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1、专科毕业设计（论文）设计题目： 地铁排水水泵自动投切装置PLC控制设计 系 部： 电气工程系 专 业： 工业企业电气自动化 班 级： 工企091301 姓 名： 学 号： 093905130148 指导教师： 职 称 : 讲师 2012年6月 南京 摘 要地下铁道作为一种有效且快速疏导地面人流并缓解交通的手段，近年来已经在国内多个城市中建成并投入运营。本文从地铁排水出发，介绍一种控于PLC的排水水泵自动投切控制系统，列出了硬件配置，PLC的梯形图、程序流程。本控制系统在设计中没有固定哪一台水泵为备用泵，即让备用泵和其它水泵一样投入运行，起到了三台水泵互为备用的优点。关键词：地铁排水 PLC 梯
2、形图程序AbstractAs an effective and fast directing ground people and ease traffic means, metro has been built in a number of domestic cities and put into operation in recent years. This article is about the metro drainage, we introduce a drainage pump automatic control system based-on PLC.And we lists t
3、he hardware configuration, PLC ladder diagram and program flow. The control system in the design of which have no fixed a water pump for spare pump, that is, let the spare pump and other water pump operation as a three pump are spare advantages.Keywords: Metro drainage PLC Ladder program目 录1 引言12 PL
4、C概述12.1 PLC的定义及特点12.2 PLC的构成及工作原理23 系统控制要求53.1 正常控制53.2 特殊情况控制54 电气控制系统原理及其程序图64.1 水泵电气控制原理图64.2 I/O端子分布以及PLC程序流程84.3 梯形图程序10结 论12致 谢13参 考 文 献14 江苏海事职业技术学院2012届专科生毕业设计 第14页1 引言地铁排水系统主要可分为三种类型，即污水排水系统、废水排水系统和雨水排水系统。目前南京地铁一号南延线排水主要是污水排水系统，雨水和废水较少。污水排水系统的核心是污水泵（房）站进行的污水处理。“污水处理厂的首要处理环节是污水提升泵站,只有当污水的势能有
5、所增加, 才能进行处理污水的后续工作;城市娇纵错杂的安装着污水管网,而保证这些污水能够在管道中正常流淌的就是污水提升泵站。眼下排水水泵的自动控制可以分为两种方式：一种是利用超声波，另一种是水位开关报警装置。后者的控制方式是把水位开关安装在集水井中, PLC获取来自水位开关的信号,当信号达到了预先调试好的水位后，控制系统中的相应开关将会自动开/停排水水泵5”。另外的那种是把超声波液位计安装在集水井中,P LC获取来自集水井中的超声波液位计的水位信号,然后由PLC控制系统来自动控制排水水泵的运行。当检修水泵时为了能确保污水的正常排放，每一个排水泵（房）站基本上都会装有备用的排水水泵。如果在集水井中
6、很长一段时期不运行这些备用的水泵, 那么这些排水水泵中的电机的绝缘电阻就会有一定量的下降,长此以往就会影响到水泵的寿命和控制系统的正常运行。本文讨论的是后者的控制系统，即排水泵站水位开关的自动控制系统。 在本文中所论述的自控系统中, 其它泵和备用水泵同样的会投入运行。 从长久角度看, 这些水泵有着均衡的运行时间, 这样使得本设计的三台泵起到了互为备用的实用效果, 并且本文列出了此设计的电气控制线路（如图4所示）,程序流程图（如图7所示）以及部分的梯形图程序(如图8所示)。2 PLC概述21 PLC的定义及特点211 PLC的定义 可编程控制器（PLC）是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运
7、算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，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照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。212 PLC的特点1可靠性高，抗干扰能力强 PLC是专门为工业控制设计的，采取了多层次抗干扰、精选元件的措施，可在恶劣的工业环境下与强电设备一起工作，运行的稳定性和可靠性较高。2编程简单易学，深受工程技术人员欢迎 PLC的最大特点之一，就是采用易学易懂的梯形图语言，它是以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模型，形成一套
