元件 5第三章 软件设计 63.1 系统流程图 63.2 程序梯形图 63.3 程序指令表 113.4 系统总体构思 173.4.1梯形图总体构思 173.4.2系统内部辅助继电器含义173.4.3初始化及输出程序解析 183.4.4手动自动切换部分 193.4.5手动运行的控制 193.4.6自动运行控制193.4.7 增泵减泵控制部分20第四章 结论22参考文献 14第一章 概述几种供水系统的比较：1恒速泵加压供水：这种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，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。2重力供水：重力供水通常需要设置水箱或者水塔，系统用水是由水箱或者水塔直接供应，所以供水压力比较稳定。但它需要由位置高度所形成的压力进行供水，为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。同时由于其存水比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，此外，屋顶水箱还必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，存在投资大、周期长、能源浪费大的缺点。3气压供水：气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐内的空气将罐内储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声，缺点是体积和投资大、压力变化大、运行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。通过对以上三种传统的供水问题解决办法进行分析可以看出以上三种方案的共同缺点是：自动化程度低，占用大量的面积，运行效率低，成本较高。这些不足不能满足现在小区用户对供水质量和供水系统可靠性的要求。为了解决这些问题，本设计采用先进的PLC控制器，将自动控制方法、传感器理论用在系统中实现供水系统的自动调节恒压供水。该方法是目前比较流行的控制方法，其卓越的性能赢得用户的赞同。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）。4.各水泵工作时，均应有工作状态显示。第一章 硬件设计2.1系统主电路如图 2-1 所示，为系统的主控图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：J02-41-4，4.0kw，1440转/分，380v，8.4A。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 2-1 系统主控图2.2 PLC I/O资源分配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2-1所示。表2-1 I/O资源分配输入输出X0系统启动初始化X11二号水泵独立停止输入端Y0一号水泵运行X1手动自动控制切换（“ON”为手动）X12三号水泵独立启动输入端Y1二号水泵运行X2自动运行启动开关（“ON”为启动）X13三号水泵独立停止输入端Y2三号水泵运行X3低水压传感器输入端X14四号水泵独立启动输入端Y3四号水泵运行X4水压正常输入端X15四号水泵独立停止输入端X5高水压传感器输入端X16一号水泵热保护输入X6一号水泵独立启动输入端X17二号水泵热保护输入X7一号水泵独立停止输入端X20三号电机热保护输入X10二号水泵独立启动输入端X21四号水泵热保护输入2.3 PLC I/O 接线图系统的I/O接线图如图2-2所示。 图 2-2 I/O接线图2.4 电器元件列表电器元件一览表如表 2-2 所示。表 2-2 电器元件一览表元件数量(个)描述水泵4J02-41-4,4.0kw,1440转/分,380V,8.4APLC1FX2N THMR51接触器4CJ20-10, 额定电压380V ，约定发热电流Ith10A ，线圈控制功率启动65/47.6 吸持8.3/2.5热过载保护器4JR20-10，热元件号11R，正定电流456A按钮开关13LA1 8 -22，发热电流 5A水压传感器38AM693，12-36VDC，0.1-70MPa第三章：软件设计3.1 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3-1所示。 图 3-1 系统流程图3.2 程序梯形图由设计要求画的程序梯形图如图3-2所示。图3-2 程序梯形图3.3 程序指令表由梯形图转换为指令表如下 3.4 系统总体构思 3.4.1 梯形图总体构思制定梯形图结构：程序中包括手动运行、自动运行两种工作方式，梯形图结构如图3.1所示，。当X1为“ON”时，为手动控制，可以分别控制四台水泵的启动和停止；当X1为“OFF”且X2为“ON”时为自动运行状态，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。手动运行时，可实现对每一台水泵的单独启动停止控制。由于需要在不同的模块间切换，所以采用CJ指令来实现。用输入开关量关系判断向哪个模块跳转。