摘要在城市某地铁站深井需要进行排水处理按照工程设计要求具有两个深水井分别为一号深水井和二号深水井。每个深水井安装两台水泵进行排水控制处理排水泵采用软启动器进行启停控制。每个深水井安装四个水位开关对深水井的不同水位进行检测分为低水位、中下水位、中上水位、报警高水位。对于不同的水位对水泵的控制要求不同依据水位的高低实现水泵的自动启停控制。对于深水井自动排水的控制本设计采用PLC作为控制单元进行硬件设计和软件程序设计。深水井自动排水控制系统设计的要求为按照深水井的水位高低对泵站进行自动控制系统设计过程中着重考虑系统的可靠稳定性和可行性所以系统采用S7-200smart可编程控制器来实现开发设计对深水井自动排水控制系统的接触器、软启动器以及指示灯等设备进行控制满足设计要求。系统在设计过程中采用了条件判断控制设计思路对深水井自动排水进行程序逻辑设计采用HMI上位机实现对系统可视化控制开发满足系统的要求。本设计主要包含了对深水井自动排水控制的总体方案设计、元器件选型设计、图纸设计和I/O设计并通过梯形图和上位机开发设计完成系统的软件功能设计和调试。系统通过联机验证实现了深水井自动排水控制的要求满足了系统对可靠性和稳定性的要求可行性高。关键词 深水井泵站水位控制PLC设计软启动器AbstractIn a certain subway station in the city, drainage treatment is required. According to the engineering design requirements, this subway station has two sump wells, namely Sump Well No. 1 and Sump Well No. 2. Each sump well is equipped with two water pumps for drainage control, and the drainage pumps are controlled to start and stop by soft starters. Each sump well is equipped with four water level switches to detect different water levels in the sump well, which are divided into low water level, middle-low water level, middle-high water level, and alarm high water level. For different water levels, the control requirements for the water pumps are different. According to the height of the water level, the automatic start and stop control of the water pumps is realized.For the energy-saving control of the pumping station, this design uses a Programmable Logic Controller (PLC) as the control unit to carry out hardware design and software program design. The requirement of the energy-saving control system design of the pumping station is to automatically control the pumping station according to the water level of the sump well. During the system design process, the reliability, stability and feasibility of the system are emphasized. Therefore, the S7-200smart programmable logic controller is used to realize the development and design, and the contactors, soft starters, indicator lights and other equipment of the energy-saving control system of the pumping station are controlled to meet the design requirements.During the design process of the system, the design idea of conditional judgment control