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1、 本科生毕业论文基于西门子PLC与WINCC的城市排水监控系统设计The urban drainage monitoring system based on Siemens PLC and WINCC design毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签
2、 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，
3、均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词
4、4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须
5、用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订摘 要 排水泵站是城市中不可或缺的公共设施，它的主要是完成城市排水的任务。城市排水泵站的自动化监控系统有着很大的作用，能够有效的提高工作效率，减少泵站管理人员的配置。这个系统主要是对排放的雨水、工业污水和生活污水进行自动化的监控。泵站中所有设备的工作情况，都是由该系统根据水位等情况来控制的。 该排水泵站自动化控制系统利用SIEMENS s7-300作为控制器，上位机选用西门子公司的WI
6、NCC V7.0，模拟了一个城市排水泵站的计算机控制系统。在这个自动控制系统内，PLC负责采集各个水池水位，并且根据水位做出相应的排水指令，确保水位在安全的范围内，保证城市下水道不出现堵塞或者满水的情况，以确保城市在紧急情况下不出现洪涝的现象。关键词：排水系统;WINCC；自动化；PLC；模拟ABSTRACT Drainage pumping station is an integral part of urban public facilities, and its main task is to complete the urban drainage. Automated monitori
7、ng system of urban drainage pumping station has a significant role, can effectively improve work efficiency, reduce configuration pumping station managers. This system is mainly on rainwater, industrial wastewater and domestic sewage discharge automated monitoring. Pumping the work of all the equipm
8、ent, are made in accordance with the system to control the water level and other circumstances. The drainage pumping station automation control system utilizes SIEMENS s7-300 as a controller, PC selected Siemens WINCC V7.0, a computer control system to simulate the urban drainage pumping station. In
9、 this automatic control system, PLC is responsible for collecting the various pool water level, and make the appropriate instructions based on water drainage to ensure that the water level in the safe range, blocked or filled with water to ensure that the situation does not appear city sewer to ensu
