基于PLC抽水泵控制系统设计文档格式.docx

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图1-1力分析

第二节设计的主要研究内容及安排

代建筑的生活给水系统是整个建筑必不可少的重要组成部分，目前的供水方式主要有二种：

（1）水池—水泵（恒压变频或气压罐）—管网系统—用水点

对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。

一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱，最不利用水点是顶层住宅。

主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到付泵，以维持系统压力基本不变（气压罐一般不用于生活用水）。

气压罐的主要缺点是气压罐调节容积小，存在不能满足消防贮水的问题，一般作为消防给水系统中的经常性增压设备，对于高层建筑生活给水一般用于少数楼层水压不足时的增压。

（2）水池—水泵—高位水箱—用水点

一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。

第一种方式从理论上说恒压变频供水是较为理想和先进的。

首先它保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。

但是在实际使用中却遇到了许多问题，给工作带来了麻烦，公司社会效益直接受到影响，例如水泵在自动切换时（卸载或加载时）水泵供水会出现短暂的低压，特别是电脑判断有故障需跳过故障泵运行时时间会更长，直接受害者就是顶层住户。

一旦压力减低他们就无水，当跳过故障泵启动备用泵时压力又增大，所以顶层住户怨声不断。

如果变频控制柜出故障，一般的电工无法处理，需要厂家专业技术人员来解决，造成设备不能及时维修，供水无法保证。

虽然设备房管理简单了，但住户用水缺乏保障，社会效益受到影响。

变频调速水泵不能满足消防贮水量，存在小流量和零流量供水问题，同时变频控制股价格较高。

第二种方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。

具有稳压[2]作用，使冷热水系统水压保持平衡，方便洗浴。

由于以上诸多原因，目前绝大多数高层建筑采用高位水箱给水方式，尽管高位水箱存在增加建筑荷载和防止生活用水受到二次污染的问题。

设置高位水箱给水方式对生活水泵的一般控制要求为：

（1）在地下水池与高位水箱中均设置水位控制器[3]，由两处的水位控制器控制水泵的自动运行。

当高位水箱水位升至高水位时，自动关闭水泵。

生活水泵同时应受地下水池水位的制约，当地下水池水位处于低水位时，为了避免水泵的空转运行，无论高位水箱的水位如何，生活水泵都不能起动。

（2）为了保障供水可靠性，生活水泵分为工作泵和备用泵，工作泵发生故障时，备用泵应能自动投入使用。

（3）为了防止一台泵长时间运行，需设定运行时间。

当时间到时，自动切换到下一台泵，以防止泵长时间不用而锈死

（4）要有完善的保护功能

（5）为了检修和应急，应有手动控制功能。

第三节采用PLC控制的优点

（1）控制方式上看：

PLC软接线，只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。

（2）工作方式看：

PLC串行工作，不受制约。

（3）控制速度上看：

PLC通过半导体来控制，速度很快，无触点，顾而五抖动一说。

（4）定时、计数看：

PLC时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围宽，有记忆功能。

（5）可靠、维护看：

PLC无触点，寿命长，且有自我诊断功能，对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便。

第二章系统设计总体方案

第一节设计思路

S7-200系列是一类可编程逻辑控制器（MicroPLC）。

这一系列产品可以满足多种多样的自动化控制需要，下图展示一台S7-200MicroPLC的CPU22*系列PLC的CPU外型图，具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。

此外，丰富的CPU类型和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。

图2-1S7-200CPU外型图

S7-200CPU模块包括一个中央处理器单元（CPU）、电源以及数字量I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。

1.CPU负责执行程序和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。

2.输入和输出是系统的控制点：

输入部分从现场设备（例如传感器或开关）中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以及工业过程中的其他设备。

3.通讯端口允许将S7-200CPU同编程器或一些设备连接起来。

4.状态信号灯显示了CPU的工作模式（运行或停止），本机的I/O的当前状态，以及检查出来的系统错误。

5.通过扩展模块可以增加CPU的I/O点数（CPU221不可以扩展），可以提供其通用功能展示了一个基本的S7-200MicroPLC。

它包括一个S7-200CPU模块，一台个人计算机（PC），STEP7-Micro/WIN32（3.1版）编程软件，以及一条通讯电缆。

为了使用个人计算机（PC），你必须以下一种设备：

一条PC/PPI电缆；

一个通讯处理器（CP）和多点接口（MPI）电缆；

一块MPI卡，随MPI卡提供一根通讯电缆。

图2-2S7-200MicroPLC系统的组成

第二节对扩展模块的选取

S7-200PLC的I/O扩展模块有：

1.输入扩展模块EM221:

共有3种产品，即8点和16点DC、8点AC。

2.输出扩展模块EM222：

共有5种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。

3.输入/输出混合模块EM223：

共有6种产品。

其中DC输入/DC输出的有3种，DC输入/继电器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为4点、8点和16点。

