基于PLC地铁排水控制系统的设计.doc

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S7—200PLC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、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 Quanzhi
Tutor: Ren Yanshuo
Abstract
The system for the subway drainage is one of the main facilities to the disaster prevention system and the drainage system。 It's important to vent seeper in the station in order to protect the subway system from be damaged。 The system is controlled by the S7—200PLC produced by Siemens and the digital expansion module EM223 with some Intermediate relay to replace the traditional relay-contact 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 Hard—wired control circuit constituted by the traditional relay—contact ones。 When the pump driver is in error， the alarm will be touched off at the 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 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 system。 After the Simulation in the lab， our system is reliable.
Key Words： Drainage, PLC， Sequence control，Standby

目录
摘要I
AbstractII
1 绪论1
1.1 研究背景1
1。2 国内研究现状1
1.3 设计的目的及意义2
1.4问题的提出及解决方法2
2 系统工艺设计4
2.1 系统控制的主要功能4
2。2系统控制工艺的确定4
3系统整体控制方案的选择6
3.1系统控制方案的比较6
3。2控制器的选择6
3。2。1 主流控制系统6
3。2。2 PLC与其他工业控制系统的比较6
3。3 系统控制方案的确定8
4系统硬件的设计10
4。1元器件的选型10
4.1。1 PLC的选型10
4.1.2 扩展模块的选择11
4。1.3传感器的选择12
4.1。4阀门的选择12
4。1.5泵的选择14
4。1.6电机的选择15
4.1。7接触器的选择15
4。1。8过载保护装置15
4.2系统硬件部分设计17
4。2。1系统配电图17
4.2.2电机控制线路图18
4。2。3控制器外部接线20
5 系统控制程序设计21
5。1软件总流程图21
5。2 PLC控制程序的设计22
结论29
致谢30
参考文献31
附录33
1 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
① 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
② 需要设置水位显示灯，便于监控
③ 两台主抽水泵实行两班倒轮换制（即12小时轮换一次)
④ 设置手动控制方式，便于在系统的人工检测维修
⑤ 设置备用泵,备用池。以备紧急情况
⑥ 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：
① 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。[2]PLC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。
② 触点的数量不同。
继电器的触点数较少，一般只有4—8对；而“软继电器”可供编程的触点数有无限对。
③ 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。
④ 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，从而使PLC绝对不会出现死机现象.
由于PLC的品种、型号、规格、功能各不相同，综合多种因素考虑，本设计选择了德国西门子公司的一种小型可编程控制器S7—200系列可编程控制器。[3]SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7—200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价比.
3.3 系统控制方案的确定
系统控制方案如图2—2所示，各个池，抽水机组以及阀门的动作均由主控制器控制。抽水机组按照指令将蓄水池中的废水抽出并排至指定的排水沟中。每台驱动电机对控制器都有故障报警的连接.为便于对系统的监控，监控器对外不仅有声光输出，还能够与远程PC终端进行连接。
图2—2 系统控制方案图
4系统硬件的设计
4.1元器件的选型
4。1。1 PLC的选型
(1) 由表3—1可知,本系统所需的I/O接口需要37个点，其中输入13个点，输出需要24个点,选择西门子S7—200 CPU226型PLC，具有24入/16出，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点；13 KB程序和数据存储空间；6个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出,具有比例、积分、微分（PID)控制器；2个RS485通信-编程口，具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信能力；I/O端子排可很容易地整体拆卸.它是西门子S7-200系列中功能最强的单元，可完全满足一些中小型复杂控制系统的要求.
表3—1
输入点
功能
输出点
功能
I0。0
池1满水检测
Q0。0
池1排水阀门
I0。1
池1无水检测
Q0。1
池1进水阀门
I0.2
池2满水检测
Q0。2
池2排水阀门
I0.3
池2无水检测
Q0。3
池2进水阀门
I0。4
池3满水检测
Q0.4
池3排水阀门
I0.5
池3无水检测
Q0.5
池3进水阀门
I0.6
池4满水检测
Q0。6
池4排水阀门
I0.7
池4无水检测
Q0。7
池4进水阀门
I1.0
一号电机故障检测
Q1。0
一号电机
I1.1
二号电机故障检测
Q1.1
二号电机
I1。2
三号电机故障检测
Q1。2
三号电机
I1.3
停止
Q1。3
池1满水
I1.4
启动
Q1。4
池1无水
I1。5

