基于PLC的供水控制系统设计讲解.docx

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基于PLC的供水控制系统设计讲解

基于PLC的供水控制系统设计

系名称

电气与信息工程系

专业及班级

电气工程及其自动化

学生姓名

张蕴

学号

144139240471

指导教师

陈伟明

湖南交通工程学院

2017年10月31日星期二

摘要

本课题以某小区供水系统的改造为背景，根据供水系统的特性和实际情况的要求，采用PLC实现供水过程的全自动控制，满足居民用水的需要。

研究的主要内容包括:

基于PLC自来水控制系统整体方案的设计、PLC控制系统原理、重点探讨PLC控制系统硬件、软件的设计，对PLC在实际现场控制过程中经常遇到的一些实际问题的解决，基于该工程项目的电气控制系统设计与实现展开的，采用可编程控制器PLC，完成了整个电气控制系统的软硬件的设计，基本达到了预期的目标，实现了小区供水的自动化。

关键词PLC；供水系统；自动控制

第1章描述与要求

1.1课题背景和意义

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。

PLC供水系统集电气技术、现代控制技术于一体。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.2国内外物业供水系统发展与现状

可编程序控制器（programlogicalcontroller），简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统。

世界上第一台可编程控制器是美国数字设备公司（DEC）于1969年研制的。

早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等，PLC将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点。

70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强，具有了：

可靠性高、具有丰富的I／O接口模块、采用模块化结构、编程简单易学安装简单，维修方便等特点。

以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。

PLC在物业供水方面也得到了广泛的应用。

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、液力耦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。

这些传统的供水方式或多或少都存在各自的缺点和不足，比如：

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水塔高位水箱供水基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大、单片机变频调速供水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不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，在这种情况下人们想到了基于PLC的供水系统设计。

目前国内外基于PLC的供水系统设计技术比较多，并且有些技术已经相当成熟，从简单的基于PLC的恒压供水系统设计到基于PLC的变频恒压供水系统设计，其中后者的变频技术是现在研究的核心，变频技术是在电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论发展的基础上发展起来的。

本文的基于PLC的物业供水系统设计属于恒压供水，由于PLC的可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等特点，与传统的供水系统相比本系统有很大的实用价值。

1.3可编程控制器（PLC）的特点及应用

可编程序控制器（program109icalcontroller），简称PLC，是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。

由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求，再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。

目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。

1.4基于PLC的物业供水系统实现功能及特点

本设计是基于PLC的物业供水系统，具有以下特点：

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。

（1）系统分手动工作和自动工作两种状态，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。

（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（若输入点不够，可减少一个过载保护收入）。

（4）设有“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）。

（5）设有高压报警和低压报警。

高压报警指示灯，当只有一台水泵在工作，但是，水压还是超过正常值，这时就要报警来提醒工作人员，由工作人员决定是否手动关掉所有水泵。

低压报警指示灯，当4台水泵都投入工作，但是，水压还是低于正常值，如果这种状态经常发生，那么，这个系统就要考虑增设水泵以保证供水的正常。

第2章方案设计

2.1恒压供水系统原理

恒压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。

2.2系统方案确定

恒压供水的原理分析可知，该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，可供选择的方案有：

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。

因此不选并用此方案。

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。

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。

第3章方案实现

3.1系统主要配置的选型

3.1.1水泵机组的选型

水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。

要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。

本文以某小区的实际生活用水的数据进行选型，该小区生活用水具体要求为：

1）由多台水泵机组实现供水，流量范围600m2／h，扬程60米左右，出水口水压大小为0.4Mpa；

2）设置一台水泵作用于小流量时的供水；供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；

3）系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能。

4）具有完善的过载保护功能，系统要求较高的经济运行性能。

根据以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用4台上海熊猫机械（集团）有限公司生产的SFL系列主水泵机组。

表3.1水泵机组参数表

型号

数量

主要性能参数

流量m2/h

扬程m

效率%

转速r/min

电机功率kw

余量m

进出口径mm

水泵机组

150sfl160-20x4

4

160

80

73

1450

55

2.9

150

3.1.2PLC的选型

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。

因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素，以日本三菱PLC为例，该PLC有FX、A、Q三大系列，在FX系列中又有FX1S，FX1N和FX2N三种型号。

依据控制任务，从PLC的输入／输出点数、存储器容量、输入／输出接口模块类型等方面等来选PLC型号。

在供水系统的设计中，我们选择三菱FX1N-40MR-001型PLC。

FX1N-40MR-001的主要参数为：

I／O点数：

24／16；

基本指令：

27条；

功能指令：

298条；

基本指令执行时间：

0.55-0.7微秒；

用户程序步骤：

8K；

通信功能：

强；

输出形式：

继电型；

输出能力：

2A／点；

三菱FX1N-40MR-001是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。

具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。

是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。

特点：

三菱FX1N-40MR-001PLC拥有相当快的速度，FX是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX1N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中高档次的超小形程序装置。

