毕业设计(论文)PLC控制技术在雨水利用自动控制系统中的应用.doc
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1、1 引言1.1 课题研究的背景本文是雨水利用自动控制系统的具体设计说明,设计一个雨水罐液位自动控制系统,并且使用MCGS进行组态监控。在程序设计上,以及在控制系统中,运用了先进的设计方法,如编写可编程控制器PLC中的梯形图与流程图,对控制系统中的水泵和进水阀进行控制,采用了液位、压力传感器信号输入控制元件,实现雨水罐中液位的动态平衡,确保供水管道中水压的稳定。本文主要介绍小型雨水利用自动控制系统,可用于学校,企业公园等小面积区域的绿化灌溉。具有管理方便,设计简单,成本廉价等特点。雨水利用控制器的结构示意图如图1-1所示。图11 雨水利用控制器结构示意图Fig 1-1 rain waters m
2、ake use of controller structure sketch map1.1.1 雨水利用自动控制国内外的发展现状1. 我国城市雨水利用概述我国城市雨水利用的思想具有悠久的历史,北京北海团城古代雨水利用工程是古代雨水利用的典范。而真正意义上的城市雨水利用的研究与应用却开始于20世纪80年代,发展于90年代,目前呈现出良好的发展势头。北京、上海、大连、哈尔滨、西安等许多城市相继开展雨水收集利用研究,尤其是北京近几年雨水集蓄利用技术发展步伐较快。北京市节水办和北京建筑工程学院从1998年开始立项研究,北京市水利局和德国埃森大学的合作项目于2000年启动,已建雨水利用工程等示范工程10
3、多处;2003年4月起施行关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定,要求凡在本市行政区域内,新建、改建、扩建工程均应进行雨水利用工程设计和建设,雨水利用工程应与主体建设工程同时设计、同时施工、同时投入使用。2. 城市雨水利用在国外由于全球范围内水资源紧缺和暴雨水水灾害频繁,近20年来美国、加拿大、意大利、法国、墨西哥、印度、土耳其、以色列、日本、泰国、苏丹、也门、澳大利亚、德国等40多个国家开展了雨水利用的研究与实践 , 并召开过十届国际雨水利用大会。其中,德、日、美等经济发达、城市化进程发展较早的国家,将城市雨水利用作为解决城市水源问题的战略措施,试验、推广、立法、实施。德国是欧洲开展雨
4、水利用工程最好的国家之一。目前德国的雨水利用技术已经进入标准化、产业化阶段,市场上已大量存在收集、过滤、储存、渗透雨水的产品。德国的城市雨水利用方式主要有三种:一是屋面雨水集蓄系统,二是雨水截污与渗透系统,三是生态小区雨水利用系统。在雨水利用方面,德国还制定了一系列法律法规,规定在新建小区之前,无论是工业、商业还是居民小区,均要设计雨水利用设施,若无雨水利用措施,政府将征收雨水排放设施费和雨水排放费。日本的城市雨水利用在亚洲先行一步,1980年日本建设省就开始推行雨水贮留渗透计划,1988年成立“日本雨水贮留渗透技术协会”,1992年颁布“第二代城市下水总体规划”正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面
5、作为城市总体规划的组成部分,要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施。日本“降雨蓄存及渗滤技术协会”经模拟试验得出:在使用合流制雨水管道系统地区合理配置各种入渗设施的设置密度,强化雨水入渗使降雨以5mm/h的速率入渗地下可使该地区每年排出的BOD总量减少50%。有效促进了城市雨水资源化进程。美国的雨水利用是以提高天然入渗能力为其宗旨, 针对城市化引起河道下游洪水泛滥问题,美国的克罗拉多州(1974年)、佛罗里达州(1974年)和宾西法尼亚州(1978年)分别制定了雨水利用条例。这些条例规定新开发区的暴雨水水洪峰流量不能超过开发前的水平。所有新开发区(不包括独户住家)必须实行强制的
6、“就地滞洪蓄水”。综合国外发达国家城市雨水利用的主要经验是:制定了一系列有关雨水利用的法律法规;建立了完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统;收集的雨水主要用于冲厕所、洗车、浇庭院、洗衣服和回灌地下水。1.1.2 工业自动化控制技术的发展状况1. 我国工业自动化控制的发展工业自动化控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术,对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术,主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。 我国工业自动化控制的发展道路,大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收,然