Q1。5
池2满水
I1。6

Q1.6
池2无水
I1。7

Q1。7
池3满水
I2。0

Q2.0
池3无水

Q2。1
池4满水

Q2。2
池4无水

Q2。3
一号电机工作时间指示灯

Q2。4
二号电机工作时间指示灯

Q2。5
一号电机故障报警

Q2。6
二号电机故障报警

Q2.7
三号电机故障报警
系统I/O分配表
Table Of I/O Distribution
根据实际情况判断，需要增加扩展模块.
(2) S7-200系列的特点
① 极高的可靠性
② 极丰富的指令集;易于掌握
③ 便捷的操作
④ 丰富的内置集成功能
⑤ 实时特性
⑥ 强劲的通讯能力
⑦ 丰富的扩展模块
4.1。2 扩展模块的选择
数字量扩展模块为使用除了本机继承的数字量输入/输出点外更多的输入/输出提供了途径.用户使用该模块有下列优势：
(1) 最佳适应性用户可风别对PLC及任何扩展模块的混合体进行组态以满足应用的实际要求，同时节约不必要的投资费用。可提供8、16、32个输入/输出点的模块使用
(2) 灵活性很容易地扩展I/O点数。当应用范围扩大需要更多输入/输出点时，PLC可以增加I/O点数。
根据实际情况选用EM223型8输入8输出继电器输出数字扩展模块
4。1。3传感器的选择
采用SKYWEAL的LSYZ-6型侧装浮球开关（图3—1所示）
每个蓄水池在满水位和无水水位分别安装一个，可分别发出脉冲。
LYZ系列侧装型小尺寸单点液位开关.这种低价位的开关适合于在小容器的应用中大量使用。工程塑料的构造提供了与水、油和化学物质的广泛兼容性［4］。
(1) 开关额定值：SPST,20VA
(2) 引线规格：No。22 AWG
(3) 安装方式:水平
(4) 开关操作
(5) 工作电压：DC24V
按照安装位置的不同，这些开关上的浮子随液位的上升或下降而移动。将开关旋转180°，开关的动作可以是N。O。（常开）或N.C。（常闭).开关安装表面的箭头向上时表示N。O。(常开）
图3—1 水位开关
Figure 3-1 Water level switch
4。1。4阀门的选择
(1) 阀门的选型
产品名称: 不锈钢法兰电磁阀；产品型号： ZBSF-2;产品类别： 电磁阀；选择公称直径为：150MM
工作电压AC220V
(2) 用途
ZBSF系列全不锈钢电磁阀是工业过程自动化控制系用的执行器。它在接受电控信号后能自动开启或关闭,实现对管道中的液体介质的通断或流量调节控制.
本系列电磁阀可广泛地应用于纺织、印刷、化工、塑料、橡胶、制药、食品、建材、机械、电器、表面处理等生产和科研部门以及浴室、食堂、空调等人们日常生活设施中。ZBSF-Y系列电磁阀主要用于腐蚀性液体、超净液体和食用液体等液体介质的控制.ZBSF系列电磁阀主要用于腐蚀气体、超净气体等气体介质的控制.
(3) 结构原理　　
ZBSF不锈钢电磁阀为分步动作直接先导式电磁阀,根据断电时所处开关状态的不同，可分为常闭电磁阀和常开电磁阀。常闭电磁阀，线圈通电后衔铁在电磁力作用下先带动副阀工启，主阀在所形成的介质压差和电磁力的作用下而开启。线圈断电，衔铁部件复位，主副阀利用介质压力而紧密关关闭［5］.
常开电磁阀,线圈通电后,衔铁在磁力作用下下移，推动副阀阀塞下移，直到和副阀座压紧，副阀关闭,由于主阀阀杯上下压差趋于相等，主阀阀杯由磁力和自重压紧紧密封面,阀门关闭。线圈断电,磁力为零,衔铁和副阀阀塞由弹簧作用上升，副阀打开，主阀阀杯内介质经副阀流走，压力下降，主阀阀杯由下下压差作用向上升起，主阀打开,阀门开启。
(4) 主要特点
① 耐蚀：绝大部分零件用不锈钢或铸造不锈钢制成，防腐蚀性能良好.
② 耐热：电磁部分、密封件全部采用特种耐高温电工材料和密封材料，并采用了有效的隔热措施。
③ 耐磨：选材合理，阀杯和导向套间巧妙地利用流体的润滑作用,减少磨损。
④ 可靠:结构简单、紧凑、融合了直动式和先导间接式电磁阀的优点,在低压差或压差为零情况下也能可靠工作。
