1、基于 PLC 供水系统设计I基于 PLC 控制的小区物业供水系统设计摘要城市供水是指城市公共供水和自建设施供水，城市公共供水是指城市自来水供水企业以公共供水管道及其附属设施向单位和居民的生活、生产和其他各项建设提供用水；自建设施供水是指城市的用水单位以其自选建设的供水管道，及其附属设施向本单位的生活、生产和其他各项建设提供用水。随着我国各项节水措施的推进，单位 GDP 用水量、人均用水量将逐渐减少。但是，由于人口的增加、城市化的深入以及工业生产的增长，预计城市供水行业的总体需求仍将保持平稳增长状态。在城市化进程迅速的今天，那么大楼供水系统的建设就显得尤为重要。而且随着城市用水量不断增加，对供水
2、系统的建设提出了更高的要求。供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到大楼用户的正常生活和工作。本篇设计详细介绍了基于 PLC 的大楼物业供水系统的方案设计，其中包括硬件选择和电路的设计、软件规划和编写，并重点描述了大楼物业供水系统的工作原理和过程、系统设计、软件编程的原则和技巧。关键词：供水系统，PLC，稳定性 基于 PLC 供水系统设计II目录第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 供水系统设计要求 .21.3 供水系统设计思想 .21.4 供水系统方案确定 .31.5 供水系统运行和原理 .31.5.1 系统原理说明 .31.5.2 系统运行说明 .4第二章 可编程控制器的概述 .5
3、2.1 可编程控制器介绍 .52.2 三菱 FX 系列介绍 52.2.1 三菱 FX 系列 PLC 主要特点 52.2.2 三菱 FX 系列 PLC 主要数据简介 62.2.3 三菱 FX 系列 PLC 基本指令 62.3 可编程控制器的特点 .72.4 可编程控制器的工作原理 .82.4.1 PLC 的等效工作电路 .82.4.2 PLC 的工作过程 .9第三章 系统硬件设计 103.1 系统的构成 103.2 系统主要硬件设备的选型 113.2.1 PLC 的选型 113.2.2 水泵机组的选型 123.2.3 压力传感器的选型 133.3 系统电路分析及设计 143.3.1 系统电源 1
4、43.3.2 供水系统主电路分析与设计 143.3.3 可编程控制器 I/O 分配 183.3.4 PLC I/O 接线图 193.3.5 压力传感器信号处理 203.3.6 报警电路设计 20第四章 系统的软件设计 224.1 软件开发环境简介 224.2 供水系统程序流程图 234.3 供水系统程序设计及解析 244.3.1 程序的模式选择、水泵工作程序设计及解析 244.3.2 程序的保护、报警选择程序设计及解析 254.4 程序调试及仿真 274.5 程序调试及仿真体会 28结 论 30基于 PLC 供水系统设计III致 谢 31参考文献 .32附录一 系统元件明细表 33附录二 PL
5、C I/O 口分配表 .35附录三 PLC I/O 口接线图 36附录四 供水系统电路图 37附录五 控制系统梯形图 38附录六 程序指令清单 43基于 PLC 供水系统设计IV引言可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元(CPU) 、存储器、输入输出接口电路、功能模块、
6、通信模块。可编程控制器在我国各个工业领域中得到了越来越广泛的应用，它是自动控制技术、计算机技术和通信技术三者结合的通用工业自动化装置，已成为工业自动化的三大棱柱之一。为了适应这种形势，我们选择了三菱 FX1N-40MR-001 系列可编程控制器编写这次设计。本篇设计分两部分介绍了大楼物业供水系统，分别是硬件及软件设计。供水系统主要由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。本设计编程软件则采
7、用三菱公司开发的 PLC 编程软件 GX Developer8.52。该软件适用于Q、QnU、QS、QnA、AnS、AnA、FX 等全系列可编程控制器。本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。具体说明了可编程序控制器在大楼物业供水系统中的作用。程序涉及到了大楼物业供水系统工作的绝大部分过程。最终设计完成的大楼物业供水系统具有平稳运行、节能等主要功能，整个系统的开发体现了在设计数字控制系统的稳定性、实用性本毕业设计共有四个章节：第一章介绍了绪论；第二章介绍了可编程控制器的概述；第三章介绍了系统的硬件设计；第四章介绍了系统的软件设计，之后还有关于本次设计的结论、致谢及相关参考文
8、献；附录部分有六个部分，分别是系统的元件明细表、PLC I/O 分配表、PLC I/O 接线图、供水系统电路图、系统梯形图、指令清单。基于 PLC 供水系统设计1第一章 绪论1.1 研究背景水是人民生活必需品，但由于近些年来，随着人们生活水平的提高，大楼的层数也在不断的剧增。再加上受到输送管道和供水设施的影响，使居民的生活用水存在着自来水管网压力不足的现象，尤其是供水高峰期的高层供水尤为突出,给人们的生活带来了许多困扰。以前为了解决用水难的问题，通常会在楼顶固定一个高位水箱，通过水箱的高度给水提供一定压力，再供给用户使用。但这种方案明显非常落后，不仅投资大而且不利于房屋的维护和抗震。上个世纪
