基于plc的消防给水泵控制系统设计

基于plc的消防给水泵控制系统设计内容摘要：

包括以下几个方面： 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 3 分析给水系统特性和原理，分析和论证变频调速方式在消防给水系统中的节能原理和效果。 通过对比异步电动机的 调速方法后 ,给水系统中采用的变频调速节能效果显著。 最后列举消防给水系统的主要特点。 本文就最简的给水泵组控制系统的设计做了详细的叙述，包括硬件电路设计，控制软件的总体方案及程序结构设计，以及相关的控制程序实际。 阐述设备的调试及变频器参数设定。 最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 4 2 可编程序控制器（ PLC）的概 述 PLC的定义 1987 年 2月，国际电工委员会（ IEC）对可编程序控制器的定义是：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的。 它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向消防的指令，并通过数字式或模拟式输入 /输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体、易于扩充功能的原则设计。 PLC的特点 （ 1）抗干扰能力强，可靠性好 PLC 在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路。 I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对 耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。 （ 2）控制系统结构简单，通用性强 PLC 及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。 （ 3）编程方便，易于使用 PLC 是面向 消防 的设备， PLC 的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯， PLC 程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。 梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言现象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺的知识的人员都可在短时间内学会。 （ 4）功能完善 PLC 的输出 /输入功 能完善，性能可靠，能够适应与任何形式和性质的开关量和模拟量的输入 /输出。 在 PLC 内部具有许多控制功能，诸基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 5 如时序、计算机、主控继电器以及移位寄存器、中间寄存器等。 由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、锁存、比较、跳转、和强制I/O 等诸多功能，不仅具有逻辑功能、算术运算、数制转换、以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印、及报表生成等功能。 （ 5）设计、施工、调试的周期短 用继电接触器控制完成一项控制工程，必须首先按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试， 以后修改起来十分不便。 而采用 PLC 控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在 PLC 到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工可同时进行。 （ 6）体积小，维护操作方便 PLC 体积小，质量轻，便于安装。 PLC 的输入 /输出系统能够直观的反映现场总线信号的变化状态，还能通过各种方式直观的反映控制系统的运行状态。 （ 7）易于实现网络化 PLC 可连成功能很强的网络系统。 （ 8）可实现三电一体化 PLC 将电控（逻辑控制）、电仪（过程控 制）和电结（运动控制）这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。 PLC的一般组成和基本工作原理 PLC的一般组成 目前 PLC 种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。 一般地 PLC 主要 由 中央处理单元 （ CPU） 、存储器 （ RAM 和 ROM） 、输入输出接口 （ I/O） 电路、电源 及其他可选组件构成。 前三大部分是 PLC基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 6 完成各种控制任务所必需的，一般称为 PLC的基本组成部分，其它可选组件包括编程器、外存储器、 I/O 模块及通信接口等。 PLC的基本工作原理 当 PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、消防程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间， PLC 的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 如下图 所示 图 PLC的应用设计步骤 PLC 控制系统是以程序形式来体现其控制功能的，大量的工作时间将用在软件设计，即程序设计上。 PLC 程序设计可遵循以下六步进行： （ 1）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。 （ 2）分配输入输出设备 即确定哪些外围设备是送信号到 PLC，哪些外围设备是接受来自 PLC 信号的。 并将 PLC 的输入输出口与之进行分配。 （ 3）设计 PLC 程序画出梯形图。 梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能 及其相互关系。 （ 4）实现用计算机对 PLC 的梯形图的直接编程。 （ 5）对程序进行调试（模拟和现场）。 （ 6）保存已完成的程序。 显然，在建立一个 PLC 控制系统时，必须首先把系统需要的输入，输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。 确定控制上的相互关系之后，即可进行编程的第二步 分配输入输出设备。 在分配了 PLC 的输入输出点，内部辅助基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 7 继电器，定时器，计数器之后，就可以设计 PLC 程序画出梯形图。 在画梯形图时要注意每个从左边开始的逻辑行必 须终止于一个继电器线圈或定时器，计数器，与实际的电路图不一样。 梯形图画好后便用编程软件直接把梯形图输入计算机并下装到 PLC 进行模拟调试，修改直至符合控制要求，这便是程序设计的整个过程。 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 8 3 消防给水系统的特性及原理 给水系统基本特性 给水系统的参数表明了给水的性能。 但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。 这种联系和变化规律可用给水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管阻特性曲线。 见图。 水系统的基本特性和工作点扬程 特性是以给水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线 f（ Q）。 由图 可以看出，流量 Q越大，扬程 H越小。 由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于消防的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程 H 与用水流量 Qv 之间的关系。 而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程 H与流量 Q 之间的关系 H=f(Qv)。 管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。 由图可 知，在同一阀门开度下，扬程 H越大，流量 Q 也越大。 由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，给水系统向消防的给水能力。 因此，管阻特性所反映的是扬程与给水流量 Qg之间的关系 H=f(Qg)。 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为给水系统的工作点，如图 中 A 点。 在这一点，消防的用水流量 Qv 和给水系统的给水流量 Qg处于平衡状态，给水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 图 给水系统的基本特性 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 9 给水系统实现方式 实现对给水系统的控制就是为了满足消防对流量的需求。 所以，流量是给水系统的基本控制对象。 而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。 考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与给水能力 (由流量 Qg 表示 )和用水需求 (由用水流量 Qg 表示 )之间的平衡情况有关。 若：给水能力 Qg? 用水需求 Qv，则压力 P上升。 若：给水能力 Qg? 用水需求 Qv，则压力 P下降。 若：给水能力 Qg? 用水需求 Qv，则压力 P不变。 由此可见，流 体压力 P的变化反映了给水能力 Qg 与用水需求 Qv之间的矛盾。 从而，选择压力控制来调节管道流量大小。 这说明，通过恒压给水就能保证给水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了消防所需的用水流量。 将来消防需求发生变化时，需要对给水系统做出调节，以适应流量的变化。 这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。 常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。 阀门控制法 转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。 实质是水泵本身的给水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应消防对流量的需求。 这 时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。 转速控制法 阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。 实质是通过改变水泵的给水能力来适应消防对流量的需求。 当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。 异步电动机调速的方法及其原理 通过转速控制法实现恒压给水，需要调节水泵的转速。 水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是异步电动机转速的调节 [9][10]。 异步电机的转差率定义为： 基于 PLC 的消防给水泵控制系统设计 10 %10011 ??? n nns （ ） 异步电机的同步速度为： pfn 601 ? （ ） 异步电机的转速为： ps。