水塔供水电气控制系统设计与调试

1 电气控制技术 综 合 实 验 报 告 书 题 目 水塔供水电气控制系统设计与调试 学院 部 电子与控制工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学生姓名 徐 通 学 号 5 12 月 28 日至 1 月 8 日 共 2 周 指导教师 签字 系 主 任 签字 2 摘摘 要要 水塔是自动供水系统中的重要部分 在我们的生活中扮演着至关重要的角 色 而且由于水塔很高 不易观察到水箱水位的状况 本设计旨在于通过所学 电气方面的知识 设计一个简单的水塔供水电气控制系统 满足一些简单的基 本功能 为了满足该设计中提出的基本功能的要求 本次设计在主电路上采用三台 电动机 同时采用了三个电源线圈对电机进行工作的控制 采用热继电器和低 压断路器对电机进行过载和短路保护 控制电路上 为了简单灵活起见 采用 华光 PLC 的 SH 32RI 进行控制 再加入必需的一些按钮 开关 指示灯等 从 而基本形成了一个简单的水塔供水电气控制系统 本次设计旨在于学习和了解设计一个系统的流程和需要注意的问题 故在 本设计中 主要进行的工作是设计系统原理图 画出系统的接线图和系统平面 布置图 最后再进行控制柜大小的设计 通过这些琐碎的工作 从而了解和掌 握相关的设计方法和知识 关键词 关键词 电动机 PLC 原理图 接线图 布置图 3 目录 一 设计内容及要求 4 二 设计原始资料 4 三 实验仪器设备 4 四 PLC 可编程控制器简介 5 五 水塔供水系统 5 5 1 系统简介 3 5 2 对系统分析 4 六 设计思路 6 七 主电路及控制电路设计 7 7 1 主电路设计 7 7 2 控制电路设计 8 4 八 实验选型 9 8 1 PLC 的选型 9 8 2 元器件的选型 9 九 控制柜的设计 10 十 接线安装布置 10 十一 操作使用说明 10 十二 系统工作原理 11 十三 实验调试 12 十四 结束语 12 十五 参考资料 13 十六 附录 14 16 1 元器件明细表 14 16 2 图表目录 14 5 一一 设计内容及要求设计内容及要求 通过对电气控制系统的设计 掌握电气控制系统设计的一般方法 能够设 计出满足控制要求的电气原理图 安装布置图 接线图和控制箱的设计 并进 行模拟调试 具有电气控制系统工程设计的初步能力 根据系统的控制要求 采用 PLC 为中心控制单元 设计出满足控制要求的控制系统并进行联机调试 二二 设计原始资料设计原始资料 某生活小区内生活水塔 三台水泵供水 水泵电机 5 5KW 1 三台电机起动时间错开 即上一台电机起动 5 秒后 下一台电机才能起动 2 三台水泵正常情况下两运行一备用 为防止备用泵长期闲置锈蚀 备用泵 可在操作台上用按钮任意切换 运行中 任一台电机出现故障 备用泵自 投 3 起动与停机条件 高低位水箱均设水位信号器 高位水箱水位达到低位 低位水箱水位达到高位时 水泵起动 高位水箱水位达到高位或低位水箱 水位达到低位时 水泵停止 4 设手动 自动工作方式 手动方式下各台水泵不联锁 用按钮分别对水泵 起停控制 5 各种指示及报警 6 三三 实验仪器设备实验仪器设备 综合试验台 PLC 控制面板 继电器 导线若干等 四四 PLCPLC 可编程控制器简介 可编程控制器简介 可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品 并 逐渐发展成为以微处理器为核心 把自动化技术 计算机技术 通信技术融 为一体的新型工业自动控制装置 早期的可编程序控制器只能进行逻辑控制 随着技术的发展 可编程序控制器已经发展成为一种数字运算操作的电子系 统 可以说是现在的可编程序控制器是专为工业应用下而设计的 它采用 可以编制程序的存储器 