一控二自耦降压供水系统设计.doc

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1、内容摘要 本公司是一家重工业企业，是用电、用水大户，确保其生产供水是一项十分重要的事项。一期的供水系统已使用多年，系统设备陈旧、原始，在企业规模逐渐扩大的今天，此系统已跟不上生产用水的质量和稳定性，为不影响生产，必须要有一套优质的自动化供水系统，更新已刻不容缓。一期水泵房有两台抽水泵，大泵电机55KW采用自耦降压起动，小泵电机30KW采用星三角降压起动，现在把两台控制柜二合为一,利用PLC控制接触器实现一台自耦变压器控制二台水泵起动,并结合液位传感器、触摸屏等对系统起动、停止进行自动化设计。关键词： 水泵,PLC,自耦变压器降压起动,液位变送器,触摸屏目 录一、概述 - 1二、一控二自耦降压供

2、水系统设计 1 （一） 主电气回路设计 - 1 （二） 控制回路设计及PLC选择-2 （三） 液位变送器 4 （四） 触摸屏 5（五） PLC梯形图编程 - 5 三、系统性价比和发展前景10四、结束语 - 11参考文献 - 11word文档 可自由复制编辑一、概述一期水泵房需要经常人工巡查，操作启停，观察水塔液位并且水泵电机偶尔还要烧掉，拆、装非常不便。控制系统配置相对落后，机组的启、停控制主要依赖值班人员的手工操作，水塔液位也需经常去巡看，操作人员稍不在意，水塔的水就溢出来或见底，而且手动控制无法对水塔液位变化及时作出恰当反应，管路压力无法保证，机组通常处于超压状态运行，效率低、耗电大，还给

3、生产用水质量、稳定性带来影响。这几年船舶行业是低谷期、困难期，我们作为维修工不能一概抛弃旧设备、旧系统，必须在节能降耗，合理利用的基础上进行改造、更新。由于在工作期间对各类泵接触较多，决定在企业原有水泵供水系统的基础上进行自动化设计。泵房内有二台水泵，大泵电机55KW采用自耦降压起动，小泵电机30KW采用星一三角降压起动，为使水泵能根据水塔液位自动启、停，减少人工操作和查看水位，在水塔里安装一只浮球开关，并把线路串入到小泵电机星三角降压起动回路中，在一定程度上起到了半自动化，但是浮球开关在水位上、下设定液面时，因水波影响会引起系统误动作，并烧电机的现象还是偶尔存在。如星一三角起动的小水泵，时间

4、继电器偶尔要坏，引起星一三角转换不灵或不能转换，导致电机长时间星形运行，出力不足，电机烧损，其它中间继电器因频繁起动、过流等也常常损坏。这些使用传统的时间继电器、中间继电器等一些电气元件，接线复杂，可靠性低，故障率高并且查找困难，给维修、维护工作带来麻烦，同时供水系统的不稳定、不可靠给生产进度带来严重影响。为了改变这一现状，我经过仔细研究，运用已学知识，并查阅大量资料，在原先控制系统上设计了一套符合生产实际所需的自动控制系统。在利用原有主回路的情况下，采用PLC控制取代传统的电气控制回路，即节约了资金，又利于在原有设备上进行改造。二、一控二自耦降压供水系统设计（一） 主电气回路设计鼠笼型异步电

5、动机常用串电阻串电抗降压起动、星三角降压起动和用自耦变压器起动等方式，相比之下，用自耦变压器降压起动效果比较好。自耦变压器降压起动是一种在大容量电机起动中常用的方法，其在启动时选用65%额定电压，经过一定时间电机运行到正常转速时自耦变压器退出运行，电机在额定电压下运行。如果用一台自耦变压器控制二台电机启动，那是一种经济有效的启动控制方式。在一期水泵房原有基础上，我把两台泵的控制柜二合为一，均采用大泵的自耦变压器启动，主电气控制回路见图一。主电气回路工作过程：合上空气开关QF1、QF2、QF3，当接触器KM01吸合时，自耦变压器工作，接触器KM12吸合，1号泵自耦降压启动，30秒后KM01、KM

6、12放开，KM11吸合，1号泵全压运行。2号泵工作过程也是如此。图 一（二）控制回路设计及PLC选择新系统的控制回路设计，需要考虑手动、自动、1号2号泵选择、故障切换、报警指示等功能，当水塔液位低于某设定值时，选择水泵投入运行，液位高于某值停止抽水，控制室有液位显示比较直观。用PLC程序软件取代原电控系统中的时间继电器和中间继电器，仅利用原有的五个交流接触器，一个自耦变压器，使电控系统的体积大大减小，结构紧凑美观，因此整个电控系统的故障率大为降低，可靠性、稳定性也提高，有利于水泵的运行寿命、经济效益和确保生产用水。 PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。由中

