基于西门子PLC与WINCC的城市排水监控系统设计 - 图文

天津职业技术师范大学2014届本科生毕业论文

天津职业技术师范大学

Tianjin University of Technology and Education

毕 业 设 计

专 业： 电气技术教育 班级学号： 电气0912 - 5 学生姓名： 董金荣 指导教师： 王东涛 教授

二〇一四年六月

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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

专业班级：电气0912 学生姓名：董金荣 指导教师：王东涛 教授 学 院：自动化与电气工程

2014年 6 月

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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WINCC 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

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ABSTRACT

Drainage pumping station is an integral part of urban public facilities, and its main task is to complete the urban drainage. Automated monitoring 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 equipment, 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 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 ensure the city in an emergency situation phenomenon does not appear under the flood.

Key words: drainage system;WINCC;Automation;PLC;simulation

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目 录

1 绪论 ............................................................................................................................... 1

1.1 前言 .....................................................................................................................................1 1.2 国内排水系统的状况 ......................................................................................... 1 1.3 城市排水系统设计目的 .................................................................................................2 2 城市排水控制系统控制器的选择 ..........................................................................................3

2.1 控制器方案选择 ...............................................................................................................3 2.2 控制器选择比较 ...............................................................................................................3 3 城市排水泵站监控系统控制要求 ..........................................................................................6

3.1 城市排水监控系统构成 .................................................................................................6 3.2 城市排水泵站监控系统控制要求 ...............................................................................7 3.3 城市排水泵站监控系统流程图 ...................................................................................8 4城市排水泵站监控系统的硬件配置 .......................................................................... 13

4.1 PLC简介及选型 ............................................................................................................. 13 4.2 排水泵 .............................................................................................................................. 14 4.3 交流接触器与中间继电器 ......................................................................................... 15 4.4 液位计选择 ..................................................................................................................... 16 4.5 变频器选型设定 ............................................................................................................ 16 5城市排水监控系统的电气设计 ............................................................................................. 18

5.1控制系统器件清单表 .................................................................................................... 18 5.2 控制系统PLC的I/0地址分配表 ............................................................................ 18 5.3 PLC原理接线图 ............................................................................................................. 20 5.4 控制系统电气接线图 .................................................................................................. 22 6城市排水泵站监控系统编程设计 ........................................................................................ 26

6.1 Step7编程软件 ............................................................................................................. 26 6.2 PLC程序编译 ................................................................................................................. 27 7城市排水泵站监控系统仿真运行 ........................................................................................ 31

7.1 step7程序仿真和组态软件Wincc7.0仿真 ........................................................ 31 7.2 WINCC监控画面仿真运行........................................................................................... 32 结论 .................................................................................................................................................. 35 参考文献 ......................................................................................................................................... 36 致谢 .................................................................................................................................................. 37 附录A 功能程序 .......................................................................................................................... 38 附录B WINCC仿真运行 ............................................................................................................ 45

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1 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，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去发展，发展成多个小中型的城市，从而缓解压力。

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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。

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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。

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、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

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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

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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。

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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

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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。

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，

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紧急排水泵自动停止，保证系统安全运行。

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

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出现堵塞，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。

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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。

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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。

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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，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

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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。

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图4-2 s7-300 PLC

4.2 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

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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

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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4～20mA、 0～5v、 0～10mA等标准信号输出方式。如图4-6所示。

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。

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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 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HZ P1002=40 运行频率HZ P1003=60 运行频率HZ

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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S7-300 1 2 WINCC监控软件 1 3 操作电脑 1 4 超声波液位计 3 5 电磁阀门 7 6 中间继电器 14 7 交流接触器 12 8 传感器 10 9 变频器MM420 4 10 离心泵 7 11 按钮 若干 12 导线 若干 13 指示灯 若干

5.2 控制系统PLC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。 、数字量输入部分,如表5-2所示。

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表5-2 数字量I口分配表

信号名称 开始 停止 模拟下雨 模拟工业废水 模拟生活废水 模拟堵塞1 模拟堵塞2 模拟堵塞3 模拟A池水泵故障 模拟B池水泵故障 1、 数字量O口部分，见下表5-3。

输入地址 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 备 注 按钮 按钮 传感器 传感器 传感器 传感器 传感器 传感器 传感器 传感器 表5-3 数字量O口分配表

信号名称 A池排水泵 A池备用排水泵 B池排水泵 B池备用排水泵 总池排水泵1 总池排水泵2 总池紧急排水泵 雨水控制阀 工业废水控制阀 生活废水控制阀 A池进水阀 B池进水阀 总池进水阀 输出地址 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 备 注 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 中间继电器 19

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总池排水阀 运行灯 报警 2、模拟量输入部分，如表5-4所示。

Q1.5 Q1.6 Q1.7 中间继电器 指示灯 指示灯 表5-4 模拟量输入地址分配表

信号名称 A集水池水位 B集水池水位 总集水池水位 输入地址（模拟） PIW0 PIW1 PIW2 备 注 液位计 液位计 液位计 5.3 PLC原理接线图

根据城市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。

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6城市排水泵站监控系统编程设计

6.1 Step7编程软件

Step-7是西门子公司开发的专业的编程软件。除了编程之外，它还可以实现程序运行时候的实时监控，指令也很齐全，使用起来也非常的方便，简单易上手。如图6-1所示。

根据城市排水泵站监控系统的设计思想，采用S7-300 PLC cpu314，cpu314可以扩展到四个机架，每个框架也可以增加信号或功能模块，可达到8个。CPU在零机架的二槽，电源模块只能放在在一槽，接口模块放置在三槽，而四槽到十一槽能够随意的安装信号和功能模块。

