盘县煤矿北二区5水平自动排水控制系统设计-职业学院毕业论文

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目： 盘县煤矿北二区750水平自动排水控制系统设计 学 院：职业技术师范学院 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机自101班 学 号：1*0*0* 学生姓名：* 永 指导教师：钱宏琦 2014年 6 月 2 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学毕业论文（设计） 第 II 页目 录摘要III关键词IIIAbstractIVKeywordsV第一章 前 言11.1设计的目的和意义11.2煤矿排水在国内外的发展概况及存在的问题11.3应解决的主要问题2第二章 矿井排水系统的设计32.1确定排水系统的方案32.2排水系统的优点32.3系统功能42.3.1水泵备用功能42.3.2保护功能42.3.3系统自动控制功能42.3.4防倒灌功能52.4管道的水力计算和水泵的选型52.4.1管材的选择52.4.2排水管路计算62.4.3选择水泵82.4.4单泵基础设计82.5水泵机组的布置设计10第三章 电路与控制回路的设计133.1电流的计算133.2 可编程控制（PLC）的选型163.3 PLC设计193.3排水系统的动作顺序及要求213.4水位控制计的设计223.5触摸屏设计23第四章 系统安装264.1水泵房布置264.2水泵的安装264.3电气设备的安装274.4管道试压、绝缘测试与试运行274.4.1管道试压274.4.2绝缘测试284.4.3试运行28第五章 结论29参考文献30致 谢31附 录32 贵州大学毕业论文（设计） 第 III 页盘县煤矿北二区750水平自动排水控制系统设计摘要煤是一个国家经济发展的基石，也是我国的主要能源，因此煤矿安全生产成为了中国经济发展正常进行的基本保障。煤矿安全生产，需要对煤矿里的因素进行合理、安全的掌控。其中几个影响煤矿安全的重要因素当中，水较为严重，因此要确保煤矿安全生产就要合理的控制煤矿里的水。然而，目前煤矿安全问题却日益突出，尤其是透水事故和瓦斯事故。对于煤矿中在生产过程中占重要地位的几个大的系统中，排水系统是比较重要的系统。如果在煤矿中涌入的地下水没有及时的被排出的话，将会给矿井里的工人和机械设备带来严重的威胁，甚至还会造成整个矿井的崩塌。因此，要确保煤矿安全生产就需要排水水泵的安全、可靠运行。所以煤矿建设和生产不可缺少排水设备。然而在中国，大多煤矿矿井排水系统还比较落后，许多煤矿的排水系统操作还是有工人来完成，如需要工人来完成排水水泵的开启、停止及选择切换，这些全都靠工作人员的责任心。因为还达不到根据水位来进行排水，煤矿的自动化管理水平和安全生产就会受到很严重的影响。同时，由于人为的因素容易造成事故的发生。本次设计的核心是可编程控制器，利用传感器来采集水位信号，经过可编程控制（PLC）的处理，达到控制水泵的启动和停止目的，这样就可以节能、减排，提高安全。关键词：安全，排水，可编程控制，节能 贵州大学毕业论文（设计） 第 V 页Two north of Panxian coal mine 750 level automatic drainage control system design AbstractCoal is a cornerstone of national economic development, but also the main energy in China, so the coal mine safety production has become the basic guarantee for normal China economic development. The coal mine safety production, need to be reasonable, the factors of coal mine safety control. The most important factor affecting the safety of coal mine, the water is more serious, so to control the