基于单片机的工业循环水系统电气控制.docx
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基于单片机的工业循环水系统电气控制
第1章前言
随着工业的发展，人们越来越重视科学、稳定以及环保的生产生活方式；上述生产方式有赖于生产机器的稳定高效的运行，高效的运行可以利用一定的技术手段对设备进行改造达到目的，相应的，由于高效的生产方式，能量消耗的增加必然造成设备热能的散失加剧，这些热能使得设备的内部部件老化程度加快甚至故障，那么相应的冷却系统也就应运而生了。
水冷以其卓越的散热效果以及其经济性而倍受青睐，但是在水资源日益缺乏的今天，一次性的水冷无论从它的环保性以及其花费来说都不是好的选择，那么，一个经济高效的水循环系统就满足上述要求。
现在的水循环系统已经得到了广泛的运用，从大的如核电站，钢铁机加工企业到小的如电子，IT行业都有涉及，这其中前者占有绝大部分的份额。
近些年，国家提出的节能减排的要求更加速了高效环保的水循环冷却系统的发展，这方面的技术也越来越受重视。
在PLC还未出现时候，传统的工业控制用的是继电器控制，这种控制电路有着不可抗拒的不利因素：
安装不便，检修不易，不经济，抗干扰能力差；PLC以其安装方便，经济耐用，可靠性高，抗干扰能力强等优点在近些年发挥了重大的作用，不少厂家纷纷把以前烦琐的线路改造成PLC控制。
所以，PLC及相关系统电路设计及运用对电气方向的大学生来讲是必备的技能，基于PLC的工业水循环电控系统的设计不论从技术的角度还是从发展的潜力都有着相当大的意义。
本篇论文从主电路的设计，控制检测电路的设计，电气设备的选择，PLC的控制线路以及端口的分配和编程集中反映了工业水循环的电控系统的设计，调试，运用，从理论上描述了PLC控制水循环的运行机制，起到抛砖引玉的作用。
第2章可编程控制器的概述
可编程控制器，简称PC或PLC。
它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制设备。
由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，近年来，已被国内外广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业自动化的支柱产品。
为了更好的认识可编程控制器，现在将从以下几个方面加以介绍。
2.1可编程控制器的由来与定义
2.1.1可编程控制器的由来
20世纪60年代，计算机技术已开始应用于控制领域，但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度高，难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因而未能广泛应用于工业控制。
1968年美国最大的汽车制造商——通用汽车公司，为适应汽车型号的不断翻新，想寻找一种方法，在汽车设计时以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统，降低成本，缩短时间。
设想把计算机的完备功能、灵活性和通用性等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，做成一种能适应工业环境的通用装置。
并把计算机的编程方法和输入方法加以简化，用面向控制过程、面向问题的“自然语句”进行编程，使得不熟悉计算机的人也能方便使用。
装置的要求充分体现在提出的招标指标中：
1）编程简单，可在现场修改程序；
2）维护方便，最好是插件式；
3）可靠性高于继电器控制柜；
4）体积小于继电器控制柜；
5）可将数据直接送入管理计算机；
6）在成本上可与继电器柜竞争；
7）输入可以是交流115V；
8）在扩展时，原有系统只需作很小变更；
9）输出交流115V以上，2A以上，能直接驱动电磁阀；
10）用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
根据招标要求，一年以后，美国数字设备公司率先研制出第一台可编程控