is adopted, and the program logic design for the energy-saving of the pumping station is carried out. The Human-Machine Interface (HMI) upper computer is used to realize the visual control development of the system to meet the requirements of the system. This design mainly includes the overall scheme design, component selection design, drawing design and I/O design for the energy-saving control of the pumping station, and through the development and design of the ladder diagram and the upper computer, the software function design and debugging of the system are completed. Through the on-line verification of the system, the requirements of the energy-saving control of the pumping station are realized, the requirements of the system for reliability and stability are met, and the feasibility is high.Keywords Sump Well Pumping Station; Water Level Control; PLC Design; Soft Starter目录摘要 IAbstract II1 绪论 11.1 课题设计的目的及意义 11.2 国内外研究现状 11.3 课题设计思路 22 深水井自动排水系统的总体设计 32.1 系统的控制要求 32.2 系统的控制策略 42.3 系统的设计方案 53 深水井自动排水系统的硬件设计 63.1 PLC的选型 63.2 水泵的选型 83.3 软启动器的选型 93.4 液位传感器的选型 103.5 断路器的选型 103.6 电力电缆的选型 113.7 系统的I/O分配设计 123.8 系统的主电路设计 133.9 系统的PLC电路设计 143.10 液位开关电路设计 154 深水井自动排水系统的软件设计 174.1 编程软件的应用 174.2 系统的功能流程设计 184.3 系统的程序设计 184.3.1 一号深水井的手动控制程序 184.3.2 一号深水井的自动控制程序 194.3.3 二号深水井的手动控制程序 204.3.4 二号深水井的自动控制程序 215 深水井自动排水系统的MCGS设计 225.1 触摸屏设计思路 225.2 PLC与MCGSE的通讯建立 225.3 通讯变量的建立 225.4 MCGSE画面的设计 235.5 MCGSE动画的设计 245.6 系统的仿真调试 25结论 28致谢 29参考文献 301 绪 论1.1 课题设计的目的及意义在城市的地铁站都有大型排水系统将来自不同方向的排水沟汇聚在一起渗入深水井中通过排水泵将深水井中水排出去。本设计的泵站设计主要针对一号深水井和二号深水井进行液位检测和水泵控制。对于一号深水井的设计分为一号工作泵和一号备用泵。二号深水井的设计分为二号工作泵和二号备用泵。对深水井的液位检测每台深水井安装四个液位传感器检测不同的深水井液位分别为低液位、中下液位、中上液位。报警高液位。按照不同的液位检测结果实现对工作泵和备用泵的自动控制。系统设计针对液位检测结果自动控制水泵工作和停止系统采用PLC作为控制单元进行系统的自动控制设计。PLC由于高可靠性和高稳定性以及很好的抗干扰性能被大量应用在工业环境中解决自动化方案保证系统稳定可靠的运行。对于深水井自动排水采用PLC控制目的在于可以增加深水井自动排水控制系统的自动化程度提高了深水井自动排水控制过程中的可靠性能在后期的系统升级过程中由于PLC的强大可编程性能可以实现系统短周期内升级。系统使用PLC控制研究的意义在于将深水井自动排水控制过程中相关变量采用梯形图的方式编译使用HMI实现可视化管理更好地完成深水井自动排水控制的良好效果。在深水井自动排水控制系统的设计过程中系统分为方案设计阶段、硬件搭建和选型阶段、图纸设计和接线阶段、梯形图设计开发阶段、系统调试和通讯阶段以及相关功能的验证等。在深水井自动排水控制设计过程中对PLC的开发设计流程进行学习提高系统设计的基本技能和编程能力对相关知识进行学习和应用对图纸设计和程序设计规范化。1.2 国内外研究现状国内对城市地铁站泵站控制系统的研究随着城市轨道交通的快速发展不断深入。