基于PLC控制的恒压供水控制系统.docx

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基于PLC控制的恒压供水控制系统

1.绪论1

1.1课题的提出1

1.2课题研究的目的和意义1

2.恒压供水控制系统简介3

2.1恒压供水控制系统的概述3

2.2采用PLC控制恒压供水控制系统的优点3

2.3恒压供水系统控制原理3

2.4系统控制要求4

2.5S7-200PLC的主要特点4

2.5.1S7-200PLC的组成及各部分作用4

2.5.2S7-200PLC的类型5

3.恒压供水控制系统的硬件设计7

3.1压力变送器的功能分析与选型7

3.1.1压力变送器的功能分析7

3.1.2压力变送器的工作原理8

3.1.3压力变送器选型步骤8

3.2供水泵的分类与选型9

3.2.1供水泵的分类10

3.2.2供水泵的选型10

3.3手动调节阀的选型11

3.4供水控制系统主电路11

3.5恒压供水控制系统的I/O点及地址分配12

3.6PLC的硬件接线图………………………………………………………13

4.恒压供水控制系统的软件设计14

4.1控制系统的程序流程图14

4.2控制系统的程序设计15

总结20

主要参考文献21

1绪论

1.1课题的提出

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。

而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。

而其中的老水厂自动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供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。

在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。

传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。

这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。

因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。

同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。

所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。

利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。

1.2课题研究的目的和意义

众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。

小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。

传统的小区供水方式有:

恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：

（1）恒速泵加压供水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）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。

（3）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的

增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。

（4）液力涡合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修;优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。

（5）单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。

综上所述，传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费水力、电力资源;压力变送器恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。

恒压供水调速系统实现水泵自动投入运行与退出，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。

在实际应用中如何充分利用压力变送器，对合理设计压力变送器恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等具有重要的现实意义。

2恒压供水控制系统简介

2.1恒压供水控制系统的概述

自80年代初，全国各行业大力开展节能工作。

自此，住房小区的给水系统已逐步取消了高位水箱，而采用压力变速器调速恒压供水代替以前的重力供水、气压供水，克服了传统供水方法的缺点。

这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。

对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。

在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实际用水量决定的。

根据反馈原理:

要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不变，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。

因为在恒压供水系统中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定的压力值比较，从而形成闭环系统。

2.2采用PLC控制恒压供水系统的优点

（1）以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

（2）节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。

（3）占地面积小，投入少，效率高。

（4）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

（5）通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。

2.3恒压供水系统控制原理

对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。

所以，流量是系统的基本控制对象。

但是，流量的大小取决于扬程，扬程难以进行具体测量和控制。

考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关：

供水能力QG>用水需求QU，则压力上升；

供水能力QG<用水需求QU，则压力下降；

供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。

可见，供水能力与用水需求之间的矛盾反映在流体压力的变化上。

因此，压力可以用来

作为控制流量大小的参变量。

即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供

水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。

2.4系统控制要求

（1）启动过程中，由压力值的大小决定启用水泵的台数。

压力变送器的额定值为0.8Mpa供水过程中当压力超过0.4Mpa时，高压报警器报警，K1接通，此时可延时30s后撤除1台水泵工作，要求工作的水泵逆序切断；当压力低于0.2Mpa时，低压报警器报警，K2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顺序增加投入运行；当压力过高高于0.6Mpa时K3输出，说明管网内压力过大，1S后所有电机立即停止工作。

当压力过低于0.1Mpa时K4输出,说明管网内水已用完，这时所有电机1s后立即开始工作。

当没有报警信号时，表示水压正常。

并设有手动调节阀，当压力无法恢复正常时，手动调节水压。

（2）系统还设有手动开关，每台水泵都设有单独的开关控制启动与停止。

（3）系统设有急停按钮，可预防突发设备故障。

本次恒压供水控制系统PLC选型为西门子S7—200中CPU226型PLC。

2.5S7--200PLC的主要特点

SIMATICS7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合的检测、监测及控制的自动化。

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S7-200系列产品具有极高的性能/价格比。

在以下几方面均有出色的表现：

极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强劲的通讯能力；丰富的扩展模块。

S7-200系列PLC在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。

S7-200产品凭借其先进性、成熟性和广泛的适用

性在自动化产品中受到广泛的重视。

2.5.1S7--200PLC的组成及各部分作用

S7--200PLC把CPU、存储器、电源、输入/输出接口、通信接口和扩展接口等部分集成在一个紧凑、独立的设备中。

它具有强大的指令集和丰富强大的通信功能。

（1）PLC的硬件系统

PLC的硬件系统一般主要由中央处理单元、输入/输出接口、I/O扩展接口、编程器接口、编程器和电源等几部分组成。

（2）中央处理器（CPU）

一般由控制器、运算器、和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。

CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接

（3）存储器

PLC系统中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。

PLC存储器包括系统存储器和用户存储器。

（4）输入/输出接口

输入/输出接口是PLC与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。

PLC通过输入接口把外部设备（如开关、按钮、传感器）的状态或信息读入CPU，并通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出接口传递给执行机构（如电磁阀、继电器、接触器等）。

