基于PLC的高低位水箱自动控制系统

课 程 设 计 任 务 书（A）题 目 高低位水箱供水系统电气控制系统的设计（F1）学院(部) 电控学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学生姓名 蒋秋华 学 号 6 月 11 日至 6 月 17 日 共 1 周指导教师(签字) 系 主 任(签字) 2012年 5 月 26 日目录摘要3第一章 引言4第二章 案的论证及方案确定5第三章 系统各部分的设计63.1主电路的设计63.2控制电路的设计63.3梯形图的设计与分析73.3.1手动、自动的工作方式选择73.3.2机组的启动条件及操作使用73.3.3备泵自投功能的实现83.3.4信号灯的指示83.3.5指令语言程序9第四章 元器件的选择及依据104.1 低压断路器的选择104.2 PLC的选择104.3 交流接触器的选择104.4 热继电器的选择114.5 控制按钮和旋钮的选择114.6 指示灯的选择114.7 端子排的选择11第五章 控制柜的尺寸设计12总结12参考文献13鸣谢13附录13摘要 水箱是自动供水系统中的重要部分，在我们的生活中扮演着非常重要的角色。本设计旨在于通过所学知识，设计一个简单的高低位水箱供水系统，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两台电动机，且为三角形接直接启动的接法，同时采用了两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，采用课堂中所学过的三菱F1系列的PLC进行控制。再加入必需的一些压力继电器、按钮、开关、指示灯等。从而基本形成了一个简单的高低位水箱供水系统。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：电动机 PLC 原理图 接线图 布置图第一章 引言随着我国城市化的不断发展，楼宇给水成为了一个新兴的行业，而对于不同的建筑，供水方式也各不相同，本设计主要针对低层建筑的供水设计，采用的是高低位水箱供水。系统的分为自动和手动两种方式。设计内容及要求：一、 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，以及安装布置图、接线图和控制箱的设计，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，采用三菱F1 PLC为中心控制单元，设计出满足控制要求的控制系统。二、 设计原始资料1、 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。2、 两台水泵分工作泵和备用泵，可以互换，只有一台水泵工作。当工作泵出现故障时，备用泵自投。水泵功率5.5KW。3、 具有手动、自动工作方式。4、 各种指示及报警。三、设计完成后提交的文件和图表1 计算说明书部分1）系统工作原理说明2）操作使用说明。 2 图纸部分：1） 电气原理图：主电路、控制电路、梯形图、指令系统。2） 电气箱面板布置图，电气箱内部布置图。3） 接线图。（相对编号法）4） 元件名细表。5）控制箱尺寸。第二章 案的论证及方案确定本系统采用三菱F1系列的PLC控制两台水泵电机的工作，具有手动、自动工作方式，两台水泵分工作泵和备用泵，可以互换，只有一台水泵工作。当工作泵出现故障时，备用泵自投；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。通过分析系统所需要的I/O口，可以选择PLC，由于F1系列的PLC种类很多，并且PLC的点数越多，价格越贵，因此应在程序上减少输入输出点数；为了减少点数，将手动的启停按钮用旋钮代替这样就节约了两个输入点，最终系统的输入为13点，输出为12点；考虑到经济和裕量的关系，我最终确定的是三菱F1-30MR的PLC。第三章 系统各部分的设计 3.1主电路的设计由于两台泵，一台工作，一台作为备用泵，所以需要两台电机分别对其进行控制。又由于功率都为5.5kw，所以可确定两台水泵电机均可直接启动。