基于PLC的小区排水自动控制系统

基于PLC的小区排水自动控制系统目 录1 引 言11.1研究背景11.2研究目的和意义11.3设计内容及实现目标12 系统总体设计22.1系统控制功能要求22.2系统控制工艺的确定22.3确定设计方案33 控制系统硬件设计43.1 PLC选型及扩展43.1.1 PLC的选型43.1.2 模拟量输出模块的选择53.2 电机及驱动控制63.2.1 电机的选择63.2.2 变频器的选择63.3 低压电器选型73.3.1 低压断路器73.3.2 继电器83.3.3熔断器83.3.4水位开关83.4 电源的设计93.5 人机接口的设计104 控制系统软件设计114.1 控制程序流程图114.2 显示操作界面设计125 控制系统软件调试145.1 系统启动145.2 系统高水位排水145.3系统变频器上电调速155.4系统电机运行165.5系统低水位停止排水17结束语18参考文献19附录20附录A 程序清单20附录B硬件原理图22总结23221 引 言1.1研究背景近年随着城市化进程的加快，城市人口急剧增多，国内各大城市的小区均面临着巨大的压力，小区排水系统是小区给排水及防灾系统的主要设施之一。及时排放小区内部的积水，对整个的排水设备、自动扶梯、公共区照明等小区设备进行全面且有效的自动化监控及管理，确保设备处于高效、节能、可靠的最佳运行状态，创造一个舒适的地下环境。并能在火灾等灾害或阻塞事故状态下，更好地协调小区设备的运行，充分发挥各种设备应有的作用，保证住户的安全和设备的正常运行。排水系统包括消防用水系统和排水系统。消防用水利用城市现有设施排入城市雨水系统，生活污水及厕所冲洗水经化粪池处理后排入城市污水系统。1.2研究目的和意义本课题主要采用稳定性较好，编程和操作都比较简单的PLC控制系统来主导各个站点的排水控制。随着社会经济的发展，小区网络将会愈加复杂，继电器控制已经无法满足各大城市小区的排水控制需求。排水系统，需要保持非常好的稳定性，同时由于本排水系统所处工作环境恶劣。所以本课题的主要研究目的是利用PLC，开发一套运行稳定，便于监控 ，自动化程度高的系统以降低系统的维护成本，延长系统的使用寿命。1.3设计内容及实现目标本系统采用西门子S7-200PLC的224CPU和扩展模块以及少量的中间继电器来代替传统的继电-接触器控制系统，以PLC梯形图的“软接线控制网络”取代传统的继电器构成的硬接线控制线路，对各蓄水池按设定指令进行抽水，对各蓄水池水位进行实时监控。电机发生故障时及时报警并在一定时间后紧急停止系统。小区排水控制系统的软件和硬件，有效的实现了小区排水系统的逻辑控制、安全控制、故障诊断及其应对措施。同时也实现了泵、阀控制的自动化和智能化，大大降低了电气控制系统的复杂程度，提高了自动化程度和整个系统的可靠性。2 系统总体设计2.1系统控制功能要求为保证各水池顺利排水，对系统进行以下要求：（1）根据实际情况采用过载和短路两种保护方式以保护电机不被损坏（2）设置水位显示灯，便于监控（3）两台主抽水泵实行两班倒轮换制(即12小时轮换一次)（4）设置手动控制方式，便于在系统的人工检测维修小区自动排水控制系统示意图如图2.1所示。图2.1小区自动排水控制系统示意图2.2系统控制工艺的确定（1）本系统设置1个蓄水池，蓄水池中设置有水位开关。（2）当蓄水池中水位为满水时，满水指示灯亮同时打开排水阀门，关闭进水阀门。（3）当蓄水池处于无水状态时，处于工作时间的主泵停止工作。（4）系统安全：电机发生故障时,系统不可继续执行抽水工作。关闭所有进水阀门和排水阀门,系统发出报警,报警30分钟后自动断电。2.3确定设计方案早期的控制系统多采用继电器接触器控制系统，但随着电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高，该类控制方法已不能满足现代工业污水处理系统的控制要求，因此已逐渐被淘汰，取而代之的是DCS、现场总线控制、PLC等控制方法。用PLC作为处理系统的控制器，实现控制系统的功能要求，也可利用计算机作为其上位机，通过网络连接PLC，对生产过程进行实时监控，其特点如下：编程方便，开发周期短，维护容易。通用性强，使用方便。控制功能强。模块化结构，扩展能力强。系统控制方案如图2.2所示，各个池，抽水机组以及阀门的动作均由主控制器控制。抽水机组按照指令将蓄水池中的废水抽出并排至指定的排水沟中。