制器，并在通用汽车公司的装配线上试用，获得成功，从而开创了工业控制的新局面。
从此，这一更新技术就以很快的速度迅速地发展起来。
2.1.2可编程控制器的定义
1987年2月，国际电工委员会颁布了可编程控制器标准草案第三稿。
该草案对可编程控制器的定义是：
可编程控制器是一种数字运行操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和识字运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。
可编程控制器及其外围有关的设备，都按易于与工业系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则进行设计。
2.2可编程控制器的功能与特点
2.2.1可编程控制器的功能
早期出现的可编程控制器只是用来取代继电器控制，它只具备逻辑控制、计数等较少功能，人们把它称为可编程逻辑控制器，简称PLC。
随着微电子技术、大规模集成电路及微型计算机的发展，20世纪70年代中期微处理器和微机技术应用到产品中。
使PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加了数据运算、传输与处理功能，成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，进一步扩大了其工业控制领域。
近年来，随着自动化技术、计算机技术和通信技术的相融，它还可以完成以下功能：
1）逻辑控制PLC具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或”、“非”等逻辑指令，能够扫描继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。
因此它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。
2）定时控制PLC具有定时控制功能。
它为用户提供了若干个定时器并设置了定时指令，定时值可由用户在编程时设定，并能在运行中读出或修改，使用灵活，操作方便。
3）计数控制PLC还具有计数功能。
它为用户设置了若干个计数器并设置了计数指令，计数值可由用户在编程时设定，并可在运行中读出或修改，使用操作都很灵活方便。
4）步进控制PLC能完成步进控制功能。
步进控制是指在完成一道工序以后，再进行下一步工序，也就是顺序控制。
PC为用户提供了若干个移位寄存器，或者直接有步进指令，可用于步进控制，编程与使用很方便。
5）A/D、D/A转换有些可编程控制器还具有“模数”转换和“数模”转换功能，能完成对模拟量的控制与调节。
6）数据处理有的PLC还具有数据处理功能，并具有并行运算指令，能进行并行数据传送、比较和逻辑运算，BCD码的加、减、乘、除、等运算，还能进行字“与”、字“或”、字“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数据转换等操作，并可对数据存储器进行间接寻址，与打印机相连而打印出有关数据及梯形图。
7）通信与网络有些PLC采用了通信技术，可以进行远程I/O控制，多台之间可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接，接受计算命令，并将执行结果告诉计算机。
由一台计算机和若干台PLC可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂的控制。
8）对控制系统监控PLC配置有较强的监控功能，它能够记忆某些异常情况，或当发生异常情况时自动终止运行。
在控制系统中，操作人员通过监控命令可以监视有关部分的运行状态，可以调整定时或计数等设定值，因而调试、使用和维护方便。
2.2.2可编程控制器的特点
1）可靠性高，抗干扰能力强;
2）编程简单，易于掌握;
3）组合灵活使用方便;
4）功能强，通用性好;
5）开发周期短，成功率高;
6）体积小，重量轻，功耗低。
２.3传统控制电路与PLC控制电路的比较
