基于PLC的供水操纵系统设计.docx

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基于PLC的供水操纵系统设计

湖南工业职业技术学院

HunanIndustryPolytechnic

题目

基于PLC的供水控制系统设计

系名称

电气工程系

专业及班级

机电S2012-1

学生姓名

李长虹

学号

43

指导教师

李力颜志红

摘要

本课题以某小区供水系统的改造为背景，依照供水系统的特性和实际情形的要求，采纳PLC实现供水进程的全自动操纵，知足居民用水的需要。

研究的要紧内容包括:

基于PLC自来水操纵系统整体方案的设计、PLC操纵系统原理、重点探讨PLC操纵系统硬件、软件的设计，对PLC在实际现场操纵进程中常常碰到的一些实际问题的解决，基于该工程项目的电气操纵系统设计与实现展开的，采纳可编程操纵器PLC，完成了整个电气操纵系统的软硬件的设计，大体达到了预期的目标，实现了小区供水的自动化。

关键词PLC；供水系统；自动操纵

第1章绪论

1.1课题背景和意义

咱们都明白，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在建设节约型时期特点的前提下，咱们那个水资源和电能欠缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较掉队，自动化程度低，而随着我国社会经济的进展，人们生活水平的不断提高，和住房制度改革的不断深切，城市中各类小区建设进展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。

小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的靠得住性、稳固性、经济性直接阻碍到小区住户的正常工作和生活，也直接表现了小区物业治理水平的高低。

本系统确实是在这种背景下设计的。

PLC供水系统集电气技术、现代操纵技术于一体。

采纳该系统进行供水能够提高供水系统的稳固性和靠得住性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日趋紧缺的今天尤其重要，因此研究设计该系统，关于提高企业效率和人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.2国内外物业供水系统进展与现状

可编程序操纵器（programlogicalcontroller），简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统。

世界上第一台可编程操纵器是美国数字设备公司（DEC）于1969年研制的。

初期的可编程操纵器由分离元件和中小规模集成电路组成，要紧功能是执行原先由继电器完成的顺序操纵、按时等，PLC将传统的继电器操纵技术与新兴的运算机技术和通信技术融为一体，具有靠得住性高、功能强、应用灵活、编程简单、利用方便等一系列优势。

70年代初期，体积小、功能强和价钱廉价的微处置器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强，具有了：

靠得住性高、具有丰硕的I／O接口模块、采纳模块化结构、编程简单易学安装简单，维修方便等特点。

和良好的工业环境工作性能和自动操纵目标实现性能，在工业生产中取得了普遍的应用。

PLC在物业供水方面也取得了普遍的应用。

传统的小区供水方式有恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差聚散器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等。

这些传统的供水方式或多或少都存在各自的缺点和不足，比如：

恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反映，水泵的增减都依托人工进行手工操作水塔高位水箱供水基建投资大，占地面积大，保护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大、单片机变频调速供水系统开发周期比较长，对操作员的素养要求比较高，靠得住性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。

综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；靠得住性差；自动化程度不高等缺点，在这种情形下人们想到了基于PLC的供水系统设计。

目前国内外基于PLC的供水系统设计技术比较多，而且有些技术已经相当做熟，从简单的基于PLC的恒压供水系统设计到基于PLC的变频恒压供水系统设计，其中后者的变频技术是此刻研究的核心，变频技术是在电力电子技术、运算机技术和自动操纵技术及电机操纵理论进展的基础上进展起来的。

本文的基于PLC的物业供水系统设计属于恒压供水，由于PLC的靠得住性高、功能强、应用灵活、编程简单、利用方便等特点，与传统的供水系统相较本系统有专门大的有效价值。

1.3可编程操纵器（PLC）的特点及应用

可编程序操纵器（program109icalcontroller），简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处置机为基础，综合了运算机技术、自动操纵技术和通信技术等现代科技而进展起来的一种新型工业自动操纵装置，是现今工业发达国家自动操纵的标准设备之一。

由于PLC采纳了“三机一体化”的综合技术即集运算机、仪器仪表、电气操纵于一身，具有高靠得住性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低本钱等诸多特点，因此与其它操纵器相较它加倍适合工业操纵环境和市场的要求，再加上PLC进展进程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从初期的逻辑操纵、顺序操纵迅速扩展到了持续操纵，开始进入批量操纵和进程操纵领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。

1.4基于PLC的物业供水系统实现功能及特点

本设计是基于PLC的物业供水系统，具有以下特点：

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，表示水压正常；K3接通，表示水压偏高。

（1）系统分手动工作和自动工作两种状态，自动工作时，当用水量少，压力增高，K3接通，现在可延时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，现在可延时30s后增设1台水泵工作，要求不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。