每台驱动电机对控制器都有故障报警的连接。为便于对系统的监控，监控器对外不仅有声光输出，还能够与远程PC终端进行连接。PLC数字量输入液位开关模拟量输出报警变频器电机1电机2数字量输出人机界面图2.2 系统控制方案图 3 控制系统硬件设计3.1 PLC选型及扩展3.1.1 PLC的选型本系统选用西门子S7-200 CPU224型PLC，具有14点输入/10点输出，共有24点数字量I/O。可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O或35路模拟量I/O； 6个独立的30 kHz高速计数器，两路独立的20 kHz高速脉冲输出，具有比例、积分、微分(PID)控制器；1个RS-485通信/编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸，是具有较强控制能力的控制器，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。CPU224如图3.1所示。图3.1 CPU224示意图3.1.2 模拟量输出模块的选择该系统需要扩展两个模拟量输出模块，选用EM232。此输出扩展模块主要参数为DC24V，2点模拟量输出，功耗0.25W。如图3.2所示。图3.2 EM232示意图在扩展的模拟量输出模块中，需要使用的输出点共2个，即：AQW0变频器1模拟量输出口；AQW2变频器2模拟量输出口。小区自动排水控制系统的PLC输入接口如下表3.3所示表3.3 小区自动排水控制系统PLC输入接口功能表序号名称文字符号输入口1启动SF1I0.02停止SF2I0.13蓄水池高水位开关信号BG1I0.24蓄水池低水位开关信号BG2I0.3小区自动排水控制系统的PLC输出接口如下表3.4所示。表3.4 小区自动排水系统PLC输出接口功能表序号名称文字符号输出口1电机1继电器KF1Q0.02电机2继电器KF2Q0.13蓄水池高水位红色指示灯PG1Q0.24蓄水池低水位绿色指示灯PG2Q0.35变频器1接触器QA1Q0.46变频器2接触器QA2Q0.57报警红色指示灯PG3Q0.68电机1运行指示灯PG4Q0.79电机2运行指示灯PG5Q1.0小区自动排水系统的PLC模拟量输出接口如下表3.5所示表3.5 小区自动排水系统模拟量输出地址分配表地址功能AQW0变频器1AQW2变频器23.2 电机及驱动控制3.2.1 电机的选择该小区自动排水系统中所使用的动力设备为水泵，电机。均采用三相交流异步电动机，电动机和水泵选配防水防潮型。其具体参数如下：电机1：立式离心泵LS50-10-A，扬程10m，流量29m3/h，1kW。电机2：立式离心泵LS40-32.1，扬程30m，流量16m3/h，3kW。 与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。3.2.2 变频器的选择该系统选用的变频器是西门子MM430变频器，具有多个继电器输出，具有多个模拟量输出（020 mA），2 个模拟输入：AIN1：010 V， 020 mA 和10 至+10 V； AIN2：010 V， 020 mA，6个带隔离的数字输入，并可切换为NPN/PNP接线。它是一种风机水泵负载专用变频器，能适用于各种变速驱动系统，尤其是适用于工业部门的水泵和风机。该型变频器，具有能源利用率高的特点，优化了部分结构与功能，便于工作人员进行操作，实现功能强。它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。其接线图如图3.6所示：图3.6 主电路接线图3.3 低压电器选型低压电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。控制电器按其工作电压的高低，以交流1000V、直流1500V为界，可划分为高压控制电器和低压控制电器两大类。总的来说，低压电器可以分为配电电器和控制电器两大类，是成套电气设备的基本组成元件。在工业、农业、交通、国防以及人们用电部门中，大多数采用低压供电，因此电器元件的质量将直接影响到低压供电系统的可靠性。3.3.1 低压断路器低压断路器是一种不仅可以接通和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低压断路器在电路中除起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、欠压和漏电保护等。