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1、lpc恒压供水控制系统设计 大学毕设论文克拉玛依职业技术学院毕业设计（论文）题 目： P L C 恒 压 供 水 控 制 系 统专 业： 电 气 自 动 化 设计指导老师： 毕业设计学生： 学 号： 目录摘要 - 1 -1.设计任务书 - 1 -1.2设计目的 - 2 -1.3设计内容及要求 - 2 -1.4设计进程安排 - 3 -2.PLC恒压供水控制系统 - 4 -2.1引言 - 4 -2.2恒压供水PLC控制系统的基本策略 - 4 -2.3恒压供水系统的基本构成 - 4 -2.4 工作原理 - 5 -3.水泵电机的选择 - 7 -3.1.概述 - 7 -4、PLC的模拟量扩展单元的配置和

2、选型 - 7 -4.1 PLC模拟量扩展单元的配置及应用 - 7 -4.2 PLC系统的选型 - 8 -5、电控系统的原理图 - 8 -5.1 主电路图、 - 8 -6、系统的程序设计 - 11 -6.1 由“恒压”要求出发的工作组数量的管理 - 11 -6.2 台组泵站泵组的管理规范存入生活/消防频率下限 - 11 -6.3 程序的结构及程序功能的实现 - 11 -设计总结 - 14 -致谢 - 15 -参考文献 - 16 -摘要 利用自动控制程序PLC恒压控制三台水泵电机供水给生活小区生活用水。采用可编程控制器（PLC）构成控制系统进行优化控制泵组的运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水

3、压力的要求，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数工作而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。关键词：PLC，自动控制系统，控制指1.设计任务书1.1设计题目：PLC控制恒压供水系统1.2设计目的1) 毕业设计是学校学习的最后一个环节，也是培养学生综合运用所学的基本知识、基本理论和基本技能，独立进行工程设计、科学研究和专业基本训练，解决实际工程问题的一个很

4、重要环节。2) 通过毕业设计，培养学生树立正确的设计、思考和研究思想；理论联系实际和严谨、高度合作协作的工作态度。3) 通过毕业设计，使学生在查阅文献资料、收资调研、工程计算、数据处理等各个方面的能力得到基本的训练。4) 利用现代化科学技术程序系统控制恒压供水，使用自动化技术方便工作，熟悉一种具体的现代自动控制系统产品性能，学习其设计及使用方法，巩固所学的自动控制原理技术，可编程制空器、机电一体化技术等各方面理论知识，培养高新技术综合应用能力。1.3设计内容及要求1) 随着PLC自动控制技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，为了解决住户较大变化的生活用水及保持供水压力，保证生活用水的

5、质量，避免克服水锤效应及第二次污染造成供水污染的问题，PLC控制恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。PLC控制恒压供水系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了PLC控制恒压供水的技术优势，同时又有效的节省了资金。 本系统能根据用户的用水量对供水压力的变化，进行自动调节电动机的工作从而改变供水量，使得供水压力恒定在一个设定压力值上，以满足用户的用水要求。 运行时若一个主泵在运行下不能满足用户的供水需要时，系统将会自动增加一个备用泵投入运行与主泵共同进行联合供水，增大管道供水的流量，使供水压力迅速恢复并恒定在设定值上。随着用水量的减少，压力上

6、升到上限时（即是由主泵与备用泵同时运行供水时），系统则会将备用泵退出工作，只由主泵单独工作运行供水。若管网压力仍不断上升，压力再次上升到上限时，系统将主泵停止退出工作，启动休眠泵运行供水，若用水量为零时，各泵退出运行处于休息状态。当管网压力下降时再次重新启动供水系统，如此循环地工作。2) 为了使主泵与备用泵的平均工作时间相同，防止泵发生锈死现象，因此系统应具有主泵与备用泵定时切换工作功能。3) 具有两种供水控制模式，以满足用户不同的用水要求，实现自动控制与手动控制。4) 要求具有报警保护功能和管网超/欠压检测保护功能，以保障供水系统的安全。1.4设计进程安排1) 研究设计内容与要求，听从设计辅

