基于PLC地铁排水控制系统的设计.doc
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1、基于PLC地铁排水控制系统的设计摘 要地铁排水系统是车站给排水及防灾系统的主要设施之一。及时排放车站内部的积水, 对车辆的正常运行及各类电器设备的保护有着重要意义。本系统采用西门子S7200PLC的226CPU和扩展模块以及少量的中间继电器来代替传统的继电接触器控制系统,以PLC梯形图的“软接线控制网络”取代传统的继电器构成的硬接线控制线路,对各蓄水池按设定指令进行抽水,对各蓄水池水位进行实时监控。电机发生故障时及时报警并在一定时间后紧急停止系统。通过对系统工艺的详细分析,提出了对系统的控制要求,确定了系统的控制方案.本文设计了地铁排水控制系统的软件和硬件,有效的实现了地铁排水系统的逻辑控制、
2、安全控制、故障诊断及其应对措施.同时也实现了泵、阀控制的自动化和智能化,大大降低了电气控制系统的复杂程度,提高了自动化程度和整个系统的可靠性.经过实验室模拟调试,本系统运行可靠.关键词:排水,PLC,顺序控制,备用The design of subway drainage control system based on PLC Author: Yang QuanzhiTutor: Ren Yanshuo AbstractThe system for the subway drainage is one of the main facilities to the disaster prevent
3、ion system and the drainage system。 Its important to vent seeper in the station in order to protect the subway system from be damaged。 The system is controlled by the S7200PLC produced by Siemens and the digital expansion module EM223 with some Intermediate relay to replace the traditional relay-con
4、tact system, use the Soft control network wiring programmed by the PLC to pump the water from every pool and monitor the water level of them instead of the Hardwired control circuit constituted by the traditional relaycontact ones。 When the pump driver is in error, the alarm will be touched off at t
5、he same time. If this alarm be kept for some times, the system will be shut down. After analyze the crafts of the system carefully, the request and the plan were worked out。 This Paper contains the design of the software and the hardware for the system, and achieve the logical, safety control, fault
6、 measurement and the key for every alarm of it。 At the same time, the automation and the intelligent of the control of the pump and the valve has been achieved in this paper。 Lower the complication level of the Electrical Control System。 Higher the degree of automation and the reliability of the sys
7、tem。 After the Simulation in the lab, our system is reliable.Key Words: Drainage, PLC, Sequence control,Standby目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景11。2 国内研究现状11.3 设计的目的及意义21.4问题的提出及解决方法22 系统工艺设计42.1 系统控制的主要功能42。2系统控制工艺的确定43系统整体控制方案的选择63.1系统控制方案的比较63。2控制器的选择63。2。1 主流控制系统63。2。2 PLC与其他工业控制系统的比较63。3 系统控制方案的确定84
