PLC控制物业供水设计

摘 要随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，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。本论文是针对供水要求设计的基于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。关键词：物业供水，PLC，恒压目 录摘要 （1）前言 （2）第一章 概述 （3）1.1 课题背景和意义 （3）1.2 国内外的发展与现状 （3）第二章 PLC的组成（5）2.1 PLC的输入 （5）2.2 PLC的输出 （5） 2.3 PLC的定义（6） 2.4 PLC的特点（6） 2.5 PLC的性能指标（7） 2.6 PLC的分类（7） 2.7 PLC工作原理（7） 2.8 PLC的编程语言（8） 2.9 梯形图编程语言（9）第三章 硬件设计 （10） 3.1 供水系统主电路设计 （10） 3.2 供水系统的I/O地址分配表、I/O接线图（11） 3.3 供水系统的元件选择 （12）第四章 软件设计 （13） 4.1 系统流程图 （13） 4.2 程序梯形图 （13） 4.3 程序指令表 （16） 4.5 程序分析 （18）结束语（20）参考文献（21） 前 言水是人类生活、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。本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。恒压供水保证了供水质量，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。本系统就是在这种背景下设计的。第一章 概述1.1 课题背景和意义水对我们的生命起着重要的作用 ,它是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一。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，具有以下特点：1.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。2.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。工作时，要求水泵数量为4台，最多不得超出4台；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，可用I/O扩展模块）。3.并设有“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）。各水泵工作时，均应有工作状态显示。1.2 国内外的发展与现状可编程序控制器(program logical controller)，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IO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。 而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。第二章 PLC的组成2.1 PLC的输入通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。PLC就是一个计算机控制系统，在其发展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展：一是I/O（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是计算机的I/O功能，开关逻辑处理不够丰富和强大。现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题，可以让PLC和外部设备直接进行物理的连接。计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原因。2.2 PLC的输出输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。现在的PLC产品已经完全有能力驱动这些元器件,并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障的产品。（1）输入寄存器输入寄存器可按为进行寻址，每一位对应一个开关量，其值反映了开关量的状态，其值的改变由相互如开关量驱动，并保持一个扫描周期。CPU可以读其值，但是不可以写或进行修改。