低压断路器广泛应用于低压配电系统各级馈出线，各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。本设计采用DZ20J-100型断路器。其部分参数见表3.7。表3.7 DZ20J-100型断路器部分参数脱扣器额定电流架壳等级额定电流交流短路极限通断能力电寿命机械寿命飞弧距离100A100A35KA4000次4000次150mm3.3.2 继电器继电器是一种电控制器件，是当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。本设计采用JT18-1型继电器。其部分参数见表3.8。表3.8 JT18-1型继电器部分参数额定电压消耗功率机械寿命电寿命220V19W300万次50万次3.3.3熔断器熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。本设计采用的熔断器型号为RL1B。其部分参数见表3.9。表3.9 熔断器部分参数额定电压熔断器额定电流额定分段电流功率因数380V100A50KA0.253.3.4水位开关采用SKYWEAL的LSYZ-6型侧装浮球开关，每个蓄水池在满水位和无水水位分别安装一个，可分别发出脉冲。LYZ系列侧装型小尺寸单点液位开关。这种低价位的开关适合于在小容器的应用中大量使用。工程塑料的构造提供了与水、油和化学物质的广泛兼容性。 开关额定值：SPST，20VA，引线规格：No.22 AWG，安装方式：水平，工作电压：DC24V。按照安装位置的不同，这些开关上的浮子随液位的上升或下降而移动。将开关旋转180，开关的动作可以是N.O.(常开)或N.C.(常闭)。开关安装表面的箭头向上时表示N.O.(常开)其他元件，见表3.10的元件明细表。表3.10元件明细表文字符号名称型号数量MA1MA2电动机Y系列2TA1TA2变频器MM4302FA1FA6熔断器RL1B6QA1QA3断路器DZ20J-1003TA1TA2变压器BK-1002SF1SF2按钮LAY372QA4QA5接触器DJX-92PG1PG5指示灯AD16-225KF1KF2继电器HH52P2BG1BG2限位开关XCE1022TP触摸屏TP177B1PS电源模块HMAC-JDC28Z15Y2PLC可编程序控制器S7-20013.4 电源的设计直流电源模块采用HMAC-JDC28Z15Y型直流电源模块，由于控制电路的指示灯等元件工作电压为直流24V，需将220V电源电压经过变比为8：1的降压变压器进行电压变换得到交流为27.5V的交流电，再经过整流电路、滤波电路得到24V的直流电压。可编程序控制器一般使用市电（220V，50Hz）。电网的冲击、频率的波动将直接影响到可编程序控制器系统实时控制的精度和可靠性，有时电网的冲击，可给系统带来毁灭性的破坏。为了提高系统的可靠性和抗干扰性能，在对可编程序控制器的供电系统设计中采用隔离变压器，这样可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高了系统的抗干扰性能。对于S7-200PLC的供电电源，采用一个独立的开关，它能够同时切断CPU、输入电路和输出电路的所有供电，并用断路器过电流保护装置来限制供电线路中的电流。其工作电源的接线图如图3.11所示。图3.11 工作电源的接线3.5 人机接口的设计本次设计采用TP177B，该产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。TP177B具有透明，绝对坐标，检测触摸并定位的特性。触摸屏的结构图如图3.12所示。图3.12 触摸屏的结构图4 控制系统软件设计4.1 控制程序流程图采用西门子公司为S7200系列PLC开发的STEP7Micro/WIN32作为编程软件，上面介绍了小区自动排水控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部分的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。