1、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
2、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 .181参考文献 .19附录 .20附录 A 程序清单 .20附录 B 硬件原理图 .22总结 .2311 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
3、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
4、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
5、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。22 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
6、。（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。3（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
7、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43 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 CP
8、U224 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53.1.2 模拟量输出模块的选择该系统
9、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。AIN1-+AIN1-+去 变 频 器 去 变 频 器 2EM23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 SF1 I0.02 停止 SF2 I0.13 蓄水池高水位开关信号 BG1 I0.
10、24 蓄水池低水位开关信号 BG2 I0.3小区自动排水控制系统的 PLC 输出接口如下表 3.4 所示。6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 KF1 Q0.02 电机 2 继电器 KF2 Q0.13 蓄水池高水位红色指示灯 PG1 Q0.24 蓄水池低水位绿色指示灯 PG2 Q0.35 变频器 1 接触器 QA1 Q0.46 变频器 2 接触器 QA2 Q0.57 报警红色指示灯 PG3 Q0.68 电机 1 运行指示灯 PG4 Q0.79 电机 2 运行指示灯 PG5 Q1.0小区自动排水系统的 PLC 模拟量输出接口如下表
11、 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
12、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7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
13、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
14、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8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100A 100A 35KA 4000 次 4000 次 150mm3.3.2
15、 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220V 19W 300 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380V 100A 50KA 0.253.3.4 水位开关采用 SKYWEAL 的 LSYZ-6 型侧装浮
