高楼恒压供水的PLC 控制系统设计

第一章绪论1.1 关于高楼恒压供水恒压供水是指用户段不管用水量的大小, 总保持管网水压基本恒定, 这样既可满足各部位的用户对水的需求, 又不使电动机空转造成电能的浪费。

高楼恒压供水通常是采用固定在建筑物上的给水塔或楼顶高位水箱，以自来水局部加压的形式供水，这种气压供水可以取代任何高度的水塔或楼顶高位水箱，水质亦不易污染，占地面积亦小。

建筑给排水是与人民生活、生产活动、卫生安全有密切关系的学科。

在日常常生活中，如果供水系统的水压不稳定，会导致不良后果。

例如对居民用水而言，水压过高，会导致管路泄露和水源流失严重；水压过低，用户用水会导致供水不足。

对于消防用水而言，水压不稳定，会影响灭火质量。

因此，保持供水压力的稳定是很有必要的。

恒压供水系统是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定。

随着微机技术及变频技术的发展，设备简单、投资少、可靠性高、抗干扰能力强的控制系统将是高楼恒压供水系统研究的方向。

1.2 PLC的概述1.2.1 PLC的简介国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下: PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置,是带有存储器,可以编制程序的控制器。

它能够存储和执行指令,进行逻辑运算,顺序控制,定时,计数和算术等操作,并通过数字式和模拟式的输入输出,控制各种类型的机械和生产过程。

PLC及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形式一体,易于拓展其功能的原则设计。

事实上, PL C就是以嵌入式CPU为核心,配以输入,输出等模块,可以方便的用于工业控制领域的装置。

PLC与机器人,计算机帮助设计与制造一起作为现代工业的三大支柱。

1.2.2 PLC的基本结构PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机，PLC系统与微型计算机结构基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。

(1)通用型PLC的硬件结构通用型PLC的硬件基本结构如图1.1所示，它是一种通用的可编程控制器，主要由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出（I/O）模块及电源组成。

图1.1 通用型PLC的硬件基本结构主机内各部分之间均通过总线连接。

总线分为电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。

各部件的作用如下：①中央处理单元CPUPLC的CPU与通用微机的CPU一样，是PLC的核心部分，它按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；用扫描方式查询现场输入装置的各种信号状态或数据，并存入输入过程状态寄存器或数据寄存器中；诊断电源及PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误等；在PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户程序，经过命令解释后，按指令规定的任务产生相应的控制信号，去启闭有关的控制电路；分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作，完成用户程序中规定的逻辑运算或算术运算等任务；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，再由输出状态寄存器的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。

②存储器存储器（简称内存），用来存储数据或程序。

它包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

PLC配有系统程序存储器和用户程序存储器，分别用以存储系统程序和用户程序。

系统程序存储器用来存储监控程序、模块化应用功能子程序和各种系统参数等，一般使用EPROM；用户程序存储器用作存放用户编制的梯形图等程序，一般使用RAM，若程序不经常修改，也可写入到EPRO M中；存储器的容量以字节为单位。

系统程序存储器的内容不能由用户直接存取。

因此一般在产品样本中所列的存储器型号和容量，均是指用户程序存储器。

③输入/输出（I/O）模块I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备之间的连接部件。

PL C提供了各种操作电平和输出驱动能力的I/O模块供用户选用。

I/O模块要求具有抗干扰性能，并与外界绝缘因此，多数都采用光电隔离回路、消抖动回路、多级滤波等措施。

I/O 模块可以制成各种标准模块，根据输入、输出点数来增减和组合。

I/O模块还配有各种发光二极管来指示各种运行状态。

④电源PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来对PLC的内部电路供电。

⑤编程器编程器用作用户程序的编制、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。

它经过接口与CPU联系，完成人机对话。

编程器分简易型和智能型两种。

简易型编程器只能在线编程，它通过一个专用接口与PLC连接。

智能型编程器即可在线编程又可离线编程，还以远离PLC插到现场控制站的相应接口进行编程。

智能型编程器有许多不同的应用程序软件包，功能齐全，适应的编程语言和方法也较多。

(2)PLC软件系统PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，它包括系统程序和用户程序。

①系统程序系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等。

监控程序又称为管理程序，主要用于管理全机。

编译程序用来把程序语言翻译成机器语言。

诊断程序用来诊断机器故障。

系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。

②用户程序用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC的程序语言编制的应用程序，用以实现各种控制要求。