10、re the city in an emergency situation phenomenon does not appear under the flood.Key words: drainage system;WINCC;Automation;PLC;simulation目 录1 绪论11.1 前言11.2 国内排水系统的状况11.3 城市排水系统设计目的22 城市排水控制系统控制器的选择32.1 控制器方案选择32.2 控制器选择比较33 城市排水泵站监控系统控制要求63.1 城市排水监控系统构成63.2 城市排水泵站监控系统控制要求73.3 城市排水泵站监控系统流程图84城市排水泵站
11、监控系统的硬件配置134.1 PLC简介及选型134.2 排水泵144.3 交流接触器与中间继电器154.4 液位计选择164.5 变频器选型设定165城市排水监控系统的电气设计185.1控制系统器件清单表185.2 控制系统PLC的I/0地址分配表185.3 PLC原理接线图205.4 控制系统电气接线图216城市排水泵站监控系统编程设计256.1 Step7编程软件256.2 PLC程序编译267城市排水泵站监控系统仿真运行307.1 step7程序仿真和组态软件Wincc7.0仿真307.2 WINCC监控画面仿真运行31结论34参考文献35致谢36附录A 功能程序37附录B WINCC
12、仿真运行451 绪论1.1 前言 城市排水设施是一个不可缺少的公共设施，它主要负责了城市里污水的处理及其排放。这些污水包括雨水、工业污水和生活污水。一般来说，排水管道及污水处理厂是城市排水系统的重要组成部分，其中污水处理厂主要负责工业污水的加工，经过处理后排入江海或者回收二次利用；雨水通过排水管道直接排入江海；生活污水是通过排水管道，把其中的垃圾过滤后再排入江海。该系统的主要目的就是能够使城市的排水通畅，不发生堵塞以及满水等情况，有效的保护好环境。由此可见，排水系统是城市不可或缺的设施，那么怎样才能完成一个合格的城市排水系统成了一个难题。在城市的市政建设与环境保护方面，排水系统占有很大的比重，
13、为了能够设计出比较优秀的城市排水系统，我国还发布了城市排水许可管理办法。1.2 国内排水系统的状况 这些年来，我国许多城市都发生过内涝，我国大部分城市发展过程中都要面临内涝这个严峻的问题。04年7月10日，北京市持续下了四个小时的大雨，导致市内40多条道路漫出积水。05、07以及10年，广州市均发生了强烈降雨，市内大面积被水淹没，严重影响了交通。最严重的要属靠近长江的城市了，基本上只要发生暴雨，就一定会出现内涝了。近些年来，内涝也导致了不少市民的伤亡。随着内涝的不断发生，各地政府都注意到排水系统的重要性，内涝发生后，南昌市、广州市、武汉市都投入大量的资金用来建设城市的排水设施，但是效果不是很明
14、显，内涝还是时有发生。投入了大量的人力物力，那到底要怎么才能从根本上解决这个问题呢？城市最初发展规划的时候，没有重视排水设施，导致我国许多城市几乎年年都会发生内涝。然而青岛的老城区还是用的原来的排水系统，这套系统是德国人在100多年前设计并建好的，该系统一直完美的用到现在，从来没发生过洪涝，发达国家的许多城市排水的能力也是比我国强上很多，看来我国的城市排水技术还是远远不够的，也是很有必要借鉴下别的国家的经验和技术。现在的城市都是往大了发展，专家指出，这样的发展模式其实是很不科学的，我国的人口本来就比较多，城市太大带来的不仅仅是排水上面的问题，就连交通也像排水一样，经常堵塞，其实完全可以换个思路
15、去发展，发展成多个小中型的城市，从而缓解压力。1.3 城市排水系统设计目的 随着城市发展越来越快，越来越大，城市地下的排水设施错综复杂，面对这些复杂的系统，以往的传统的管理方法已经很难去实时监控到排水的情况的。目前来看，很有必要利用现代化的技术，建立一个自动化的城市排水监控系统。 对城市排水系统有着影响的因素还是很多的，比如每个城市地势高低的不同、下水管道的多少、下水管道是否足够大以及当地的降雨量如何。城市里的居民和工厂也迅速加多，导致了城市大量的用水和排水量，所以很有必要组建一个自动化的排水泵站，实时监测着城市集水的水位，能够及时的把水排出，避免洪涝。自动化的城市排水泵站计算机监控系统能够实
