基于PLC的小区排水自动控制系统.docx
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基于PLC的小区排水自动控制系统
基于 PLC 的小区排水自动控制系统
1引言 .....................................................1
1.1 研究背景 ...........................................................1
1.2 研究目的和意义 .....................................................1
1.3 设计内容及实现目标 .................................................1
2系统总体设计 ................................................2
2.1 系统控制功能要求 ...................................................2
2.2 系统控制工艺的确定 .................................................2
2.3 确定设计方案 .......................................................3
3 控制系统硬件设计 .............................................4
3.1 PLC 选型及扩展 .....................................................4
3.1.1 PLC 的选型 ...................................................4
3.1.2 模拟量输出模块的选择 .........................................5
3.2 电机及驱动控制 ....................................................6
3.2.1 电机的选择 ...................................................6
3.2.2 变频器的选择 .................................................6
3.3 低压电器选型 ......................................................7
3.3.1 低压断路器 ...................................................7
3.3.2 继电器 .......................................................8
3.3.3 熔断器 .......................................................8
3.3.4 水位开关 .....................................................8
3.4 电源的设计 ........................................................9
3.5 人机接口的设计 ...................................................10
4 控制系统软件设计 ............................................11
4.1 控制程序流程图 ...................................................11
4.2 显示操作界面设计 .................................................12
5 控制系统软件调试 ............................................14
5.1 系统启动 .........................................................14
5.2 系统高水位排水 ...................................................14
5.3 系统变频器上电调速 ................................................15
5.4 系统电机运行 ......................................................16
5.5 系统低水位停止排水 ................................................17
结束语 ........................................................18
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 ..........................................................23
1
1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
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。
1
2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。
（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。
2
（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 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。
电机
人机界面
模拟量输出
变
频
器
1
电机
2
PLC
液位开关
数字量输入
数字量输出
报警
图 2.2系统控制方案图
3
3 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 CPU224 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
4
3.1.2 模拟量输出模块的选择
该系统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。
去变频器1 去变频器2
AIN1- AIN1+AIN1- AIN1+
EM232
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SF1I0.0
2停止SF2I0.1
3蓄水池高水位开关信号BG1I0.2
4蓄水池低水位开关信号BG2I0.3
小区自动排水控制系统的 PLC 输出接口如下表 3.4 所示。
5
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KF1Q0.0
2电机 2 继电器KF2Q0.1
3蓄水池高水位红色指示灯PG1Q0.2
4蓄水池低水位绿色指示灯PG2Q0.3
5变频器 1 接触器QA1Q0.4
6变频器 2 接触器QA2Q0.5
7报警红色指示灯PG3Q0.6
8电机 1 运行指示灯PG4Q0.7
