武汉大学水电站自动化课程设计样本.doc

水电站自动化课程设计

专 业： 能源与动力工程
设 计 人：
班 级： 能 动 四 班
学 号：
指引教师： 肖志怀
完毕时间： 1 月 11 日

目录

目录 - 1 -
第一章 设计原始资料 - 2 -
第二章 电动机主电路设计 - 3 -
2.1 电机选取 - 3 -
2.2 主回路接线原理图 - 3 -
2.3 主回路设备选取 - 7 -
2.4 电机保护 - 10 -
第三章 系统控制回路设计 - 11 -
3.1 系统控制构造 - 11 -
3.2 控制系统工作原理 - 12 -
第四章 PLC控制回路设计 - 14 -
4.1 PLC选取 - 14 -
4.2 I/O端子分派及接线图 - 15 -
4.3 梯形图程序设计及阐明 - 15 -
4.4 语句指令表 - 15 -
4.5 设备清单 - 15 -
附表 - 16 -
参照文献 - 17 -

第一章 设计原始资料
集水井排水装置自动控制
某水电站渗漏排水系统有二台相似渗漏排水泵，一台工作，一台备用。水泵类型为深井泵，单台配套电动机容量：90kW，电压：AC380V。每台水泵出水管道上安装一只电动阀门，水泵抽水时电动阀门打开，水泵停止时电动阀门关闭，电机功率1.5kW。
排水井水位和高程：渗漏排水井底板高程3.0m，停泵水位高程5.0m，工作泵启动水位高程11.5m，备用泵启动水位高程12.0m，报警水位高程12.2m。
控制规定（机构系统图如图1）：
（1） 深井泵启动前3秒必要先给润滑水，泵启动后2min切断润滑水，润滑水由机组技术供水系统供应，供水管径20mm，通过电磁阀自动控制，该电磁阀工作可自动合/分，也可手动合/分。
（2） 盘面上要有电源批示灯，运营批示灯和故障批示灯。控制柜有电时电源批示灯亮，抽水泵电动机运转时运营批示灯亮，控制柜有故障时故障批示灯亮，故障信号：（a）接触器故障（b）启动超时（45s）
（3） 深井泵工作方式：自动/手动。自动方式时，控制装置根据控制流程规定自动实现水泵启/停控制。手动方式时，通过操作面板上操作开关直接控制水泵，该方式仅供设备调试或检修使用。
（4） 蓄水池水位达到报警水位时，控制柜内喇叭要发出断续蜂鸣声，电铃要响。
（5） 出水管道上阀门电动机正反转时要有硬件互锁和软件互锁，避免电气短路。
（6） 工作水泵和备用泵每周轮换一次。
图1-1 集水井排水装置机构系统图
第二章 电动机主电路设计
2.1 电机选取
（1）水泵电动机选取
依照本设计深井泵工作环境、方式以及电动机容量：90KW,电压：AC380V,可选取Y280M-2电动机，其详细参数如表2-1所示。
（2） 电动阀电动机选取
由于电机功率为1.5KW,则选用Y90S-2电动机，其详细参数如表2-1所示。
表2-1 电动机技术参数
型号
额定功率/kw
满载时
额定转矩
质量/kg
电流/A
转速/(r/min)
效率/%
Y280M-2
90
166
2970
92.5
2.2
620
Y90S-2
1.5
3.4
2840
78
2.3
22
2.2 主回路接线原理图
考虑到排水装置控制规定，设计得电动机主回路接线图如图2-1所示，其工作原理如下：
合上电源开关QS1，按下启动按钮SB1，接触器KM1得电吸合并自锁，接触器KM2也同步得电吸合，电动机三相绕组在Y形接法下降压启动，同步时间继电器KT1通电计时。
通过一段时间延时后，时间继电器KT1常闭触点打开，常开触点闭合，接触器KM2失电释放，其常闭辅助触点闭合，继电器KM3得电吸合并自锁，将电动机三相绕组接成△形在全压下运营。
其中，1号泵电动机由POWER1电源单独供电，2号泵电动机由POWER2电源单独供电，并互为备用。当两路电源中有一路发生故障切除时（1QF、2QF之一断），则备用电源自动切换装置APD将母联断路器（3QF）合上，以保证电动机正常工作。

