基于PLC抽水泵控制系统设计

1、摘 要 单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般也需要设计 有一座地下水池，通过两台水泵抽水送至高水箱，再由高位水箱向下供水至各 用水点。现在比较常用的水箱供水方式。水泵控制柜采用最简单的电器元器件， 如出现故障，普通的电工就能维修，而且元器件的费用也低。再加上有高位水 箱，不会造成一停电就停水，供水保障率高。具有稳压作用，使冷热水系统水 压保持平衡，方便洗浴。由于以上诸多原因，目前绝大多数高层建筑采用高位 水箱给水方式，尽管高位水箱存在增加建筑荷载和防止生活用水受到二次污染 的问题 。 为了保障供水可靠性，生活水泵分为工作泵和备用泵，工作泵发生故障时， 备用泵应能自动投入使用。

2、为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间。当 时间到时，自动切换到下一台泵，以防止泵长时间不用而锈死 ，要有完善的保 护功能。 关键词：水泵、给水系统、PLC、自动控制 Abstract Life water supply system of modern architecture is an important part of the whole building is indispensable, for the one or two layer is the business groups housing, housing built group of various residenti

3、al buildings, there are many with the water supply scheme. The general design of underground pool a, concentrated frequency constant pressure water supply, no roof water tank, the water is not the top residential. The main pump generally have three, two open a switch, the auxiliary pump is a small f

4、low pump, water pump during the night hours automatically switch to pay the pump, to keep the system pressure basically unchanged). The main disadvantage of pressure tank is pressurized tank volume is small, can not meet the fire water storage problems, generally as a regular pressure equipment of f

5、ire water supply system, water supply is generally used for high-rise building pressure when the water pressure is insufficient, the minority floor. In order to guarantee the reliability of water supply, pump life into working pump and standby pump, when the pump failure, the standby pump should be

6、able to automatically put into use. In order to prevent the pump long time operation, set the running time. When the time comes, automatic switching to a pump to prevent pump, long time and rust do not die, must have perfect protection function. Key words：Water pump、water-supply system 、 PLC、Automat

7、ic control、 第一章 绪论.1 第一节 课题设计的目的及意义.1 第二节 设计的主要研究内容及安排.1 第三节 采用 PLC 控制的优点.2 第二章 系统设计总体方案.4 第一节 设计思路.4 第二节 对扩展模块的选取.5 第三节 系统工作原理.5 第四节 方案分析.6 第三章 系统硬件部分设计.8 第一节 水泵主电路.8 第二节 器件型号的选取.8 第三节 水泵的控制部分设计.9 第四节 PLC 自动控制及 I/O 分配表.10 第五节 PLC 外部接线图设计.11 第六节 水位控制部分.12 第四章 系统软件部分设计.13 结束语.15 谢 辞.16 参考文献.17 第一章 绪论

8、 第一节 课题设计的目的及意义 随着社会的发展和进步，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；另一方面要求保证供水的 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 水方式和控制系统应运而生，这就是 PLC 控制的恒压供水系统。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。 下面以一个三泵恒压供水系统为例来说明其工艺过程。如下图 1 所示，当 管道中的压力为正常时，三台水泵中有两台水泵运行，一台停止待用；当管道 中的压力为低压时，三台水泵全部运行；当管道中的压力为高

9、压时，只有一台 水泵运行。 图 1-1 力分析 第二节 设计的主要研究内容及安排 代建筑的生活给水系统是整个建筑必不可少的重要组成部分，目前的供水 方式主要有二种： （1）水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点 对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此 种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水 箱，最不利用水点是顶层住宅。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵 为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到付泵，以维持系统压力基本不 变（气压罐一般不用于生活用水） 。气压罐的主要缺点是气压罐调节容积小，存 在不能满足消防贮水的问题，一般作为

10、消防给水系统中的经常性增压设备，对 于高层建筑生活给水一般用于少数楼层水压不足时的增压。 （2）水池水泵高位水箱用水点 单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般也需要设计 有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高水箱，再由高位水箱 向下供水至各用水点。 第一种方式从理论上说恒压变频供水是较为理想和先进的。首先它保证出 水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动 （对电网电压冲击不大） ，延长了水泵寿命。但是在实际使用中却遇到了许多问 题，给工作带来了麻烦，公司社会效益直接受到影响，例如水泵在自动切换时 （卸载或加载时）水泵供水会出现短暂的低压，