7、导师的辅导。2) 收集资料3) 提出初步设计方案4) 绘制图纸编写设计说明书2.PLC恒压供水控制系统2.1引言传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。随着技术的进步采用PLC的运用控制为水泵自动工作连续调节提供了方便。2.2恒压供水PLC控制系统的基本策略采用可编程控制器（PLC）构成控制系统进行优化控

8、制泵组的运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的要求，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数工作而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。2.3恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，一台主一台备有和一台休眠用的这比设单台水泵电机节能而可靠。单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用

9、水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用是必要的。而我采用的办法就是根据用户的用水量对供水压力的变化，进行自动调节电动机的工作从而改变供水量，使得供水 压力恒定在一个设定压力值上，以满足用户的用水需要，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。恒压供水系统很好的解决了旧设备需要频繁检修的问题，既体现了PLC控制恒压供水的技术优势，同时有效的节省了资金。2.4 工作原理1) 自动工作原理采用了PLC自动控制电机工作，只要功能有在正常用水的情况下主，备泵能够自动转换轮流工作，如此既可以延长电机使用寿命也可以防止备用泵长久不使用而生锈的现象，在不同季节的时候用水量不同的情况下可以根

10、据不同水位不同压力自动控制电机工作，当用水量少水位保持高上限为的状态下，系统就自动调整电机停止或使用休眠泵工作，如果水位长时间在高位，使用电机停止工作。当到了用水量多是时候，水位就会降低到下限位，系统就会自动控制主水泵工作，如果用水量过于繁忙时水位一直停止下限位时候，系统就会自动启动主，备两个水泵工作以确保正常供水，又回到高水位上限位时保持一定时间时候备用水泵就可以停止工作，又自动转换高水位工作状态。如此反复自动工作既方便又可以节省资源。想了解工作情况状态可以从指示灯来了解，表达明确。维修方面既方便又可靠，可以使用手动控制，不管是那台电机出现问题都不会影响到正常供水，可以单独关闭进行维修，而另

11、台电机继续工作。2) 工作步骤首先合上电源开关QS， PLC电源得电，写入控制程序。按下SB0程序开始运行读取，启动主水泵工作，首先KM1线圈得电让电机工作做准备，KM1常开触点闭合自锁工作，工作指示灯亮。线圈KM3得电，电机星型降压启动确保电机在启动瞬间电流过大而损坏。时间继电器T1得电开始计时为全压工作做准备，时间继电器计时到30秒后，常开触点闭合，线圈KM2得电全压正常工作，常闭触点断开，线圈KM3失电，降压复位。时间继电器T0得电计时，当计时到4个小时的时候，常闭触点断开，线圈KM1失点，主水泵停止工作，所有触点复位。常开触点闭合，KM4线圈得电让电备用电机转换工作做准备，KM4常开触

12、点闭合自锁工作，工作指示灯亮。线圈KM6得电，备用水泵星型降压启动，继电器T3得电开始计时为全压工作做准备，继电器T3计时到30秒后，常开触点闭合，线圈KM5得电全压正常工作，常闭触点断开KM6失电，降压复位。继电器T2得电计时，当计时到4个小时的时候，常闭触点断开，线圈KM4失电，备用水泵停止工作，所以触点复位。同时常开触点闭合，KM1线圈得电主电机转换工作，。如此反反复复正常轮流转换工作，可以增长电机使用寿命。停止工作按下SB1,SB2即可实现，所以线圈，触点复位。当用水量少的时候，水位上升到上限位时，上限位触点动作，上限工作指示灯亮，开始检测。当检测到是电机M1，M2电机同时在工作时，时

13、间继电器T4得电计时，计时到30秒后关断2号备用电机M2，1号电机M1继续工作。当检测到是电机M1工作,电机M2停止状态时，时间继电器T5得电计时，当计时到30秒时关断1号主电机M1，启动休眠电机M3工作。当检测到3号休眠电机M3工作M1,M2停止工作时，时间继电器T6得电计时，当计时到30秒时关断休眠电机M3，所以电机进行休息状态。当检测到电机M1,M2.M3.都在停止状态仍保持在上限位时，报警指示工作。当用水量多的时候，水位下降到下限位时，下限位触点动作，下限工作指示灯亮，开始检测。当检测到是电机M1，M2，M3,电机同时在停止状态时，时间继电器T10得电计时，计时到30秒后启动1号主泵电

