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1、摘要本科毕业论文（设计）基于PLC的恒压供水系统设计所 在 学 院 信息科学技术学院 专 业 名 称 自动化 申请学士学位所属学科 工 学 摘 要本系统根据现实生产生活中的供水要求，以管道内压力为控制对象，对多个水泵的开关进行总体控制，设计了一套基于PLC的恒压供水系统, 使其能够运行在合理、节能、高效的方式。本系统主要是通过对供水泵的运转状态进行控制，系统内包含四台水泵。它们组成循环运行方式，运行切换采用“先启先停”的原则。可编程逻辑控制器用于控制各水泵的开关切换来改变供水量，从而保证整个供水管道中的压力维持在一个规定的范围内，可以可靠的实现对供水系统的自动化控制。本论文首先就恒压供水系统概
2、念、PLC概念等做简单介绍，然后分别对本系统的硬件部分和软件部分的设计做重点分析，以现有理论成果为出发点，力求能解决现实生产生活中的恒压供水问题。关键词：PLC，自动化，恒压供水IIABSTRACTABSTRACTIn accordance to real lifes request, this system uses the water pressure as its control object. It controls some switches of water pumps so that it can form a stable system. This system is base
3、d on PLC. We hope that it can run reasonable and efficient.This system focuses on the running condition of the water pumps. The system contains four pumps. These pumps work in cycle operation. To start first stop is their running principle. PLC controls the switches of these pumps so that it can kee
4、p the balance of the volume of water. By this way, the pressure of water can be in a stable range. We can control the water system in the form of automation.To begin with, this paper explains the concept of constant pressure water and PLC. Secondly, the paper explains the design of the hardware and
5、software of the system. The system is based on existing theoretical basis. I hope that this system can make contribution to dealing with problems of the stable water system.Key words: PLC, automation, constant pressureIV目录目 录1引言12恒压供水系统概述12.1恒压供水系统介绍12.2恒压供水系统使用的领域23 PLC概述24恒压供水系统整体分析34.1 PLC应用系统开发流
6、程44.2实现目标44.3解决思路44.4控制需求分析与硬件设计54.5逻辑分析与程序设计54.6总结与评价65恒压供水系统硬件设计65.1明确系统的控制要求65.2分析I/O设备75.3系统控制电路图76软件设计96.1 STEP 7-Micro/WIN编程软件96.2恒压供水系统PLC控制程序96.3程序编译结果117 S7-200 PLC仿真127.1 S7-200 PLC仿真软件简介127.2 S7-200 PLC程序仿真步骤127.3恒压供水系统仿真138结束语18参考文献19致 谢20本科毕业论文（设计）1引言水是人类生产生活中不可缺少的重要物质，我国作为一个水资源短缺的国家，长期
7、以来在供水方面的技术一直比较落后，自动化程度不高。随着人民生活水平的不断提高，对供水系统的要求也越来越高，同时，工业技术的不断进步，也对供水系统的自动化程度提出了一定的要求。因此，如何科学的规划一个稳定的供水系统，成为摆在人们面前急需解决的一个问题。传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、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方式。这些供水方式不同程度的存在浪费水力、电力资源，效率低，可靠性差，自动化程度低等缺点，严重影响正常的生产生活用水。目前恒压供水系统正朝向集成化、高效节能、维护操作简单、自动可靠的方向发展。在国内外，专门针对供水的
