河道拦水闸智能控制系统设计(共28页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上广东环境保护工程职业学院毕 业 设 计（论 文）题目： 河道拦水闸智能控制系统设计 系： 机电工程系 专 业： 机电设备维修与管理 班 级： 12机电设备维修与管理2班 姓 名： 冯耀章 指导教师： 车海波 完成时间： 2014年4月17日 专心-专注-专业摘要传统的闸门控制方式需要人员亲自到现场操作闸门启闭机而升降闸门。近年来，随着经济的迅猛发展，使我国水利系统的开发建设得到了快速发展。闸门启闭机作为水利系统的重要设备之一，如果对其继续沿用传统的继电器控制，不但难以解决与监控系统上的通讯问题，而且也无法满足当天水利部门对设备的自动化控制需求。为了解决这个问题，我们尝试采用可编程逻辑控制器PLC,设计一种适应自动化控制需求的闸门启闭机的电气控制系统，并对传统的继电-接触器控制系统相结合，完成了闸门启闭电动机就地手动、远程自动控制系统。闸门手动控制系统采用传统的继电-接触器控制模式，根据本闸门设计的内容和要求设计了电气控制原理图。在闸门自动控制系统中，对闸门的执行机构的控制是非常重要的一个环节，采用高可靠性、高性能的可编程逻辑控制器PLC，可成功解决这一问题。根据闸门执行机构的特点，设计了以PLC为核心部件的闸门自动化控制系统，给出了控制系统的硬件结构，以组合模块化的方式设计了系统的程序软件。 关键词：闸门控制系统 自动控制 可编程逻辑控制器PLC 管理模式目录1前言传统的闸门控制方式需要人员亲自到现场操作闸门启闭机而升降闸门。近年来，随着经济的迅猛发展，使我国水利系统的开发建设得到了快速发展。闸门启闭机作为水利系统的重要设备之一，如果对其继续沿用传统的继电器控制，不但难以解决与监控系统上的通讯问题，而且也无法满足当天水利部门对设备的自动化控制需求。为了解决这个问题，我们尝试采用可编程逻辑控制器PLC,设计一种适应自动化控制需求的闸门启闭机的电气控制系统，并对传统的继电-接触器控制系统相结合，完成了闸门启闭机就地手动、远程自动控制系统。针对水利系统的水闸闸门控制系统，设计具有先进技术水平、实用的小型水闸控制系统；从而进一步掌握电气控制应用技术、可编程控制器应用技术、水位检测，闸门的限位保护，水闸开度控制及指示等内容。2河道拦水闸智能控制系统总体设计方案本设计项目为狮山镇某河水质综合治理项目河道拦水闸控制系统，该拦水闸要求控制3组，合计15台0.75KW电动卷扬机,若采用传统的就地手动控制该闸门，工作较为繁重，控制线路复杂，可靠性低，不能实现对整个水利设施进行自动控制，远程通讯能力欠缺等缺点和局限性，所以越来越不能满足水利水电工程的生产发展。随着先进工控技术的应用和发展，建立基于可编程控制器（PLC）的河道拦水闸智能控制系统成为解决这一问题的有效途径。该河道拦水闸智能控制系统 其控制方式的优越性，使它非常有效地解决了传统河道拦水闸控制系统的存在的缺点和局限性。2.1系统框图控制电路2PLC工控机（自动控制）M1115M610M15电源交换机控制电路3控制电路1PLC控制系统控制电箱（手动控制）图1-1 河道拦水闸智能控制系统框图3闸门手动控制系统设计3.1闸门手动控制原理通过控制继电器的关，电动机启动、停止或反转，以此来控制闸门的开或关。固态继电器闸门M图1-2 闸门手动控制原理图3.2 手动控制系统组成如图1-4所示，电路分为主电路和控制电路两部分3.3 主电路分析如图1-4所示，低压断路器QF1、QF2、QF3用作线路的总开关，兼有过流和短路保护功能。电动机M1、M2、M3分别控制1号闸门、2号闸门和3号闸门，其中电动机M1由接触器KM1、KM2控制正反转；接触器KM3、KM4的主触点控制电动机M2正反转；接触器KM5、KM6的主触点控制电动机M3正反转。 3.4 控制电路分析如图1-4电气控制原理图所示，控制电路主要由电动机的正、反转控制 ，互锁控制，按钮联锁等部分组成。3.4.1电动机的正、反转控制控制原理分析：把万能转换开关打到手动挡，按动正转启动按钮SB1（闸门上升）接触器KM1通电自锁，KM1主触点闭合，电动机M1正向转动，1号闸门上升；电动机M1正转过程中，按动停止按钮SB3，KM1线圈断电，自锁回路打开，主触点打开，电动机M1停转，1号闸门停止。按动反转按钮SB2,KM2主触点闭合，电动机M1反向转动，1号闸门下降。2号和3号闸门的控制原理与1号闸门的相同。3.4.2互锁控制实现这一控制要求的方法是分别将KM1,KM2的动断触点串接在对方的线圈电路中,形成相互制约的关系,简称为互锁控制,又称为联锁控制。