3.4.2 系统内部辅助继电器含义在程序中经常要使用中间继电器，为了读程序方便将该程序中使用的中间继电器含义列表 3-1 如下：表3-1 程序内部使用辅助继电器（M）含义M71一号水泵工作标志M72二号水泵工作标志M73三号水泵工作标志M74四号水泵工作标志M101水泵全部投入运行标志M102单泵运行标志M103增泵执行标志M104减泵执行标志M60水压低标志位M61水压正常标志位M62水压正常标志位M63自动运行标志位M64手动运行标志位M0初始化标志位M51一号泵退出标志M52二号水泵退出标志M53三号水泵退出标志M54四号水泵退出标志3.4.3 系统初始化及公共程序输出部分解析 初始化部分假设物业供水控制系统在上电后需要初始化完成部分的环境设置工作。由于供水系统要保证有水泵工作，而且尽量不浪费电能，这里使初始化后有一台水泵工作（假如是一号水泵）。按下初始化按钮X0，产生一个上升沿，经过30秒后一号水泵开始工作。如图3-3所示图3-3 系统初始化程序公共输出端程序解析如图 3-4 所示，输出采用集中输出的方式，可以有效的避免双线圈输出的问题。其中，X16、X17、X20、X21分别为热保护输入端。图 3-4公共输出端程序3.4.4手动自动切换部分该部分采用M63为自动运行标志，置位为有效；M64为手动运行标志，置位为有效。根据M63和M64的状态决定程序的跳转方向。3.4.5手动运行的控制采用传统的起保停电路模式，对线圈M71M74完成置位和复位的操作。3.4.6自动运行控制如图3-5所示，X4、X3、X5分别为水压正常、水压偏低、水压偏高传感器输入端口。水压正常时，即X4输入时，将M60和M62复位，中断压高压低的一切操作。当X3置位时，表示压低，经过三十秒的延时置增泵执行标志M103为，驱动增泵程序增加一台水泵，直到水压正常。压高的执行与压低相似。 图 3-5 自动运行程序3.4.7 增泵减泵控制部分该部分是整个程序的核心部分，采用的是置位复位操作，根据现水泵的运行的情况判断增泵与减泵后水泵的运行情况。将每种情况一一列出，在增减泵操作发出后根据现在水泵运行情况增减一个水泵。表3-2列出了现态增减泵后状态后的所有情况。表 3-2 自动运行增泵退泵判断依据退泵后状态原始工作状态增泵后状态无操作10001100无操作01000110无操作00100011无操作00011001010011001110001001100111000100111011100010011101011011101111001101111111100110111111110011011111详见附表1111无操作注：“0”表示水泵停止，“1”表示水泵运行。表3-3 自动运行满泵退泵时的依据退泵后状态满泵时的状态（三泵向满泵转换情况）0111（1110）-（1111）1011（0111）-（1111）1101（1011）-（1111）1110（1101）-（1111）第四章 结论 本学期学习电气控制与PLC原理及应用这门课程，通过一个学期的学习，我对PLC可编程控制器有了全新的认识。PLC作为工业现场的控制器与单片机相比有简单易学控制抗干扰能力强的优点。这次设计的物业供水系统，核心的部分就是编写程序。由于该系统的水泵采用的是自动控制方式，一次增加或减去一台，并且是先投入运行的先撤出运行，后投入运行的水泵先投入运行。面对这个控制逻辑，我开始的时候没有一点办法。首先我是想到在网上找找资料，但是很不幸没有关于这方面的程序。后来在课本上看到一个实例程序，跟这次的课程设计课题很像。通过研究课本上的实例，我认识到增泵和减泵的操作是分开的两个部分。根据四个水泵运行的现态，推算出增泵后或减泵后的状态。将四台水泵的运行状态用表格的形式表示出来，总共有十六种状态，这样就能完成控制要求。理论上可行之后便着手用程序表达出来，并在实验室通过仿真。第一次去实验室仿真，根本没有出现任何我期望的结果。面对这样的结果我很是沮丧。后来我按功能验证，首先将手动控制部分的功能全部验证出来。偏偏就是在自动控制部分出现了问题。问题是：只要按下增泵或减泵的开关所用的水泵都运行或都关闭。这当然不是我想看到的。这个问题我请教周围的同学，没有一个同学能说出来点像样的理由，毕竟程序是我写的300多步，谁都不会立马看出问题。后来我在摸索中发现，虽然PLC控制台没有像单片机那样的调试环境，可是通过监控还是能跟踪部分开关量的状态。以增泵为例，M103是我程序中的增泵执行标志，只要执行一次增泵的操作，M103就要被复位，不能在进行增泵操作。可是，通过跟踪我发现M103只要被置位一次，就能一直处于置位的状态。找到了问题的所在，排除了增泵程序本身的问题，将问题定位在M103置位程序部分。M103置位部分正是自动控制运算部分。经过仔细的排查发现问题出现在定时器上。定时器的特点是定时时间到只要线圈不断电，定时器一直处在导通状态，进而定时时间到，便将M103置位，所以出现了M103一直被置位的现象。将定时器线圈前串联一个定时器本身的常闭开关，在次仿真所有的问题就都解决了。参考文献1 周亚军，张卫. 电气控制与PLC原理及应用. 西安：西安电子科技大学出版社，20102 崔金贵变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨兰州铁道学院学报，2000(1)：84883 张燕宾变频调速应用实践北京：机械工业出版社，2002，135-1374 田长虹变频调速技术发展及应用前景展望大众用电，2004