7、后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展,我国工业计算机系统行业已经形成。目前,工业自动化控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。从20世纪60年代开始,西方国家就依靠技术进步(即新设备、新工艺以及计算机应用)开始对传统工业进行改造,使工业得到飞速发展。20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。全球市场导致竞争空前激烈,促使企业必须加快新产品投放市场时间(Time to Market)、改善质量(Quality)、降低成本(Cost)以及完善服务体系(Service),这就是企业的T.Q.C.S.。虽然计算机集成制造系统(CIMS)结合信息集成和系
8、统集成,追求更完善T.Q.C.S.,使企业实现“在正确的时间,将正确的信息以正确的方式传给正确的人,以便作出正确的决策”,即“五个正确”。然而这种自动化需要投入大量的资金,是一种高投资、高效益同时是高风险的发展模式,很难为大多数中小企业所采用。2. 可编程序逻辑控制器的发展PLC是可编程序逻辑控制器的英文名称Programmable Logic Controller的简称,它是以继电器控制为基础,以微处理器为核心,综合了计算机技术、自动控制技术和现代通信技术,专门为工业应用环境而设计的功能强大的新型控制器。早期的PLC主要由分立元件和小规模集成电路组成,指令系统简单,一般只有逻辑运算、定时、计
9、数功能,完全能够取代继电器控制的功能,但内部结构简单,使之能够很好地适应恶劣的工业现场环境。随着微电子技术的发展,大规模数字电路和微处理器在PLC中的应用使PLC的功能不断增强,它不仅可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数功能,而且增加了算术运算、数据处理、数据通信等功能,并且具有处理分支、中断、自诊断能力,使PLC更多地具备了通用计算机的功能。目前世界上著名的电气控制设备公司几乎都生产PLC系列产品,使PLC成为了一种主导的通用工业控制器。PLC从诞生到现在,尽管不到40年时间,但由于其具有编程简单、配置灵活、易于扩展、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点,发展非常迅猛,在冶金、机械
10、、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等行业得到了广泛的应用。PLC的发展速度之快、应用范围之广是惊人的,这充分证明了PLC技术代表了当今电气控制技术的世界先进水平,它已经与数控技术、CADCAM技术、工业机器人技术并列成为工业自动化技术的四大支柱。近年来,为了保证电气控制设备的高技术性能和系统的高可靠性,几乎所有的电气控制设备公司均采用了PLC作为其电气控制设备的控制器。由于控制内容的复杂化和高难度化,使PLC向集成化方向发展,PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等,并强化了通讯能力和网络化,尤其是以PC为基础的控制产品增长率最快。PLC与PC集成,即将计算机、PLC
11、及操作人员的人机接口结合在一起,使PLC能利用计算机丰富的软件资源,而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC机为基础的控制容易编程和维护用户的利益,开放的体系结构提供灵活性,最终降低成本和提高生产率。PLC曾存在严重的缺点,主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的,绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议,编程虽多为梯形图,但各公司的组态、寻址、语言结构不一致,使各种PLC互不兼容。国际电工协会(IEC)在1992年颁布了IEC1131-3可编程序控制器的编程软件标准,为各PLC厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以PC为基、在Windows平台下,符合IEC1131-3国际