8、独具风格的以继电器梯形图为基础的形象编程语言。方便电气人员在了解PLC工作原理和它的编程技术后，就可迅速地结合实际需要进行应用设计，进而将PLC用于实际控制系统中。3通用性强，使用方便 由于PLC自身硬件特点，用户在进行控制系统的设计时，不需要自己设计和制作硬件装置，只需要根据控制要求进行模块的配置；用户所作的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于一个控制系统，当控制要求改变时，只需修改程序，就能变更控制功能；与外围设备的连接方便，通讯协议标准。4系统设计周期短 由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块，而不要设计具体的接口电路，同时软件设计和外围电路设计可以同
9、时进行，这样大大缩短了整个系统设计的时间，加快了系统的设计周期。5对生产工艺改变适应性强 其控制功能是通过软件编程来实现的，当生产工艺改变时，在很大程度上只需改变用户程序，这对现代化的小批量 、多品种产品的生产尤其适合；现今PLC已经朝着嵌入式系统发展，将进入日常生活中。6安装简单、调试方便、维护工作量小 PLC控制系统的安装接线工作量比继电器控制系统少得多，只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O口相连。PLC软件设计和调试大部分可以在实验室模拟进行，模拟调试好后再将PLC控制系统进行现场联机调试，方便省时，其本身可靠性高，有完善的自诊断能力和系统监控能力，方便迅速故障查明和排除，维护的工作
10、效率高。22 PLC的构成及工作原理221 PLC的基本组成可编程序控制器实施控制，其实质就是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换与以物理实现。输入输出变换、物理实现可以说是PLC实施控制的两个基本点，同时物理实现也是PLC与普通微机相区别之处，其需要考虑实际控制的需要，应能排除干扰信号适应于工业现场，输出应放大到工业控制的水平，能为实际控制系统方便使用，所以PLC采用了典型的计算机结构，主要是由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。PLC的基本结构如图1所示。图1 PLC的基本结构1中央处理单元（CPU） 中央处理单元是PLC的控制
11、核心。CPU模块，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。 2存储器 可编程序控制器的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器；存放用户程序（用户程序存和数据）的存储器称为用户程序存储器，所以又分为用户存储器和数据存储器两部分。 3输入接口电路输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种，在我们实习涉及到的信号当中，开关量最普遍。如图2就是采用光电耦合器的开关量输入接口电路：图2 开关量输入接口电路4输出接口电路 可编程序控制器的输出有：继电器输出(M)、晶体管输出(T)、晶闸管输出(SSR)三种输出形式。5电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重
12、要的作用。如果没有一个良好的、可靠得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。如FX1S额定电压AC100V240V，而电压允许范围在AC85V264V之间。允许瞬时停电在10ms以下，能继续工作。一般小型PLC的电源输出分为两部分：一部分供PLC内部电路工作；一部分向外提供给现场传感器等的工作电源。 222 PLC的工作原理PLC采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐
13、条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个扫描周期主要可分为三个阶段。第一阶段为输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。第二阶段为程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算
