旋转式滤水器控制系统设计_(PLC_S7-200).doc

内容摘要

水电厂滤水器的正常运行是保证水电厂技术供水系统设备安全运行的一项重要内容，根据水电厂水源的实际情况，选择一种可靠性高和适应实际水质情况的滤水器，是水电厂技术供水系统运行可靠的保证。目前，我国部分水电厂滤水系统不能有效排污。特别是夏季暴风雨季节，水中污物更加突出，再加上近年来越来越多的塑料瓶、袋等杂物的增多，给电厂安全经济运行造成困难，机组人员需经常进行人工清理，不但造成经济损失，而且增加了工人的劳动强度。
旋转式滤水器主要用于水力发电厂的生产用水过程中，对进入水厂原水中2cm3以上的漂浮杂物进行过滤除杂。该设备安装在水处理车间的进水管道入口处，根据生产用水量的实际需要，既可单台使用，也可多台并联运行。旋转式滤水器的基本工作原理是根据旋转式滤水器进水口、出水口之间的水位压力差来控制旋转式滤水器的除杂排污。

关键词：PLC控制；西门子S7-200；自动控制；滤水器；排污

目 录

第1章　引言 1
1.1　设计要求 1
1.2　控制要求 2
第2章　系统总体方案设计 3
2.1　整体结构 3
2.2　机械结构 3
第3章　电气控制系统设计 4
3.1　主电路设计 4
3.2　交流控制电路设计 5
3.3　主要参数计算 5
第4章　PLC控制系统设计 6
第5章　PLC程序设计 8
5.1 程序流程图 8
5.2 PLC程序梯形图 9
5.3 PLC指令表 9
结论 10
课程设计总结 11
谢辞 12
附录 13
附录一 13
附录二 14
附录三 15
附录四 16
附录五 18
附录六 20
参考文献 21

第1章　引言
1.1　设计要求
旋转式滤水器主要用于水力发电厂的生产用水过程中，对进入水厂原水中2cm3以上的漂浮杂物进行过滤除杂。该设备安装在水处理车间的进水管道入口处，根据生产用水量的实际需要，既可单台使用，也可多台并联运行。旋转式滤水器的基本工作原理是根据旋转式滤水器进水口、出水口之间的水位压力差来控制旋转式滤水器的除杂排污。
正常滤水过程：由于旋转式滤水器进水与出水口的水流正常，产生的压力差低于差压控制器设定值，因此，差压控制器内微动开关无动作输出，原水正常过滤。
除杂排污过程：由于旋转式过滤器长时间过滤原水，势必在滤水器内的过滤孔中阻塞大量的水中漂浮物，使得进水口的水压大于出水口的水压，出水量减少，进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值，这时差压控制器内微动开关动作输出，常开触点闭合，接通控制系统进行除杂排污。除杂排污后旋转式滤水器又恢复正常滤水状态，生产供水系统安全运行。旋转式滤水器控制框图如图1-1所示。

