盘县煤矿东区主水仓自动排水控制系统设计毕业论文设计.docx
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盘县煤矿东区主水仓自动排水控制系统设计毕业论文设计
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本科毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
盘县煤矿东——区主水仓自动排水控制系统设计
（扬程200M，流量80M3=2950rmin功率：
P=110KW
（1）线径选择。
口诀中的阿拉伯数字与倍数的排列关系如下：
对于1.5、2.5、4、6、10
的导线可将其截面积数乘以5倍。
对于16、25
的导线可将其截面积数乘以4倍。
对于35、50
的导线可将其截面积数乘以3倍。
对于70、95
的导线可将其截面积数乘以2.5倍。
对于120、150、185
的导线可将其截面积数乘以2倍
首先要计算电机的线电流，对于单相电路而言，电机功率的计算公式是：
p=iucosφ；
对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计算公式是：
p=1.732iucosφ。
由三相电机功率公式可推出线电流公式：
i=p1.732ucosφ
式中：
p为电机功率
u为线电压，一般是380v
cosφ是电机功率因素，一般取0.75
110kw电机的线电流：
i=p1.732ucosφ=1100001.732*380*0.75=110000493.62=222.843a
由于电机的启动电流很大，是工作电流的4到7倍，所以还要考虑电机的启动电流，但启动电流的时间不是很长，一般在选择导线时只按1.3到1.7的系数考虑。
你这取1.5，那么电流就是112.4a,选择50
的铜线也可以满足正常工作。
同理，1kw电机的线电流：
i=p1.732ucosφ=10001.732*380*0.75=1000493.62=2a
考虑启动电流后，线电流为2a，选择1.5
的铜线比较合适。
导线截面积和载流量的计算有口诀如下：
导线安全载流量10下五，100上二，16、25四，35、50
所以主回路线径选择为300mm2，允许通过电流为112.4×3+2×3+2=345.2A，选择线径为185
的铜线。
（2）元件选型。
断路器：
断路器是具有过载、短路和欠电压保护的保护电器，断路器有油浸式断路器、真空式断路器和空气式断路器三大类，在低压电路中空气式断路器目前是应用最多的。
空气式断路器结构型式可分为框架式和塑料式外壳，框架式分断能力较高，常用于主电路或大容量电路中，塑料式结构紧凑，便于独立安装。
主电路断路器QF：
根据总得电路额定电流和电压，选用框架式断路器，型号为
框架式自动空气开关，适用于
，额定工作电压为
，额定电流
，过电流脱扣范围200-600A。
异步电机分支回路分电路断路器QF1-4：
根据电机额定电流
；额定电压
，选用塑料外壳式空气开关，型号DZ10-100，适用于
，额定工作电压为
，额定电流
，过电流脱扣范围60-100A。
③接触器；接触器是一种适用于远距离频繁通断电路的控制电器，主要控制对象为电动机。
接触器主要技术参数除额定电流、电压之外还有使用类别、机械寿命、操作寿命和电寿命。
CJ10系列交流接触器是一般任务型接触器，主要适用于交流电动机的启动和控制。
绕线式异步电机分支回路分电路接触器KM1-12，选用
型交流接触器，技术参数如下：
控制电机最大功率50KW，额定电压
，额定电流
。
主触头数目为3，辅助触头数目为2常分2常合。
电寿命60万次，机械寿命300万次。
④热继电器：
热继电器主要用于电机的过载保护，一般情况按照电机额定电流选用热继电器，依据电机的实际负载情况，选取热继电器整定值为电机额定电流的0.95-1.05倍，水泵驱动电机的额定电流
，热继电器整定值在66.31-73.92A之间。
因此选用
，热元件额定电流为85A。
刻度中可调范围为53~85A。
主电路的电路图如图3.1所示。
图3.1电路主回路图
3.2电动阀电路设计
电动阀的设计是为了防止启停水泵时发生水锤现象。
当水泵关闭时，由于水泵出口的压力骤然减小，管路中的水就会出现自由落体现象，但由于逆止阀的存在，使管路中水的重量突然集中在逆止阀上，产生巨大的能量。
这股巨大的能量甚至能损坏设备，对整个排水系统造成损坏。
所以电动阀的设计是必须的。
为了防止这种现象发生，启动排水系统时要先开启水泵电动机，当水泵运转起来以后，，管路中的压力逐渐升高，打开电动阀会平衡管路中水的自身的重力，对整个官网冲击较小。
