PLC控制电机给水装置的设计.docx
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PLC控制电机给水装置的设计
摘要
可编程控制器是一种新型的自动化控制装置。
用PLC取代传统的继电器控制，可靠性高，控制程序可变，使用方便，已被运用于诸多领域。
本文在简要介绍PLC技术的基础上，论述了PLC的性能特点，介绍了它的组成部分，并阐述了PLC的发展趋势。
文章为解决高楼自动供水的控制问题采用PLC为控制核心并结合电接点压力表开发了一套PLC控制给水系统，着重介绍了其工作原理，分析了它的系统配置和工作方式（备有1号和2号两台电机，并采用自动和手动两种工作方式），根据供水系统的控制要求，完成了用PLC控制电机供水系统的设计应用编程。
此系统结构简化，可靠性高，操作方便易掌握。
关键词PLC；控制给水系统；电接点压力表；梯形图
Abstract
TheProgrammableControllerisanewtypeofautomatedcontrolequipment.UsingPLCtoreplacethetraditionalrelaycontrol,highreliabilityandcontrolproceduresvariable,easytouse,hasbeenusedinmanyfields.
ThedissertationhasdiscussedtheperformancecharacteristicofPLConthefoundationofbriefintroductionPLCtechnology.Inthispaper,inordertoresolvetheproblemofautomaticwatersupplyforbuildingusingthePLCtocontrolthecoreofelectricalcontactsandpressuregaugesdevelopedaPLCcontrolwatersupplysystem,focusingitsworkontheprincipleofitssystemconfigurationandworkingmethods（Withinputautomatictwomotorsanduseofautomaticandmanualworkbothways）,thewatersupplysystemunderthecontrolrequirements,completewithaPLCcontroltheelectricalwatersupplysystemforapplicationprogramming.Thissystemofsimplified,highreliabilityandeasytooperateeasytograsp.
KeywordsPLC；controlofwatersupplysystems；electricalcontrolmanometer；Trapeziumchart
目录
摘要Ⅰ
AbstractⅡ
第1章绪论1
1.1引言1
1.2可编程控制器（PLC）的概述1
1.2.1可编程控制器（PLC）的特点与发展趋势1
1.2.2可编程控制器（PLC）的组成2
1.2.3可编程控制器（PLC）控制系统的设计原则2
第2章PLC控制电机给水装置的设计3
2.1PLC在给水装置系统中的应用3
2.2PLC给水装置系统的工作原理3
2.2.1PLC控制系统主回路部分3
2.2.2PLC控制系统控制回路部分4
2.3可编程控制器PLC控制给水系统的配置8
2.3.1PLC的型号选择8
2.3.2主电路中元件的选择9
2.3.3控制电机给水装置系统PLC的I/O点分配表9
2.3.4PLC控制系统的Ｉ/Ｏ硬件接线图10
2.3.5PLC控制给水系统的梯形图10
2.3.6PLC控制给水系统的指令程序14
结论17
参考文献18
致谢19
第1章绪论
1.1引言
水是人类生产生活中不可缺少的重要组成部分，随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。
我国由于水资源和电能短缺比较严重，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环用水等方面技术一直比较落后，而且自动化程度低。
例如,人们日常生活中的用水量越来越大,一天中的用水量的波动也越来越大。
以往的供水系统中,水泵的选取往往是按最大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。
高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力、水资源的浪费。