图3—2 阀门结构图
Figure 3-2 Drawing of Vavle
4。1.5泵的选择
(1) 名称及型号
WQ系列高效节能无堵塞排污泵； 40-15-30—2。2
其排水口径为40mm；流量为15m3/h;扬程30m;额定功率2。2Kw;额定转速2840r/min；工作效率为48％.
(2) 泵的主要特点
① 无堵塞
② 高效率
③ 节能显著
④ 可配置控制柜
⑤ 不须专人看管
⑥ 极大的排污能力
⑦ 安全连续运行时间长
该泵是引进国外高效节能无堵塞排污泵先进经验，结合本单位技术力量研制而成，各项性能指标均达到国家标准同类产品水平。由于采用独特的单通道叶轮、动密封采用两组特殊材料的硬质合金机械密封装置。电机用油室隔开，具有无堵塞、高效率、节能显著,是我国泵类更新换代的最新产品，深受用户欢迎和好评
应用范围:该泵最大优点能输送含有固体颗粒和含有纤维材料的污水，不堵塞、不缠绕。适用于输送工业废水和城市生活污水,还可用作疏水泵、纸浆泵、过过滤冲洗冷凝循环泵，灌溉用泵等污水处理场合也可用于抽送清水［6].
4。1。6电机的选择
与单相异步电动机相比,三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种.笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜,得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难［7］。
电机型号
Y90L—2；额定功率：2.2kw;额定转速：2840r/min；额定电流：4。7A；
效率82%；功率因数:cosφ=0。86；堵转电流：7。0A；堵转转矩:2.2；最大转矩：2。2
由于本系统仅控制电机的启停与工作状态的保持，只需让电机保持在额定功率的运行即可。故选用成本较低的鼠笼式三相异步电机.
4。1。7接触器的选择
(1) 交流接触器的特点：
交流接触器广泛用于电力传动系统中，作为频繁或分断带负荷电路的控制电器，交流接触器为电动操作,所以适合于远距离操作及自动控制系统.
交流接触器不具有过电流保护功能，因此在线路中使用需要与带有过电流保护功能的电器配合使用。如配合熔断器、动空气断路器、热继电器等。交流接触器由电磁系统、触头系统、灭弧装置及机构附件组成.电磁系统包括电磁线圈和静、动铁芯.
(2) 接触器的选型
查新简明电工手册选择CJXIF—9型交流接触器［8］
主要技术参数：
① 额定电流:9A
② 线圈控制电压:220V
③ 可控电动机的最大功率4KW
④ 操作频率1000次/时
⑤ 机械寿命150000次
4。1.8过载保护装置
(1) 继电器保护
继电器是一种基本的电气设备,它用来打开或关闭一定数量互相独立的电路。这种操作是利用由电压控制的线圈绕组所产生的电磁场来实现的。
继电器的种类繁多,各种强电弱电，低压高压的电气控制和保护都离不开继电器，随着科技的发展,出现了很多新型继电器。都是一般生产领域的继电器变化没有那么快，传统的继电器控制操作还是必不可少的。继电器作为一个控制电器来讲，它有两个主要部分:一个是控制系统(又叫输入回路)；另一个是被控制系统（又叫输出回路）.继电器之所以能起自动控制作用，是因为当它的控制系统中输入的某信号（输入量)，如电、磁、光、热等物理量，达到某一定值时,能使输出回路的被控制量（输出量)跳跃式的由零变化到一定值（或由一定位突跳到零）。我们把这种能自动使被控制量发生跳跃变化的控制元件称为继电器。
(2) 继电器保护装置的选择
型号：MiCOM P24
同步、异步电动机保护
A. 主要特点：
① 数字光耦,电压可整定
② 开入、开出和LED功能自定义
③ 图形化可编程逻辑
④ TA额定值1/5A自适应
⑤ 带事件记录、故障记录及故障录
B. 功能配置