以电动机M1的电路为例,若主电路中的KM1和KM2同时闭合,将会造成主电路电源短路,因此电路中只允许有一个接触器的触点闭合，这样就起到了互锁控制控制作用。3.4.3按钮联锁为了方便操作,提高工作效率,将正、反转按钮的动断触点串接到对方的电路中,利用按钮的动合触点的机械连接在电路中起相互制约的联锁作用。如正转过程中,按动反转按钮SB2,SB2的动断触点使KM1线圈断电(自锁打开),电动机正转停止,KM1动断触点复位,SB2动合触点复位,使KM2线圈通电自锁,电动机实现反转。同理在反转过程中, 按动正转按钮SB1,SB1的动断触点使KM2线圈断电,电动机正转停止, KM1线圈通电自锁,电动机进入正转。这样就简化了操作,使正转进入反转(或反转进入正转)不必先按下停止按钮,然后再进行相反的操作。因此接触器互锁和按钮互锁构成双重互锁,使电路更具实用性。3.4.4闸门手动控制选择万能转换开关是一种多挡位、多段式、控制多回路的主令电器，当操作手柄转动时，带动开关内部的凸轮机构转动，从而使触点按规定顺序闭合或断开。如图1-3中万能转换开关,当把挡位打到手动挡位时，系统即处于手动控制状态。 图1-3 万能转换开关3.4.5电气控制原理图图1-4电气控制原理图4闸门自动控制系统设计4.1 硬件系统结构框图输出控制输入控制液位传感器闸门运行状态PLC控制系统工控机(组态王)自动控制系统结构框图如图1-5自动控制系统结构框图所示，系统主要由可编程逻辑控制器(PLC),工控机、液位传感器、输入控制、输出控制等部分组成，其结构框图如图所示。图1-5自动控制系统结构框图4.2 超声波液位传感器超声波液位传感器集非接触开关、控制器和变送器三种功能于一身，是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种高于声波的，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。这类型的传感器价格比较便宜，性能稳定可靠，广泛应用于闸门水位差测量使用。如图1-6超声波液位传感器所示。图1-6 超声波液位传感器4.3组态王软件组态王开发，是新型的工业，它以标准的软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。如图1-7工控机组态王软件操作界面所示。图1-7 工控机组态王软件操作界面4.3 输入控制输入控制信号可以来自工控机组态王软件界面的功能按键，以及按钮开关信号(备用操作)等。通过切换开关，可以选择手动控制和自动控制。4.4 输出控制控制闸门电动卷扬机电机正向和反向运转，打开与闭合，使闸门上升、下降、停止，以及当闸门运行到达极限位置、输出报警信号。4.5闸门PLC控制系统简介本闸门控制系统选型为西门子S7-200 SMART，西门子S7-200 SMART是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。如图1-8西门子S7-200 SMART外型结构所示。图1-8 西门子S7-200 SMART外形结构4.5.1性价比S7-200系列PLC系统由主机(基本单元)、I/O扩展单元、功能单元(模块)和外部设备等组成。S7-200 PLC 主机（基本单元）的结构形式为整体式结构。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。4.5.2硬件配套提供不同类型、I/O点数丰富的CPU模块，单体I/O点数最高可达60点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。另外，CPU模块配备标准型和经济型供用户选择，对于不同的应用需求，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。4.5.3CPU运行速度配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15s，在同级别小型PLC中遥遥领先。一颗强有力的“芯”，能让您在应对繁琐的程序逻辑，复杂的工艺要求时表现的从容不迫。4.5.4固件升级以及程序更新CPU模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。一根普通的网线即可将程序下载到PLC中，方便快捷，省去了专用编程电缆。通过以太网接口还可与其他CPU模块、触摸屏、计算机进行通讯，轻松组网。快速实现设备调速，定位等功能。本机继承Micro SD卡插槽，使用市面上通用的Micro SD卡即可实现程序的更新和PLC固件升级。