净水机自动控制系统设计.doc

内 容 摘 要

随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（即可编程控制器）在工业控制领域内得到十分广泛地应用。PLC是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。
本设计针对我国水力发电厂生产用水过程中滤水设备的现状，将可编程序控制器(PLC)应用于旋转式滤水器进行逻辑控制，通过合理的选择和设计，不但提高了设备的可靠性、可维护性以及灵活性，同时延长了使用寿命，缩短了设备的开发周期，并提高了设备的控制水平。
在介绍旋转式滤水器基本结构的基础上，深入分析了滤水器的工作原理，阐述了PLC的优点及特点，重点分析了滤水器的软件设计，研究并提出了基于PLC滤水器控制系统设计的实现方案，最后对本论文的研究内容进行了总结与展望。
关键词：滤水器、传感器、PLC控制

目 录
前 言 3
第1章 设计目的及其要求 4
1.1设计目的 4
1.2 控制要求 4
第2章 可编程控制器(PLC)特点及优点 6
2.1 PLC的特点 6
2.2 PLC控制旋转式滤水器的优点 7
第3章 PLC控制系统硬件设计 8
31旋转式滤水器的主电路 8
3.2 PLC的I/O地址的分配 9
3.3 PLC型号的选择 9
3.4 PLC的I/O接线图 10
第4章 PLC控制系统软件设计 11
4.1 流程图 11
4.2梯形图 12
4.3 指令表 15
结 论 17
设计总结 18
参考文献 19

前 言
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。

第1章 设计目的及其要求
1.1设计目的
本课程设计主要是通过四层电梯的电气控制装置的设计实践,了解一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。通过设计也有助于复习、巩固我们所学过的知识,达到灵活运用的目的。在课程设计的过程中,应做到以下几点:
1.为加强学生智能的培养，更好的使理论与实际相结合，真正掌握一般电气控制技术和设计的基本方法;
2.培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力;
3.巩固常用电子仪器的正确使用方法;
4.通过设计还可培养综合运用专业及基础知识的能力；解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。
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，虽然进行了除杂排污，但是进、出水口的压力差仍然未能降到正常值，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。

第2章 可编程控制器(PLC)特点及优点
2.1 PLC的特点
PLC是一种用于工业自动化控制的专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC与普通微机一样，以通用或专用CPU作为字处理器，实现通道(字)的运算和数据存储，另外还有位处理器(布尔处理器)，进行点(位)运算与控制。PLC控制一般具有可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强等特点。
(1)可靠性:对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。
A. PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。
B. PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了ml TR使可靠性提高。
C. PLC有较高的易操作性，它具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。
D. PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
E.在PLC的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件:采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。
F. PLC的软件方面，也采取了一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波;软件自诊断;简化编程语言等。
(2)易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:
A、操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
B、编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。
C、维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
(3)灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面:
A.编程的灵活性。PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
B.扩展的灵活性。PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
C.操作的灵活性。操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。

2.2 PLC控制旋转式滤水器的优点
(1).在旋转式滤水器的控制中采用了PLC,用软件实现对滤水器运行的自动控制,可靠性大大提高。
(2).去掉了选层器及大部分继电器,控制系统结构简单,外部线路简化。
(3).PLC可实现各种复杂的控制系统,方便的增加或改变控制功能。
(4).PLC可进行故障自动检测与报警显示,提高运行安全性,并便于检修。
(5).用于群控调配和管理,并提高滤水器的运行效率。
(6).更改控制方案时不需改动硬件接线

第3章 PLC控制系统硬件设计
3.1旋转式滤水器主电路
根据设计要求，本次设计的电气控制系统主回路原理图如图3-1所示。图中QS为刀开关,FU为熔断器,起短路保护作用;交流接触器KM1、KM2通过控制电动机的正反转来控制电动阀的开启和闭合;FR为起过载保护作用的热继电器，用于旋转式滤水器运行过载时断开主电路。

图3-1 主电路
相关参数
滤水器电动机M2：Y系列，AC380V，1.5 kW，6极；液压泵电动机M3：Y系列，AC380V，70W，4极；减速机4极减速；电动阀电动机M1：AC380V，60W，电动阀自带。

