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1、西安建筑科技大学课程设计（论文）基于PLC的高位水箱给水系统摘要此次给水系统的设计主要基于北京亚控科技产品组态王6.53和工业控制机PLC。组态王作为上位机人机界面实时显示被监控给水系统的运行情况并通过对下位机PLC的操作实现对被监控给水系统的实时控制，PLC作为下位机，是给水系统的控制器，实现对上位机命令的理解执行并对给水系统的运行状况转换后反馈给组态王。高位水箱给水系统就是建筑物外的供水管网里的水流进蓄水池，再由水泵抽水至屋顶水箱和建筑物内供水装置。通过对计算机和PLC之间通信协议的研究，完成了上下位机通信设置，开发了计算机监控程序，通过通信模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。系统有
2、效地解决了传统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。并与计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。关键词：组态王，PLC，高位水箱给水系统目录1.绪论.32.系统设计原理.52.1设计思路.52.2高位水箱给水系统原理.7 2.2.1高位水箱给水系统工作原理.7 2.2.2高位水箱给水系统监控原理.72.3PLC工作原理.8 2.3.1系统I/O点数确定.8 2.3.2PLC程序.82.4组态王工作原理.11 2.4.1组态王与PLC连接.11 2.4.2变量定义.12 2.4.3构建组态画面.123.设计成果.133.1水泵的启停.13 3.1.1启动时.13 3.1.2停止时.14
3、3.2报警.144.总结.145.参考文献.14绪论随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展人们的生活水平不断提高；同时，城市需水量不断加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性稳定性经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活如今，各个行业对于“节能减排”越来越重要，作为仅次于美国的发电大国，我国80%的电能来自火力发电。火力发电每天燃烧了大量的煤和石油，并且产生大量有害气体，污染环境。当前，能源危机威胁着整个世界的发展，作为发展中的能源大国，如何有效的节能减排已经成为需要面临的新问题，节约电能势在必行。而此次设计的系统中，耗电最
4、大的用电器是水泵。据统计资料报道, 我国现有约5000万台水泵和风机在运行。总计年用化量可达约1000亿度。泵和风机均属于叶片式流体机械；由流体机械理论，在相似工况下，泵、风机的流量，扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。如转速下降一半，其功率可下降到原来的1/8。自从二十世纪八十年代以来大量各种品牌国外变频器进入国内市场，我国也自行研制生产了若干品牌的国产变频器，变频器在我国以获得了广泛的应用。对于建筑给水来说，用得最多的就是变频调速恒压变量给水。以变频调速为核心，结合PLC智能控制的供水设备，启动平稳，启动电流可以限制在额定电流以内，避免了启动时对电网的冲击，其还有稳定安全
5、的运行性能，简单方便的操作方式，以及安全周到的功能。实现节水，节电，节省人力，最终达到高效优质运行，提高工作效率。70年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC（programmable controller）.但由于PC容易与个人计算机（programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程器的缩写。1985年国际电工委员会（IEC）对PLC的定义如下：可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它