11、特别是电脑判断有故障需跳过 故障泵运行时时间会更长，直接受害者就是顶层住户。一旦压力减低他们就无 水，当跳过故障泵启动备用泵时压力又增大，所以顶层住户怨声不断。如果变 频控制柜出故障，一般的电工无法处理，需要厂家专业技术人员来解决，造成 设备不能及时维修，供水无法保证。虽然设备房管理简单了，但住户用水缺乏 保障，社会效益受到影响。变频调速水泵不能满足消防贮水量，存在小流量和 零流量供水问题，同时变频控制股价格较高。 第二种方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。水泵控制柜采用最简单的电 器元器件，如出现故障，普通的电工就能维修，而且元器件的费用也低。再加 上有高位水箱，不会造成一停电就停水，供水保障

12、率高。具有稳压2作用，使 冷热水系统水压保持平衡，方便洗浴。由于以上诸多原因，目前绝大多数高层 建筑采用高位水箱给水方式，尽管高位水箱存在增加建筑荷载和防止生活用水 受到二次污染的问题。 设置高位水箱给水方式对生活水泵的一般控制要求为： （1）在地下水池与高位水箱中均设置水位控制器3，由两处的水位控制器 控制水泵的自动运行。当高位水箱水位升至高水位时，自动关闭水泵。生活水 泵同时应受地下水池水位的制约，当地下水池水位处于低水位时，为了避免水 泵的空转运行，无论高位水箱的水位如何，生活水泵都不能起动。 （2）为了保障供水可靠性，生活水泵分为工作泵和备用泵，工作泵发生故 障时，备用泵应能自动投入使

13、用。 （3）为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间。当时间到时，自动切 换到下一台泵，以防止泵长时间不用而锈死 （4）要有完善的保护功能 （5）为了检修和应急，应有手动控制功能。 第三节 采用 PLC 控制的优点 （1）控制方式上看：PLC 软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或 增加功能。 （2）工作方式看：PLC 串行工作，不受制约。 （3）控制速度上看：PLC 通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五 抖动一说。 （4）定时、计数看：PLC 时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有 记忆功能。 （5）可靠、维护看：PLC 无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执 行的监控功能

14、，现场调试和维护方便。 第二章 系统设计总体方案 第一节 设计思路 S7-200 系列是一类可编程逻辑控制器（Micro PLC） 。这一系列产品可以满 足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台 S7-200 Micro PLC 的 CPU22*系 列 PLC 的 CPU 外型图，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大 的指令，使得 S7-200 可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，丰富的 CPU 类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。 图 2-1 S7-200 CPU 外型图 S7-200 CPU 模块包括一个中央处理器单元（CPU） 、电源以及数

15、字量 I/O 点， 这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 1.CPU 负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控 制。 2.输入和输出是系统的控制点：输入部分从现场设备（例如传感器或开关） 中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。 3.通讯端口允许将 S7-200CPU 同编程器或一些设备连接起来。 4.状态信号灯显示了 CPU 的工作模式（运行或停止） ，本机的 I/O 的当前状 态，以及检查出来的系统错误。 5.通过扩展模块可以增加 CPU 的 I/O 点数（CPU221 不可以扩展） ，可以提 供其通用功能展示了一个基本的 S7-200 Micro

16、 PLC。它包括一个 S7-200 CPU 模块，一台个人计算机（PC） ，STEP 7-Micro/WIN32(3.1 版)编程软 件，以及一条通讯电缆。为了使用个人计算机（PC） ，你必须以下一种设 备：一条 PC/PPI 电缆；一个通讯处理器（CP）和多点接口（MPI）电缆； 一块 MPI 卡，随 MPI 卡提供一根通讯电缆。 图 2-2 S7-200 Micro PLC 系统的组成 第二节 对扩展模块的选取 S7-200PLC 的 I/O 扩展模块有： 1.输入扩展模块 EM221: 共有 3 种产品，即 8 点和 16 点 DC、8 点 AC。 2.输出扩展模块 EM222：共有 5