16、时的监控排水情况，能够快速的发现故障，统计城市的降雨量，发现隐患并报警。本设计是通关PLC、泵、变频器、传感器等构成一个自动控制系统，对城市汇集的水进行恒水位控制，模拟雨水、工业污水和生活污水的流向，以及模拟管道堵塞，集水池的切换，来确保排水系统的稳定，提高排水效率。设计这样的系统不仅仅有上面说的好处，还可以省下大量的人力物力。 2 城市排水控制系统控制器的选择2.1 控制器方案选择根据城市排水泵站监控系统的设计，从多方面资料以及经验上看，我们可以选择很多种控制器，典型的有最初的继电器控制，后来的单片机控制和PLC控制。针对这典型的三个控制器，我们进行各方面比较，每种控制器都有各自的优点，但是
17、根据本设计，还是选择了以PLC为控制器的城市排水泵站监控系统，对为什么选择PLC为控制器，我们做了一些比较。2.2 控制器选择比较下面我们就城市排水泵站监控系统的控制功能、性价比及性能等方面，我们进行了三者的优缺点的比较。（1） 继电器与PLC的对比 在自动化产业，可编程的逻辑控制器（PLC）给工控行业带来了天翻地覆的变革，目前它成为了绝大多数自动化控制系统的基础设备。跟使用继电器做控制器的工业控制系统相比，使用PLC做控制器的控制系统有着太多的优点，这些有点体现在操作性能、控制、工作效率以及精度等多个方面。尽管传统继电器目前还不会完全被取代，但是PLC的众多优点已经影响到了设计者们的思路了。
18、 跟以往的产品相比，继电器控制更加的可靠，如今家庭和工业等许多地方都用到了继电器控制。但是，继电器控制还是有不少问题的。比如继电器长期的工作会导致本身大量的磨损，寿命不长。继电器的触点之间也会产生电弧，严重的话会执行误操作，非常危险。一个继电器控制系统一般会用到很多的继电器，导致他的控制柜会非常大，重而且占地方。继电器过多的吸合也会造成热能和噪音，比较耗电。由于继电器控制系统大量的接线，那么修改和维修系统的话会有很大的麻烦。 PLC被大量的用在顺序控制的系统上。顺序控制就是按照系统的设计流程，在信号的控制下，在生产过程中每个执行机构有序的工作。它的优点有很多，编程方法灵活变通、速度快、安全可靠
19、、方便检修、性价比高等等。在本系统中，主要是通过操作按钮及各类传感器信号传给PLC控制器，PLC再发出指令控制各执行机构的动作，来实现自动化控制。这些在水位的监控、管道上电磁阀的开启或关闭以及各个泵的启动上都有应用到。 依据以上的比较，因为继电器控制系统有很多的弊端，继电器系统一般用在对反应速度和精度要求都不是很高的系统中，而本设计对控制的准确度要求非常高，对现场的阀门水泵的实时性比较高，PLC能够快速给出判断，及时处理突发事件，而继电器难以处理，所以继电器控制系统正在渐渐被取代。（2） 单片机控制与PLC控制对比 跟专用的处理器相比，在嵌入式系统中的使用，单片机有着自身的优势，所有它有着很广
20、泛的使用。如今社会，日常生活中所用到的电子产品基本上都会用到单片机，比如说手机、家用电脑、遥控玩具，自动洗衣机和冰箱、平板电脑等近乎所有电子产品。单片机的使用能够比你想象的还要多。 PLC还是很特殊的，单片机是构成它的一个重要的环节，是PLC控制器的“神经中枢”，但是如果不往PLC里面输入控制指令的话，它是没有任何作用的。换句话说，如果不往PLC里面下载程序，那么PLC毫无价值可言。当然PLC的编程还需要编程软件，比如西门子公司的step-7软件。 所以在本设计城市排水监控系统中，单片机控制系统虽然能满足控制要求。不过，城市排水的监控系统的很大的，而且系统运行的环境比较复杂，如果选用单片机作为
21、控制器的话，会显得不够稳定，那么显然选用PLC作为控制器是一个非常好的选择。（3） PLC控制系统的介绍PLC是根据传统的继电器控制系统开发出来的，早先的PLC功能很少，只要简单的开关量控制，最初PLC是用在制造汽车的产业上的，通过各种操作指令，来控制各个执行机构的动作。一般都是按照用户的需求，编写好程序，下载到PLC里面去，PLC正常工作的时候，就会按照用户所编写的程序，有逻辑的执行各个指令。PLC是按照从上至下，从左往右来执行程序的，每个循环完成花费的时间叫做扫描周期。PLC的型号有很多中，基本上扫描周期也不一样，一般都是一到几十微秒不等。我们一般都用梯形图的方法来为PLC编程，初学者也比