12、标准的新一代开放体系结构的PLC正在规划中。1.2课题的提出雨水利用在西方发达国家早就得到应用,随着我国城市水资源的紧缺也得到了认同。中国经济发展的同时环境保护也得到重视,各地的绿化面积不断增加,对绿化用水的需求也越来越多,这就要求合理利用雨水来缓解城市引用水的压力。现在的电子产品价格低,使用方便可靠,并且智能化高,得到广泛的利用。采用当代成熟先进实用技术来控制,使之成为安全、可靠、效率高的自动控制系统。PLC技术特别适合于工业环境,抗干扰能力强,可靠性高,性价比较高,简单易懂,操作维护方便,能够满足工业的苛刻要求,具有很强的使用价值。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制,还能完成少量模拟量的过程控
13、制,且编程简单,使用方便。 因此本文提出了基于PLC技术的一种雨水利用自动控制系统改造的研究课题。1.3课题研究的意义、可行性分析 随着我国经济社会的高速发展和城市化进程不断加快,水资源短缺和污染已经成为制约国民经济可持续发展的重要因素。以单位国民生产总值的耗水量及污水排放量计,我国要比发达国家高得多。因此,我们必须加大环境治理力度并切实保护好水资源,做到合理利用水资源。 本文设计的雨水利用自动控制系统具有技术先进工作可靠,简单易懂,操作维护方便、性能优良、功能强大,适合在我国城市的推广和使用,对合理利用水资源、节约用水都有重大的现实意义和实用价值。1.4本文研究的主要内容1.具体设计要求设计
14、一个雨水利用自动控制系统,包括雨水罐上、中、下三种液位的不同控制,并且使用MCGS进行组态监控。指标要求: 雨水罐液位低于下液位检测开关(S4=0)时,出水泵Y2禁止动作; 雨水罐液位高于下液位检测开关(S4=1),而且气压罐压力低于设定值(S1=0)时,出水泵Y2启动,气压罐压力增加,直到压力高于设定值(S1=1)时,出水泵Y2滞后5秒停止; 雨水罐液位低于中液位检测开关(S3=0)时,进水阀Y1开启,注入清水以补充雨水的不足; 雨水罐液位高于上液位检测开关(S2=1)时,进水阀Y1关闭,停止注入清水; 使用MCGS进行组态监控。2.本文是采用PLC技术对雨水利用自动控制系统的设计与研究,其
15、主要内容是: 熟悉PLC技术的应用方法; 熟悉雨水利用自动控制系统的结构组成、工作原理、操作方式和控制特点; 用PLC编程方法代替雨水利用自动控制系统中通过连线而实现的所有逻辑控制,并且根据PLC的功能特点增加工作状态显示功能; 硬件设计和软件设计; 实验室模拟调试。1.5 小结 开发研制的此项新型雨水利用自动控制系统方案采用先进技术、抗干扰能力强、工作可靠性高、简单易懂、容易掌握、操作维护方便、性能优良、功能强大、自动化程度高,此项可以达到节约水源的需求,适合我国现在的国情,对我国经济的发展,以及雨水利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实用价值。2 雨水利用自动控制系统的硬件设计PLC
16、技术是工业自动化的重要手段,它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、记数、算术运算、数据处理、数据通信等功能,并且具有处理分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现,柔性强,控制功能多,控制线路大大简化。PLC的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式,且有故障检测及诊断程序,可靠性极高12。PLC控制系统为模块化结构,维护更换方便,并可显示故障类型。2.1 PLC的选型设计PLC电路主要有PLC、各种传感器、操作开关和低压交流接触器等组成。根据控制要求,系统的输入信号:按钮2个,液位传感器3个,压力传感器1个,共有6
17、个开关量输入信号;系统的输出信号有:电磁阀1个,水泵电机接触器1个,共有2个开关量输出信号。这样的控制规模不大,考虑到留以备用,可以选用一台小型规模的PLC就能满足控制要求。为了降低成本,因此,本文决定选用一台中等规模的S7200(CPU222)PLC做主机单元。德国西门子公司是全球著名的电气公司,该公司最新推出的中等规模PLC产品是S7200系列34。该系列的PLC为整体式结构,易于构成模块化PLC控制系统,易于实现分布控制,便于系统扩展。这种系列的PLC欲组成一个PLC控制系统,只需要在一个基板上插上主机单元模块、输入扩展单元模块、输出扩展单元模块及其它需要的功能单元模块,就可以构成一个大
