基于PLC控制的大楼物业供水系统.docx

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基于PLC控制的大楼物业供水系统

摘要

供水系统是现代化城市的重要基础设施，是为城市人民生活和经济发展提供满足不同需求的供水水量、水质和水压。

因此供水工程是维系人类生存发展的生命系统工程。

城市中各类小区的建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求，小区的供水系统是其中的一个重要方面。

本设计是针对供水要求设计的基于PLC控制的大楼物业供水系统设计系统。

本设计详细介绍了大楼物业供水系统的方案设计、硬件选择、软件规划和编写，并重点描述了大楼物业供水系统的工作原理、系统设计、软件编程的原则和技巧。

本设计介绍了大楼物业供水系统的基本原理以及工作流程。

具体说明了可编程序控制器在大楼物业供水系统中的作用。

程序涉及到了大楼物业供水系统工作的绝大部分过程。

利用PLC控制的大楼物业供水系统提高了系统的稳定性，保证大楼物业供水系统能够长期稳定运行。

最终完成的大楼物业供水系统具有平稳运行、节能等主要功能，整个系统的开发体现了在设计数字控制系统的灵活性、实用性。

关键词：

供水系统，PLC，水压，稳定，可编程序控制器

Abstract

Thewatersupplysystemisthemodernizationoftheimportantinfrastructureinthecity,forthecitypeople'slifeandeconomicdevelopmenttoprovidetomeetthedifferentneedsofwaterquantity,waterqualityandwaterpressure.Sothewatersupplyprojectistomaintainthesurvivalanddevelopmentofhumanlifesystemengineering.Cityofresidentialconstructiondevelopmentisveryrapid,butalsoonthecommunityinfrastructureconstructionraisedtallerrequirement,smallwatersupplysystemisoneoftheimportantaspects.ThisdesignisforthewatersupplyrequirementdesignbasedonthePLCcontrolpropertybuildingwatersupplysystemdesignsystem.

Thedetaileddesignofthebuildingpropertyofwatersupplysystemdesign,hardwareselection,softwaredesignandwrite,anddescribesthepropertybuildingwatersupplysystemworkingprinciple,systemdesign,softwareprogrammingprinciplesandtechniques.

Thisdesignintroducedthebuildingpropertywatersupplysystemthebasicprincipleandworkflow.Detaileddescriptionoftheprogrammablecontrollerinthewatersupplysystemintheroleofbuildingproperty.Theprocedureinvolvedthebuildingpropertyofwatersupplysystemofmostofthecoursework.UsingthePLCcontrolpropertybuildingwatersupplysystemimprovesthestabilityofthesystem,toensurethatthebuildingpropertywatersupplysystemcanrunstablyforlongterm.

Thefinalbuildingpropertywatersupplysystemhasstableoperation,energy-savingwaitformainfunction,thewholesystemdevelopmentreflectedinthedesignofdigitalcontrolsystemflexibility,practicability.

Keywords：

watersupplysystem，PLC，waterpressure，stability，programmablecontroller

目录

摘要1

引言4

第一章绪论5

1.1研究背景5

1.2本供水系统设计要求5

1.3供水系统原理6

1.4系统方案确定6

1.5系统构成7

第二章可编程控制器的概述8

2.1PLC可编程控制器介绍（三菱FX1N-40MR）8

2.2可编程控制器的特点8

2.3可编程控制器的工作原理8

第3章供水系统的硬件设计13

3.1系统主要构成及配置选型13

3.1.1系统的构成13

3.1.2系统的配置设备选型14

一．水泵机组的选型14

二．.PLC的选型15

三．压力传感器的选型15

四．按钮的选型17

五．LEDS指示灯的选型18

六．热继电器（FR）的选型18

七．闸刀开关（QS）的选型19

八．接触器（KM）的选型20

九．熔断器的选型20

3.3.2供水系统主电路分析与设计22

3.3.4压力传感器信号处理25

3.3.5报警电路设计26

4.1软件开发环境简介28

4.3供水系统程序设计30

4.3.1.主程序的模式选择部分程序设计及解析30

4.3.2.水压低处理初始化部分程序设计及解析30

4.3.3.水压高处理初始化部分程序设计及解析31

4.4程序调试及仿真32

4.5程序调试及仿真体会35

参考文献37

致谢38

附录一：

系统原件明细表39

附录二：

I/O口分配表41

三、PLCI/O分配图43

附录四：

控制系统的梯形图程序45

附录五：

指令表清单50

引言

可编程控制器（ProgrammableLogicController）是伴随计算机技术而迅速发展，广泛普及和应用的新型工业自动控制装置。

它以微机型计算机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，在工业生产的程序控制和过程控制中显示极大的优越性，是当今发达国家工业自动控制的标准设备。

我们都知道，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在建设节约型时代特征的前提下，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。

本系统就是在这种背景下设计的。

本设计由PLC、四台水泵、压力传感器等组成，系统工作时分手动操作和自动操作，自动操作时首先由传感器把信号传给PLC，再由PLC根据水压的高低信号分析控制四台水泵的工作状态；手动操作时，可以通过各个水泵的启动停止按钮独立的工作。

