基于PLC的温湿度控制

设计说明书 电器与可编程控制器课程设计电器与可编程控制器课程设计 题 目 恒压供水的 PLC 设计 姓 名 风骚不再 学 号 0101001 指导老师 习近平 2011 年 1 月 10 日 设计说明书 2 电器与可编程控制器课程设计任务书电器与可编程控制器课程设计任务书 延陵学院 专业 电气工程及其自动化 班级 08 电 Y1 学生姓名朱南杰指导老师史建平职称副教授 课题名称恒压供水 PLC 系统设计 课题工 作内容 1 熟悉课题工作原理 2 设计方案论证 系统建立 3 电气原理控制设计 4 元器件选择 5 梯形图设计 控制分析 6 完成设计图纸 7 完成设计任务书 8 设计测评 指标 目 标 要求 达到设计课题的控制要求 设计主电路 PLC 的控制电路 PLC 程序设计 联机调试 元器件选择及计算 打印 PLC 程序 计算机绘图 进程安排 第一周 周 1 下达任务 收集资料 设计准备 周 2 方案确定 周 3 5 电气原理控制设计 元器件选择 第二周 周 1 2 梯形图设计 控制分析 周 3 4 上机调试 周 5 完成设计图纸 完成设计任务书 设计测评 主要参考 文献 1 电气控制和可编程控制器技术 史国生 化学工业出版社 2 可编程控制应用技术实训指导 李俊秀 化学工业出版社 3 电器控制 李仁 机械工业出版社 地点秋白楼 A608 起止日期11 年 1 月 10 日 11 年 1 月 21 日 指导教师 史建平 11 年 1 月 9 日 设计说明书 3 目录目录 1 课题要求 4 1 1 恒压供水介绍 4 1 2 控制原理框图 5 1 3 控制要求 5 1 4 控制对象模型介绍 5 2 硬件选择 6 2 1 方案的选择 6 2 2 变频器和 PID 调节器的选择 7 2 3 热继电器的选择 8 2 4 PLC 的选型 8 3 软件编程 9 3 1 PLC 的 I O 端口分配 9 3 2 程序介绍 9 3 2 1 电机软启动 9 3 2 2 手动装置的设置 13 4 调试 14 4 1 调试过程采用分段调试的方法 14 4 1 1 对启动过程的调试 14 4 1 2 对加减电机的调试 14 4 1 3 手动装置调试 15 4 1 4 蓄水池报警装置 15 4 2 调试心得 15 4 2 1 调试中的收获 15 4 2 2 调试中所遇到的问题 16 5 附录 16 5 1 完整梯形图 16 5 2 主电路 19 5 3 PLC 外部接线图 20 5 4 元件清单表 21 5 5 PLC 的 I O 地址分配表 21 5 6 变频器的参数的设定 22 5 7 参考文献 22 设计说明书 4 1 课题要求课题要求 1 11 1 恒压供水介绍恒压供水介绍 随着城市高层建筑供水问题的日益突出 保持供水压力的恒定 提高供水 质量是相当重要的 同时要求保证供水的可靠性和安全性 本供水系统是针对 上述问题设计的供水方式和控制系统 有供水回路 一个蓄水池及泵房和故障 报警装置组成 其中 泵房有 1 2 3 三台泵机 还有多个电动阀和电动蝶 阀控制供水回路和供水量 控制系统采用了以具有丰富功能的 PLC 为核心的多 功能高可靠性控制系统 为防止系统给变频器反送电 造成变频器损坏 而使 用 KM1 和 KM2 KM3 和 KM4 KM5 和 KM2 KM4 的机械互锁来保护变频器 本系统 的泵机原理如图 1 图 1 泵机原理图 RST ABB变频器 ASC 400 U V W M1 M2 M3 PLC 控制器 操作控制信号 M4 蓄 水 池 压力变送器 PID KM2 KM4 KM6 KM1 KM3KM5 电 源 设计说明书 5 1 21 2 控制原理框图控制原理框图 给定压力 