在节水节能已成为时代特征的今天，有必要对现有供水系统进行改造和重新设计,提高其自动化水平,因此设计开发出可靠性高、控制性能好的恒压供水系统具有很重要的现实意义。
然而，在解决此类问题时，若把全部原有的供水系统改换掉，则需投入相当高的经济费用，并对原有资源造成极大浪费，因此本文提出一种比较经济实用的方法，即对原有设备进行改造，在其原有基础上利用电接点压力表的水压上、下限，利用PLC对系统进行控制。
这样既可达到供水目的，又节省了经济费用。
PLC控制回路不仅使电机有好的转矩特性和快速响应，而且还具有过流、欠压、过载等多种保护功能，PLC采用了软件来取代继电器控制系统，使控制柜的设计安装接线工作量大为减少，其低故障率及很强的监视功能使维修也极为方便，极大的延长了电机的使用寿命。
水泵电机主控参数为管网压力，当管网负荷发生变化时，装置通过管网压力检测单元（电接点压力表）将输出不同的水压来控制水泵电机的运行与否，此时电机既是动力源又是调节执行机构，实现了管网压力自动调节的控制功能，使管网内的压力基本保持在给定范围内。
1.2可编程控制器（PLC）的概述
1.2.1可编程控制器（PLC）的特点与发展趋势
可编程控制器（programmableLogiccontroller），简称PLC，是一种带有指令存储器和数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑顺序定时计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。
它是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术自动控制技术及通信技术于一体的一种新型工业控制装置。
可编程控制器是一种面向生产过程控制的数字电子装置，不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络，采用面向用户的梯形图，具有编程简单、可靠性高、调试周期短更便于实现自动化的特点。
作为一种先进而又成熟的技术，PLC不但以良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能日趋完善。
展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展：
一是大型可编程控制器向高速、大容量和高功能方向发展；二是发展简易经济的超小型可编程控制器，以适应单机控制及小型设备自动化的需要，此外，大力开发智能型I/O模块和分布式I/O子系统，不断增强PLC工业控制的功能，研制及采用标准工业总线，增强可编程控制器的联网通信功能，便于分散控制与集中控制的实现，在可编程控制器的发展中也具有重要的意义。
在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术和计算机辅助设计/计算机辅助制造技术将成为实现工业生产自动化的三大支柱。
1.2.2可编程控制器（PLC）的组成
PLC的组成与计算机相同，它就是一台适合工业现场使用的专用计算机。
它的基本组成部分包括中央处理单元（CPU）、存储器单元、输入/输出模块、电源、扩展接口、通信接口等。
此外，PLC通过各种接口可以与编程器、监视器、打印机等外部设备相连接。
1.2.3可编程控制器（PLC）控制系统的设计原则
PLC系统设计应当遵循以下原则：
1.最大限度地满足被控对象和用户的控制要求。
2.在满足被控要求的前提下，力求使控制系统操作简单、使用及维修方便。
3.控制系统安全可靠，具有合理的使用寿命。
4.在满足以上各点的基础上，尽量少花钱，多办事。
5.考虑到今后的发展和工艺的改进，在配置硬件设备时应留有一定余量。
第2章PLC控制电机给水装置的设计
2.1PLC在给水装置系统中的应用
本文采用PLC控制给水装置系统，是鉴于PLC机可靠性较高、控制灵活、使用方便以及能经受恶劣环境的考验的优点，在工业控制领域获得广泛的应用。
它大大改善了传统采用继电器逻辑线路自动控制中维修时间长影响生产率，无法满足现代产品更新加速需求的情况。
PLC机在给水控制中设有手动控制和自动控制两种工作状态，通过手动/自动转换开关ZH1切换。
如需紧急停机，可把ZH1合到手动方式位置，自动工作终止。
PLC控制系统的程序设计编程时，根据电控元件状态表作出梯形图，根据梯形图，按触点与线圈的连接，通过指令助记符编写控制语句，便得到给水装置的控制设计的PLC控制程序。
2.2PLC给水装置系统的工作原理
本PLC控制系统采用两台补水泵电机，需根据管网压力实现手动或自动向系统补水，通过手动/自动转换开关ZH1切换，自动控制系统主要用于系统正常运行，手动控制主要用于维修时使用。