由于电动机功率较大，为减小启动电流，故在本设计电动机主回路中选用Y-△降压启动方式。其控制回路如图2-2所示。

图2-2 控制电路图
2.3 主回路设备选取
2.3.1 接触器选取
在电气控制电路中，接触器使用十分广泛，其额定电流和额定电压是随时用条件不同而变化，只有依照不同使用条件去对的选用，才干保证它在控制电路中长期可靠运营，充分发挥其作用。
接触器用于带有负载主电路自动接通和切断，分直流和交流接触器两大类，交流接触器重要有CJ0及CJ10系列。机床电器控制电路中应用最多是交流接触器。
在普通状况下，选用交流接触器重要根据如下：
①　 吸引线圈电源种类：交流或直流。
②　 主触点额定电压、额定电流。
③　 辅触点类型、数量及其额定电流。
④　 吸引线圈电源种类，频率和额定电压。
⑤　 额定操作频率（次/h），即容许每小时接通最多次数。
详细选取时应注意如下四点：
①　 主触点额定电流应不不大于或等于被控对象（负载）电流，对于电动机这种负载可按下面经验公式来初步拟定其主触点电流，即
（2-1）
式中：为被控制电动机额定功率（kW）；为电动机额定电（V）；k为经验系数，普通取1~1.4.实际选用接触器时，主接触器额定电流应不不大于计算值，也可以参照《控制电器及应用》表6-9，按被控电动机容量进行选用。对于频繁启动和制动以及频繁正反转工作电动机，为了防止接触器主触点烧蚀和过早损坏，应将其额定电流减少一种级别使用，或将表6-9中所示被控电动机容量减半选用。
②　 接触器主触点额定电压应不不大于被控对象额定电压。
③　 接触器触点数量及其种类应满足控制需要，当辅触点对数不能满足规定期，可用增设中间继电器办法来解决。
④　 接触器吸引线圈电压种类与电压级别应依照控制电路及被控对象规定选用。简答控制电路可直接选用380/220V电源电压作为接触器吸引线圈电压。比较复杂控制电路选用127/110V或更低电压作为接触器吸引线圈电压比较适当。
由式2-1计算可得：

故KM1、KM2、KM3应选用CJ20-250接触器,KM4、KM5选用CJ20-5。

2.3.2 熔断器选用
1、 选用普通原则
①　 按适当电压级别和配电系统中能浮现最大短路电流来选用熔断器。
②　 gG、gM和aM熔断体选用：(a)gG熔断体属于普通用途可实现全范畴分断熔断体，它兼有过电流保护功能，重要用于线路保护；(b)gM熔断体可实现全范畴保护电动机，既可用于对电动机电路过载保护，也可用于对电动机回路短路保护，gM熔断体还可以保护照明回路；(c)aM熔断体只能在某些范畴分段地保护电动机，因此用在电动机主回路时需要在回路中配套热继电器。
③　 当熔断器是按上下级安装时，需要考虑选取性配合关系。
g类熔断体过电流选取比有1.6:1和2:1两种。普通地，专职人员使用带刀口熔断体过电流选取比为1.6:1，而带螺栓连接熔断体和圆筒形熔断体其过电流选取比为2:1.
应用在电动机回路熔断器：对于单台电动机主回路，应当按电动机起动电流倍数来考虑让熔断体截断电流不不大于或等于电动机起动冲击电流，熔断体额定电流应当等于，这里是电动机额定电流为166A。
则，
因此FU1、FU2选用NGT1-250/380熔断器，FU3选用RLIB15熔断器。
2.3.3 热继电器选用
热继电器重要用于电动机过载保护，选用时必要考虑电动机工作环境、起动状况、容许过载能力等因素，详细应按如下几种方面来选取。
①　星型联结电动机可选用两相或三相构造热继电器；三角形联结电动机应选用带断相保护三相构造热继电器。
②　在长期工作制或间断长期工作制下，按电动机额定电流来拟定热继电器型号及热元件额定电流级别。热元件额定电流应接近或略不不大于电动机额定电流，即
（2-2）
对于工作环境恶劣、起动频繁电动机，热元件额定电流则按下式拟定，即
（2-3）
③　在不频繁起动场合，要保证热继电器在电动机起动过程中不产生误动作。普通，当电动机起动电流为其额定电流6倍且起动时间不超过6s时，热继电器额定电流应不不大于或至少等于被保护电动机额定电流。若电动机起动时间较长（超过5s），热元件额定电流可调节到电动机额定电流1.1~1.5倍。
④　对于正反转和通断频繁特殊工作制电动机，不适当采用热继电器作为过载保护装置，必要时可选用埋入电动机绕组温度继电器或热敏电阻来保护。
由式2-2可得：

