基于PLC的消防给水泵控制系统设计.docx

1、基于PLC的消防给水泵控制系统设计基于PLC的消防给水泵控制系统设计 作者姓名: 古晓龙 专业名称: 电子测量技术与仪器 指导老师: 闫智武 讲师摘要现在，城市火灾、森林火灾出现的频率较高，怎样才能减少损失，消防部门责任较大，因此研究高效能的消防给水泵控制系统可以减少财产损失，具有一定的实际应用价值。本论文叙述了用西门子S7-200型PLC实现对消防水泵知道控制的方法。用PLC实现对消防水泵的控制，简化系统的结构和配线，提高了系统的可靠性，并且增加了传统继电器控制系统无法实现的定期主备互投和自动测试功能。本文介绍了以可编程逻辑控制器为核心的控制系统，并对其工作原理、硬件设计、软件设计进行重点阐

2、述，从而对传统的消防给水泵系统进行改造，可以有效的解决以前系统故障率高、可靠性差、能源浪费严重等一系列问题。同时，系统具有自动和手动两种控制方式，便于对系统进行维护修理，提高效率，实现自动化消防给水。 日用消防水泵房控制系统采用计算机控制技术，核心部分采用西门子S7-200型PLC，PLC对泵运行的各工艺参数进行采集、处理，实现泵与泵、闸阀等设备之间闭锁，并可通过设于PLC对泵运行的各工艺参数进行采集、处理，实现泵与泵、闸阀等设备之间闭锁，并可通过设于印，显示故障显示等集中管理。上位机配有与上级管理系统通讯的接口，可与矿局域网相连使上级管理系统实现对日用消防水泵房的监控。当调试、现场检修或集控

3、系统出现故障时，可由就地按钮箱上按钮操作。 关键词：PLC 消防给水泵 自动控制 Abstract Now, the city fire, forest fires will appear the frequency is higher, how to reduce losses, fire departments responsibility, so the study of efficient large fire pump control system can reduce property losses, and has certain practical values.control

4、 systems work principle, the hardware design and software design. Thus transformed the traditional city water-supply system. Effective settlement the system publishes fault rate high, energy series waste such as these problems. Meanwhile, the system has automatic and manual two kinds of control way.

5、 Can be convenient maintain and repairing to the system. Raise the efficiency, realize automation supplies water.In this paper,The author descripts how to use Siemens S7-200 PLC to contorl firefighting pump.Using PLC can simplifiy the system structure,make the system more reliable,and proform fixed

6、period main/backup pump switching and automatic testing that can never be realized before.Daily fire water pumping house control system adopts computer control technology, the core part adopts panasonic Siemens S7-200 type of PLC, PLC of pump operation of various parameters on acquisition, processin

7、g, realize pump and pump, gate valve closure, and equipment through between set in the pump running PLC in various process parameters for acquisition, processing, realize pump and pump, gate valve closure, and equipment through between located in print, shows fault display centralized management. PC

8、 with superior management system and communication with the interface, and ore lans make superior management system to realize the fire water pump in daily monitoring. When commissioning, field repair or set control system malfunction, but by in situ button box on button operation.Key words: PLC Fir

9、e pump Automatically Control1 绪论1.1 本课题研究设计背景和目的在我国目前的经济、技术条件下,消火栓系统仍是高层民用建筑最基本的灭火设备。发生火灾时,消防水泵及时启动加压是保证消火栓系统正常运行的重要步骤。为此,有相关规定:临时高压给水系统的每个消火栓处应设置直接启动消防水泵的按钮,并应设有保护按钮的设施,以便迅速远距离启动消防泵(设计中较常采用破玻按钮)。在高层民用建筑自动消防系统设计中(电气专业),消防水泵的启动依据就是破玻按钮的动作。倘若在消防系统运转过程中出现下列情况(1)有人出于好奇或恶作剧在无火灾时启动按钮；(2)发生火灾时,慌乱中人可能先击碎破玻按

10、钮,然后才动用水枪灭火,由于不熟练,在展开水带、连接搭扣、开启阀门等步骤中就会延误一些时间, 或者由于火情危急, 现场中人仅击碎破玻按钮而来不及动用水枪灭火。这两种情况都会导致整个消防管网在没有投入运行前(无枪出水灭火)消防水泵已经启动，这必然造成消防管网压力剧增，产生严重超压现象, 极有可能引起管网爆裂。火灾时若发生管网爆裂, 整个消火栓系统就会瘫痪, 后果不堪设想。随着技术的发展，很多设备需要改造，如启动方式和元件的升级换代，很多设备的远程操作和使用方法需要调整，如就地控制改为远动控制或计算机控制等。对于这些技术的更新，传统控制回路设计方式所存在的元件数量多、元件使用寿命较短、接线复杂、通