22、较容易上手。PLC的优势也很明显，比如体积小，能实时监控程序的运作，寿命长，不易损坏，而且方便维护。 随着科技力量的发展，PLC的功能也更加的完善了，现实中大量的产业都有应用到。PLC作为控制器的系统已经逐步取代传统的继电器作为控制器系统了，PLC的特点主要有：1、硬件的可靠性 PLC可以在非常差的工作环境下工作，一个合格的PLC能够有效的抗击噪音、电磁、震动、潮湿、高低温等干扰。PLC自身就有很高的抗干扰性，非常的稳定可靠，一般来说，系统中的大多数故障都出现在PLC的外部，比如输入的开关与按钮及传感器上，输出的端子上，所以这样在排出故障的时候会非常的简易。2、编程简单，使用方便 利用单片机作
23、为核心的自动控制系统，通常使用汇编语言或者C语言编程，需要用户有一定的专业基础，初学者很难入手。相比而言，PLC的编程方法就很容易掌握。通常的PLC编程都是使用梯形图编程的方法，个人感觉思路跟平常设计传统的继电线路系统是一样的，而且指令也可以直接调用，编程软件一般还自带帮助说明书，只要有点电气基础的用户都很容易上手，程序的调试或修改也很轻松，非常的方便。3、接线简单 与传统继电器系统相比，PLC的接线很简单方便，把开关或者按钮之类的输入元件跟PLC所对应的I口相连，把接收输出信号的元器件跟PLC所对应的O口相连，再把PLC接进电源。除此之外，根据实际的需求，改变PLC的 I/O接线也很方便，不
24、像传统继电线路那么繁琐。接线非常少，而且改动很方便。4、安装简易，维护方便 传统的继电器系统需要很大的空间，而PLC的体积很小，PLC控制系统所需的空间也非常小，连接也很方便，只要输入/输出设备和PLC自身I/O口相连就可以了。 所以，以现在的PLC技术，已经完全可以适应城市排水系统的环境了。采用PLC作为城市排水监控系统的控制器，实时监控，覆盖面大，效率高，这些都能满足本设计的控制邀请，而且比其它几种控制器优秀。3 城市排水泵站监控系统控制要求3.1 城市排水监控系统构成当今，各个城市的发展情况不同，所用的城市排水系统也截然不同，传统的继电器控制和先进的PLC控制都有运用到。而根据本设计的城
25、市排水泵站监控的工艺特点和要求，主要采用了采用基于现场总线技术的PLC网络控制系统。本设计是基于西门子PLC的城市排水计算机监控系统，其中PLC、WINCC以及实际设备是主要组成部分。图3-1为系统结构图。 图3-1 系统结构图在本设计中，PLC是核心器件，它起着主导作用，PLC主要控制现场设备的正常运作，并且及时的把信息发送到工作站操作操作设备上和WINCC监控站监控画面中去，在设计中，比如水位的检测、指示灯的显示、开关按钮起停信号、水泵起停控制，继电器的闭合与断开、电磁阀的通断和变频器运行频率等等。WINCC监控系统主要是起到将PLC输送过来的信号数据显示在监控画面内，以便工作人员得到现场
26、的第一时间内所有数据信号，比如指示灯的亮灭、阀门的开关，液位的数值显示以及水泵的运行状态等等，WINCC在监控现场设备的正常运作的同时，他还能向现场发送一些数据信号，比如控制按钮开关和阀门的打开或闭合等等。在WINCC监控软件内，我们可以清楚的看到现场设备的工作情况，而且也可以发送数据到PLC紧急停止控制设备，起到保护作用。3.2 城市排水泵站监控系统控制要求 本次设计基于西门子PLC和WINCC仿真，用模拟传感器和模拟开关等外部设备将城市排水监控过程中的信号处理后送到处理器将其处理，由PLC对数据进行运算处理，然后控制现场设备的运行来完成城市排水泵站监控控制系统的自动化高效运作、准确的操作。
27、本设计的控制系统是全自动控制的，启动WINCC仿真运行后，只要启动开始按钮，PLC将通过step-7软件所编写的相应程序对城市下水道排水过程进行控制，通过输出继电器的动作来控制水泵的起停和管道阀门关和开的监控，指示灯的亮灭来实现完成对系统状态的显示，并且通过模拟量模块的模拟采集模拟信号，对所有水灌水位的监控和下水管道畅通情况。本设计基于西门子S7-300和WINCC，大概控制要求如下： （1）当按下启动按钮后，运行指示等亮起，在WINCC仿真监控系统内设立了雨水集水、工业排放废水集水和生活废水集水，并且在三种水排入集水池前设立了三个对应的管道堵塞控制阀门，一旦模拟管道堵塞，控制阀门立即关闭，并