此外，本系统在自动控制状态下有两种工作方式：
方式1（一台投入，一台备用）和方式2（两台水泵交替运行模式，为防止一台电机长时间运转而另一台电机长期不运转而造成管网中其它设备故障）。
管网压力由电接点压力表测出，压力上限为0.5kg，压力下限为0.1kg,当管网压力低于压力表下限（≤0.1kg）时,电动机带动补水泵加水加压；当达到设定的压力表上限（≥0.5kg）时，电动机停止转动，此时系统处于平衡工作状态。
本系统由主回路和控制回路组成，在主回路中采用Y－△降压起动，主要起保护电动机的作用，并同时设有短路保护和过载保护。
短路保护采用熔断器，过载保护采用热继电器。
控制回路采用电接点压力表和三个中间继电器实现对两台电机的控制。
2.2.1PLC控制系统主回路部分
1.星—三角形减压起动控制
星-三角控制线路起动时将电动机定子绕组联结成星形，加在电动机每项绕组上的电压为额定电压的
，起动电流是用角形联结直接启动的1/3，避免了起动时过大的起动电流。
待起动后按预先整定的时间把电动机换成三角形联结，使电动机在额定电压下运行。
星-三角形起动装置具有体积小、重量轻、成本低、运行可靠、维修方便等优点，因此广泛应用于中小型笼型感应电动机的起动。
2.控制系统主回路接线图
如图2-1所示，主电路包括从电源到电动机的电路，是强电流通过的部分，画在原理图的左边。
图2-1控制系统主回路接线图
3.主回路动作过程分析
该控制系统的主回路接线图如图2-1所示，在主回路中，两电动机均设有自动和手动运行两种状态，并采用Y-△降压起动，从而减小了起动电流，起到了保护电动机的作用。
QS1为电源总开关，QS2为1号电动机的隔离开关，QS3为2号电动机的隔离开关。
熔断器在电路中用做短路保护，热继电器则用做过载保护，图中KM1和KMY1,KM2和KMY2分别为两台电动机自动投入运行状态下Y型连接交流接触器；KM2和KMY1，KM4和KMY2分别为两台电动机手动状态下Y型连接交流接触器；KM1和KM△1，KM3和KM△2为水泵电动机自动状态下△型连接交流接触器；KM2和KM△1，KM4和KM△2为水泵电动机手动状态下△型连接交流接触器。
2.2.2PLC控制系统控制回路部分
1.系统控制回路电气接线图
如图2-2所示，控制回路是通过弱电流的电路。
一般由按钮、电器元件的线圈、接触器的辅助触头、继电器的触头等组成。
如下图所示,它是画梯形图的基础和前提，画在原理图的右边。
图2-2控制回路接线图
2.系统控制回路工作原理概述
（1）该系统控制回路电气接线图如图2-2所示。
控制回路部分选用可编程控制器（PLC）作为设计的基本元件，系统拥有自动控制部分和手动控制部分，包括输入继电器X及中间继电器M等。
（2）电接点压力表:
①电接点压力表结构原理：
仪表的弹性在检测介质的作用下，带动齿轮传动机构，使指针指示现场压力值，同时，带动电接点组的动触点与静触点接通，既发出开关信号又达到自控的目的，因此，该仪表可做远程信号控制使用，使用时可将上、下限闭锁（设定）指针调到指定压力即可。
②电接点压力表的适用范围：
电接点压力表作为指示、控制仪表，广泛用于自动对压力进行区间控制的场合，如：
电机给水，压力润滑系统等。
电接点压力表通常与相应的电器元件（如继电器及接触器）配套使用。
其内部含有一个随指针一起运动的动触头和两个分别设定压力下限和上限的静触头。
在设定的压力区间内，压力表指针处在设定的压力值（上、下限）时，相应的触点便与动触头接通，离开设定的压力值时便断开。
（3）控制原理：
当压力低至设定的下限时，动触头与下限触头闭合，接触器得电吸合，电机带动水泵等工作加压；当压力达到设定的上限时，动触头与上限触
头闭合，中间继电器得电吸合，接触器失电释放，电机停止，暂停加压。
然后随着水的泄放，压力降低，动触头与上限触头断开，中间继电器失电释放。
当压力降至下限时又重复上述过程，如此循环工作。
3.系统控制回路工作过程分块阐述
（1）当转换开关ZH1拨向一号端子（ZH11）时，电路为自动控制运行电路，本系统在自动控制状态下有两种工作方式：
方式1和方式2，通过转换开关ZH2选择
①方式1（ZH2拨向1号端子）:
一台投入，一台备用，通过转换开关ZH3选择。
a.一号电机M1的自行起动（M1投入，M2备用）
系统运行中当电接点压力表测得管网压力为下限值时，说明系统该运行供水，此时中间继电器KA2线圈得电，它的常开触头KA2闭合，从而使得KA3线圈也得电，它的常开触头KA3闭合，实现自锁保证了KA3的正常得电；同时为ZH2支路的通电创造条件，将ZH3转换开关拨到1号端子位置（ZH31）使得KM1线圈得电，其常开触头KM1闭合，从而使KMY1线圈得电，电机M1为星形运行方式运行，延时几秒后星形线圈失电，KM△1线圈得电，电机变为三角形运行－正常运行，带动补水泵进行加水加压。