停止排水系统时，要先关闭电动阀，使管路中水的压力逐渐减小，再关闭水泵电动机，减小对官网的冲击。
这样能大大增加排水系统的寿命，也保证了煤矿的安全。
电器元件选型如下：
（1）电动阀：
查阅[4]，选用型号为D94-2.5的电动阀。
阀门型式为蝶阀，驱动方式为电动，联接型式为法兰联接，工作压力为2.5MPa。
（2）交流接触器：
电动阀驱动电机分支回路接触器13-20选用
型交流接触器，技术参数如下：
控制电机最大功率2.2KW，额定电压
，额定电流
。
主触头数目为3，辅助触头数目为1常分。
电寿命60万次，机械寿命300万次。
（3）电缆：
电动阀驱动电机分支回路采用1.5
铜芯线，载流量约为7.5A。
（4）断路器：
电动阀驱动电机分支回路断路器QF5：
四台电机型号为Y801-2额定工作电压为
，额定电流
，选用塑料外壳式空气开关，型号DZ0.15-2，适用于
，额定工作电压为380V，额定电流2A，过电流脱扣范围0.15-2A。
电路图设计如图3.2所示。
图3.2电动阀回路图
3.3PLC选型与设计
3.3.1PLC选型
在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。
工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。
PLC及有关设备是集成的、标准的，按照易于工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应用装置规模和控制要求相适应。
熟悉可编程序控制器、功能图标及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性价比的PLC和设计相应的控制系统。
（1）估算 输入输出（IO）点数
IO点数估算时应当考虑适当的余量，通常先根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。
最后在实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行适当调整。
在本设计中，PLC输入端应设置4台机组的4个备用选择按钮、4个启动按钮、4个停止按钮、4个热继电器输入、上下水位触点2个，2个手动控制和自动控制选择按钮、8个电动阀门的行程开关，输入点合计,28点。
输出端应设置主回路的12个交流接触器、电动阀回路的8个交流接触器、4个故障指示灯、4个备用指示灯、输出点合计28点。
输入输出（IO）点数为28+28=56点。
再增加15%的可扩展余量，IO总点数为64点。
（2）存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，所以程序容量小于存储器容量。
设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。
为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的计算公式，许多文献资料中给出了不同的估算公式，大体上都是按数字量IO点数的10～15倍，加上模拟IO点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
本设计中，输入信号和输出信号都不含有模拟信号，自由数字信号，内存容量估算值为64×15＝960位，即60字，在加上25%的余量，共计75字，容量要求较小，一般的机型都能满足此容量要求。
（3）控制功能的选择
控制功能包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等功能。
①运算功能
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。
设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。
大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。
要显示数据时需要译码和编码等运算。
②控制功能
控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。
PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。
例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
③通信功能