coal mine to ensure safe production in coal mine will be reasonable in the water. However, the current coal mine safety problem has become increasingly prominent, especially the flooding accident and gas accidents.For the important position of several coal mines in the production process of large systems, drainage system is more important. If the influx in coal mine underground water is discharged if not timely, it will bring serious threat to the mine workers and machinery and equipment, even cause the entire mine collapse. Therefore, to be safe, reliable operation and ensure the safety of coal production will need to drain pump. So the coal mine construction and production indispensable drainage equipment. However, in China, mostly coal mine drainage system is still relatively backward, operation drainage system many of the coal mine or a worker to complete, start, stop and switch such as the need for workers to complete the drainage pump, all of these depend on staff responsibility. Because has not yet reached to drainage according to water level, mine management level of automation and the safety in production will be affected very serious. At the same time, due to human factors to cause an accident.The core of the design of the programmable controller, to collect the water level signal by sensor, through the programmable control (PLC) processing, to control the pump to start and stop the purpose of energy saving, emission reduction, thus, improve safety.Keywords：safety, drainage, programmable control, energy saving第 36 页 贵州大学毕业论文（设计）第1章 前 言1.1设计的目的和意义这次设计是大学中最后的一次设计，设计的要求是最严格的一次，设计的内容是最丰富的一次。通过本次设计能够很好的检验我在大学四年来所积累的知识以及运用知识的能力，也是对课外知识的一次测验。让我们进一步巩固和加深对理论，技能和专业知识，使之系统化，综合。从中我们获得了从事科研工作的基本训练。使我们的工作文化独立，独立思考的能力和运用知识解决问题，更重要的是，它发展我们的独立学习新知识的能力，在我们的设计中，工程制图，数据处理，写作，文学，书籍等基础工作，实践能力得到了进一步的提高，并增强了我们的理解的PLC，了解了功率不同的三项异步电动机的基本知识。