9、80 年代后，气压供水逐渐替代了高位水箱供水。但这种供水方式依旧存在很多缺陷。气压供水所需要的设备的主要部件是压容器，其成本高，耗钢量大，结构复杂，而且水泵功率较大，反复启动，不仅影响电网，耗费电力资源，而且严重缩短了水泵和电磁设备寿命。尤其是气压供水水压变化较大，缩短了水网，阀门，水表的使用寿命。而水压过高会导致水管爆裂，造成水资源的大量流失。而水压过低，则会造成用户供水不足或无法供水。对于工业生产和特殊用途的供水而言，供水就更显得异常重要，例如在工业生产中如突然供水不足或断水，就可能会对产品的安全卫生产生某些不良影响。而对于灭火水源来讲，供水不足则更加致命，对人民的生命财产安全造成极大隐患
10、。面对这些问题，供水的重要性已经不言而喻。本文的设计就是基于 PLC 供水系统的设计。液位检测检测水管中的水压得到的数据，通过对压力传感器对压力的监测，可以使管网中的水压自动的保持在事先设定好的压力值范围内。当用户的用水量增加时，管网中的水压下降，供水控制器通过 PLC 使水泵转速加快，供水量相应增多，如果一台水泵不能满足用户的供水量，那么则通过控制器加泵；当用户用水量减少时，管网中水压上升，供水控制器通过 PLC 使水泵转速降低，供水量减少，如水泵转速降到最低还高出所需供水量，则关闭一台水泵。简单来说就是根据用户用水量的大小，通过供水控制器对水泵的数量和转速的控制，从而使用户无论用水量的多少
11、，管网中的水压始终能保持在设定范围内。既满足了用户供水量的要求，又不会是水泵空转，造成电能的浪费，同时避免了水箱造成的二次污染。是一种现代化的供水方案。随着 PLC 技术的发展，结构简单，节省资源，抗干扰能力强，可靠高效的基于 PLC 供水系统设计2供水控制器将是高层建筑供水的研究方向。本文主要采用了由三菱 FX 系列 PLC构成的供水控制器，通过传感器检测得到的水压信号，与设定的水压数值比较，再通过 PLC 来控制水泵的数量和转速，达到大楼供水的效果。1.2 供水系统设计要求某大楼物业供水系统有水泵 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，
12、表示水压正常；K3 接通，表示水压偏高。其控制有如下四点：1.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。2.各水泵工作时，均应有工作状态显示。3.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（注：若输入点不够，可减少一个过载保护输入）。4
13、.设置“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）。1.3 供水系统设计思想本系统将 PLC、水泵、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势。系统采用三个压力传感器（压力检测开关）实时监测水位的压力，采用四台水泵保证供水量的需求，采用可编程控制器（PLC）来实现系统的自动运行。这个操作方便的自动控制系统，以 PLC 为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于水泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和
14、停机时的水锤效应。使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。PLC 为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，基于 PLC 供水系统设计3其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过调节电机机组工作电机的数量，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统的实质是电动机的工作控制。电动机的控制通
15、常使用接触器，PLC 通过控制接触器来实现自动控制电机机组的电机从而实现了大楼供水。1.4 供水系统方案确定根据供水系统设计要求和思想可知，本供水系统主要由 PLC 控制单元、压力传感器、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用 PLC 控制单元控制多台水泵，实现管网水压的供水。“PLC+ 水泵机组+压力传感器” 这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强，由于 PLC 产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定 PLC 的硬件配置和 IO 的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过 PC