14、机工作。当检测到是电机M1工作电机M2，M3停止状态时，时间继电器T11得电计时，当计时到30秒时启动2号备用电机M2与1号电机M1同时工作，以确保水量的供应。当检测到电机M1,M2.电机.都在启动状态仍保持在下限位时，报警指示工作。3) 保护装置 整个电路系统中有短路，过流，过热，管网超/欠压检测，报警等保护功能。1.短路保护，电路中采用了保险丝FU来实现，当电路发生电路时，保险丝动作切断电路确保电路安全。2.过流保护，电路中采用了星型降压启动，三角型全压工作来实现。只要防止电机在启动瞬间电流过大而损坏电机。3.过热保护，电路中采用了热继电器RF来实现。当电机使用发生过热温度时，热继电器的常

15、闭触点就动作断开，切断电源来确保电路安全。3.水泵电机的选择3.1.概述 （1）SBG申宝自动给水设备是一个智能调节水泵水流量的自动供水设备，以PLC为核心的SBG恒压自动供水设备和SBG型普通继电器自动控制供水设备代表了当今自动供水领域的最新控制技术，已成为现今高楼给水的主导产品，可以完全取代传统的水塔、高位水箱和气压罐供水方式，既降低了建筑成本，又消除了水质的二次污染，而且更具节约能源，操作方便，自动化程度高，高可靠性等优点，是一种提高供水品质的理想产品。（2）SBG自动给水设备主要由泵组、气压贮能器、稳压小泵及控制组成。泵组提供生产、生活所需要的用小量，气压贮能器（M系列除外）、稳压泵提

16、供水及维持正常的管网渗漏，同时起稳定系统压力的作用。控制柜实现给水设备的全自动控制。（3）工作过程为，按照供水压力，设定系统供水压力下限，供水压力上限，当采用普通继电器控制时，是以压力开关或电接点压力表采集控制信号，当系统压力下降到设定压力下限时，水泵起动；当压力上升到设定压力上限时，水泵停机。既可节能，又可恒压供水。提高了电机、水泵、阀门及电控柜的使用寿命，噪声大大降低。 4、PLC的模拟量扩展单元的配置和选型4.1 PLC模拟量扩展单元的配置及应用 P LC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可以

17、将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。如用S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中。4.2 PLC系统的选型 系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选用CPU224的PLC，也需要扩展单元；如果选用CPU226的PLC，价格比较高，这样形成的浪费较大。因此参照西门子S7-200产品目录及市场价格可知选用的主机为CPU222一台，加上一

18、台数字量扩展模块EM222，再扩展一个模拟量模块EM235。这样配置是最为经济的。整个PLC系统的配置如图2所示： 图4-2 PLC系统的配置电控系统的原理图包括主电路图、控制电路图及PLC的外围接线图。5、电控系统的原理图5.1 主电路图、 图5-1 恒压供水系统的主控电路图如图5-1为电控系统的主电路图。三台电机分别为M1，M2，M3。接触器KM1，KM3，KM5分别控制电机M1，M2，M3的供频运行；接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3的变频运行；FR1，FR2，FR3分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器；QS1，QS2，QS3，QS4分别为变频器和三台水泵电机主电

19、路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器；VVVF为通用变频器。5.2 控制电路图 图5-2为电控系统控制的电路图。SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置时候为手动控制状态；SA打在2的位置时候为自动控制状态；在手动运行时，可用按钮SB1SB8控制三台电机的起/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。 图中的HL10为自动运行状态时的电源指示灯。对变频器的频率进行复位控制时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用的一个COM端，而系统本身又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。 图5-2控制电路图 图中的Q0

