【正文】 表 ................................................................................................ 22 梯形圖 ......................................................................................................... 23 總結(jié) .............................................................................................................................. 23 致謝 .............................................................................................................................. 24 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 25 附錄 .............................................................................................................................. 25 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) VI 1 緒 論 本課題研究設(shè)計(jì) 背景和目的 在我國目前的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下 ,消火栓系統(tǒng)仍是高層民用建筑最基本的滅火設(shè)備。上位機(jī)配有與上級管理系統(tǒng)通訊的接口，可與礦局域網(wǎng)相連使上級管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對日用消防水泵房的監(jiān)控。同時，系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，便于對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)修理，提高效率，實(shí)現(xiàn)自動化消防給水。用 PLC實(shí)現(xiàn)對消防水泵的控制，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配線，提高了系統(tǒng)的可靠性 ，并且增加了傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的定期主備互投和自動測試功能。成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 基于 PLC 的消防給水泵 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者姓名 : 古曉龍 專業(yè)名稱 : 電子測量技術(shù)與儀器 指導(dǎo)老師 : 閆智武 講師基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) II 摘 要 現(xiàn)在，城市火災(zāi)、森林火災(zāi)出現(xiàn)的頻率較高，怎樣才能減少損失，消防部門責(zé)任較大，因此研究高效能的消防給水泵控制系統(tǒng)可以減少財產(chǎn)損失，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。 本論文敘述了用西門子 S7200 型 PLC 實(shí)現(xiàn)對消防水泵知道控制的方法。 本文介紹了以可編程邏輯控制器為核心的控制系統(tǒng)，并對其工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)闡述，從而對傳統(tǒng)的消防給水泵系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以有效的解決以前系統(tǒng)故障率高、可靠性差、能源浪費(fèi)嚴(yán)重等一系列問題。 日用消防水泵房控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，核心部分采用西門子 S7200 型PLC， PLC 對泵運(yùn)行的各工藝參數(shù)進(jìn)行采集、處理，實(shí)現(xiàn)泵與泵、閘閥等 設(shè)備之間閉鎖，并可通過設(shè)于 PLC對泵運(yùn)行的各工藝參數(shù)進(jìn)行采集、處理，實(shí)現(xiàn)泵與泵、閘閥等設(shè)備之間閉鎖，并可通過設(shè)于印，顯示故障顯示等集中管理。當(dāng)調(diào)試、現(xiàn)場檢修或集控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可由就地按鈕箱上按鈕操作。發(fā)生火災(zāi)時 ,消防水泵及時啟動加壓是保證消火栓系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要步驟。在高層民用建筑自動消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 (電氣專業(yè) ),消防水泵的啟動依據(jù)就是破玻按鈕的動作。這兩種情況都會導(dǎo)致整個消防管網(wǎng)在沒有投入運(yùn)行前 (無槍出水滅火 )消防水泵已經(jīng)啟動，這必然造成消防管網(wǎng)壓力劇增，產(chǎn)生嚴(yán)重超壓現(xiàn)象 , 極有可能引起管網(wǎng)爆裂。 隨著技術(shù)的發(fā)展，很多設(shè)備需要改造，如啟動方式和元件的升級換代，很多設(shè)備的遠(yuǎn)程操作和使用方法需要調(diào)整，如就地控制改為遠(yuǎn)動控制或計(jì)算機(jī)控制 等。另外，盡管規(guī)范、規(guī)章明確要求消防設(shè)施，器材應(yīng)定期維護(hù)保養(yǎng)，但是目前消防水泵都不能做到定期試機(jī)運(yùn)行，天長日久就會導(dǎo)致泵體、底閥和單向閥卡死、銹死，所以經(jīng)常會出現(xiàn)在發(fā)生火災(zāi)時設(shè)備不能充分發(fā)揮作用，造成不應(yīng)有的損失。可編程控制器（ PLC）是以微處理器為核心，綜合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技 術(shù)、自動化技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)自動控制、機(jī)電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本系統(tǒng)采用可編程控制器（ PLC）對消防泵組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)泵組在備用時定期試運(yùn)行，撲救火災(zāi)時自動啟動，從而有效地杜絕消防水泵關(guān)鍵時刻不能用的情況。因?yàn)楝F(xiàn)在 一旦火災(zāi)發(fā)生就很難控制，無法及時的撲救和報警。本課題的研究將會給人們的生產(chǎn)生活安全帶來更加強(qiáng)力的保障。它對提高消防給水系統(tǒng)的可靠性具有劃時代的意義。 設(shè)計(jì)任務(wù)及內(nèi)容 設(shè)計(jì)任務(wù) 用西門子 S7200 型 PLC 實(shí)現(xiàn)對消防水泵知道 控制的方法。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 通過對現(xiàn)有給水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，確定以工作可靠、性能穩(wěn)定、價格合理等特點(diǎn)的西門子 S7200 型 PLC 和西門子變頻器構(gòu)成的控制核心來設(shè)計(jì)消防給水系統(tǒng)，確定控制要求，設(shè)計(jì)控制軟件，并在工程項(xiàng)目實(shí)踐中考驗(yàn)與使用，保證整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。通過對比異步電動機(jī)的調(diào)速方法后 ,給水系統(tǒng)中采用的變頻調(diào)速節(jié)能效果顯著。 本文就最簡的給水泵組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的敘述，包括硬件電路設(shè)計(jì)，控制軟件的總體方案及程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及相關(guān)的控制程序?qū)嶋H。最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。它采用一類可編程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向消防的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入 /輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 的特點(diǎn) （ 1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好 PLC 在電子線路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成 電路。 （ 2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng) PLC 及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。梯形圖與繼電器原理圖相類似，這種編程語言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識和語言，只要具有一定的電工和工藝的知識的人員 都可在短時間內(nèi)學(xué)會。在 PLC 內(nèi)部具有許多控制功能，諸如時序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 （ 5）設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短 用繼電接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫 出電氣原理圖，然后畫出繼電器屏的布置和接線圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試，以后修改起來十分不便。 （ 6）體積小，維護(hù)操作方便 PLC體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 （ 7）易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 PLC可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 PLC 的一般組成和基本工作原理 PLC 的一般組成 目前 PLC種類繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。前三大部分是 PLC完成各種控制任務(wù)所必需的，一般稱為 PLC 的基本組成部分，其它可選組件包括編程器、外存儲器、 I/O 模塊及通信接口等。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。如下圖 所示 圖 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 PLC 的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟 PLC 控制系統(tǒng)是以程序形式來體現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時間將用在軟件設(shè)計(jì)，即程序設(shè)計(jì)上。 （ 2）分配輸入輸出設(shè)備 即確定哪些外圍設(shè)備是送信號到 PLC，哪些外圍設(shè)備是接受來自 PLC 信號的。 （ 3）設(shè)計(jì) PLC 程序 畫出梯形圖 。 （ 4）實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對 PLC的梯形圖的直接編程。 （ 6）保存已完成的程序。確定控制上的相互關(guān)系之后，即可進(jìn)行編程的第二步 分配輸入輸出設(shè)備。在畫梯形圖時要注意每個從左邊開始的邏輯行必須終止于一個繼電器線圈或定時器，計(jì)數(shù)器，與實(shí)際的電路圖不一樣。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 3 消防給水系統(tǒng)的特性及原理 給水系統(tǒng)基本特性 給水系統(tǒng)的參數(shù)表明了給水的性能。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用給水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚(yáng)程特性曲線和 管阻特性曲線。水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以給水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q之間的關(guān)系曲線 f（ Q）。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于消防的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qv 之間的關(guān)系。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的 水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，給水系統(tǒng)向消防的給水能力。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為給水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 中 A點(diǎn)。 圖 給水系統(tǒng)的基本特性 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 給水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 實(shí)現(xiàn)對 給水系統(tǒng)的控制就是為了滿足消防對流量的需求。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制。 若：給水能力 Qg? 用水需求 Qv，則壓力 P 上升 。 若：給水能力 Qg? 用水需求 Qv，則壓力 P 不變。從而，選擇壓力控制來調(diào)節(jié)管道流量大小。將來消防需求發(fā)生變化時，需要對給水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。 常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 實(shí)質(zhì)是水泵本身的給水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小 來強(qiáng)行改變流量大小，以適應(yīng)消防對流量的需求。 轉(zhuǎn)速控制法 閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動機(jī)來拖動，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) [9][10]。 可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)速。磁極對數(shù)的改變通過改變電機(jī)定子繞組的接線方式來實(shí)現(xiàn)。 變轉(zhuǎn)差調(diào)速 通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。39。電動機(jī)工作在額定狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率 s 很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率 通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。 變頻調(diào)速 從公式 ()可知，當(dāng)極對數(shù) p 不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與定子電源頻率 f 成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為 VVVF (Variable voltage Variable Frequency)。 變頻調(diào)速方式時，電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式： ? ? ???????? ???????? ??2212211221139。2/39。 頻率 f從額定值 fn 往下調(diào)時， 電機(jī)機(jī)械特性的變化情況，如圖 所示。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 nT0fNf1f2f3f4 圖 變頻調(diào)速機(jī)械特性 水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)能原理 在給水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨著閥門開度的改變而改變，但其揚(yáng)程特性不變。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量 [。變頻調(diào)速給水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。 Q ( m3/ s )H ( m / s )Q1Q2H1H00FDEn1n2β1β2β3H2 圖 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特征曲線 用閥門控制時，若給水量高峰期水泵工作在 E 點(diǎn)，流量為 Q1，揚(yáng)程為 H0，當(dāng)給水 量從 Q1 減小到 Q2時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從β 3移到β 1，揚(yáng)程特性曲線不變。此時水泵輸出功率用圖形表示為(0 ,Q2 ,D ,H0)圍成的矩形面積，其值為： ??102 20QHPf ? （ ） 可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為 (H0,D ,F ,H1)圍成的矩形面積，其值為：