11、用性差等缺点给设备的改造、维护带来了较多的困难。另外，尽管规范、规章明确要求消防设施，器材应定期维护保养，但是目前消防水泵都不能做到定期试机运行，天长日久就会导致泵体、底阀和单向阀卡死、锈死，所以经常会出现在发生火灾时设备不能充分发挥作用，造成不应有的损失。为此，民用建筑水灭火系统设计规程规定超高建筑、一类高层公共建筑的消防泵宜设定时自检装置。可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合了微电子技术、计算机技术、自动化技术和通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方

12、面得到了广泛的应用。目前，世界上许多工业国家把PLC 的使用作为衡量电气控制水平的标志。因此，本系统采用可编程控制器（PLC）对消防泵组进行控制，实现泵组在备用时定期试运行，扑救火灾时自动启动，从而有效地杜绝消防水泵关键时刻不能用的情况。目前，一旦遇到火灾都会出现大量的人员伤亡和财产损失，为什么会出现这样的状况呢。因为现在一旦火灾发生就很难控制，无法及时的扑救和报警。本课题研究的基于PLC的消防给水泵控制系统将在自动扑救火灾的环节起到重要的作用。本课题的研究将会给人们的生产生活安全带来更加强力的保障。采用PLC控制的消防给水泵，有利于及时了解消防泵的实际性能，能解决消防泵的锈蚀卡死问题、保持消

13、防泵良好的工作状况，也有利于消防管理系统的智能化。它对提高消防给水系统的可靠性具有划时代的意义。极大的提高了在发生火灾时人的生命财产安全。1.2 设计任务及内容1.2.1 设计任务用西门子S7-200型PLC实现对消防水泵知道控制的方法。用PLC实现对消防水泵的控制，简化系统的结构和配线，提高了系统的可靠性，并且增加了传统继电器控制系统无法实现的定期主备互投和自动测试功能。1.2.2 设计内容通过对现有给水系统的调研和分析，确定以工作可靠、性能稳定、价格合理等特点的西门子S7-200型PLC和西门子变频器构成的控制核心来设计消防给水系统，确定控制要求，设计控制软件，并在工程项目实践中考验与使用

14、，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的技术经济性能。具体的研究内容主要包括以下几个方面：1、分析给水系统特性和原理，分析和论证变频调速方式在消防给水系统中的节能原理和效果。通过对比异步电动机的调速方法后,给水系统中采用的变频调速节能效果显著。最后列举消防给水系统的主要特点。 2、本文就最简的给水泵组控制系统的设计做了详细的叙述，包括硬件电路设计，控制软件的总体方案及程序结构设计，以及相关的控制程序实际。阐述设备的调试及变频器参数设定。最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。2 可编程序控制器（PLC）的概述2.1 PLC的定义 1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程序控制器的定义

15、是：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向消防的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。2.2 PLC的特点（1）抗干扰能力强，可靠性好 PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有

16、周到的考虑。 （2）控制系统结构简单，通用性强 PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。 （3）编程方便，易于使用 PLC是面向消防的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。 （4）功能完善 PLC的输出/输入功能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入/输出。在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电

17、器以及移位寄存器、中间寄存器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。 （5）设计、施工、调试的周期短 用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分不便。而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。 （6）

18、体积小，维护操作方便 PLC体积小，质量轻，便于安装。PLC的输入/输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。 （7）易于实现网络化 PLC可连成功能很强的网络系统。 （8）可实现三电一体化 PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。2.3 PLC的一般组成和基本工作原理2.3.1 PLC的一般组成目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与

19、微机相似。一般地PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM和ROM）、输入输出接口（I/O）电路、电源及其他可选组件构成。前三大部分是PLC完成各种控制任务所必需的，一般称为PLC的基本组成部分，其它可选组件包括编程器、外存储器、I/O模块及通信接口等。2.3.2 PLC的基本工作原理当PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、消防程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如下图2.1所示图2.1PLC的工作过程2.4 PLC的应用设计步骤 PLC控制系统是以程序形式来体现其控

20、制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，即程序设计上。PLC程序设计可遵循以下六步进行： （1）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。 （2）分配输入输出设备 即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些外围设备是接受来自PLC信号的。并将PLC的输入输出口与之进行分配。 （3）设计PLC程序画出梯形图。梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。 （4）实现用计算机对PLC的梯形图的直接编程。 （5）对程序进行调试（模拟和现场）。 （6）保存已完成的程序。 显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控