在KM1线圈得电的同时KM1的常闭触头断开使得电机M1手动控制支路的KM2线圈不得电，以防触电。
b.二号电机M2的自行起动（M2投入，M1备用）
若正常投入运行电动机M1出现故障，此时将运行备用电动机M2，将转换开关ZH3拨向2号端子（ZH32）位置，M2的起动方式与M1起动方式同理。
即备用电机自动控制回路，当电接点压力表测得管网压力为下限值时KM3线圈得电，其常开触头KM3闭合，实现自锁，同时备用电机M2以Y-△降压起动方式自动运行，带动补水泵进行加水加压；同时KM3的常闭触头断开使得备用电动机M2手动控制支路的KM4线圈不能得电，以防触电。
c.当管网压力达到设定的电接点压力表上限值时，此时说明系统正常供水，中间继电器KA1线圈将得电，其常闭触点KA1断开，从而使中间继电器KA3断电，电动机M1也将断电停止转动，此时两台补水电动机M1,M2均不能工作，这说明管网压力达到恒压状态，系统处于平衡工作状态。
②方式2（ZH2拨向2号端子）:
两台电机交替运行
系统运行中当电接点压力表测得管网压力为下限值时，系统启动进行给水，此时中间继电器KA2线圈得电，它的常开触头KA2闭合，从而使得KA3线圈也得电，它的常开触头KA3闭合并自锁。
将ZH2转换开关拨到2号端子位置（ZH22）使得KM5线圈得电，其常开触头KM5闭合，电机M1进行Y-△降压起动，与方式1电机启动同理;其常闭触头KM5断开，使电机M2支路的KM6线圈不能得电，以防触电。
同时，延时电路KT3线圈得电，经过延时一段时间后（本系统设为15天），延时电路动作，其常闭触头KT3断开,线圈KM5失电，其常开触头KM5断开，电机M1停止工作。
同时常开触头KT3闭合，使得KM6线圈得电，其常开触头KM6闭合，电机M2进行Y-△降压起动并自锁。
此时，常闭触头KM6断开，延时电路KT3各触头复位。
同时，延时电路KT4线圈得电，经过延时一段时间后（本系统设为15天），延时电路动作，其常闭触头KT4断开,线圈KM6失电，其常开触头KM6断开，电机M2停止工作。
此时常闭触头KM6闭合，当压力降至下限时又重复上述过程，如此循环工作。
（注：
方式2中所涉及到的定时器及延时电路，在实际应用中为PLC内部计数器，为方便在接线图中的表示和工作原理的阐述，在此用定时器代替。
实际内部长延时电路见梯形图）
③小结
由以上可知，自动运行下的两种工作方式是相互独立的，操作人员可根据实际情况进行选择，操作方便，且降低了维修难度。
（2）当转换开关ZH1拨向2号端子（ZH12）时，电路可实现手动控制与自动控制的转换：
①一号电动机M1的手动运行
按下投入运行电动机M1起动按钮SB2，KM2线圈得电，其常开触点将闭合实现自锁，同时它的另一常开触头闭合，从而使KMY1线圈得电，投入运行电机M1为星形运行方式运行，延时几秒后星形线圈失电，KM△1线圈得电，电机变为三角形运行－正常运行，从而使电动机M1运行带动补水泵进行加水加压；当管网压力达到设定的电接点压力表上限值时，按下停止按钮SB1，此时KM2失电，电动机M1停止转动，管网压力保持恒定；
②二号电动机M2的手动运行
若正常投入运行电机M1出现故障，将起动备用电机M2，按下备用电动机M2起动按钮SB4，KM4线圈得电，其常开触点KM4将闭合实现自锁，并使得备用电动机以星-三角降压起动方式运行，从而带动补水泵进行加水加压；当管网压力达到设定的电接点压力表上限值时，按下停止按钮SB3，此时KM4失电，电动机M2停止转动，管网压力保持恒定。
③小结
由以上可知，电动机M1或电动机M2在自动运行（方式1或方式2）过程当中出现故障时，都可以在转换开关的控制下由自动控制状态转换到手动控制状态运行。
此时可检修自动回路，及时排除故障，从而保证系统正常运行。
（3）指示灯的控制：
无论电机运行在自动或手动状态，指示灯L1、L2都指示相应的电动机工作情况。
对应关系为：
1号电动机M1自动运行时对应指示灯L1亮，2号电动机M2自动运行时对应指示灯L2亮，1号电动机手动运行时对应指示灯L1亮，2号电动机手动运行时对应指示灯L2亮。
即：
一号电机无论处于手动状态还是自动状态只要正常运行其对应指示灯L1亮，二号电机无论出于手动状态还是自动状态其对应指示灯L2亮。
4.结论
本系统以德国西门子（SIEMENS）S7-200系列可编程控制器为控制核心。
按工艺要求系统和I/O点数，选用了CPU226型的可编程控制器。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化，耐恶劣环境能力强，系统可靠性好。
由压力系统和控制系统的相互关系，写出PLC各输出与输入信号的逻辑关系，再由逻辑关系转化为梯形图。