17、 种产品，即 8 点 DC 和 4 点 DC、8 点 AC、8 点继电器和 4 点继电器。 3.输入/输出混合模块 EM223：共有 6 种产品。其中 DC 输入/DC 输出的有 3 种，DC 输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为 4 点、8 点和 16 点。 4.模拟量输入扩展模块 EM231。 5.模拟量输出扩展模块 EM232。 6.模拟量输入/输出扩展模块 EM235。 第三节 系统工作原理 1.水泵参数 （1）流量 水泵的流量大致决定于泵的口径，流量 Q（米 3吵）可用式 （1-1）算出下表 1 可作为估算用。 Q=60dv/4 (11) 式中 d-口径（米）；

18、v-流速（米/秒），流速一般设在 13 米/秒之内， 表 2-1 口径与流量、流速的关系 流量（米/秒）流速（米/秒）口径毫米 （英寸）标准最大标准最大 25(1.0) 40(1.6) 50(2.0) 65(2.5) 80(3.0) 100(4.0) 125(5.0) 0.05 0.13 0.20 0.30.4 0.50.6 0.851.10 1.41.7 0.06 0.15 0.25 0.45 0.65 1.20 1.90 1.70 1.73 1.70 1.512.01 1.662.10 1.81-2.34 1.902.31 1.04 1.99 2.21 2.26 2.16 2.55 2.5

19、8 （2）扬程又称水头，它是指被输送的单位重量的液体从水泵进口到出口所 增加的能量，单位为米。 （3）功率是指机械在单位时间（每秒）内做功的大小，单位用千瓦表示。 在水泵铭牌或有关资料上，常见有有效功率、轴功率、配套功率。 有效功率是指水流经过水泵时所获得的能量，即水泵传给水流的净功率。 轴功率是指水泵运转时，由动力机传递给水泵轴上的功率。 配套功率是指带动水泵正常工作的动力机应具有的功率。 效率 是表示水泵能量利用的指标。 转速 n 是指泵轴（叶轮）每分钟的转数，常用转分钟表示。水泵的额 定转速，一般为 485、730、970、1450、2900 转分钟。 允许吸上真空高度是指水面到抽水泵体

20、叶轮的最大高程差。 口径是指水泵进口的内径，其大小常用英寸表示（英寸为非法定计量单 位，1 英寸=25.4 毫米）。 比转数是指模型水泵产生 1 米的扬程。一般同型号、同口 径的水泵，比转数越大，扬程、功率越小；反之比转数越小，扬程越大，功率 也越大。 所以我选择的水泵型号为：LG（高层建筑给水泵） 第四节 方案分析 （1）根据系统节能、经济的要求选用三台 10KW 电机控制三台水泵进行供水。 其中一台备用，当用水高峰时三台水泵运行以满足水压要求，用水低峰时一台 水泵运行，用水正常时两台水泵运行，实现节能目的。 （2）选用 PLC（西门子 CPU222） 、压力继电器(EDS 344-2-04

21、0-000)进行控 制。 第三章 系统硬件部分设计 第一节 水泵主电路 下图 5 所示为电控系统主电路。三台电机分别为 MA1、MA2、MA3。接触器 QA1、QA2、QA3 分别控制 MA1、MA2、MA3 的运行，BB1、BB2、BB3 分别为三台水 泵电动机过载保护用的热继电器；QA0 为主电源电路总开关。 图 3-1 主电路图 第二节 器件型号的选取 水泵主电路主要由断路器、接触器、热继电器、水泵及配电线缆等组成3。 （1）水泵的选取 本系统的 3 台水泵型号均为：ISG50-250，单级单吸管道离心泵，水泵扬程 为 80m，电动机功率为 11kW，能够满足大部分高层建筑的需求。 （2

22、）泵主电路中的断路器 水泵主电路中的断路器，对水泵起着控制、保护、安全隔离等作用，是重 要设备。而 GV2-ME 电动机短路器带热磁保护就具有隔离、短路保护、过载保护、 缺相保护和直接控制功能。 因此，选用断路器的型号为 GV2ME20C。 参数说明 温度补偿的环境温度：-20 - +60；额定工作电压：690V ； 整定电流范围：0.1-32A ；脱扣等级：10A(符合 IEC60947-4-1) ；使用类别： A(符合 IEC60947-2) AC-3(符合 IEC60947-4-1)；高分断能力：分断能力高达 10-100kA；长寿命：电寿命高达 10104 次，是普通断路器寿命的 5-

