畢業(yè)論文-PLC在水塔供水系統(tǒng)控制中的應(yīng)用.doc

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1、 國家職業(yè)資格全國統(tǒng)一鑒定維修電工高級技師論文（國家職業(yè)資格一級）論文題目：PLC在水塔供水系統(tǒng)控制中的應(yīng)用 姓 名： 身份證號： 準(zhǔn)考證號： 所在省市： 廣東省佛山市 所在單位： 南海區(qū)第一職業(yè)技術(shù)學(xué)校 PLC在水塔供水系統(tǒng)控制中的應(yīng)用佛山市南海區(qū)第一職業(yè)技術(shù)學(xué)?！菊浚嚎删幊炭刂破?PLC)是計算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的一種重要的應(yīng)用技術(shù),利用PLC對水塔供水系統(tǒng)控制，由于PLC用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的硬件，控制柜的設(shè)計、安裝接線工作量大大減少；PLC的用戶程序大部分可在實驗室進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計和調(diào)試周期；在維修方面，PLC的故障率極低，維修工作量很小。本文詳述了該系統(tǒng)的控

2、制要求、采用PLC控制的設(shè)計原則及原理分析?！娟P(guān)鍵詞】： PLC 水塔 供水系統(tǒng)控制 一、 概述可編程控制器簡稱PC或PLC。它是在電氣控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。目前，PLC已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動控制中，成為一種最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制裝置，被公認(rèn)為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大支柱（PLC、機(jī)器人、CAD/CAM）之一。PLC技術(shù)之所以高速發(fā)展，除了工業(yè)自動化的客觀需要外，主要是因為它具有許多獨特的優(yōu)點，能較好地解決工業(yè)領(lǐng)域中普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)

3、濟(jì)等問題。其主要特點有：1、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)是PLC最重要的特點之一。PLC的平均無故障時間可達(dá)幾十萬小時，之所以有這么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和軟件的抗干擾措施。（1）硬件方面 I/O通道采用光電隔離，有效地抑制了外部干擾源對PLC的影響；對供電電源及線路采用多種形式的濾波，從而消除或抑制了高頻干擾；對CPU等重要部件采用良好的導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料進(jìn)行屏蔽，以減少空間電磁干擾；對有些模塊設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)、自診斷電路等。（2）軟件方面 PLC采用掃描工作方式，減少了由于外界環(huán)境干擾導(dǎo)致的故障；在PLC系統(tǒng)程序中設(shè)有故障檢測和自診斷程序，能對系統(tǒng)硬件電路等故障實

4、現(xiàn)檢測和判斷；當(dāng)外界干擾引起故障時，能立即將當(dāng)前重要信息加以封存，禁止任何不穩(wěn)定的讀寫操作，一旦外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的工作。2、編程簡單、使用方便目前，大多數(shù)PLC采用的編程語言是梯形圖語言，它是一種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程語言。梯形圖語言的電路符號和表達(dá)式與電氣控制線路圖接近，形象、直觀，很容易讓廣大工程技術(shù)人員掌握。當(dāng)生產(chǎn)流程需要改變時，可以現(xiàn)場改變程序，使用方便、靈活。同時，PLC編程器的操作和使用也很簡單。這也是PLC獲得普及和推廣的主要原因之一。許多PLC還針對具體問題，設(shè)計了各種專用編程指令及編程方法，進(jìn)一步簡化了編程。3、功能完善、通用性強(qiáng)現(xiàn)代PL

5、C不僅具有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)等許多功能。同時，由于PLC產(chǎn)品的系列化、模塊化，有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，可以組成滿足各種要求的控制系統(tǒng)。4、設(shè)計安裝簡單、維護(hù)方便由于PLC用軟件代替了傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的硬件，控制柜的設(shè)計、安裝接線工作量大大減少。PLC的用戶程序大部分可在實驗室進(jìn)行模擬調(diào)試，縮短了應(yīng)用設(shè)計和調(diào)試周期。在維修方面，由于PLC的故障率極低，維修工作量很?。欢襊LC具有很強(qiáng)的自診斷功能，如果出現(xiàn)故障，可根據(jù)PLC上的指示或編程器上提供的故障信息，迅速查明原因，維修極為方便。5、體積小