大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCPIP），需要时应能与工厂管理网（TCPIP）相连接。
通信协议应符合ISOIEEE通信标准，应是开放的通信网络。
PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C422A423485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：
1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。
PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。
PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：
1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。
为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。
④编程功能
离线编程方式：
PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。
完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。
离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。
在线编程方式：
CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。
这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
五种标准化编程语言：
顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。
选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
⑤诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。
硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。
通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
⑥处理速度
PLC采用扫描方式工作。
从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。
目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。
扫描周期（处理器扫描周期）应满足：
小型PLC的扫描时间不大于0.5msK；大中型PLC的扫描时间不大于0.2msK。
（4）、机型的选择
PLC种类繁多，主要生产厂商有西门子、三菱、施耐德、AB、台达、欧姆龙、array、基恩士、多呢、富士，安川，松下等，其功能、容量、控制规模、外观等方面差异巨大。
PLC的IO总点数小于256点的叫小型机，357~2048点的为中型机，超过2048点的为大型机。
OMRON公司推出的C系列可编程控制器分为袖珍型、小型、中心和大型四个档次。
根据估算的IO总点数，选用OMRON公司C系列可编程控制器小型机。
C系列小型机按处理器档次分为普及型、P型机和H型机。
普及型价格低廉、功能简单。
P系列机为普及型的加强版，增加了许多功能。
H型处理器比P型更好、处理速度更快，但价格更高。
自动供水系统的控制为简单的顺序控制，标准版得CP1L机型既能满足控制要求，该机型根据输入输出点数可分为L型的10点、14点、20点三种机型和M型30点、40点、60点三种机型。
如表3.1：
表3.1PLC选型图
根据估算出的IO输入输出点数为64点，所以本设计采用CP1LM60DR-A型，
其输入点数为36点，输出24点，储存容量：
10K步，告诉计数器：
100kHz4轴，脉冲输出：
100kHz2轴。
采用AC交流电源。
输出形式：
继电器。
国际规格：
N、CE。
由于估算的输出点为28点，而输出只有24点，所以需要附加扩展单元。
其选型如表3.2：
表3.2PLC扩展模块选型
故选择CP1W-16ER。
其输入点数为0，输出点数为16点。
国际规格：
N、L、CE。
其安装尺寸如下图3.3所示：
图3.3PLC安装图
3.32PLC电路设计