程序由手动控制和自动控制（方式1和方式2）的逻辑关系梯形图组成。
为了电机运行安全，设有指示灯指示和连锁，互锁控制。
当管网压力达到上限时中间继电器KA1得电工作，互锁KA3使得工作电机不得电，当管网压力达到下限时中间继电器KA3得电工作，关联继电器相应工作后，相应指示灯亮，工作人员便于查看，一目了然，从而方便维修。
2.3可编程控制器PLC控制给水系统的配置
2.3.1PLC的型号选择
PLC的种类和规格很多，不同厂家生产的大中小型PLC的结构功能不尽相同,但它们的基本结构与工作原理大体相同。
S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器，其结构紧凑、系列完整、功能完善、具有很高的性价比，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动控制系统。
由于有很强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。
应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。
S7-200系列PLC可提供4种不同型号的CPU，根据本系统工艺要求选用了CPU226型的可编程控制器，本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸，用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能，可完全适应于各种中小型控制系统。
2.3.2主电路中元件的选择
1.刀开关的选择：
选用HD13-220/31型。
刀开关主要用于低压配电系统及电气控制系统中，对电路和电器设备进行不频繁地通断、转换电源或负载控制，有的还可用作小容量笼型异步电动机的直接起动控制。
在选用刀开关时，刀开关的额定电压应大于或等于电路的额定电压，额定电流应稍大于或等于电路中的工作电流，刀开关的极数、位置数和操作方式可根据实际需要选定。
当用刀开关直接通断小型负载时，应注意选择相应的通断能力。
2.熔断器的选择：
选择RM10-60型。
熔断器是一种简单而有效的保护电器，在电路中起断路保护作用。
它用于不同性质的负载,串联于被保护电路中，当电路发生短路故障时熔体被瞬间熔断而起到保护作用。
其熔断额定电流的选用方法也不同，其中最主要的是其额定电压应大于或等于线路的工作电压。
其额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流，保护多台电动机时，熔断器的额定电流应大于且等于各台电动机额定电流之和与其中某台最大额定电流的（1.5-2.5）倍的总和。
3.热继电器的选择：
选用JR16-20/3D型。
它是利用电流的热效应原理工作的电器，广泛应用于三相异步电动机的长期过载保护。
热继电器的额定电流是20A，主要是根据接触器的额定电流和电动机的额定电流选定其型号及热元件的额定电流等级。
电动机在实际运行中常会遇到过载情况，但只要过载不严重，时间短，绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。
此特点能保证电机起动时和短时过载时正常工作。
反之如果情况严重，时间长则会加速电动机绝缘老化甚至烧毁，因此必需对电动机进行长期过载保护
4.交流接触器的选择：
选用CJ20-16型。
其中额定工作电压220V，额定工作电流16A。
接触器主要控制对象是电动机，能实现远距离控制，并且具有欠压保护作用。
它的额定电压是指主触头的额定电压，应等于负载的额定电压。
额定电流是指主触头的额定电流，应等于或稍大于负载的额定电流。
电磁线圈的额定电压应等于控制回路的电源电压。
一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器。
再一个重要的是触头的数目，它应满足控制回路的要求。
2.3.3控制电机给水装置系统PLC的I/O点分配表
表2-1PLC输入端子分配表
Table2-1PLCinputterminalsallocationtable
PLC点名称
连结的外部设备
功能说明
I0.0
ZH11
线路自动控制运行转换开关
I0.1
ZH12
线路手动控制运行转换开关
I0.2
ZH21
线路自动控制运行方式1转换开关
I0.3
ZH22
线路自动控制运行方式2转换开关
I0.4
ZH31
方式1：
电机M1自动运行转换开关
I0.5
ZH32
方式1：
电机M
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