电动机差动保护；短路保护；接地故障保护;灵敏接地故障保护;热过负荷保护；负序过流保护；逆功率保护；低电压保护；过电压保护；零序电压保护；频率保护;电动机堵转保护；失步保护；启动次数限制；RTD输入、mA量输入输出［9］。
C. 主要技术参数
① 工作电压： 110—250V
② 交流电流额定值：5A
③ 交流电压额定值:100—120V
④ 频率额定值： 50Hz， 60Hz
⑤ 定值精度： 2％
⑥ 电流过载能力：4In连续;100In,1s
⑦ 电压过载能力：2Un连续；2。6Un，10s
⑧ 通信规约： Mod bus ， Courier， IEC 103
(3) 中间继电器的选择
选择JZ7—62中间继电器
适用于交流50Hz或60Hz，交流电压至380V，直流电压至220V的控制电路中，用来控制各种电磁线圈，以使信号放大或将信号同时传递给有关控制元件.继电器符合GB14048.5-1993、IEC60947—5—1修正件No.1(1999)。
A. 正常工作条件及安装条件
① 海拔不超过2000M
② 周围空气温度上限值不超过40℃，下限值不低于—5℃。
③ 空气的相对湿度不大于85％
④ 与垂直面的倾斜度不超过5°
⑤ 无显著摇动和冲击振动地方
⑥ 在无爆炸危险的介质中，且介质中无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体和尘埃（包括导电尘埃）
B. 结构特征
① 继电器的结构为开启型、空气电磁式，动作结构为直动式,产品躯壳用热固体性塑料制成,整个结构紧凑，使用方便。
② 继电器的触头系统为双断点桥式结构,分上、下两层排列，每层各装四对触点.
③ 为减轻继电器在闭合过程中的铁芯撞击和触头振动，铁芯采用弹性固定，有利于使用寿命的延长。继电器的接线端采用瓦型垫圈，接线方便可靠。
C. 技术参数
型号 JZ7—62；额定电压交流380V; 直流220V; 消耗功率启动75V＊A； 吸持13V*A; 操作频率1200次/H；外形尺寸/mm 60X52X90 54X30/2-5.
4.2系统硬件部分设计
4。2。1系统配电图
如图4—3所示为系统主回路配电图，各个抽水泵都有独立电源，相互不会干涉.PLC电源需要使用380V/220V变压器。
图4—3 系统配电图
Figure 4—3 System main circuit
4。2。2电机控制线路图
如图3—4所示为每台电机独立的配电线路，KM5,KM6，KM7分别为控制电机启停的中间继电器。同时由于1,2号电机实行24小时轮班制，所以KM5与KM6之间设计了互锁（图4—5)以确保两台电机不会在同一时间启动以延长电机使用寿命。
图4-4 电机控制线路图（1)
Figure4—4 Motor control circuit(1)
图4—5 电机控制线路图(2）
Figure 4—5 Motor control circuit（2）
4。2.3控制器外部接线
如图4—6所示为本系统所采用的西门子S7—200 CPU226及其扩展模块EM233的外部接线图。
图4-6 PLC外部接线图
Figure 4-6 PLC Outside connection
图4—7 阀门控制接线图
如图4-7所示，每一个蓄水池所在阀门均由PLC独立控制.
5 系统控制程序设计
5。1软件总流程图
图5-1 软件总流程图
如图5—1所示为系统软件总流程图。当系统上电后，立刻进入自检状态，在电机机组没有故障的情况下系统可以正常启动,若出现任何故障，立刻出发报警子程序，由工作人员调试后再启动。若系统在启动时出现误报警情况，可使用系统启动按钮人工取消,若在取消后继续报警则需要进行检查维修。按下系统启动按钮之后,对系统的阀门，工作机组进行初始化后各个子程序启动开始进入正常工作状态，2台主电机实行两班制不间断工作以保证时刻都能抽水。若在抽水过程中发生故障则立刻出发报警子系统.
5。2 PLC控制程序的设计
(1) 主程序:
图5-2 主程序