我们选用了ps 307 10A这个电源模块，把它安装在一号槽上，选用了CPU314，把它安装在靠着电源模块的二号槽上。然后我们还选用了DI16/DO16*24V/0.5A的数字量输入和输出，以及AI4/AO4的模拟量输入，把它们安装在四号到十一号槽之间。

图6-1 PLC配置

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6.2 PLC程序编译

利用step-7软件给城市排水监控系统编写程序。根据城市排水泵站监控系统的控制要求，在程序中，编写了系统启动、水位判断、模拟量信号采集处理、模拟水流、及保护措施等等。 （1）系统启动

在给西门子s7-300 PLC开机供电后，系统对程序进行周期扫描，直到启动按钮启动后，监控系统进入运行状态，以下程序I0.0为外部启动按钮，I0.1为外部停止按钮，M101.3.0为WINCC监控画面内启动按钮，M101.2.0为WINCC监控画面内停止按，Q1.6连接着输出指示灯和WINCC监控画面内指示灯。如下图6-2所示。

图6-2 启动程序

（2）模拟下水道进水流动

当开始运行系统后，可以按钮下雨模拟、工业废水模拟和生活废水模拟，只要管道正常运行无堵塞，那么会正常模拟管道内水流流动。如下图6-3所示。

图6-3 水流模拟

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（3）水位判断

当系统运行过程中，且模拟水流运行中，当检测A池水位低于一定值时，A池进水阀打开，当水位高于一定值，A池进水阀关闭，同时打开B池进水阀，然后检测B池水位是否低于一定值，当低于一定值，B池进水阀打开，当水位高于一定值后，且A池水位低于高限水位，就再次打开A池进水阀，依次循环下去，如下图6-4所示。

图6-4 AB池水位判断

（4）模拟处理模拟量信号

当系统运行过程中，当A池进水阀打开或B池进水阀打开时，PLC检测到有雨水或工业废水或生活废水时，A或B集水池开始根据实际进水，进水力度根据雨水模拟按钮、工业废水按钮和生活废水按钮而定。如下图6-5所示。

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图6-5 模拟水位采集

（5）定时停机保护

在总水池排水中，当检测到水位高于一定值时，一号总水池排水泵启动，并且定时，当，定时时间到，立即停止一号总水池排水泵，启动二号总水池排水泵，定时相同时间，当时间到，停止二号总水池排水泵，启动一号总水池排水泵，以次循环如下图6-6所示。

图6-6 定时停机

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（6）紧急排水

在总水池排水中，当检测到水位高于上限值时，一号总水池排水泵和二号总池排水泵轮流运行，并且总池紧急排水泵启动如下图6-7所示。

图6-7 紧急排水

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7城市排水泵站监控系统仿真运行

7.1 step7程序仿真和组态软件Wincc7.0仿真

启动STEP7软件后,进入模拟程序运行画面，通讯模式选择MPI，如下图7-1所示。

图7-1程序模拟运行

启动WINCC组态后,初始画面如下图7-2所示。

图7-2 WINCC初始模拟画面

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7.2 WINCC监控画面仿真运行

当按下启动按钮后，运行指示等亮起，按下模拟下雨、模拟工业废水按钮后，管道内水流模拟流动，A池进水阀打开，B池进水阀关闭，向A集水池进水，当检测到A池有水位达到设定值时，A池排水泵启动。如下图7-3所示。

图7-3 A集水池进水画面监控

当A集水池水位到达上限值时，A池进水阀关闭，B池进水阀打开，向B池进水，当B池水位到达一定值时，B池排水泵启动排水。如图7-4所示。

图7-4 B集水池进水监控画面

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当总集水池水位大于设定值后，总池排水泵1定时，当时间到达后，自动停止，总池排水泵2自动启动，同时定时，循环下去。如下图7-5所示

图7-5 总池排水阀循环运行画面

当总集水池的水位比报警值高是，系统报警，报警灯亮起，PLC发出信号，自动启动总池紧急排水泵，直到总集水池水位比下限值低为止，见下图7-6。

图7-6 紧急排水画面

当按下模拟堵塞按钮，系统会立即报警，管道堵塞报警灯亮起。停止工作人员管道

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内有堵塞物，请及时处理，如下图7-7所示。

图7-7 报警堵塞画面

在系统设置中，可以监控到AB池排水泵运行频率，运行的频率是根据AB池各个集水池的水位来判断出排水泵的运行频率，如下图7-8所示。

图7-8 频率监控画面

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结论

本文主要介绍了基于西门子S7-300 PLC和WINCC的城市排水泵站监控系统的设计。系统设计包含硬件和软件两个方面。硬件设计方面，各硬件设备根据系统的控制要求进行了选型并对西门子s7-300PLC外部电路接线进行了设计；软件设计方面概述了组态软件设计的方法，组态了城市排水模拟过程，编写了模拟梯形图，并且进行仿真调试。 通过题设计和调试，大致完成了对S7-300的PLC和WINCC组态的城市排水泵站监控系统的仿真设计，达到了预期的设计目标。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的仿真模拟按钮，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，并且报警提示工作人员，对应管道内出现堵塞现象，当集水池A或B的水位过高，进水阀紧急关闭，而另一个集水池B或A阀门打开进水，防止出现洪涝，每个集水池以防水泵出现故障，设置备用水泵，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，设立了一定水位，集水池排水泵才运行，并且定时停机。

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。

在整个毕业设计的过程中，遇到了很多的难题，只有通过查阅大量的文献或者请假指导老师来解决，整个过程受益匪浅。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3ie7.html