16、机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于 PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求，所以本次设计采用基于 PLC 的控制方式。1.5 供水系统运行和原理1.5.1 系统原理说明根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，故本次设计采用的“PLC+水泵机组+压力传感器”的控制方式。系统主要的设计任务是利用控制单元控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的启动，同时还要能对运行数据进行
17、传输。系统运行原理图如图 1-1 所示。基于 PLC 供水系统设计4图 1-1 系统运行原理图本系统通过市政供水管道往蓄水池供水，供水时，通过 LDM-8W 电池供电无线水位计来传递实时的液位信息给 PLC，通过 PLC 检测出压力信号给压力传感器，从而控制不同水压时的供水。而四台水泵通过交流接触器与 PLC 连接，保证用户不同用水量的需求。这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于 PLC 产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定 PLC 的硬件配置和压力传感器的外部接线，当控制要求发生改变时，可以
18、方便地通过 PLC 来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于 PLC 的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。1.5.2 系统运行说明本供水系统运行分为手动和自动运行：1.手动工作时，四台水泵能独立操作，并且有过载保护，可通过相应水泵的闸刀开关切断对相应水泵的电源实现断电控制。2.自动工作时，当用水量少时，压力增高，高压报警灯亮起并起蜂鸣，通过 PLC 控制水泵工作，切断相应水泵；当用水量多时，压力降低，低压报警灯亮起并起蜂鸣，通过 PLC 控制水泵工作，切断相应水泵；高低压报警均未亮时基于 PLC
19、 供水系统设计5表示水压正常，可维持水泵持续运行。工作时水泵数量最少一台，最多四台。基于 PLC 供水系统设计6第二章 可编程控制器的概述2.1 可编程控制器介绍1969 年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）以来，经过 30 多年的发展，现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的 PLC 系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。可编程序控制器已和数控技术及工业机
20、器人并列为工业自动化的三大支柱。初期的 PLC 只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。随着微电子技术的发展，PLC 以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，例如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。2.2 三菱 FX 系列介绍三菱 FX 系列，是三菱 PLC（可编程控制器）小型系列 PLC。目前主要
21、分FX3G、FX3U、FX2N、FX1N、FX1S 等系列。FX 系列 PLC 特点是一体机、高处理，可达 365 点开关量控制等。2.2.1 三菱 FX 系列 PLC 主要特点1.小型集成型2.更高的性价比3.高速化、高精度的控制（基本指令 0.08s/步）4.高性能的内置功能（高速计数器、高速输入/输出等）5.扩大控制点数，最大支持 256 点 I/O6.特殊单元的高性能化和高互换性7.扩展通信端口, 轻松地使用模拟量功能8.扩充存储器容量基于 PLC 供水系统设计79.标准机种适合国际规格2.2.2 三菱 FX 系列 PLC 主要数据简介在 PLC 内部结构和用户应用程序中使用着大量的数
22、据。这些数据从结构或数制上具有以下主要几种形式。1.十进制数十进制数在 PLC 中又称字数据。它主要存在于定时器和计数器的设定值K；辅助继电器、定时器、计数器、状态继电器等的编号；定时器和计数器当前值等方面。2.二进制数十进制数、八进制数、十六进制数、BCD 码在 PLC 内部均是以二进制数的形态存在。但使用外围设备进行系统运行监控显示时，会还原成原来的数制。一位二进制数在 PLC 中又称位数据。它主要存在于各类继电器、定时器、计数器的触点及线圈。3.十六进制数十六进制数用于指定应用指令中的操作数或指定动作。2.2.3 三菱 FX 系列 PLC 基本指令FX 系列 PLC 有基本顺控指令 20
23、 或 27 条、步进梯形图指令 2 条、应用（功能）指令 100 多条（不同系列有所不同）。以 FX2N 为例，介绍其基本顺控指令和步进指令及其应用。 FX1N，FX2N，FX2NC 共有 27 条基本顺控指令，2 条步进梯形图指令。三菱 FX 系列指令表如表 2-1 所示。指令助记符 名 称 功 能LD 取 运算开始 a 接点LDI 取反 运算开始 b 接点LDP 取脉冲 上升沿检出运算开始LDF 取脉冲 下降沿检出运算开始AND 与 串联连接 a 接点ANI 与非 串联连接 b 接点ANDP 与脉冲 上升沿检出串联连接ANDF 与脉冲 下降沿检出串联连接OR 或 并联连接 a 接点ORI