主程序(图5—2）为本系统控制的根本,系统上电后自动定义填表的长度,由于系统在闲时不启动电机，此时当有蓄水池进行填表动作时,电机才会有启动的条件.
系统上电的同时进行电机机组的自检，若出现短路情况系统自动启动报警子程序。当系统通过自检以后开始运行各子程序，系统正常工作。当操作人员按下停止按钮后系统自动执行停止子程序。
(2) 子程序1:满水填表子程序
图5—3 满水填表子程序
如图5-3所示为满水检测部分子程序。当任意蓄水池水位开关报满水信号时，此池的满水信号灯亮，无水信号灯灭,同时进行填表动作,为后续子程序做准备.子程序2：阀门控制子程序
图5—4 阀门控制子程序
如图5—4所示为各池所在阀门控制子程序.当系统启动时，一号、二号、三号池进水阀门打开，排水阀门关闭。四号池进水排水阀门关闭.系统持续读表，任意蓄水池达到满水状态时即关闭该水池进水阀门,打开该水池排水阀门，同时启动该工作时段电机（电机子程序中详述)。当一、二、三号池都报告为满水状态时,打开四号池进水阀门，满水后打开排水阀门如其他池阀门一样进行开关闭合。当四号池排尽同时1、2、3号池无同时报满水情况时，四号池排水阀门,进水阀门都关闭进入待命状态。
(3) 子程序3:抽水泵机组控制
图5-5 抽水泵机组控制
系统启动后，水泵机组控制子程序(如图5—5所示）同时启动。所有驱动电机处于关闭状态，一旦有任意池（4号池为备用池，不会有报满情况)报告满水且打开排水阀门，即启动当班主抽水泵（主抽水泵班次由计时控制子程序负责)，当排水量需求较大即有3个池报告为满水状态时，除打开备用池进水口外,启动备用机组以加大抽水量。当报满池水低于三个且备用池处于无水状态时,备用机组关闭，进入下一个循环阶段.
(4) 子程序4:计时控制子程序
图5—6 计时控制子程序
当系统正常启动以后，同时触发计时子程序（如图5—6所示），系统启动时，使一号机组处于工作时间，二号机组不会在此时间段内启动。12小时后切换二号机组工作时间，一号机组不会在此时间段内启动.如此循环至系统关闭为止。
子程序5：报警控制子程序
图5-7 报警控制子程序
如图5-7所示为系统报警子程序。任意电机发出报警时，关闭所有蓄水池的阀门,并且同时启动报警计时器，向控制室发出声光报警，按下系统启动按钮可取消报警，若不采取任何措施，在计时3分钟后系统强制断电以防机组烧坏。子程序6：系统停止子程序
图5—8 系统停止子程序
如图5—8所示为系统的关机子程序。按下停机按钮时系统停止子程序启动,所有蓄水池进水阀门强制关闭，排水阀门打开并计时5分钟，同时一号机组和备用机组强制启动，当所有池报告为无水或5分钟（5分钟足够4个满水池抽为无水状态）或者时间到，系统关闭。
结论
本课题采用西门子S7—200PLC作为控制器,有效地对排水池阀门的开关进行了逻辑控制，对各电机的启停进行时序控制，以及备用系统的控制，报警系统的控制等。对地铁系统的安全能够起到有效的保障.由于条件限制,本系统暂处于实验室调试阶段，水位开关,系统开关等脉冲信号均由按钮代替。2台电机的轮换时间将原本的12小时计时缩短来验证程序。在调试过程中发现本课题的较大难点为各个排水池满水或无水的状态具有随机性，很难在短时间内将所有情况模拟出来。所以仍然可能存在一些意外情况。
本系统主要具备以下优点：
(1) 系统运行安全可靠
(2) 系统自动化程度高,使用寿命长
(3) 操作简单,具有报警程序，当发生人为错误时可手动取消报警
(4) 经过实验室模拟调试,本系统可以胜任地铁排水系统的工艺
对课题的展望：
(1) 由于各个蓄水池的满水与否存在很大的随机性，本课题的设计程序中阀门打开条件均为经验数据,也许会存在一些漏洞，望能够在实践中得到完善。
(2) 虽然系统能够达到应有的工艺要求,但是为了能够从远程利用MCGS组态软件更加生动得显示出各池水位状态，仍希望能够探测以及显示出任意的水位。
由于时间的关系，系统中还有很多没有解决的问题，希望在以后的学习、工作过程中,能够不断的深入