7、央处理单元(CPU)、存储器、输入/输出模块、扩展模块、编程器、电源组成。 PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各

8、对应的输入状态寄存器中，即刷新存入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。采用PLC来控制自耦变压器的降压启动有三个好处：(1)可靠性高，抗干扰能力强。（2）组合灵活，使用方便。（3）便于编程，改变程序灵活，适合于不同控制对象对控制功能和控制规模的不同要求。根据生产工艺要求

9、，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。还有根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或晶闸管输出。不同的负载选择不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。PLC对水泵的控制，使通过采用连接在它输入端上的主令器件（如方式选择开关、操作按扭、限位开关等） 开闭状态，利用程序软件产生相应的控制信号，施加于连接在输出端上的执行元件（如继电器、接触器等）而进行

10、控制的。因此，首先对PLC的开关量输入信号和开关量输出信号数进行准确统计并留有扩展余量。根据此供水系统的各种主令器件、转换元件及接触器和指示灯的数量统计，再结合系统比较简单和成本上的核算，不必要选择国外的三菱、西门子等产品，在这里选择国产无锡的信捷PLC比较经济、实惠、可靠，PLC可编程控制器选继电器输出型（XC324RE），输入点14点，输出点10点，还有考虑到液位传感器有模拟量输入，另加一个同型号的（XCE4AD）模拟量输入输出PLC模块。PLC控制电路输入/输出（I/O）见图二。图 二（三）液位变送器 浮球开关是用常开、常闭硬触点来控制水泵电机启动、停止，有控制电流通过，频繁动作比较容易

11、会坏，而且当水位在上、下设定液面时，因水波影响会使浮球开关浮动，引起水泵启、停误动作，如果用时间继电器或其他中间继电器去解决这个问题，会使系统更复杂，故障率增加，问题查找更困难，而采用液位变送器就可避免以上问题，使控制回路大大简化。MPM489W型液位变送器是一种全密封潜入式扩散硅液位测量仪表。改型变送器选用经过长期稳定性和可靠性试验的压阻式OEM压力传感器及高精度的变送器专用电路装入一个不锈钢壳体组成。一体化的结构和标准化的信号，为现场适用和自动化控制提供了方便。专用电缆与外壳密封连接，可长期投入与变送器结构材料相兼容的液体中使用。 MPM489W型液位变送器具有体积小、重量轻、长期稳定性好

12、，适用于医药、冶金、电厂、矿山、城市供排水、水文勘探等领域进行水位或液位测量与控制。 液位变送器的作用主要是把水塔液位的压力模拟量转换成数字量，在这里选择成熟的麦克MPM489W型液位变送器，类型:投入式液位变送器，测量精度：0.2，材质：316不锈钢，输出信号：420mA。（四） 触摸屏触控屏的基本原理是，用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触控屏时，所触摸的位置 ( 以坐标形式 ) 由触控屏控制器检测，并通过接口 ( 如 RS-232 或RS-485串行口 ) 将触摸信息传到PLC ，从而确定输入的信息。触摸屏系统一般包括两个部分：触摸检测装置和触摸屏控制器。触摸检测装置安装在显示器屏幕

13、前面，用于检测用户触摸位置，接收后送触摸屏控制器；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，判断出触摸的意义后送给PLC，它同时能接收PLC发来的命令并加以执行。随着科技的进步，触摸屏技术也经历了从低档向高档逐步升级和发展的过程。根据其工作原理，其目前一般被分为四大类：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏和表面声波触摸屏。 为与信捷PLC配合使用，选择信捷OP系列人机界面触摸屏，文本OP330，市场价一般300元每台，价廉物优。3.7英寸，20个按键，对应PLC机种广泛，具有密码保护功能，内置时钟。文本精灵，动态显示文本，文字设定：中文（简体）/英文，

14、具有报警列表功能，逐行实时显示当前报警信息。按键可被定义成功能键，带背景光STN液晶显示。输入电压DC24V，使用寿命20000小时以上，环境运行温度：050度，运行湿度：10%RH至90%RH（无凝露），外部尺寸：长（172mm）*宽（94mm）*厚（30mm）。通过触摸屏按键，根据生产需要可随时设定水泵启、停液位，且设定密码保护，以防外人操作。（五） PLC梯形图编程梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器

