PLC控制智能恒压供水.docx
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PLC控制智能恒压供水
基于PLC的楼宇智能双恒压供水系统
【摘要】
本论文主要阐述恒压供水模拟系统的上位机监控功能的实现过程，首先介绍了恒压供水系统的工作过程，详细分析了该系统的控制要求，然后给出了系统的结构设计，其次，着重阐述了运用工业控制专用软件（图灵开物组态软件）实现恒压供水系统的开发，实现了事故报警和报警记录，实时曲线与历史曲线，远程控制以及历史数据库操作过程记录等功能。
经调试表明该系统基本达到预期效果。
关键词：
恒压供水系统，开物2000，组态软件,可编程控制器
Abstract：
ThispapermainlyexpoundsafunctionrealizationprocessoftheconstantpressurewatersupplysystemsimulatingbyPCmonitor,firstlyitintroducestheconstantpressurewatersupplysystem,andanalysestheworkingprocessofthesystem,andthengivestherequirementsofcontrolsystem,secondly,describesthestructuredesign,andemphaticallyexpoundsthedevelopmentofconstantpressurewatersupplysystemwiththespecialsoftwareindustrialcontrol（Turingopencontentconfigurationsoftware）beingsoftwareplatform,whichrealizesthosefunctions:
theaccidentalarmandalarmrecords,real-timecurvesandhistory,andhistoricaldatabaseoperationprocessrecordsetc.
Testprovesthatthesystemhassatisfiedexpectedresults.
Keywords:
constantpressurewatersupplysystem,controX2000，configurationsoftware,programmablelogiccontroller
1绪论
随着社会的高速发展，城市的高层建筑越来越多，高层建筑的供水愈加显得重要。
供水系统一旦失控，必将给人们的工作和生活带来麻烦，甚至造成巨大损失，并且，随着城市建设的发展，由市政给水管网所提供的水压一般满足不了高层建筑给水及消防系统的要求。
为此，设计一套安全、可靠、高质量的生活、消防供水系统给高层建筑供水，己迫在眉睫。
1.1供水系统的发展现状及趋势
目前高楼供水的模式有以下几种：
1）恒速泵供水
此方式是一种传统的水系统供给方式，对于离心式机泵，过去常采用手动或自动调节控制阀、调节阀的开度来改变和调节流量，即用人为增减阻力的办法来实现调节。
当工艺需要小流量时，调小调节阀开度机泵的能量大量损失在阀门和调节阀上（一般阻力降为0.02—0.5MPa），浪费了许多能量。
而往复式机泵常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动。
但若备用机组频繁启停，可能会导致工况的振荡，同时也会影响设备寿命和电网电压。
改变机泵的转速来调节流量是最经济的调节手段，因为转速降低后，流量成比例下降，而功耗的下降是大于该比例的。
但是转速调节受驱动机的限制，采用直流电动机调速较为方便，但增加了整流装置，而且直流电动机价格昂贵。
且两者都有运转经济性较差、维修工作量大的缺点。
恒速泵由于耗能不合理，控制方法的不足，适应性差将逐渐被淘汰。
2）高位水箱供水
采用楼顶设高位水箱供生活用水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟。
然而，在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题。
例如，由于屋顶水箱的材质及表面防腐物质的有机成分不同，造成水质严重的二次污染;目前对水箱内存水的消毒问题并未得到较好的解决，水箱内经常还发现有死老鼠的情况;加之屋顶高位水箱的有效容积受建筑负荷限制，一般考虑只贮存10分钟的消防用水量，高层建筑一旦发生为灾，靠水箱供应扑灭火灾的消防水量，是远不够的。
