基于PLC的双恒压供水控制系统设计Word下载.docx
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自动化技术是当今几大高新技术之一，从某种意义来说，自动化技术已成为现代化的代名词。
随着我国产业结构的调整，现代化进程的加快，自动化技术对现代工业生产的推动作用将越来越重要。
随着各类工业企业的技术进步，工业自动化生产必将得到广泛的普及，电气控制设备、自动化生产线的安装、调试、维修；
自动控制系统的技术改造、开发应用；
设备运行管理等方面工作量是非常巨大，需要大量的懂原理、能动手的专业技术人才，而能从事一线现代化生产的技术人员需求量更大。
要提高我们自己动手能力，把理论知识和实际应用相结合，从而提高我们的综合能力。
当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观与合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。
于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。
本设计的双恒压供水分为生活供水和消防供水，通过在建筑物高处建造水塔使实现双恒压供水即生活恒压供水和消防恒压供水，维持水压的方法是在高处建造水塔，打开水泵将水泵到水塔中，借助水塔的水位实现居民的双恒压供水，水塔中的水位变化相对水塔的高度来说很小，也就是说水塔能维持供水管路中的水压的基本恒定。
以往水塔供水常采用传统的继电器接触控制水泵，使用硬件连接电器多，可靠性差，自动化程度不高。
目前，已有许多企业采用先进控制器对传统接触控制进行改造，大大提高了双恒压供水控制系统的可靠性和自控程度，为居民提供了更可靠的生活保障。
在双恒压供水系统的控制设备中我选用PLC作为控制装备的原因，PLC有它独有的特点：
（1）可靠性高，抗干扰能力强；
（2）配套齐全，功能完善，实用性强；
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎；
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；
（5）体积小，重量轻，耗能低；
可以实现全自动，无人操作，恒压供水系统会自动根据用户用水量的大小，自动调整水泵台数、自行决定加减泵的时间台数程序等，都无需人工干预、人工操作自动完成。
节水节电效果明显：
当用水量大时可自动调节泵的台数，使泵的台数增加，水塔水位很快上升，当满足供水量时，按照“先开先停”的原则停掉先开的泵，这样可以避免造成了很大的能源浪费，从而达到节能的目的。
设置灵活、功能齐全，通过PLC编程设计灵活配置系统功能，更可靠的为居民提供生活保障。
1.1设计的意义及应用背景
在我国，节电节水的潜力非常大，据有关国际组织发布的资料显示：
中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水使他们的2倍左右。
我国的大量用电设备中，风机和泵类的耗电量占全国发电量的50%左右，若推广新型电机技术可节电40%左右，既可以节约全国发电量的1/5，由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多，因此，在我国一方面水电供给紧张，而另一方面，水电的浪费又十分惊人，不仅潜力巨大，而且意义深远[1]。
随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。
我国中小城市水厂尤其是老水厂自动化控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。
控制过程繁琐，而且手动控制无法对液位变化及时做出恰当的反应。
为了保证供水，机组通常处于超压工作状态运行，不但效率低，耗电量大，而且城市网管长期处于超压运行状态，爆损也十分严重。
本论文为结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的双恒压供水系统。
1.2任务
随着城市高层建筑供水问题日益突出，保持供水压力的恒定，提高供水质量是相当重要的；
同时要求保证供水的可靠性和安全性。
本供水系统是针对上述问题设计的供水方式和控制系统，由供水回路、一部PLC、一个供水池、一个水塔及泵房组成。
其中泵房有1#～3#三台水泵，控制系统采用了已具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统，PLC在恒压供水泵站中的主要任务：
（1）根据液位传感器的信号，经过处理控制继电器从而实现对水泵台数的调节，来控制水位的高低，使液位达到一定的范围之内，实现稳定供水。
（2）控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵及电机是轮换工作的。
（3）根据液位信号，PLC可控制水泵按“先开先停”轮换工作，能够有效的降低能耗，保证供水系统维持在最佳运行状况。
1.3工艺要求
对三台水泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：
（1）供水压力恒定，即在相应的供水条件下，维持液位在相应的范围之内，波动要求一定小。
（2）生活供水时，要求三台水泵根据水位的设定，采用“先开先停”的原则。
（3）设有手动和自动两种选择，手动功能为了检修和应急。
（4）有液位传感器检测装置，并且有报警功能。
1.4系统的组成和基本工作原理
基于PLC的双恒压供水系统由可编程控制器、水泵机组、压力传感器、等构成。
其系统结构图如图1-1所示。
图1-1系统结构图
系统核心部分采用PLC控制，输出信号通过继电器和接触器来控制3台水泵的启动，运行与停止，采用循环使用的方式运行。
该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效的降低能耗，保证供水系统维持在最佳运行状况，提高管理水平，监控系统安装维护方便，运行稳定、可靠，监控软件功能齐全。
PLC根据液位传感器SL0、SL1、SL2、SL3、SL4、SL5的信号控制水泵M1、M2、M3工作与停止以及切换，从而使液位达到一定范围，实现双恒压供水。
SL0、SL1、SL2是生活供水范围的液位传感器，液位在SL0时启动M1、M2,达到一定时间即2h时，M2和M3之间进行切换，当液位到SL1时停止M1，M2和M3之间转换工作，当液位到达SL2时M1、M2、M3停止工作。
SL3、SL4、SL5是消防供水范围的液位传感器，当到液位到达SL3时M1、M2、M3同时工作，当到达SL4时M1停止工作，到达SL5时M2、M3停止工作。
2.PLC的概述
2.1PLC的产生、定义和发展
2.1.1PLC的产生
在可编程控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位。
这种由继电器构成的控制系统存在明显的缺点：
体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差。