4.模拟量输入扩展模块EM231。

5.模拟量输出扩展模块EM232。

6.模拟量输入/输出扩展模块EM235。

第三节系统工作原理

1.水泵参数

（1）流量水泵的流量大致决定于泵的口径，流量Q（米3／吵）可用式（1--1）算出下表1可作为估算用。

Q=60лd²

v/4（1—1）

式中d---口径（米）；

v---流速（米/秒），流速一般设在1—3米/秒之内，

表2-1口径与流量、流速的关系

口径[毫米（英寸）]

流量（米³

/秒）

流速（米/秒）

标准

最大

25（1.0）

40（1.6）

50（2.0）

65（2.5）

80（3.0）

100（4.0）

125（5.0）

0.05

0.13

0.20

0.3—0.4

0.5—0.6

0.85—1.10

1.4—1.7

0.06

0.15

0.25

0.45

0.65

1.20

1.90

1.70

1.73

1.51—2.01

1.66—2.10

1.81-2.34

1.90—2.31

1.04

1.99

2.21

2.26

2.16

2.55

2.58

（2）扬程又称水头，它是指被输送的单位重量的液体从水泵进口到出口所增加的能量，单位为米。

（3）功率是指机械在单位时间（每秒）内做功的大小，单位用千瓦表示。

在水泵铭牌或有关资料上，常见有"

有效功率"

、"

轴功率"

配套功率"

。

①有效功率是指水流经过水泵时所获得的能量，即水泵传给水流的净功率。

②轴功率是指水泵运转时，由动力机传递给水泵轴上的功率。

③配套功率是指带动水泵正常工作的动力机应具有的功率。

④效率η是表示水泵能量利用的指标。

⑤转速n是指泵轴（叶轮）每分钟的转数，常用转／分钟表示。

水泵的额

定转速，一般为485、730、970、1450、2900转／分钟。

⑥允许吸上真空高度是指水面到抽水泵体叶轮的最大高程差。

⑦口径是指水泵进口的内径，其大小常用英寸表示（英寸为非法定计量单

位，1英寸=25.4毫米）。

⑧比转数是指模型水泵产生1米的扬程。

一般同型号、同口

径的水泵，比转数越大，扬程、功率越小；

反之比转数越小，扬程越大，功率也越大。

所以我选择的水泵型号为：

LG（高层建筑给水泵）

第四节方案分析

（1）根据系统节能、经济的要求选用三台10KW电机控制三台水泵进行供水。

其中一台备用，当用水高峰时三台水泵运行以满足水压要求，用水低峰时一台水泵运行，用水正常时两台水泵运行，实现节能目的。

（2）选用PLC（西门子CPU222）、压力继电器（EDS344-2-040-000）进行控制。

第三章系统硬件部分设计

第一节水泵主电路

下图5所示为电控系统主电路。

三台电机分别为MA1、MA2、MA3。

接触器QA1、QA2、QA3分别控制MA1、MA2、MA3的运行，BB1、BB2、BB3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；

QA0为主电源电路总开关。

图3-1主电路图

第二节器件型号的选取

水泵主电路主要由断路器、接触器、热继电器、水泵及配电线缆等组成[3]。

（1）水泵的选取

本系统的3台水泵型号均为：

ISG50-250，单级单吸管道离心泵，水泵扬程为80m，电动机功率为11kW，能够满足大部分高层建筑的需求。

（2）泵主电路中的断路器

水泵主电路中的断路器，对水泵起着控制、保护、安全隔离等作用，是重要设备。

而GV2-ME电动机短路器带热磁保护就具有隔离、短路保护、过载保护、缺相保护和直接控制功能。

因此，选用断路器的型号为GV2—ME20C。

参数说明温度补偿的环境温度：

-20 

- 

+60℃；

额定工作电压：

690V 

；

整定电流范围：

0.1-32A 

脱扣等级：

10A（符合IEC60947-4-1） 

使用类别：

A（符合IEC60947-2） 

AC-3（符合IEC60947-4-1）；

高分断能力：

分断能力高达10-100kA；

长寿命：

电寿命高达10×

104次，是普通断路器寿命的5-10倍。

（3）接触器

用于水泵的接触器一般为不频繁动作，其额定电流按电动机的额定电流选择。

=20.9A，辅助触点额定电流选30A，型号为CJ10-30。

（4）.热继电器

热继电器的额定电流按电动机的额定电流选择，并留有上下调节的余地。

热继电器的整定电流可为电动机的额定电流的1.0～1.05倍。

热继电器：

（1～1.05）

=20.9～22A。

因此选JR20-25（4T），额定电流为20～25A。

第三节水泵的控制部分设计

下图所示为电控系统控制电路图。

启动开关SF1闭合，三台水泵电动机按

1#2#3#顺序起动，启动完成后，远程的压力传感器传来压力信号，如果压力信号是常压信号，开关BG1闭合，进入CPU控制电机的运行，即有两台水泵电动机运行1#、2#，一台停止待用3#，两小时后先启动的1#水泵关闭，停止待用的3#启动运行，按同样的方式，依次1#2#3#顺序切换，正常压力下得持两台水泵运行，切换时总是切除运行时间最长的那台水泵。