6、采用了可以编程的存储器，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，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。PLC是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：（1）逻辑运算（2）弱电控制强电。PLC是集自动控制技术，计算机技术和通讯技术于一体的一种新型工业控制装置，已跃居工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）的首位。可编程控制器，简称PLC。它在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的的一中新型工业控制设备。 具有1.可靠性高、抗干扰能力强 2.设计、安装容易，维护
7、工作量少 4.功能强、通用性好 5.开发周期短，成功率高 6.体积小，重量轻、功耗底等特点。具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。与继电接触器系统相比系统更加可靠；占位空间比继电接触器控制系统小；价格上能与继电接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序；便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、触器与于之相当的执行机构；能向中央执行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。此篇论文是以PLC控制来实现水箱的自动供水系统。系统设计原理2.1设计思路本次课程设计是针对蓄水池水泵水箱用水点的供水方式，以前
8、采用人工进行高位水箱的水位控制，由于不可能每时每刻对水位进行准确的定位监测，并且带有很大的主观性，所以很难准确控制水泵电机的起停。为了实现供水的自动控制，一般选用以单片机或PLC为核心。本次设计选用的是PLC为核心，选用PLC来实现供水，能使软件程序的设计简单化，硬件接口简易可行，提高系统运行的可靠性，特别是整个系统的稳定性和抗干扰能力很强，不仅改变传统用阀门控制水量的多少，也改善了传统控制方法的故障率较高的弱电，而且在节能、恒压控制等方面均有非常好的使用效果。图2.1为高位水箱给水系统的构成框图： 供水管道（自来水网） 水泵高 供水部分 蓄水池 位 中位水箱、高位水箱水 用水用户、消防用水箱
9、 给 水位检测部分 液位传感器水系 统 PLC 电气控制 配电箱 图2.1.1高位水箱给水系统的构成框图 本次课设只考虑了自动给水停水模式，故没有手动模块，只有自动模块。手动模块已经归为工作人员操作部分，在这里就不在叙述。该系统的工作流程图如图2.2.2，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，将会在后面的程序分析中详细介绍。 启动 检测蓄水 是池水位是否低于消防 报警并停消防泵 泵水位线 否检测蓄水 是池水位是否低于低报 生活泵启泵给水警水位线 否 检测蓄水池水 是 位是否低于停泵水位 否 蓄水池泵停泵 检测 检测蓄水池 否 上层水箱水位 否 水箱水位是 是水位
10、是否到溢流水 是否低于低报警水位 否低于启泵水位线 启泵给水 位线 线 是 否 是 报警 水箱水位 是 报警 是否低于停泵水位线 否 水箱生活泵停泵 图2.2.2高位水箱给水系统流程图 否 水箱水位是否到 是 结束 溢流水位线 报警2.2高位水箱给水系统原理2.2.1高位水箱给水系统的工作原理 .OL ：溢流水位 水流开关 高位水箱 .HL ：停泵水位 生活水泵 .ML ：启泵水位 .LL ：低限水位 城市供水网 给水管网 蓄水池 OL. 控制柜 终端用户HL.ML.LL. 图2.2.3高位水箱给水系统的工作原理2.2.2高位水箱给水系统监控原理本次课设的监控原理如图2.2.4所示 高位水箱
11、溢流水位报警 高位生活泵停泵水位 高位生活泵启泵水位 低报警水位 用户 高位生活泵 LE101 中位水箱 溢流水位报警 中位生活泵停泵水位 中位生活泵启泵水位 蓄水池 低报警水位 中位生活泵 溢流水位报警 用户 生活泵停泵水位，并报警 低报警水位 LE102 配电箱 消防泵停泵水位，并报警 LE103 配电箱 4 4 1 2 4 数字量输入 DI 1 2 数字量输出 DO 模拟量输入 AI 模拟量输出 AO图2.2.4 给水系统监控原理图2.3PLC工作原理2.3.1系统I/O点数确定本次设计采用的是西门子S7-200系列PLC，该系统一共有13个输入点，12个输出点。主要的点数确定如图2.3