图1-1 旋转式滤水器控制框图

1.2　控制要求
(1) 手动调试和检修 SA1手柄指向左45º时，接点SA1-1接通，通过SB1、SB2控制按钮，手动开/关电动阀，通过SB3、SB4控制按钮，手动开/关滤水器电动机，以便于系统调试和检修。
(2) 人工除杂排污 SA1手柄指向右45º时，接点SA1-2接通，人工起动、停止旋转式滤水器进行除杂排污。
(3) 定时自动除杂排污：SA1手柄回零位时，若原水中杂物较少，固体漂浮物也较少，因此，水处理车间的旋转式滤水器长时间正常滤水，不能进行差压自动除杂排污。由于旋转式滤水器长时间置于水中，各个机械传动机构会锈蚀，影响过滤和除杂排污或导致旋转式滤水器损坏，因此，需要具有定时自动除杂排污功能。
(4) 差压自动除杂排污 SA1手柄回零位时，若滤水器进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值时，旋转式滤水器自动进行除杂排污，直到滤水器进、出水口产生的压力小于差压控制器设定值时，旋转式滤水器自动停止除杂排污，恢复正常滤水状态。
(5) 超压停机 旋转式滤水器内部的过滤孔被小颗粒杂物堵死无法排出，进、出水口的压力差较高，差压控制器内微动开关长时间动作（8～10min），需要立即停车，并发出声光报警。
(6) 计数功能 该设备不管进行了哪种形式的除杂排污，每次进行除杂排污后都要有记录，因此需要记录除杂排污次数（5位）。
(7) 减速机润滑 在旋转式滤水器上装有行星摆线针轮减速机，由输油泵将油室中的润滑油源源地送入减速机，液压泵拖动电动机与滤水器电动机同步运行。
(8) 除杂排污阀门的电动装置 内设三相交流异步电动机380V/60W、阀门限位开关和电动机过热保护，通过正、反相运行实现开阀、关阀功能。
(9) 其他 必要的电气联锁与保护，受控对象运行状态显示等。
(10) 相关参数
1) 滤水器电动机M1：Y系列，AC380V，1.5 kW，6极；液压泵电动机M2：Y系列，AC380V，70W，4极；减速机4极减速；电动阀电动机M3：AC380V，60W，电动阀自带。
2) 差压变送器测量范围：0.3～0.8MPa可调，电感性电接点输出：AC220V，1A。
3) 指示灯HL：10mA，DC24V。
4) 电铃HA：8W，AC220V。
第2章　系统总体方案设计
2.1 整体结构
在旋转式滤水器设计中，一个主要的问题就是污物的有效排放，这里采用两台电机：主电动机（滤水器电动机）和排污电动机（控制排污阀的开关）配合来完成此功能。总结构如图1-1所示。系统的输入包括压力差信号输人和方式选择输入等，滤水器有进水口、出水口、排污出口，与系统进出水口相衔接的部分不再赘述。
2.2 机械结构
旋转式滤水器主要由转动轴、定位杆、支架壳体、网芯、进水口、出水口、排污口等组成 一般水质为淡水型的，滤网和内部主要部件为不锈钢材质。网芯中的网孔用冲床一次制成，具有耐腐蚀、不生锈，表面光洁、不易结垢的特性。机械部分由五部分组成，分别为滤水机构、执行机构、排污机构、操作单元、保护装置
1. 滤水机构
主要由机壳，滤芯组、旋流子、进出水室、法兰等部件组成。其工作过程是：水流经人口管进人人口水室，再由水室分配至各滤芯单元过滤，将水中的大颗粒杂质滤掉后，由滤芯内流向滤芯外的环形集水室，再经出水管送至各冷却器，杂物留在各滤芯单元内。
2. 执行机构
由驱动电机、减速器、定位锁紧装置、排污电机及相关部件组成，其作用是按照控制台发来的指令，完成预定的动作，使滤芯旋转一定角度或开关排污阀门。
3. 排污机构
排污机构由排污台、旋流子、支架、排污管及排污阀等组成。当需要排污时，转动滤芯，进行反冲洗。当打开排污阀门时，排污单元内水流改变方向，从环形水室及相临单元滤芯内进人排污单元滤芯内。当反向流人的冲洗水进入排污单元滤芯时，被旋流子改变方向，形成一束旋流水束，将壁面杂物冲出排污单元滤芯，并经排污门排出，直到壁面洁净为止。
4. 操作单元
可使整个滤水器实现自动或人工反冲洗，及除杂排污。设自动时可进行定时自动和差压自动除杂排污。网芯单元的冲洗时问，即：排污时间，可根据实际情况自由设定。
5. 保护装置
本装置主要由电动机过载保护装置和超高压报警停车装置构成。在电机过载时和超高压时，能及时切断电源，保护电动机；超高压时还能进行报警，提醒操作人员及时排除故障。
第3章　电气控制系统设计
3.1 主电路设计
旋转式滤水器控制系统的主电路如图3-1所示。（详见附录一）
主回路中交流接触器KM3控制滤水器电动机M1、液压泵电动机M2；KM1、KM2通过正、反转控制电动阀电动机M3,完成开起阀门和关闭阀门的功能。
电动机M1、M2、M3由热继电器FR1、FR2、FR3实现过载保护。电动阀电动机M3控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M3实现双重保护。
QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。
熔断器FU1、FU2、FU3分别实现各负载回路的短路保护。FU4、FU5分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。