如果生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并且要改变硬件结构，这不仅影响了产品更新换代的周期，而且对于比较复杂的控制系统来说，不但设计制造困难，而且可靠性不高，查找和排除故障也往往是费时和困难。
1968年，美国通用汽车公司（GM,GeneralMotors）根据市场形势与生产发展的需要，提出了“多品种、小批量、不断翻新汽车品牌型号”的战略。
为了尽可能的减少重新设计和重新安装接线的工作，从而降低成本、缩短周期，提出了研制新型逻辑顺序控制装置来取代继电器控制装置。
第二年，美国数字设备公司（DEC,DigitalEquipmentCorporation）就研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，并将其应用于美国通用汽车自动装配生产线上，这是首次用程序化的手段应用于电器控制，这台控制装置就是第一台PLC[1]。
PLC的定义：
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计[1]。
2.1.2PLC的发展历程
虽然PLC问世时间不长，但随着计算机技术、半导体集成技术、控制技术和通信网络技术等高新技术的迅速发转，PLC也迅速发展。
PLC的发展过程大致经历一下四个阶段：
第一阶段，从第一台PLC问世到20世纪70年代中期，是PLC的初创阶段。
该时期PLC产品的主要功能只是执行原先有继电器完成的顺序控制、逻辑运算、定时和计数等。
该阶段的代表产品有MODICON公司的084、AB公司的PDQII、DCE的PDP-14和日立公司的SCY-022等。
第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，是PLC的实用化发展阶段。
20世纪70年代。
微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。
该阶段的代表产品有MODICON公司的184、284、384，西门子公司的SIMATICS3系列，富士电机公司的SC系列等。
第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC通信功能的实现阶段。
与计算机通信的发展相联系，PLC在通信方面也有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系。
该阶段的代表产品有富士电机公司的MI-CREXS7系列和德州仪器公司的TI530等。
第四阶段，从20世纪80年代中期开始，是PLC的开放阶段。
由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展，主要表现为通信系统的开放，使个生产厂家的产品可以相互通信，通信协议的标准化使得用户得到了好处。
该阶段的代表产品有西门子公司的SIMATICS7系列和AB公司的PLC-5等[1]。
2.1.3PLC的发展趋势
PLC从诞生至今，虽然只有40年的历史，但其发展势头时分迅猛。
如今在工业自动化领域中，PLC已经无处不在，随着技术的发展和市场的需求的增加，PLC的结构和功能得到不断改进，生产厂家不断推出功能更强的PLC产品，平均3-5年更新换代一次，今后PLC的发展可归纳于以下几方面[3]：
（1）人机界面更加友好；
（2）PLC的应用范围越来越广泛；
（3）计算机与PLC之间，以及各个PLC之间的联网和通信功能不断增强；
（4）开放性和互操作性逐渐发展；
（5）网络通信能力不断增强；
以太网的发展对PLC有重要影响：
以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低。
为此，人们致力于将以太网引进控制领域.但是目前的挑战在于：
硬件上如何适应恶劣的工业环境。
通信机制如何提高可靠性、以太网能否顺利进入工控领域，还存在争议，但以太网在工控系统的应用却日益增多。
为适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。
2.2PLC的组成
PLC控制系统的硬件简化框图如图2-1所示，其中点划线部分为PLC的基本组成，可以
将其分为四部分：
中央处理器（CPU）、存储器、输入输出（I/O）模块和电源。
图2-1PLC硬件简化框图
2.2.1PLC的中央处理器
CPU是PLC的核心，其神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存储用户程序和数据。
用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等，进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路集成在一个芯片上。
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元，CPU的控制器控制CPU工作，有它读取指令、解释指令及执行指令。
运算器用于进行数学或逻辑运算，在控制器指挥下工作，寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器的指挥下工作，CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此先知控制规模。
2.2.2PLC的存储器
存储器是具有记忆功能的半导体电路，是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。
它包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM），随机存储器（RAM）在使用过程中随时可以读取和存储；
而只读存储器（ROM）在使用过程中智能读取，不能存储。
RAM有静态RAM（SRAM）和动态RAN（DRAM）两种；
ROM按其编程方式不同，可分为掩膜ROM、可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）和电擦除可编程ROM（EEPROM）等。
2.2.3PLC的输入输出模块
I/O模块式CPU与现场I/O设备或其他外部设备通信的桥梁，I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号转换成数字先好进入PLC系统，输出模块相反。
PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块提供用户选用。
I/O模块分为开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）等模块。
常用的I/O分类如下：
对于开关量I/O来说，按电压高低分：
有AC220V、AC110V、DC24V等；
按隔离方式分：
有继电器隔离和晶体管隔离。
对于模拟量I/O来说，按信号类型分：
有直流型（4～20mA，0～20mA）、电压型（0～10V，0～5V，-10～10V）等；
按精度分：
有12bit，14bit，16bit等，除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块[2]。