24、或非 并联连接 b 接点基于 PLC 供水系统设计8ORP 或脉冲 上升沿检出并联连接ORF 或脉冲 下降沿检出并联连接ANB 回路块与 回路之间串联连接ORB 回路块或 回路块之间并联连接OUT 输出 线圈驱动指令SET 置位 线圈动作保持指令RST 复位 解除线圈动作保持指令PLS 脉冲 线圈上升沿输出指令PLF 下降沿脉冲 线圈下降沿输出指令MC 主控 公共串联接点用线圈指令MCR 主控复位 公共串联接点解除指令MPS 进栈 运算存储MRD 读栈 存储读出MPP 出栈 存储读出和复位INV 反转 运算结果取反NOP 空操作 无动作END 结束 程序结束STL 步进梯形图 步进梯形图开始R
25、ET 返回 步进梯形图结束表 2-1 三菱 FX 系列指令表2.3 可编程控制器的特点一.可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个 PLC 生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使 PLC 的平均无故障时间达到 30 万小时以上，使用寿命更长。二.控制功能强。PLC 具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。三.编程方便，易于使用。PLC 采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。PLC 可
26、取基于 PLC 供水系统设计9代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。2.4 可编程控制器的工作原理2.4.1 PLC 的等效工作电路PLC 实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把 PLC 等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如下图 2-2 所示：负 载限 位 开 关触 点按 钮 电 源外 部 输 入 输 入 部 分 内 部 控 制 电 路 输 出 部 分 外 部 负 载图 2-2 PLC 的等效工作电路1.内部控制电路这部分的作用是运算
27、和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。PLC 程序一般用梯形图形式表示。而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PIC程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。在 PLC 内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在 PLC 内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。2.输入部分这部分的作用是接受被控设备的信息或操作 0 命令等外部输入信息。输入接线端是 PLC 与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。每个端子可等效为一个内部继
28、电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输基于 PLC 供水系统设计10入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由 PLC 的电源部件提供(如直流 24V)，也可由独立的交流电源(如交流 110V)供给。每个输入继电器可以有无穷多个内部触点(动合、动断形式均可)，供设计 PLC 的内部控制电路(即编制 PLC 控制程序)时使用。3.输出部分这部分的作用是驱动外部负载。在 PLC 内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器(有继电器、双向硅、晶体管三种形式)，它也有无限个软件实现的动合、动断触点，可在 PLC 内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要
29、操作的外部负载；外部负载的驱动电源接在输出公共端(COM)上。总之，在使用 PLC 时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器接点(动合或动断)可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。2.4.2 PLC 的工作过程PLC 一般采用循环扫描方式工作。当 PLC 加电后，首先进行初始化处理，包括清除 IO 及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查 I/O 单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段：1.公共处理阶段这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查 IO 总线、检查扫