在传统的工业水循环系统中，系统的控制主要是以继电器为主的控制电路来达到目的,然而,传统的控制电路有着不可抗拒的不利因素，从继电器的材料来看，继电器的触点表面是由一层氧化层镀在上面，通常为银制，长期的碰撞和电弧温度的灼烧熔化导致时常要去检修并伴随着短路停机的发生，安全性和抗干扰性较差；同时，继电器一旦用得太多，必然伴随着导线线路的连接增加，检查起来十分不便，并且导线的发热导致电流的不稳定，对需要精确控制的系统带来了很大的不便。
由于PLC的引入使得上述的情况得以解决，通过端口的设置及编程使得继电器为主所构成的控制回路可以以编程的形式得以解决，操作较为容易，除主电路外，只需要部分的检测和控制电路就可以达到控制目的，且软件自身拥有的辅助继电器数量不受限制，体积较小安装方便，价格相对长期投入的继电器来说便宜且程序可以改写，方便易行，检修容易，抗干扰能力优于传统控制电路，是工厂自动控制的发展趋势和方向。
2.4可编程控制器发展概况
2.4.1可编程控制器在国外主要工业国家的应用与发展
自从美国研制出世界上第一台可编程控制器以后，日本、德国、法国等工业发达国家分别研制出各自的PC。
70年代中期在PC中引入了微机技术，使其
功能不断增强，质量不断提高，应用日益广泛。
目前PC已广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现逻辑、数字、步进、机器人、模拟量等自动控制，有人认为PC已成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。
据资料介绍，美国一家公司曾对美国石油化工、冶金、食品、制药、机械等行业400多个工厂企业进行调查的结果表明，PC的需求量占各类自动化仪表或自动化设备之首。
有82%的厂家使用PC，43%的厂家使用计算机控制技术，36%的厂家使用专用控制器。
进入90年代，在美国登记的PC公司已有88家，产品377种。
1971年日本从美国引进PC技术，很快研制日本第一台DSC--8型PC，早在1984年日本就有30多个PC的生产厂家，产品60种以上。
西欧在1973年研制出他们的第一台PC，并且发展很快，年销售增长率在20%以上。
目前世界上众多的PC制造厂家中，比较著名的几个大公司有美国公司、歌德公司、德州仪器公司、通用电气公司、德国西门子公司、日本的三菱、东芝、富士和立石公司等。
它们的产品控制着世界上大部分的市场。
2.4.2PLC在我国的发展状况
我国研制与应用PC较晚，1973年开始研制，1977年开始应用，80年代初期以前发展较慢，80年代随着成套设备或专用设备引进了不少PC,宝钢一期工程整个生产线上就使用了数百台的PC,二期工程也使用了更多的PC。
PC市场方面，我国已有许多单位在消化吸收引进技术的基础上，仿制或研制了PC，80年代中后期，我国开发应用技术发展迅速，例如资料介绍东风汽车公司装备系统从1986年起，全面采用PC设备进行更新改造，至1991年止一共改造设备1000多台，并取得了明显的经济效益，1995年广州第二电梯厂，已把PC成功地应用于技术要求复杂的高层电梯控制上，并已投入大量生产。
从近几年召开的学术会议及有关文献介绍可见，我国研制尤其是应用技术日益广泛，日趋成熟。
2.5未来PLC的发展方向
1）向高速、大容量方向发展随着复杂控制系统要求越来越高和微处理器与微型计算机技术的发展，可编程控制器的信息处理和响应速度要求越来越高，用户存储容量也越来越大，例如有的PLC产品扫描速度0.1us/步，用户存储容量最大达几十兆字节。
2）加强网络和通信能力PLC网络控制是当前控制系统和PC技术发展的潮流。
PLC与PLC之间的联网通信、PLC与上位计算机的联网通信以得到广泛应用。
各种PLC制造厂都在发展自身专用的通信模块和通信软件以加强PLC的联网能力。
厂商之间也在协议制定通用的通信标准，以构成更大的网络系统，目前几乎所有PLC制造厂都宣布自己的PLC产品都能与通用局域网MAP相联，PLC已成为集散控制系统（DCS）不可缺少的重要组成部分。
