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本文设计了地铁排水控制系统的软件和硬件，有效的实现了地铁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。
可根据不同对象,稍加修改本系统即可实现要求。
关键字：
可编程序控制器自动排水先满先抽自动轮换
1、绪论
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，国内各大城市的地面交通均面临着巨大的压力，城市轨道交通成为一种有效疏导地面人流和缓解交通堵塞的重要手段，目前已在国内多个城市中建成并投入运营，且大多以地下铁道为主。
地铁作为城市建设的大型基础设施，不仅是城市公交客运的骨干系统,而且是作为城市建设和土地开发的支持系统.地铁现代化的发展，已成为城市交通现代化的重要标志之一。
地铁车站的排水设计是车站给排水及防灾设计的主要内容之一,及时排放车站内部的积水,对车辆的正常运行及各类电器设备的保护有着重要意义。
地铁车站设备监控系统分为中央级,车站级和就地级三级对车站设备进行监控,在中央级和车站级进行系统管理。
车站设备监控系统对全线各个车站的通风空调系统设备、给排水设备、自动扶梯、电梯、车站公共区照明、广告照明、车站事故照明电源、屏蔽门、人防密闭隔断门等车站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,更好地协调车站设备的运行,充分发挥各种设备应有的作用,保证乘客的安全和设备的正常运行。
给排水系统包括给水系统,消防用水供水系统和排水系统。
给排水,消防用水利用城市现有设施.地铁沿线的雨水排入城市雨水系统；
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；
结构渗透水,结构排水,车站冲洗水,消防废水均排入城市污水系统。
1.2国内现状及意义
本设计主要研究对象为地铁沿线的城市雨水系统
参考《上海地铁工程的给排水设计》排水系统的雨水系统部分：
车站敞开式出入口的设计雨水量按照50年一遇的暴雨重现期计算。
敞开式出入口的自动扶梯下面设集水坑和雨水排出潜水泵，一备一用。
集水坑的有效容积以大于最大一台泵5min流量计。
泵提升雨水经压力窨井后，再排入市政雨水管道系统。
随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。
地铁工程中双线隧道长度大于1km时，一般需要在上、下行隧道之间设置区间泵站，用于渗漏水排放。
区间泵站设于区间隧道的最低轨位处。
随着社会经济的发展，上海地铁轨道网络将会愈加复杂，继电器控制已经无法满足各大地铁站点的排水控制需求。
排水系统，其重要性并不亚于列车机组工作的稳定性。
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。
所以本设计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。
在未来的几年中，随着排水需求的增加，其强大的扩展性能，完全可以满足未来更多的I/O点的需求。
1.3问题的提出及解决方法
1.问题的提出
（1）实现无人值守稳定执行
本系统处于地下，工作环境非常恶劣，不适合由人工控制。
其次由于需要非常繁琐的阀门开闭，电机启动等工作。
虽然地铁系统每天都有一定时间的关闭保养时间，但是本排水系统的保养时间并不随地铁系统的保养而关闭，保养时间不定，需要24小时不间断处于待命或者工作状态。
这对人工操作需要有很高的体力消耗，不仅对操作工的身体有害，并且并不利于系统的稳定运行。
并且需要选择能够适应恶劣的工作环境及具备较强稳定性的控制器。
（2）便于远程监控