如对于消防水泵长期不使用，经常发生锈死现象，消防管网中长期存水而形成死水，对发生火灾时不利。
故高层建筑的二次加压供水设施—高位水箱，给人们的生活和物业管理者带来的问题急需解决。
高位水箱的供水系统，虽实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。
而管道的阻力特性却是变化的，当水的用户多时（也即打开阀门，放水的支路多时），管道的阻力就相应减少，反之则阻力增大，大大降低了生活供水质量。
虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大二次污染等缺点。
3）气压罐给水设备用于消防供水系统
本系统在工程实践中已屡见不鲜。
气压罐在消防工程中的用途不外乎：
其调节水量可满足十分钟消防初期用水量，从而替代屋顶水箱；作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足—即满足大楼顶层消火栓处7m静水压要求;作为消防系统稳压用，启停稳压泵及启动消防泵并发出火警讯号用。
上述三种用途有一共同点，即均需贮存满足规范要求的消防用水量。
气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来己在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。
事实上要制造满足贮存调节水量为18,12.6m3的气压水罐，在技术上是可以做得到的。
但在实际工程中，由于受到建筑物内场地限制而很难实现。
为此广大设计人员对气压水罐只用作增压及稳压设施。
4）恒压变频的供水系统
该系统以节能和以下优点而备受人们青睐，成为用户降低费用，减轻负担，以及社会各界热切盼望解决和专家们多年来研究的课题。
变频恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。
启动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。
采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。
可根据用户需要，选择各种附加功能，如：
电机定时轮换，休眠等功能。
1.2本文研究的目的及意义
本文供水系统设备开发目的是解决广大人民的用水问题，缓解用水矛盾；突破现有供水技术现状，开拓供水技术新思路;合理运用所学的专业理论知识，解决实际问题的能力；提高供水系统的现代化管理水平，缩小与国外先进管理模式的差距，尽快与国际接轨。
本文供水系统设备开发的意义：
本课题所要开发的供水系统是基于PLC的变频调速双恒压系统，是现今高楼供水的一个新兴课题。
首先，它把传统的消防、生活两套供水系统综合在一个系统中，通过特殊的方法，兼顾生活、消防各自供水的特点和差异性，既能保证正常情况下高质量生活供水，又能保证消防状态下可靠的消防水源。
其次，双恒压供水系统，能根据不同的季节，不同的供水时段，以及各种意外的情况作出反映，保证系统管网的恒压，减少供水欠压和过压两种不合理现象。
改变了传统的恒速泵，或水塔、水箱供水方式的缺点;也避免了像水塔或水箱二次污染的可能，使设备和系统平稳和可靠，同时节能显著。
此外，构造这样一个控制系统可减小占地面积，降低一次性投资，系统安全可靠，维修管理方便。
相信，给系统设备的研制成功不但能解决楼宇建筑供水问题，也能为其它如污水处理等类似工程提供有力的借鉴。
1.3本文研究的内容
第一章：
绪论本章主要从我国供水的发展历程和发展趋势出发，对供水系统的发展概况做出了具体的分析和总结，阐述了本文研究的目的和意义。
第二章：
双恒压供水系统方案设计本章主要阐了双恒压供水系统的工艺流程和功能，在此基础上分析出系统的控制方案和控制要求。
第三章：
开物组态软件监控系统开发本章阐述了系统软件的设计的原则，在全方位分析的基础上绘制控制的画面并编写脚本，使系统得以实现。
第四章：
调试本章阐述了系统的调试和运行步骤，总结出了调试运行过程中遇到的问题，并提出了相应的解决办法。
2.双恒压供水系统方案设计
2．1工艺介绍
系统以我校实训楼的供水系统为参考模型，设计一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统。
其工艺过程，如图2-1所示，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为底水位报警用。
为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。