14、结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。第三阶段为输出刷新阶段，当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。综上所述，PLC的扫描工作过程如图3所示。图3 PLC扫描工作过程223 PLC选型的一般考虑1确定控制对象和控制范围 在应用PLC时，首先要详细分析被控对象、控制过程与要求，了解工艺流程后列出控制系统的所有功能和指标要求，与继电接触器控制系统和工业控制计算机进行比较后加以选择。如果控制对象的工业环境较差，而安全性
15、、可靠性要求特别高，系统工艺复杂，输入输出以开关量为多，而用常规的继电接触器控制难以实现，工艺流程又要经常变动的对象和现场，用PLC进行控制是合适的。2选择机型 一般来说在选择机型前，用户首先要对控制对象进行下列估计：1)有多少个开关量输入，电压分别为多少；2)有多少个开关量输出，输出功率为多少；3)有多少模拟量输入输出点；4)是否有特殊控制要求，如高速计数器等；5)现场对PLC的响应速度有何要求；3编制程序 编程时，首先要合理划分模块，其次是合理利用指令，严格注意信息名称定义，最后进行调试。程序必须经过一段时间的运行考验，才可以投入实际现场工作。3 系统控制要求地铁某站有如下配置: 同等容量
16、的污水泵三台：标号为1 号、2号、3 号,其中任意两台泵都有在正常情况下最大排水水量要求的额定抽水能力。正常控制情况下这三台水泵设计成两用一备,只有在特殊情况下（雷雨季节）才有三台水泵同时运行工作的可能。水位开关有两种情况：第一种为没入水里时的ON状态;第二种为无水时的OFF 状态。水位开关有S0、S1、S2、S3四个,停泵水位是S0, 启动其中一台水泵运行的水位是S1, S 2 是启动两台水泵运行的水位,报警水位是S 3 ,即当达到水位S3 时, 同时投入三台水泵运行。3.1 正常控制如果水位达到水位开关S1,则会启动三台水泵中的任意一台；当水位达到水位开关S2 时，控制系统就会启动另外一台
17、（除刚刚启动的那台水泵）水泵，即会有两台水泵同时运行进行排水。如果水位下降到水位开关S0 ,则会相应停止所有开启的排水水泵。3.2 特殊情况控制当水位达到水位开关S 3（即报警水位） 时所有水泵开始进入运行状态。一般两台泵所能排水的水量已经满足了正常需求,也就是说,通常最多运行两台排水水泵。特殊控制会发生在雷雨季节，即当出现报警水位s3时，所有水泵都进入运行状态。技术上要求尽可能让所有水泵的运行实际时间均衡,不可以让一台水泵长时间浸泡于水下不动作,因为那样会降低水泵的使用年限。4 电气控制系统原理及其程序图4.1 水泵电气控制原理图图4 电气控制原理图图5 电气控制原理图在图4、图5中, S
18、A 是排水泵开关操作模式的选择开关, 提供的转换选择方式为手动、自动、以及停止。T A 、 Q A 是启动和停止时的排水泵手动操作按钮。在手动挡下，即把S A 拨到排水泵手动运作方式那边,按动Q A 、 T A 按钮就会相对应的启动和停止水泵。QBD 是水泵保护装置。每个泵配备了用于检测油泵房和元件密封性,轴承温度和电机器件温度等的装置。通电后, 如果油泵密封腔是正常的，电缆和轴承温度是常温缠绕，常开QBD将吸合，其常闭将被断开。如检测到正在运行中的电机有上述一个或多个部分不正常动作, 则常开QBD就断开, 其常闭闭合, 控制系统无论何种控制方式下都不能运行, 需检修人员把水泵吊起，待检修完毕
19、可以正常使用后方可运行。本系统所用PLC 选用西门子200 系列。 “西门子是国际知名的跨国公司,其PLC 产品是国际上主流产品,200 系列PLC 结构紧凑,性能可靠,功能指令强大,存储容量大,抗干扰能了强,是各种小型控制任务的首选产品”2。4.2 I/O端子分布以及PLC程序流程表1 PLC 控制器I/O分配类型地址对应元件（符号）功能备注输入端口（DI）I0.0S0停泵水位I0.1S1启动一台水泵水位I0.2S2启动两台水泵水位I0.3S3超高报警水位，三台泵运行I0.4SA手动/自动选择I0.5自动方式下启动开关I0.6自动方式下停止开关输出端口（DO）Q0.0KM1控制继电器Q0.1
20、KM2控制继电器Q0.2KM3控制继电器依据控制技术要求, 如果水位达到水位开关S1,则会启动三台水泵中的任意一台；当水位达到水位开关S2 时，控制系统就会启动另外一台（除刚刚启动的那台水泵）水泵，即会有两台水泵同时运行进行排水，当水位达到水位开关S 3（即报警水位） 时所有水泵都会进入运行状态。如果水位下降到水位开关S0 ,则会相应停止所有开启的排水水泵。所有水泵的运行实际时间均衡，程序流程3 如图6。分析过程:图6 PLC 程序流程图PLC 得电运行后, SM0.1 使得M0.0 处于置位状态,为自动控制做基础准备,当控制开关SA打到自动挡(I0.4得电),且水位达到水位开关S1时,I0.
