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基于PLC的物业恒压供水系统设计论文
摘要
我国正在建设节约型社会，在国家的号召下全社会都要有节能减排的意识。
针对物业小区供水的问题，为了满足人们对供水质量和供水系统可靠性的要求，所以采用先进的PLC设备来设计节能高可靠性的恒压供水系统。
针对目前的小区供水系统中存在的电能、水资源浪费且供水质量差等问题采用三菱FX2NPLC为核心控制器，构成恒压供水系统。
该系统是以管网水压为设定参数，根据用水量的大小由PLC控制投入运行的水泵的数量实现管网水压的闭环调节，即实现恒压供水。
本报告用四章的篇幅详细的讨论该设计的内容，关键的部分都有详细的说明和演示。
本设计的全部程序均通过PLC调试。
硬件部分列出参考元件，软件部分列出详细程序和程序分析的详细图解，心得体会部分写了本次设计中出现的各种问题和最终的解决办法。
关键字：
PLC，供水，恒压，三菱FX2N
目录
第一章概述…………………………………………………………1
第二章硬件设计…………………………………………………3
2.1系统主电路………………………………………………3
2.2系统I/O资源分配……………………………………3
2.3PLCI/O接线图…………………………………………4
2.4系统使用电器元件……………………………………5
第三章软件设计…………………………………………………6
3.1系统流程图………………………………………………6
3.2程序梯形图………………………………………………6
3.3程序指令表………………………………………………11
3.4系统总体构思……………………………………………17
3.4.1梯形图总体构思……………………………………17
3.4.2系统内部辅助继电器含义………………………17
3.4.3初始化及输出程序解析…………………………18
3.4.4手动自动切换部分…………………………………19
3.4.5手动运行的控制……………………………………19
3.4.6自动运行控制…………………………………………19
3.4.7增泵减泵控制部分…………………………………20
第四章结论……………………………………………………………22
参考文献………………………………………………………………14
第一章概述
几种供水系统的比较：
1．恒速泵加压供水：
这种方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
2．重力供水：
重力供水通常需要设置水箱或者水塔，系统用水是由水箱或者水塔直接供应，所以供水压力比较稳定。
但它需要由位置高度所形成的压力进行供水，为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。
同时由于其存水比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，此外，屋顶水箱还必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，存在投资大、周期长、能源浪费大的缺点。
3．气压供水：
气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐内的空气将罐内储水压到管网中去。
它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声，缺点是体积和投资大、压力变化大、运行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。
通过对以上三种传统的供水问题解决办法进行分析可以看出以上三种方案的共同缺点是：
自动化程度低，占用大量的面积，运行效率低，成本较高。
这些不足不能满足现在小区用户对供水质量和供水系统可靠性的要求。
为了解决这些问题，本设计采用先进的PLC控制器，将自动控制方法、传感器理论用在系统中实现供水系统的自动调节恒压供水。
该方法是目前比较流行的控制方法，其卓越的性能赢得用户的赞同。
本设计是基于PLC的物业供水系统，具有以下特点：
1.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。
2.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，此时可延时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，此时可延时30s后增设1台水泵工作，要求未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；手动工作时，要求4台水泵可分别独立操作（分设起动和停止开关），并分别具有过载保护，可随时对单台水泵进行断电控制（若输入点不够，可用I/O扩展模块）。
