水泵供水压力的PLC调节.docx
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水泵供水压力的PLC调节
1水泵控制任务描述
1.1控制任务
如图1.1所示为一恒压供水系统，有四台水泵。
要求主管道压力恒定在一个正常范围之内。
其中各个泵可以自动依次切换，即按一定顺序接通或断开。
其主管道压力通过管道末端压力传感器测得，当压力过高时高电位指示灯亮，当压力过低时低电位指示灯亮。
图1.1水泵图控制示意图
系统控制要求如下：
1）当主管道压力低于正常压力5s后，接通水泵的开关脉冲，增加一个工作泵，主管道压力增高。
2）当主管道压力高于正常压力5s后，切除水泵的开关脉冲，减少一个工作泵，主管道压力降低。
3）所有水泵的运行时间和接通频率尽可能一致。
4）当需要切除水泵时，先将运行时间最长的那台水泵切除；当需要接通水泵时，先要将休息时间最长的那台水泵接通。
1.2任务分析
主管道的压力为整个控制系统的输出，其压力控制示意图如图1.2所示：
图1.2水泵图控制示意图
当主管道压力升高超出正常压力范围时，执行关闭开关操作；当其压力低于正常压力范围时，执行打开开关操作。
这是系统的主要工作过程。
然后是对泵的切换顺序的控制，即当需要切除水泵时，先将运行时间最长的那台水泵切除；当需要接通水泵时，先要将休息时间最长的那台水泵接通。
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
7
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
5
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
5
具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
10
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
5
符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。
10
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。
11
创新
10
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
摘要：
近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。
在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。
由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。
这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求，供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标，压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。
随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。
一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水故障；另一方面要求保证供水质量的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。
恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统满足了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。
关键词：
PLC恒压供水
BasedonPLCcontrolconstantpressurewatersupplydesign
-waterpumpcontrol
Abstract：
Inrecentyearsourcountrysmallandmedium-sizedtownandcitiesdevelopmentwasrapid,centralizedwaterconsumptionsharpgrowth.Whenwaterconsumptionpeaktimevolumeofdiversionuniversalinsufficient,causestheurbanpublicpipenetworkhydraulicpressurefluctuationtobebig.Becausethedifferenttimeintervalwaterusediseverydaybigtothewatersupplywaterlevelrequestchange,dependsmerelyforthewaterworksattendantstocarryonthemanualmanualregulationbasedontheexperiencetobeverydifficulteffectivetoservethepurposepromptly.Thiskindofsituationcreateswhenthewaterusedpeakthewaterlevelcannotmeettherequirements,thewatersupplypressureisinsufficient,whenwaterusedtroughtimesupplieswaterlevelexceedingtheallowedfigure,thepressureisexcessivelyhigh,notonlywastestheenergymoreovertohavetheaccidentpotential（e.g.pressuretobeexcessivelyhigheasilytocreatecartridgeigniteraccident）.
Alongwithsociety'sdevelopmentandtheprogress,theurbanhigh-riseconstruction'swatersupplyquestionisdaybydayprominent.Ontheonehandrequeststoimprovethewatersupplyquality,doesnotwant,becausethepressurefluctuationcreatesthewatersupplybreakdown;Ontheotherhandtherequestguaranteewatersupplyquality'sreliabilityandthesecurity,inhastimethefirecansupplywaterreliably.Inviewofthesetwoaspect'srequest,thenewwatersupplyandthecontrolsystemariseatthehistoricmoment,thisisthePLCcontrolconstantpressurenon-towerwatersupplysystem.Theconstantpressurewatersupplyhadguaranteedthewatersupplyquality,asmainengine'scontrolsystemhasenrichedsystem'scontrolfunctiontakePLC,enhancedsystem'sreliability.
