【正文】 .............. 32 附錄 .............................................................................................................. 33 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 本課題研究設(shè)計(jì)背景和目的 在我國(guó)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(jí)管理系統(tǒng)通訊的接口，可與礦局域網(wǎng)相連使上級(jí)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)日用消防水泵房的監(jiān)控。同時(shí)，系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)修理，提高效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化消防給水。用 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)消防水泵的控制，簡(jiǎn)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(dòng)測(cè)試功能 。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(cè)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) I 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(cái)產(chǎn)損失，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 本論文敘述了用西門子 S7200 型 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)檢修或集控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可由就地按鈕箱上按鈕操作。發(fā)生火災(zāi)時(shí) ,消防水泵及時(shí)啟動(dòng)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(dòng)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 (電氣專業(yè) ),消防水泵的啟動(dòng)依據(jù)就是破玻按鈕的動(dòng)作。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(dòng)，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(dòng)方式和元件的升級(jí)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(dòng)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(zhǎng)日久就會(huì)導(dǎo)致泵體、底閥和單向閥卡死、銹死，所以經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)設(shè)備不能充分發(fā)揮作用，造成不應(yīng)有的損失?？删幊炭刂破鳎?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(dòng)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(dòng)控制裝 置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、可靠性高、基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 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(dòng)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(duì)消防泵組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)泵組在備用時(shí)定期試運(yùn)行，撲救火災(zāi)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，從而有效地杜絕消防水泵關(guān)鍵時(shí)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(shí)的撲救和報(bào)警。本課題的研究將會(huì)給人們的生產(chǎn)生活安全帶來更加強(qiáng)力的保障。它對(duì)提高消防給水系統(tǒng)的可靠性具有劃時(shí)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(duì)消防水泵知道控制的方法。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 通過對(duì)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(jià)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(gè)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(duì)比異步電動(dòng)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(jiǎn)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(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、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(zhǎng)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(jiǎn)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(yǔ)言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝的知識(shí)的人員都可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。在 PLC 內(nèi)部具有許多控制功能，諸基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。 （ 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基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 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(chǔ)器、 I/O 模塊及通信接口等。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。如下圖 所示 圖 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(shí)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(hào)到 PLC，哪些外圍設(shè)備是接受來自 PLC 信號(hào)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(duì) 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(shí)要注意每個(gè)從左邊開始的邏輯行必 須終止于一個(gè)繼電器線圈或定時(shí)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) 8 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)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(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(dòng)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) 9 給水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 實(shí)現(xiàn)對(duì)給水系統(tǒng)的控制就是為了滿足消防對(duì)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(cè)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(shí)，需要對(duì)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(duì)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(shí)，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(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是異步電動(dòng)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(duì)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。39。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，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(jí)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(shí)過載能力低，還需一臺(tái)與電動(dòng)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。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 變頻調(diào)速 從公式 ()可知，當(dāng)極對(duì)數(shù) p 不變時(shí)，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(jiǎn)稱為 VVVF (Variable voltage Variable Frequen