用来在其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术运算等操作的指令 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控 制各种类型的机械或生产过程 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工 业控制系统形成一个整体 易于扩展其功能的原则而设计 PLC 是通过执行程序来完成控制任务 PLC 在执行程序的时候采用的是 先上后下 先左后右 扫描一行 执行一行 的原则 因此程序的先后 顺序对控制要求的实现与否有着重要的影响 特殊的扫描方式决定输入信号 只能在输入采样阶段输入 在程序执行阶段 即使输入信号发生变化 输入 7 映像存储区的状态不会发生变化 所以本次扫描不会得到响应 造成输入 输出之后的现象 导致程序不能达到控制要求 五五 水塔供水系统水塔供水系统 5 15 1 系统简介系统简介 水塔供水系统是目前生活小区 学校等人口较多的地方常用的供水系统 当水塔水位降低到一定液位时 水泵启动从地面水池向上供水 水塔充水达 到液位上线时 水泵停止供水 该系统配置三台电机 正常情况下两台运行 一台备用 当有一台电机故障时备用电机可以自投供水 保障系统在一台电 机故障情况下依然可以正常运转 其中电机 M1 M2 M3 均采用 PLC 可编程控 制器实现编程自动控制 完成水塔 水池 液位状态读取实现自动抽水 故 障自投 故障警报等任务 5 2 对设计要求做分析对设计要求做分析 自动状态 自动状态 将控制系统调至自动状态 启动前通过按钮选择备用电机 当 水塔下限液位开关启动或水池上限液位开关启动 除选为备用的电机外另外两 电机相差 5 秒依次运行 例如 选电机 M1 为备用电机 按下按钮 启动时电机 M2 先启动 延时 5 秒 电机 M3 启动 当水塔上限液位开关 SL2 启动或水池下限液位开关 SL4 启动 两个电机停止运行 手动状态 手动状态 将控制系统调至手动状态 三台电机互不连锁 分别用两个按 钮控制每个电机的启动 停止 例如 对电机 M1 按下电机 M1 启动按钮 电 机 M1 启动 按下电机 M1 停止按钮 电机 M1 停止运行 故障状态 故障状态 电机运行中两运行一备用 当运行中某一电机发生故障 备用 电机解除备用状态 延时 5 秒 自投 例如 电机 M1 备用 当另外两台电机 其中一台出现故障 PLC 接收信号解除电机 M1 的备用状态 延时 5 秒 投入 8 使用 各种指示及报警 各种指示及报警 各电机启动指示灯 各电机故障报警警铃 六六 设计思路 设计思路 1 电路中有延时起动环节 2 要求三台水泵正常情况下两运行一备用 且备用泵可在操作台上用按钮任意 切换 所以设置 3 个模块 即 一 1 2 为主动泵 3 为备用泵 二 2 3 为主动 泵 1 为备用泵 三 1 3 为主动泵 2 为备用泵 通过 3 个按钮选择不同模 块 将高位水箱水位达到高位或低位水箱水位达到低位的信号作为停止信号 来控制水泵启动 在电路中模拟备用泵自投 设置电机断路作为主动泵电机出 现故障 然后备用泵自动投入使用 3 在电路设计时用四个不同的信号进行串联与并联 实现起停 但在实际电路 中可以仅用两个按钮实现起动与停止 常开触点为最低水位的信号 常闭触点 为最高水位的信号 即可实现 4 要求电机手动控制 设置 3 个按钮分别控制电机手动 5 将三个指示灯并联在继电器的周围可以模拟泵的运行 在电路设计时把热继 电器的常开触点与报警器与指示灯并联可实现异常环节的提前保护 七七 主电路及控制电路设计主电路及控制电路设计 7 17 1 主电路设计主电路设计 9 综上分析 设计如下所示主电路图 图一 主电路图 主电路如图一所示 其中 QF1 QF2 QF3 分别为主电路和各电动机的运行 断路器 F1 F2 F3 为熔断器 FR1 FR2 FR3 