30、描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。这部分时间是固定的，对 P 型机来说，为 1.26ms。2.执行外围设备命令阶段当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与 PLC 相连时，则 PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。3.程序执行阶段在这个阶段，CPU 将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据(输入和输出的状态)进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。4.输入、输出更新阶段PLC 的 CPU 在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。CPU 对各个输入基于 PLC
31、供水系统设计11端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是 PLC 工作的特点。第三章 系统硬件设计3.1 系统的构成图 3-1 系统构成图如图 3-1 所示，整个系统由四台水泵，一台 PLC 和一个压力传感器及若干辅助部件构成。四台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，四台泵协调工作以满足供水需要；供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈 05V 电压信号)或压力变送器(反馈420mA 电流)。从系
32、统构成图，我们可以看供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。一执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网。二信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:1.水压信号:它反映的是用户管网的水压值，它是供水控制的主要反馈信号。2.报警信号:它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载等。该信号为开关量信号。三控制系统基于 PLC 供水系统设计12供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC 系统)、电控设备两个部分。1.供水控制器:它是供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，
33、对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过接触器对执行机构(即水泵)进行控制。2.电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。四通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。五报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因
34、电机过载、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由 PLC 判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。3.2 系统主要硬件设备的选型3.2.1 PLC 的选型PLC 是整个供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制以及对外的数据交换等功能。因此我们在选择 PLC 时，要考虑 PLC 的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素，以日本三菱 PLC 为例，该PLC 有 FX、A、Q 三大系列，在 FX 系列中又有 FX1S，F
35、X1N 和 FX2N 三种型号。依据控制任务，从 PLC 的输入输出点数、存储器容量、输入输出接口模块类型等方面等来选 PLC 型号。在供水系统的设计中，我们选择三菱 FX1N-40MR-001 型 PLC。1.FX1N-40MR-001 的主要参数IO 点数：2416；基本指令：27 条；基于 PLC 供水系统设计13功能指令：298 条；基本指令执行时间：0.55-0.7 微秒；用户程序步骤：8K；通信功能：强；输出形式：继电型；输出能力：2A点；三菱 FX1N-40MR-001 是三菱电机推出的功能强大的普及型 PLC。具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。是一款广泛应用
