雨水利用自动控制系统的具体设计.pdf

5 ??? 401 引言引言引言引言    .1 课题研究的背景课题研究的背景课题研究的背景课题研究的背景 本文是雨水利用自动控制系统的具体设计说明， 设计一个雨水罐液位自动控制系统，并且使用 MCGS 进行组态监控在程序设计上，以及在控制系统中，运用了先进的设计方法，如编写可编程控制器 PLC 中的梯形图与流程图，对控制系统中的水泵和进水阀进行控制，采用了液位、压力传感器信号输入控制元件，实现雨水罐中液位的动态平衡，确保供水管道中水压的稳定本文主要介绍小型雨水利用自动控制系统，可用于学校，企业公园等小面积区域的绿化灌溉具有管理方便，设计简单，成本廉价等特点 雨水利用控制器的结构示意图如图 1-1 所示 1 1  Fig 1-1 rain waters make use of controller structure sketch map 1.1.1 雨水利用自动控制国内外的发展现状雨水利用自动控制国内外的发展现状雨水利用自动控制国内外的发展现状雨水利用自动控制国内外的发展现状 1. 1. 1. 1. 我国城市雨水利用概述我国城市雨水利用概述我国城市雨水利用概述我国城市雨水利用概述 我国城市雨水利用的思想具有悠久的历史，北京北海团城古代雨水利用工程是古代雨水利用的典范。

而真正意义上的城市雨水利用的研究与应用却开始于 20世纪 80 年代，发展于 90 年代，目前呈现出良好的发展势头 北京、上海、大连、哈尔滨、西安等许多城市相继开展雨水收集利用研究，尤其是北京近几年雨水集蓄利用技术发展步伐较快北京市节水办和北京建筑工程学院从 1998 年开始立项研究， 北京市水利局和德国埃森大学的合作项目于 2000年启动，已建雨水利用工程等示范工程 10 多处；2003 年 4 月起施行《关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定》 ，要求凡在本市行政区域内，新建、改建、 5  41扩建工程均应进行雨水利用工程设计和建设，雨水利用工程应与主体建设工程同时设计、同时施工、同时投入使用 2. 2. 2. 2. 城市雨水利用在国外城市雨水利用在国外城市雨水利用在国外城市雨水利用在国外 由于全球范围内水资源紧缺和暴雨水水灾害频繁，近 20 年来美国、加拿大、意大利、法国、墨西哥、印度、土耳其、以色列、日本、泰国、苏丹、也门、澳大利亚、 德国等 40 多个国家开展了雨水利用的研究与实践 , 并召开过十届国际雨水利用大会。

其中，德、日、美等经济发达、城市化进程发展较早的国家，将城市雨水利用作为解决城市水源问题的战略措施，试验、推广、立法、实施 德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一目前德国的雨水利用技术已经进入标准化、产业化阶段，市场上已大量存在收集、过滤、储存、渗透雨水的产品德国的城市雨水利用方式主要有三种：一是屋面雨水集蓄系统，二是雨水截污与渗透系统，三是生态小区雨水利用系统在雨水利用方面，德国还制定了一系列法律法规，规定在新建小区之前，无论是工业、商业还是居民小区，均要设计雨水利用设施，若无雨水利用措施，政府将征收雨水排放设施费和雨水排放费 日本的城市雨水利用在亚洲先行一步，1980 年日本建设省就开始推行雨水贮留渗透计划，1988 年成立“日本雨水贮留渗透技术协会” ，1992 年颁布“第二代城市下水总体规划”正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分，要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施日本“降雨蓄存及渗滤技术协会”经模拟试验得出：在使用合流制雨水管道系统地区合理配置各种入渗设施的设置密度，强化雨水入渗使降雨以 5mm/h 的速率入渗地下可使该地区每年排出的 BOD 总量减少 50%。

有效促进了城市雨水资源化进程 美国的雨水利用是以提高天然入渗能力为其宗旨, 针对城市化引起河道下游洪水泛滥问题，美国的克罗拉多州（1974 年） 、佛罗里达州（1974 年）和宾西法尼亚州（1978 年）分别制定了《雨水利用条例》 这些条例规定新开发区的暴雨水水洪峰流量不能超过开发前的水平所有新开发区（不包括独户住家）必须实行强制的“就地滞洪蓄水” 综合国外发达国家城市雨水利用的主要经验是：制定了一系列有关雨水利用的法律法规；建立了完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统；收集的雨水主要用于冲厕所、洗车、浇庭院、洗衣服和回灌地下水 1.1.2 工业自动化控制技术的发展状况工业自动化控制技术的发展状况工业自动化控制技术的发展状况工业自动化控制技术的发展状况 !“#$% 5 44随着我国经济社会的高速发展和城市化进程不断加快，水资源短缺和污染已经成为制约国民经济可持续发展的重要因素以单位国民生产总值的耗水量及污水排放量计，我国要比发达国家高得多因此，我们必须加大环境治理力度并切实保护好水资源，做到合理利用水资源。