Keywords：
PLCconstantpressurewater
一、绪论..............................................................1
（一）任务来源.........................................................1
（二）方案比较.........................................................2
二、PLC简介...........................................................4
（一）PLC的系统组成....................................................5
（二）PLC的工作原理及特点...............................................6
三、方案分析..........................................................7
（一）对PLC的选取.......................................................7
（二）对扩展模块的选取...................................................9
（三）系统整体设计分析...................................................9
四、系统硬件设计.....................................................11
（一）主电路图........................................................11
（二）控制电路图......................................................11
五、软件设计.........................................................13
（一）系统流程图......................................................13
（二）地址分配表及PLC的CPU型号........................................14
（三）根据设计要求编写的恒压供水的水泵控制梯形图（见附录）.................14
（四）实验数据分析.....................................................15
六、总结与体会.......................................................16
谢辞................................................................16
附录................................................................17
（一）恒压供水的水泵控制梯形图..........................................17
（二）信号分析.......................................................20
参考文献............................................................20
一、绪论
（一）工艺过程
随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。
一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。
针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC控制的恒压供水系统。
恒压供水系统保证了供水的质量，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。
主管道的压力为整个控制系统的输出，其压力控制示意图如图1所示：
图1水泵图控制示意图
当主管道压力升高超出正常压力范围时，执行关闭开关操作；当其压力低于正常压力范围时，执行打开开关操作。
这是系统的主要工作过程。
然后是对泵的切换顺序的控制，即当需要切除水泵时，先将运行时间最长的那台水泵切除；当需要接通水泵时，先要将休息时间最长的那台水泵接通。
（三）系统控制要求
1．四台水泵按顺序启动，每隔30S启动一台水泵；
2．四台水泵根据恒压要求的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出；
3．在正常压力情况下，如果一台水泵持续运行时间超过2小时，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；
4.所有水泵的运行时间和接通频率尽可能一致。
5.当需要切除水泵时，先将运行时间最长的那台水泵切除；当需要接通水泵时，先要将休息时间最长的那台水泵接通。
（四）方案比较
1.控制方案的选择
控制系统一般有两种：
一是用继电器控制系统；继电器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但用了大量的机械触点，使设备连线复杂，且触点在开闭时易受电弧的损坏，寿命短，系统可靠性差；二是用PLC控制系统；PLC的梯形图与传统的电气原理图非常相似，信号的输入/输出形式及控制功能基本上也是相同的；但PLC的控制与继电器的控制有根本的不同之处，主要表现在以下几个方面：
（1）控制逻辑
继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及时间继电器等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。
而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中。
（2）工作方式
电源接通时，继电器控制线路中各继电器同时都处于受控状态，即该吸合的都应吸合，不该吸合的都因受某种条件的限制不能吸合，它属于并行工作方式。
而PLC的控制逻辑中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各种逻辑、数据输出的结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出的，所以它属于串行工作方式。
（3）可靠性合可维护性
继电器控制逻辑使用了大量的机械触点，连线也多。
触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨损，寿命短，因此可靠性合可维护性差。
而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的半导体电路来完成，体积小、寿命长、可靠性高。
（4）控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，触点的开闭动作一般在几十毫秒数量级。
另外，机械触点还会出现抖动问题，而PLC时由程序指令控制半导体电路来实现控制，属于无触点控制，速度极快，一般一条用户指令的执行时间在微秒数量级，且不会出现抖动。
（5）定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行控制。
一般来说，时间继电器存在定时精度不高，定时范围窄，而且受环境湿度和温度变化的影响，调整时间困难等问题。
PLC使用半导体集成电路做定时器，时基脉冲由晶体振荡器产生，精度相当高，且定时时间不受环境的影响，用户可根据需要在程序设定时间，然后由软件来控制定时时间。
（6）设计合施工
使用继电器控制逻辑完成一项控制工程，其设计、施工、调试必须依次进行，周期长，而且修改困难。
工程越大，这一点就越突出。
而用PLC完成一项控制工程，在系统设计完成以后，现场施工和控制逻辑的设计（包括梯形图设计）可以同时进行，周期短，且调试和修改的都很方便。
2.控制方案的确定
从以上几个方面的比较可以知道，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用方便。
所以我的控制方案选择用PLC来进行控制。
（二）PLC的系统组成
1.PLC的结构
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如图2所示：
图2PLC的硬件系统结构
2.PLC的各组成元素的构成及功能
（1）CPU的构成及功能----CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
（2）I/O模块----PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。
（3）内存----内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
（4）电源模块----PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
（5）底板或机架----大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
（6）PLC系统的其它设备----编程设备，人机界面，输入输出设备。
（7）PLC的通信联网----依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。
（三）PLC的工作原理及特点
1.PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，
CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或
地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
三、方案分析
（一）对PLC的选取
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3S7-200CPU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），可以提供其通讯功能。
（二）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。
（三）系统整体设计分析
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=60лd²v/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
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
1.70
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）
2.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（EDS344-2-0
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