23、10 倍。 （3）接触器 用于水泵的接触器一般为不频繁动作，其额定电流按电动机的额定电流选 择。 =20.9A，辅助触点额定电流选 30A，型号为 CJ10-30。 I额 （4）.热继电器 热继电器的额定电流按电动机的额定电流选择，并留有上下调节的余地。 热继电器的整定电流可为电动机的额定电流的 1.01.05 倍。 热继电器：（11.05）=20.922 A。 I额 因此选 JR20-25（4T） ，额定电流为 2025 A。 第三节 水泵的控制部分设计 下图所示为电控系统控制电路图。启动开关 SF1 闭合，三台水泵电动机按 1# 2# 3#顺序起动，启动完成后，远程的压力传感器传来压力信号

24、， 如果压力信号是常压信号，开关 BG1 闭合，进入 CPU 控制电机的运行，即有两 台水泵电动机运行 1#、2#，一台停止待用 3#，两小时后先启动的 1#水泵关闭， 停止待用的 3#启动运行，按同样的方式，依次 1# 2# 3#顺序切换， 正常压力下得持两台水泵运行，切换时总是切除运行时间最长的那台水泵。 当压力传感器传来低压信号时，开关 BG2 闭合，BG1 断开，停止待用的水 泵立即投入运行，即三台水泵全部运行，待压力传感器传来常压信号时，BG1 闭合，BG2 断开，将运行时间最长的那台水泵停止待用。 当压力传感器传来高压信号时，BG3 闭合，BG1 断开，停止运行时间长的那 台水泵，

25、即只有一台水泵运行，待压力传感器传来常压信号时，使最先停止待 用的水泵投入运行。 图 3-2 控制电路图 第四节 PLC 自动控制及 I/O 分配表 PLC 的选择及 I/O 分配 1.水泵控制系统的输入/输出信号的代码和作用如下表 3-1 所示： 表 3-1 输入/输出继电器地址分配表 编程元件I/O 端子作用 I0.0 启动开关 I0.1 停止开关 I0.2 常压信号 I0.3 低压信号 输入继电器 I0.4 高压信号 Q0.0 1 号水泵 输出继电器 Q0.1 2 号水泵 Q0.2 3 号水泵 2.水泵控制系统的辅助元件的代码和作用如下表 3-2 所示： 表 3-2 其他编程元件地址分配

26、表 编程元件编程地址PV 值作用 T37/T3830s 接通延时定时器 T39600s 接通延时 M1.0 启动/停止 1#标志 M1.1 启动/停止 2#标志 M1.2 启动/停止 3#标志 M3.0 1#,2#的逻辑控制 M3.1 2#,3#的逻辑控制 辅助继电器 M3.2 1#,3#的逻辑控制 SM0.0 每个扫描周期都激活特殊继电器 SM0.1 只在第 1 个扫描周期激活 第五节 PLC 外部接线图设计 图 3-3 PLC 外部接线图 PLC 接线图只要根据上述表格和 FP1-C40 的端子排列位置进行相应的接线 即可。上图是所设计的 PLC 系统外部接线图。图中各接触器采用 220V 电源，信 号指示部分采用 24V 直流电源。需要说明的一点是，输入 PLC 的开关量信号可 以为常开，也可以为常闭，但对应的顺序功能图中有关的触点的状态应随之变 化。 第六节 水位控制部分 我们可以使用水位控制器，在实验箱上仿真的时候，我用开关来模拟。水 位高于下限位或者低于上限位时开关处于断开状态，当水位低于下限位时，开 关闭合；当水位高于上限位时，开关闭合。查阅水位控制器的相关资料，我们 可以选用干簧管水位控制器 GSK-1A（能发出低水位停泵）与 GSK-1B(高水位停 泵)。 其工作原理是：在塑料管内固定有上、下水位干簧管 2SL、1SL，塑料管下 端密封防水进入