（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台水泵可别离独立操作（分设起动和停止开关），并别离具有过载爱惜，可随时对单台水泵进行断电操纵（假设输入点不够，可减少一个过载爱惜收入）。

（4）设有“自动/手动”切换开关（ON——手动，OFF——自动），另设自动运行操纵开关（ON——自动运行，OFF——自动运行停止）。

（5）设有高压报警和低压报警。

高压报警指示灯，当只有一台水泵在工作，可是，水压仍是超过正常值，这时就要报警来提示工作人员，由工作人员决定是不是手动关掉所有水泵。

低压报警指示灯，当4台水泵都投入工作，可是，水压仍是低于正常值，若是这种状态常常发生，那么，那个系统就要考虑增设水泵以保证供水的正常。

第2章供水系统的理论分析及方案的确信

2.1恒压供水系统原理

恒压供水系统的供水部份要紧由水泵、电动机、管道和阀门等组成。

通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，而且把电机和水泵做成一体，通过调剂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，恒压供水系统的实质是电机的工作操纵。

电动机的操纵通常利用接触器，PLC通过操纵接触器来实现自动操纵电机机组的电机从而实现了恒压供水。

2.2系统方案确信

恒压供水的原理分析可知，该系统要紧有压力传感器、压力变送器、恒压操纵单元、水泵机组和低压电器组成。

系统要紧的设计任务是利用恒压操纵单元操纵多台水泵，实现管网水压的恒定压力供水，可供选择的方案有：

一、人工操纵+水泵机组+压力传感器

这种操纵系统结构简单，实现起来也比较容易，确实是派专人看着压力传感器传输过来的数据，人工选择哪台水泵工作和操纵几台水泵机组工作。

这种操纵比较掉队，靠得住性不高。

需要工作人员一直守在操纵室里，实时操纵，效率低。

因此不选并用此方案。

二、单片机+水泵机组+压力传感器

这种方式操纵精度高、操纵算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价钱比。

但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时在运行时，将产生干扰，水泵的功率越大，产生的干扰越大，因此必需采取相应的抗干扰方法来保证系统的靠得住性。

该系统适用于某一特定领域的小容量的恒压供水系统中。

3、PLC+水泵机组+压力传感器

这种操纵方式灵活方便。

具有良好的通信接口，能够方便地与其他的系统进行数据互换，通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各类规模和要求不同操纵系统。

在硬件设计上，只需确信PLC的硬件配置和I／O的外部接线，当操纵要求发生改变时，能够方便地通过Pc机来改变存贮器中的操纵程序，因此现场调试方便。

同时由于PLC的抗干扰能力强、靠得住性高，因此系统的靠得住性大大提高。

因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，而且与供水机组的容量大小无关。

通过对以上这几种方案的比较和分析，能够看出“PLC+水泵机组+压力传感器”的操纵方式更适合于本系统。

这种操纵方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优势，又能达到系统稳固性及操纵精度的要求。

第3章供水系统的硬件设计

3.1系统要紧配置的选型

3.1.1水泵机组的选型

水泵机组的选型大体原那么，一是要确保平稳运行；二是要常常处于高效区运行，以求取得较好的节能成效。

要使泵组常处于高效区运行，那么所选用的泵型必需与系统用水量的转变幅度相匹配。

本文以某小区的实际生活用水的数据进行选型，该小区生活用水具体要求为：

1）由多台水泵机组实现供水，流量范围600m2／h，扬程60米左右，出水口水压大小为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）系统能自动靠得住运行，为方便检修和应急，应具有手动功能。

4）具有完善的过载爱惜功能，系统要求较高的经济运行性能。

依照以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确信供水系统设计秒流量和设计供水压力（水泵扬程），考虑到用水量类型为持续型低流量转变型，确信采纳4台上海熊猫机械（集团）生产的SFL系列主水泵机组。

表3.1水泵机组参数表

型号

数量

主要性能参数

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

150

3.1.2PLC的选型

PLC是整个变频恒压供水操纵系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的搜集、所有输出单元的操纵、恒压的实现和对外的数据互换。

因此咱们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰硕程度、内存空间、通信接口及协议、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，FX1N和FX2N三种型号。

依据操纵任务，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，咱们选择三菱FX1N-40MR-001型PLC。

FX1N-40MR-001的要紧参数为：

I／O点数：

24／16；

大体指令：

27条；

功能指令：

298条；

大体指令执行时刻：

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壮大的普及型PLC。

具有扩展输入输出，模拟量操纵和通信、链接功能等扩展性。

是一款普遍应用于一样的顺序操纵三菱PLC。

特点：

三菱FX1N-40MR-001PLC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系列中高级次的超小形程序装置。