它对于负责、仔细、求实、钻研有着重要的作用。在今后的工作中，在技术方面，有着非常重要的意义。1.2煤矿排水在国内外的发展概况及存在的问题在大多数的发达国家里，对于矿井中水资源的管理已经进迈入系统化管理的阶段。他们建立了资源管理信息系统，采用系统化、计算机技术以及信息化，集合了一些优点如统计化、规范化以及运筹化管理水资源的质量和水环境管理的优点。他们的许多成熟的技术，我们可以学习，例如，预测在矿区水文地质勘探，地下水，动态观察洪水，紧急切断水和矿井水的综合治理。这下发达国家将排水设备的自动化纳入了煤矿矿井水资源管理的计划当中，尽管他们没有排水设备的自动化方面的独立研究。他们将所有的控制信息都集中到中心控制室，统一控制。到目前为止，还存在着许多采用简单手动启动、停止排水设备的小型煤矿，这样不光是浪费大量的资源，重要的是不便于知道水在矿井中的具体水位情况，这会对煤矿及设备带来非常大的安全隐患。到目前为止，采用继电器进行控制这种方法不仅存在国外，而且还存在我们国内的许多煤矿矿井排水系统中。一个方面，这样的排水系统可靠性比较差、自动化程度不够高、安全系数比较低；另一个方面，煤矿能否正常供电会受到排水器械的功率大，频繁启动的影响，因为那样会对电网造成很大的冲击；其次，水泵启动之后，发出的噪音和震动大，这样就会缩短排水设备的寿命。所以这样的排水方式效率很低、工人的劳动强度大、而且错误操作会比较的多，是一种落后的排水方法。这些缺点可以由自动排水系统来克服，这会节省大量人力。它的原则是安全、可靠、先进。无人值守的实现，抽水设备的可靠安全运行，可以由自动排水系统在指挥调度中心利用数字技术来达到对井下排水系统的设备进行网络监视、控制来完成。在信息与科技的时代，煤矿排水系统应该向自动化方向发展。利用传感器等检查元件对处理进行反馈，并通过处理器自动分配安排多泵的启停。运用得比较多，并且技术比较成熟的主要是PLC控制。可编程控制器（PLC）已在很多领域特别是自动控制领域飞速发展，已成为了现在的自动控制的主要产品。1.3应解决的主要问题在这次毕业设计中，需要解决以下几个问题：（1） 排水方案的确定。排水方案的确定不仅关系着消耗能量的多少，而且对煤矿安全也起着重要的作用。（2） 水泵房的合理设计。合理正确的设计水泵房，对提高排水系统的安全，减少用在排除故障的时间，以及在危险情况下工人的紧急疏散，有很大的作用。（3） 主回路的设计。选型和启动电动机的方案，计算短路和过载保护的设计。 （4）电器控制的设计。触摸屏式的选择和设计，控制电路的设计，逻辑设计，PLC设计，电路设计、电气部件选型保护。作为本次设计的核心部分，电器部分的设计要注意的是电器的选型，有三个变量：水位高低、涌水和排水量。第2章 矿井排水系统的设计2.1确定排水系统的方案煤矿工人和煤矿安全靠排水系统安全运行作重要保障。排水系统的可靠性已成为一个重要的设计标准体系，而且综合考虑排水系统，环保，节能，经济实用。确保排水系统的安全性，就需要使用强，经久耐用，不易腐蚀管子的管，但价格质量比较高，所以要平衡安全和经济。据煤矿安全教程2010中第二百七十八条的规定，煤矿中的水泵需要有工作、备用和检修的水泵。作为工作的水泵，能在20h内排出矿井24h的正常涌水量。备用水泵的能力应大于或等于工作水泵能力的百分之七十。工作和备用水泵的总能力，应能在20h内排出矿井24h的最大涌水量。检修水泵的能力应大于或等于工作水泵的总能力的百分之二十五。地质复杂的矿井，可在主泵房内预留安装一些水泵的位置。管道设置必须有工作和备用的管道。工作水管的能力应能配合工作水泵在20h内排出矿井24h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵20h内排出矿井24h的最大涌水量。根据设计任务的说明，我用三泵（一用一备一维修）。满足了矿井排水要求的情况下，只用一台的话就可以节约经济成本，本设计使用独立的管道排水是根据三台水泵的主要功能不一样而设计的，它也可以在管道破裂等一系列问题，保证不会影响其他泵，还可以确保工作人员、维护人员的的安全。2.2排水系统的优点（1）在无人看守的情况下，可以实现基于水泵的自动启动和停止。在很大程度上，节省人力，资源，合理调度和合理使用，充分应对节能减排政策。（2）本系统有过载、短路保护。当水达到最高，最低水平，或在系统发生故障时，系统会自动报警。