生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。
火灾结束后三台泵再改为生活供水使用束。
图2-1供水工艺流程图
2.2控制要求分析
通过现场调研和与有关用户及设计人员的沟通，我们初步确定系统具有以下的控制基本要求：
（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行（体现双恒压），同时在监控页面上实时显示生活供水水压和消防供水水压；
（2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；
（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长，各泵的工作状态应在监控页面上实时显示；
（4）三台泵在启动时要又软启动功能；
（5）要有完整的报警功能；
（6）系统具有手动、自动两种运行控制方式，对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
（7）能够实现现场的监控功能。
2.3控制方案
2.3.1双恒压供水系统构成
系统由工控机和PLC及变频器构成，形成了现场操作单元、现场监控单元、数据采集系统及远程控制系统的一体化模式。
2.3.2系统的设计思路
系统运用变频器一拖N，借助变频器内置PID功能调节水压，应用PLC处理泵切换及数据处理并上传上位机。
上位机主要用来对供水系统实施监控。
主要解决以下几个关键问题：
1.频率信号处理
对变频器反馈回来的频率信号作10次平均运算处理。
2.压力信号处理
对远传压力表的4-20mA在PLC内做转换处理：
输入转换：
X=32000*（AIWX-6400）/（32000-6400）
输出转换：
Y=计算值*（32000-6400）/32000+6400
将转换值由模拟量输出口以0—10V的电压信号输出到变频器，作为变频器PID的反馈值，由变频器做PID处理。
同时，PLC实时监控变频器的频率变化，根据情况做切换泵处理并上传数据。
数据比较处理
1）一台泵运行
如果压力在上限，频率在下限，则进入休眠状态，变频器停止工作。
如果压力下降到唤醒值时，启动变频器再次运行。
如果压力在下限，频率在上限，则该泵由变频切换到工频，变频器拖动第二台泵运行。
2）二台泵运行
如果压力在上限，频率在下限，则停掉工频泵，仅以一台泵运行，这样就返回到一台泵运行的情况处理。
如果压力在下限，频率在上限，该泵由变频切换到工频，变频器拖动第三台泵运行。
3）三台泵运行
如果压力在上限，频率在下限，则停掉1号工频泵，2号泵工频运行，3号泵变频运行，这样就返回到二台泵运行的情况处理。
如果压力在下限，频率在上限，该泵由变频切换到工频，变频器停止运行。
这样就有三台泵工频运行了。
如果这时压力下降到下限，就将三号泵由工频切换到变频运行。
以次类推。
4.泵切换处理
1）泵累计运行时间
当该泵运行时，累计运行时间增加，停止运行时，累计运行时间下降（增、减计时）。
2）泵切换
自动程序的入口是一台泵运行，当自动初次启动后，系统给出一个泵启动信号（一台泵），此时程序判别哪台泵的运行时间最小就让那台泵先变频启动，如果需要增加泵，系统就给出一个泵启动信号，程序判别在剩下的泵里面谁的运行时间最小就启动该泵。
停泵时，最先启动的就最先停。
依次类推。
2.3.3系统结构框图
系统的监控与运行显示在计算机上，协调与管理分散在各个监控画面之上。
通过监控系统的显示，发送执行命令。
使在PLC上输入的程序来控制执行器实现各部分现场设备的运行。
达到设计的目的。
图2-3系统结构框图
经过对现场的调查以及考虑到用户的要求综合系统的设计规则选择相应硬件设备。
硬件设备清单如表2-1：
表2-1硬件设备清单
代号
名称
数量
规格型号
备注
PLC
可编程控制器
1
西门子s7-200
继电器输出型
EM222
PLC扩展单元
1
EM222
继电器
EM235
PLC扩展单元
1
EM235（4A/IAO）
模拟量单元
VVVF
通用变频器
1
MM440
变频调速
HR1～HR10
指示灯
15
AD16-22
LED显示，220VAC,（其中3个红色，其余为绿色）
KM1～KM6
交流继电器
6
CJ10-40
线圈电压220VAC
SB1,SB3
SB5,SB7
启动按钮
4
LAY37
绿色
SB2,SB4
SB6,SB8
停止按钮
4
LAY37
红色
QS1～QS4
隔离开关
4
DZ10-200/33
脱扣电流值为170A
FU1
熔断器
4
RC1A-150
熔体100A
FU2
熔断器
2
RC1A-5