6、、質(zhì)量輕、能耗低由于PLC采用了集成電路，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、能耗低，因而是實現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。二、控制要求某高層建筑住宅頂上設(shè)有高4.2m的生活水箱，由設(shè)在地下設(shè)備層中的兩臺水泵為其供水。單臺水泵電動機(jī)功率為33kW，額定電壓為380V。水塔正常水位3.5m，由安裝在水箱內(nèi)的上、下液位開關(guān)SU和SD分別對水箱的上限和下限水位進(jìn)行控制。對水泵電動機(jī)的控制要求如下：( 1 ) 為了減小啟動時的起動電流，兩臺電動機(jī)均采用Y/形降壓啟動。降壓啟動至全壓運行的轉(zhuǎn)換時間為10秒。并且兩臺電動機(jī)均設(shè)有過載保護(hù)。( 2 ) 手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，在手動方式工作時，由操作者分別啟動每臺水泵，水泵之

7、間不進(jìn)行聯(lián)動；在自動方式下工作時，由上、下液位開關(guān)對水泵的啟、停自動控制，且啟動時要聯(lián)動。( 3 ) 兩臺水泵在正常情況下要求一開一備，當(dāng)運行中任一臺水泵出現(xiàn)故障，備用水泵應(yīng)立即投入運行。為了防止備用泵長期閑置銹蝕，要求備用水泵可在操作臺上用按鈕任意切換。( 4 ) 在控制臺上有兩臺水泵的備用狀態(tài)，運行、故障及上、下液位等信號指示。三、 系統(tǒng)設(shè)計（1） 主電路設(shè)計兩臺水泵電動機(jī)均采用Y/形啟動方式，主電路控制線路如圖一所示。圖中M1、M2為水泵電動機(jī)，每臺電動機(jī)用3個接觸器分別控制電源、Y形啟動和形運行，各電動機(jī)均設(shè)有過載保護(hù)FR1和FR2。為了反映各水泵工作是否正常，在每臺水泵的壓力出口處設(shè)

8、置壓力繼電器SP1和SP2，將其常開觸點接入PLC中。圖一（2） PLC選擇及I/O分配根據(jù)上述控制要求，統(tǒng)計出現(xiàn)場輸入信號共16個，輸出信號共12個，故選用FX2N-48MR，它可實現(xiàn)24點輸入，24點輸出的控制，在本系統(tǒng)使用尚有裕量，可供備用。其I/O分配見下表。輸入輸出1#泵備用按鈕SRES1X11#泵電源接觸器KM1Y02#泵備用按鈕SRES2X21#泵Y形接觸器KM2Y11#泵手動啟動按鈕SB1X31#泵形接觸器KM3Y22#泵手動啟動按鈕SB2X42#泵電源接觸器KM4Y4選擇開關(guān)SA手動X52#泵Y形接觸器KM5Y5自動X62#泵形接觸器KM6Y6水位上限觸點SUX71#泵備用指

9、示Y20水位下限觸點SDX102#泵備用指示Y211#泵熱保護(hù)觸點FR1X11水位上限報警Y222#泵熱保護(hù)觸點FR2X12水位下限報警Y231#泵壓力繼電器SP1X131#泵故障指示Y242#泵壓力繼電器SP2X142#泵故障指示Y251#泵停止按鈕SB3X152#泵停止按鈕SB4X16故障復(fù)位按鈕SB5X17（3） PLC外部接線圖圖二是所設(shè)計的PLC系統(tǒng)外部接線示意圖。圖中各接觸器采用交流220V電源，信號指示部分采用24V直流電源。本次開關(guān)量信號均采用常開形式輸入PLC，在編制I/O分配表和繪制PLC接線圖時，事先通過PLC手冊或?qū)嵨锪私馔獠慷俗拥奈恢眉熬幪?。圖二四、 梯形圖設(shè)計及分析

10、圖三圖三是實現(xiàn)上述控制任務(wù)的梯形圖，以下分幾方面對其進(jìn)行分析。（1） 備用選擇控制臺上的2個備用選擇按鈕SRES1和SRES2分別與梯形圖輸入點X1和X2相對應(yīng)。按下任一按鈕時，可以選擇1#和2#中的任一臺水泵作備用，備用水泵可用上述按鈕任意切換。 設(shè)選擇2#水泵備用，按下SRES2，則X2為ON，輸出繼電器Y21為ON，控制臺2#備用指示燈亮。同時Y21的軟觸點在梯形圖內(nèi)部起控制作用。若將備用水泵改為1#，則需按下SRES1，X1為ON使輸出繼電器Y20為ON，給出1#備用指示，同時Y20常閉觸點使Y21為OFF，清除2#水泵以前的備用記憶。（2） 上、下液位指示 安裝在水箱內(nèi)的上、下液位開