PLC控制器变频器电动机供水管网 压力传感器 保护报警 工频电网 图 2 系统控制原理框图 对控制原理框图 2 的说明 压力传感器用的是 PID 调节器 因此也就不 用变频器内部的 PID 调节 而且也就用不着 PLC 可编程控制器的模拟量的扩展 单元 而只用变频器的工厂宏 FACTORY 0 就可以了 压力传感器将压力信号 传给 PID 调节器 PID 调节器根据压力设定 输出 4 20mA 给变频器以调节电 机的转速 为管网充压 1 31 3 控制要求控制要求 1 供水压力要恒定 管网压力波动一定要小 尤其在换泵时和用水压力较大时 必须保证管网压力得恒定 2 三台泵中其中两台用作工频运行对管网水压粗调 一台用作变频运行对水压 进行细调 还有一台作为备用 在用水量很大时 可作公平泵运行 3 要有完善的保护和报警功能 4 须具有水池防抽空功能 5 为了检修和应急须具有手动功能 1 41 4 控制对象模型介绍 主电路介绍 控制对象模型介绍 主电路介绍 KM1 KM3 一 二号电机启动 变频启动接触器 KM5 为变频电机接 设计说明书 6 触器 FR1 FR2 FR3 FR4 FR5 为保护各台电机的热继电器 图 3 控制对象主电路 2 2 硬件选择硬件选择 在确定硬件之前 首先必须确定方案 下面对方案进行可行性分析 2 12 1 方案的选择方案的选择 方案一 其中一台主泵 2KW 两台附属泵 平时工作时 压力要求为 0 32Mpa 左右 通常情况下开一台工频泵 开一台变频泵 就能满足压力要求 原该所根据用水量的多少 由工作人员调节递止阀的开度和水泵的台数及大小 用以维持压力恒定 这样不但耗能 而且增加了工人劳动强度 增大了噪音 这个方案显然不是很好 所以我们又想到了第二种方案 方案二 考虑用一台 ABB 公司的 ASC 400 变频器控制一台 2KW 电机变频 运行 还有两台 2KW 的电机工频运行 工频泵通过变频泵的的高频到达和低 频到达来控制工频泵运行的台数 方案一中为了保持管网压力恒定平均需开机台数为二台 方案二中平均开 机为一台工频运行 一台 30 40Hz 左右变频运行 现对两方案进行节能分析 设计说明书 7 A 方案一每年所用电费 1 方案一功率 P1 2KW 2 4KW 2 方案一平均每年所耗电能 W1 P1 T 4 335 24 32160 千瓦 时 一年平均工作 11 个月 3 方案一每年所用电费 M1 W1 P 单价 32160 0 5 16080 元 平均电价每千瓦时 0 5 元 B 方案二每年所用电费 1 方案二功率 P2 2KW 2 35 100 2700W 2 方案二平均每年所耗电能 W2 P2 T 2700W 335 天 24 时 天 21708 KW h 3 方案二每年所用电费 M2 W1 P 单价 21708 度 0 5 元 度 10854 元 0 5 元 千瓦时 C 一年所节约电费 M M2 M1 16080 10854 5226 元 可见这方案二比较节能 经过系统的可行性分析 我们最后选择方案二 方案确定后 就是选择元件了 2 2 变频器和变频器和 PID 调节器的选择调节器的选择 由于在此次设计中选择的三台电机的额定功率都是 2KW 变频器的容量 2KW 3 6KW 再考虑 25 的安全裕量 所以选择的变频器的容量为 7 5KW 在确定的 ABB 公司的 ASC400 系列中的 7 5KW 变频器 压力变送器的压力信号首先传给 PID 调节器根据压力设定 输出 4 20mA 给变频器以调节电机的转速 PID 的压力范围根据管网的上限压力和下限压力 和正常管网压力 0 32MPa 设定即可 二极管整流电路会产生 5 7 13 次 的高次谐波 将造成电流增大 