确保了设备的安全运行、煤矿的安全生产，减少了在故障的诊断及检修上所用的时间。（3）将煤矿排水的水泵站的数据传递到电气控制柜，采用触摸屏控制水泵的开启和停止，增加了控制按钮的寿命，并且能更直观的观察水泵的工作状况及水位状况。可以再地面对泵站的运行实行远程控制。（4）本系统使用PLC控制。比起传统的继电器控制来说更为准确、迅速。合理利用水泵，对提高水泵的使用寿命起到了巨大的作用。并且PLC坑干扰能力强，大大保证了控制系统的可靠性。并且已经成为今后发展的趋势。2.3系统功能 根据煤矿所处的自然环境的不同就会存在不同的差异。根据水通量的变化，开采强度，需要开发的控制系统必须具有较高的工作效率，保证煤矿的安全稳定性和普遍适用性。因此，排水系统应具备下列的一些功能： (1)水泵备用功能 (2)保护功能 (3)系统自动控制功能(4)防倒灌功能2.3.1水泵备用功能水泵的质量和工作时间因煤矿所在的环境很差所以要求会很高。如果，因为水泵出现故障，导致涌水不能及时的排出，将会影响煤矿系统的安全性。因此备用水泵显得尤为重要。根据需要一般煤矿采用一台水泵工作，一台水泵备用，一台水泵检修。如果有水泵发生故障，利用备用水泵进行排水，与此同时检修故障的水泵。这样就能确保排水系统的正常运行。不仅这样，还可以根据涌水量的不同来采用不同数量的水泵来进行排水，不仅可以增长水泵的使用寿命，而且还节约能源。这样可以防止有的水泵因长时间工作而损坏，而备用水泵因长时间不工作而发生故障。2.3.2保护功能 因为系统在井下面工作，而控制的人员则是在井上面工作，做不到时时都下井去查看水泵的运转状况，如果电动机发生故障就会比较危险。因此自动保护功能显得尤为重要。 涌水中的沙石、泥土如果进入水泵，就会加剧水泵的负荷，很有可能会烧坏电动机。因此过载保护极为重要，主要采用空气开关和热继电器进行保护。当电动机过载时会自动跳闸。2.3.3系统自动控制功能根据煤矿所在环境的复杂化，所以对控制的部分要求非常高。传统继电器控制中存在着许多问题。如：接线比较复杂，抗干扰的能力很差，使用寿命短等。PLC的出现改变了这一局面。对传统的控制，可编程控制（PLC）有以下优点：第一，可靠性较高，抗干扰的能力很强；第二，配套很全，功用很完善，适用性很强；第三，容易学容易操作，受到技术人员的喜爱；第四，工作量很小，维护起来方便，很容易改造；第五，重量轻，体积小，能耗低。所以采用可编程控制（PLC）控制煤矿系统，既能减小控制难度，又可以减少人力和物力的投入。手动选择主要用于调试，及特殊情况的启动形式。这在整个系统的安装过程中非常重要。以确保调试安装工作的顺利进行及特殊状况的启动。自动选择主要用于无人监视时水泵工作。水位监控系统主要采集水位的高低的数据，数据通过PLC处理从而控制水泵及电动阀门的启停。水泵排水系统主要是排净煤矿中的涌水，确保煤矿的安全。阀门开关系统主要是用于防止管路中的水倒流损坏排水系统。报警系统主要为了防止水泵发生故障时，发出警报，提醒工作人员及时检修及更换备用水泵。2.3.4防倒灌功能为了防止开启水泵是管路中的水倒灌，设计还采用止回阀来防止管路中的水倒流。开启排水系统时先开启水泵，然后打开阀门，来防止水倒灌。关闭排水系统时应先关闭阀门，再停止水泵的运转。2.4管道的水力计算和水泵的选型2.4.1管材的选择市面上的管材有好多种，主要由金属管材和非金属管材。因为煤矿的地质环境比较复杂对管材的质量及抗压强度要求很高，所以非金属管材不予考虑。但是金属管材又有好多种，用的较多的金属管材为钢管和球墨铸铁管。其中钢管有焊接钢管和无缝钢管。焊接钢管又可以分为螺旋缝焊和直焊钢管，其中直焊钢管比较常见。而无缝钢管分为冷轧管和热轧管，冷轧管最大，热轧管最大。钢管中还有不锈钢管，但是造价比较高，未能推广使用。铸铁管承受工作压力一般为，且耐腐蚀，价格比较便宜，缺点是质硬而脆，笨重，施工起来不便，因而在煤矿排水系统中应用得比较少。 钢管的机械强度较最好，可以承受内外高压，公称压力一般可达5Mpa；管材可焊性较好，能适用于复杂的地形，适用于建筑内要求较高的供水管路。钢管最大的缺点是易腐蚀。现在钢管均采用镀锌钢管，镀锌管分冷镀管和热镀管。冷镀管由于镀的锌不致密、不均匀、稳定性较差，一般使用寿命不到5年，就会出现“红水”、“黑水”现象。热镀管保护层均匀致密，附着力强，目前大量使用。