3）致力于开发新型智能I/O功能模块智能I/O模块是以微处理为核心的功能部件，是一种多CPU系统，他与主机CPU并行工作，占用主CPU的时间很少，有利于提高PC系统的运行速度，信息处理速度和控制功能。
专用I/O功能模块还能满足某些特殊控制对象的特殊控制要求。
4）增强外部故障的检测和处理能力根据统计分析，在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O通道占15%，传感器占45%，执行器件占30%，线路占5%。
前二项共20%故障属PC本身原因，它可以通过CPU本身的硬，软件检测、处理，而其余80%故障属于PC外部故障，无法通过自诊断检测处理。
因此，各厂家都在发展专用于检测外部故障的专用智能模块，以进一步提高系统的可靠性。
5）编程语言多样化多种编程语言的并存，互补与发展是PLC软件进步的一种趋势。
梯形图语言虽然方便、直观、易学易懂，但主要适应于逻辑控制领域。
为适应各种控制需要，目前已经出现许多编程语言，如：
面向顺序控制的步进顺控语句、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（汇编、BASIC、C语言等），还有布尔逻辑语言。
第3章电气图设计
3.1工业水循环的一般流程概述
工业水循环系统中一般有一组水泵作为水循环的动力来源，通过叶片等把储水池里的水打入水管，对要冷却的机器进行降温，降温过后的高温水在厂房上的冷却塔上通过电机带动叶片进行降温，最后把降温后的水排入储水池，循环使用，储水池有一个进水管和一个出水管，进水是温度低的自然水，出水管排放储水池的水。
示意图如下：
图3.1工业水循环示意图
3.2工艺流程要求
根据论文要求一铝合金压铸厂拥有250kW晶闸管中频熔炼电炉两台及400～1600t铝合金压铸机数台，这些设备都要用水冷却，要求冷却水压力不应低于0.25Mpa，温度不宜高于35℃,为此配置一套循环水系统，3台离心式水泵流量Q=50m3/h,扬程H=32m,电动机功率PN=7.5kW，用水量最大时开两台水泵就可满足生产要求，这样可以在有1台水泵损坏需要修理时仍然能满负荷生产；100m3/h玻璃钢冷却水塔1座，其冷却风机的功率为3kW，夏季在风机运转时可使从设备返回的循环水温度下降3℃～5℃；冷却水塔下面的储水池约50m3。
水泵出口至生产车间的供水总管上除装设就地显示的数字式压力表外，还装了0～0.6Mpa压力传感器及pt100铂热电阻等，它们的数字控制仪安装在电气控制柜上，当循环水的供水压力地于0.25Mpa或温度达到35℃以上时，发出报警信号，提示值班人员及时进行处理。
循环水系统设备的电气控制柜装在水泵房内，用户还要求在生产车间也能对这些设备进行操作，为此在车间里也安装了一只操作箱。
由于储水池和水泵房均在室外地下，平时无人职守，为防止水泵房内积水过多，在泵房一角设置了长×宽×深为0.6m×0.6m×0.8m的集水坑，在控制柜上有指示灯及开关等，可以手动或自动启、停潜水泵，将坑内积水排出。
系统采用温度、压力数字显示控制仪表各一套，温度仪表设置上限报警，压力仪表设置下限报警，系统用一个报警铃和各一个显示灯作为报警系统。
报警器应装在维修人员的值班地点。
储水池由池子和注水管道及出水管道构成，注水管道上设一浮球阀，当水位低于水位时注入水，当水位过高时关闭阀门，防止水位过高造成资源浪费。
出水管道有一个阀门，当水温过高时避免停机做紧急使用，使水池的热水排放到下水道，水位下降，入水管道的阀门打开补充温度较低的自来水；由于两个阀门不为电控故没在设计图中画出。
3.3主电路的设计
主电路的构成主要是被控制的电机组件，任务是通过控制电路的作用完成预定的目标，主电路设计的好坏直接关系到整个系统的功能是否完整，所需要的动力是否充足，反应是否灵敏等。
3.3.1主电路概述
主电路由工业三相交流380V电源构成主线路，M1，M2，M3为型号一样的离心式水泵，流量Q=50m3/h，扬程H=32m，电动机功率PN=7.5kW，M4为一台功率为3kW的电机作为冷却塔风机电机，M5为潜水泵电机，在主线路和各个支线路上设置组合开关,熔断器和热继电器作为过热过载保护，保护电机和线路安全，同时安装接触器，其线圈连在PLC上控制开机，由于所有电机为交流异步电机且功率小于等于7.5kW且无特殊停车要求，所以选择直接启动，自由停车。