3.并设有“自动/手动”切换开关（ON——手动，OFF——自动），另设自动运行控制开关（ON——自动运行，OFF——自动运行停止）。
4.各水泵工作时，均应有工作状态显示。
第一章硬件设计
2.1系统主电路
如图2-1所示，为系统的主控图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：
J02-41-4，4.0kw，1440转/分，380v，8.4A。
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，主电路并设有短路过载保护。
主电路如图2-1所示。
图2-1系统主控图
2.2PLCI/O资源分配
本设计的控制部分由PLC完成，由于本系统控制分手动和自动运行，手动运行时，每台水泵分别有启动和停止开关输入，自动运行时，需要有自动运行/停止开关输入，水压判断开关以及保护输入等，还有四个水泵输出。
所以PLC的I/O地址分配表如表2-1所示。
表2-1I/O资源分配
输入
输出
X0
系统启动初始化
X11
二号水泵独立停止输入端
Y0
一号水泵运行
X1
手动自动控制切换（“ON”为手动）
X12
三号水泵独立启动输入端
Y1
二号水泵运行
X2
自动运行启动开关（“ON”为启动）
X13
三号水泵独立停止输入端
Y2
三号水泵运行
X3
低水压传感器输入端
X14
四号水泵独立启动输入端
Y3
四号水泵运行
X4
水压正常输入端
X15
四号水泵独立停止输入端
X5
高水压传感器输入端
X16
一号水泵热保护输入
X6
一号水泵独立启动输入端
X17
二号水泵热保护输入
X7
一号水泵独立停止输入端
X20
三号电机热保护输入
X10
二号水泵独立启动输入端
X21
四号水泵热保护输入
2.3PLCI/O接线图
系统的I/O接线图如图2-2所示。
图2-2I/O接线图
2.4电器元件列表
电器元件一览表如表2-2所示。
表2-2电器元件一览表
元件
数量（个）
描述
水泵
4
J02-41-4,4.0kw,1440转/分,380V,8.4A
PLC
1
FX2NTHMR51
接触器
4
CJ20-10,额定电压380V，约定发热电流Ith10A，线圈控制功率启动65/47.6吸持8.3/2.5
热过载保护器
4
JR20-10，热元件号11R，正定电流4～5～6A
按钮开关
13
LA18-22，发热电流5A
水压传感器
3
8AM693，12-36VDC，0.1-70MPa
第三章：
软件设计
3.1系统流程图
由于该系统即可以手动运行又可以自动运行，所以本系统设计主要分两部分，一部分是手动模块，一部分是自动模块。
系统的总流程图如图3-1所示。
图3-1系统流程图
3.2程序梯形图
由设计要求画的程序梯形图如图3-2所示。
图3-2程序梯形图
3.3程序指令表
由梯形图转换为指令表如下
3.4系统总体构思
3.4.1梯形图总体构思
制定梯形图结构：
程序中包括手动运行、自动运行两种工作方式，梯形图结构如图3.1所示，。
当X1为“ON”时，为手动控制，可以分别控制四台水泵的启动和停止；当X1为“OFF”且X2为“ON”时为自动运行状态，自动工作时，当用水量少，压力增高，K3接通，此时可延时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，此时可延时30s后增设1台水泵工作，要求未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。
手动运行时，可实现对每一台水泵的单独启动停止控制。
由于需要在不同的模块间切换，所以采用CJ指令来实现。
用输入开关量关系判断向哪个模块跳转。
3.4.2系统内部辅助继电器含义
在程序中经常要使用中间继电器，为了读程序方便将该程序中使用的中间继电器含义列表3-1如下：
表3-1程序内部使用辅助继电器（M）含义
M71
一号水泵工作标志
M72
二号水泵工作标志
M73
三号水泵工作标志
M74
四号水泵工作标志
M101
水泵全部投入运行标志
M102
单泵运行标志
M103
增泵执行标志
M104
减泵执行标志
M60
水压低标志位
M61
水压正常标志位
M62
水压正常标志位
M63
自动运行标志位
M64
手动运行标志位
M0
初始化标志位
M51
一号泵退出标志
M52
二号水泵退出标志
M53
三号水泵退出标志
M54