28、且报警提示工作人员，对应管道内出现堵塞现象，提示处理。 （2）在2个集水池的进水灌设立2个紧急进水阀，此阀门的作用是当集水池A或B的水位过高，即将满出，紧急关闭，而另一个集水池B或A阀门打开进水，缓解下水道的水位。 （3）每个集水池都配备2个排水泵，一个运行，一个备用，以防水泵出现故障，却不能及时排水，并且在监控画面内监控到水泵的运行频率，排水泵的运行频率是根据集水池的水位来控制的。集水池中，到了一定水位，集水池排水泵才运行，并且定时停机。在排水泵出现故障时，监控画面内的报警指示灯会亮起，提示工作人员排水泵出现故障。 （4）在总水池排水过程中，设置了3个排水泵，而3个排水泵对应的排水泵。其中一
29、号总池排水泵和二号总池排水泵是相互切换运行的，而总池紧急排水泵是根据总池水位来启动和停止的。 （5）在总集水池的水位低于一定水位时，三个排水泵都不运行，当水位高于低水位界线时，一号总池排水泵自动启动，并且运行一定时间内，自动停止降温冷却，切换到二号总池排水泵自动启动，并且也运行一定时间内，自动停止降温冷却，又切换到一号总池排水泵自动启动，只要总集水池的水位不低于低水位接线，一号总池集水泵和二号总池集水泵循环切换运行。 （6）当总集水池水位高于高水位界线时，系统报警灯报警提示工作人员，总集水池水位过高，并且系统自动发送信号启动总池紧急排水泵，直到水位降到安全水位线时，紧急排水泵自动停止，保证系统
30、安全运行。根据以上控制要求，设计出一套完整的城市排水泵站监控系统示意图，如下图3-2示意图所示。 图3-2城市排水系统示意图3.3 城市排水泵站监控系统流程图在城市排水泵站计算机监控系统中，根据设计思路，设计出排水泵站运行的流程。在城市排水系统中，首先启动WINCC仿真和step7程序仿真时，仿真PLC会先复位各个水池水位、阀门的关闭、水泵的停止以及指示灯的复位等等，下图3-3为城市排水泵站监控系统的复位初始化流程图。图3-3 系统复位在城市排水泵站监控系统数据复位后，可以模拟选择按下雨水、工业废水和生活废水的模拟按钮，当按下雨水按钮后，PLC会进入判断，先检测管道是否堵塞，如果没有出现堵塞，
31、那么打开进水阀，向集水池进水，同样，模拟工业废水按钮和模拟生活废水按钮按下，也先判断是否堵塞，如果没有堵塞，就打开进水阀，向集水池进水。在WINCC监控画面内设置了三个管道堵塞按钮，一旦按下其中一个模拟堵塞按钮，那么，PLC发送信号，启动报警，然后对应的管道的控制阀关闭，防止堵塞物进入集水池，直到复位模拟堵塞按钮，对应的管道才进入正常流水工作，对应的管道控制阀打开，以上控制要求的流程图如下图3-4所示。 图3-4 模拟进水流程图当系统进入正常运行工作时，先打开A池进水阀和启动A池排水泵，然后检测A区集水池水位是否过高，当A区集水池水位没有达到临界时，A池进水阀和A池排水泵正常运行，直到检测到水
32、位低于下限值时，A池进水阀还是打开，A池排水泵关闭，如果检测到A池水位过高，高于临界值时，那么PLC立即发送信号关闭A池进水阀，并且一直运行A池排水泵，直到A池水位低于下限值，才关闭A池排水泵。以上控制要求的流程步骤如下图3-5所示。图3-5A集水池进水程图当监控系统监控到A池水位高于上限值时，A池进水阀被强制关闭，B池进水阀打开进水，B池排水泵也随之启动，只要B集水池水位没有高于上限值，那么B池进水阀就一直开着，B池排水泵也一直运行着，当检测到水位低于下限值时，B池排水泵停止，当检测到B集水池水位高于上限值时，PLC发出信号立即关闭B池进水阀，并且打开A池进水阀，然后B池排水泵继续运行，一直
33、到B池水位低于B池水位下限值为止，AB池的工作流程是循环运行的，从而保证下水道水位在控制范围内，防止城市出现洪涝，以上控制要求流程步骤如下图B池进水控制流程图3-6所示。图3-6 B池进水控制流程图当PLC检测到总集水池的水位没有高于上限值时，总池进水阀就一直打开，反之，总池进水阀关闭。当总池开始进水后，水池水位液位计检测到水池水位到达一定值时，一号总池排水泵启动，并且只要水位高于一定值期间，PLC就会定时T1一定时间，当定时时间一到，PLC立即发送停止信号给一号总池排水泵，让其冷却，并且启动二号总池排水泵，同样PLC定时相同时间T2,当定时时间一到，PLC立即发送停止信号给二号总池排水泵，让