根据设计要求输入需要有水泵备用输入、启动输入、手动自动选择输入、电动阀门开启输入、电动阀门关闭输入，根据需要还有热保护触点输入、水位监测输入。
输出需要有水泵电机接触器输出、电动阀门接触器输出、备用指示输出、故障显示输出。
拟定PLCIO分配表如表3.3所示。
表3.3IO输入输出接口分配表
根据IO分配表画出PLC接线图如图3.4所示：
图3.4PLC外部接线图
（1）断路器：
PLC分支回路断路器QF6-7：
选用塑料外壳式空气开关，型号DZ5-10，适用于
，额定工作电压为
，额定电流
，过电流脱扣范围0.5-10A。
（2）水位信号器：
水位信号器用于检测水池和水塔的水位，当水位到达上下限时发出相应的信号，提供给控制器。
干簧式水位信号器结构简单，成本低廉，应用广泛。
选用干簧信号器主要考虑水质、水温和控制幅度。
供水系统的水质为清水，不会有漂浮物，水位控制范围为500~2550mm，选用GSK型干簧继电器，适用于清水，控制幅度为0~5.5m。
（3）指示灯：
指示灯用于PLC输出端的信号显示，电压为24V~。
选用AC1-2211型信号指示灯，颜色选用红色和绿色。
（4）变压器：
变压器T1用于给指示灯提供24V的交流电源。
变压器的选型参数有容量、原电压和变压后后电压。
查阅电工手册，T1选用DCB10—200VA220V24V。
3.3.3排水系统的动作顺序及要求
当给排水系统通电后，需要作出手动自动选择。
当选择自动模式时，首先选择备用水泵，同时有指示灯指示作为备用的水泵。
通过检测水位的信号，决定水泵的开启（关闭）。
若水位达到一定高度，触发干簧管，则通过PLC进行信号处理，发出电动机启动信号，通过星型降压启动第一台水泵，延时一段时间开启电动阀门，待电机达到一定转速时将电动机转换为三角型接法，正常工作，完成第一台水泵的启动。
当第一台水泵出现故障时，第一台水泵自动断电，此时进入第二台水泵通电状态，然后和第一台水泵启动形式相同。
系设计还需要有保护、报警等功能。
当电动机过载时，热继电器会自动弹开，并将信号输入到PLC，通过处理发出报警信号，点亮控制台的报警灯。
：
当选择手动模式时，按下一号泵启动一号泵星型启动，延时一段时间后电动阀门打开，当电动机达到一定转速时，转换为三角型接法，水泵正常工作。
若热继电器弹开，则报警。
当按下关闭按钮时，首先关闭电动阀门，经过一段时间，当电动阀接近完全关闭时，关闭第一台水泵。
以此类推第二台水泵、第三台水泵。
三台泵之间是相关关联的，具体关系在于在工作运行中，有且仅有一台泵是在工作的。
3.4、触摸屏设计
触控屏（Touchpanel）又称为触控面板，是个可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。
为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替传统的按钮。
工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。
触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。
本设计触摸屏的界面如下图：
开机界面如图3.8：
图3.8启动界面
启动页面如图3.9：
图3.9系统启动页面
系统指示页面如图3.10：
图3.10系统控制页面
图3.11系统显示页面
第四章统安装与调试
4.1、水泵房的布置
水泵房的布置有严格的要求，按照规定，基础底座靠墙那边的边缘离墙壁最少要1000mm，各水泵之间最少要500mm，但要考虑到维修时，人的站位及蹲下是空间的大小。
本设计水泵之间的距离为600mm，距离墙壁的距离为1000mm。
符合要求。
水泵基础的平面尺寸，无隔振安装时应较水泵机组底座四周各宽出100~150mm；有隔振安装时应较水泵隔振基座四周各宽出150mm。
基础顶部标高，无隔振安装时应高出泵房地面完成面100mm以上，有隔振安装时高出泵房地面完成面50mm以上，且不得形成积水。
基础外围周边设有排水设施，便于维修时泄水或排除事故漏水。
4.2水泵就位安装
先将水泵放置在基础上，然后用垫铁将水泵找正找平。
水泵安装后同一组垫铁应点焊在一起，以免受力时发生松动。
（1）卧式水泵隔振安装
卧式水泵机组的隔振措施是在钢筋混凝土基座或者型钢基座下安装橡胶减振器（垫）或弹簧减震器。
（2）水泵机组底座和减振基座或钢垫板之间采用刚性联接。
（3）减振垫的型号规格、安装位置应当符合设计要求。
同一个基座下的减振器（垫）应采用同一生产厂商的同一款型号产品。
（4）水泵机组在安装减振垫的过程中必须防止水泵机组倾斜。
当水泵机组减振垫安装以后，在安装水泵机组进出水管道、配件及附件时，也必须采取防止水泵机组倾斜的措施，以确保安全施工。