除输入输出16-25点的独立用途外，还能够适用于在多个大体组件间的连接，模拟操纵，定位操纵等特殊用途，是一套能够知足多样化普遍需要的PLC。

三菱FX1N-40MR-001在大体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16/32/48/64/80/128点的主机，能够采纳最小8点的扩展模块进行扩展。

可依照电源及输出形式，自由选择。

程序容量：

内置800步RAM（可输入注释）可利用存储盒，最大可扩充至16K步。

丰硕的软元件应用指令中有多个可利用的简单指令、高速处置指令、输入过滤常数可变，中断输入处置，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。

数据处置、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操纵指令等。

3.1.3压力传感器的选型

压力传感器是供水系统中的要紧传感器。

PLC自动操纵水泵的工作情形的信息全数来自压力传感器，它必需要有很高的靠得住性，若是压力传感器犯错，将会带来灾难性的事故，极可能是管道爆裂或是水压不足，造成居民用水的不方便，因此压力传感器的选用很关键。

依照供水系统的具体的要求，咱们选择佛山一众传感仪器的水压传感器PY206

。

它有以下特点：

水压传感器，厂家采纳入口高精度感应芯体，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固性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成0～5VDC标准电信号。

采纳全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优良的介质兼容性。

普遍用于工业设备、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操纵。

产品概述及特点：

A、采纳入口感压芯片；

B、先进的贴片工艺，具有零点、满量程补偿，温度补偿；

C、高精度和高稳固性放大集成电路；

D、全封焊结构、抗冲击、耐疲劳、靠得住性高；

E、输出信号多样化（有电流型、电压型）；

F、结构小巧，安装方便；

G、采纳高温补偿最高介质温度可达350度；

产品要紧参数：

被测介质：

气体、液体及蒸气（弱侵蚀性）

压力类型：

表压

量程：

-100KPa-0.6Mpa～60Mpa～120Mpa间任意可选（量小量程为0.6MPa,量大量程为120MPa）

输出：

4～20mA（二线制）、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC（三线制）

综合精度：

±0.1%FS（量程60MPa以下）、±0.25%FS、±0.5%FS

供电：

24VDC（15～30VDC）

绝缘电阻：

≥1000MΩ/100VDC

负载电阻:

电流输出型：

最大800Ω电压输出型：

大于50KΩ

介质温度：

-20～85℃、-20～150℃、-20～200℃、-20～300℃（可选）

环境温度：

-20～85℃

贮存温度：

-40～90℃

相对湿度：

0～95%RH

密封品级：

IP65/IP68

过载能力：

150%FS

响应时刻：

≤10mS

稳定性：

≤±0.15%FS/年

振动阻碍：

≤±0.15%FS/年（机械振动频率20Hz～1000Hz）

电气连接：

紧线螺母直接出线；标准配线3米

压力连接：

M20×1.5，其它螺纹可依据客户要求设计

连接螺纹材料：

304/316L不锈钢

产品结构图：

图3-1水压传感器PY206结构图

3.2可编程操纵器I/O分派

表3.2操纵器I/O口分派表

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

X004

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

水泵3手动关

X016

水泵4手动开

X017

水泵4手动关

X020

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阻碍到操纵系统的靠得住性，因此在设定供电系统时应考

虑以下因素：

1）输入电源电压在必然的许诺范围内转变；

2）当输入交流电断电时，应不破坏操纵器程序和数据；

3）当操纵系统不许诺断电的场合，要考虑供电电源的冗余；

4）当外部设备电源通断电时，应不阻碍操纵器的供电；

5）要考虑电源系统的抗干扰方法。

为实现以上要求，在主电路和操纵电路加上了爱惜，包括过载爱惜，当主电路因某些缘故显现故障时，比如水泵过载，这时过载爱惜工作，水泵停止运行既使水泵平安，也使电源供电平安确保PLC的电源正常。

3.3.2供水系统主电路分析与设计

由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，主电路并设有短途经载爱惜。

硬件设设计主电路图如图3-2所示：

图3-2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缘故过载时，主电路上的电流超过正常值时熔断器自动熔断，起到爱惜水泵和主电路的作用。

在每台水泵上单独再安装熔断器FU一、二、3、4，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爱惜主电路的作用，因此，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QS一、二、3、4由人工手动操纵，PLC操纵电路失灵时刀开关是切断电源的唯一方式。