分别为电动机过载保护用热继 电器 热继电器和低压断路器依据被保护电路的电流选择 从而实现电机正常 状态下 运行 非正常状态下保护 10 7 27 2 控制电路设计 控制电路设计 确定好按钮等输入开关 指示灯等输出设备 根据所选用 PLC 对输入 输出端口进行分配 分配详细如表一 输 入输 出 高位水箱高位 SL1 I10 电机 1 电源接触器 KM1 Q00 低位水箱低位 SL2 I11 电机 2 电源接触器 KM2 Q01 电机 1 备用按钮 SB1 I12 电机 3 电源接触器 KM3 Q02 电机 2 备用按钮 SB2 I13 电机 1 启动指示 Q00 电机 3 备用按钮 SB3 I14 电机 2 启动指示 Q01 电机 1 启动按钮 SB4 I16 电机 3 启动指示 Q02 电机 1 停止按钮 SB5 I17 电机 1 故障指示 Q04 电机 2 启动按钮 SB6 I20 电机 2 故障指示 Q05 电机 2 停止按钮 SB7 I21 电机 3 故障指示 Q06 电机 3 启动按钮 SB8 I22 电机 3 停止按钮 SB9 I23 泵 1 热继电器触点 FR1 I24 泵 2 热继电器触点 FR2 I25 泵 3 热继电器触点 FR3 I26 紧急停车按钮 SB7 I27 11 手动 自动工作方式选择旋钮 SS 手 I30 表一 I O 口分配表 八八 实验选型实验选型 8 18 1 PLCPLC 的选型 的选型 本次课设要求选取华光 PLC 的 SH 32RI 此型号的 PLC 输入输出点数均布 十六输入十六输出 采用手持编程器 可以满足系统设计需求 8 28 2 元器件的选型 元器件的选型 接触器的选择接触器的选择 当 P 5 5KW U 380V 时由 P 1 732UIcos 得 I P 1 732Ucos 9 3A 接触器线圈的额定电压为 220V 故所选接触器的型号为 NC8 12M 数量为 3 个 热继电器的选择热继电器的选择 选用具有断相保护功能的热继电器 电机的额定电流约为 9 3A 故选用的 热继电器的型号为 LR1 D12 热元件的额定电流为 12A 并将其额定电流整定为 12A 水位信号器的选择水位信号器的选择 信号继电器选用浮球水位信号器 水塔和水箱均需一对常开触点和常闭触点 选用的浮球磁性开关的型号为 FQS 4 数量为 2 个 空气开关的选择空气开关的选择 电机的额定电流约为 9 3A 额定电压为 380V 用作电动机的短路保护时 12 瞬动脱扣器的整定电流 Idz 10 12 Ie 10 12 9 3 93 111 6 A 故 选用的空气开关规格为 DZ 20 100 通过控制回路的电流比较小 所以控制电 路的空气开关选用型号为 DZ 20 10 的单项空开 控制柜的选择控制柜的选择 控制柜选用非标准柜 其外部尺寸为 400X170X650 单位为 mm 因为控制 柜内及面板上所安装的元器件均比较少 选用标准柜即浪费空间又不经济 控制按钮和旋钮的选择控制按钮和旋钮的选择 根据系统原理图及系统电压可选择 按钮用 SLA1 11M 工作电压为 24 220V 尺寸为 直径为 18mm 安装孔为 16mm 旋钮用 LA18 44X2 直径为 48mm 指示灯的选择指示灯的选择 在控制电路上 为了接线简单起见 给指示灯供电为 220V 故选择指示灯 类型为 XDY1 B 41 颜色 红色 额定电压为 220V XDY1 B 42 颜色 绿色 额定电压为 220V 尺寸为 直径 28mm 安装时 两灯水平之间距离不小于 65mm 垂直之间距离不小于 50mm 端子排的选择端子排的选择 在本设计中 一共用了 17 个端子进行导线的引入和引出 故选用端子排的 型号为 TZ1 20 总共有 20 个端子 每个端子的尺寸为 10 51 72 九九 控制柜设计控制柜设计 柜内外安装布置图 具体见图纸部分水塔供水系统布置图 