该系统还设有过载等保护。

本设计是基于PLC的物业供水系统，通过调试表明本系统能够满足设计要求并有很好的使用价值，是具有很强实用性的供水系统。

本毕业设计共有四章：

第一章介绍了；第二章介绍了；第三章介绍了；第四章介绍了，最后还有关于本次设计的总结、心得体会、致谢及相关参考文献，附录。

第一章绪论

1.1研究背景

水是生命之源，是人类生活、生产中不可缺少的重要物质。

随着我国经济的发展和人民生活水平的不断提高，城市中社区内的各种硬件设施不断提高和完善中，用水量也在不断加大。

而在提倡建设节约型社会的今天，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落后，自动化程度也较低，水资源浪费较大。

物业供水系统作为各种供水中的一部分，密切关系居民的切身利益，其可靠性、稳定性、安全性、经济性直接影响到住户的正常生活。

PLC由于简单易懂、控制灵活、安装维护方便等优点，受到社会的普遍欢迎和广泛应用，在机械、化工、石油、冶金、电力、轻工、电力、纺织、食品、交通等行业得到了广泛应用。

本课程设计在这种情况下设计的，其要求是：

根据物业供水系统的控制要求进行基于可编程控制器的水泵控制系统设计和调试。

继电器—接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触点时开时闭时容易受电弧的损害，寿命短，系统可靠性差。

可编程控制器（ProgrammableLogicController）是在继电器顺序控制基础上发展起来的，以微处理为核心的通用工业自动化控制装置，简称PLC，但为了与个人计算机（PersonalComputer）简称PC相区别，一般简称为PLC。

它采用可编程程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、实现控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字的、模拟的输出和输入，控制各种类型的机械或生产过程。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、制药、电力、机械制造、汽车、批量控制、装卸、造纸、食品加工、纺织、环保、娱乐等行业。

1.2本供水系统设计要求

某大楼物业供水系统有水泵4台，供水管道安装压力检测开关K1，K2和K3。

K1接通，表示水压偏低；K2接通，表示水压正常；K3接通，表示水压偏高。

本系统控制要求如下：

（1）自动工作时，当用水量少，压力增高，K3接通，此时可延时30s后撤除1台水泵工作，要求先工作的水泵先切断；当用水量多时，压力降低，K1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增加投入运行；当K2接通，表示供水正常，可维持水泵运行数量。

工作时，要求水泵数量最少为1台，最多不得超出4台。

（2）各水泵工作时，均应有工作状态显示。

（3）手动工作时，要求4台水泵可分别独立操作（分设起动和停止开关），并分别具有过载保护，可随时对单台水泵进行断电控制（注：

若输入点不够，可减少一个过载保护输入）。

（4）设置“自动/手动”切换开关（ON——手动，OFF——自动），另设自动运行控制开关（ON——自动运行，OFF——自动运行停止）。

1.3供水系统原理

供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过调节电机机组工作电机的数量，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。

因此，恒压供水系统的实质是电机的工作控制。

电动机的控制通常使用接触器，PLC通过控制接触器来实现自动控制电机机组的电机从而实现了恒压供水。

1.4系统方案确定

由供水的原理分析可知，本系统主要有压力传感器、压力变送器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。

系统主要的设计任务是利用恒压控制单元控制多台水泵，实现管网水压的恒定压力供水，可供参考的方案有以下三种：

1、人工控制+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构简单，实现起来也比较容易，就是派专人看着压力传感器传输过来的数据，人工选择哪台水泵工作和控制几台水泵机组工作。

这种控制比较落后，可靠性不高。

需要工作人员一直守在控制室里，实时控制，效率低。

所以不选用此方案。

2、单片机+水泵机组+压力传感器

这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比。

但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时在运行时，将产生干扰，水泵的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。

该系统适用于某一特定领域的小容量的恒压供水系统中。

所以不选用此方案。

3、PLC+水泵机组+压力传感器

这种控制方式灵活方便。

具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I／O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。

同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“PLC+水泵机组+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。

这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求，所以本次设计采用基于PLC的控制方式。

1.5系统构成

本系统主要有压力传感器、PLC、水泵机组以及低压电器组成。

系统主要的设计任务是利用控制单元控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动，同时还要能对运行数据进行传输。

根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本次设计采用的“PLC+水泵机组+压力传感器”的控制方式。

系统的构成框图如图1-1所示。

图1-1系统结构图

这种控制方式灵活方便。

具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各规模和要求不同控制系统。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和变频器的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。

同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

因此该系统能适用于各类不同要求的供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。

第二章可编程控制器的概述

2.1PLC可编程控制器介绍（三菱FX1N-40MR）

1969年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）以来，经过30多年的发展，现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。

它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。

可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。

初期的PLC只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。

随着微电子技术的发展，PLC以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。

目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。

在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，例如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。

2.2可编程控制器的特点

1.可靠性高。

由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个PLC生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间达到30万小时以上，使用寿命更长。