接触器KM一、二、3、4是由PLC自动操纵水泵的开关。

FR一、二、3、4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。

M一、二、3、4代表四台水泵。

3.3.3PLCI/O接线图

图3-3供水系统PLCI/O接线图

如图3-3所示，按键S1-S16别离为不同信号输入，COM口为公共端，Y001-Y015别离为不同操纵信号输出端，输出操纵信号操纵执行电路的工作状态。

其中，S3是自锁开关，当S3接通时系统工作在手动模式，当S3断开时，系统工作在自动模式，而S3的默许状态是断开的。

S4是当系统工作在自动模式时的开关，当S4接通时，自动工作有效，当S4断开时，自动工作停止。

S4-S8是过载爱惜的输入，以开关形式代替。

过载爱惜，除有硬件上的爱惜还有PLC程序中的爱惜，以确保系统的靠得住性。

S9-S16是手动模式下的功能选择，使4台水泵能够任意设置其工作状态，4台水泵在手动操纵模式下是彼此独立的，彼此之间没有阻碍。

Y1-Y4是水泵的接触器操纵端，由于选用的PLC是继电器输出型，因此能够直接驱动接触器，为了增加系统的平安系数，在接触器和PLC组成的回路中加入了热继电器。

Y5-Y10是各个水泵工作状态指示灯口，Y11是自动模式指示灯操纵口，Y12是手动模式指示灯操纵口，Y13是自动模式开关状态之灯操纵接口。

Y14是高压报警指示灯，当只有一台水泵在工作，可是，水压仍是超过正常值，这时就要报警来提示工作人员，由工作人员决定是不是手动关掉所有水泵。

Y15是低压报警指示灯，当4水泵都投入工作，可是，水压仍是低于正常值，若是这种状态常常发生，那么，那个系统就要考虑增设一台水泵以保证供水的正常。

3.3.4压力传感器信号处置

压力传感器选用的是佛山一众传感仪器的水压传感器PY206。

PY206能将水压转换成0～5VDC标准电信号。

采纳入口高精度感应芯体，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固性放大集成电路。

采纳全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优良的介质兼容性。

压力传感器PY206能将水压信号转换成0～5VDC标准电信号，可是，PLC需要的是三个分立的信号：

低水压信号，正常水压，高水压信号。

因此，就必需把压力传感器的输出信号进行转换，为此咱们设计了如图3-4所示的信号转换电路。

图3-4压力传感器信号转换电路

此电路，要紧由电压比较器Lm393，数字芯片非门芯片74f04、同或门74ls266组成。

通过电阻桥式电路分压，设定了高水压和低水压的参考电压，由于水压传感器PY206的输出信号是0～5VDC标准电信号，因此，能够采纳这种形式。

传感器信号接到电压比较器Lm393的2脚和5脚，通过由Lm393组成的窗口比较器电路将水压转换成低中高三档信号送给PLC。

3.3.5报警电路设计

1.必要性分析

确信供水系统整体设计方案的大体依据是设计供水能力能知足系统最不利点的用水需求，同时还需要结合用户用水量转变类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。

依照用户的用水时段特点，可将用户用水量转变类型分为持续型、间歇型两大类，依照流量的转变特点，还可进一步细分为高流量转变型，低流量转变型，全流量转变型等。

不同季节、不同月份，流量转变类型也会改变。

持续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就维持有必然的流量；间歇型指一天内有多段用水低谷时刻，流量很小或为零。

各类类型的水流量转变关系曲线如图3-5所示

图3-5用户用水量转变类型

a）持续型（全流量转变型）b）持续型（高流量转变型）

c）持续型（低流量转变型）d）间歇型

依照以上分析明白：

由于居民用水的集中性，当只有1台水泵在工作时，若是水压传感器还检测到水压太高，这时就要采取行动，不然会使水压太高造成管道破裂，造成水资源和电能的浪费。

在用水顶峰期，4台水泵都投入工作，若是水压传感器传回数据仍显示水压低，这时，部份用户的用水将受到阻碍。

若是常常显现低压报警，那么，就提示治理者增加水泵个数，以保证用水正常。

2.报警电路

图3-6报警电路电路图

如图3-6所示，当报警操纵信号为1时，报警器发声报警。

这时治理者就要依如实际情形作出相应回应，若是是高压报警那么能够通过系统的手动功能，将所有水泵都关掉，或是低压报警，这就要依如实际情形适当增加水泵的数量以确保用户用水的正常。

第4章供水系统的软件设计

供水系统概况：

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，表示水压正常；K3接通，表示水压偏高。

1.操纵要求：

（1）自动工作时，当用水量少，压力增高，K3接通，现在可延时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，现在可延时30s后增设1台水泵工作，要求不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台水泵可别离独立操作（分设起动和停止开关），并别离具有过载爱惜，可随时对单台水泵进行断电操纵。

（4）设置“自动/手动”切换开关（ON——手动，OFF——自动），另设自动运行操纵开关（ON——自动运行，OFF——自动运行停止）。

2.扩展功能报警功能，当只有1台水泵工作，水压仍然高，发生高压报警，当4台水泵都工作，水压仍然低，发生低压报警。

4.1供水系统程序流程图

4.2供水系统程序设计

4.2.1供水系统的程序主体思路

（1）自动工作时，当用水量少，压力增高，K3