8、系统硬件的设计104。1元器件的选型104.1。1 PLC的选型104.1.2 扩展模块的选择114。1.3传感器的选择124.1。4阀门的选择124。1.5泵的选择144。1.6电机的选择154.1。7接触器的选择154。1。8过载保护装置154.2系统硬件部分设计174。2。1系统配电图174.2.2电机控制线路图184。2。3控制器外部接线205 系统控制程序设计215。1软件总流程图215。2 PLC控制程序的设计22结论29致谢30参考文献31附录331 绪论1。1 研究背景近年随着城市化进程的加快,城市人口急剧增多,国内各大城市的地面交通均面临着巨大的压力,城市轨道交通成为一种有效
9、疏导地面人流和缓解交通堵塞的重要手段,目前已在国内多个城市中建成并投入运营,且大多以地下铁道为主。地铁作为城市建设的大型基础设施,不仅是城市公交客运的骨干系统,而且是作为城市建设和土地开发的支持系统.地铁现代化的发展,已成为城市交通现代化的重要标志之一。地铁车站的排水设计是车站给排水及防灾设计的主要内容之一, 及时排放车站内部的积水, 对车辆的正常运行及各类电器设备的保护有着重要意义.1地铁车站设备监控系统分为中央级,车站级和就地级三级对车站设备进行监控,在中央级和车站级进行系统管理.车站设备监控系统对全线各个车站的通风空调系统设备、给排水设备、自动扶梯、电梯、车站公共区照明、广告照明、车站事
10、故照明电源、屏蔽门、人防密闭隔断门等车站设备进行全面且有效的自动化监控及管理,确保设备处于高效,节能,可靠的最佳运行状态,创造一个舒适的地下环境;并能在火灾等灾害或阻塞事故状态下,更好地协调车站设备的运行,充分发挥各种设备应有的作用,保证乘客的安全和设备的正常运行。给排水系统包括给水系统,消防用水供水系统和排水系统.给排水,消防用水利用城市现有设施.地铁沿线的雨水排入城市雨水系统;生活污水及厕所冲洗水经化粪池处理后排入城市污水系统;结构渗透水,结构排水,车站冲洗水,消防废水均排入城市污水系统.1。2 国内研究现状本课题主要研究对象为地铁沿线的城市雨水系统参考上海地铁工程的给排水设计排水系统的雨
11、水系统部分:车站敞开式出入口的设计雨水量按照50年一遇的暴雨重现期计算.敞开式出入口的自动扶梯下面设集水坑和雨水排出潜水泵,一备一用。集水坑的有效容积以大于最大一台泵5 min流量计.泵提升雨水经压力窨井后,再排入市政雨水管道系统.随着计算机控制技术的迅速发展,以微处理器为核心的可编程序控制器(PLC)控制已逐步取代继电器控制,普遍应用于各行各业的自动化控制领域。地铁工程中双线隧道长度大于1km时,一般需要在上、下行隧道之间设置区间泵站,用于渗漏水排放。区间泵站设于区间隧道的最低轨位处。控制原则:现场水位自动控制、手动控制,车站控制室集中控制,并在控制室内设显示排水泵工作状态和水位信号装置。车
12、站集水池水位控制:停泵水位、第一台泵启动水位、第二台泵启动水位及最高警戒水位。车站污水池水位控制:停泵水位、开泵水位、最高警戒水位。1。3 设计的目的及意义本课题主要采用稳定性较好,编程,操作都比较简单的PLC控制系统来主导各个站点的排水控制。随着社会经济的发展,上海地铁轨道网络将会愈加复杂,继电器控制已经无法满足各大地铁站点的排水控制需求。排水系统,其重要性并不亚于列车机组工作的稳定性。需要保持非常好的稳定性,同时由于本排水系统所处工作环境恶劣。所以本课题的主要研究目的是利用PLC,开发一套运行稳定,便于监控 ,自动化程度高的系统以降低系统的维护成本,延长系统的使用寿命。在未来的几年中,随着
13、排水需求的增加,其强大的扩展性能,完全可以满足未来更多的I/O点的需求。 1。4问题的提出及解决方法问题的提出实现无人值守稳定执行本系统处于地下,工作环境非常恶劣,不适合由人工控制。其次由于需要非常繁琐的阀门开闭,电机启动等工作.虽然地铁系统每天都有一定时间的关闭保养时间,但是本排水系统的保养时间并不随地铁系统的保养而关闭,保养时间不定,需要24小时不间断处于待命或者工作状态。这对人工操作需要有很高的体力消耗,不仅对操作工的身体有害,并且并不利于系统的稳定运行。并且需要选择能够适应恶劣的工作环境及具备较强稳定性的控制器。便于远程监控虽然本系统能够在无人值守的状态下完成工作,但是机械的故障是不可
14、避免的,并且为了便于维护人员能够在不进入其潮湿的工作环境下看到系统的工作状态。面对大排水量需求的时候系统应具备应对方案当出现一些客观因素(如大暴雨,路面水管爆裂等)引起的大量排水需求时,系统需要有备用方案应对突发情况.问题的解决方法选择可无人值守且稳定性高的控制器当今世界工业自动化控制,主要的控制系统一般为工业微机、PLC、继电器控制系统、集散控制系统。考虑到PLC控制的优越性、稳定性及其性价比.本系统采用PLC为控制器.系统的远程监控由于蓄水池会处于不同的水位以及水泵的驱动电机会出现故障,与MCGS组态软件联机模拟现场的水位,阀门开启情况以及抽水机组工作情况.达到监控现场的目的。面对大排量需
15、求时的解决方法系统设置4个蓄水池,其中一个蓄水池设置为备用池,遇到大量排水需求而一台抽水泵无法满足需求时,启动备用蓄水池和备用抽水泵以缓解抽水压力.2 系统工艺设计2.1 系统控制的主要功能为保证各水池顺利排水,对系统进行以下要求 有必要的电气保护:根据实际情况采用过载短路两种保护方式以保护电机不被损坏 需要设置水位显示灯,便于监控 两台主抽水泵实行两班倒轮换制(即12小时轮换一次) 设置手动控制方式,便于在系统的人工检测维修 设置备用泵,备用池。以备紧急情况 各池阀门按一定顺序启闭2。2系统控制工艺的确定(1) 由于地铁排水系统的地势比地面排水沟低很多,不能自然排出。本系统设置4个蓄水池(其