11、關(guān)SU/SD均為常開型，與輸入點X7/X10相對應(yīng)。設(shè)水位上升到上限位置，則X7為ON，在其前沿產(chǎn)生一個掃描周期的脈沖信號，該脈沖使輸出繼電器Y22為ON，發(fā)出上限位指示，使電動機(jī)停止工作。若水位下降到下限位置，由于觸點SD要斷開，使X10為OFF，故用PLF指令在SD斷開時產(chǎn)生脈沖信號，從而使輸出點Y23為ON，發(fā)出下限指示。（3） 機(jī)組的自動啟動方式在“自動”工作方式下，X6為ON，選擇2#水泵備用，由上面分析可知Y21為ON。當(dāng)水位下降到下限位時，由上述可知Y23為ON，于是在Y23上升沿產(chǎn)生微分脈沖M4。M4就是用來使1#水泵首先啟動的信號，具體啟動過程在下面敘述。（4） 機(jī)組的啟動及

12、聯(lián)動 每臺水泵電動機(jī)啟動時接觸器的動作順序為電源接觸器 Y形連接接觸器 形連接接觸器，梯形圖中，Y0，Y4分別控制2臺電動機(jī)的電源；Y1，Y5分別控制2個Y形連接接觸器；Y2，Y6分別控制2個形連接接觸器；軟件定時器T0，T1分別控制每臺電動機(jī)Y/轉(zhuǎn)換時間10s。 設(shè)“自動”方式下選擇2#水泵備用。當(dāng)水位到下限時，由上面分析可知M4 ，于是有如下過程：“ ”表示ON狀態(tài)。 Y1 (Y形連接)M4 Y0 (電源引入) T0啟動定時，延時10s后 Y2 （1#電動機(jī)Y/轉(zhuǎn)換完成）T0 Y1斷開（5） 機(jī)組的故障檢修 當(dāng)任何一臺運行水泵出現(xiàn)故障時，應(yīng)當(dāng)立即停止該水泵運行，并使備用水泵自動投入運行。為

13、此應(yīng)把發(fā)生故障時的狀態(tài)在梯形圖中反映出來。 供水系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障很多，為了盡量全面而又簡單地表示故障的發(fā)生，可以把出現(xiàn)以下兩種情況之一確定為出現(xiàn)故障的條件： 1）某機(jī)在進(jìn)入正常運行后，水泵出水壓力仍然很低。例如：將裝設(shè)在該出水管處的壓力繼電器SPi（i=1,2）的動作壓力整定為電動機(jī)Y形連接啟動時的壓力。如果進(jìn)入形連接運行后管路壓力仍不能使該繼電器動作，則說明存在各種機(jī)械或電氣故障，使水泵不能正常工作，因此視為故障出現(xiàn)。 2）水泵電動機(jī)在運行中過載。裝設(shè)于電動機(jī)主電路的熱繼電器可以反映出由于電動機(jī)長期過負(fù)荷工作或由于缺相引起的過載現(xiàn)象。這時壓力繼電器不一定動作。但屬不正常狀態(tài)，因此也應(yīng)視為故

14、障。 將上述兩種情況相“或”，即可得到任何一臺電動機(jī)的故障條件。梯形圖中用輸出繼電器Y24和Y25分別表示1#，2#水泵機(jī)組的故障狀態(tài)，則梯形圖中對應(yīng)的故障邏輯表達(dá)式為： Y24=Y0*Y2*X13+X11 Y25=Y4*Y6*X14+X12 上式中，X13，X14是與2臺機(jī)組壓力繼電器輸入信號（常開）相對應(yīng)的輸入繼電器常閉觸點，當(dāng)出水壓力正常時，它們均會斷開。X11、X12是與2臺電動機(jī)熱繼電器輸入信號（常開）相對應(yīng)的輸入繼電器常開觸點，當(dāng)電動機(jī)過載時，它們將會閉合。 例如1#水泵進(jìn)入正常時運行后，Y0為ON，Y2為ON。這時若該水泵供水壓力繼電器仍不動作（水壓太低），常閉觸點X13將不會斷

15、開。因此，1#水泵故障標(biāo)志Y24為ON。從圖三可見，輸出繼電器Y24接通后一方面發(fā)出燈光或聲音報警信號；另一方面其常開觸點使Y0和Y2斷開，這樣就切斷了1#水泵的電源和形連接狀態(tài)，從而使其停止工作。2#水泵故障時的處理過程與1#水泵相同。（6） 故障情況下備用水泵的自動投入 當(dāng)運行水泵出現(xiàn)故障時，備用水泵投入運行，這時首先解除備用狀態(tài)，然后才完成備用水泵的投入過程。a) 備用過程的解除，梯形圖中的內(nèi)部輔助繼電器M5、M7分別為1#、2#水泵備用情況下解除備用的條件。從它們的邏輯組合關(guān)系可以清楚地看出，任一臺水泵要解除備用狀態(tài)，條件就是另外一臺水泵出現(xiàn)故障，例如當(dāng)常開觸點Y24接通（1#機(jī)組出現(xiàn)