9电机 2 运行指示灯PG5Q1.0
小区自动排水系统的 PLC 模拟量输出接口如下表 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 1
AQW2变频器 2
3.2 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
6
拟量输出（0~20 mA），2 个模拟输入：
AIN1：
0~10 V， 0~20 mA 和–10 至+10 V；
AIN2：
0~10 V， 0~20 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
7
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
100A100A35KA4000 次4000 次150mm
3.3.2 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
220V19W300 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
380V100A50KA0.25
3.3.4 水位开关
采用 SKYWEAL 的 LSYZ-6 型侧装浮
8
球开关，每个蓄水池在满水位和无水水位分别安装一个，可分别发出脉冲。
LYZ 系列侧装型小尺寸单点液位开关。
这种低价位的开关适合于在小容器的应用
中大量使用。
工程塑料的构造提供了与水、油和化学物质的广泛兼容性。
开关额定值：
SPST，20VA，引线规格：
No.22 AWG，安装方式：
水平，工作电压：
DC24V。
按照安装位置的不同，这些开关上的浮子随液位的上升或下降而移动。
将开
关旋转 180°，开关的动作可以是 N.O.（常开）或 N.C.（常闭）。
开关安装表面的箭头向上
时表示 N.O.（常开）
其他元件，见表 3.10 的元件明细表。
表 3.10 元件明细表
文字符号名称型号数量
MA1～MA2电动机Y 系列2
TA1～TA2变频器MM4302
FA1～FA6熔断器RL1B6
QA1～QA3断路器DZ20J-1003
TA1～TA2变压器BK-1002
SF1～SF2按钮LAY372
QA4～QA5接触器DJX-92
PG1～PG5指示灯AD16-225
KF1～KF2继电器HH52P2
BG1～BG2限位开关XCE1022
TP触摸屏TP177B1
PS电源模块HMAC-JDC28Z15Y2
PLC可编程序控制器S7-2001
3.4 电源的设计
直流电源模块采用 HMAC-JDC28Z15Y 型直流电源模块，由于控制电路的指示灯等
元件工作电压为直流 24V，需将 220V 电源电压经过变比为 8：
1 的降压变压器进行电压
变换得到交流为 27.5V 的交流电，再经过整流电路、滤波电路得到 24V 的直流电压。
可
编程序控制器一般使用市电（220V，50Hz）。
电网的冲击、频率的波动将直接影响到
可编程序控制器系统实时控制的精度和可靠性，有时电网的冲击，可给系统带来毁灭性
9
的破坏。
为了提高系统的可靠性和抗干扰性能，在对可编程序控制器的供电系统设计中
采用隔离变压器，这样可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高了系统的抗干
扰性能。
对于 S7-200PLC 的供电电源，采用一个独立的开关，它能够同时切断 CPU、
输入电路和输出电路的所有供电，并用断路器过电流保护装置来限制供电线路中的电流。
其工作电源的接线图如图 3.11 所示。
PE
N
L1
L2
L3
FA4
FA5
FA6
QA4
QA7
TA1 变比8:
1
24V直流电
源模块
+
PLC模块电源
TA2 变比8:
1
-
QA8
24V直流电
+
-
QA9
TA3 变比8:
1
+
PLC工作电源
-
图 3.11 工作电源的接线
3.5 人机接口的设计
本次设计采用 TP177B，该产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、
显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，其中处理器的性能决定了 HMI 产
品的性能高低，是 HMI 的核心单元。
HMI 软件一般分为两部分，即运行于 HMI 硬件中
的系统软件和运行于 PC 机 Windows 操作系统下的画面组态软件。
使用者都必须先使用
HMI 的画面组态软件制作“工程文件”，再通过 PC 机和 HMI 产品的串行通讯口，把编制
好的“工程文件”下载到 HMI 的处理器中运行。
TP177B 具有透明，绝对坐标，检测触摸
并定位的特性。
触摸屏的结构图如图 3.12 所示。
图 3.12 触摸屏的结构图
10
4 控制系统软件设计
4.1 控制程序流程图
采用西门子公司为 S7—200 系列 PLC 开发的 STEP7—Micro/WIN32 作为编程软件，
上面介绍了小区自动排水控制系统的结构、工作原理和电气控制部分的结构，硬件结构
的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的控制要求和硬件部
分的设计情况及 PLC 控制系统 I/O 的分配情况，进行软件编程设计。
在软件的设计中，
首先按照需要实现的功能要求做出流程框图，其次按照不同功能编写不同功能模块，这
样写出的程序条例清晰，既方便编写，也便于调试。
根据控制要求，建立小区自动排水系统控制流程图，表达出各控制对象的动作顺序，
相互间的制约关系。
如图 4.1 所示：
开始
自动操作
关闭电动阀
电机停止工作
N
蓄水池水位高
Y
打开电动阀
蓄水池排水
蓄水池水位高
N
自动动作结束
结束
图4.1 软件总流程图
11
Y
4.2 显示操作界面设计
本系统设计的操作界面采用 WinCC flexible 2008 设计组态画面，并通过 TP177B 触
摸屏来控制。
起始画面如图 4.2 所示，当按下启动按钮后，该小区自动排水控制系统开始工作，
此时将进入下一个画面，当按下停止按钮时，该小区自动排水控制系统停止工作。
如图
4.2 所示：
图 4.2 触摸屏起始画面
当系统开始工作后，如果蓄水池中的水位高于正常水位时，电机 1 或电机 2 将会启
动，系统开始排水。
我们可以通过画面中的按钮来控制电动机 1 和电动机 2。
如果需要
系统停止运行，我们可以直接按下停止按钮。
如图 4.3 所示。
12
图 4.3 电动机控制界面
当蓄水池中的水位较低时，关闭蓄水池的阀门，并且同时启动报警计时器，报警指
示灯亮。
按下系统启动按钮可取消报警，若不采取任何措施，在计时 3 分钟后系统强制
断电以防机组烧坏。
报警画面如图 4.4 所示：
图 4.4 系统报警界面
13
5 控制系统软件调试
本次仿真调试采用 S7-200 仿真软件，该仿真软件可以仿真大量的 S7-200 指令。
支
持常用的位触点指令、定时器指令、计数器指令、比较指令、逻辑运算指令和大部分的
数学运算指令等。
在不能完成实际接线调试的情况下，可以通过该软件进行仿真调试。
5.1 系统启动
蓄水池中的水位达到高水位时，系统启动。
如图 5.1 所示：
图 5.1 蓄水池中水位为高水位时仿真图
5.2 系统高水位排水
当按下启动按钮 I0.0 后，蓄水池高水位信号指示灯亮，电机 1 运行，运行指示灯
亮。
系统开始排水，如图 5.2 所示：
14
图 5.2 蓄水池为高水位时排水仿真图
5.3 系统变频器上电调速
当按下启动按钮 I0.0 后，变频器 1 上电并对电机 1 调速。
如图 5.3
升级会员 