除输入输出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。

三菱FX1N-40MR-001在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。

可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。

可根据电源及输出形式，自由选择。

程序容量：

内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。

丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。

便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。

数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。

特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。

3.1.3压力传感器的选型

压力传感器是供水系统中的主要传感器。

PLC自动控制水泵的工作情况的信息全部来自压力传感器，它必须要有很高的可靠性，如果压力传感器出错，将会带来灾难性的事故，很可能是管道爆裂或者是水压不足，造成居民用水的不方便，因此压力传感器的选用很关键。

根据供水系统的具体的要求，我们选择佛山一众传感仪器有限公司的水压传感器PY206。

它有以下特点：

水压传感器，厂家采用进口高精度感应芯体，先进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成0～5VDC标准电信号。

采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。

广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。

产品概述及特点：

A、采用进口感压芯片；

B、先进的贴片工艺，具有零点、满量程补偿，温度补偿；

C、高精度和高稳定性放大集成电路；

D、全封焊结构、抗冲击、耐疲劳、可靠性高；

E、输出信号多样化（有电流型、电压型）；

F、结构小巧，安装方便；

G、采用高温补偿最高介质温度可达350度；

产品主要参数：

被测介质：

气体、液体及蒸气（弱腐蚀性）

压力类型：

表压

量程：

-100KPa-0.6Mpa～60Mpa～120Mpa间任意可选（量小量程为0.6MPa,量大量程为120MPa）

输出：

4～20mA（二线制）、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC（三线制）

综合精度：

±0.1%FS（量程60MPa以下）、±0.25%FS、±0.5%FS

供电：

24VDC（15～30VDC）

绝缘电阻：

≥1000MΩ/100VDC

负载电阻:

电流输出型：

最大800Ω电压输出型：

大于50KΩ

介质温度：

-20～85℃、-20～150℃、-20～200℃、-20～300℃（可选）

环境温度：

-20～85℃

储存温度：

-40～90℃

相对湿度：

0～95%RH

密封等级：

IP65/IP68

过载能力：

150%FS

响应时间：

≤10mS

稳定性：

≤±0.15%FS/年

振动影响：

≤±0.15%FS/年（机械振动频率20Hz～1000Hz）

电气连接：

紧线螺母直接出线；标准配线3米

压力连接：

M20×1.5，其它螺纹可依据客户要求设计

连接螺纹材料：

304/316L不锈钢

产品结构图：

图3-1水压传感器PY206结构图

3.2可编程控制器I/O分配

表3.2控制器I/O口分配表

输入元件

地址编码

输出元件

地址编码

低水压输入

X000

水泵1接触器

Y001

正常水压输入

X001

水泵2接触器

Y002

高水压输入

X002

水泵3接触器

Y003

模式选择开关

X003

水泵4接触器

Y004

自动模式开关

X004

水泵1工作指示灯

Y005

水泵1过载

X005

水泵2工作指示灯

Y006

水泵2过载

X006

水泵3工作指示灯

Y007

水泵3过载

X007

水泵4工作指示灯

Y010

水泵4过载

X010

自动模式指示灯

Y011

水泵1手动开

X011

手动模式指示灯

Y012

水泵1手动关

X012

自动模式开关指示灯

Y013

水泵2手动开

X013

高压报警灯

Y014

水泵2手动关

X014

低压报警灯

Y015

水泵3手动开

X015

水泵3手动关

X016

水泵4手动开

X017

水泵4手动关

X020

3.3系统电路分析及设计

3.3.1系统电源

供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，因此在设定供电系统时应考

虑下列因素：

1）输入电源电压在一定的允许范围内变化；

2）当输入交流电断电时，应不破坏控制器程序和数据；

3）当控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余；

4）当外部设备电源通断电时，应不影响控制器的供电；

5）要考虑电源系统的抗干扰措施。

为实现以上要求，在主电路和控制电路加上了保护，包括过载保护，当主电路因某些原因出现故障时，比如水泵过载，这时过载保护工作，水泵停止运行既使水泵安全，也使电源供电安全确保PLC的电源正常。

3.3.2供水系统主电路分析与设计

由设计内容和要求可知，本设计需要用到四台水泵，水泵的型号都为：

150sfl160-20x4，55kw，1450转/分，380V，144A。

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，主电路并设有短路过载保护。

硬件设设计主电路图如图3-2所示：

图3-2硬件设计主电路图

图中的三相电接入口处有熔断器，当水泵因故障或其他原因过载时，主电路上的电流超过正常值时熔断器自动熔断，起到保护水泵和主电路的作用。

在每台水泵上单独再安装熔断器FU1、2、3、4，因为，4台水泵的工作状态不同主电路的电流不同，主电路上的熔断器只能起到保护主电路的作用，所以，在每台水泵上单独再装上熔断器以保证当水泵超载时可单独切断电源。