4.5.5操作界面传承了西门子编程软件强大功能的基础上，融入了更多的人性化设计，如新颖的带状式菜单，全移动式界面窗口，方便的程序注释功能，强大的密码保护等。在体验强大功能的同时，大幅提高开发效率，缩短产品上市时间。如图1-9西门子S7-200 SMART软件操作界面所示。图1-9 西门子S7-200 SMART软件操作界面4.6 闸门自动控制系统工作原理4.6.1系统控制原理PLC自动控制原理图如图1-5所示,作为可编程控制器的PLC，充当控制系统的核心部件，它不仅要实时地采集闸门超声波液位传感器发出的开度变化信号、闸门运行状态信号、外部输入控制信号，还要将所采集的这些信号经软件处理后，分别转化为相应的闸门开度值和运行状态信号，以显示到工控机上;同时，还适时地与工控机进行通讯，接收执行操作者发出的指令，经PLC软件综合处理后，向闸门发出相应的控制指令，以达到控制闸门启闭机正常运行的目的。4.6.2控制原理分析旋动闸门手/自动选择开关, 系统由手动控制切换到自动控制状态。按下工控机组态王软件的功能键发出控制信号,可编程控制器收到信号并执行相关程序,控制与之相连接的中间继电器动作,来控制电动机的起、停及正、反转,从而控制闸门的上升、下降和停止。例如按动工控机组态王软件上的1号闸门上升功能键,经可编程控制器的程序处理后控制1号闸门上升输出触头QF1闭合, 中间继电器KA2线圈通电,控制电路(图1-4)中的KA2常开触点闭合, 接触器KM1通电自锁, KM1主触点闭合，电动机M1正向转动，1号闸门上升。同样地,按工控机组态王软件上的1号闸门下降功能键, 1号闸门下降输出触头QF2闭合,继电器KA3线圈通电, KA3常开触点闭合, KM1线圈断电，自锁回路打开，主触点打开, KM2通电自锁,KM2主触点闭合，电动机M1反向转动，1号闸门下降。按动工控机组态王软件上的1号闸门停止功能键, 1号闸门下降输出触头Q0.0闭合,继电器KA1线圈通电, KA1常闭触点断开, 1号闸门控制电路断电，KM1（或KM2）主触点打开, 电动机M1停转，1号闸门停止。2号和3号闸门的控制原理与1号闸门的相同。4.6.3闸门上、下限位保护当1号闸门运行到最上方时,行程开关SQ1受压,SQ1闭合,中间继电器KA4线圈通电,KA4常闭触点断开,KM1线圈失电,KM1主触点断开, 电动机M1停转,1号闸门停止上升。当1号闸门运行到最下方时, SQ2闭合, 电动机M1停转,1号闸门停止下降。2号和3号闸门的限位保护与1号闸门的相同。5闸门自动(PLC)控制系统程序设计5.1 软件系统设计根据系统工作原理和控制要求，软件设计上采用模块化结构，将程序分解为多个小任务，方便增加或删减程序模块，同时也便于使用后完善控制程序。整个程序包括主程序模块、控制模块、显示模块等。编程采用STEP 7-MicroWIN SMART(中文版) 软件下的梯形图(LAD)编辑器,梯形图是PLC编程的高级语言,容易编程和维护人员接受和掌握。LAD图形指令有三个基本形式:触点、线圈和指令盒。触点表示输入条件,例如开关、按钮控制的输入映像寄存器状态和内部寄存器状态等。线圈表示输出结果,利用PLC输出点可直接驱动继电器、接触器线圈等负载。指令盒代表较复杂功能的附加指令,例如数学运算指令和数据处理指令等。5.2 I/O端口分配表表2-1 I/O端口分配表序号符号功能描述1I0.01#上限位（KA4常开触头）2I0.11#下限位（KA5常开触头）3I0.21#手/自动（SA1常开触头）4I0.32#上限位（KA9常开触头）5I0.42#下限位（KA10常开触头）6I0.52#手/自动（SA2常开触头）7I0.61#上升运行状态输入（KM1常开触头）8I0.71#下降运行状态输入（KM2常开触头）9I1.02#上升运行状态输入（KM3常开触头）10I1.12#下降运行状态输入（KM4常开触头）11Q0.01#停止输出控制（KA1线圈）12Q0.11#上升输出控制（KA2线圈）13Q0.21#下降输出控制（KA3线圈）14Q0.32#停止输出控制（KA6线圈）15Q0.42#上升输出控制（KA7线圈）16Q0.52#下降输出控制（KA8线圈）5.3主程序模块对所使用的计数器、定时器、存储单元、数据寄存器进行初始化处理，一些需要初始值的变量进行赋值。6相关负载和容量的计算及相关元件的选择6.1电动机容量的计算本设计选用PA400型单相电动机作为闸门的启闭设备,查表2-2得PA400型单相电动机的技术参数：表2-2 PA400型单相电动机技术参数电动机额定工作电压UN=220V电动机额定功率PN=0.75KW电动机额定效率N=86电动机额定功率因数COSN=0.77电动机额定电流3.5A6.2 导线的选择按每平方毫米2到5A选择导线，电动机额定电流为3.5A ，共15台，分3组控制，主电路中主供电线选用10平方毫米，每组电动机分别选用6平方毫米的供电导线。