20、.0Q0.5及.Q1.0Q1.5为PLC的输出继电器触点。在此可以看到在检修是的控制原理和水泵在正常运行是的控制原理一样的，最终是通过控制接触器的通与断来控制水泵的启动与停泵。 在PLC控制时候与检修时的控制最大的区别是，PLC可以通过变频器来控制水泵的转速从而达到对水压的压力控制，而检修的目的是对机器的维护而不是控制水压，因此不必通过对其转速控制。6、系统的程序设计对泵站软件的设计分析如下：6.1 由“恒压”要求出发的工作组数量的管理为了恒定水压，那么在水压降低时，需要升高变频器的输出频率，并且在一台水泵工作是不能满足恒压要求时，这时需要启动第二台或第三台水泵。这样有一个判断标准来决定是否需

21、要启动新泵即为变频器的输出频率是否达到所设定的频率上限值。这一功能可以通过比较指令来实现。为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应滤去偶然因素所引起的频率波动所达到的频率上限值的情况，在程序中应考虑采取时间滤波情况。6.2 台组泵站泵组的管理规范存入生活/消防频率下限由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，有规定各台水泵必须交替使用，那么多台组泵站泵组的投入运行需要有一个管理规范。在本次设计中控制要求中规定任意的一台水泵连续运行不得超过3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵的时候，以新运行泵为变频是合理的。具体的操作时，将现运行的变频器从变频器上切除，并且接上工频电源加以运行，同时将

22、变频器复位并且用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，在本设计中所使用的是用泵号加1的方法来实现变频器的循环控制即3加上1等于0的逻辑，用工频泵的总数结合泵号来实现工频泵的轮换工作。6.3 程序的结构及程序功能的实现根据前面可知，PLC在恒压供水系统中的功能比较多，由于模拟量单元及PID程框图如图4。在初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其主要的用途为节省大量的扫描时间加快整个程序的运行效率，提高了PID中断的精确度。上电处理的作用是CPU进行清除内部继电器，复位所有的定时器，检查I/O单元的连接。 图6-1初始化程序主程序流程图如图6-1，其功能最多，如

23、泵的切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等等都在主程序中。生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字式方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定为满量程的70%，消防供水时系统设定为满量程的90%。本系统中的增益和时间常数为：增益Kc=0.25，采样时间Ts=0.2s，积分时间Ti=30min 图6-2主控制程序中断程序如图6-2，其作用主要用于PID的相应计算，在PLC的常闭继电器SM0.0的作用下工作，它包括：设定回路输入及输出选项、设定回路参数、设定循环报警选项、为计算指定内存区域、指定初始化子程序及中断程序。设计总结恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水

24、泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。正因为此，系统具有收回投资

25、快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。在实际应用中，采用PLC控制恒压供水，还能容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更大的灵活性和通用性。致谢 在本次的设计中，指导老师是叶晓燕老师，感谢他在此次设计中给予的帮助。在整个论文过程中老师们倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老师们悉心细致的教诲和无私的帮助他们在学术上严谨求实，一丝不苟，对待学生要求严格，言传身教，在学习上毫无保留的传授以专业知识和为人处世的道理，生活上以

26、无微不至的关爱，再次感谢他们的教诲，并祝愿他们身体健康，生活幸福！ 在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。参考文献1马云峰.PLC的PID功能在恒压供水系统中的应用,潍坊高等专科学校，1999。2陈宇.可编程控制器基础及编程技巧,广州:华南理工大学出版社,1999。3OMRONCPM1A可编程控制器操作手册及编程手册，2000。4李景学、金广业.可编程控制器应用系统设计方法,北京:电子工业出版社,1998。5韩焱青.PLC控制变频调速恒压供水系统，武汉化工学院学报2000年04期。6高惠芳.恒压供水系统的自动控制,广州:广东工业大学电信工程系，2002。7滑海穗、郎宏仁.可编程控制全自动恒压供水系统,哈尔滨市自来水公司，1999。8SchneiderATV38变频器用户手册、产品目录、编程手册，2001。9袁任光.可编程控制器选用手册,北京:机械工业出版社,2002。10陈少波.带PID功能的变频器在恒压供水系统中的应用,汕头大学机电系，2000。