在系统架构方面多采用分布式计算机监控系统。操作人员通过控制和通讯网络管理生产过程实现生产现场无人值守 。监控系统通常进行冗余化设计各分控站具备独立工作能力提高了系统安全性和可靠性 。​在控制方式上PLC凭借其稳定性和性价比优势被广泛应用。通过对深水井水位等参数的实时监测依据水位高低自动控制水泵的启停 。同时部分研究开始探索智能化技术应用如利用传感器实时采集泵站运行的流量、压力、温度、电机转速等参数基于机器学习等智能算法构建运行优化模型以提升泵站工作效能与稳定性 。​​在节能控制方面针对地铁车站空调系统的一次泵变流量系统研究表明该系统在地铁中有明显经济性但节能效果依赖于冷水机组性能特性和控制系统需采用合适的控制方案 。同时在深水井自动排水控制中通过 PLC 控制接触器、软启动器等设备根据深水井水位自动控制泵站运行实现节能目的 。美国在大型调水工程泵站管理方面成绩显著。以加州调水工程为例1964 - 1974 年安装的控制系统涵盖计算机、通信和电子设备可对 17 座泵站、71 座节制闸的 198 个闸门及其他设备进行计算机通信、监控、检测和调度。除中央控制室还设置 5 个区域分控制中心整个控制系统投资 1350 万美元 。这种集中统一调度模式大大提升了系统运行效率和可靠性。中央亚利桑那工程的集中控制系统配备高级计算机及相关软件通过遥控终端单元对泵站、控制建筑物和分水口等进行控制实现区域内水资源统一管理 。1.3 课题设计思路对于深水井自动排水控制系统设计思路主要包括了控制方案开发设计、电器元件和相关电气设备选型、PLC接线图和主电路接线图等设计、系统的输入输出点分配设计、系统的功能流程图设计、梯形图设计和HMI开发设计最后通过系统的仿真调试对各种功能进行验证并通过功能验证修改完善系统的控制功能达到设计要求。1对于深水井自动排水控制系统的总体设计方案在第二章完成首先对系统的功能要求进行设计对相关动作和控制原理进行规划明确系统的输入部分和输出部分选择系统的控制方案绘制系统总体设计方案图。2对于深水井自动排水控制系统的PLC选型和电气设备选型在第三章完成按照深水井自动排水控制系统功能要求选择传感器、执行单元设备等对PLC的输入点和输出点进行统计按照系统要求绘制PLC接线图和主电路接线图完成电路图说明。3对深水井自动排水控制系统的软件程序设计在第四章完成首先设计深水井自动排水控制的功能流程图包括手自动两方面进行设计在梯形图设计中也要按照不同的功能对梯形图进行说明。4对深水井自动排水控制系统的上位机开发设计在第五章完成与PLC之间进行通讯实现深水井自动排水控制系统的HMI设计通过数据库建立、系统画面编译设计和动画设计等选项完成系统的HMI开发设计。通过联机通讯对系统进行功能调试。2 深水井自动排水系统的总体设计2.1 系统的控制要求对于城市地铁站的泵站控制主要控制对象为一号深水井和二号深水井通过排水泵进行排水达到泵站设计控制功能。每台深水井使用两台水泵来实现控制对于第一台深水井设计两台水泵分别为一用一备功率为18.5千瓦。对于第二台深水井设计两台水泵分别为一用一备功率设置为30千瓦。对于每台深水井安装水位开关。分别实现深水井的低液位检测、中低液位检测、中高液位检测以及高液位报警检测等。对于系统设计示意图如图2-1所示。图2-1 城市排水泵站工作示意图按照以上的系统设计工作可知每台深水井安装两台水泵进行工作分别为工作泵和备用泵。每个深水井使用液位开关检测当前的液位具体的控制要求如下1当检测到某个深水井的液位在低液位位置时所有水泵将停止运行。当检测到液位在中下液位位置时将启动工作泵。当检测到液位在中上液位时将启动备用泵。当检测到液位在高液位位置时将立即进行水位报警输出。对于一号深水井和二号深水井的控制相同。2对于一号深水井的水泵扬程设计为55米每台水泵的排量每小时排水量设计为80立方米每小时。对于二号水晶的水泵扬程设计为55米二号深水井每台水泵的排量达到210立方米每小时。按照该设计要求对一号深水井的水泵容量选择为18.5千瓦对二号给水泵的容量选择为30千瓦。3对于系统的设计分为手动控制和自动控制两部分设计要求。当为手动控制设计时将通过外部的手动按钮实现每台水泵的启动和停止。当自动控制时通过检测液位开关的位置自动打开和关闭水泵。4对系统进行故障报警功能、高水位报警功能等设计。2.2 系统的控制策略针对本设计的方案要求提高深水井自动排水控制系统的可编程性能提高系统的自动化程度能够在较短时间内完成程序的修改和系统的升级满足各种各样的功能要求。对深水井自动排水控制系统在应用过程中的稳定性和可靠性是本设计的重点考虑内容。继电器-接触器方案的缺点在于灵活性比较差在系统响应这方面比较慢不太适合在控制精度较高的场合使用。对于深水井自动排水控制系统设计要求在后期能够实现可编程性能并继电器-接触器方案不太适合深水井自动排水控制系统的方案要求。单片机在使用过程中也面临诸多缺点首先资源有限系统开发难度比较大单片机的内部处理数据能力以及外部接口等比较有限对于比较大型的控制系统来说单片机显得无能为力往往需要叠加好几个单片机同时处理数据。结合深水井自动排水控制系统一定要求认为单片机开发深水井自动排水控制系统不能完全满足系统的控制要求后期开发周期较长容易出现可靠性差抗干扰性能差的问题。