因此，FR1选用T250热继电器，FR2选用JRSI-25热继电器。

2.3.4 断路器选用
空气开关也就是断路器，在电路中作接通、分断和承载额定工作电流，并能在线路和电动机发生过载、短路、欠压状况下进行可靠保护。其选型原则如下：

（1） 断路器额定电压必要不不大于或等于线路工作电压。
（2） 断路器额定短路通断能力≥线路中也许浮现最大短路电流。
（3） 断路器额定电流≥线路负载电流。
（4） 漏电断路器额定漏电动作电流必要≥2倍线路业已存在泄漏电流。
（5） 断路器末端单相对地短路时能使选用B、C、D型瞬时脱扣器开关动作，对于不同类型负载（用电设备）选用不同瞬时脱扣器和相应电流级别产品。
（6） 在装漏电保护器之前必要弄清原有供电保护型式，以便判断与否可以直接安装或需改动。
（7） 有进出线规定产品必要严格按规定接线，进出线不可反接。
综合以上因素考虑，则本设计选用DZL25断路器

2.4 电机保护
本设计中通过采用三个PTC热敏电阻内置于电动机定子绕组内监测电动机运转时定子绕组内温度，温度开关两端引致PLC相应输入端。温度开关为双金属片构造，正常工作时触点处在闭合状态(详细见第四章温度开关简介)。当电动机过热时，任一种PTC热敏电阻温度达到额定断开温度时，电阻值急剧上升，温度开关双金属片触点断开， PLC机温检测输入端断开，PLC及时切断电动机启动器； 保护电机绕组、轴承、电容器等易发热器件。温度开关额定断开温度也即是欲控制电动机定子绕组最高温度参照设立为90℃。
此外，采用断路器和熔断器用于电动机短路保护。
第三章 系统控制回路设计
3.1 系统控制构造

图3-1 集水井排水装置自动控制原理流程图
3.2 控制系统工作原理
可编程控制器进入运营状态，先检测各状态量和通过A/D模块检测水位变送器传送水位信号，如发现某一事故则作相应事故解决，如果发现LCU传送手动开和停泵信号，也作相应解决。为了精确可靠工作，PC对水位检测通过开关量输入和A/D采样对节点式和模仿量输出水位信号进行检测，当两水位信号都是不不大于工作泵启动水位时，则置M1 =1，当水位不不大于备用泵启动水位时，则置M2 =1，当水位不不不大于水泵停止水位时，则置M1=M2=0。M1和M2中间继电器状态如表3-1所示。
表3-1 M1和M2中间继电器状态图
备用泵启动
工作泵启动
停泵
M1
1
1
保持状态“0”或“1”
0
M2
1
保持某状态“0”或“1”
0

自动投入：当M1 =1，即集水井水位上升到工作泵启动水位时，则PC发一开关量输出信号控制工作泵电动机启动。当集水井水位下降到停泵水位（M1 =0）时，PC发出信号控制关闭水泵电动机。
备用投入：当M2=1，即当工作泵故障或来水量大增，使集水井水位上升到备用泵启动水位时，PC发一控制信号控制打开备用水泵，并发出报警信号。当集水井中水位下降到停泵水位时即M2 =0时，则PC发一控制信号控制备用泵停机。

第四章 PLC控制回路设计
4.1 PLC选取
1、输入点数拟定：设立4个水位点从高到低依次是过高水位、备用泵启动水位、工作泵启动水位、停泵水位，用到4个输入端；电源信号用到2个输入端；泵出口示流信号、压力信号各用到2个输入端，润滑水示流信号用到2个输入端，用于电机运营接触器KM1、KM2、KM6、KM7，用于电机三角形降压启动接触器KM3、KM8，用于阀门电动机正反转接触器KM4、KM5、KM9、KM10用到10个输入端，共计22个开关量输入点。
2、输出点数拟定：水位批示灯4个；1号泵启动/停泵信号2个；2号泵启动/停泵信号2个；两组冲水电磁阀2个；两组阀门正/反转及停车信号6个；电源批示灯2个；手动批示灯和自动批示灯2个；两组故障批示灯和蜂鸣器报警输出共3个；总计23个开关量输出点。
3、依照以上分析选用FX2N-48MR-001，共24个开关量输入端，24个开关量输出端。输入点余出2个可用于主备水位计各自输入端，亦可作为余量。FX2N是FX系列中功能最强、速度最高微型PLC，内置顾客存储器8Kb，可扩展到16Kb，最大可扩展到256个I/O点，可有各种特殊功能扩展，实现各种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。有功能很强数学指令集。通过通信扩展板或特殊适配器可实现各种通信和数据链接。