本文设计的雨水利用自动控制系统具有技术先进工作可靠，简单易懂，操作维护方便、性能优良、功能强大，适合在我国城市的推广和使用，对合理利用水资源、节约用水都有重大的现实意义和实用价值 1.41.41.41.4 本文研究的主要内容本文研究的主要内容本文研究的主要内容本文研究的主要内容 1.具体设计要求 设计一个雨水利用自动控制系统，包括雨水罐上、中、下三种液位的不同控制，并且使用 MCGS 进行组态监控指标要求： ① 雨水罐液位低于下液位检测开关（S4=0）时，出水泵 Y2 禁止动作； ② 雨水罐液位高于下液位检测开关（S4=1） ，而且气压罐压力低于设定值（S1=0）时，出水泵 Y2 启动，气压罐压力增加，直到压力高于设定值（S1=1）时，出水泵 Y2 滞后 5 秒停止； ③ 雨水罐液位低于中液位检测开关（S3=0）时，进水阀 Y1 开启，注入清水以补充雨水的不足； ④ 雨水罐液位高于上液位检测开关（S2=1）时，进水阀 Y1 关闭，停止注入清水； ⑤ 使用 MCGS 进行组态监控 2.本文是采用 PLC 技术对雨水利用自动控制系统的设计与研究，其主要内容是： ① 熟悉 PLC 技术的应用方法； ② 熟悉雨水利用自动控制系统的结构组成、 工作原理、 操作方式和控制特点； ③ 用 PLC 编程方法代替雨水利用自动控制系统中通过连线而实现的所有逻辑控制，并且根据 PLC 的功能特点增加工作状态显示功能； ④ 硬件设计和软件设计； ⑤ 实验室模拟调试。

1.5 小结小结小结小结 开发研制的此项新型雨水利用自动控制系统方案采用先进技术、抗干扰能力强、工作可靠性高、简单易懂、容易掌握、操作维护方便、性能优良、功能强大、?@ABCDE 5 FGH 45自动化程度高，此项可以达到节约水源的需求，适合我国现在的国情，对我国经济的发展，以及雨水利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实用价值 2 雨水利用自动控制系统的硬件设计雨水利用自动控制系统的硬件设计雨水利用自动控制系统的硬件设计雨水利用自动控制系统的硬件设计 PLC 技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、记数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力PLC 技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化PLC 的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高IJKILKPLC 控制系统为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。

2.1 PLC2.1 PLC2.1 PLC2.1 PLC 的选型设计的选型设计的选型设计的选型设计 PLC 电路主要有 PLC、各种传感器、操作开关和低压交流接触器等组成 根据控制要求，系统的输入信号：按钮 2 个，液位传感器 3 个，压力传感器 1个，共有 6 个开关量输入信号；系统的输出信号有：电磁阀 1 个，水泵电机接触器 1 个，共有 2 个开关量输出信号这样的控制规模不大，考虑到留以备用，可以选用一台小型规模的 PLC 就能满足控制要求为了降低成本，因此，本文决定选用一台中等规模的 S7—200（CPU222）PLC 做主机单元德国西门子公司是全球著名的电气公司，该公司最新推出的中等规模 PLC 产品是 S7—200 系列IM KIN K该系列的 PLC 为整体式结构，易于构成模块化 PLC 控制系统，易于实现分布控制，便于系统扩展这种系列的 PLC 欲组成一个 PLC 控制系统，只需要在一个基板上插上主机单元模块、输入扩展单元模块、输出扩展单元模块及其它需要的功能单元模块，就可以构成一个大规模综合控制系统因此本文确定选用德国西门子公司生产的 S7—200 系列 PLC。

2.2 PLC2.2 PLC2.2 PLC2.2 PLC 的硬件配置设计的硬件配置设计的硬件配置设计的硬件配置设计 由于 S7—200 系列 PLC 在一个基板上最多设置 8 个单元模块，而 PLC 电路共需要 6 个开关量输入点、2 个开关量输出，为了考虑到今后的调整和扩展，一般应在估计的总点数上再加上 20％～30％的备用OM P， 因此可以选用 CPU222 型主机单元，不需要扩展单元模块，就可以满足要求PLC 的具体硬件配置如表 2-1 所示 CPU222 型主机单元具有 8 输入/6 输出共计 14 个数字量 I/O 点，可以连接 2个 I/O 扩张单元，最大扩展至 78 个数字量 I/O 点或 10 路模拟量 I/O，程序和数据QRSTUVW 5 XYZ 46存储容量为 6KB可以满足今后的调整和扩展 [\]^_`abcdef Tab2-1 The detailed hardware component table of PLC 2.3 PLC2.3 PLC2.3 PLC2.3 PLC 的的的的 I/OI/OI/OI/O 编址编址编址编址 PLC 的输入∕输出（I∕O）编址如表 2-2 所示。

[\g\_`abhijhklmjnopq Tab2-2 The table of the I/O addresses of PLC 2.4 PLC2.4 PLC2.4 PLC2.4 PLC 的输入的输入的输入的输入∕∕∕∕输出点分配输出点分配输出点分配输出点分配 PLC 的输入∕输出具体分配如表 2-3 所示 [\gr_`abhijhksqte Tab2-3 The detailed table of the input/output addresses of PLC uvwxyz{ 5 XYZ 472.5 PLC2.5 PLC2.5 PLC2.5 PLC 的输入的输入的输入的输入∕∕∕∕输出电路设计输出电路设计输出电路设计输出电路设计 PLC 的输入∕输出电路如图 2-1 所示 |\g^_`av}~u€mjn‚| Fig2-1 The I/O diagram of the host unit of PLC 注释：图 2-1 中，B1 为气压罐压力传感器，B2 为上液位传感器，B3 为中液位传感器，B4 为下液位传感器，SB1 为启动按钮，SB2 为停止按钮。