十十 接线安装布置接线安装布置 接线安装布置图 具体见图纸部分水塔供水系统接线图 13 十一十一 操作使用说明操作使用说明 旋钮 SA 为自动 手动工作方式转换开关 旋钮不接通时默认为自动工作方 式 接通时为手动工作方式 自动工作方式状态下 按下 SB1 即为选择水泵 1 备用工作状态 按下 SB2 即为选择水泵 2 备用工作状态 按下 SB3 即为选择水泵 3 备用工作状态 手动工作方式状态下 按下 SB4 水泵 1 启动 按下 SB5 水泵 1 停止 按下 SB6 水泵 2 启动 按下 SB7 水泵 2 停止 按下 SB8 水泵 3 启动 按下 SB9 水泵 3 停止 紧急制动 特殊情况需要停止所有水泵运行 按下 SB10 实现 指示灯 绿色为对应电机正常工作状态 红色为该电机故障 故障时警铃 报警 十二十二 系统工作原理系统工作原理 当输入信号 I30 为 ON 时 即旋钮开关接通 系统处于手动工作方式状态 当输入信号 I30 为 OFF 时 即旋钮开关不接通 系统为自动工作方式 14 当输入信号 I12 为 ON 时 即按下选择电机 M1 备用按钮 SB1 M01 为 ON 输出信号 Q1 不能得电 从而选择 1 号泵备用 同理当输入信号 I13 为 ON 时 即按下选择电机 M2 备用按钮 SB2 2 号泵备用 当输入信号为 I14 为 ON 时 即按下选择电机 M3 备用按钮 SB3 3 号泵备用 水位信号作为输入的触点水塔高位接常开 水池低位接常闭 当水塔水位 未达到高位 不满 时 I10 输入为 OFF 当水池水位未达到低位 还可以抽水 时 I11 输入为 OFF M00 得电 可抽水状态 进而除选为备用的电机外的电机 相继 延时五秒 启动 当水塔水位达到高位或水池水位达到低位时 I10 I11 均有输入 为 ON 状态 M00 失电 两运行电机自动停止 故障时 故障电路自动断电 备用电机解除备用状态 延时 5 秒自投 同 时接通故障电机对应指示灯显示以及警铃报警 以 1 号泵为例 自动工作方式下 I30 为 OFF 当 1 号泵为备用泵时 线圈 M01 为 ON 水塔达到低水位下限时 或水池达到高水位时 实际上水塔不满并 且水池未达到低水位线时即可抽水 I10 I11 均为 OFF 线圈 M00 为 ON 发 出可抽水信号 2 号泵启动 线圈 Q01 变为 ON 并保持 KM2 线圈得电 2 号泵 启动 相应的指示灯亮 定时器 T0 开始计时 5 秒后定时器触点 T0 变为 ON 并 保持 线圈 Q02 变为 ON 并保持 KM3 线圈得电 3 号泵启动 相应的指示灯亮 当高位水箱达到高水位或低位水箱达到低水位时 I00 或 I01 为 ON 线圈 M00 复位失电 水泵停机 当水泵出现过载时 相应的热继电器触点断开 相应的 故障指示灯亮 定时器 T3 开始计时 5 秒后 1 号泵自投 若要紧急停车 按 下 SB7 I27 由 ON 变为 OFF 水泵全部停机 手动工作方式下 I30 为 ON 按 下 SB4 I16 为 ON QOO 为 ON 并保持 线圈 KM1 得电 1 号泵启动 按下 SB5 I17 由 ON 变为 OFF KM1 线圈失电 1 号泵停机 2 号泵备用 3 号泵备用工作情况同上所述 十三十三 实验调试实验调试 15 1 接好线 按下启动按钮 当按下故障 1 发现备用泵并不自投 按下其他的 故障 都可以自投 于是检查程序发现故障延时自投忘记输入 PLC 了 修改后 便能正常工作了 2 PLC 的输出端没有显示 检查发现输出端的 COM 端要和电源相连接 3 按钮在接线时 要注意常开 常闭端 4 接线时 注意断电操作 否则容易导致触电 实验中一不小心碰到输出口 的铁片 被电了一下 还好由于绝缘地板电流不是很大 十四十四 结束语结束语 电气控制技术是一门实践性很强的课程 通过这次课程设计更是深有体会 我