PLC课程设计说明书旋转式滤水器电气控制系统设计.doc

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 PLC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---------------------------------------------------------------------------------------6
3.4程序流程图------------------------------------------------------------------------------------------6
3.5接线---------------------------------------------------------------------------------------------------7
3.6控制信号说明---------------------------------------------------------------------------------------8
3.7程序梯形图------------------------------------------------------------------------------------------9
3.8指令表-----------------------------------------------------------------------------------------------11
课程设计总结------------------------------------------------------------------------------------------------18
参 考 文 献 ------------------------------------------------------------------------------------------------19
致 谢 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------20

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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，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。
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。
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。
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。
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。
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。
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 PLC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。
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的主电路
3.2 交流控制电路设计
控制电路有电源指示HL。
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。
报警电铃HA为AC200V/8W，在出现超高压差时进行报警。
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。
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。
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IFU。以滤水器电动机为例，IFU≥2IN＝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。
3.4 程序流程图

图3-2 程序流程图
3.5 接线
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3-3 旋转式滤水器控制系统的PLC控制电路图
3.6 控制信号说明
表3-1 控制信号说明
输 入
输 出
文字符号
程序指令
说 明
文字符号
程序指令
说 明
SA1-1
I0.0
手动控制转换开关
KM1
Q0.0
开电动阀接触器
SA1-2
I0.1
人工除杂排污控制转换开关
KM2
Q0.1
关电动阀接触器
SA1-0
I0.2
自动除杂排污转换开关
KM3
Q0.2
滤水器、液压泵运行接触器
SB1
I0.3
手动开电动阀按钮
HL1
Q0.3
手动控制指示灯
SB2
I0.4
手动关电动阀按钮
HL2
Q0.4
人工除杂排污指示灯
SB3
I0.5
手动开滤水器、液压泵按钮
HL3
Q0.5
定时自动除杂排污指示灯
SB4
I0.6
手动关滤水器、液压泵按钮
HL4
Q0.6
差压自动除杂排污指示灯
KP
I1.1
差压变送器信号
HL5
Q0.7
故障指示灯
KM1

开电动阀信号
HL6
Q0.0
开电动阀指示灯
KM2

关电动阀信号
HL7
Q0.1
关电动阀指示灯
KM3

滤水器、液压泵运行信号
HL8
Q0.2
滤水器、液压泵运行指示灯
FR

电动机过载信号
HA
Q0.7
报警电铃
SQ1
I0.7
电动阀打开限位开关
H
Q1.0
除杂排污次数显示（5位）
SQ2
I1.0
电动阀关闭限位开关

3.7 程序梯形图

图3-4 程序梯形图
3.8 指令表
Network 1
LD I0.1
A I0.5
AN I0.6
= M0.7
Network 2
LD I0.1
LPS
A I0.3
= M0.5
LPP
A I0.4
= M0.6
Network 3
// 手动控制指示灯
LD I0.1
= Q0.3
Network 4
// 人工汽艇滤水器及液压泵
LD I0.2
A I0.5
AN I0.6
= M1.0
Network 5
// 人工除杂指示灯
LD I0.2
= Q0.4
Network 6
// 压差判定
LD I1.1
= M0.0
Network 7
// 自动模式下的滤水器及液压泵正常开启
LD I0.0
EU
S M1.1, 1
Network 8
// 非自动模式或者压差自动时排污时间过长滤水器及液压泵关闭
LD I0.0
ED
LD M0.3
EU
OLD
R M1.1, 1
Network 9
// 定时自动除杂排污
LD I0.0
EU
AN M0.0
LD M0.0
ED
OLD
S M0.1, 1
Network 10
LD M0.0
EU
LD I0.0
ED
OLD
R M0.1, 1
Network 11
// 定时自动除杂排污：电动阀关闭定时
LD M0.1
AN T38
TON T37, 6000
Network 12
// 定时自动除杂排污：电动阀开启定时
LD T37
TON T38, 3000
Network 13
// 定时自动指示灯
LD I0.0
AN I1.1
= Q0.5
Network 14
// 压差自动除杂排污
LD M0.0
LPS
EU
A I0.0
S M0.2, 1
LPP
ED
A I0.0
R M0.2, 1
Network 15
// 压差自动除杂排污
LD M0.0
A M0.2
TON T39, 6000
Network 16
// 超时报警停机
LD T39
= M0.3
= Q0.7
Network 17
// 压差自动指示灯
LD I0.0
A M0.0
AN M0.3
= Q0.6
Network 18
// 计算排污次数
LD Q0.0
EU
= Q1.0
Network 19
// 汽艇滤水器液压泵控制
LD M0.7
O M14.0
O M1.1
= Q0.2
Network 20
LD M0.6
O T37
LD M0.0
ED
A I0.0
OLD
AN I1.0
AN Q0.0
= Q0.1
Network 21
LD M0.5
LDN T37
A I0.0
AN M0.0
OLD
O M0.2
AN I0.7
AN Q0.1
= Q0.0

课程设计总结
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。
此次设计给了我一个深入学习实际工业应用PLC编程的方法，确实让人受益匪浅。在设计中，我深刻地体会到了自己学习知识的不足，实际动手能力的欠缺。不过也正因为这次课程设计，我才有机会可以锻炼一下自己实际分析问题能力和对PLC编程的一次深入的学习。虽然调试程序的过程并不容易，程序写了很多遍，每一遍都能发现错误，每一遍都能发现不足，一遍一遍的摸索，一遍一遍的学习让我逐渐掌握了一些编程以及调试程序的技巧。这使得我可以把理论知识和实践结合起来，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。

参 考 文 献
[1]张万忠，刘明芹.电气与PLC控制技术-第三版.北京化学工业出版社，2011.6
[2]马志溪.电气工程设计[M].北京:机械工业出版社,2002:123-455.
[3] 刘淑芳，刘同安．FZLQ 型全自动清污滤水器工业试验口水电站机电技术[J]．水电站机电技术，1995：56-58.
[4] 羼文献CKL一3000型自动清洗滤水装置口]电力自动化设备[M]．1 99 5，11(1)：46-49.
[5] 江秀汉，李萍，薄保中．可编程序控制器原理及应用[M]西安：西安电子科技大学出版社，1996:70-95.
[6] 漆汉宏，PLC电气控制技术[M]机械工业出版社,2007:78-96.

致 谢
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，体会自己动手设计过程中的各种困难， 体会完成设计之后的成就感。
在这也要感谢我们的指导老师，老师对我设计的肯定给予了我极大的信心， 耐心回答我们所问的所问题，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。
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