（2）输出寄存器输出寄存器的每一位都表明了PLC在下一个时间段的输出值，而程序循环执行开始时的输出寄存器的值，表明的是上一时间段的真实输出值，在程序执行过程中，CPU可以读其值，并作为条件参加控制，还可以修改其值，而中间的变换仅仅影响寄存器的值。只有程序执行到一个循环的尾部时的值才影响下一时间段的输出，即只有最后的修改才对输出接点的真实值产生影响。（3）存储器 存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器存储的是系统程序，它是由厂家开发固定好了的，用户不能修改，PLC要在系统程序的管理下运行。用户存储器中存放的是用户程序和运行所需要的资源，I/O寄存器的值作为条件决定着存储器中的程序如何被执行，从而完成复杂的控制功能。（4）CPU单元CPU单元控制着I/O寄存器的读、写时序，以及对存储器单元中的程序的解释执行工作，是PLC的大脑。（5）其他单元接口其他单元接口用语提供PLC与其他设备和模块进行连接通信的物理条件2.3 PLC的定义最初，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC。只能进行计数、定时及开关量的逻辑控制。1987年2月，国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程控制器是一种数学运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等，面向拥护的指令，并通过数字式和模块式输入/输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。2.4 PLC的特点（1）可靠性高。在I/O环节，PLC采用了光电隔离、滤波等多种措施。系统程序和大部分的用户程序都采用EPROM存储，一般PLC的平均无故障工作时间可达几万小时以上。（2）控制功能强。PLC采用的CPU一般是具有较强位处理功能的为处理机，为了增强其复杂的控制功能和联网通讯等管理功能，可以采用双CPU的运行方式，使其功能得到极大的增强。（3）编程方便易学。第一编程语言（梯形图）是一种图形编程语言，与多年来工业现场使用的电器控制图非常相似，理解方式也相同，非常适合现场人员学习。（4）使用于恶劣的工作环境。采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。（5）与外部设备连接方便。采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电器规格。（6）体积小、重量轻、功耗底。（7）性价比高。（8）模块化结构，扩展能力强。根据现场的需要进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制从几个I/O点到几百个I/O点的控制系统。（9）维修方便，功能更灵活。程序的修改就意味着功能的修改，因此功能的改变非常灵活。2.5 PLC的性能指标（1）存储容量这里专指用户存储器的存储容量，它决定了用户所编程序的长短。大、中、小型PLC的存储容量变化范围一般为2KB2MB。（2）I/O点数 I/O点数，即PLC面板上的I/O端子的个数。I/O点数越多，外部可以连接的I/O器件就越多，控制规模就越大。它是衡量PLC性能的重要指标之一。（3）扫描速度 扫描速度是指PLC执行程序的快慢，是一个重要的性能指标，体现了计算机控制取代继电器控制的吻合程度。从自动控制的观点来看，决定了系统的实时性和稳定性。（4）指令的多少它是衡量PLC能力强弱的标志，决定了PLC的处理能力、控制能力的强弱。限定了计算机发挥运算功能、完成复杂控制的能力。（5）内部寄存器的配置和容量 它直接对用户编制程序提供支持，对PLC指令的执行速度及可完成的功能提供直接的支持。（6）扩展能力 扩展能力包括I/O点数的扩展和PLC功能的扩展两方面的内容。（7）特殊功能单元 特殊功能单元种类多，也可以说PLC的功能多。典型的特殊功能单元有模拟量、模拟控制联网等功能。2.6 PLC的分类不同的分类标准会造成不同的分类结果，PLC常用的分类方式有如下两种。按其I/O点数一般分为微型（32点以下）、小型（128点以下）、中型（1024点以下）、大型（2048点以下）、超大型（从2048点以上可达8192点以上）5种。按结构可分为箱体式、模块式和平板式3种。2.7 PLC工作原理1.循环扫描CPU连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试及写输出等等内容。PLC可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。它意识循环扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分的内容。