四号水泵退出标志
3.4.3系统初始化及公共程序输出部分解析
初始化部分
假设物业供水控制系统在上电后需要初始化完成部分的环境设置工作。
由于供水系统要保证有水泵工作，而且尽量不浪费电能，这里使初始化后有一台水泵工作（假如是一号水泵）。
按下初始化按钮X0，产生一个上升沿，经过30秒后一号水泵开始工作。
如图3-3所示
图3-3系统初始化程序
公共输出端程序解析
如图3-4所示，输出采用集中输出的方式，可以有效的避免双线圈输出的问题。
其中，X16、X17、X20、X21分别为热保护输入端。
图3-4公共输出端程序
3.4.4手动自动切换部分
该部分采用M63为自动运行标志，置位为有效；M64为手动运行标志，置位为有效。
根据M63和M64的状态决定程序的跳转方向。
3.4.5手动运行的控制
采用传统的起保停电路模式，对线圈M71~M74完成置位和复位的操作。
3.4.6自动运行控制
如图3-5所示，X4、X3、X5分别为水压正常、水压偏低、水压偏高传感器输入端口。
水压正常时，即X4输入时，将M60和M62复位，中断压高压低的一切操作。
当X3置位时，表示压低，经过三十秒的延时置增泵执行标志M103为，驱动增泵程序增加一台水泵，直到水压正常。
压高的执行与压低相似。
图3-5自动运行程序
3.4.7增泵减泵控制部分
该部分是整个程序的核心部分，采用的是置位复位操作，根据现水泵的运行的情况判断增泵与减泵后水泵的运行情况。
将每种情况一一列出，在增减泵操作发出后根据现在水泵运行情况增减一个水泵。
表3-2列出了现态增减泵后状态后的所有情况。
表3-2自动运行增泵退泵判断依据
退泵后状态
原始工作状态
增泵后状态
无操作
1
0
0
0
1
1
0
0
无操作
0
1
0
0
0
1
1
0
无操作
0
0
1
0
0
0
1
1
无操作
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
1
详见附表
1
1
1
1
无操作
注：
“0”表示水泵停止，“1”表示水泵运行。
表3-3自动运行满泵退泵时的依据
退泵后状态
满泵时的状态（三泵向满泵转换情况）
0
1
1
1
（1110）------>（1111）
1
0
1
1
（0111）------>（1111）
1
1
0
1
（1011）------>（1111）
1
1
1
0
（1101）------>（1111）
第四章结论
本学期学习《电气控制与PLC原理及应用》这门课程，通过一个学期的学习，我对PLC可编程控制器有了全新的认识。
PLC作为工业现场的控制器与单片机相比有简单易学控制抗干扰能力强的优点。
这次设计的物业供水系统，核心的部分就是编写程序。
由于该系统的水泵采用的是自动控制方式，一次增加或减去一台，并且是先投入运行的先撤出运行，后投入运行的水泵先投入运行。
面对这个控制逻辑，我开始的时候没有一点办法。
首先我是想到在网上找找资料，但是很不幸没有关于这方面的程序。
后来在课本上看到一个实例程序，跟这次的课程设计课题很像。
通过研究课本上的实例，我认识到增泵和减泵的操作是分开的两个部分。
根据四个水泵运行的现态，推算出增泵后或减泵后的状态。
将四台水泵的运行状态用表格的形式表示出来，总共有十六种状态，这样就能完成控制要求。
理论上可行之后便着手用程序表达出来，并在实验室通过仿真。
第一次去实验室仿真，根本没有出现任何我期望的结果。
面对这样的结果我很是沮丧。
后来我按功能验证，首先将手动控制部分的功能全部验证出来。
偏偏就是在自动控制部分出现了问题。
问题是：
只要按下增泵或减泵的开关所用的水泵都运行或都关闭。
这当然不是我想看到的。
这个问题我请教周围的同学，没有一个同学能说出来点像样的理由，毕竟程序是我写的300多步，谁都不会立马看出问题。
后来我在摸索中发现，虽然PLC控制台没有像单片机那样的调试环境，可是通过监控还是能跟踪部分开关量的状态。
以增泵为例，M103是我程序中的增泵执行标志，只要执行一次增泵的操作，M103就要被复位，不能在进行增泵操作。
可是，通过跟踪我发现M103只要被置位一次，就能一直处于置位的状态。
找到了问题的所在，排除了增泵程序本身的问题，将问题定位在M103置位程序部分。
M103置位部分正是自动控制运算部分。
经过仔细的排查发现问题出现在定时器上。
定时器的特点是定时时间到只要线圈不断电，定时器一直处在导通状态，进而定时时间到，便将M103置位，所以出现了M103一直被置位的现象。
将定时器线圈前串联一个定时器本身的常闭开关，在次仿真所有的问题就都解决了。
参考文献
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