虽然本系统能够在无人值守的状态下完成工作，但是机械的故障是不可避免的，并且为了便于维护人员能够在不进入其潮湿的工作环境下看到系统的工作状态。
面对大排水量需求的时候系统应具备应对方案。
当出现一些客观因素（如大暴雨，路面水管爆裂等）引起的大量排水需求时，系统需要有备用方案应对突发情况。
2.问题的解决方法
（1）选择可无人值守且稳定性高的控制器
当今世界工业自动化控制，主要的控制系统一般为工业微机、PLC、继电器控制系统、集散控制系统。
考虑到PLC控制的优越性、稳定性及其性价比。
本系统采用PLC为控制器。
（2）面对大排量需求时的解决方法
系统设置5个蓄水池，三台抽水泵，根据排水需求调用不同数量的水泵以缓解抽水压力。
2、系统整体控制方案的选择
2.1系统控制的主要功能
1.为保证各水池顺利排水，对系统进行以下要求
2.有必要的电气保护：
根据实际情况采用过载短路两种保护方式以保护电机不被损坏
3.需要设置水位显示灯，便于监控
4.三台主抽水泵实行轮换值班
5.设置手动控制方式，便于在系统的人工检测维修
6.各池阀门按一定顺序启闭
2.2系统控制工艺的确定
1.由于地铁排水系统的地势比地面排水沟低很多，不能自然排出。
本系统设置五个蓄水池，每一个蓄水池都设置有水位传感器。
设置有低水，满水两个状态。
2.为保证水泵的使用寿命，实行三台水泵轮班制工作。
3.当所有池处于无水状态时，处于工作时间的主泵停止工作，当任意一池处于满水状态时，此班主抽水泵启动并保持工作状态。
4.停止：
设置有维修状态的停止按钮，按钮触发最后一次排水信号，排水阀门打开,系统自动停止工作。
5.本系统除了对系统的逻辑顺序，电机，排水泵的功率等有较高的要求外，对排水管道的排布等也有一定要求，主排水管道排量需要大于单个蓄水池排水管道，否则备用机组将起不到作用。
参考图2-1。
当进水量较大时，进水主管道排量应大于水池进水管道的排量。
若遇到大排量排水需求时，多个池满水时，溢出的废水将会进入相连蓄水池。
图2-1管道排布示意图
2.3系统控制方案的比较
1.按顺序依次抽水
顾名思义，即按照固定顺序抽水，此抽水方案只需按照顺序抽出各个蓄水池中的水即可，但是各个蓄水池达到满水状态是随机的，若此池仍然在排队中，则会耽误抽水的时间，此系统无法面对大量的随机突发情况。
2.按先满先抽原则抽水
五个蓄水池池满情况随机，达到满水状态则开阀排水，同时为了提高抽水泵的使用效率，采取了满水即开排水阀，使系统更具有灵活应变的能力。
综合以上2种抽水方案，考虑到本系统的实际需求，选择按照先满先抽原则抽水的方案。
2.4控制系统的选择
现在的主流控制系统包括PLC控制系统、继电器控制系统、集散控制系统、工业微机控制系统，本设计选用的是PLC控制系统，它与其他控制系统比较的结果如下所示：
1.与继电器控制系统的比较
传统的继电器控制只能进行开关量的控制，而PLC既可进行开关量控制，又可进行模拟量控制，还能与计算机联成互联网，实现分级控制。
在PLC的编程语言中，梯形图是使用最广泛的语言。
梯形图与继电器控制原理图十分相似，沿用了继电器控制电路的元件符号，仅个别地方有些不同。
PLC与继电器控制系统相比主要有以下几点区别：
（1）组成的器件不同。
继电器控制线路是由许多硬件继电器组成的，而PLC则是由许多“软继电器”组成。
传统的继电器控制系统本来有很强的抗干扰能力，但其用了大量的机械触点，因物理性能疲劳、尘埃的隔离型及电弧的影响，系统可靠性大大降低。
PLC采用无机械出点的逻辑运算微电子技术，复杂的控制由PLC内部运算器完成，故寿命长、可靠性高。
（2）触点的数量不同。
继电器的触点数较少，一般只有4—8对；
而“软继电器”可供编程的触点数有无限对。
（3）控制方法不同。
继电器控制系统是通过元件之间的硬件接线来实现的，控制功能就固定在线路中。
PLC控制功能是通过软件编程来实现的，只要改变程序，功能即可改变，控制非常灵活。
（4）工作方式不同。