3.2 PLC的I/O地址的分配
输入点
输出点
序号
主令
I
序号
主令
Q
1
SA1-1
I0.0
1
KM1,HL6
Q0.0
2
SA1-2
I0.1
2
KM2,HL7
Q0.1
3
SA1-0
I0.2
3
KM3,HL8
Q0.2
4
SB1
I0.3
4
HL1
Q0.3
5
SB2
I0.4
5
HL2
Q0.4
6
SB3
I0.5
6
HL3
Q0.5
7
SB4
I0.6
7
HL4
Q0.6
8
SQ1
I0.7
8
HL5,HA
Q0.7
9
SQ2
I1.0
9
H
Q1.0
10
KP
I1.1

表3-1 I/O地址分配表

3.3 PLC型号的选择
由表3-1可以看出,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。

3.4 PLC的I/O接线图
图3-2 PLC外部接线图

第4章 PLC控制系统软件设计
4.1 流程图
开始

N
除杂
调试
检修？

计数
Y Y

N
除杂
手工
除杂？
Y
计数
Y Y

自动
除杂？
Y
N

Y
计数
定时
除杂？
Y

Y
差压
除杂？
N

Y
超时？

N

Y
报警

4.2梯形图

19

4.3 指令表
Network 1
LD I0.0
O I0.1
LD I0.3
O Q0.0
ALD
LD I0.2
A T37
LD I0.2
A M0.0
OLD
OLD
AN Q0.1
AN I0.7
= Q0.
Network 2
LD Q0.0
LD I1.6
CTU C0, 100
Network 3
LD I0.0
O I0.1
LD I0.4
O Q0.1
ALD
LDN T38
ON M0.0
A I0.2
OLD
AN Q00
AN I1.0
= Q0.1
Network 4
LD I0.5
O Q0.2
A I0.0
AN I0.6
O I0.2
AN I0.7
= Q0.2
Network 5
LD I1.1
= M0.0
Network 6
LD I0.0
= Q0.3
Network 7
LD I0.1
= Q0.4
Network 8
LD C0
= Q1.0
Network 9
LD I0.2
AN I0.7
TON T37, 100
Network 10
LD I0.2
AN T37
AN I0.7
TOF T38, 100
Network 11
LD I0.2
AN M0.0
TON T39, 6000
Network 12
LD I0.2
A T39
= Q0.7
Network 13
LD I0.2
AN M0.0
AN I1.0
= Q0.5

Network 14
LD I0.2
A M0.0
AN I1.0
= Q0.6

结 论
本系统主要以PLC为核心，利用PLC的强大的控制功能，实现了对旋转式滤水器的控制。
利用梯形图程序可以很直观的看出运行过程。利用可编程控制器控制滤水器，具有接线简单、编程直观、扩展容易等特点。当用多台旋转式滤水器时，硬件接线上只需相应的输入信号，原来的接线不需改变。软件上只需增加相应设备的功能，要改动的地方也较少。调试结果表明，在适应性、精确性和可靠性方面，到达到了设计的要求，表明该设计方案是可行的。
但是,由于所学知识有限,在梯形图程序中控制滤水器的过程感觉较为繁琐,不大容易理解,今后应着力在以最少的元件控制较多的功能上深入研究,达到更佳的效果。

设计总结
这次课程设计让我受益匪浅，复习了以前学过的知识，也掌握了许多新的知识。
刚开始课程设计时，一方面，由于所学的知识掌握得不大牢固，另一方面，在学习PLC时学到的知识都是零碎的，不能将它们系统的联系在一起，当看到设计题目时一下就懵了。经过两天的看书，翻阅各种资料以及上网，并对题目进行的分析和思考，终于有了一定的思路。通过这次课程设计，不仅使我学会如何通过所学知识去查阅资料解决问题，培养自己独立解决问题的能力，而且也培养了我们的创造性,为今后的学习打下了基础。
该设计是应用PLC技术，通过电动机的正反转来实现电动阀门的开启和闭合，通过这次课程设计使我加深了对PLC的认识和了解，它保留了继电器控制系统的简单易懂、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质性能。随着科技的进一步发展，PLC的应用范围越来越广，学好这门技术可以使我们更好的立足于社会之中。

参考文献
[1] 谢克明，夏路易.可编程控制器原理与程序设计.北京：电子工业出版社，2005.
[2] 王永华，宁寅卯，陈玉国，郑安平.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[3] 王卫星，傅立思，孙耀杰.可编程控制器原理及应用.北京：中国水利水电出版社，2004.
[4] 张万忠.可编程控制器入门与应用实例.北京：中国电力出版社，2005.
[5] 陈忠华.可编程序控制器与工业自动化系统. 北京：机械工业出版社，2002.