综合考虑，供水管路的实际压力、工艺性、消防需求、强度需求以及防腐需求，选用热轧、热镀锌无缝钢管。2.4.2排水管路计算 （1）管径确定 此次设计的排水系统采用一用一备一检修，所以三台泵的规格型号是相同的，单泵单管供水，根据流量公式，即可确定管径 （2-1）式中 为水泵排水流量 ； 为水管管径mm； 为流体流速；可确定计算管径公式为： （2-2） 其中当DN25DN40，u=0.81.2 m/s，DN5070，u1.5m/s，DN80及以上的管径，u 1.8m/s。由流量Q=40，根据建筑给排水手册，取u=1.5m/s则 =97.1mm 取整后=100mm， 即=100mm，取u=1.5m/s，,，符合建筑给排水手册中的规定。常用管件阀门有底阀、止回阀、闸阀、弯头、三通、软接头、变径等，具体根据所涉及系统确定。(2)局部水头损失给水管道具备水头损失： （2-3）式中：为管道个局部水头损失总积；为局部阻力系数；为平均水流速度。查文献简明设计手册知时，管道各处局部阻力系数如表2.1。表2.1 局部阻力系数受阻力的局部局部阻力系数数量异径管滤水网6.51水泵入口处1.01闸阀0.22升降式止回阀7.51弯头0.801钢制焊接弯头0.631异径管0.171截止阀2.01水泵有1个入口，1只滤水网，1个升降式止回阀，2个闸阀，1异径管，1个弯头，一个弯头，则其局部阻力系数之和： (3)排水管道的沿程水头损失 Hi = HI （2-4） 扬程 （2-5）式中：为实际扬程，；为总水头损失；为富余扬程，一般为1030m，取。Hi=900.324=2.916m总水头损失=沿层阻力损失+局部阻力损失：2.4.3选择水泵 则水泵扬程H： 式中：为实际扬程，；为总水头损失；为富余扬程，一般为1030m，取。 则泵所需流量。根据所需扬程，流量为，查文献建筑给排水设计手册，选取型卧式单级离心泵。相关参数：流量，额定扬程。.与之相匹配的电机型号为Y200L2-2。相关参数：额定转速，额定功率。2.4.4单泵基础设计机组（水泵和电动机）安装在共同的基础上。基础的作用是支承并固定机组，使它运行平稳，不致发生剧烈振动，更不允许产生基础沉陷。因此，对基础的要求是： (1) 坚实牢固，除能承受机组的静荷载外，还能承受机械震动荷载。（2）要浇制在较坚实的地基上，不宜浇制在松软地基或新填土上，以免发生基础下沉或不均匀沉陷。查阅卧式水泵隔振及其安装，得出Y200L2-2型卧式单级离心泵安装尺寸如下（单位：mm）：，。混凝土机座（单位：mm），。水泵基础图如图2.1所示。 图 2.1 基础图查阅水泵安装与隔振手册，得出混凝土基座的配筋图如图2.2所示。 图 2.2 基础配筋图查手册并结合实际安装情况得出对应的安装设备材料如下：阀门DN=100，可曲挠偏心橡胶接头型号为KYP-1，DN为100，钢制短管DN=100，钢制异径管DN-dn为10050和10080，可曲挠橡胶接头型号为KXT-1,DN=80,消声止回阀DN=100，阀门DN=100，90度弯头DN=100，压力表型号为Y-0.1，压力范围为02.5Mpa。可曲挠同心异径橡胶接头型号为KYT-1,DN-dn范围为150，管制短管DN=150，可曲橡胶弯头型号为KWT-1,DN=150。 图 2.3 水泵安装图2.5水泵机组的布置设计（1）水泵机组的布置水泵机组的排列是泵站内布置的重要内容，它决定泵房建筑面积的大小。机组间距以不妨碍操作和维修的需要为原则。机组布置应保证运行安全，装卸、维修和管理方便，管道总长度最短、接头配件最小、水头损失最小并应考虑泵站有扩建的余地。为了保证泵站的工作可靠，运行安全和管理方便，在布置机组时，应遵照以下规定：相邻机组的基础之间应有一定宽度放入过道，以便工作人员通行，电动机容量不大于55KW,净距应不小于0.8m，电动机容量大于55KW时，净距不小于1.2m，电动机容量小于20KW时，过道宽度可适当减小，但在任何情况下，设备的突出部件之间或突出部件与墙之间应不小于0.7m，如电动机容量大于55KW时，则不得小于1.0m。泵站内主要通道宽度应不小于1.2m。水管与水管之间的净距B值应大于0.7m,保证工作人员能较为方便地通过。水管外壁与配电设备应保持一定的安全操作距离C。当为低压配电设备时C值不小于1.5m，高压配电设备C值不小于2m。水泵外形凸出部分与墙壁的净距D，须满足管道配件安装的要求，但是，为了便于就地检修水泵，D值不宜小于 1.0m 。