PLC在设计方面具有很高的灵活性可以通过编程软件的应用实现不同工艺要求的程序能够方便修改程序可以实现对相关变量参数的实时监控和强制赋值。在PLC维护方面具有很好的自我诊断功能可以通过诊断提示帮助工程师快速找到故障点。对于深水井自动排水控制设计采用PLC作为控制器实现硬件设计和软件编程设计是比较理想的控制方案完全可以满足深水井自动排水控制系统的应用。按照以上的方案比较系统选择PLC作为控制单元进行设计。对于系统的具体设计策略如下1系统采用液位开关作为检测单元每个深水井四个液位开关分别检测低液位、中低液位、中高液位和高液位。采用PLC作为系统控制单元检测外部的按钮开关信号和液位开关信号等。2对于水泵的控制采用软启动器作为水泵的控制驱动单元软启动器具有节能效果并且在启动过程中不对电网造成冲击。软启动器有运行端子信号和故障反馈信号。运行端子由PLC的输出信号来进行控制。故障反馈信号进入PLC的输入端子。3对于报警部分主要实现报警功能包括高液位报警故障报警等。2.3 系统的设计方案对于系统的设计采用PLC作为系统控制单元使用软启动器作为水泵的驱动单元。系统设计对外部的液位信号进行采集通过液位信号实现水泵的自动控制。每个深水井具有两台水泵分别为工作泵和备用泵。系统设计分为手动控制和自动控制两种方式来设计。对于一号深水井采用两台18.5千瓦电机来实现控制。对于二号深水井采用两台30千瓦电机来实现控制。对于系统的具体设计方案如图2-2所示。图2-2系统控制方案图对于系统的深水井分为渗透井和检修井。系统设计渗透井的DI输入号包括了渗透井的手自动启停信号、渗透井的自动启停信号、工作泵手动启停信号和备用泵手动启停信号并且对渗透井的四个液位开关信号输入进行设计。对于渗透井的输出信号包括了渗透井工作泵运行、渗透井备用泵运行、故障指示、运行指示、高液位指示和自动指示灯等。系统设计检修井的DI输入号包括了检修井的手自动启停信号、检修井的自动启停信号、工作泵手动启停信号和备用泵手动启停信号并且对检修井的四个液位开关信号输入进行设计。对于检修井的输出信号包括了检修井工作泵运行、检修井备用泵运行、故障指示、运行指示、高液位指示和自动指示灯等。3 深水井自动排水系统的硬件设计3.1 PLC的选型PLC在发展过程中经历了现代电子工业技术的发展和变化随着电子技术的发展PLC也得到了充足的发展。目前PLC具有模块化功能可以按照系统的不同需求定制不同要求的模块来最大程度满足系统的使用要求。对于目前PLC的特点主要有以下四个方面去说明。1PLC的可靠性高PLC在开发设计时就比较注重可靠性设计在硬件方面采取了一系列可靠性措施比如PLC的I/O接口电路采用了光电隔离技术有效地将外部电路和PLC内部电路相互隔离防止外部电路存在短路、干扰等不良现象进入PLC内部对PLC电路板造成损害。对于PLC的电源设计都采用了稳压电路设计和滤波电路设计特别是对电源中的高频干扰具有很好的抑制作用。当电源电压在处于波动状态下由于稳压作用PLC仍然可以稳定可靠的运行。对于CPU等关键部位的元器件PLC制造厂商采用了冗余设计并且采用高质量的电器元件所以PLC一般不会因为自身质量问题损坏。在软件开发设计方面PLC有自我完善的诊断功能PLC内部系统程序对PLC进行硬件和软件方面的实时监测和诊断可以查看CPU的运行情况、内存器的读写情况以及I/O设备的通信情况等如果诊断出现异常将立即进行报警显示并且采取了相应的保护措施。PLC具有很好的抗干扰性能在工作扫描过程中采用循环扫描的方式能够保证系统数据完整无误。2PLC的灵活性好PLC可以支持多种语言的编程常用的编程语言包括了梯形图、指令表以及功能块图等特别是梯形图语言的设计与以往继电器线路控制图比较相似在程序编写过程中易于理解不容易出错。所以电气工程师首选梯形图进行程序编写。对于指令表语言在程序执行效率要求较高的场合一般通过指令表编写能够节省PLC的扫描时间。PLC的硬件扩展性能比较强大PLC在硬件设计时将I/O模块、通信模块、特殊功能模块等进行了划分用户根据现场工厂项目的要求按照一定规则进行PLC的排列。对于软件功能方面有许多经典的命令比如定时器、计数器、数据比较、数据类型转换、逻辑控制处理等等完全可以满足PLC日常编写程序的要求。3PLC的控制功能好PLC的控制功能丰富常用的控制功能包括了逻辑控制功能、定时计数控制功能、数据处理比较和运算功能、PID功能以及精确位置控制功能等也有许多比较先进的通讯功能。编程软件一般安装在符合相应配置的电脑中通过电脑和PLC之间的通信连接就可以实现对PLC的编程和下载并进行PLC的程序监视变量检测以及方便查找故障原因等。PLC在使用过程中可以按照用户不同的功能要求使用命令语言来编写PLC的功能。在PLC调试方面可以实现模拟调试和现场生产调试通过编程软件的仿真器运行来模拟程序运行情况通过在线观察能够判断系统运行是否正确。4PLC的通信功能强大PLC往往根据要求配有RS-232和RS-232以及以太网通信等。通信接口一般内涵在PLC中对于中大型PLC可以单独设计通信模块实现与外部设备的通信。