2.控制功能强。

PLC具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。

3.编程方便，易于使用。

PLC采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。

PLC可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。

4.使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。

5.具有各种接口，与外部设备连接非常方便。

6.采用积木式结构或模块式结构，有较大灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。

7.维修方便。

PLC上有I/O指示灯，哪个I/O元件有故障，一目了然。

8.可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。

2.3可编程控制器的工作原理

一．PLC的等效工作电路

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如下图2-1所示：

图2-1PLC的等效工作电路

1.输入部分

这部分的作用是接受被控设备的信息或操作0命令等外部输入信息。

输入接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。

每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供（如直流24V），也可由独立的交流电源（如交流110V）供给。

每个输入继电器可以有无穷多个内部触点（动合、动断形式均可），供设计PLC的内部控制电路（即编制PLC控制程序）时使用。

2.内部控制电路

这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。

内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。

PLC程序一般用梯形图形式表示。

而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PIC程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。

在PLC内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在PLC内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。

3.输出部分

这部分的作用是驱动外部负载。

在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器（有继电器、双向硅、晶体管三种形式），它也有无限个软件实现的动合、动断触点，可在PLC内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；外部负载的驱动电源接在输出公共端（COM）上。

总之，在使用PLC时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器接点（动合或动断）可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。

二．PLC的工作过程

PLC一般采用循环扫描方式工作。

当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除I／O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。

开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段：

1.公共处理阶段

这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查I／O总线、检查扫描时间等。

如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。

这部分时间是固定的，对P型机来说，为1.26ms。

2.执行外围设备命令阶段

当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。

3.程序执行阶段

在这个阶段，CPU将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据（输入和输出的状态）进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。

4.输入、输出更新阶段

PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。

CPU对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。

这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是PLC工作的特点。

三．PLC的扫描时间

PLC完成一个扫描周期所需要的时间，称为扫描周期时间，简称扫描时间。

扫描时间地长短取决于系统的配置、I／O通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等，循环中每个阶段所需的时间加在一起就是扫描时间。

各部分时间计算如下：

（2.1）

1.公共处理时间t1。

对P型机来说，这部分时间是固定的，即：

tl＝1.26ms

（2.2）

2.输入，输出更新时间t2。

因为PLC的输入通道数一般来说总是大于输出通道数，因此，在计算这部分时间时，可以输入通道数为准，即认为在输入更新时间内，输出一定会更新完毕。

这部分时间可按下式计算：

t2＝0.29+0.07N（ms）

其中N为输入通道数减1。

需要注意的是，若输出通道数大于输入通道数，则N应取输出通道数减1。

3.程序执行时间t3。

这部分时间取决于在用户程序中使用的指令的类型和条数。

把程序中使用的所有指今的执行时间加在一起，就等于t3。

（2.3）

4.执行外设命令所需时间t4。

当有外部设备与PLC相连时，其处理时间可按下述方法确定。

首先，把上面算出的三个时间相加，再乘以0.05，即：

t4＝（t1+t2+t3）×0.05

当t4＜1时，则t4＝1ms；当t4＞1时，则以0.5ms为单位，进行四舍五入。

例如，当t4=1.65ms时，则t4＝1.5ms；若T4＝1.8ms时，则取t4＝2ms。

注意：

当没有外设与PLC相连时t4＝0ms。

（2.4）

将上面四部分时间算出后相加，即为扫描时间T，即

T＝t1+t2+t3+t4

在PLC内部，系统定时器（俗称“看门狗”）一般在上电时设为130ms，当扫描时间超过130ms时，CPU将停止工作。

但是，既使扫描时间没有超过130ms，也可能对系统操作产生不良影响；扫描时间大于10ms时，高速定时器TIMH会出现故障；当扫描时间超过100ms时，普通定时器及0.1时钟脉冲发生器将会出错，并且报警。

四．PLC的I/O响应时间

用PLC设计一个控制系统时．必须知道有了一个输入信号后PLC经过多长时间才能有一个对应的输出信号，否则，就不能正确并精确地解决系统各部件之间的配合问题。

从PLC的工作过程可知当PLC工作在程序执行阶段时，既使输入状态发生变化，即输入状态寄存器的内容发生变化，CPU执行的输入信号也不会变化，而要到下—个周期的输入、输出更新阶段，才能有效。

同理，暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也要等到下—个扫描周期的输入、输出更新阶段，才能集中输出给输出部件。

从PLC收到一个输入信号到PLC向输出端输出一个控制信号所需的时间，就是PLC的I／O响应时间。

响应时间是可变的，例如，在一个扫描周期的I／O更新阶段开始前瞬间收到一个输入信号，则在本周期内该信号就起作用了，这个响应时间最短，它是输入延迟时间、—个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和，如图2-2所示：

图2-2PLC的I/O响应时间（a）

图2-3PLC的I/O响应时间（b）

如果在一个扫描周期的I／O更新阶段刚过就收到一个输入信号，则该信号在本周期内不能起作用，必须等到下一个扫描周期才能起作用，这时响应时间最长，它等于输入延迟时间、二个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和，见图2-3。

第3章供水系统的硬件设计

3.1系统主要构成及配置选型

3.1.1系统的构成

图3-1系统