21、5 得电,M0.0 复位置零,M0.1 得电置位,控制继电器KM1 激活闭合,三台水泵中的一台水泵通电启动运行。如果水位检测到此时超过了水位开关S2,则M0.1 复位置零,M0.2 得电置位,控制继电器KM1,KM2 激活动作,另外一台水泵通电启动运行,此时有两台水泵在进行排水工作。如水位检测到此时超过了报警水位开关S3,则M0.2 复位,M0.3 得电置位,所有三台水泵通电启动运行。如果当M0.1 得电激活,控制继电器KM1 工作一段时间以后,水位降低到停泵水位,S0 为OFF状态,那么它的反状态就是1,M0.1 就会复位,M0.5 得电激活,控制继电器KM1 则会断电,就会停泵,再过一段时
22、间如果水位上升到开启“第一台”水泵的水位S1 时,则M0.5 就会被复位,M0.6 得电激活,KM2 得电, 从“物理意义上”讲的“第二台”水泵就会作为“第一台”水泵通电运行。只有在特定环境下，即雷雨季节，水位才有可能达到并超过报警水位S3,也就是说,M0.3,M1.2,M1.7 得电激活的几率不是很高,通常最多只有两台水泵启动。图6的流程图中,当水位上升到需要开启“第一”或“第二”台水泵时,控制程序总是会选择“下一台未被启动过的水泵”,而“下一台”水泵不是固定的, 是在“物理意义上”讲的“第一台”、第二台”、 “第三台”水泵之间交替, PLC 会通过上一次运行情况自动选择得出, 实际上就成了
23、三台水泵互为备用, 合理有效地利用了资源。在梯形图程序中，M0.1 到M0.2 状态转换时有一个延时通电时间继电器,时间为10 秒,同样在M0.2 到M0.3 也有一个和上述相同的延时通电继电器,加这两个延时继电器的目的是以防当系统开始启动运行时,如水位超过S2,S3,所有水泵会同时启动运行。4.3 梯形图程序由于全部梯形图程序篇幅太长,此处并未全部列出。以图6 中M1.5,M1.6,M1.7,M2.0,M0.6 的转换来简要说明,具体如图7所示。M1.5 得电激活时,KM1和KM3 动作, 此时若水位降到停泵水位时,M1.5 就会动作复位,同时M1.6 得电激活,KM1,KM3 停止动作。
24、由图中可知,M1.6 动作时并没有水泵运行排水; M1.5 动作时,若水位继续上升，当达到报警水位时, M1.7 动作,M1.5 动作复位,所有水泵激活运行。M1.6 动作时,如果水位升到开“一台”泵的水位,则M1.6 就会动作复位,M0.6 动作,开启一台“上一次没有启动运行过的水泵”。 M1.7 动作时,若水位下降到停泵水位,则M1.7 就会动作复位,M2.0 动作,停止所有水泵运行。在M2.0 动作时, 若水位上升到“开启一台”水泵水位时,M2.0 就会动作复位,M0.6 动作,开动一台（物理意义上讲的）“上一次没有启动运行过的水泵”。图7 梯形图程序结 论本文论述的是控于P L C 的
25、排水水泵水位开关自动控制系统,针对地铁排水系统在处理备用水泵运行方式方面,本文软硬件设计合理,实用性强,做到了让三台水泵轮流做备用水泵,消除了备用水泵长期在水中不运行带来的种种不利因素;本设计已在南京地铁一号南延线各站点实装运行，完全能够满足地铁排水的要求，并具备了传统水泵所欠缺的互为备用要求，降低了各种损耗，节约了能源。致 谢本文是在姚苏华老师的悉心指导下完成的。从论文的选题到开题，从论文的框架设计到具体内容，一直到最后的审查修改和定稿都凝聚着老师的心血。在此学生表示最诚挚的感谢。在完成论文期间，还得到了其他老师、实习师傅、同学的指导和帮助，我同样铭记在心，并在此表示由衷的感谢。 参 考 文 献1 董德发，张天春. 自控工程设计基础.大庆：大庆石油学院，19992 张万忠. 可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，20053 张凤珊. 电气控制及可编程序控制器.北京：中国轻工业出版社，19914 殷洪义，翁维勤. PLC原理与实践.北京：清华大学出版社，19915 黎一强.PLC技术在生活污水处理及回用系统中的应用J.自动化技术与应用, 2008, 27(8):123-125.6 许缪. 工厂电气控制设备M . 北京: 机械工业出版社,1998. 127 王骥程，祝和云.过程控制工程.北京：化学工业出版社，2003