熔体2A（控制电路）
FR1～FR3
热继电器
3
JR16-30/3
根据电机额定电流整定
M1～M3
电动机
4
Y160M-2
三相交流异步电动机
SL
液位继电器
2
HHY11PG
适用于排水供水，220VAC
SP
远传压力表
1
YST－150型
HA
电铃
1
AC220V,d=75mm
YV1,YV2
电磁阀
2
2W500
AC220V
SA
转换开关
1
HZ2-10/3
手动/自动转换开关
3开物组态软件监控系统开发
3.1开物组态软件概述
3.1.1软件概述
基于MicrosoftWindows98、windows2000、windowsNT操作系统的controX2000软件包内部采用真正的Client/Server体系结构，用户可以在企业所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息，无论是在控制现场还是在办公室内，可以进行交互式的操作，让操作者和管理人员作出快捷有效的决策。
通过使用controX2000，会使用户极大地增强其生产线能力，提高工厂的生产力和效率，提高产品的质量和减少成本及原材料的消耗。
它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网状结构的分布式大型集中监控管理系统的开发。
3.1.2controX2000的系统结构
controX2000总体结构由开发环境、数据服务、驱动程序库和运行环境构成。
（1）开发环境：
是一个工程开发设计工具。
用于创建监控虚拟现实场景（图页）、监控的设备及相关变量、动画连接、设定运行系统配置等的系统组态。
（2）数据服务：
作为数据处理的核心，用于根据开发环境的设计进行与硬件设备通讯的调度和数据的加工处理以及网络的传输。
（3）驱动程序库：
负责与外部设备的数据信息交换，每一种通讯驱动程序支持相应类型的外部硬件设备。
（4）运行环境：
运行界面。
从数据服务获得通讯数据，并依据由开发环境的动画设计显示动画画面，实现人与控制设备的交互操作。
controX2000体系结构图如图3-1：
controX2000工程系统结构如图3-2：
图3-1ControX2000体系结构图
图3-2controX2000工程系统结构
3.1.3controX2000的系统特点
作为能够实现先进监视与控制的通用软件，controX2000提供了强大的功能：
（1）全面支持ActiveX技术，提供极其灵活的面向对象的动态图形功能以及丰富的图形库；
（2）实时和历史数据的记录及超强的趋势曲线图设置功能；
（3）卓越的报警和报警的管理以及报警参数在线修改功能；
（4）高性能的I/O驱动，并支持目前主要硬件厂商支持的OPC（OLEforprocesscontrol）标准驱动程序；
（5）强大的数据库连接能力，支持Microsoft开放数据库互连（ODBC）接口；
（6）提供灵活的报告与报表生成功能，除了内嵌可组态的报表外，亦可通过DDE方式在MicrosoftExcel中形成报表及报告；
（7）采用分布式Client/Server体系多用户结构，支持实时数据共享和分布式历史数据库；
（8）内嵌高级编程语言，灵活方便地解决控制过程中所遇到的各种复杂问题；
完整的安全保护特性，为多个不同安全级别用户使用的并且划分不同安区域的控制系统提供安全保护措施；
除以上为满足厂级控制与管理要求所具有的功能之外，controX2000监控软件还为有其它特殊需求的用户提供了WebServer、软逻辑等可以选购的组件。
软逻辑组件，它为用户使用无控制策略的板卡、模块、控制器等提供了灵活的解决方案；
3.2监控用户程序的开发
3.2.1软件实现
ControX2000通用监控软件是一种先进的工业控制用软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。
它基于MicrosoftWindows98、Windows2000、WindowsNT操作系统，内部采用真正的Client/Server体系结构，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息，无论是在控制现场还是在办公室内，都可以进行交互式的操作，让操作者和管理人员作出块捷有效的决策。
符合本设计的对现场远程监控的要求，同时适合本设计的模块化开发模式，根据实际要求分为生活恒压供水模块和消防恒压供水模块进行设计，最后将其综合在一起实现双恒压供水系统模拟仿真。
3.2.2系统界面的设计