12、.1所示。名称类型 接口地址名称类型接口地址蓄水池消防泵停泵水位输入I0.0消防报警输出Q0.0蓄水池启泵水位输入I0.1消防泵输出Q0.1蓄水池停泵水位输入I0.2蓄水池泵输出Q0.2蓄水池溢流水位输入I0.3蓄水池泵报警输出Q0.3中位水箱低报警水位输入I0.4蓄水池溢流水位报警输出Q0.4中位生活泵启泵水位输入I0.5中位水箱低位报警输出Q0.5中位生活泵停泵水位输入I0.6中位水箱生活泵1输出Q0.6中位水箱溢流水位输入I0.7中位水箱生活泵2输出Q0.7高位水箱低报警水位输入I1.0中位水箱溢流报警输出Q1.0高位生活泵启泵水位输入I1.1高位水箱低位报警输出Q1.1高位生活泵停泵水
13、位输入I1.2高位生活泵输出Q1.2高位水箱溢流水位输入I1.3高位水箱溢流报警输出Q1.3报警复位键输入I1.4注：本次课设在高位水箱与中位水箱处各有一个备用泵，备用泵用于当使用泵坏了换用。但是由于这次设计所考虑的备用泵是由工作人员人为调换，故在这里不考虑备用泵自动转换的程序设计，即排除配用泵的I/O点数。2.3.2PLC程序 PLC梯形程序图如下所示：当蓄水池水位到消防泵水位时，消防报警开启，消防泵关当蓄水池水位到消防泵水位或是到蓄水池泵开启水位时，蓄水池泵打开，同时，消防报警关闭当水位到停泵水位时，蓄水池泵关，并响警报。当蓄水池水位到溢流水位时，警报响起当中位水箱水位到启泵水位时或是到低
14、报警水位时，中位水箱生活泵开启，水位到停泵水位时泵关闭当水位到溢流报警水位时中位水箱报警中位水箱水位到低报警水位时报警当蓄水池水位在正常水位时中位水箱才能正常进行剩下的工作过程高位水箱工作流程与中位水箱工作过程一样当蓄水池正常供水时高位水箱才能正常工作报警复位按钮，工作人员按下后所有报警信号复位2.4组态王工作原理2.4.1组态王与PLC的连接在组态王中的设备中新建设备驱动，选择PLC中的西门子S7-200系列的PPI。选择与PLC的串行口，本次课设选的是COM1口，在设备地址中选择与PLC相应的地址，本次课设地址为2。如下图所示2.4.2变量定义变量定义在组态王数据库中的数据字典中新建，变量
15、类型为I/O离散，连接设备为上一次新建的新建IO设备。根据I/O点数表和组态画面相对应定义变量。如下图所示：2.4.3构建组态画面 根据课设要求，建立相应的组态画面，如下图所示3. 设计成果3.1水泵的起停3.1.1水泵启动时当蓄水池，中位水箱，高位水箱都在正常状态时，泵全开，其图形如下：此时消防泵只处于运行开启的状态，未必是开启的，消防泵的开启是由其他条件决定，因为与本次课设无关，故在这不做设计。当蓄水池或是水箱出现问题时，则报警信号闪烁。如下图为蓄水池水位到消防报警停泵水位，此时消防泵关闭，蓄水池泵打开，消防报警信号闪烁。3.1.2停止时 当系统出现问题或是水位达到要求时，系统停止当系统出
16、现问题时：当蓄水池达到溢流水位时，系统停止。当水箱达到溢流水位时，蓄水池可能停止也可能正常工作。3.2报警 当系统出现问题时，即达到报警水位时，则信号灯闪烁通知工作人员，此时工作人员检修，并且在工作人员站有一个复位按钮，该按钮能复位所有的报警信号灯，即在修好系统后，工作人员按下该按钮对报警信号进行复位，系统又能正常进行工作。4. 总结 通过本次课设，让我更加系统的掌握了PLC编程，并把其与生活实际联系起来，让我更加了解了自己的专业。并且在这次课设中使用到了组态王，也对这款工具有了一定的了解，自己能够构建较为简单的组态画面，并且也能与编写好的PLC程序相连接，到最后能够使程序在组态王上得到动态输出，能学到这么多以前不了解的知识让我觉得很开心。5. 参考文献1 电气控制与PLC应用，何波，中国电力出版社2 微型计算机控制技术， 潘新民，王燕芳， 高等教育出版社3 建筑设备自动化系统，王可崇，人民交通出版社4 建筑电气控制技术，马小军，机械工业出版社5 建筑设备自动化系统，李玉云，机械工业出版社14 第 页 共 14页