21、制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系之后，即可进行编程的第二步-分配输入输出设备。在分配了PLC的输入输出点，内部辅助继电器，定时器，计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。在画梯形图时要注意每个从左边开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器，计数器，与实际的电路图不一样。梯形图画好后便用编程软件直接把梯形图输入计算机并下装到PLC进行模拟调试，修改直至符合控制要求，这便是程序设计的整个过程。 3 消防给水系统的特性及原理3.1 给水系统基本特性给水系统的参数表明了给水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用给水系统的特性

22、曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管阻特性曲线。见图3.1。水系统的基本特性和工作点扬程特性是以给水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程与流量Q之间的关系曲线f（Q）。由图3.1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于消防的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qv之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qv)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越

23、大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，给水系统向消防的给水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与给水流量Qg之间的关系H=f(Qg)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为给水系统的工作点，如图3.1中A点。在这一点，消防的用水流量Qv和给水系统的给水流量Qg处于平衡状态，给水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图3.1 给水系统的基本特性3.2 给水系统实现方式实现对给水系统的控制就是为了满足消防对流量的需求。所以，流量是给水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与给

24、水能力(由流量Qg表示)和用水需求(由用水流量Qg表示)之间的平衡情况有关。若：给水能力Qg用水需求Qv，则压力P上升;若：给水能力Qg用水需求Qv，则压力P下降;若：给水能力Qg用水需求Qv，则压力P不变。由此可见，流体压力P的变化反映了给水能力Qg与用水需求Qv之间的矛盾。从而，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压给水就能保证给水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了消防所需的用水流量。将来消防需求发生变化时，需要对给水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。1、阀门控制法转速保持不变，通过调节阀门

25、的开度大小来调节流量。实质是水泵本身的给水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应消防对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。2、转速控制法阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。实质是通过改变水泵的给水能力来适应消防对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。3.3 异步电动机调速的方法及其原理通过转速控制法实现恒压给水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是异步电动机转速的调节910。异步电机的转差率定义为： （3.1） 异步电机的同步速度为： （3.2

26、） 异步电机的转速为： （3.3） 其中：s为转速差；n1为异步电机的理想空载转速，r/min；n为异步电机转子转速，r/min；f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调速。3.3.1 变极调速在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于给水系统中转速的连续调节。3.3.2 变转差调速通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为： （3.4）该损耗和电机的转差率成正比，又称为

27、转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在给水系统中由转速控制法实现恒压给水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。因此变转差调速方法不适用于恒压给水系统中的转速控制法。3.3.3 变频调速从公式(3.3)可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，

28、因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF (Variable voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为：U1/f1=常数式中：U1为变频器输出电压；f1为变频器输出频率。变频调速方式时，电动机的机械特性表达式： （3.5） 式中：m1为电机相数；r1为定子电阻；X1为定子漏电抗；x2为转子漏电抗折算值。频率f从额定值fn往下调时，电机机械特性的变化情况，如图3.2所

29、示。图中Fnf1f2f3f3f4。图3.2 变频调速机械特性3.4 水泵调速运行节能原理在给水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随着阀门开度的改变而改变，但其扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门的开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻的特性不变。变频调速给水方式属于转速

30、控制。其工作原理是根据消防用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。图3.3 管网及水泵的运行特征曲线用阀门控制时，若给水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当给水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从3移到1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H!，运行的工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为(,Q1 ,F ,H1)围成矩形部分，其值为: （3.6） 用调速控制时，若采用恒压(H0)、变速泵(n2)给水，管阻特性曲线为2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此

31、时水泵输出功率用图形表示为(,Q2 ,D ,H0)围成的矩形面积，其值为： （3.7） 可见，改用调速控制，节能量为(H0,D ,F ,H1)围成的矩形面积，其值为： （3.8） 所以，当用阀门控制流量时，有功率被浪费掉。并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是增大，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为： ； ； （3.9）式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。 由公式(3.9)可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式给水功率要小得多，节能效果显著。4 给水泵组及控制要求及控制系统4.1 变频给水泵组 变频给水泵组通常由24台相同功率及类型相同的水泵并联运行，为维修、安装及减振需要，每台泵的进出水管上必须装有阀门、止回阀、橡胶接头等配件。由4台水泵构成的变频泵组实例如 下图： 图4.1 变频给水泵组1、自来水进水阀 2、液压水位控制阀 3、浮球阀 4、储水箱 5、阀门 6、橡胶接头7、水泵 8、橡胶接头 9、止回阀 10、阀门 11、出水总管4.2 泵组的控制要求对变频给水泵组的控制要求是PLC程序设计的依据，因此在设计控制系统及程序之前必须确