一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离，输入电平转换是用来将输入端的不同电压或电流信号源转换成微处理器所能接收的低电平信号；
输出电平转换是用来将微处理器的低电平控制信号转换为控制设备所需要的电压或电流信号；
电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施，常用的电器隔离是由两个发光二极管和光敏晶体管组成的光耦合器。
I/O模块既可以与CPU放置在一起，也可以远程放置。
一般I/O模块具有I/O状态显示和接线端子排。
另外，有些PLC还具有一些其他功能的I/O模块，如串/并行变换，数据传送，A/D或D/A转换及其他功能控制等。
2.2.4PLC的电源模块
PLC配有开关式稳压电源模块，用来给PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输出电路提供24V的工作电源，电源输入类型有：
交流电源（AC220V或AC110V），直流电源（DC24V）。
2.3PLC的功能特点和分类
PLC具有面向工业控制的鲜明功能特点，PLC发展到今天已经有多种形式，其功能也不尽相同。
2.3.1PLC的功能
随着计算机技术、工业控制技术、电子技术和通信技术的发展，PLC已从小规模的单片机顺序控制，发展到包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域，能组成工程自动化的PLC综合控制系统。
如今的PLC一般都有如下丰富的功能：
（1）信号采集功能；
（2）开关量逻辑控制功能；
（3）定时/计数控制功能；
（4）数据处理功能；
（5）监控、故障诊断功能；
（6）步进控制功能；
（7）A/D、D/A转换功能；
（8）停电记忆功能；
（9）远程I/O功能；
（10）通信联网功能；
（11）扩展功能；
PLC的丰富功能为其广泛应用提供了可能，同时，也为工业系统的自动化、远程化、信息化及智能化创造了条件。
2.3.2PLC的特点
PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。
它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。
它具有一下主要优点[3]：
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是PLC最突出的特点之一。
由于工业生产过程是昼夜连续的，一般的生产装置需要几个月、甚至几年才大修一次，这就对用于工业生产过程的控制器提出了高可靠性的要求。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅仅剩下与输入输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10～1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。
此外，PLC还采取了屏蔽、滤波、隔离、故障检测与诊断等抗干扰措施，具有很强的刚干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业现场。
大型的PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或由三个CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。
PLC已被广大用户公认为是最可靠的工业控制设备之一。
（2）编程、操作简易方便、程序修改灵活
PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。
目前，PLC的编程大多采用，类似于继电器控制线路的梯形图形式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又易于编程，程序改变时易于修改。
（3）硬件配置齐全，用户使用方便，适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。
用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC具有丰富的I/O接口，针对不同的工业现场信号（交流或直流、电压或电流、开关量或模拟量、脉冲或电位）有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备（按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、电动机启动器、控制阀）直接连接。
另外，为了提高操作性能，PLC还有多种人——机对话的接口模块；
为了组成工业局部网络，它还有多种通信联网的接口模块。
PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
硬件配置确定后，可以通过修改程序，方便快速地适应工艺条件的变化。
（4）安装简单，调试和维护方便
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
用户程序不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。
使用时只需将现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统要少得多。
PLC的故障率很低，且由于采用模块化结构，PLC有完善的自诊断和显示功能，可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因。
因此，一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。
（5）体积小、质量轻、功能低、响应快
由于PLC时将微电子技术应用于工业控制设备的新型产品，其体积小、质量轻、功耗低、响应快。
PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。
传统继电器节点的响应时间一般需要几百毫秒，而PLC得节点反应很快，内部是微秒级的，外部是毫秒级的[3]。
2.3.3PLC的分类
PLC的种类很多，其功能、内存容量、控制规模、外形等方面均存在较大的差异，且还没有一个权威的统一的分类标准。
通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类如下：
（1）按结构形式分
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式。
整体式PLC时将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。
模块式PLC时将PLC各组成部分，分别做成若干个单元的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展
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