控制电路的导线统一选用1平方毫米的导线。6.3其他元器件的选择按照闸门控制系统设计基本要求以及6.1中电动机容量计算得到的电动机电压和电流选择元器件，结果如表2-3元器件材料清单表所示。6.4元器件清单表表2-3元器件材料清单表序号原件编号设备名称设备型号数量单位1QF总开关NB1-63 C32A 3P3个2QF1/QF2/QF3热磁继电器DZ108-20/211 10A3个3SB1/SB3/SB4常开按钮（带绿色灯）NP2-BW33413套4SB2/SB4/SB6常开按钮（带红色灯）NP2-BW33413套5KM1-KM6交流接触器CJX2-12106只6F1继电器NB1-63H C10A 2P1个7HL1电源指示灯ND16-22DS/41套8KAQ-KA7小型继电器JZX-22F/006/4Z7套9U1超声波液位传感器1台10U2光纤交换机1台11U3PLC288-1SR30-0AA01台12PLC模拟量模块288-3AE04-0AA01块13端子6m²4个14端子2.5m²36个15SP限位开关 1个16SB7常开小按钮1个17HL8/HL9/HL10故障指示灯ND16-22DS/43套18报警器DC24V1个19马达保护断路器DZ108-20/211 16A3个7结论通过这次河道拦水闸智能控制系统设计,使我对电气控制及PLC、可编程原理及应用等几门课程有了更为深入的理解, 进一步掌握了电气控制应用技术、可编程控制器应用技术。本次设计让我认识到团队分工合作的重要性,要把一个设计真正的完全的做好,有一定的困难,如果是靠一个人的力量的话,那需要很大的工作量，所以组员们应做好分工、很好的合作起来。这次设计我担任了设计助理，我较好地履行了自己的职责，也给我提供了一个提高自己各方面能力的机会，从中学到了很多。通过本次毕业设计,既综合了机电设备专业所学过的多门学科知识,还让我见识到了西门子PLC S7-200的实际应用，增强了我对电气化专业应用技术和领域的了解,培养了自己分析问题、解决问题的能力,为毕业后从事电气化专业技术工作打下了一个很好的基础。该控制系统的主要设计特点是集通讯、控制、数据采集、闸门开度显示，人机界面采用PLC、工控机和组态王软件的组合。对闸门启闭机这种控制比较简单的设备，采用这种组合方案，不但功能上可完全满足设计要求，而且可降低费用，简化系统设计，提高系统运行的可靠性。参考文献1孙平，可编程控制器原理及应用，高等教育出版社，2003.12孙平，电气控制与PLC，高等教育出版社，2004.123廖常初，PLC编程及应用，机械工业出版社，20034王永华，现代电气及可编程序控制技术，北京航空航天大学出版社，20025S7-200SMART PLUS西门子小型自动化S7-200SMART产品技术使用手册6徐德，孙同景，可编程控制器PLC应用技术，山东科学技术出版，20017谢克明，可编程控制器原理与程序设计，电子工业出版社，20028王兆义，可编程控制器使用技术，北京，机械工业出版社，20049钟肇新，可编程控制器原理及应用，广州，华南理工大学出版社，199910现代机械传动手册，北京，机械工业出版社，199511朱龙根，简明机械零件设计手册，北京，机械工业出版社，199712刘细龙，陈福荣，闸门与启闭设备，中国水利水电出版社，2003.313严大考，结构力学与钢结构，黄河水利出版社，2002.814陈长生，机械基础，北京，机械工业出版社，2010致谢本毕业设计论文是在我的指导老师车海波老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。车海波老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在我实习市思想、生活上给以无微不至的关怀，在此谨向车海波老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。同时，我要感谢在实习企业的公司领导和研发部门，能在实习期间给予我参加该河道拦水闸系统建设工作，使我学会了很多，得到很多书本理论知识得不到的知识。我还要感谢在一起在同一企业顶岗实习的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们! 最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！附录