图3.2工业水循环主电路图
3.3.2主电路器件参数设定
主电路的器件参数确定如下：
1.电机的选择
3个水泵电功率为PN=7.5kW
查表可知使用Y-132S2-2系列的三项异步电机，PN=7.5kW，额定转速NN=2900r/min，额定电压UN=380V，三角形接法，额定电流IN=15A，额定效率η=86.2%，功率因数cosφ=0.88。
电机M4的电功率为PN=3kW，电机M5同样选择电功率PN=3kW。
查表可知所选用的电机为Y-1328-6系列的三项异步电机，PN=3kW额定转速NN=960r/min，额定电压UN=380V，三角形接法，额定电流IN=7.2A，额定效率η=83%，功率因数cosφ=0.76。
由于全部电机都是小容量电机。
在一般电网容量下，7.5kW的电机都可以认为是小容量电机，我们对与一切
kW（3-1）
的笼型异步电机一般都可以采用全压启动。
2.熔断器的选择
对于一台电动机的负载的短路保护：
（3-2）
上式的系数视负载性质和启动方式不同而选取；对轻载启动、启动次数少，时间短或降压启动，取小值；对重载启动、启动频繁、启动时间长或全压启动时，取大值。
对于多台电动机的短路保护：
（3-3）
熔断器选用时其电流应大于熔体的额定电流。
故M1，M2，M3的支路熔断器电流
=2.5
=2.5×15=37.5A
所以选择的熔断器型号为RL1，额定电压为交流380V，熔断器额定电流为60A，熔体额定电流为40A的有填充料封闭螺栓式熔断器。
同理M4，M5的支路熔断器电流
=2.5
=2.5×7.2=18A
所以选择的熔断器型号为RL2，额定电压为交流380V，熔断器额定电流为25A，熔体额定电流为20A的有填充料封闭螺栓式熔断器。
主电路总的熔断器的选定电流
=2.5
+其余电动机的计算负荷电流
=2.5×15+15+15+7.2+7.2=81.9A
所以选择的熔断器型号为RL1，额定电压为交流380V，熔断器额定电流为100A，熔体额定电流为100A的有填充料封闭螺栓式熔断器。
3.刀开关的选择
由于电流比较小，所以选一般的刀开关HD17系列刀形隔离器，额定通断电流200A，额定电压380V，3极。
4.热继电器的选择
热继电器的额定电流应略大于电动机的额定电流。
所以所选择的热继电器FR1，FR2，FR3的额定电流应该大于电动机M1，M2，M3的电流值即15A。
所以FR1，FR2，FR3的型号选为JR16系列，额定电压为380V额定电流为20A的热继电器。
同理FR4，FR5的额定电流应该大于电动机M4，M5的额定电流即7.2A。
所以FR4，FR5的型号选为JR15系列，额定电压为380V额定电流为10A的热继电器。
6．接触器的选择
一般情况下，接触器的主触点的额定电流应大于等于负载或电动机的额定电流，计算公式：
（2-4）
式中：
：
主触点的额定电流
：
经验常数，一般取1～1.4；
：
被控电动机额定功率；
：
被控电机额定电压；
所以M1，M2，M3接触器的额定电流计算：
=19.7A
M4,M5接触器额定电流计算：
=7.9A
接触器额定电压的主要根据主触点所控制的负载电路的额定电压来确定，所以此次接触器的额定电压应该选用额定电压380V以上。
为了保证安全，一般接触器的线圈电压均选用较低的电压，如110V，127V，由控制变压器供电。
但如果控制电路简单，所用的接触器较少，为了省去变压器，可选用380V，220V电压。
我们查表得到，三菱的PLC承受的输出有2A左右的电流，而接触器的线圈的动作电流只有几百毫安，所以一般可以稳定吸合。
综上，我们选用的接触器应该为：
3TB43型号，规定发热电流35A，380V额定工作电流22A，可控电动机功率为11kW的交流接触器3个。
3TB40型号，规定发热电流22A，380V额定工作电流9A，可控电动机功率为4kW的交流接触器2个。
上述资料汇总见附件。
3.4控制检测电路的设计