大型水泵的水泵与电机分离需在现场组装时，注意以下事项：
（1）在混凝土基础上按照设计图纸制作型钢支架，并用地脚螺栓固定在基础上，进行粗水平。
（2）水泵与电机就位。
就位前电机如需做抽芯检查，应保证不磕碰电机转子和定子绕组的漆包线皮。
检查定子槽内有无异物；测试转子与定子间隙是否均匀，有无扫腰现象；电机轴承是否完好。
更换轴承润滑油。
水泵如需清洗，需解体进行。
当采用轴瓦形式时，需检测轴瓦间隙，应当避免出现过松或抱轴现象。
水泵和电机的联轴器用键和轴固定，要求安装平正。
可采用角尺或水平尺测量。
一切就绪即可就位。
4.3检测与调整
用水平仪和线坠在对水泵进出口法兰和底座加工面上进行测量与调整，对水泵进行精安装，整体安装的水泵，卧式泵体水平度不应大于0.11000，立式泵体垂直度不应大于0.11000。
水泵与电机采用联轴器连接时，用百分表、塞尺等在联轴器的轴向和径向进行测量和校核，联轴器轴向倾斜度不应大于0.81000，径向位移不应大于0.1mm。
调整水泵与电机同心度时，应松开联轴器上的螺栓、水泵与电机和底座连接的螺栓，采用不同厚度的簿钢板或簿铜皮来调整角位移和径向位移。
微微撬起电机或水泵的某一需调整的一角，将剪成如下图形状的簿钢板或簿铜皮垫在螺栓处。
当检测合格后，拧紧原松开的螺栓即可。
4.4电器系统的安装
电器系统的安装关系到整个系统的工作情况，一旦电器安装不正确，整个系统将无法工作甚至可能会引发触点事故，造成必要的损失。
因此，电器系统的安装应注意一下几项：
（1）在进行安装操作前，认真阅读安装说明书。
（2）如发现设备故障，应立即切断电源，通知供应商或维修工程师处理。
（3）为防止触电，在安装前请确认已经断掉电源。
（4）采暖系统主机应附着或贴近地面安装。
（5）在接线时禁止短路。
（6）在安装中，需要对某些电器进行测试、检查、接线等，这就需要对其盖板进行拆卸。
要注意不同电器的特点，根据他们的特点来安装。
（7）接线：
①接线是否有误 。
②电线的线屑，尤其是金属屑、短断头及其螺杆、螺母是否掉落在电器内部 。
③螺杆是否拧紧，电线是否有松动。
④端子接线的裸露部分是否与别的端子带电部分相碰，是否触及了电器的金属的外壳。
（8）控制回路接线的注意事项：
①控制回路与主回路的接线，以及与其他动力线、电力线应分开走线，并保持一定距离。
②系统控制回路中的继电器触点端子引线，与其他控制回路端子的连线要分开走线，以免触点闭合或断开时造成干扰信号。
对规定范围内的机器、设备、管道、电气、自动控制系统在各自达到试车标准后，以水、空气、部分实物料等介质所进行的模拟运行，以检验其除受介质影响外的全部性能和设计、制造、安装质量。
4.5管道试压，绝缘测试以及联动试车
4.5.1管道试压
管道试压关系到系统的工作安全，因而常常存在安全隐患甚至发生事故。
如果在系统启动前没有管道试压会管道试压分为预试压和试压两个阶段。
对管道进行试压，要进行如下实验：
（1）对管道进行严密性试验，其目的是检查的严密性，管件、管材在加工制作、运输、保管、安装过程中是否损坏，管道有无堵塞，试验压力应按管网试压规定进行试压。
（2）对管道水进行压试验，对管道进行试压时，塑料给水管道水压试验注意事项，试压时如果压力超过0.1MPa，应该进行分段试压。
4.5.2绝缘测试
对线路进行绝缘测试的目的是为了检测绝缘材料才具有电流通过时的绝缘效应，按照规定，电动机地面之间的电阻要大于5MΩ。
如果没有进行绝缘测试，就无法了解线路绝缘材料的绝缘性能，也就无法保证系统的安全工作，在进行绝缘测试时必须切断电源。
4.5.3联动试车
试车只有工程按文件的内容和施工验收完成后，并且单机试车已经全部合格的条件下才能进行联动试车，在试车时，必须按照试车方案及手册精心指挥和操作，与试车无关的人员不得进入试车区，并对试车认真做好记录。
4.6程序的调试
4.6.1信号调试
在进行信号调试以前，检查给电器的线路接法是否正确，接通供电电源。
调试时，将系统的手动自动控制功能转换为手动控制，根据PLC的输入输出点分配，依次接通各个输入点，检查与输入点相对应的输出指示灯是否亮，如果输出指示灯不亮，说明信号不对，则检查线路接法是否正确，借助检测仪器，检查信号与数据是否相对应，否则就检查电器系统的外接线是否正确，线路是否短路。
4.6.2系统调试
系统应该是在手动控制功能下进行系统调试，调试时要了解系统的性能，查看输入信号输出信号的响应是否符合要求，响应时间是否满足要求，输出信号是否准确。
否则就要检查系统的通信线路，同时对系统设
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