当压力传感器传来低压信号时，开关BG2闭合，BG1断开，停止待用的水泵立即投入运行，即三台水泵全部运行，待压力传感器传来常压信号时，BG1闭合，BG2断开，将运行时间最长的那台水泵停止待用。

当压力传感器传来高压信号时，BG3闭合，BG1断开，停止运行时间长的那台水泵，即只有一台水泵运行，待压力传感器传来常压信号时，使最先停止待用的水泵投入运行。

图3-2控制电路图

第四节PLC自动控制及I/O分配表

PLC的选择及I/O分配

1.水泵控制系统的输入/输出信号的代码和作用如下表3-1所示：

表3-1输入/输出继电器地址分配表

编程元件

I/O端子

作用

输入继电器

I0.0

启动开关

I0.1

停止开关

I0.2

常压信号

I0.3

低压信号

I0.4

高压信号

输出继电器

Q0.0

1号水泵

Q0.1

2号水泵

Q0.2

3号水泵

2.水泵控制系统的辅助元件的代码和作用如下表3-2所示：

表3-2其他编程元件地址分配表

编程地址

PV值

定时器

T37/T38

30s

接通延时

T39

600s

辅助继电器

M1.0

启动/停止1#标志

M1.1

启动/停止2#标志

M1.2

启动/停止3#标志

M3.0

1#,2#的逻辑控制

M3.1

2#,3#的逻辑控制

M3.2

1#,3#的逻辑控制

特殊继电器

SM0.0

每个扫描周期都激活

SM0.1

只在第1个扫描周期激活

第五节PLC外部接线图设计

图3-3PLC外部接线图

PLC接线图只要根据上述表格和FP1-C40的端子排列位置进行相应的接线即可。

上图是所设计的PLC系统外部接线图。

图中各接触器采用220V电源，信号指示部分采用24V直流电源。

需要说明的一点是，输入PLC的开关量信号可以为常开，也可以为常闭，但对应的顺序功能图中有关的触点的状态应随之变化。

第六节水位控制部分

我们可以使用水位控制器，在实验箱上仿真的时候，我用开关来模拟。

水位高于下限位或者低于上限位时开关处于断开状态，当水位低于下限位时，开关闭合；

当水位高于上限位时，开关闭合。

查阅水位控制器的相关资料，我们可以选用干簧管水位控制器GSK-1A（能发出低水位停泵）与GSK-1B（高水位停泵）。

其工作原理是：

在塑料管内固定有上、下水位干簧管2SL、1SL，塑料管下端密封防水进入，引线在上端接线盒引出；

塑料管外套一个能够随水位移动的浮标（或浮球），浮标中固定一个永久磁环，当浮标移到上或下水位时，对应的干簧管接受磁信号而动作，发出水位开关信号。

因为干簧管中触点有常开和常闭两种形式，可以组合成一常开，一常闭，或者两常开的水位控制器。

第四章系统软件部分设计

图4-1梯形图设计

结束语

通过模拟实验证明了该方案在智能化供水系统中，是切实可行的。

生活水泵给水控制系统用PLC控制可以有效地保证其工作稳定、可靠，便于维护，且性能价格比高。

同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对水泵的控制及三台电机之间的协调控制，把3台水泵的其中一台当作备用泵来用增加了应付突发事件的能力，具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。

总之，供水系统在以后的发展过程中，自动化控制的程度将会越来越高，越来越专一化，各种功能也会更加完善。

谢辞

首先诚挚的感谢指导老师蒋老师，在你的悉心教导下使我的毕业设计能够顺利的完成。

不时的讨论并指点我正确的方向，使我在毕业设计这段时间中获益匪浅。

让我在以后的工作中能够做得更好。

在三年大学生涯快要结束的时候还要感谢这三年来遇到的每个老师对我的关心和照顾。

在这三年里你们不仅教会了我很多知识，还教会了我很多做人的道理，让我懂得了人生的价值观，能让我在以后的人生路上少走弯路。

祝福各位老师工作顺利，身体健康，家庭和睦。

最后还要感谢我的每一个同学，是你们让我懂得了集体，让我懂得了友情，这是我人生的一大财富。

再过不了多久我们就要各奔东西去追求自己的理想，希望以后我们都能实现自己的理想，在很多年后当我们想起这三年的酸甜苦辣时，相信我们都会感到幸福。

参考文献

1.周峰软－《PLC技术的发展现状及应用前景》－计算机工程与应用－2004年.

2.李胜旺－《PLC梯形图程序的设计方法与技巧》－电工技术出版社－1998年.

3.李泽松－《井下水泵房自动排水系统研究》－中央广播电视大学出版社－2005年.

4.乔东－《PLC和变频器在电厂控制系统中的应用》－矿山机械出版社－2009年

5.不详－《基于PLC的物业供水系统》－不详－2011年.