典型的PLC在一个周期中可以完成以下5个扫描过程。2.I/O响应时间由于PLC采用循环扫描的工作方式，而且对输入和输出信号只在每个扫描周期的固定时间集中输入/输出，所以必然会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。扫描周期越长，滞后现象越严重。3.PLC中的存储器PLC中的存储器按用途分为系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器。（1）系统程序存储器中存放的是厂家根据其选用的PLC的指令的系统编写的系统程序，它决定了PLC的功能，用户不能更改其内容。（2）用户程序存储器用来存储根据控制要求而编制的用户应用程序。（3）用来存储工作数据的区域称为工作数据区。2.8 PLC的编程语言PLC的硬件系统中，与PLC的编程应用关系最直接的要算数据存储器。计算机运行处理的是数据，数据存储在存储区中，找到待处理的数据一定要知道数据的存储地址。PLC和其他的计算机一样，为了使用方便，数据存储器都作了分区，为了每个存储单元编排了地址，并且经机内系统程序为每个存储单元赋予了不同的功能，形成了专用的存储元件。这就是前面提到过的编程的“软”元件。为了理解方便，PLC的编程元件用“继电器”命名， 认为它们像继电器一样具有线圈以及触点，并且线圈得电，触点动作。当然这个线圈和触点只是假象，所谓线圈得电不过是存储单元置1，线圈失电，不过就是存储单元置0，也正因为如此，我们称之为“软”元件。但是这种“软”继电器也有个突出的好处，可以认为它们具有无数多对动合动断触点，因此每取用一次它的触点，不过是读一次它的存储数据而已。2.9 梯形图编程语言PLC是通过程序对系统进行控制的，作为一种专用计算机，为了适应其应用领域，一定有其专用的语言。PLC的编程语言有多种，如梯形图、语句表、功能图、逻辑方程等。梯形图编程语言是一种图形语言，具有继电器控制电路形象、直观的优点；语句表编程语言类似计算机的汇编语言，用助记符来表示各种指令的功能，是PLC用户程序的基础元素。一般而言，梯形图程序让PLC仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。逻辑通常被分解成小的容易理解的片，这些片通常被称为“梯级”或网络。程序一次扫描执行一次网络，按照从左到右、从上到下的顺序进行。一旦CPU执行到程序的结尾，就又从上到下执行程序。在每一个网络中，指令以列为基础被执行，从上而下、从左到右依次执行，直到本网络的最后一个线圈列。因此为了充分利用存储器容量，使扫描时间尽可能短，利用梯形图编程时应限制触点之间的距离，并使网络左上边这部分空白最少。其中，串联触点较多的支路要写在上面，并联支路应写在左边，线圈放于触点的右边。用PLC控制的梯形图程序，可完成与继电器控制的电动机直接起、停（起、保、停）继电器控制电路图相同的功能。梯形图和继电器控制电路图很相似，这是可以用PLC控制取代继电器控制的基础，可以把经过实践证明设计是成功的继电器电路图进行转换，从而设计出具有相同功能的PLC控制程序，充分发挥PLC的功能完善、可靠性高、控制灵活的特点。第三章 硬件设计3.1 供水系统主电路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：J02-41-4，4.0kw，1440转/分，380v，8.4A。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。主电路 如图3-1所示。 图 3-1 主电路图3.2 供水系统的I/O地址分配表、I/O接线图本设计的控制部分由PLC完成，由于本系统控制分手动和自动运行，手动运行时，每台水泵分别有启动和停止开关输入，自动运行时，需要有自动运行/停止开关输入，水压判断开关以及保护输入等，还有四个水泵输出。所以PLC的I/O地址分配表如表3-2所示，I/O接线图 如图3-3所示。表3-2 I/O地址分配表输入输出代号名称输入点编号代号名称输出点编号SB1自动/手动切换X0KM1泵1工作Y0SB2手动启动泵1X1KM2泵2工作Y1SB3手动停止泵1X2KM3泵3工作Y2SB4手动启动泵2X3KM4泵4工作Y3SB5手动停止泵2X4SB6手动启动泵3X5SB7手动停止泵3X6SB8手动启动泵4X7SB9手动停止泵4X10SB10自动启动/停止X11SB11低压开关K1X12SB12水压正常反馈K2X13SB13高压开关K3X14SB14泵1的过载保护X15SB15泵2的过载保护X16SB16泵3的过载保护X17SB17泵4的过载保护X203.3 供水系统的元件选择本系统主要用到的元器件有：可编程序控制器PLC，水泵，以及继电器，接触器等。