用户程序由用户用编程器键入到PLC内存。

小型PLC的用户程序比较简单，不需要分段，而是顺序编制的。

大中型PLC的用户程序很长，也比较复杂，为使用户程序编制简单清晰，可按功能结构或使用目的将用户程序划分成各个程序模块。

按模块结构组成的用户程序，每个模块用来解决一个确定的技术功能，能使很长的程序编制得易于理解，还使得程序的调试和修改变得很容易。

1.2.3 PLC的用途PLC的初期由于其价格高于继电器控制装置,使其应用受到限制。

但近年来由于微处理器芯片及有关元件价格大大下降,使PLC的成本下降,同时又由于PLC的功能大大增强,使PLC 的应用越来越广泛,广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。

按PLC的应用通常可分为五种类型：（1）顺序控制这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。

PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等。

（2）运动控制PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模版。

在多数情况下，PLC把扫描目标位置的数据送给模版块，其输出移动一轴或数轴到目标位置。

每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

（3）闭环过程控制 PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。

PID（Proportional Intergral Derivative）模块的提供使PLC具有闭环控制功能,即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。

（4）数据处理在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制（CNC）设备紧密结合的趋向。

著名的日本FANUC公司推出的Systen10、11、12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。

美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC。

（5）通信和联网为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化（FA）系统、柔性制造系统（FMS）及集散控制系统（DCS）等发展的需要，必须发展PLC之间，PLC 和上级计算机之间的通信功能。

1.2.4 PLC的特点抗干扰能力强，可靠性高继电接触器控制系统虽具有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，由于器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害大大降低了系统的可靠性。

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。

由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。

而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和复杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。

控制系统的组成及工作原理控制系统的组成：自动供水设备是由水泵机、供水控制系统、阀门管件及钢结构机座等配置组成；供水控制系统是由可变程序控制器控制系统、压力传感器、蓄水池水位控制器等组成。

系统原理如图2.1所示。

控制系统的工作原理：电源接通后，由压力传感器传来信号，当传感器Kb与Kd都有信号传来时由控制系统传达指令，控制水泵的运行；由水泵从低水池统抽水，送至高水箱，再由高水箱完成储水、送水的供水循环周期；当水泵工作时，将水送至水管网，当高水箱压力升至最高工作压力时即传感器Ke有信号，水泵停机。

压力降至最低工作压力时即传感器Kd有信号时，水泵重新起动，如此周而复始。

当高水箱压力传感器Ke有信号时，水泵停止；当低水池压力传感器Ka有信号时，水泵停止；当低水池水位达到Ka或Kc即压力传感器Ka或Kc有信号时，或者高水箱水位达到Kf即眼力传感器Kf有信号传来时，声光报警，蜂鸣器HA1及指示灯HL1启动，按下复位按钮SB5时声光报警消失。

图2.1 系统原理图2．2 恒压供水控制系统分析用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。

而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。

保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。

例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。

又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。

所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

随着电字技术的发展，传感器与PLC技术的日益完善，以PLC为核心的智能供水控制系统成本低,其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。

第三章高楼恒压供水系统的硬件设计3．1 控制系统中传感器的选择3.1.1 传感器的基本概念传感器能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常由敏感元件和转换元件组成。

传感技术是一门边缘技术，它涉及物理学，数学，化学，材视对其敏感元件部分的研究和开发，除了对其芯片的研究和开发外，也应十分重视传感器的封装工艺和封装结构的研究，这往往是引起传感器不能稳定可靠地工作的关键因素之一，传感器的作用越来越被工业界、科技界、领导决策部门所认识。

这是因为传感技术是信息技术的三大组成部分之一。