34、其冷却，并且启动一号总池排水泵进行排水，两者一直循环运行，知道水位低于下限值时，总池排水泵停止。在总池排水期间，总池水位快要到达临界值时，PLC立即启动报警，并且强行启动总池紧急排水泵，进行紧急排水，一直到水位低于一定值时，紧急事件才被停止。以上为总池排水环节，根据以上总池排水控制要求，画出总池排水控制流程图如下图3-7所示。图3-7 总池排水控制流程图 在城市排水泵站监控系统中，大致设置了三个报警，有管道堵塞模拟报警，排水泵模拟故障报警，以及总水池水位过高启动紧急排水泵报警。只要检测到管道出现堵塞现象，PLC会把报警事件发送到wincc监控上去，当集水池排水泵启动运行期间，只要检测到故障信号
35、，水泵故障报警指示灯就亮起，当检测到总水池水位过高，PLC强行启动总池紧急排水泵时，紧急报警指示灯亮起，知道总池水位低于一定值，总池紧急排水泵停止，报警灯才熄灭。至于报警事件流程图如下图3-8所示。图3-7 回流池流程图4城市排水泵站监控系统的硬件配置4.1 PLC简介及选型可编程序逻辑控制器（PLC）是专门为了工业自动化而设计的，它是一种数字运算操作的系统。它通过可编程的存储器在它的内部存储执行顺序控制、逻辑运算、定时计数和算数运算等操作指令，并且利用数字量和模拟量的输入与输出来控制多种生产过程。 PLC有很多的品牌和型号，它们的功能、编程手段以及价格等许多方面都有着多多少少的不同。所以如何
36、选PLC也是我们需要考虑的问题。本设计的城市排水泵站计算机监控系统是建立在PLC的基础上的，首先我们要把整个系统所需要的输入/输出量确定下来，以便完成对PLC的I/O口的分配。 因此，I/O点数的确定，是设计整个城市排水监控系统首先需要解决的问题，它不仅决定着系统硬件部分的设计，也是编写系统程序和上位机画面组态的必要前提。因为在学校学的都是西门子公司生产的PLC，所以笔者就选择了西门子s7-300型号的PLC作为本设计的基础。 本设计需要3个模拟量输入，10个数字量输入以及16个数字量输出，在配置的时候，是需要一定的余量的，如下图4-1所示。图4-1 PLC结构解析图 综合各个方面的因素。本设
37、计采用了西门子s7-300 PLC，CPU 314，一个十六入十六出的数字量模块，一个四入四出的模拟量模块，已经完全可以满足城市排水监控系统设计的需求了，如图4-2所示。图4-2 s7-300 PLC4.2 排水泵在本设计中，设置了2个集水池，循环轮流集水，和一个总集水池。所以在设计中通常在同一路排水系统中，为了保证水池里的水能接上排水，不会出现不排水的情况，在AB集水池中各设置了2个立新排水泵，在总集水池后设置了3台离心排水泵，功率大小不一样。在采用变频调速时，每台水泵配用一台变频器。图4-3 离心排水泵4.3 交流接触器与中间继电器当交流接触器线圈得电时，铁芯相当于电磁铁，触头吸合，常开和
38、常闭触头相应的动作，线圈失电后，在弹簧的作用下，触头复位。本设计采用了施耐德交流接触器，如下图4-4所示。 图4-4 施耐德交流接触器中间继电器只用在控制电路中，因为它只能承受很小的电流，它的主要作用就是能够增加触点的数目，工作原理和交流接触器的工作原理大致一样。如下图4-5所示是施耐德24V中间继电器。图4-5 施耐德中间继电器4.4 液位计选择 超声波液位计通过发射一个脉冲信号，它的接收设备可以接收脉冲信号碰到障碍物后所反馈的信号，再经过内部装置对信号的处理，转换成跟液位相关联的数字显示出来。在超声波液位计里用户可以选择420mA、 05v、 010mA等标准信号输出方式。如图4-6所示。
39、图4-6 西门子超声波液位计4.5 变频器选型设定本设计中排水泵在不同的情况下，需要以不同的转速运行，所以采用了变频器。变频器在调速系统中的优点：1控制电机的启动电流；2降低电压波动；3启动功率低；4可以控制加速；5运行速度可以调节；6转矩可以调节；7停止方式可控；8节能；9可逆运行控制；10减少机械传动部件。在这个城市排水监控系统中，选择了西门子公司生产的变频器，型号为MM420，如下图4-7所示。图4-7 MM420变频器 。 变频器还需要设置相关的参数，本系统设置的参数有：P0304 电机额定电压P0305 电机额定电流P0307 电机额度功率P0311 额定转速P0700=2 端子控制