PLC选用的是FX2N-48MR，四台水泵选用J02-41-4，4.0kw，1440转/分，380v，8.4A。图 3-3 I/O接线图第四章 软件设计4.1 系统流程图由于该系统即可以手动运行又可以自动运行，所以本系统设计主要分两部分，一部分是手动模块，一部分是自动模块。系统的总流程图 如图4-1所示。图4-1 程序流程图该流程图主要介绍了本系统的设计思路，其中的具体细节没有在流程图中给出，详细介绍将会在后面的程序分析中介绍。4.2 程序梯形图程序梯形图 如图4-2所示。图4-2 程序流程图4.3 程序指令表由梯形图转换为指令表如下：第 20 页 共 24 页4.4 程序分析本系统主要分为手动运行和自动运行两部分，在编程过程中将本系统主要分为两大模块：手动运行模块、自动运行模块。在系统一上电情况下首先通过判断自动/手动开关X0，判断是进入手动模块还是进入自动模块，X0为ON表示手动，OFF表示自动。然后进入相应的模块执行程序。手动模块，当进入手动模块后，X1是泵1的手动启动开关，X2是泵1的手动停止开关；X3是泵2的手动启动开关，X4是泵2的手动停止开关；X5是泵3的手动启动开关，X6是泵3的手动停止开关；X7是泵4的手动启动开关，X10是泵4的手动停止开关；可以通过上述开关相对独立的对单台水泵进行通断电控制。自动模块，当进入自动模块后，在自动运行模块还设有自动运行停止开关X11（ON表示运行，OFF表示停止），在X11为ON的情况下，系统首先判断四台水泵的运行状态，如四台水泵都没工作则将自动把第一台水泵打开，其中M0、M1、M2、M3分别是四台水泵自动运行的标志，然后再通过压力传感器判断水压的高低，在系统中X12表示低压，X13表示水压正常、X14表示水压高。水压低/高的时候延时30秒，增加/减少一台水泵工作，增加的顺序是没工作过的优先增加本程序为了满足这个要求采用的是四台水泵按M0M1M2M3的顺序依次循环启动或停止，这样就能满足没工作过的优先则加和工作过的优先停止的要求。其次在选择增加那个水泵时考虑到PLC工作室扫描程序遵守从上到下从左到右的原则，为了避免上面程序对下面产生的影响以及对结果产生影响，在设计过程中对于水压低需要加泵时先写四台水泵同时工作的情况，然后逐次减一到只有一台工作；对于水压高需要减泵时先从一条水泵工作，然后逐次加一到四台全工作这样就能满足上述要求。每次当自动模块执行完之后程序跳到公共输出模块执行。输出模块，在输出模块中，M0是泵1的手泵和自动运行标志，X15是泵1的过载保护；M1是泵2的手泵和自动运行标志，X16是泵2的过载保护；M2是泵3的手泵和自动运行标志，X17是泵3的过载保护；M3是泵4的手泵和自动运行标志，X20是泵4的过载保护。结束语程序设计完成之后需要进行调试仿真，本系统调试用的三菱F2N/F2NC系列的PLC。在调试过程中我遇到很多问题，并最终在老师和同学的帮助下把问题解决。我遇到的主要问题有：在编写程序过程中由于程序太长，写不进去了，最后在老师的帮助下才知道需要将程序先转换一下才能继续写，这是自己对调试软件不太熟悉的原因造成的。其次，在调试过程中，手动操作运行都正常结果也正确，自动运行时当水压低需要加泵运行时也能正常运行，就是在水压高需要减泵时出现问题，当减泵时只要运行水泵数超过两台应该每次减一台，但系统都只留下最后一台工作前面的几台全部停止工作不满足要求，经检查发现原来是减泵程序中上面的指令对下面产生了影响从而产生，于是我将减泵程序的顺序上下换了一下让他们不能相互干扰，从而问题得以解决；另外还有只要出现四台水泵同时运行，需减泵时本系统都是先减一台水泵，这是不符合设计要求的，面对这种情况我苦思冥想就是想不出解决办法，最后我有向一同学请教讨论这种问题的解决方法，这时这位同学的一句话点醒梦中人，原来是自己在水压低加泵加到四台时的判断有问题，于是在加泵加到四台时的每位加上一个状态标志并在减泵时用上这些标志之后问题就得以解决。整个程序设计能够完整的正常运行，结果正确。参考文献【1】作者不详，电气控制与PLC原理及应用,西安电子科技大学出版社，2010【2】作者不详，我国城市供水发展有关问题分析,城镇供水，2001【3】作者不详，可编程控制器应用技术,电子工业出版社，1995【4】作者不详，恒压变量供水装置中PLC的应用,低压电器，2002【5】作者不详，高层建筑变频恒压供水控制系统设计，中国给水排水，2007【6】作者不详，PLC编程及应用，机械工业出版社，2003【7】作者不详，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，1996【8】作者不详，可编程序控制器在变频调速供水系统中的应用,基础自动化 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