在一个控制系统中，检测控制电路是对系统所要求的环境参数进行检测并对其发生的状况发出相应信号，提示工作人员及时进行处理。
本论文的检测电路主要作用是用来检测水温、水压和潜水泵房的水位，由于潜水泵水位检测和处理方式在PLC程序内实现，由开关SQ1，SQ2完成检测，结构简单，所以这里主要讲的是水温水压的检测，而控制电路的作用主要由PLC来实现，一个控制系统的检测系统的好坏，直接关系到系统的精度和准度。
3.4.1检测电路概述
控制电路电源来自主电路其中2相由变压器转换而成，内接一个电源灯泡安装于控制台上以便观察控制检测电路是否通电，当主电路电机运行之时，相应的接触器带动显示仪表开始工作，面板分别都装在控制台上便于观察，仪表WP1上装一热电阻和一电流继电器KA1,当水管内的温度达到指定温度时，线圈得电，使得相应的触点动作，仪表WP2上装有一压力传感器和电流继电器KA2，当水管内压力小于预定点时线圈得电，相应触点动作。
图3.3工业水循环控制检测电路
3.4.2检测电路元件参数设定
参数设定如下：
1．变压器的选择
显然，我们选的变压器为380：
220的变压器
所以K的取值为：
（3-5）
简单的变压器可以自行绕制也可购买，绕制方法不再详细说明。
2．仪表
由于各个厂家生产的仪表使用方法在说明书上，所以必须根据仪表的说明书进行选购和调试，同样的情况还出现于热电阻和压力传感器的选择，仪表的选择要根据
（1）输入电压的大小，这里我们为220V的交流电。
（2）输出的方式，这里我们选择电流输出，以便配合电流继电器的线圈。
具体型号根据厂家选择。
必须注意的是仪表的型号一般相同。
通过调查,我选择的仪表为成都怡腾自动化ES6数显仪，型号为ES6/A-HRTA1B0E和ES6/A-HRTA1B0I，误差小于0.5%F.S，并具备调教、数字滤波功能，输入信号类型：
万能输入，通过设定选择；适用于电压、电流、热电阻、热电偶信号，电源为220VAC功耗小于7VA。
输入信号包括：
热电阻（Pt100、Pt1000），测温范围为-200.00℃～500.00℃；热电偶（K、S、E、T），分辨力为0.1℃；直流电流；直流电压；直流mV。
电流输出（4～20）mA、（0～10）mA或（0～20）mA。
3.电流继电器
这里的继电器的电流根据仪表输出的电流选择参数，我们选择型号为D10系列的继电器，即到了我们所设定的电流10mA左右,继电器就动作，具体调试中根据不同情况调整。
技术要求为，动作电流的平均误差不应该大于5%，继电器的额定电压为220V交流或以上。
4.热电阻及传感器的选择
根据论文要求，热电阻选择为Pt100的热电偶，传感器选择为成都怡腾自动化FD81151DR/3051DR微差压变送器，测量范围为差压0-1.5kPa
5．指示灯的选择
无特殊要求，选用AD1-30/31额定电压为220V，电源种类为AC50HZ，灯头型号为XZ8-1WE10/13，颜色为无色透明指示灯。
3.4.3PLC电路的设计及端口分配
对与一个PLC的控制电路，正确的端口分配和接线连接关系着控制程序能否按照预定的步骤运行，错误的分配和接线会使PLC无法识别器件，甚至导致程序出现致命错误，造成不必要的损失。
不同的厂家、不同系列的PLC，其端口的编号和接线方法，及其程序语言虽然大同小异，但只有按照使用手册对PLC进行正确的编程才能使得PLC正常工作。
我们在这里选择PLC为三菱的FX0N系列的型号为FX0N-60MR-001，继电器输出，输入点数36，输出点数24。
图3.4三菱FX0N-60MR-001PLC控制线路接线图
图3.4表示为一三菱的FX0N-60MR-001型号PLC控制输入输出图，其端口分配如表3.1所示。
表3.1PLC端口分配表
元件
端口
安装位置
作用描述
SB11
X0
控制台
控制台停止M1按钮
SB21
X1
水泵房
水泵房停止M1按钮
SB12
X2
控制台
控制台启动M1按钮
SB22
X3
水泵房
水泵房启动M1按钮
FR1
X4
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