16、故障）時，會使M9繼電器接通，并用PLS指令轉(zhuǎn)換為脈沖信號M6，則M6可以使2#水泵的備用狀態(tài)Y21復(fù)位，即解除了2#水泵備用。b) 備用水泵自動投入設(shè)“自動”工作方式下，選擇2#水泵備用。由前面分析可知，由于Y21為ON，2#水泵不會啟動運行。如果此時1#水泵故障，則2#水泵應(yīng)當(dāng)投入工作。若1#水泵在運行時出現(xiàn)故障，則Y24為ON，發(fā)出聲、光報警，并使Y0為OFF，Y2為OFF。同時，通過M9輔助繼電器產(chǎn)生脈沖信號，使M6為ON，從而使輸出繼電器Y21為OFF，解除了備用狀態(tài)。但此時2#機(jī)組尚未啟動，經(jīng)過時間繼電器T2啟動延時2秒，T2為ON，這樣2#水泵即備用水泵實現(xiàn)自動投入。（7） 手動

17、控制 手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)SA是一個用動觸點完成兩種工況切換的開關(guān)，因此，當(dāng)開關(guān)置于“手動”位置時，X5為ON，同時必有X6為OFF，即手動方式建立，自動方式自然解除。這時每臺電動機(jī)是通過手動按鈕（對應(yīng)輸入點X3，X4）完成啟動任務(wù)的。根據(jù)控制要求，這種工作方式不進(jìn)行聯(lián)動，因此用手動狀態(tài)X5的常閉觸點封鎖T2，即解除了各臺水泵的聯(lián)動關(guān)系。用手動按鈕（對應(yīng)輸入點X3、X4）和手動停止按鈕（對應(yīng)輸入點X15、X16）可以分別對1#、2#水泵單獨進(jìn)行控制，具體過程就不再詳述。五、結(jié)束語 以上分析了水塔供水泵站PLC控制梯形圖的主要功能的實現(xiàn)過程雖然以2臺機(jī)組為背景，但只要留有一定的I/O點裕量，同樣的

18、控制環(huán)節(jié)很容易擴(kuò)展到由多臺水泵組成的泵群控制中去，顯然，與繼電器控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)具有更大的優(yōu)越性。PLC與繼電器控制系統(tǒng)功能與特點比較比較項目繼電器控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)由許多繼電器采用接線方式來完成相應(yīng)的控制功能對PLC進(jìn)行編程實現(xiàn)所需控制要求對生產(chǎn)工藝變化的適應(yīng)性需進(jìn)行重新設(shè)計與接線、適應(yīng)性差只需對程序進(jìn)行修改，適應(yīng)性強(qiáng)可靠性元器件多、觸點多，容易出現(xiàn)故障采用大規(guī)模集成電路，絕大部分是軟繼電器，可靠性高可擴(kuò)展性困難具有種類齊全的擴(kuò)展單元，擴(kuò)展靈活控制的適時性機(jī)械動作時間常數(shù)大，實時性差微處理器控制，實時性好占用空間與安裝控制柜體積大、笨重，安裝施工工作量大體積小，

19、重量輕，安裝工作量小使用壽命短長復(fù)雜控制能力差很高測試、維護(hù)工作量大，不易查找故障有自診能力，維護(hù)工作量小硬件成本較低較高六、 致 謝 在參加維修電工高級技師的培訓(xùn)過程中，得到了佛山市高級技工學(xué)校諸多老師的悉心教導(dǎo)，通過幾個月的學(xué)習(xí)，我在自動控制理論、PLC、變頻器、觸摸屏方面的知識有了長足進(jìn)步，對我今后的學(xué)習(xí)工作將起到很大幫助！在此，真誠地感謝各位老師，祝各位老師身體健康！事業(yè)順利！家庭幸福！ 參考文獻(xiàn)：1可編程序控制器過程控制技術(shù)曹輝 霍罡編著，北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2005.112可編程序控制器選擇設(shè)計與維護(hù) 殷洪義主編 ，北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.113PLC分析與設(shè)計應(yīng)用 周萬珍 高鴻斌編著 北京：電子工業(yè)出 2004.14 西門子PLC與變頻器、觸摸屏綜合應(yīng)用教程 吳志敏 陽勝峰編著 北 京：中國電力出版社，20095 變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù) 岳慶來主編 北京：機(jī) 械工業(yè)出版社，2006.46 自動控制技術(shù) 肖建章主編 北京：中國勞動社會保障出版社，20047 電氣控制與PLC 楊亞萍主編 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200919