基于PLC的地铁站自动排水控制系统设计 梯形图

基于PLC的地铁站自动排水控制系统设计 梯形图 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 基于PLC的地铁站自动排水控制系统 设计+梯形图 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。经过模拟调试，本系统运行可靠。5716 1 / 30 关键词: 排水,PLC,梯形图 The Design of Subway Drainage Control System Based on PLC 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 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 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. 4.2.3 控制器外部接线16 5系统硬软件及控制程序设计18 5.1软件总流程图18 5.2硬件设计图19 5.3PLC控制程序的设计21 3 / 30 结论27 致谢28 参考文献29 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 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 常运行及各类电器设备的保护有着重要意义。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。 5 / 30 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 ,1,问题的提出 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 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 7 / 30 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。 为保证主泵的使用寿命，实行2台主泵两班制工作。 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。 停止:设臵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。 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。 本系统除了对系统的逻辑顺序，电机，排水泵的功 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 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。 基本设计参数为扬程H，流量Q。 ,1,管径确定 排水系统一般按3~4台设臵水泵，,为3用1备，4用1备,，集中为1条管道排水，根据流量公式，即可确定管径 ,2.1, ,2.2, 9 / 30 ,2,按先满先抽原则抽水，设臵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。 地铁的排水系统由于其地势比地面排水沟低很多，不能自然排除，需要依靠专门的排水控制系统进行排水，示意图如图2.1所示。按照地势先把水集中在多个水池中，然后对各个池进行抽水。抽水机控制的顺序依要求不同分为上述两种，即:按照固定的顺序进行抽水及按先满先抽的原则进行抽水。但不管采取哪种抽水方法，在抽水过程中同一个时间一般只对一个池抽水，等待这池抽水完毕，在抽满足条件的另外一个水池的水。 综合以上2种抽水方案，考虑到系统的实际需求，选择按照先满先抽原则抽水的方案。 3.2控制器的选择 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 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 3.2.2PLC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 11 / 30 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。 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。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。 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 3.3 系统控制方案的确定 系统控制方案如图3.1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3.1 系统控制方案图 4系统硬件的的选择 4.1元器件的选型 4.1.1 PLC的选型 13 / 30 由4.1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、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4.1系统I/O分配表 输入点功能输出点功能 I0.0池1满水检测Q0.0池1阀门 I0.1池2满水检测Q0.1池2阀门 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 根据实际情况判断，需要增加扩展模块。 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,丰富的内臵集成功能, 实时特性: ,1,强劲的通讯能力, ,2,丰富的扩展模块, 15 / 30 符号地址注解 MAN_JSBR0池满水顺序排队入表子程序 KAIGUAN_FASBR1开/关阀门控制子程序 BENG_KSBR2泵开/关控制子程序 TING_KSBR3停止控制子程序 INT0INT0 主0B1按先满先抽原则抽水控制主程序 按照先满先抽原则抽水程序符号分配表 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: ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 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 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: 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]。 17 / 30 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。 4.1.5 泵的选择 名称及型号 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ WQ系列高效节能无堵塞排污泵,40-15-30-2.2 其排水口径为80mm,流量为15m3/h,扬程30m,额定功率25Kw,额定转速1440r/min,工作效率为48%。 泵的主要特点: ,1,无堵塞, ,2,高效率, ,3,节能显著, ,4,可配臵控制柜, ,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, 19 / 30 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臵。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。 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]。 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ ,1, 继电器保护装臵的选择 型号:MiCOM P24 同步、异步电动机保护 主要特点: 数字光耦，电压可整定 开入、开出和LED功能自定义 图形化可编程逻辑 TA额定值1/5A自适应 带事件记录、故障记录及故障录 21 / 30 功能配臵 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]。 主要技术参数 工作电压:110-250V 交流电流额定值:5A 交流电压额定值:100-120V 频率额定值:50Hz， 60Hz 定值精度:2% 电流过载能力:4In连续,100In，1s ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 电压过载能力:2Un连续,2.6Un，10s 通信规约:Mod bus ， Courier， IEC 103 ,2,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,。 正常工作条件及安装条件 海拔不超过2000M 周围空气温度上限值不超过40?，下限值不低于-5?。 23 / 30 空气的相对湿度不大于85% 与垂直面的倾斜度不超过5° 无显著摇动和冲击振动地方 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, 结构特征 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。 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。 图4.1 系统配电图 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 4.2.2 电机控制线路图 如图4.2 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之间设计了互锁如图4.3所示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4.2 电机控制线路图 图4.3 电机控制线路图 4.2.3 控制器外部接线 如图4.4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。 25 / 30 图4.4 PLC外部接线图 图4.5 阀门控制接线图 如图4.5所示，每一个蓄水池所在阀门均由PLC独立控制。 5系统硬软件及控制程序设计 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 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 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硬件设计图 ,1,各部分系统设计 车站冲洗水排水量为4Lm/2次，计算面积为站厅站台层公共区域，一日一次，每次按1h计算,结构渗漏水通常设计标准为1Lm/2日，计算面积为车站内表面积;消防废水按一次消防水量100%计算。 车站各类废水均由设在站台层、站厅层和有用水点的房间内的地漏收集，通过排水立管排放至轨道两侧的排水明沟内。站厅层排水地漏设在车站主体内侧排水浅沟内，相互间隔约40m，此外车站出入口进站处应设臵截水沟和排水地漏,环控机房、保洁间、污水泵房、废水泵房、茶水间等有给水点的房间也应设臵 27 / 30 地漏。站台层地漏主要排放公共区冲洗废水，与站台边缘相距2.5m 以上。对于各类风道进入车站主体处的地漏设臵，《地铁设计规范》中并无明确，笔者认为要避免不同类型风道因排水浅沟连通而造成的相互干扰，每个风道入口处均应设臵排水地漏，不同风道不能共用排水地漏[2]。 图5.4 污水泵站布臵剖面 (4) 车站雨水泵设计 雨水泵站主要设臵在车站敞开式风亭内及敞开式出入口扶梯下，雨水排水量按设计暴雨重现期50年10min集流时间计算。出入口处雨水泵流量按出入口消防水量与雨水量之和选取，风亭处雨水泵流量按计算雨水量选取。各处集水池有效容积按雨水泵的10min 出水量确定。对于非敞开式出入口的排水泵站，可归于局部废水泵站，水泵设计流量仅考虑消防排水 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 量。设有顶盖的风亭，可不设雨水泵站，风亭的结构渗漏水可沿风道排入车站内，由地漏收集后排放至主废水池 (5) 各泵站控制水位设臵及水泵控制方式 车站控制室监视排水泵的工作状态、手自动状态、故障状态和水位状态; 对废水池、集水池、污水池的危险水位进行自动监视，超高报警; 对所有排水泵设自动运行计时， 并按设定运行时间进行主备泵自动切换，按维修设定计划提供检修报告。排水泵通过泵房控制箱实现水位自动控制和手动控制。控制箱采用一控二方式，其中水位控制方式采用浮球开关，浮球开关与控制水位一对一设臵。废水泵房内的2台潜污泵，平时一用一备，轮换运行。消防时两台同时工作，废水池内设超低水位、停泵水位和第1、2台泵启动水位共4个控制水位。污水泵房内的2台潜污泵一用一备，轮换运行，设停泵、启泵水位和超高报警水位共3个控制水位。车站出入口自动扶梯底部以及洞口集水坑内设2台潜污泵，平时一用一备，必要时双泵运行，设停泵水位和第1、2台泵启动水位共3个控制水位。 29 / 30 基于PLC的地铁站自动排水控制系统设计+梯形图 (11):