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。
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。
（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。
图2.2系统控制方案图
3控制系统硬件设计
3.1PLC选型及扩展
3.1.1PLC的选型
本系统选用西门子S7-200CPU224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30kHz高速计数器，两路独立的20kHz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3.1CPU224示意图
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。
图3.2EM232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
SF1
I0.0
2
停止
SF2
I0.1
3
蓄水池高水位开关信号
BG1
I0.2
4
蓄水池低水位开关信号
BG2
I0.3
小区自动排水控制系统的PLC输出接口如下表3.4所示。
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
KF1
Q0.0
2
电机2继电器
KF2
Q0.1
3
蓄水池高水位红色指示灯
PG1
Q0.2
4
蓄水池低水位绿色指示灯
PG2
Q0.3
5
变频器1接触器
QA1
Q0.4
6
变频器2接触器
QA2
Q0.5
7
报警红色指示灯
PG3
Q0.6
8
电机1运行指示灯
PG4
Q0.7
9
电机2运行指示灯
PG5
Q1.0
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，具有多个模拟量输出（0~20mA），2个模拟输入：
AIN1：
0~10V，0~20mA和–10至+10V；AIN2：
0~10V，0~20mA，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3.7DZ20J-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
100A
100A
35KA
4000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3.8JT18-1型继电器部分参数
额定电压
消耗功率
机械寿命
电寿命
220V
19W
300万次
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
380V
100A
50KA
0.25
3.3.4水位开关
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。
开关额定值：
SPST，20VA，引线规格：
No.22AWG，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
MM430
2
FA1～FA6
熔断器
RL1B
6
QA1～QA3
断路器
DZ20J-100
3
TA1～TA2
变压器
BK-100
2
SF1～SF2
按钮
LAY37
2
QA4～QA5
接触器
DJX-9
2
PG1～PG5
指示灯
AD16-22
5
KF1～KF2
继电器
HH52P
2
BG1～BG2
限位开关
XCE102
2
TP
触摸屏
TP177B
1
PS
电源模块
HMAC-JDC28Z15Y
2
PLC
可编程序控制器
S7-200
1
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
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