16、中一池设为备用池),每一个蓄水池都设置有水位传感器。设置有低水,满水两个状态。当水位达到不同状态时,设置有声光输出信号。(2) 4号池即备用池是一个比较特殊的蓄水池,系统启动以后排水阀门和进水阀门均不打开,当其他三个蓄水池都发出满水信号时,该池进水阀门打开,同时备用泵启动,满水后开阀排水.(3) 除备用池外任意池中水位为满水时,满水指示灯亮同时打开排水阀门,关闭进水阀门.(4) 为保证主泵的使用寿命,实行2台主泵两班制工作.(5) 当所有池处于无水状态时,处于工作时间的主泵停止工作,当任意一池处于满水状态时,此班主抽水泵启动并保持工作状态。(6) 停止:设置有维修状态的停止按钮,按钮触发最后一
17、次排水信号,所有进水阀门关闭,排水阀门打开,一号电机和备用电机启动抽水5分钟后系统自动停止工作。(7) 系统安全:电机发生故障时,系统不可继续执行抽水工作。关闭所有进水阀门和排水阀门,系统发出报警,报警30分钟后自动断电。(8) 本系统除了对系统的逻辑顺序,电机,排水泵的功率等有较高的要求外,对排水管道的排布等也有一定要求,主排水管道排量需要大于单个蓄水池排水管道,否则备用机组将起不到作用。其次,主进水管道的排布在平均进水量的状态时会存在3个主蓄水池同时报满的情况,此情况应尽量避免。排布情况可参考图2-1。但当进水量比较大时,进水主管道排量应大于水池进水管道的排量。若遇到大排量排水需求时,二号
18、池将会来不及进水,溢出的废水将会进入三号蓄水池。图2-1 管道排布示意图3系统整体控制方案的选择3。1系统控制方案的比较(1) 按顺序依次抽水顾名思义,即按照固定顺序抽水,此抽水方案只需按照顺序抽出各个蓄水池中的水即可,但是各个蓄水池达到满水状态是随机的,若此池仍然在排队中,则会耽误抽水的时间,此系统无法面对大量的随机突发情况。(2) 按先满先抽原则抽水设置有一个蓄水池作为备用池,平时关闭。前三个蓄水池池满情况随机,达到满水状态则开阀排水,同时为了提高抽水泵的使用效率,采取了满水即开排水阀,无水则开进水阀的模式,使系统更具有灵活应变的能力。综合以上2种抽水方案,考虑到本系统的实际需求,选择按照
19、先满先抽原则抽水的方案。3.2控制器的选择3.2。1 主流控制系统(1) PLC控制系统(2) 继电器控制系统(3) 集散控制系统(4) 工业微机控制系统3.2。2 PLC与其他工业控制系统的比较(1)与继电器控制系统的比较传统的继电器控制只能进行开关量的控制,而PLC既可进行开关量控制,又可进行模拟量控制,还能与计算机联成互联网,实现分级控制.在PLC的编程语言中,梯形图是使用最广泛的语言。梯形图与继电器控制原理图十分相似,沿用了继电器控制电路的元件符号,仅个别地方有些不同。PLC与继电器控制系统相比主要有以下几点区别: 组成的器件不同。继电器控制线路是由许多硬件继电器组成的,而PLC则是由
20、许多“软继电器组成.传统的继电器控制系统本来有很强的抗干扰能力,但其用了大量的机械触点,因物理性能疲劳、尘埃的隔离型及电弧的影响,系统可靠性大大降低。2PLC采用无机械出点的逻辑运算微电子技术,复杂的控制由PLC内部运算器完成,故寿命长、可靠性高。 触点的数量不同。继电器的触点数较少,一般只有48对;而“软继电器”可供编程的触点数有无限对。 控制方法不同。继电器控制系统是通过元件之间的硬件接线来实现的,控制功能就固定在线路中。PLC控制功能是通过软件编程来实现的,只要改变程序,功能即可改变,控制非常灵活。 工作方式不同.在继电器控制线路中,当电源接通时,线路中各继电器都处于受制约状态。在PLC
21、中,各“软继电器”都处于周期性循环扫描接通中,每个“软继电器”受制约接通的时间是短暂的。(2)与集散控制系统的比较PLC由继电器逻辑控制系统发展而来,而集散控制系统由回路仪表控制系统发展而来。不论是PLC还是集散系统,在发展过程中,而这始终是相互渗透、互为补充的.因此,PLC与集散控制系统的法杖越来越接近,很多工业生产地控制过程既可以用PLC实现,也可以用集散系统实现(3)与工业微机控制系统的比较工业微机在要求快速、实时性强、模型复杂的工业控制中占有优势。但是,使用工业微机的人员技术书评要求较高,一般应具有一定得计算机专业知识。另外,工业微机在整机结构上尚不能适应恶劣的工作环境,抗干扰能力及适
22、应性差,这就是工业微机用在工业现场控制的致命弱点。工业生产现场的电磁辐射干扰、机械振动、温度及湿度的变化以及超标的粉尘,每一项足可以使工业微机不能正常工作。PLC针对工业顺序控制,在工业现场有很高的可靠性。PLC在电路布局、机械结构及软件设计各方面决定了PLC的高抗干扰能力.电路布局方面的主要模块都采用大规模与超大规模的继承电路,在输入输出系统中采用完善隔离等的通道保护功能;在电路机构上对耐热、防潮、防尘及防震等各方面都做了周密的考虑;在电路硬件方面采用了隔离、屏蔽、滤波及接地等抗干扰技术;在软件上采用了数次滤波及循环扫描、成批输入、成批输出处理技术。所有这些都使PLC具有非常高的抗干扰能力,
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