在继电器控制线路中，当电源接通时，线路中各继电器都处于受制约状态。
在PLC中，各“软继电器”都处于周期性循环扫描接通中，每个“软继电器”受制约接通的时间是短暂的。
2.与集散控制系统的比较
PLC由继电器逻辑控制系统发展而来，而集散控制系统由回路仪表控制系统发展而来。
不论是PLC还是集散系统，在发展过程中，而这始终是相互渗透、互为补充的。
因此，PLC与集散控制系统的法杖越来越接近，很多工业生产地控制过程既可以用PLC实现，也可以用集散系统实现
3.与工业微机控制系统的比较
工业微机在要求快速、实时性强、模型复杂的工业控制中占有优势。
但是，使用工业微机的人员技术书评要求较高，一般应具有一定得计算机专业知识。
另外，工业微机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境，抗干扰能力及适应性差，这就是工业微机用在工业现场控制的致命弱点。
工业生产现场的电磁辐射干扰、机械振动、温度及湿度的变化以及超标的粉尘，每一项足可以使工业微机不能正常工作。
PLC针对工业顺序控制，在工业现场有很高的可靠性。
PLC在电路布局、机械结构及软件设计各方面决定了PLC的高抗干扰能力。
电路布局方面的主要模块都采用大规模与超大规模的继承电路，在输入输出系统中采用完善隔离等的通道保护功能；
在电路机构上对耐热、防潮、防尘及防震等各方面都做了周密的考虑；
在电路硬件方面采用了隔离、屏蔽、滤波及接地等抗干扰技术；
在软件上采用了数次滤波及循环扫描、成批输入、成批输出处理技术。
所有这些都使PLC具有非常高的抗干扰能力，从而使PLC绝对不会出现死机现象。
由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，综合多种因素考虑，本设计选择了日本三菱公司的一种小型可编程控制器FX2N系列可编程控制器。
三菱FX2N系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
FX2N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。
因此FX2N系列具有极高的性价比。
3、系统硬件的设计
3.1元器件的选型
3.1.1PLC的选型gai
1.三菱FX2N-48MR主要参数
本系统所需的I/O接口需要18个点，其中输入10个点，输出需要8个点，选择三菱FX2N-48MR型PLC，具有24入/24出，除了具有满足特殊需求的大量特殊模块外，6个基本单元中的每个单元可扩展至256I/O点；
8KB程序和数据存储空间；
3072点辅助继电器，256点计时器，235点计数器，8000数据存储器，具有比例、积分、微分（PID）控制器；
2个RS485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。
它是三菱FX2N系列中功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求。
2.FX2N系列的特点
（1）极高的可靠性
（2）极丰富的指令集；
易于掌握
（3）便捷的操作
（4）丰富的内置集成功能
（5）实时特性
（6）强劲的通讯能力
（7）丰富的扩展模块
3.1.2传感器的选择
采用SKYWEAL的LSYZ-6型侧装浮球开关。
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。
它具有如下特点：
开关额定值：
SPST，20VA；
引线规格：
No.22AWG；
安装方式：
水平；
开关操作；
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）如图3-1所示。
图3-1水位开关
3.1.3阀门的选择
1.阀门的选型
产品名称:
不锈钢法兰电磁阀；