如水泵外形不凸出基础，D值则表示基础与墙壁的距离。对于非水平接缝的水泵，在检修时，往往要将泵轴和叶轮沿轴线方向取出。因此，在设计泵房时，要考虑在这个方向上有一定的余地，即水泵离开墙壁或者其他机组的距离应大于泵轴长度加上0.25m，为了从电动机中取出转子，应同样地留出适当的距离。装有大型机组的泵站内，应当留出适当的面积作为检修机组只用，其尺应保持检修机组的周围有0.7m1.0m的过道。（2）泵房设计泵房布置应根据泵站的总体布置要求和站址地质条件，设备型号和参数，进、出水流道（或管道），电源进线方向，对外交通以及有利于泵房施工、机组安装与检修和工程管理等，经技术经济比较确定。泵房布置应符合下列规定：泵房大门口要求通畅，既能容纳最大的设备（水泵或电机），又有操作余地。其内部场地宽度一般用水管外壁和墙壁的净距A表示。其等于最大设备的宽度加lm ，但不得小于2m 。 满足机电设备布置、安装、运行和检修的要求。泵房长度应根据机组台数、布置形式、机组间距，边机组段长度和安装检修间的布置等因素确定，并应满足机组吊运和泵房内部交通的要求。泵房宽度应根据机组及辅助设备、电气设备布置要求，进、出水流道（或管道）的尺寸，工作通道宽度，进、出水侧必需的设备吊运要求等因素，结合起吊设备的标准跨度确定。安装检修间宜设置在泵房内对外交通运输方便的一端或进水侧，其尺寸应根据机组安装、检修要求确定， 泵房对外至少应有两个出口，其中一个应能满足运输最大部件或设备的要求。泵房内，四周均应设将渗水汇入集水廊道或集水井的排水沟。泵房的耐火等级不应低于二级。泵房内应设消防设施，并应符合现行国家标准煤矿设计规范和国家现行标准给排水安装规范的规定。(3) 水泵机组安装图设计由以上水泵机组的布置图如图2.4所示： 图 2.4水泵安配置图第3章 电路与控制回路的设计3.1电流的计算根据水泵型号得到与水泵型号相匹配的电动机，其电动机型号为Y200L2-2，电动机性能参数如下：功率：P=37KW：额定电压：额定电流转速:n=2940r/min ：功率因数。根据功率计算公式 （3-1） 式中：P为额定功率； U为额定电压； I为额定电流； cos为功率因素。则根据式31计算支路上的电流得 (1)线径选择。 口诀中的阿拉伯数字与倍数的排列关系如下： 对于1.5、2.5、4、6、10的导线可将其截面积数乘以5倍。 对于16、25的导线可将其截面积数乘以4倍。 对于35、50的导线可将其截面积数乘以3倍。 对于70、95 的导线可将其截面积数乘以2.5倍。 对于120、150、185的导线可将其截面积数乘以2倍 首先要计算电机的线电流，对于单相电路而言，电机功率的计算公式是：； 对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计算公式是：p=1.732iucos。由三相电机功率公式可推出线电流公式： i=p/1.732ucos （3-2） 式中： p为电机功率 u为线电压，一般是380v cos为电机功率因素，一般取0.75 37kw电机的线电流： i=p/1.732ucos=37000/1.7323800.75=74.95A 由于电机的启动电流很大，是工作电流的4到7倍，所以还要考虑电机的启动电流，但启动电流的时间不是很长，一般在选择导线时只按1.3到1.7的系数考虑。这取1.5，那么电流就是112.43A,选择50的铜线也可以满足正常工作。同理，1kw电机的线电流： i=p/1.732ucos=1000/1.7323800.75=2A 考虑启动电流后，线电流为2A，选择1.5的铜线比较合适。(2)元件选型。断路器：断路器是具有过载、短路和欠电压保护的保护电器，断路器有油浸式断路器、真空式断路器和空气式断路器三大类，在低压电路中空气式断路器目前是应用最多的。空气式断路器结构型式可分为框架式和塑料式外壳，框架式分断能力较高，常用于主电路或大容量电路中，塑料式结构紧凑，便于独立安装。 主电路断路器QF：根据总得电路额定电流和电压，选用框架式断路器，型号为框架式自动空气开关，适用于，额定工作电压为，额定电流，过电流脱扣范围100-300A。（3） 接触器；接触器是一种适用于远距离频繁通断电路的控制电器，主要控制对象为电动机。接触器主要技术参数除额定电流、电压之外还有使用类别、机械寿命、操作寿命和电寿命。