18、规模综合控制系统。因此本文确定选用德国西门子公司生产的S7200系列PLC。2.2 PLC的硬件配置设计由于S7200系列PLC在一个基板上最多设置8个单元模块,而PLC电路共需要6个开关量输入点、2个开关量输出,为了考虑到今后的调整和扩展,一般应在估计的总点数上再加上2030的备用3,因此可以选用CPU222型主机单元,不需要扩展单元模块,就可以满足要求。PLC的具体硬件配置如表2-1所示。CPU222型主机单元具有8输入/6输出共计14个数字量I/O点,可以连接2个I/O扩张单元,最大扩展至78个数字量I/O点或10路模拟量I/O,程序和数据存储容量为6KB。可以满足今后的调整和扩展。表2
19、1 PLC的具体配置Tab2-1 The detailed hardware component table of PLC2.3 PLC的I/O编址PLC的输入输出(IO)编址如表2-2所示。表2-2 PLC的输入/输出(I/O)编址Tab2-2 The table of the I/O addresses of PLC2.4 PLC的输入输出点分配PLC的输入输出具体分配如表2-3所示表2-3 PLC的输入/输出地址分配Tab2-3 The detailed table of the input/output addresses of PLC2.5 PLC的输入输出电路设计 PLC的输入输出
20、电路如图2-1所示图2-1 PLC电路主机单元I/O接线图Fig2-1 The I/O diagram of the host unit of PLC 注释:图2-1中,B1为气压罐压力传感器,B2为上液位传感器,B3为中液位传感器,B4为下液位传感器,SB1为启动按钮,SB2为停止按钮,KV1进水阀,KM1为水泵接触器。根据控制要求和图2-1所示,下面对外部元件的选择做简单的分析。1. 外部输入器件的选择由于外部输入器件都采用开关量的输入方式,因此在选型上不需要A/D转换装置。气压罐压力传感器选用BEP-2型压力变送器。它可测液体、气体等介质。测量范围在0-60MPa,输出信号为4-20mA
21、(两线制),电源电压DC 24V,精度2.5级,本安IACT5,防爆DCT5。液位传感器采用SL-3002型金属浮球液位开关。SL-3002型浮球液位开关体积轻巧,工作原理简单,可靠性高。工作原理:在密闭的非导性磁性管内安装有一个或多个干簧管,当环形磁铁靠近磁簧开关中心时,磁簧开关接点ON,反之磁铁离开时磁簧管有ON变为OFF。 安装方式:侧面安装 ;工作电压:DC 24V; 开关电流: 0.7A。按钮开关采用LA36按钮 适用于交流50HZ或60HZ、380V及以下的电气线路中2. 外部输出器件的选择外部输出即为负载,它的选择对系统的稳定性有很大的影响,因此要选用安全、可靠的设备。电磁阀选用
22、ZQDF-25A型。工作压差范围为0至1.6MPa,最高使用压力2MPa ; 结构简单紧凑,只有三个活动零件,结构简单,故障小,维修方便。线圈朝上水平安装,工作电压AC220V 50/60HZ 。水泵选用YLB系列单相离心水泵。它采用YL双值电容异步电动机和独特设计的泵体组成;电动机为全封闭结构,防护等级IP44,绝缘等级B级,频率50赫兹,在160-240伏均能正常工作;电动机配有热保护器,在电压过低、机组卡死和超负荷工作时能自动停机,保护电动机不烧毁。交流接触器选用CJ10系列。它是一个任务普通型接触器,主要供远距离接通与分断交流50HZ、电压至380V、电流至150A的线路之用,并适宜于
23、控制交流电动机的起动及停止。安装地点的污染等级为3级; 安装类别(过电压)为III类。元件明细表如表2-4。表2-4 元件明细表Tab 2-4 Component detailed statements2.6小结雨水利用自动控制系统使用继电接触控制实现逻辑控制控制系统体积大、运行噪音大、功耗高、接线复杂、故障率高、工作稳定性和可靠性差、控制速度慢、控制精度差、功能改变难度大、使用寿命短,缺乏故障诊断功能,排查故障困难。PLC技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算术运算、数据处理、数据通信等功能,并且具有处理分支、中断、自诊断能力。PLC技术的逻辑控制功能通过软件编程实现,柔性强,控制功
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