对于通信接口的通讯速率、地址以及相关参数设置都在编程软件中实现然后下载到PLC中对该接口进行设置。Modbus 协议是一种广泛应用于工业自动化领域的通信协议PLC 可以通过该协议与其他支持 Modbus 的设备如软启动器、温控器等进行数据交换。Profibus 协议主要用于高速的现场总线通信能够实现 PLC 与分布式 I/O 设备、驱动器等之间的高速数据传输。Ethernet/IP 协议则结合了以太网的优势和工业控制的特点允许 PLC 在工业以太网环境中与其他设备进行高效的通信实现车间级甚至企业级的自动化系统集成。本设计主要选择西门子S7-200SMART可编程控制器作为深水井自动排水控制系统的控制单元该品牌可编程控制器具有丰富的CPU模块可以提供最多达60个I/O点数的I/O模块。本设计根据工艺要求可以灵活选择模块。该PLC的信号板设计比较新颖不需要占用很多空间就可以实现通讯端口扩展或者数字量/模拟量模块的扩展可以降低成本提高利用率。该PLC系统使用的编程软件为STEP7-Micro/WIN SMART V2.5该软件比较好学习掌握能够实现编程和监控调试。对于S7-200SMART可编程控制器具体型号包括如下表3-1所示。表3-1 S7-200SMART PLC型号比较表型号SR30SR40ST40SR60电源类型AC/DC/DCAC/DC/DCDC/DC/DCAC/DC/DCI/O点数I18/O12I24/O16I24/O16I36/O24存储容量30KB40KB40KB60KB高速接口4路30kHZ4路30kHZ6路30kHZ6路30kHZ脉冲输出2路20kHZ2路20kHZ2路20kHZ2路20kHZ通信接口以太网以太网以太网以太网对于S7-200SMART PLC的不同CPU型号结合深水井自动排水控制系统的要求I/O点数本设计选择SR60可编程控制器作为控制单元该型号PLC采用以太网接口内存60KB采用普通网线就可以实现程序的下载可以满足深水井自动排水设计的要求。具体如图3-1所示。图3-1 S7-200 SMART可编程控制器3.2 水泵的选型在地铁深水井现场往往需要通过水泵实现流体的输送所以水泵的应用比较广泛属于常见的设备。水泵的种类比较多常见的有离心泵、轴流泵和旋涡泵等。离心泵是最常见的水泵结构。该离心泵主要依靠泵体内的叶轮高速旋转带动叶片波动液体获得离心力从而实现液体输送的过程。离心泵在使用过程中往往需要将管道灌满水此时启动水泵电机叶轮快速旋转的过程中在水泵的入口位置会形成真空区域此时流体利用该真空区域吸入到水泵内在离心力的作用下从出口处流出。对于离心水泵的选型一般需要对该水泵的流量、扬程、功率等参数进行计算。本设计以深水井的水泵计算为例进行说明每小时的最大需水量为80m³/h需要的扬程按照建筑物的高度计算最大几何扬程为50m。因此根据该选型要求计算水泵功率的公式为(式3-1)在以上公式中为水泵功率WQ为流量m³/hH为扬程m 为液体密度kg/m³水的密度为1000kg/m³g为重力加速度9.81m/s²为泵的效率一般取值为0.7。按照以上公式的计算计算结果如下。按照以上公式的计算所需要水泵的功率为15570W即15.570kW。根据电动机的选型可知该水泵的功率可选择为18.5kW电动机。查询相关水泵资料本设计选择自吸式离心水泵该水泵型号如下表3-2所示表3-2 水泵的具体参数型号自吸式离心水泵电机型号Y180M-4 18.5kW流量80m3/H扬程50m效率70%转速2900r/min功率18.5KW3.3 软启动器的选型按照深水井自动排水控制系统的要求需要采用软启动器对电动机进行控制。软启动器的使用范围比较广可以满足不同工厂应用下的使用需求。软启动器的控制精度比较高可以精确地进行电动机的输出电压控制能够对电动机的转矩进行调节控制。对于软启动器的应用需要对软启动器的基本原理要有所了解并学习软启动器的基本参数设置和调试。对于深水井自动排水控制系统设计的软启动器应用首先要对软启动器进行设置设置参数包括了基本的电机参数、控制方式选择、以及加减速时间等参数。一般情况下软启动器需要设置电机参数对电动机铭牌的额定电压和电流设置额定频率、额定功率以及额定转速等参数进行记录和设置。对于控制方式选择一般包括面板控制、外部端子控制以及通讯控制等深水井自动排水控制系统设计软启动器选择的控制方式为外部端子控制。对于深水井自动排水控制系统设计对于软启动器的加减速时间本设计采用S曲线加减速加速时间设置为20秒减速时间设置为20秒S曲线设置为2秒。可以满足平稳启动和运行。本设计选择追日电气生产的MSCC-B型号的软启动器该软启动器是一种集软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装备。如图3-2所示。图3-2软启动器在软启动器调试过程中分为空载调试和带载调试。空载调试可以检查电机的转速是否正确方向是否正确检查电机和软启动器是否有噪音和震动之类的异常。如果有异常问题可以通过参数优化来解决。当空载调试没有问题后在进行带载调试观察电动机的电压、电流以及功率是否正常检查负载是否稳定等。3.4 液位传感器的选型