15、控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。此系统采用电气人员所熟悉的梯形图进行编程，简便易懂，有利于基层维修人员的使用维护和广泛推广。为确保生产用水的质量和稳定性，考虑到一只泵坏，另一泵马上投入使用，供水系统梯形图按一用一备设计，当转换开关SA1-1手动位置时，X0输入处于常开状态，当转换开关SA1-2自动位置时，X1输入处于常闭状态，另一水泵控制也是如此，同时确保当一台电动机起动时，应该使这台电动机首先与自耦变压器连接，降压起动，而不能有直接起动的可能性。水塔是一个圆柱体，直径22m，高度3.6m，为使系统能自动根据水

16、塔液位启、停，把液位压力传感器送来的模拟量通过变送器转换成4-20mA数字量，再通过PLC模块计算得出水塔液位D，设计当水塔液位D=3.4m时，投入泵停止，结束供水，如此周而复始工作。梯形图见图三。图 三另附系统主要设备清单及供水管路示意图，见图四。 供水系统主要设备清单及管路示意图设备名称型号数量低压配电柜SJK-B-21自耦变压器QZB-J-551空气开关NSC250S/200A2NSC100S/100A1接触器LCID 115/380V1LCIE 95/380V4触摸屏OP330/DC24V-3W1信捷PLCXINJE XC3-24R-E(X:14 ,Y:10 )1 XC-E4AD2DA

17、1液位显示仪TE8(PV:显示水塔水容量)1液位变送器MPM489W（0-3m：H2O）1电动机综合保护器JD-61JD-51水泵电机Y200L1-2 30kw1Y225M-4 55kw1 图 四三、系统性价比和发展前景此系统在原先基础上进行更新改造共投入三千元人民币，在公司的设备系统改造里，支出算是低了。原先需有专人看管、操作供水系统，现在由污水泵操作人员顺带查看、切换，白天用大泵，晚上用小泵，一天只需二次，减少了一个人的人力费支出。水泵启停液位直接可以通过触摸屏随时调整、设置，操作简便，就像在手机触摸屏上操作几个按钮。控制柜二合为一，结构紧凑，控制回路简单，故障查找容易，另一星三角控制柜还

18、可其他地方所用。原先一年烧损电机四次以上，现在已基本不会产生电机烧损，以小泵电机30KW，市场价每千瓦70元计算，重绕一只电机2100元，半年就足以收回成本。其他维修、维护费也明显降低，只要进行一般性的保养，维护便可。更重要的是从人工化改为自动化，系统稳定、可靠，确保了生产进度，无形中产生的效益更加大。如果管路系统闸阀改用逆止阀，那么可以使控制系统更加自动化，只要稍改一下PLC梯形图，两泵就可自动切换，一台坏了，另一台便自动投入，减少了人工切换带来的误时。系统采用PLC、触摸屏、液位传感器等为以后远程操作打下基础，操作人员只要坐在办公室就可面对反馈过来的液位、压力、流量、电机启停等信号，在电脑

19、上一看便一目了然，并动一下鼠标就可根据生产所需调节系统。因为使用供水泵的地方较多，此系统还有广泛推广的前景。性能对比原系统新系统人员配置要顺带控制柜二个一个系统操作手动自动稳定性、可靠性低高故障率高低烧电机现象一年四次以上基本无维护麻烦方便水位查看要不要管路压力波动大稳定启停液位不可调直接可调报警指示无有水位显示无有电机对电网冲击大一般远程控制无可发展四、 结束语 此系统在原有基础上进行改造，成本低，改造方便，从原来的人工操作、巡查水位，更新为供水泵根据水塔液位自动启、停控制，充分发挥PLC的优势，大大地简化设计线路的复杂性，并且提高了运行的可靠性。系统投入后工作稳定可靠，经济运行，减少了维修

20、、维护，更重要的是确保了生产用水的质量、稳定性，使生产部门可正常安全生产。参考文献1 周军：电气控制及PLC 北京：机械工业出版社 2001年；2 廖常初：PLC编程及应用 北京：机械工业出版社 2010年；3 程子华： PLC原理与编程实例分析 北京：国防工业出版社 2007年；4 咸庆信 类延法：PLC技术与应用专业技能入门与精通 北京：机械工业出版社 2011年；5 王明：机电控制基础 北京：化学工业出版社 2001年；6 孟华：自动控制原理 北京：机械工业出版社 2010年；7 王永丰：水泵自耦降压启动电路改进选自设备管理与维修杂志 北京：中国机械工程学会主办，总第315期，2011年；8 葛红侠： 煤矿井下水泵房集中控制系统的研究与设计 天津：科技信息，33期，2008年；9 张晓 史丽萍： 基于电容感应元的多层液位传感器的研究 河南：传感器世界，06期，2008年；10 缪玉珍：触摸屏远程监控设计 广东:日用电器，08期，2012年；11 邹进 甘永梅： 触摸屏控制系统组态软件设计与实现 西安：工业控制计算机，01期，2005年。word文档 可自由复制编辑