8、变频器集成化越来越高，结合PLC实现恒压供水已占领了部分供水市场。本论文即研究基于PLC的恒压供水系统的设计。基于PLC的恒压供水系统可以提高供水系统的可靠性和稳定性，同时系统具有良好的节能性，在资源日益紧张的今天尤为重要。所以研究设计该系统，对于提高企业效率及人民生活水平，降低能耗等方面具有重要的现实意义。2恒压供水系统概述2.1恒压供水系统介绍供水系统是国民生活中不可缺少的重要一环。恒压供水系统在民用和工业控制中也是经常使用的小型系统之一，传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。所谓恒压供水，是指供水系统的供水压力始终保持
9、在差值较小的上、下限之间，PLC控制的准恒压供水，指的是当供水系统的用水流量变化时，及时的利用供水压力的上限信号和下限信号输入PLC,PLC根据这两个压力开关信号的开关状态，自动控制几台水泵组合启动运行。当供水压力P供水P下限时，则开始有选择的启动各台水泵，直至满足P下限P供水P上限为止。当P供水P上限时，则有选择的切断水泵，直至满足P下限P供水P上限为止。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：1) 维持水压恒定；2) 控制系统可自动运行；3) 多台泵自动切换运行；本课题的目标是：实现恒压供水系统的自动化控制。2.2恒压供水系统
10、使用的领域1) 自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。 2) 工业企业生活、生产供水系统及工厂其它需恒压控制领域（如空压机系统的恒压供气、恒压供风）。各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环供水系统。 3) 污水泵站、污水处理及污水提升系统。 4) 农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。 5) 宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。3 PLC概述PLC是英文Programmable Logic Controller的缩写，意为可编程逻辑控制器。世界上第一个PLC于1969年由美国数字设备公司研制成功。国际电工委员会（IEC）对PLC的最新定义为：PLC是一种数字运算
11、操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计1。目前，我国市场上主要PLC产品的种类:西门子公司的产品施耐德公司罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，GE公司的SERIES、GE9070、GE9030系列产品；日本的欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品；PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有以下几个特点：1) 可靠性高，抗干扰能力强；2) 通用性强
12、，控制程序可变，使用方便；3) 功能强，适应范围广；4) 编程简单，易用易学；5) 系统设计、调试和维修方便1；西门子公司具有品种非常丰富的PLC产品。S7系列是传统意义的PLC，S7-200属于小型PLC，在1998年升级为第二代产品，2004年升级为第三代产品，其特点如下:1) 功能强大，S7-200有5种CPU模块，最多可扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间和数据存储空间；2) 先进的程序结构，功能强大、使用方便的编程软件；3) 灵活方便的寻址方法；4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面；5) 有竞争力的价格；6) 完善的
13、网上技术支持2；鉴于西门子S7-200型号PLC具有的一系列优点，故本系统所用PLC均为此型号。4恒压供水系统整体分析随着城市高层建筑供水问题的日益突出，供水压力以及供水质量越来越受到人们的热切关注。恒压供水系统在民用和工业控制中也是经常使用的小型系统之一，主要是通过对供水泵的运转状态进行控制，从而保证整个供水管中的压力维持在一个规定的范围内。可编程逻辑控制器用于恒压供水系统，可以可靠的实现对压力的检测信号处理以及对各个水泵相应的切换。4.1 PLC应用系统开发流程PLC应用系统开发流程如图4-1所示：图4-1 PLC应用系统开发流程4.2实现目标 设计可编程控制器程序实现对恒压供水系统的控制