图3-1 旋转式滤水器控制系统主电路图
3.2 交流控制电路设计
1) 控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。
2) 隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型，变比1:1，容量100VA隔离变压器。
3) 3台电动机M1、M2、M3的过载保护，分别由3个热继电器FR1、FR2、FR3、实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。
4) 报警电铃HA为AC200V/8W，在出现超高压差时进行报警。
5) 差压变送器是差压自动控制的关键传感器件，输出为压差信号。差压变送器测量范围为0.3－0.8MPa可调，电感性电接点输出：AC220V,1A。
6) 由于控制电路的指示灯工作电压为直流24V，所以将220V电源电压经过变比为8：1的降压变压器进行电压变换得到交流为27.5V的交流电，再经过整流电路、滤波电路得到24V的直流电压。
7) 控制系统的计数显示模块选用AT89S51单片机作为控制芯片，单片机供电电源需要直流5伏电压，要经过变比为20：1的降压变压器进行变压得到交流为11V交流电，并且经过整流电压变成直流电压为24V的直流电。
3.3 主要参数计算
断路器QF脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。旋转式滤水器有1.5KW负载电动机一台，起动电流较大，其余二台为100W以下，起动电流较小，工艺要求滤水器电动机和液压泵电动机同时起动运行，因此可根据1.5kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：
IQF＝1.7IN=1.7×3A＝5.1A≈5A，选用IQF＝5A的断路器。
熔断器FU熔体额定电流。以滤水器电动机为例，≥2＝2×3A＝6A，选用6A的熔体。其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。
热继电器的选择参照相关技术资料选取。
第4章　PLC控制系统设计
根据设计要求，共有19个I/O接口，其中10个输入接口，9个输出接口。根据S7-200系列的技术指标选择型号为CPU224的PLC。CPU224的用户存储空间为4096字，用户数据为2560字，有14个输入端口和10个输出端口，可以满足本控制系统的控制要求。其中，输出部份分为220V输出和24V输出两部份。220V输出为电动机控制的接触器和报警电铃输出；24V输出为各种指示灯输出。由于有两种不同的输出电压要求，所以必须提供两种不同电压的电源，这两个电源由交流控制电路提供。

图4-1 旋转式滤水器控制系统的PLC控制电路图

（图4-1 详见附录二）

旋转式滤水器控制系统的PLC输入输出接口功能见下页表4-1所示。

表4-1 旋转式滤水器控制系统的PLC输入输出接口表

输 入 点
序号
文字符号
程序指令
说 明
1
SA1-1
I0.0
手动控制转换开关
2
SA1-2
I0.1
人工除杂排污控制转换开关
3
SA1-0
I0.2
自动除杂排污转换开关
4
SB1
I0.3
手动开电动阀按钮
5
SB2
I0.4
手动关电动阀按钮
6
SB3
I0.5
手动开滤水器、液压泵按钮
7
SB4
I0.6
手动关滤水器、液压泵按钮
8
SQ1
I0.7
电动阀打开限位开关
9
SQ2
I1.0
电动阀关闭限位开关
10
KP
I1.1
压差变送器信号
输 出 点
序号
文字符号
程序指令
说 明
1
KM1,HL6
Q0.0
开电动阀接触器与指示灯
2
KM2,HL7
Q0.1
关电动阀接触器与指示灯
3
KM3,HL8
Q0.2
滤水器、液压泵运行接触器与指示灯
4
HL1
Q0.3
手动控制指示灯
5
HL2
Q0.4
人工除杂排污指示灯
6
HL3
Q0.5
定时自动除杂排污指示灯
7
HL4
Q0.6
差压自动除杂排污指示灯
8
HL5,HA
Q0.7
故障指示灯及报警电铃
9
H
Q1.0
除杂排污次数显示（5位）

第5章　PLC程序设计
5.1 程序流程图
5.2 PLC程序梯形图
详见附录四。
5.3 PLC指令表
详见附录五。
结 论
通过本次设计，基本达到了设计要求：
1、各处电器、电路有熔断器和热继电器保护，不易发生烧熔故障；
2、定时功能还只能通过PLC定义，如需外界定义还要另外添加硬件；
3、自动除杂和差压除杂切换明确，两工作方式互不干扰；
4、整机的滤水器电机和液压泵电机始终工作，进行排污时只有电动阀电机启动停止，有效减少机械振动和电机的频繁启动，延长了整机的寿命。
课程设计总结
此次设计，对我以前的知识有很好的查漏补缺功效，使我受益匪浅，并让我再一次深刻体会到学而怠用之，必有大漏这句话的深刻意义。并且锻炼了我独立思考的能力，培养了我独立研究、发现问题、分析问题、解决问题的能力，也增强了自己的动手能力，使实践与理论很好切合在一起，对书本上的知识也能活学活用。
通过这次课程设计使我们都更加懂得并亲身体会到了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到很多问题，可以说是困难重重，并且在设计的过程中发现了自己的很多不足之处，发现自己对之前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，有待加强。
虽然我们的课程设计在规定的时间内按时完成了任务，但是，由于知识和经验的欠缺，整个系统的开发功能还不算太完善，在设计的过程中也遇到了很多困难，比如由于早期的需求分析不充分，给后来系统的具体实现带来了很大的困难，所以中间做了一部分的无用功，但通过我们的不懈努力和老师、同学的帮助，设计才得以圆满按时的完成，所以仅凭个人的力量想设计出一个完美的系统几乎是不可能的。
谢辞
首先，在这里感谢学校给我们安排了这次课设，使我们有一个可以自己动手的机会，通过动手，进一步熟悉自己所学的理论知识，体会自己动手得出结果的那种感觉。
再次，在这要感谢我们的指导老师，翟雪琴老师在我们的实践过程中不提自己的辛苦，耐心回答我们所问的所有问题，帮助我们解决一些程序和调试，在这表示感谢！
感谢这次课程设计中给我帮助的同学，是你们的帮助，我才顺利的完成了课程设计任务。
谢谢你们的帮助！