在软件的设计中，首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照不同功能编写不同功能模块，这样写出的程序条例清晰，既方便编写，也便于调试。根据控制要求，建立小区自动排水系统控制流程图，表达出各控制对象的动作顺序，相互间的制约关系。如图4.1所示：图4.1 软件总流程图4.2 显示操作界面设计本系统设计的操作界面采用WinCC flexible 2008设计组态画面，并通过TP177B触摸屏来控制。 起始画面如图4.2所示，当按下启动按钮后，该小区自动排水控制系统开始工作，此时将进入下一个画面，当按下停止按钮时，该小区自动排水控制系统停止工作。如图4.2所示：图4.2 触摸屏起始画面当系统开始工作后，如果蓄水池中的水位高于正常水位时，电机1或电机2将会启动，系统开始排水。我们可以通过画面中的按钮来控制电动机1和电动机2。如果需要系统停止运行，我们可以直接按下停止按钮。如图4.3所示。图4.3电动机控制界面当蓄水池中的水位较低时，关闭蓄水池的阀门，并且同时启动报警计时器，报警指示灯亮。按下系统启动按钮可取消报警，若不采取任何措施，在计时3分钟后系统强制断电以防机组烧坏。报警画面如图4.4所示：图4.4系统报警界面5 控制系统软件调试本次仿真调试采用S7-200仿真软件，该仿真软件可以仿真大量的S7-200指令。支持常用的位触点指令、定时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑运算指令和大部分的数学运算指令等。在不能完成实际接线调试的情况下，可以通过该软件进行仿真调试。5.1 系统启动蓄水池中的水位达到高水位时，系统启动。如图5.1所示：图5.1蓄水池中水位为高水位时仿真图5.2 系统高水位排水当按下启动按钮I0.0后，蓄水池高水位信号指示灯亮，电机1运行，运行指示灯亮。系统开始排水，如图5.2所示：图5.2 蓄水池为高水位时排水仿真图5.3系统变频器上电调速当按下启动按钮I0.0后，变频器1上电并对电机1调速。如图5.3所示：图5.3 变频器1上电调速仿真图当按下启动按钮I0.0后，变频器2上电并对电机2调速。如图5.4所示：图5.4 变频器2上电调速仿真图5.4系统电机运行系统控制功能要求两台主抽水泵实行两班倒轮换制，所以仿真时设置电机1延时10s后，电机2运行，如图5.5所示：图5.5 排水系统电机运行仿真图5.5系统低水位停止排水蓄水池达到低水位时，系统停止工作并报警。仿真结果如图5.6所示：图5.6 排水系统低水位运行仿真图结束语小区自动排水控制系统是一个比较复杂的综合系统，它包括与之相关的生产工艺流程、相关生产设备、控制流程的模型建立、对 PLC系统软件应用研究等。本文详细阐述了小区自动排水处理工艺流程、控制系统总体方案以及具体的软件实现。通过两周的实习和软件仿真，基本上完成了对PLC自动排水控制系统的设计，达到了预期的设计目标。熟悉了PLC的工作原理，完成了整个系统的模拟调试，通过对系统的不断修改和调试，基本上达到了预期的设计要求。在设计过程中主要从硬件和软件两个方面的问题进行，小区自动排水控制系统中，主要的硬件问题包括硬件选型和PLC的外围电路设计。在PLC的外围硬件连线方面，主要是增加一些保护设备。软件方面主要问题在于程序编写完毕后，需要首先在电脑上对程序进行软件仿真，主要检查是否存在各种错误，可利用西门子公司配套的仿真软件。然后通过模拟硬件的方式检查程序，主要检查程序是否存在逻辑上的错误。调试时，可根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。在该控制程序中，需要根据外界输入的状态来控制电动机和水泵启停，因此需要按照水位限位开关反馈来的信息进行判断处理，然后再进行输出控制。通过设计和调试，基本实现了这些功能。参考文献1王永华.现代电气控制及PLC应用技术，北京：北京航空航天出版社,2012,1.2廖常初.PLC编程及应用,北京:机械工业出版社,2008,1.3廖常初.PLC应用技术问答,北京: 机械工业出版社,2006,1.4西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC，北京：北京航空航天出版社,2007,7.5西门子（中国）有限公司. 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