40、P0705=16 固定频率启动P0706=16 固定频率启动P0707=16 固定频率启动P1000=3 固定频率P1001=20 运行频率HZP1002=40 运行频率HZP1003=60 运行频率HZ 5城市排水监控系统的电气设计 5.1控制系统器件清单表根据城市排水监控系统的控制要求，可以列出控制系统所需要的主要器材清单如下表5-1所示。表5-1 器件清单标号器件名数量1可编程控制器S7-30012WINCC监控软件13操作电脑14超声波液位计35电磁阀门76中间继电器147交流接触器128传感器109变频器MM420410离心泵711按钮若干12导线若干13指示灯若干5.2 控制系统P
41、LC的I/0地址分配表 根据这个城市排水泵站计算机监控系统的设计，一共需要10个数字量输入，16个数字量输出和3个模拟量输入。 1、数字量输入部分,如表5-2所示。表5-2 数字量I口分配表信号名称输入地址备 注开始I0.0按钮停止I0.1按钮模拟下雨I0.2传感器模拟工业废水I0.3传感器模拟生活废水I0.4传感器模拟堵塞1I0.5传感器模拟堵塞2I0.6传感器模拟堵塞3I0.7传感器模拟A池水泵故障I1.0传感器模拟B池水泵故障I1.1传感器1、 数字量O口部分，见下表5-3。表5-3 数字量O口分配表信号名称输出地址备 注 A池排水泵 Q0.0中间继电器A池备用排水泵Q0.1中间继电器B
42、池排水泵Q0.2中间继电器B池备用排水泵Q0.3中间继电器总池排水泵1Q0.4中间继电器总池排水泵2Q0.5中间继电器总池紧急排水泵Q0.6中间继电器雨水控制阀Q0.7中间继电器工业废水控制阀Q1.0中间继电器生活废水控制阀Q1.1中间继电器A池进水阀Q1.2中间继电器B池进水阀Q1.3中间继电器总池进水阀Q1.4中间继电器总池排水阀Q1.5中间继电器运行灯Q1.6指示灯报警Q1.7指示灯2、 模拟量输入部分，如表5-4所示。表5-4 模拟量输入地址分配表信号名称输入地址（模拟）备 注A集水池水位PIW0液位计B集水池水位PIW1液位计总集水池水位PIW2液位计5.3 PLC原理接线图根据城市
43、排水泵站计算机控制系统的控制要求，PLC型号为西门子S7-300 CPU314。本系统所需要西门子PLC数字量输入I/O点数为10个，数字量输出I/O点数为16个。根据系统要求画出PLC的I/O端子接线图，见下图5-1。 图5-1 PLC原理接线图根据控制要求模拟量输入3个，画出模拟量模块接线图，如下图5-2所示。图5-2 模拟量模块接线图5.4 控制系统电气接线图 根据城市排水泵站计算机监控系统的控制要求，控制系统主电路设计图主要由排水泵电机构成。在水泵组中分成2部分，一部分水泵是由变频器启动控制，一部分水泵是由PLC驱动中间继电器控制交流接触器来控制电机直接启动，所以它们的电源直接接在三相
44、交流电源上，部分控制系统电路中有熔断、热继电器两大保护装置及互锁、自锁功能。 在A和B集水池水泵中，排水泵的运行是根据集水池中水位的高低来判断当前排水泵的运行频率，所以在主电路中，AB排水泵的电是由西门子变频器提供的，具体控制系统主电路图见图5-3。图5-3 AB池排水泵主电路图 而在AB集水池的排水泵控制电路中，利用小电流信号控制大信号的形式，由PLC输出控制24中间继电器的线圈吸合，再由中间继电器的常开触电控制交流接触器的线圈吸合，达到控制主电路排水泵的水泵电源信号。如下图5-4所示。图5-4 AB池排水泵控制电路 在总水池设计中，设立了3个水泵，总水池水泵设置与AB集水池的水泵设置不一样，这三个水泵的启动方式是由PLC直接控制的，同样也是通过中间继电器控制交流接触的。水泵的起停是由交流接触器的常开触点控制的。如下图5-5所示。图5-5总水池水泵主电路图其中，中间继电器是由PLC控制，所以在控制电路回路中，PLC控制着中间继电器KA的线圈通断进而控制控制回路中继电器KM的接通，此外这里的所有水泵都可以在电气接线上进行手动运行如下图5-6所示。图5-6总水池水泵控制电路图在整个PLC控制过程中，所有的阀门、电磁阀都是由中间继电器控制的，中间继电器常开触电控制220V交流继电器，此外所有的阀门都可以在电气接线上进行手动运行，如下图