在开物组态环境下无论是采用何种设计思路，一般都需要有一个控制中心界面，也相当于监控中心界面，在监控中心可以远程监控、随意地切换界面到待报警界面，报表界面，水流量曲线界面。
每个界面也可以返回监控中心，软件本身有好多功能，可以帮实现时间的设置、数据的采集、参数设置等等。
双恒压供水系统的设计框图见图3-3。
图3-3系统的设计框图
3.2.3系统开发
系统开发步骤：
第一步：
创建新工程（为工程创建一个目录用来存放与工程有关的文件）
第二步：
进行硬件系统的配置（包括节点及设备的添加，即您的工程中需要哪些计算机以及何种硬件设备）
第三步：
定义标签（包括定义内存标签和与现场打交道的I/O标签）
第四步：
制作图页画面（按照实际工程的要求绘制监控画面）
第五步：
定义动画链接（根据实际现场的监控要求使静态画面随着过程控制对象产生动画效果）
第六步：
编写事件脚本（用以完成较复杂的控制过程）
第七步：
进行运行环境的配置（对系统数据保存时间、网络参数、打印机、运行模式等等进行设置，是系统运行前的必备工作）
第八步：
保存工程并运行
完成以上步骤后，一个简单的工程就制作完成。
controX2000通用监控软件在双恒压供水系统中的具体界面的实现，在整个系统中，涉及的页面设置比较多在此仅介绍关键技术。
一、在一个正在运行的控制系统中，为了保证系统的安全可靠运行，进行人机交互操作时，并不是所有的人都可以对控制系统进行操作。
对系统进行相应的安全保护是必须的。
对于此问题，我们通过可设置用户的工作区域和权限及工程加密来解决。
1、在新建用户时可以设置用户所管辖的工作区。
只有当用户所属的工作区包含图页的工作区时，此用户才可对此图页进行操作。
2、同样可设置图形对象的权限，双击图页中的某个图形对象可弹出对象属性对话框，在此对话框的“权限”属性中设置此对象的权限。
只有当用户权限大于等于图形对象的权限时，此用户才可对此对象进行操作。
3、对于工程加密，可以选择密码加密。
执行工程浏览窗口中的“工程\加密”命令，选择使用密码加密后，填写并确认密码。
同样对于系统的登陆也进行保护，设定登录权限。
登陆界面如图3-5所示：
图3-5登陆界面
在登陆界面上的登录按钮的事件进行编程设置，使用“LogIn;”如图3-6所示：
图3-6按钮事件设置
二、在监控界面中，对于水的流动、火灾报警的处理、各水泵信息面板的显示以及现场控制的设置。
1、水的流动的动画处理
为了在恒压供水监控页面中更好的监控现场，所以管道线应有流动效果，其关键在于动画设置，连接正确的标签，以三号泵相关的流水管道为例来讲，就是三号泵工作则管道中有流水效果，但同时受到现场开关阀的控制，设置如图3-7所示：
图3-7三号泵流水线设置图
2、火灾报警动画的动画处理
火灾发生时在监控界面中应有相应的声光报警，同时应有相应的处理措施。
声光报警：
在监控界面中设置“火灾报警灯”，连接相应的标签实现其要求动画，如图3-8所示：
图3-8火灾报警灯设置图
报警处理：
在监控界面中设置“火警确认”按钮，编写相关程序实现相关功能，如图3-9所示：
图3-9火警确认按钮设置图
3、各水泵信息面板的处理
对于一台水泵应该显示其基本的四种工作状态“工频”、“变频”、“停止”、“故障”并且集中在一块面板上显示，并且在平时正常运行时不显示该信息面板，如图3-10所示（以一号泵信息面板为例）：
图3-10一号泵信息面板设置
4、蓄水池中蓄水量的处理
鼠标点击垂直缩放，出现对话框，连接定义标签，设置标签值及缩放百分比如图3-11所示：
图3-11蓄水池动画设置
5、所连接的外部标签
因为本设计可以连接外部硬件设备实现整个系统的功能，故必须要设定外部连接标签，标签清单如图3-12所示：
图3-12双恒压供水标签
6、双恒压供水系统页面
经过以上处理，再加以简单的位图导入、修正实现所需的双恒压公水监控页面，如图3-13所示：
图3-13双恒压供水监控页面
图3-14双恒压供水报警页面
图3-15双恒压供水报表页面
图3-16双恒压供水数据查询页面
4.调试
4.1调试步骤
程序调试，是将编制的程序投入实际运行前，用手工或编译程序等方法进行测试，修正语法错误和逻辑错误的过程。
这是保证计算机信息系统正确性的必不可少的步骤。
编完程序，必须送入系统中测试。
程序调试步骤：
第一步，用编辑程序把编制的源程序按照一定的书写格式送到计算机中，编辑程序会根据使用人员的意图对源程序进行增、删或修改。
第二步，把送入的源程序翻译成机器语言，即用编译程序对源程序进行语法检查并将符合语法规则的源程序语句翻译成计算机能识别的“语言”。
如果经编译程序检查，发现有语法错误，那就必须用编辑程序来修改源程序中的语法错误，然后再编译，直至没有语法错误为止。
第三步，
升级会员 