产品型号:
ZBSF-2；
产品类别:
电磁阀；
选择公称直径为：
150MM；
工作电压AC220V。
（如图3-2）
2.用途
ZBSF系列全不锈钢电磁阀是工业过程自动化控制系用的执行器。
它在接受电控信号后能自动开启或关闭，实现对管道中的液体介质的通断或流量调节控制。
本系列电磁阀可广泛地应用于纺织、印刷、化工、塑料、橡胶、制药、食品、建材、机械、电器、表面处理等生产和科研部门以及浴室、食堂、空调等人们日常生活设施中。
ZBSF-Y系列电磁阀主要用于腐蚀性液体、超净液体和食用液体等液体介质的控制。
ZBSF系列电磁阀主要用于腐蚀气体、超净气体等气体介质的控制。
3.结构原理
ZBSF不锈钢电磁阀为分步动作直接先导式电磁阀，根据断电时所处开关状态不同，可分为常闭电磁阀和常开电磁阀。
常闭电磁阀，线圈通电后衔铁在电磁力作用下先带动副阀工启，主阀在所形成的介质压差和电磁力的作用下而开启。
线圈断电，衔铁部件复位，主副阀利用介质压力而紧密关关闭。
常开电磁阀，线圈通电后，衔铁在磁力作用下下移，推动副阀阀塞下移，直到和副阀座压紧，副阀关闭，由于主阀阀杯上下压差趋于相等，主阀阀杯由磁力和自重压紧紧密封面，阀门关闭。
线圈断电，磁力为零，衔铁和副阀阀塞由弹簧作用上升，副阀打开，主阀阀杯内介质经副阀流走，压力下降，主阀阀杯由下下压差作用向上升起，主阀打开，阀门开启。
4.主要特点
（1）耐蚀：
绝大部分零件用不锈钢或铸造不锈钢制成，防腐蚀性能良好。
（2）耐热：
电磁部分、密封件全部采用特种耐高温电工材料和密封材料，并采用了有效的隔热措施。
（3）耐磨：
选材合理，阀杯和导向套间巧妙地利用流体的润滑作用，减少磨损。
（4）可靠：
结构简单、紧凑、融合了直动式和先导间接式电磁阀的优点，在低压差或压差为零情况下也能可靠工作。
图3-2阀门结构图
3.1.4泵的选择
1.名称及型号
WQ系列高效节能无堵塞排污泵；
其排水口径为40mm;
流量为15m3/h;
扬程30m;
额定功率2.2Kw;
额定转速2840r/min;
工作效率为48%。
2.泵的主要特点
（1）无堵塞
（2）高效率
（3）节能显著
（4）可配置控制柜
（5）不须专人看管
（6）极大的排污能力
（7）安全连续运行时间长
该泵是引进国外高效节能无堵塞排污泵先进经验，结合国内先进技术力量研制而成，各项性能指标均达到国家标准同类产品水平。
由于采用独特的单通道叶轮、动密封采用两组特殊材料的硬质合金机械密封装置。
电机用油室隔开，具有无堵塞、高效率、节能显著，是我国泵类更新换代的最新产品，深受用户欢迎和好评。
3.应用范围
该泵最大优点能输送含有固体颗粒和含有纤维材料的污水，不堵塞、不缠绕。
适用于输送工业废水和城市生活污水，还可用作疏水泵、纸浆泵、过过滤冲洗冷凝循环泵，灌溉用泵等污水处理场合也可用于抽送清水。
3.1.5电机的选择
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。
电机型号Y90L-2;
额定功率：
2.2kw；
额定转速：
2840r/min；
额定电流：
4.7A；
效率82%；
功率因数：
cosφ=0.86；
堵转电流：
7.0A；
堵转转矩：
2.2；
最大转矩：
2.2。
由于本系统仅控制电机的启停与工作状态的保持，只需让电机保持在额定功率的运行即可。
故选用成本较低的鼠笼式三相异步电机。
3.1.6接触器的选择
1.交流接触器的特点
交流接触器广泛用于电力传动系统中，作为频繁或分断带负荷电路的控制电器，交流接触器为电动操作，所以适合于远距离操作及自动控制系统。
交流接触器不具有过电流保护功能，因此在线路中使用需要与带有过电流保护功能的电器配合使用。
如配合熔断器、动空气断路器、热继电器等。
交流接触器由电磁系统、触头系统、灭弧装置及机构附件组成。
电磁系统包括电磁线圈和静、动铁芯。
2.接触器的选型