功率因数下降等 这在小功率情况下不会对电路造成太大影响 一般不用采取 特殊措施 当电机功率较大时可装上 AC 或 DC 电抗容 通过电抗容来消除谐 设计说明书 8 波对电路的影响 3 压降左右 保护器件的选择 在这里就简要得说明如下 2 32 3 热继电器的选择热继电器的选择 根据实际电机运行时的温升 和过载要求可自行进行选择 无特殊要 求 熔断器的选择同理 在此不再赘述 电机运行时的温升可有铭牌参数 确定 过载倍数有额定电流的 1 5 倍来确定 2 42 4 PLCPLC 的选型 的选型 FX 系列 PLC 的基本单元内有 CPU I O 接口电路 存储器及标准电 源 扩展单元用于扩展 I O 点数 其内部设有标准电源可供扩展模块使用 扩展模块也是用于增加 I O 点数及改变 I O 特性 其电源从基本单元或扩 展单元上取得 FX 系列有各种点数及各种输出类型的基本单元 扩展单元 和扩展模块 他们可以自由混合配置 使系统配置灵活方便 其内部有一 个 16 位的 CPU 和一个专用逻辑处理器 执行 响应速度很快和高速计数 器 像 FX2N 的 PLC 给用户提供了 298 条功能指令 由此可见 FX2N 系列的 PLC 为单元式结构 但其功能强大 组合灵 活 可与模块式 PLC 媲美 通过分析 根据要求可以得到 I O 总点数约为 18 点 所以我选择 FX2N 32MR 001 主机 它规格说明 交流电源 24V 直 流输入类型 输出类型继电器输出 详细 交流电源 24V 直流输入类型 输入 类型 漏型 输出类型 继电器输出 I O 总数 32 点 输入 16 点 输出 16 点 外形尺寸 130 x 87x 90mm 而且 其基本功能为运转控制方法 通 过储存的程序周期运转 I O 控制方法 批次处理方法 当执行 END 指令 时 I O 指令可以刷新 运转处理时间 基本指令 0 08 s 编程语言 逻辑梯形图和指令语句 使用步进梯形图能生成 SFC 类型程序 程式容量 8000 步内置并使用附加寄存器盒可扩展到 16000 步等优点在这次设计中选 择的为三菱的 FX 2n 系列 该款的电源电压为交流 100V 240V 的电源 频 设计说明书 9 率为 50 赫兹 60 赫兹 交流耐压 1500V 1min 满足这次设计要求 电机的选择 这次设计的供水对象是五层的 所以在选择电机时 根据管压的要求 在这里选择 2KW 的电机已可以满足供水的要求 有时很小的电压不平衡会引起很严重的电流不平衡 甚至产生缺相 可造成整流桥损坏 电解电容损坏 由于脉动电流增大 如果某一相的电 流超过变频器的额定输出电流时 必须带有缺相保护功能 在轻载时出现 电流不平衡 不会损坏机器 3 3 软件编程软件编程 3 13 1 PLCPLC 的的 I OI O 端口分配端口分配 输入输出 X000 复位 开机复位 SB0Y000 一号变频启动 KM1 X001 电机一 点动 SB1Y001 一号工频正常运行 KM2 X002 停止按钮 SB2Y002 二号变频启动 KM3 X003 启动按钮 三台电机软启动 SB3 Y003 二号工频正常运行 KM4 X004 变频下限到达 SB4Y004 三号变频正常运行 KM5 X005 蓄水池下限 SB5Y005 蓄水池阀门 KM7 X006 蓄水池上限 SB6Y006 蓄水池报警装置 KM8 灯 X007 变频上限到达 SB7Y007 备用工频电机 KM6 X010 电机二 点动 SB8 X011 变频电机直接启动 SB9 表 1 PLC 的 I O 地址表 3 23 2 程序介绍程序介绍 3 2 13 2 1 电机软启动 电机软启动 为了避免三台电机同时启动对电网所带来的冲击 