PLC课程设计旋转式滤水器电气控制系统.docx

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PLC课程设计旋转式滤水器电气控制系统

旋转式滤水器电气控制系统

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，我国部分水电厂还采用传统的老式滤水器，由于设计落后、自动化程度低，污物不能有效排除。

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。

本文讨论的用PLC实现的全自动控制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。

关键词：

PLC控制；自动控制；滤水器；排污

第一章设备控制原理

旋转式滤水器接入管道系统后，水就会从进水口进入滤水器，过滤后的水从出水口流出，当水中杂质通过网芯时，由于体积大于网芯孔，而被截留在网芯上，当聚积到一定数量时，即造成进水口和出水口有一定压差。

这时可转动网芯进行自动反冲洗，杂质将会从排污口自行排出。

旋转式滤水器的控制原理如下图图1所示：

图1旋转式滤水器控制原理图

1.1设备简介

如图1所示，旋转式滤水器具有手动控制和自动控制两种方式，可实现手动调试和检修，人工除杂排污，定时自动除杂排污，差压自动除杂排污，超压停机，计数功能等多种功能。

旋转式滤水器的工作过程主要有以下两个部分：

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。

1.2系统控制原理及设计要求

（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。

第二章旋转式滤水器控制系统的设计　

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

（1）滤水机构滤水机构

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。

（2）执行机构执行机构

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。

（3）排污机构

排荇机构由排污台、旋流子、支架、排污管及排枵阀等组成。

当需要排污时，转动滤芯，进行反冲洗。

当打开排污阀门时，排污单元滤卷内水流改变方向，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圬单元滤芯时，被旋流子改变方向，形成一旋流水束，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。

（4）操作单元操作单元

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。

（5）保护装置本装置

主要设置电动机过载保护装置和超高压报警停车装置。

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。

2.3电气控制设计

2.3.1主电路设计

旋转式滤水器控制系统的主电路如图2所示。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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2旋转式滤水器控制系统主电路图

2.3.2交流控制电路设计

旋转式滤水器控制系统的交流控制电路图如图3所示。

图3旋转式滤水器控制系统交流控制电路图

（1）控制电路有电源指示HL。

PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。

（2）隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：

1、容量100VA隔离变压器。

（3）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还起到电压转换的作用，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。