（5）电源部分

PLC内部配有一个专用开关型稳压电源，它将交流/直流供电电源变换成系统内部各单元所需的电源，即为PLC各模块的集成电路提供工作电源。

PLC一般使用220V的交流电源。

其内部的开关电源对电网提供的电源要求不高，与普通电源相比，PLC电源稳定性好、抗干扰能力强。

2.5.2S7--200PLC的类型

表2-1S7--200系列CPU的类型及参数

型号

电源/输入/输出类型

主机I/O点数

CPU221

DC/DC/DC

6输入/4输出

AC/DC继电器

CPU222

DC/DC/DC

8输入/6输出

AC/DC继电器

CPU224

DC/DC/DC

14输入/10输出

AC/DC继电器

AC/DC继电器

CPU226

DC/DC/DC

24输入/16输出

AC/DC/继电器

CPU226XM

DC/DC/DC

24输入/16输出

AC/DC继电器

表中第2列的电源/输入/输出类型的含义，如为DC/DC/DC，表示电源、输入类型为24VDC,输出类型为24VDC晶体管型。

如为AC/DC/继电器，则表示电源类型为220VAC，输入类型为24VDC，输出类型为继电器型。

图2-1S7--226实物图

根据本恒压供水控制系统的要求及I/O点数，最终选择的是西门子S7—200中CPU226型PLC.

3恒压供水控制系统的硬件设计

3.1压力变送器的功能分析与选型

3.1.1压力变送器的功能分析

压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成4～20mADC信号输出。

压力变送器主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。

一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。

它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20mADC等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

图3-1压力变送器外形

压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～35MPa）、微差压变送器（0～1.5kPa）、负压变送器三种。

压力变送器,压力传感器的主要作用：

把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力。

其原理大致是：

将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号。

压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系，所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大。

由此得出一个压力和电压或电流的关系式压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。

压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。

当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。

3.1.2压力变送器工作原理

压力变送器工作原理：

　当压力信号作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4-20mA标准电流输出信号。

压力变送器的主要技术参数：

（1）电源：

24VDC输出4～20mA二线制.

（2）零位可调范围：

±5%F.S

（3）量程调节比：

3：

1以上

（4）量程范围：

-100kPa～0～60MPa

（5）负载特性：

负载在0～600Ω内（24VDC供电）维持恒流输出

（6）过压极限：

2倍于以上限压力

（7）温度范围：

过程：

-20～60℃

（8）精度等级：

±0.5%

（9）稳定性：

±0.2%F.S

（10）重量：

约1kg

3.1.3压力变送器选型步骤:

（1）变送器的使用环境。

（2）量程。

（具体参见压力变送器参数－量程）　　

（3）过载压力。

（一般差压还需要有静压这一项参数）　　

（4）精度。

（5）压力介质。

（6）供电电压。

（7）输出信号。

（8）冲击和振动。

（9）压力响应。

（10）压力接口。

（11）电气接口。

（12）安全认证。

本恒压供水控制系统选用横河川仪有限公司（YOKOGAWASICHUAN）的EJA530A压力变送器。

具体型号为EJA530ADBS42NE

D:

4-20mA.brain协议数字通讯

B：

0-0.8Mpa（1-20kgf/c㎡）

4:

1/2NPT内螺纹

2:

1/2NPT内螺纹，2处接线口

N:

无表头

3.2供水泵的分类与选型

水泵（shuǐbèng，waterpump）的定义：

通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。

水泵是输送液体或使液体增压的机械。

它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。

衡量水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。

容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。

水泵具有不同的用途，不同的输送液体介质，不同的流量、扬程的范围，因此，它的结构形式当然也不一样，材料也不同，概括起来，大致可以分为：

城市供水

污水系统

土木、建筑系统

农业水利系统

电站系统

化工系统

石油工业系统

矿山冶金系统

轻工业系统。

船舶系统。

图3-2水泵外形

3.2.1供水泵的分类：

（1）根据泵的工作原理划分：

离心泵

旋涡泵

混流泵

轴流泵

电动泵

蒸汽泵

齿轮泵

螺杆泵

罗茨泵

滑片泵

喷射泵

升液泵

电磁泵

潜水泵等

（2）根据用途划分:

清水泵

渣浆泵

排污泵

化工泵

输油泵等

3.2.2供水泵的选型

（1）选择满足扬程要求的水泵

　　所谓扬程是指所需扬程，而并不是提水高度，明确这一点对选择水泵尤为重要。

水泵扬程大约为提水高度的1.15～1.20倍。

如某水源到用水处的垂直高度20米，其所需扬程大约为23～24米。

选择水泵时应使水泵铭牌上的扬程最好与所需扬程接近，一般偏差不超过20％，这样的情况下，水泵的效率最高，也比较节能，使用会更经济。

如果铭牌上扬程远远小于所需扬程，水泵往往不能满足用户的需要，即便能抽上水来，水量也小得可怜。

但反过来，高扬程的水泵用于低扬程时，便会出现流量过大，导致电机超载，若长时间运行，电机温度升高，绕组绝缘层便会逐渐老化，甚至烧毁电机。

（2）选择流量合适的水泵

水泵的流量，即出水量，一般不宜选得过大，否则会增加购买水泵的费用。

应按需选用，如用户家庭使用的自吸式水泵，流量应尽量选小一些的；如用户灌溉用的潜水泵，就可适当选择流量大一些的。

该系统采用的是长沙通德牌恒压供水泵。

技术参数如下:

1）控制方式变频控制

2）安装场所室内

3）温度环境5℃-+40℃

4）输送液体清水

5）液体温度0℃-+70℃

6）最高使用压力20Kg/c㎡

7）水泵立式、卧式多级离心泵

8）电源三相×220/380V×50Hz　　

3.3手动调节阀的选型

手动调节阀又称手动阀门，手动阀门是管路流体输送系统中控制部件，它是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、调节、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。

用于流体控制的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格繁多，阀门的公称通径从极微小的仪表阀大至通径达10m的工业管路用阀。

阀门可用于控制水、蒸汽、油品、气体、泥浆、各种腐蚀性介质、液态金属和放射性流体等各种类型流体的流动，阀门的工作压力可从0.0013MPa到1000MPa的超高压，工作温度从-269℃的超低温到1430℃的高温。

阀门的控制可采用多种传动方式，如手动、电动、液动、气动、蜗轮、电磁动、电磁－－液动、电－－液动、气－－液动、正齿轮、伞齿轮驱动等；可以在压力、温度或其它形式传感信号的作用下，按预定的要求动作，或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭，阀门依靠驱动或自动机构使启闭件作升降、滑移、旋摆或回转运动，从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能。

3.4供水控制系统主电路

由设计内容和要求可知，本设计要用到三台水泵，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，主电路中有短路过载保护，主电路如图所示：

图3-3恒压供水控制系统主电路

3.5恒压供水控制系统的I/O点及地址分配

表3-1恒压供水控制系统I/O分配表

输入

输出

起动

SB1

I0.0

高压报警

L1

Q0.0

停止

SB2

I0.1

低压报警

L2

Q0.1

手动控制

SB3

I0.2

高高压报警

L3

Q0.2

自动控制

SB4

I0.3

低低压报警

L4

Q0.3

1#泵运行

SB5

I0.4

1#泵启动

KM1

Q0.4

2#泵运行

SB6

I0.5

2#泵启动

KM2

Q0.5

3#泵运行

SB7

I0.6

3#泵启动

KM3

Q0.6

手动启停1#泵

SB8

I1.0

手动启停2#泵

SB9

I1.1

手动启停3#泵

SB10

I1.1

压力变送器

KA

I1.3

3.6PLC的硬件接线图

图3-4S7-200CPU226接线图

4恒压供水控制系统的软件设计

4.1控制系统的程序流程图

NNNNNN

YY

Y

NN

Y

图4-1恒压供水控制系统的程序流程图

4.2控制系统的程序设计

网络1和网络2系统得电后开始自动运行。

压力变送器自动检测当前压力

网络3当压力变送器检测到压力低于0.2Mpa时，定时器延时30秒。

网络4——网络8定时时间到后，未启动的水泵依次投入运行。

直到达到规定值。

网络4——启动1#水泵

网络6启动2#水泵

网络8启动3#水泵

网络9当压力变送器检测到压力低于0.4Mpa时，定时器延时30秒。

网络10——网络15时间到后，参加工作的水泵逆序停止。

直到达到规定要求。

网络113#水泵停止工作。

网络132#水泵停止工作。

网络151#水泵停止工作。

网络16当压力变送器检测到压力高于0.6Mpa时，定时器延时1S所有参加工作的水泵停止运行。

网络17当压力变送器检测到压力低于0.1Mpa时，定时器延时1秒后，所有未曾参加工作的水泵立即运行。

网络22手动控制系统中每台水泵的启动与停止。

总结

毕业论文是大学学习阶段一次非常难得的锻炼自己综合运用专业知识的机会，通过这次比较完整的恒压供水控制系统设计，锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际问题的能力，同时通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。

这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。

本次设计应用到S7-200-226，压力变送器，手动调节阀，供水泵等硬部件，通过正确使用这些器件和S7-200-226的特点绘制了流程图，梯形图来阐述恒压供水控制系统的工作原理。

通过使用这些器件使我对它们有了更深刻的了解，为以后的使用奠定了基础。

顺利如期的完成本次毕业设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。

比如我的设计还有很多的不足之处，可这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识。

主要参考文献

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