查新简明电工手册选择CJXIF-9型交流接触器
主要技术参数：
额定电流:
9A；
线圈控制电压：
220V；
可控电动机的最大功率4KW；
操作频率1000次/时；
机械寿命150000次。
3.2系统硬件部分设计
3.2.1系统配电图
如图3-3所示为系统主回路配电图，各个抽水泵都有独立电源，相互不会干涉。
PLC电源需要使用380V/220V变压器。
图3-3系统配电图
3.2.2系统I/O分配表
表3-1系统I/O分配表
输入点
功能
输出点
X11
集水池1满水检测开关KA1
Y1
集水池排水电磁阀YV1
X12
集水池2满水检测开关KA2
Y2
集水池排水电磁阀YV2
X13
集水池3满水检测开关KA3
Y3
集水池排水电磁阀YV3
X14
集水池4满水检测开关KA4
Y4
集水池排水电磁阀YV4
X15
集水池5满水检测开关KA5
Y5
集水池排水电磁阀YV5
X21
集水池1无水检测开关KA6
Y11
1号排水泵电源接触器KM1
X22
集水池2无水检测开关KA7
Y12
2号排水泵电源接触器KM2
X23
集水池3无水检测开关KA8
Y13
3号排水泵电源接触器KM3
X24
集水池4无水检测开关KA9
X25
集水池5无水检测开关KA10
3.2.3控制器外部接线图
本设计PLC外部接线图如图3-4所示
gai
图3-4PLC外部接线图
4、系统控制程序设计
4.1软件总流程图
本设计总流程图如图4-1所示
图4-1总流程图
4.2PLC控制程序的设计
5、总结
本设计采用三菱FX2NPLC作为控制器，有效地对排水池阀门的开关进行了逻辑控制，对各电机的启停进行时序控制，以及备用系统的控制，报警系统的控制等。
对地铁系统的安全能够起到有效的保障。
由于条件限制，本系统暂处于实验室调试阶段，水位开关，系统开关等脉冲信号均由按钮代替。
在调试过程中发现本设计的较大难点为各个排水池满水或无水的状态具有随机性，很难在短时间内将所有情况模拟出来。
所以仍然可能存在一些意外情况。
本系统主要具备以下优点：
1.系统运行安全可靠
2.系统自动化程度高，使用寿命长
3.操作简单，具有报警程序，当发生人为错误时可手动取消报警
4.经过实验室模拟调试，本系统可以胜任地铁排水系统的工艺
对课题的展望：
由于各个蓄水池的满水与否存在很大的随机性，本设计的设计程序中阀门打开条件均为经验数据，也许会存在一些漏洞，望能够在实践中得到完善。
由于时间的关系，系统中还有很多没有解决的问题，希望在以后的学习、工作过程中，能够不断的深入。
通过这次毕业设计，我们把以前所学都综合起来，感觉自己的水平提高很多。
我们了解到了做一个系统的基本常识，为我们以后从事技术工作打下良好的基础。
在设计的过程中遇到许多困难，在老师的帮助下，通过查资料，把困难都一一克服。
另外我们在设计的过程中还得到许多同学的帮助，对于良师益友的帮助，我深表感谢。
同时也感谢学校提供给我们一次提高的机会，我在此深表感谢。
父母十几年寒心茹苦将我抚养成人，并以坚定的意志负担起我求学的重担，使我能安心学业，顺利完成大学学习任务，实现儿时的梦想。
还有我的兄长们在我成长期间一如既往地给我极大的关心与鼓舞，在此真诚感谢他们！
最后，再次向所有帮助过我，激励过我，关心过我的人，致以最诚挚的谢意和最美好的祝福！
参考文献
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机械工业出版社,2007年.
[5]张万忠.可编程控制器应用技术.北京：
化学工业出版社,2005年.
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[7}黎一强.PLC技术在生活污水处理及回用系统中的应用.中国电力出版社,2008年.
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