（4）报警电铃HA为AC200V/8W，在出现超高压差时进行报警。

（5）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。

（6）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。

（7）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。

2.3.3主要参数计算

（1）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。

（2）熔断器FU熔体额定电流

。

以滤水器电动机为例，

≥2

＝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。

（3）热继电器的选择参照相关技术资料选取。

2.3.4PLC控制电路设计

（1）硬件结构设计。

根据设计要求，本系统设计了15个输入和12个输出。

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。

由于本设计所需的I/O口较少，所以我们选用三菱FX2N系列小型程控器FX2N-48MR作为核心控制器件。

FX2N系列是PLCFX家族中最先进的系列。

由于FX2N系列具有如下优点：

最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

FX2N系列PLC的特点有：

系统配置既固定又灵活，编程简单，备有可自由选择，丰富的品种，令人放心的高性能、高速运算，使用于多种特殊用途，外部机器通讯简单化，共同的外部设备。

图4旋转式滤水器控制系统的PLC控制电路图

旋转式滤水器控制系统的PLC输入输出接口功能和相关说明PLC输入接口功能如下表1所示，输出接口功能如下表2所示。

表1旋转式滤水器控制系统的PLC输入接口功能表

程序输入

文字符号

说明

X000

SA1-1

手动控制转换开关（左45度）

X001

SA1-2

人工除杂排污控制转换开关（右45度）

X002

SA1-0

转换开关零位

X003

SB1

手动开电动阀按钮

X004

SB2

手动关电动阀按钮

X005

SB3

手动开滤水器、液压泵按钮

X006

SB4

手动关滤水器、液压泵按钮

X007

KP

差压变送器信号

X010

KM1

开电动阀信号

X011

KM2

关电动阀信号

X012

KM3

滤水器、液压泵电动机运行信号

X013

KA1（FR）

电动机过载信号

X014

SQ1

电动阀打开限位开关

X015

SQ2

电动阀关闭限位开关

X016

SB5

故障报警显示关闭开关

表2旋转式滤水器控制系统的PLC输出接口功能表

程序输出

文字符号

说明

Y010

KM1

开电动阀接触器

Y011

KM2

关电动阀接触器

Y012

KM3

滤水器、液压泵运行接触器

Y000

HL1

手动控制指示灯

Y001

HL2

人工除杂排污指示灯

Y002

HL3

定时自动除杂排污指示灯

Y003

HL4

差压自动除杂排污指示灯

Y004

HL5

故障指示灯

Y005

HL6

开电动阀指示灯

Y006

HL7

关电动阀指示灯

Y007

HL8

滤水器、液压泵运行指示灯

Y013

KA2（HA）

报警电铃

控制电路图中L5作为PLC输出回路的220V电源，分别向输出回路的220V交流负载供电，输出回路COM2接入电源N端。

VC24V作为PLC输出回路的24V直流电源，向电路中的所有指示灯供电，输出回路COM1接入直流电源的GND端。

光电耦合器件做为信号转换器件，将PLC的输出信号转换成单片机能接收的计数输入信号，通过单片机进行排污次数的计数，并将计数值通过8段数码管显示出来。

光电耦合器件的输入信号是滤水器电动机起动运行的输出信号。

第三章程序设计

（1）程序流程图如下图5所示。

图5旋转式滤水器控制系统的PLC程序流程图

（2）旋转式滤水器控制系统的PLC程序梯形图如下图6所示。

图6旋转式滤水器控制系统的PLC程序梯形图

（3）旋转式滤水器控制系统的PLC程序指令表如下所示

第四章基于单片机的计数显示模块设计

4.1计数显示控制电路设计

第四章课程设计总结

PLC课程设计的突然降临使我措手不及，再加上PLC的基础薄弱使我感到力不从心，拿到题目的时候，不知如何下手，时间又是如此的短，只有两天，真的使我感到很苦恼，不过抱怨却是多余的，刻不容缓，我们小组积极讨论，开始准备，查找资料，以前的一些同类型的设计实例等等，又上网搜集相关资料，开始全身心的投入到设计中。

设计中我们遇到了很多困难，每当此时大家互相鼓励，拿着手头所用的资料与网络资源认真思考，查漏补缺，就这样锲而不舍中，大致模型出来了，在设计过程中我们不断的思索，再对所设计的程序与电路的反复改动中，完成了理论要求，然后又经过调试（幸运的是，调试比较顺利），完成了设计要求中所需要达到的各个指标，大家都很开心，集体的力量真是无穷的。

此次设计，对我以前的知识有很好的查漏补缺功效，使我受益匪浅，并让我再一次深刻体会到学而怠用之，必有大漏这句话的深刻意义。

并且锻炼了我独立思考的能力，培养了我独立研究、发现问题、分析问题、解决问题的能力，也增强了自己的动手能力，使实践与理论很好切合在一起，对书本上的知识也能活学活用。

还是体会到团队合作的重要性，这是大家好才是真的好。

还有就是，学习是一种稳步前行的工作，勿急勿躁。

参考文献

[1]张凤珊电气控制及可编程程序控制器中国轻工业出版社2010.8

[2]羼文献CKL一3000型自动清洗滤水装置口]电力自动化设备．1995，11

（1）：

46~49

[3]江秀汉，李萍t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.l

[4]漆汉宏PLC电气控制技术。

机械工业出版社2007.7

[5]王树东，刘满强等，PLC在新型全自动滤水器控制中的应用甘肃科学学报

第12卷第3期2000.9

[6]4钟肇新，彭侃．可编程控制器原理及应用．广州：

华南理工大学出版社，1999

[7]张凤珊,祖龙起.电器控制及可编程序控制器.中国轻工业出版社

附录：

旋转式滤水器控制系统的元器件清单

旋转式滤水器控制系统元器件目录表

序号

文字符号

名称

数量

规格型号

备注

1

M1、M2

滤水器，油泵电动机

2

Y系列

三相门交流异步电动机

2

M3

电动阀电动机

1

LQA20-1AC380V/60W

自带电动阀

3

FR1－FR3

热继电器

3

JR16B-20/3

参照电动机整定电流

4

FU1－FU3

熔断器

12

RL1-15

熔体2－10A

5

FU4－FU5

熔断器

2

RT16-32X

熔体2A

6

QF

断路器

1

C45AD

脱扣电流10A

7

TC1

隔离变压器

1

BK-100

变比1：

1,AC220V

8

TC2

电压转换变压器

1

变比20：

1,AC220V

9

TC3

电压转换变压器

1

变比8：

1,AC220

10

SA1

转换开关

1

手动/自动转换

11

SB1

开电动阀按扭

1

LAY37

绿色

12

SB2

关电动阀按扭

1

LAY37

红色

13

SB3

滤水器电动机起动按扭

1

LAY37

绿色

14

SB4

滤水器电动机停止按扭

1

LAY37

红色

15

KM1－KM3

交流接触器

3

DJX9

线圈电压：

AC220V

16

KA1、KA2

中间继电器

2

HH52P

线圈电压：

AC220V

17

HL1－HL8

信号指示灯

8

AD16-22

状态显示：

DC24V

18

HL

电源指示灯

1

电源指示：

AC220V

19

HA

报警电铃

1

故障报警：

AC220V

20

YA1

差压变送器

1

反馈压差信号：

AC220V1A

0.3~0.8Mpa

21

PLC

可编程控制器

1

FX2N-48MR

继电器输出