CJ10系列交流接触器是一般任务型接触器，主要适用于交流电动机的启动和控制。绕线式异步电机分支回路分电路接触器KM1-12，选用型交流接触器，技术参数如下：控制电机最大功率50KW，额定电压，额定电流。主触头数目为3，辅助触头数目为2常分2常合。电寿命60万次，机械寿命300万次。 （4）热继电器： 热继电器主要用于电机的过载保护，一般情况按照电机额定电流选用热继电器，依据电机的实际负载情况，选取热继电器整定值为电机额定电流的0.95-1.05倍，水泵驱动电机的额定电流，热继电器整定值在71.2078.70A之间。因此选用，热元件额定电流为85A。刻度中可调范围为5385A。 主电路的电路图如图3.1所示。 图 3.1 电路主回路图3.2 可编程控制（PLC）的选型 选择能满足控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步。目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达数百个，其性能各有特点。所以，在设计时，首先要尽可能考虑采用与正在使用的同系列的PLC，以便于学习和掌握，其次是备件的通用性，可减少编程器的投资。 工艺流程的特点及应用要求是设计选型的重要依据。PLC 及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则来选型，所选用PLC 应是在相关工业领域有投运业绩，并且成熟可靠的系统，PLC 的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制的要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于减少编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应当详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC 和设计相应的控制系统。 （1）输入输出（I/O）点数估算I/O点数估算时应当考虑适当的余量，通常先根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。最后在实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行适当调整。 在本设计中，PLC输入端应设置3台机组的3个备用选择按钮、3个启动按钮、3个停止按钮、3个热继电器输入、上下水位触点2个，2个手动控制和自动控制选择按钮、6个电动阀门的行程开关，输入点合计,25点。输出端应设置主回路的9个交流接触器、电动阀回路的6个交流接触器、3个故障指示灯、3个备用指示灯、输出点合计21点。输入输出（I/O）点数为25+21=46点。再增加15%的可扩展余量，I/O总点数为53点。（2）存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，所以程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的计算公式，许多文献资料中给出了不同的估算公式，大体上都是按数字量I/O点数的1015倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。（3）控制功能的选择控制功能包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等功能。运算功能 简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。 控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 通信功能大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。 编程功能离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。 诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。 处理速度PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。