36、于一般的顺序控制三菱 PLC。2. 三菱 FX1N-40MR-001 PLC 特点三菱 FX1N-40MR-001 PLC 拥有相当快的速度， FX 是从 16 路到 256 路输入/输出的多种应用的选择方案； FX1N 系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于 FX 系列中高档次的超小形程序装置。 除输入输出 16-25 点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC。 三菱 FX1N-40MR-001 在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行 16-256 点的灵活输入输出组合。可选用 16/32/48/6
37、4/80/128 点的主机，可以采用最小 8 点的扩展模块进行扩展。可根据电源及输出形式，自由选择。 程序容量：内置 800 步 RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至 16K 步。丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。便利指令数字开关的数据读取，16 位数据的读取，矩阵输入的读取，7 段显示器输出等。数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID 控制指令等。3.2.2 水泵机组的选型水泵机组的选型基本原则，一
38、是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本论文以某大楼的实际生活用水的数据进行选型，该大楼用水具体要求为：1.由多台水泵机组实现供水，流量范围 600m2h，扬程 60 米左右，出水基于 PLC 供水系统设计14口水压大小为 0.4Mpa；2.设置一台水泵作用于小流量时的供水；供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；3.系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能。4.具有完善的过载保护功能，系统要求较高的经济运行性能。根据以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设
39、计供水压力(水泵扬程)，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用 4 台上海熊猫机械(集团)有限公司生产的 SFL 系列主水泵机组。表 3-1 水泵机组主要性能参数表主要性能参数型号数量 流量m2/h扬程m效率%转速r/min电机功率 kw余量m进出口径 mm水泵机组 150sfl160-20x4 4 160 80 73 1450 55 2.9 1503.2.3 压力传感器的选型压力传感器是供水系统中的主要传感器。PLC 自动控制水泵的工作情况的信息全部来自压力传感器，它必须要有很高的可靠性，如果压力传感器出错，将会带来灾难性的事故，很可能是管道爆裂或者是水压不足，造成居民用水的不方便，
40、因此压力传感器的选用很关键。水压传感器，厂家采用进口高精度感应芯体，先进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成 05VDC 标准电信号 。采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。根据供水系统的具体的要求，我们选择佛山一众传感仪器有限公司的水压传感器 PY206。一.产品概述及特点：1.采用进口感压芯片；基于 PLC 供水系统设计152.先进的贴片工艺，具有零点、满量程补偿，温度补偿；3.高精度和高稳定性放大集成
41、电路；4.全封焊结构、抗冲击、耐疲劳、可靠性高；5.输出信号多样化（有电流型、电压型）；6.结构小巧，安装方便；7.采用高温补偿最高介质温度可达 350 度；二.产品主要参数： 1.量 程： -100KPa-0.6Mpa60 Mpa120 Mpa 间任意可选（量小量程为 0.6MPa,量大量程为 120MPa）2.输 出：420mA（二线制）、05VDC、010VDC、0.54.5VDC（三线制） 3.综合精度： 0.1%FS（量程 60MPa 以下）、0.25%FS、0.5%FS4.供 电： 24V DC（1530VDC）5.绝缘电阻： 1000 M/100VDC6.介质温度： -2085、
42、-20150、-20200、-20300（可选）7.密封等级：IP65/IP688.过载能力： 150%FS9.响应时间：10mS产品结构图：图 3-2 水压传感器 PY206 结构图3.3 系统电路分析及设计3.3.1 系统电源供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，因此在设定供电系统时应考虑下列因素：基于 PLC 供水系统设计161.输入电源电压在一定的允许范围内变化；2.当输入交流电断电时，应不破坏控制器程序和数据；3.当控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余；4.当外部设备电源通断电时，应不影响控制器的供电；5.要考虑电源系统的抗干扰措施。为实现以上要求，在主电路和控制电路加