4.2 I/O端子分派及接线图
PLC外部端子接线图如图4-1所示：

4.3 梯形图程序设计
依照系统工艺和控制规定，根据I/O端子分派，在梯形图程序中设立了相应程序段功能模块，设计梯形图如图4-2所示。

图4-2 PLC梯形图
4.4 语句指令表
表4-1 排水泵控制参照程序表
地址
指令
数据
阐明
地址
指令
数据
阐明
0
LD
X0
工作泵启泵水位
52
ANI
T7

1
OR
M1
机组润滑水供应
53
OUT
Y10
电铃（响5s停2s）
2
ANI
M3

54
LD
T7

3
LD
M1

55
OUT
T8

4
OUT
T2

56
SP
K20

5
SP
K30
延时3s
57
LD
X20
阀门1电动机正转
6
AND
T2

58
OR
Y11

7
OUT
T1

59
ANI
X21
停车
8
SP
K1230
延时123s
60
ANI
X10
阀门1电动机反转
9
OUT
Y0
启动工作泵电机
61
ANI
Y12

10
ANI
T1

62
OUT
Y11

11
OUT
Y4
切断润滑水供应
63
LD
X10

12
LD
X1
备用泵启动水位
64
OR
Y12

13
OR
M2
润滑水供应
65
ANI
X21

14
ANI
M4

66
ANI
X20

15
LD
M2

67
ANI
Y11

16
OUT
T3

68
OUT
Y12

17
SP
K30
延时3s
69
LD
X11
阀门2电动机正转
18
AND
T3

70
OR
Y13

19
OUT
T4

71
ANI
X12
停车
20
SP
K1230
延时123s
72
ANI
X13
阀门2电动机反转
21
OUT
Y2
启动备用泵电机
73
ANI
Y14

22
ANI
T4

74
OUT
Y13

23
OUT
Y5
切断润滑水供应
75
LD
X13

24
ANI
X2
停泵水位
76
OR
Y14

25
OUT
M3

77
ANI
X12

26
OUT
M4

78
ANI
X11

27
LD
X3

79
ANI
Y13

28
OUT
Y6
电源批示灯
80
OUT
Y14

29
LD
Y0

81
LD
X14
切换泵信号
30
OUT
Y7
工作泵运营批示灯
82
OUT
Y1

31
LD
Y2

83
LD
Y1

32
OUT
Y20
备用泵运营批示灯
84
ANI
T1

33
LD
X4
接触器故障
85
OUT
T1

34
OR
M5
启动超时
86
SP
K1440
定期144s
35
OUT
Y21
故障批示灯
87
LD
T1

36
LD
M1

88
OUT
C1
计时600次
37
ANI
X5

89
LD
C1

38
OUT
T5

90
OUT
Y2
启动备用泵
39
SP
K480
延时48s
91
RST
C1
复位
40
AND
T5

92
OUT
Y0
关闭工作泵
41
OUT
M5

93
LD
Y2

42
LD
M2

94
ANI
T2

43
ANI
X6

95
OUT
T2

44
OUT
T6

96
SP
K1440

45
SP
K480
延时48s
97
LD
T2

46
AND
T6

98
OUT
C2

47
OUT
M5

99
LD
C2

48
LD
X7
报警水位
100
OUT
X14

49
ANI
T8

101
RST
C2

50
OUT
T7

102
OUT
Y2
关闭备用泵
51
SP
K50

103
END

4.5 设备清单
表4-1 设备清单表
序号
名称
型号
数量
1
接触器
CJ20-250
6
2
接触器
CJ20-5
4
3
熔断器
NGT1-250/380
4
4
熔断器
RLIB15
4
5
热继电器
T250
2
6
热继电器
JRSI-25
2
7
断路器
DZL25
3
8
压力传感器
CYG190
2
9
流量传感器
ZCL
4
10
PLC
FX2N-48MR-001
1

附表
附表1 小组分工明细表
成员
分工
备注
赖鑫
电动机主回路设计、控制系统回路设计、电气主回路接线图绘制及设计阐明书排版编辑
组长
符白兰
PLC选取、控制回路设备选取及设计阐明书排版编辑

郑舒鹏
电气主回路接线图、控制回路原理流程图绘制及梯形图程序设计

江嘉堃
PLC外部接线图设计及绘制

夏大雄
有关资料借阅

参照文献
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