所以这里给出了在启动 设计说明书 10 中 三台电机的软启动 流程图如下图 4 开始启动 一号电机变频启动 延时1秒 一 号 电 机 工 频 运 行 模拟调节正常 二号电机变频启动 YES 延时1秒 二 号 电 机 工 频 运 行 三号电机变频启动 启动结束 手动微调 NO 图 4 电机软启动流程图 软启动梯形图 5 设计说明书 11 图 5 电机软启动梯形图 对软启动指令的说明 当启动按钮 X003 的信号为 1 时 辅助继电 器 M2 得电 并且自锁 M2 得电之后 使得一号电机与变频器相连的接触器线 圈得电 Y000 为 1 使得一号电机变频启动 计时器 T0 开始工作 一秒 之后 T0 常开触点闭合使一号电机的与工频相连的接触器常开触点闭合 与变 频器相连的接触器断开 使一号电机工作于工频状态 计时器 T1 开始工作 十秒之后 十秒是为了使变频器调整所流出的时间 T1 的常开触点闭合 使 二号电机变频启动并自锁 计时器 T2 开始工作 一秒之后 T2 常开触点闭合 使二号电机与变频器相连的接触器常开触点断开 与工频相连的接触器闭合 Y003 为 1 并自锁 计时器 T3 开始工作 一秒后 T3 的常开触点闭合 三号电机与变频器相连的接触器常开触点闭合 并自锁 启动过程结束 说明 说明 在上述启动过程中 没有加入再调节中用于加入工频电机或切掉 工频电机时用到的辅助继电器 完整地梯形图将在附录中给出 当管网水压过高时所执行的程序段如下图 6 图 6 1 一号电机工频运行控制梯形图 图 6 2 二号电机工频运行控制梯形图 设计说明书 12 图 6 管网水压过高时所执行的程序段的梯形图 管压过高时的切电机操作 对图 6 梯形图的解释 当管网到达压力上限时 即变频器到达频率下限 X004 为 1 时 辅助 继电器 M3 得电 M3 的常闭触点断开 M6 常开触点断开 一号工频电机被切除 停止工作 计时器 T4 开始工作 经过 10 秒之后 若 X004 仍为 1 那 么辅助继电器 M4 将得电 其常闭触点将断开 M5 常开触点也将断开 二号工 频电机被切除 停止工作 上述为切电机操作 当管网水压过高时所执行的程序段如下图 7 图 7 1 图 7 2 图 7 管网水压过低时所执行的程序段的梯形图 设计说明书 13 管压过低时的加电机操作 对图 7 梯形图的解释 当管网到达压力下限时 即变频器到达频率上限 X007 为 1 时 辅助 继电器 M3 失电 M3 的常闭触点闭合 M6 常开触点闭合 一号工频电机投入运 行 开始工作 计时器 T5 开始工作 经过 10 秒之后 若 X007 仍为 1 那么辅助继电器 M4 将失电 其常闭触点将闭合 M5 常开触点也将闭合 二号 工频电机投入运行 开始工作 上述为加电机操作 当管网压力仍然到达不了 正常管压力 备用电机投入工作 3 2 2 手动装置的设置 手动装置的设置 手动操作是利用辅助继电器 M2 来实现的 当按下启动按钮 X003 时 辅助继电器 M2 得电 正常启动 当按下点动按钮 X001 或 X010 为 1 时 辅助继电器 M2 不得电 起动计时器不工作 对电动机一或二实现点动 梯形 图以电机一为例 如下图 8 图 8 手动装置梯形图 蓄水池功能装置 带报警装置 图 9 蓄水池功能装置梯形图 设计说明书 14 蓄水池功能装置的说明 当蓄水池下限时 X005 为 1 时 蓄水池阀门打开进水 Y005 为 1 并 自锁 并且计时器 T6 开始工作 两秒后 若 X005 仍为 1 则 Y006 发 出报警信息 报警灯亮 并使辅助继电器 M2 不能得电 而不能使系统通过正 常启动 而只能点动 启动复位控制梯形图 图 10 启动复位控制梯形图 