（4）机型的选择 PLC种类繁多，主要生产厂商有西门子、三菱、施耐德、AB、台达、欧姆龙、array、基恩士、多呢 、富士，安川，松下等，其功能、容量、控制规模、外观等方面差异巨大。PLC的I/O总点数小于256点的叫小型机，3572048点的为中型机，超过2048点的为大型机。OMRON公司推出的C系列可编程控制器分为袖珍型、小型、中心和大型四个档次。根据估算的I/O总点数，选用OMRON公司C系列可编程控制器小型机。C系列小型机按处理器档次分为普及型、P型机和H型机。普及型价格低廉、功能简单。P系列机为普及型的加强版，增加了许多功能。H型处理器比P型更好、处理速度更快，但价格更高。自动供水系统的控制为简单的顺序控制，标准版得CP1L机型既能满足控制要求，该机型根据输入输出点数可分为L型的10点、14点、20点三种机型和M型30点、40点、60点三种机型3.3 PLC设计根据设计要求输入需要有水泵备用输入、启动输入、手动/自动选择输入、电动阀门开启输入、电动阀门关闭输入，根据需要还有热保护触点输入、水位监测输入。输出需要有水泵电机接触器输出、电动阀门接触器输出、备用指示输出、故障显示输出。拟定PLC I/O分配表如表3.1所示。表3.1 I/O 分配表 输 入 输 出机组备用按钮SRES10001电机电源接触器1MK0501机组备用按钮SRES20002电机Y接触器2MK0502机组备用按钮SRES30003电机接触器3MK0503机组手动启动按钮SB10004电机电源接触器4MK0504机组手动启动按钮SB20005电机Y接触器5MK0505机组手动启动按钮SB30006电机接触器6MK0506手动/自动 选择开关0007电机电源接触器7MK05070008电机Y接触器8MK0508水位上限接点SU0013电机接触器9MK0509水位下限接点SD0014泵备用指示0606电机热保护触点FR10101泵备用指示0607电机热保护触点FR20102泵备用指示0600电机热保护触点FR30103水位上限报警0601水泵压力继电器SP10104水位下限报警0602水泵压力继电器SP20105机组故障指示0603水泵压力继电器SP30106机组故障指示0604泵停止ST10107机组故障指示0605泵停止ST20108泵停止ST30109 根据 I/O分配表画出PLC接线图如图3.2所示： 图 3.2 PLC节选图（1）水位信号器：水位信号器用于检测水池和水塔的水位，当水位到达上下限时发出相应的信号，提供给控制器。干簧式水位信号器结构简单，成本低廉，应用广泛。选用干簧信号器主要考虑水质、水温和控制幅度。供水系统的水质为清水，不会有漂浮物，水位控制范围为5002550mm，选用GSK型干簧继电器，适用于清水，控制幅度为05.5m。(2)指示灯：指示灯用于PLC输出端的信号显示，电压为12V 。选用AC1-22/11型信号指示灯，颜色选用红色和绿色。(3)变压器：变压器T1 用于给指示灯提供24V的交流电源。变压器的选型参数有容量、原电压和变压后后电压。查阅电工手册，T1选用DCB10200VA/220V/24V。3.3排水系统的动作顺序及要求 当给排水系统通电后，需要作出手动/自动选择。 当选择自动模式时，首先选择备用水泵，同时有指示灯指示作为备用的水泵。通过检测水位的信号，决定水泵的开启（关闭）。若水位达到一定高度，触发干簧管，则通过PLC进行信号处理，发出电动机启动信号，通过星型降压启动第一台水泵，延时一段时间开启电动阀门，待电机达到一定转速时将电动机转换为三角型接法，正常工作，完成水泵的启动,随着时间的推移，水池中的水位逐渐降低，当触发下水位触点时，信号传到PLC中，通过处理，并发送停泵信号。关闭泵的电动阀，经过一段时间. 系设计还需要有保护、报警等功能。当电动机过载时，热继电器会自动弹开，并将信号输入到PLC，通过处理发出报警信号，点亮控制台的报警灯。当选择手动模式时，按下一号泵启动一号泵星型启动，延时一段时间后电动阀门打开，当电动机达到一定转速时，转换为三角型接法，水泵正常工作。若热继电器弹开，则报警。当按下关闭按钮时，首先关闭电动阀门，经过一段时间，当电动阀接近完全关闭时，关闭水泵。3.4水位控制计的设计水位控制器也叫液位控制器，是指通过机械式或电子式的方法来进行高低水位的控制，可以