14、，要求如下：1) 水泵的启停 根据主管道给出的压力信号决定水泵的启停，当压力低于正常压力时启动一个水泵，5s后仍低，则启动下一台；当压力高于正常压力时，切断一台水泵，5s后高压信号仍存在，切断下一台。2) 水泵启停切换原则 恒压供水系统主要是由4个水泵完成对主管道供水压力的维持，考虑到电机的保护，要求4台水泵的运行时间和频率尽可能一致。也就是说，需要接通时，首先启动停止时间最长的那台，而需要切断时，则先停止运转时间最长的那台。4.3解决思路对于恒压供水系统的实现而言，主要的问题在两个方面：1) 如何实现5s内，下一台水泵的切换状态。水泵的切换状态控制可以考虑通过计时器单元设定时间，再结合水泵启
15、停的信号，判断在启动或停止后的规定时间内是否达到了预期的压力范围，这样就可以完成对下一步是否启停另一台泵的判断。2) 如何实现对水泵的先启先停控制。对于水泵的启停选择，实现起来有很多方法，选择使用一个合理的实现方法对于程序的简介和易读性都很有好处。将4台水泵按顺序编号，启动时按编号从小到大依次启动，而切断则编号从小到大依次切断，这样的循环处理就可以保证是按照先启先停的原则进行的。解决的问题就变成了如何实现编号1-4的循环问题 3 。4.4控制需求分析与硬件设计对于保持恒压供水这个目标，系统首先需要设计对应的压力检测输入信号，也就是决定压力范围的上限和下限信号，控制程序的输出则为4个水泵，按1-
16、4给它们编号。因此，该恒压供水系统应有两个输入、四个输出，如图4-2所示：图4-2 恒压供水控制PLC配置图4.5逻辑分析与程序设计确定可编程控制器的系统输入输出信号后，根据恒压供水系统控制的设计要求，对各个信号间的逻辑关系进行分析，完成程序的编写。1) 控制过程逻辑分析 在正常运转状态下，对于恒压供水系统，要根据两个压力极限信号来判断是否需要进行当前状态的转换。1 水泵启动：当检测到压力低信号出现时，先给出一个启动水泵的信号，此信号用于启动一个水泵。在启动5s后，如果压力仍达不到要求则顺序启动下一台水泵，通过对启动信号的锁存处理，实现状态的转移。2 水泵的切断：在切断水泵的实现上，也是依照类
17、似的思路进行。对于水泵的第一次启动和断开，实现的逻辑主要在于对状态信号的转移处理。 恒压供水系统的控制目标是实现对水压的维持，由于考虑的方面比较多，所以就带来了一些相对复杂的逻辑处理，最关键的问题还是在于各个动作之间的衔接和状态的复位处理。2) 恒压供水系统控制程序设计本论文中的恒压供水系统主要关注于4个水泵“先启先停”的控制。本例给出的恒压供水系统控制程序是利用了可编程控制器的锁存功能来实现的，同时为了满足控制的要求，使用了启停信号的多个顺序实现进行逻辑处理，这样就能很好的实现了先启先停的控制要求。这个系统控制程序的设计利用了常用的顺序控制实现的方法，对于顺序控制设计，要认真分析各个动作阶段
18、的交互，选择适当的转折点检测信号来触发状态的切换。同时在设计中，利用两个计时器单元来实现对一次启停时间间隔的控制实现，从而使得启动或切断水泵后，在一定时间内如未达到要求的目标，系统也不急于进行下一步的处理。4.6总结与评价恒压供水系统在水厂和一些工厂生产中都有应用，可能在具体的控制目标和控制方式上有一些区别，但对于保持管路压力的电机控制要求是相同的。5恒压供水系统硬件设计5.1明确系统的控制要求根据可编程控制器程序实现对恒压供水系统的控制，有以下要求：1) 水泵的启停 根据主管道给出的压力信号决定水泵的启停，当压力低于正常压力时启动一个水泵，5s后仍低，则启动下一台；当压力高于正常压力时，切断
19、一台水泵，5s后高压信号仍存在，切断下一台。2) 水泵启停切换原则 恒压供水系统主要是由4个水泵完成对主管道供水压力的维持，考虑到电机的保护，要求4台水泵的运行时间和频率尽可能一致。也就是说，需要接通时，首先启动停止时间最长的那台，而需要切断时，则先停止运转时间最长的那台。5.2分析I/O设备根据前面的控制思路，对于恒压供水系统的控制主要在于水泵的控制，这里忽略一些和水泵控制无关的系统控制实现，重点考虑压力保持的设计。对于保持恒压供水这个目标，系统首先需要设计对应的压力检测输入信号，也就是决定压力范围的上限和下限信号，当供水压力P供水P下限时，则开始有选择的启动各台水泵，直至满足P下限P供水P