启动复位控制的说明 在启动时使 X000 为 1 使辅助继电器 M3 M4 M5 M6 输出继电器 Y006 复位 防止装置误动作 4 调试调试 4 1 调试过程采用分段调试的方法 调试过程采用分段调试的方法 4 1 1 对启动过程的调试对启动过程的调试 首先使 X000 为 1 让整个系统复位 当使 X003 为 1 时 首先是 Y000 为 1 然后是一秒后 Y001 变为 1 Y000 变为 0 过十秒之后 Y002 变为 1 过一秒之后 Y003 变为 1 Y002 变为 0 过十秒后 Y004 变为 1 4 1 2 对加减电机的调试对加减电机的调试 设计说明书 15 1 对加电机过程的调试 使 X007 为 1 保持 X007 为 1 Y001 为 1 过十秒后 Y003 为 1 继续保持 X007 为 1 Y007 为 1 2 对减电机过程的调试 使 X004 为 1 且使 X007 为 0 保持 X004 为 1 首先 Y007 变 为 0 然后是 Y001 变为 0 过十秒之后 Y003 变为 0 4 1 3 手动装置调试手动装置调试 首先使 X000 为 1 对系统复位 由于两台电机的手动控制是同一原理所 以只对一台进行调试就可以了 在这里对一号电机进行调试 使 X001 为 1 则 Y001 为 1 X001 为 0 则 Y001 为 0 从而可以肯定实现了动 4 1 4 蓄水池报警装置蓄水池报警装置 首先使 X005 为 1 保持 X005 为 1 则 Y005 变为 1 两秒之 后 Y006 变为 1 4 2 调试心得 调试心得 4 2 1 调试中的收获 调试中的收获 在整个系统的调试过程中 我们采用了分段调试的方法 这种方法能够减 少在一个系统中调试多个功能时 所造成的混乱 包括在调试一个功能时 误 触了其他功能的启动按钮 而造成了调试结果与所期望的结果产生了很大的不 同 这样就有可能会使测试者手足无措 不知如何是好 为了找出作物的来源 可能会花费很长的时间 在设计的初期 我们也没有找到很好的方法而浪费了 很长的时间 到最后我们找到了这样一种比较方便的调试方法 单独的来调试 某个功能 这样既不会误触其他开关 也有利于找到所测试功能的问题 不用 大海捞针的从整个系统中去查找问题了 减少了调试工作的工作量了 所以在 以后的设计当中也可以运用得到 设计说明书 16 4 2 2 调试中所遇到的问题 调试中所遇到的问题 1 在手动的调试过程中 由于没有在计时器前面加一个辅助继电器 M2 所以在按下测试电机的点动按钮 使 X001 为 1 时 当 X001 为 1 的时间太长会使电机二变频启动而达不到点动的目的 所以在调试过后在 T1 T3 计时器前加上了一个辅助继电器 M2 的常开触头 以完善自己的程序 以更好的达到点动的目的 2 还有为了防止电机启动时 辅助继电器 M3 M4 M5 M6 输出继电器 Y006 所造成的误动作 所以在系统中加入了启动 系统复位按钮 3 在加电机程序时在完成了系统要求的功能后 我又加入了 一个备用电机 来在用水量国大时来报警应急 以更好的完成设计的要求 并 且除了在加电机程序中用到了备用电机 所以在减电机程序调试过程中 经过 测试加入了相应的对备用电机的处理 这会在完整的程序中体现出来 5 5 附录附录 5 15 1 完整梯形图完整梯形图 设计说明书 17 设计说明书 18 设计说明书 19 5 25 2 主电路主电路 设计说明书 20 5 35 3 PLCPLC 外部接线图外部接线图 设计说明书 21 5 45 4 元件清单元件清单表表 序号序号元器件名称元器件名称型号型号数量数量 个个 生产生产 厂家厂家 1 可编程控制器 FX 2n 32