附录
附录一：旋转式滤水器控制系统主电路图附录二：旋转式滤水器控制系统的PLC控制电路图附录三：旋转式滤水器控制系统的PLC输入输出接口功能表

输 入 点
序号
文字符号
程序指令
说 明
1
SA1-1
I0.0
手动控制转换开关
2
SA1-2
I0.1
人工除杂排污控制转换开关
3
SA1-0
I0.2
自动除杂排污转换开关
4
SB1
I0.3
手动开电动阀按钮
5
SB2
I0.4
手动关电动阀按钮
6
SB3
I0.5
手动开滤水器、液压泵按钮
7
SB4
I0.6
手动关滤水器、液压泵按钮
8
SQ1
I0.7
电动阀打开限位开关
9
SQ2
I1.0
电动阀关闭限位开关
10
KP
I1.1
压差变送器信号
输 出 点
序号
文字符号
程序指令
说 明
1
KM1,HL6
Q0.0
开电动阀接触器与指示灯
2
KM2,HL7
Q0.1
关电动阀接触器与指示灯
3
KM3,HL8
Q0.2
滤水器、液压泵运行接触器与指示灯
4
HL1
Q0.3
手动控制指示灯
5
HL2
Q0.4
人工除杂排污指示灯
6
HL3
Q0.5
定时自动除杂排污指示灯
7
HL4
Q0.6
差压自动除杂排污指示灯
8
HL5,HA
Q0.7
故障指示灯及报警电铃
9
H
Q1.0
除杂排污次数显示（5位）

附录五：PLC指令表
附录六：旋转式滤水器控制系统元器件目录表

旋转式滤水器控制系统元器件目录表
序号
文字符号
名称
数量
规格型号
备注
1
M1、M2
滤水器，油泵电动机
2
Y系列
三相门交流异步电动机
2
M3
电动阀电动机
1
LQA20-1 AC380V/60W
自带电动阀
3
FR1－FR3
热继电器
3
JR16B-20/3
参照电动机整定电流
4
FU1－FU3
熔断器
12
RL1-15
熔体2－10A
5
QF
断路器
1
C45AD
脱扣电流 10A
6
TC1
隔离变压器
1
BK-100
变比1：1,AC220V
7
TC2
电压转换变压器
1

变比20：1,AC220V
8
TC3
电压转换变压器
1

变比8：1,AC220
9
SA1
转换开关
1

手动/自动转换
10
SB1
开电动阀按扭
1
LAY37
绿色
11
SB2
关电动阀按扭
1
LAY37
红色
12
SB3
滤水器电动机起动按扭
1
LAY37
绿色
13
SB4
滤水器电动机停止按扭
1
LAY37
红色
14
KM1－KM3
交流接触器
3
DJX9
线圈电压：AC220V
15
KA1、KA2
中间继电器
2
HH52P
线圈电压：AC220V
16
HL1－HL8
信号指示灯
8
AD16-22
状态显示：DC24V
17
HL
电源指示灯
1

电源指示：AC220V
18
HA
报警电铃
1

故障报警：AC220V
19
YA1
差压变送器
1

反馈压差信号：AC220V1A
0.3~0.8Mpa
20
PLC
可编程控制器
1
S7-200
继电器输出

参考文献
[1] 于广庆.可编程控制器原理与系统设计.北京:清华大学出版社，2004.
[2] 廖常初.PLC编程及应用.北京:机械出版社，2002.
[3] 蒋金周.全自动洗衣机的PC智能控制[J].机电一体化，2004.
[4] 胡学林.电气控制及PLC.北京:冶金工业出版社，1997.
[5] 王树东、刘满强.PLC在新型全自动滤水器控制中的应用[J].甘肃科学学报，
2000.9，第12卷（第3期）
[6] 羼文献.CKL一3000型自动清洗滤水装置[J].电力自动化设备，1995，第11卷(第1期)：46~49

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