20、上限为止。当P供水P上限时，则有选择的切断水泵，直至满足P下限P供水P上限为止。设定系统的输入信号为压力下限I0.0和压力上限I0.14。控制程序的输出应为系统中的4个水泵，按1-4给它们编号。则系统输出为四个：1#水泵Q0.0;2#水泵Q0.1;3#水泵Q0.2;4#水泵Q0.3;5.3系统控制电路图随着城市高层建筑供水问题的日益突出，保持供水压力的恒定、提高供水质量是相当重要的；同时要求保证供水的可靠性和安全性。本例所描述的供水系统是针对上述问题设计的供水方式和控制系统，由主供水回路、备用回路、一个清水池及泵房组成。其中，泵房装有1#4#共4台泵机，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路
21、和水流量。控制系统采用了以具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统。为防止系统给变频器反送电，造成变频器损坏，KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6、KM7和KM8必须进行机械互锁。本系统的泵机原理如图5-1所示：图5-1 恒压供水系统泵机原理图图5-2 恒压供水系统电气控制系统主回路根据系统在提高供水质量和节能方面的要求和功能，采用SIEMENS S7-200 CPU222PLC和变频器为中心组成的恒压供水控制系统。SIEMENS S7-200 CPU222 PLC具有8个输入，6个输出，完全能满足本系统的需求。电气控制系统主回路如图5-2所示。图中，M1、M2、M3、M4
22、为四台电动机，交流接触器KM1KM8控制四台电动机的运行，KH1、KH2、KH3、KH4为电动机M1、M2、M3、M4的热继电器，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6分别为主回路、变频器和四台泵的断路器5。6软件设计6.1 STEP 7-Micro/WIN编程软件STEP 7-Micro/WIN是S7-200PLC的编程软件。软件启动后，软件界面如图6-1所示：图6-1 STEP 7-Micro/WIN软件界面6.2恒压供水系统PLC控制程序本论文系统中的PLC控制程序均在STEP 7-Micro/WIN开发环境下，利用梯形图编写而成，详细梯形图程序参见图6-2.22 图6-2 恒压
23、供水系统梯形图Network 1 / 1#水泵启停控制LD I0.0O Q0.0AN I0.1= Q0.0Network 2 / 定时器2，5sLD I0.0AN I0.1LD I0.1AN I0.0OLDTON T33, 500Network 3 / 2#延时切断信号LD I0.1A T33= M0.0Network 4 / 2#水泵启停控制LDN I0.1A T33LD Q0.1AN M0.0OLD= Q0.1Network 5 / 定时器3，10sLD T33TON T34, 500Network 6 / 3#延时切断信号LD I0.1A T34= M0.1 图6-2 恒压供水系统梯形图
24、（续）Network 7 / 3#水泵控制LD T34AN I0.1LD Q0.2AN M0.1OLD= Q0.2Network 8 / 定时器4，15sLD T34TON T35, 500Network 9 / 4#延时切断信号LD I0.1A T35= M0.2Network 10 / 4#水泵启停控制LD T35AN I0.1LD Q0.3AN M0.2OLD= Q0.36.3程序编译结果程序编写完成后，可利用STEP 7-Micro/WIN开发环境编译，查看编译结果，本恒压供水系统的编译结果正常，没有错误，如图6-3所示：图6-3 恒压供水系统编译执行结果7 S7-200 PLC仿真7
25、.1 S7-200 PLC仿真软件简介在使用STEP 7-Micro/WIN软件编写完程序后，如果手头没有PLC而又想马上能看到程序在PLC中的运行效果，可使用S7-200 PLC仿真软件，让编写的程序在该软件模拟的PLC中运行，从中观察程序的运行效果6。仿真软件界面见图7-1。在软件窗口的工作区内分别有输入端子开关（上-闭合；下-断开）和两个模拟量输入电位器。S7-200 CPU模块上有运行状态、输入状态和输出状态指示灯，在仿真时，通过观察输入、输出指示灯的状态可了解程序运行效果。7.2 S7-200 PLC程序仿真步骤1) 从编程软件中导出程序文件；要仿真编写的程序，须先将编译无误的程序导
26、出，文件类型保存为.awl。图7-1 S7-200 PLC仿真软件界面2) 在仿真软件中装载程序；在仿真软件中执行“程序”“装载程序”。3) 仿真程序； 单击工具栏上的“运行”按钮，让PLC进入RUN状态，RUN指示灯变为亮（绿色）。此时，可将需要的输入端子上拨（开关闭合），观察输出端子的指示灯的情况，与直接分析梯形图所得结果对照，查看编写梯形图是否编写正确。 若要停止仿真，单击工具栏上的“停止”按钮，PLC进入STOP状态7。7.3恒压供水系统仿真 按照上述PLC程序仿真步骤，对恒压供水系统程序进行仿真。1) I0.0闭合瞬间，即系统检测到压力下限信号到来，此时，1#水泵立即启动，开始供水。