刀开关QS1、2、3、4由人工手动控制，PLC控制电路失灵时刀开关是切断电源的唯一方法。

接触器KM1、2、3、4是由PLC自动控制水泵的开关。

FR1、2、3、4是热继电器，把它们穿在电机的绕组中，当水泵过载时，热继电器动作，切断电源。

M1、2、3、4代表四台水泵。

3.3.3PLCI/O接线图

图3-3供水系统PLCI/O接线图

如图3-3所示，按键S1-S16分别为不同信号输入，COM口为公共端，Y001-Y015分别为不同控制信号输出端，输出控制信号控制执行电路的工作状态。

其中，S3是自锁开关，当S3接通时系统工作在手动模式，当S3断开时，系统工作在自动模式，而S3的默认状态是断开的。

S4是当系统工作在自动模式时的开关，当S4接通时，自动工作有效，当S4断开时，自动工作停止。

S4-S8是过载保护的输入，以开关形式代替。

过载保护，除了有硬件上的保护还有PLC程序中的保护，以确保系统的可靠性。

S9-S16是手动模式下的功能选择，使4台水泵可以任意设置其工作状态，4台水泵在手动控制模式下是相互独立的，相互之间没有影响。

Y1-Y4是水泵的接触器控制端，由于选用的PLC是继电器输出型，因此可以直接驱动接触器，为了增加系统的安全系数，在接触器和PLC组成的回路中加入了热继电器。

Y5-Y10是各个水泵工作状态指示灯口，Y11是自动模式指示灯控制口，Y12是手动模式指示灯控制口，Y13是自动模式开关状态之灯控制接口。

Y14是高压报警指示灯，当只有一台水泵在工作，但是，水压还是超过正常值，这时就要报警来提醒工作人员，由工作人员决定是否手动关掉所有水泵。

Y15是低压报警指示灯，当4水泵都投入工作，但是，水压还是低于正常值，如果这种状态经常发生，那么，这个系统就要考虑增设一台水泵以保证供水的正常。

3.3.4压力传感器信号处理

压力传感器选用的是佛山一众传感仪器有限公司的水压传感器PY206。

PY206能将水压转换成0～5VDC标准电信号。

采用进口高精度感应芯体，先进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路。

采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。

压力传感器PY206能将水压信号转换成0～5VDC标准电信号，但是，PLC需要的是三个分立的信号：

低水压信号，正常水压，高水压信号。

因此，就必须把压力传感器的输出信号进行转换，为此我们设计了如图3-4所示的信号转换电路。

图3-4压力传感器信号转换电路

此电路，主要由电压比较器Lm393，数字芯片非门芯片74f04、同或门74ls266组成。

通过电阻桥式电路分压，设定了高水压和低水压的参考电压，由于水压传感器PY206的输出信号是0～5VDC标准电信号，因此，可以采用这种形式。

传感器信号接到电压比较器Lm393的2脚和5脚，通过由Lm393组成的窗口比较器电路将水压转换成低中高三档信号送给PLC。

3.3.5报警电路设计

1.必要性分析

确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点的用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性及其它技术要求。

根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。

不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。

连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量；间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。

各种类型的水流量变化关系曲线如图3-5所示

图3-5用户用水量变化类型

a）连续型（全流量变化型）b）连续型（高流量变化型）

c）连续型（低流量变化型）d）间歇型

根据以上分析知道：

由于居民用水的集中性，当只有1台水泵在工作时，如果水压传感器还检测到水压过高，这时就要采取行动，不然会使水压过高造成管道破裂，造成水资源和电能的浪费。

在用水高峰期，4台水泵都投入工作，如果水压传感器传回数据仍显示水压低，这时，部分用户的用水将受到影响。

如果经常出现低压报警，那么，就提醒管理者增加水泵个数，以保证用水正常。

2.报警电路

图3-6报警电路电路图

如图3-6所示，当报警控制信号为1时，报警器发声报警。

这时管理者就要根据实际情况作出相应回应，如果是高压报警则可以通过系统的手动功能，将所有水泵都关掉，或者是低压报警，这就要根据实际情况适当增加水泵的数量以确保用户用水的正常。

第4章供水系统的程序设计

供水系统概况：

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。

1.控制要求：

（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。

（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）。

2.扩展功能报警功能，当只有1台水泵工作，水压仍然高，发生高压报警，当4台水泵都工作，水压仍然低，发生低压报警。

4.1供水系统程序流程图

4.2供水系统程序设计

4.2.1供水系统的程序主体思路

（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