43、上了保护，包括过载保护，当主电路因某些原因出现故障时，比如水泵过载，这时过载保护工作，水泵停止运行既使水泵安全，也使电源供电安全确保 PLC 的电源正常。3.3.2 供水系统主电路分析与设计一系统的主电路由系统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：150sfl160-20x4，55kw，1450 转/分，380V，144A。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。硬件设设计主电路图如图 3-3 所示：图 3-3 硬件设计主电路图图中的三相电接入口处有熔断器，当水泵因故障或其他原因过载时，主电路上的电流超过正常
44、值时熔断器自动熔断，起到保护水泵和主电路的作用。在基于 PLC 供水系统设计17每台水泵上单独再安装熔断器 FU1、FU2、FU3、FU4，因为，4 台水泵的工作状态不同主电路的电流不同，主电路上的熔断器只能起到保护主电路的作用，所以，在每台水泵上单独再装上熔断器以保证当水泵超载时可单独切断电源。刀开关 QS1、QS2、QS3、QS4 由人工手动控制，PLC 控制电路失灵时刀开关是切断电源的唯一方法。接触器 KM1、KM2、KM3、KM4 是由 PLC 自动控制水泵的开关。FR1、FR2、FR3、FR4 是热继电器，把它们穿在电机的绕组中，当水泵过载时，热继电器动作，切断电源。M1、M2、M3
45、、M4 代表四台水泵。二系统的控制电路1.控制电路原理说明：如图 3-4 系统的控制电路，当拨动开关拨到“停止”时，其整个系统位于停止状态；当拨动开关拨到“自动”时，及实现自动工作模式；当拨动开关拨到“手动”时，及实现手动工作模式；SB2、SB4、SB6、SB8 分别手动控制 1# 、2# 、3# 、4# 泵启动；SB1、SB3、SB5、 SB7 分别手动控制 1# 、2# 、3#、4# 泵停止； HG1、 HG2、HG3、HG4 分别是 1# 、2# 、3# 、4# 泵的工作指示灯。在手动模式下：按下 SB2， SB2 接通KM1 接通1#水泵电机启动；按下SB1，SB1 断开KM1 断开1
46、#水泵电机停止；按下 SB4，SB4 接通KM2 接通2#水泵电机启动；按下 SB3，SB3 断开KM2 断开2#水泵电机停止；按下SB6，SB6 接通KM3 接通3#水泵电机启动；按下 SB5，SB5 断开KM3 断开3#水泵电机停止。按下 SB8，SB8 接通KM4 接通4#水泵电机启动；按下SB7，SB7 断开KM4 断开4#水泵电机停止。在自动模式下，通过 PLC 来控制水泵工作。基于 PLC 供水系统设计18图 3-4 系统的控制电路根据控制电路，可得到所用的元件清单，该清单如表 3-2 表所示。表 3-2 控制电路元件清单元件名 作用SB1 手动模式 1# 泵 停止按钮基于 PLC
47、 供水系统设计19SB2 手动模式 1# 泵 启动按钮SB3 手动模式 2# 泵 停止按钮SB4 手动模式 2# 泵 启动按钮SB5 手动模式 3# 泵 停止按钮SB6 手动模式 3# 泵 启动按钮SB7 手动模式 4# 泵 停止按钮SB8 手动模式 4# 泵 启动按钮SB9 高压报警灯启动按钮SB10 低压报警灯启动按钮HG1 1 # 泵工作模式 指示灯HG2 2 # 泵工作模式 指示灯HG3 3 # 泵工作模式 指示灯HG4 4 # 泵工作模式 指示灯FR1 1 # 电机热电保护的热继电器FR2 2 # 电机热电保护的热继电器FR3 3 # 电机热电保护的热继电器FR4 4 # 电机热电保
48、护的热继电器HR1 电源指示灯HR2 高压报警指示灯HR3 低压报警指示灯PY1 压力传感器 1（低压）PY2 压力传感器 2（正常水压）PY3 压力传感器 3（高压）3.3.3 可编程控制器 I/O 分配根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编码基于 PLC 供水系统设计20如表 3-3 所示。表 33 控制器 I/O 口分配表输入元件 地址编码 输出元件 地址编码低水压输入 X000 水泵 1 接触器 Y001正常水压输入X001 水泵 2 接触器 Y002高水压输入 X002 水泵 3 接触器 Y003模式选择开关X003 水泵 4 接触器 Y004自动模式开关X0
49、04 水泵 1 工作指示灯Y005水泵 1 过载 X005 水泵 2 工作指示灯Y006水泵 2 过载 X006 水泵 3 工作指示灯Y007水泵 3 过载 X007 水泵 4 工作指示灯Y010水泵 4 过载 X010 自动模式指示灯 Y011水泵 1 手动开X011 手动模式指示灯 Y012水泵 1 手动关X012 自动模式开关指示灯Y013水泵 2 手动开X013 高压报警灯 Y014水泵 2 手动关X014 低压报警灯 Y015水泵 3 手动开X015 高压报警灯开关 Y016水泵 3 手动关X016 低压报警灯开关 Y017水泵 4 手动开X017 蜂鸣器开关 Y000水泵 4 手动关X020基于 PLC 供水系统设计213.3.4 PLC I/O 接线图如图 3-5 所示，按键 X000-X020 分别为不同信号输入，COM 口为公共端，Y000-Y017 分别为不同控制信号输出端，输出控制信号控制执行电路的工作状态。其中，X003 是自锁开关，当 X003 接通时系统工作在手动模式，当 X003 断开时，系统工作在自动模式，而 X003 的默认状态是断开的。X004 是当系统工作在自动模式时的开关，当 X004 接通时，自动工作有