27、在仿真效果上来看，则表现为0#输出位亮灯；如图7-2所示。2) 5s后，如果恒压供水系统依然检测到压力下限信号的存在，则会启动2#水泵给系统供水，在系统仿真效果上来看，此时0#输出位继续保持亮灯状态，并且1#输出位也亮灯。如图7-3所示。3) 10s后，假设压力下限信号仍未解除，系统则会启动3#水泵给系统供水，在仿真效果图上看，0#，1#输出位继续保持亮灯状态，同时，2#输出位也亮灯。如图7-4所示。图7-2 I0.0闭合瞬间仿真图图7-3 I0.0闭合5s后仿真图图7-4 I0.0闭合10s后仿真图4) 15s后，假设压力下限信号未解除，系统则会启动最后一台水泵给系统供水，仿真效果表现为前三
28、位输出位继续保持亮灯状态，同时，3#输出位也亮灯，如图7-5所示。图7-5 I0.0闭合15s后仿真图5) 此后，系统的四个水泵共同负责向系统供水，直至压力上限信号的到来。系统一旦检测到压力上限信号到来，则会按照“先启先停”的原则，首先切断1#水泵。仿真效果表现为：0#输出位灯灭，其余输出位保持灯亮。如图7-6所示。6) 5s后，系统继续检测到压力上限信号的存在，则会切断2#水泵。仿真效果表现为1#输出位灭灯，此时，0#，1#输出位处于灭灯状态。如图7-7所示。7) 10s后，若压力上限信号仍在，系统则会顺次切断3#水泵。仿真效果表现为2#灯灭，此时，0#，1#，2#输出位均处于灭灯状态。如图
29、7-8所示。8) 15s后，压力上限信号仍在，系统则会切断最后一台供水泵。仿真效果表现为3#灯灭，此时，所有输出位均处于灭灯状态。如图7-9所示。以上仿真效果能很好的体现出恒压供水系统实际运行时的效果。基于PLC的恒压供水系统就是将四台水泵按照顺序编号，按照“先启先停”的原则，根据系统内上限信号或下限信号的到来，循环控制四台水泵的启停情况，达到恒压供水的目的8。图7-6 I0.1闭合瞬间仿真图图7-7 I0.1闭合5s后仿真图图7-8 I0.1闭合10s后仿真图图7-9 I0.1闭合15s后仿真图8结束语本论文旨在研究基于PLC的恒压供水系统的设计。本系统根据现实生产生活中的供水要求，以管道内
30、压力为控制对象，对多个水泵的开关进行总体控制，设计了一套基于PLC的恒压供水系统,运行切换采用“先启先停”的原则，使其能够运行在合理、节能、高效的方式。与传统供水方式相比，恒压供水系统具有以下优点：1) 控制系统简单，价格低，投资少，设备折旧费低；2) 工作可靠，寿命长；3) 对使用、维护的技术要求低，自动化程度相对较高，不必专人值班看管；本系统可以保证整个供水管道中的压力维持在一个规定的范围内，可以可靠的实现对供水系统的自动化控制。目前恒压供水系统正朝向集成化、自动化的方向发展。所以研究设计该系统，对于提高企业效率及人民生活水平，降低能耗等方面具有重要的现实意义。由于时间仓促、个人技术水平所
31、限，该系统还存在一些不足的地方，在下一步的工作和学习中将继续改进和完善。参考文献1蔡杏山.西门子s7-200PLC技术M.北京:人民邮电出版社,2010：2-28.2张广明 李果 朱炜.机电系统PLC控制技术M.北京:国防工业出版社，2007:78-82.3贾德胜.PLC应用开发实用子程序M.北京:人民邮电出版社，2006:195-199.4胡佑兵.基于PLC的变频恒压供水系统研究与实现J.中国水运，2009，9（7）：118-119.5严盈富，葛卫清.恒压供水系统的控制与仿真J.南昌航空工业学院学报（自然科学版），2004，18（1）：90-93.6廖常初.PLC编程及应用M.北京:机械工业
32、出版社，2002：100-103.7于庆广.可编程控制器原理与系统设计M.北京:清华大学出版社，2004：97-108.8高钦和.可编程控制器应用技术与设计实例M.北京:人民邮电出版社，2004：65-70.致 谢其它参考文献1.冲压工艺与模具设计.陆茵.武汉理工大学出版社.2012.2.冷冲模设计资料与指导.杨关全.大连理工大学出版社.2012.3.机械制图.刘家平.武汉理工大学出版社.2011.4.杨占尧.冲压模具图册.高等教育出版社1998.5.侯维芝、杨金风.模具制造工艺与工装.高等教育出版社1997.6.张鼎承.冷冲模的设计与制造.上海科技出版社1995.7.王芳.冷冲压模具设计指导.机械工业出版社1982.8.孙凤勤.模具制造工艺与设备.机械工业出版社1983.9.黄健求.模具制造.机械工业出版社2001.10.李德群.现代模具设计方法.机械工业出版社200411.陈万林.实用模具技术.机械工业出版社2000.12.模具实用技术从书编委会.冲模设计与应用实例.1986.