同时，每个电机分别用1个接触器控制其电源,一个低压断路器进行该支路的短路保护，1个热继电器进行电机的过载保护1个压力继电器保证电机正常工作。为了加强保护，在主干路上也设置了一个低压断路器。即主电路的组成器件为：3个低压断路器，2个接触器的主触头，2个热继电器，2个压力继电器，2台三相交流电机。主电路与控制电路见附页。3.2控制电路的设计在本设计中，控制电路是由PLC进行控制的。在进行一次又一次的设计和修改后，最后定下的电路有13个输入点，12个输出点，故最终决定采用三菱F1-30MR的PLC，该PLC有16个输入点，14个输出点，完全能满足本次设计的要求，并留有一定的余量。该PLC的尺寸为：275*90*90。系统的I/O分配表如下：输入输出1#机组手动启动按钮SB1X4001#电机工作线圈KM1Y4302#机组手动启动按钮SB1X4012#电机工作线圈KM2Y4311#自投2#备用开关SAX402高位水箱下限HL3Y432手动/自动选择开关SAX403低位水箱上限HL4Y4331#自投2#备用开关SAX404高位水箱上限HL5Y434高位水箱下限接点S1X405低位水箱下限HL6Y435低位水箱上限接点S2X4061#备用指示HL7Y436高位水箱上限接点S3X4072#备用指示HL8Y437低位水箱下限接点S4X4101#故障指示HL9Y5301#电机热保护触电FR1X4112#故障指示HL10Y5312#电机热保护触电FR2X412手动状态指示LH11Y5321#水泵压力继电器接点SP1X413声音报警Y5332#水泵压力继电器接点SP2X5003.3梯形图的设计与分析为了满足本次设计的基本要求和功能，梯形图设计如附录中原理图所示。分析如下：3.3.1手动、自动的工作方式选择将旋钮SA拨至X403输入点所对应的档位时，系统将进入手动工作状态。此时，若旋转SB1（SB2）至启动位置，则将启动1（2）号机组，若旋转SB1（SB2）至停机位置，则将关闭1（2）号机组；当将旋钮SA拨至X402输入点对应的档位时，则系统将进入自动工作状态，且1号机为自投，2号机位备用；当将旋钮SA拨至X404输入点对应的档位时，则系统将进入自动工作状态，且2号机为自投，1号机位备用；如果系统满足起泵条件，自投泵自投，直到满足停机条件时停机，在运行过程中，如果自投泵出现故障，备用泵将自动投入使用。3.3.2机组的启动条件及操作使用在自动工况下，为了对高、低位水箱的高、低位进行检测，用了四个触点进行检测。将四个触点分别接至PLC的X405，X406,X407，X410四个输入端。根据设计要求，当高位水箱达到高位或者低位水箱达到低位时，水泵不启动；当高位水箱达到低位或者低位水箱达到高位时，应起泵。在梯形图中，当X406或X405触点闭合时，则M201线圈得点，在使得M202（M203）线圈得电，最终使Y430（Y431）线圈的复位端接通，则系统将会启动；当X407或X410触点闭合时，将是线圈M201失电断开，则使得M202（M203）线圈失电，使得Y430（Y431）线圈失电，电机停止。通过Y436和Y437线圈触头之间的互锁，使系统任一时刻，只能工作在气泵或不起泵状态，保证了系统的稳定性。 在手动情况下电机的启停不在受液位高低的控制，直接通过人为的操作来实现电机的启动和停止：旋转SB1（SB2）至启动位置，则将启动1（2）号机组，若旋转SB1（SB2）至停机位置，则将关闭1（2）号机组。3.3.3备泵自投功能的实现设计任务中要求当工作泵出现故障时，应实现备泵自投的功能。因此，在设计中，电机的启动方式除了自动和手动的启动方式外，应再加一种作为备泵自投的启动方式，即在在自动工作模式下确认工作泵出现故障时，在系统仍满足起泵的条件下，应在感应工作泵的故障线圈一旦得电，则备泵应立即启动。因此将1号机组的故障线圈的常开触点Y530并在1号机组自动控制停止线圈M202的回路和2号机组启动线圈M203的回路上，这样当1号机故障时M202线圈失电1号机停止，同时M203得电启动2号机；同样，将2好机组的故障线圈的常开触点Y531并在并在2号机组自动控制停止线圈M203的回路和1号机组启动线圈M202的回路上，这样当2号机故障时M203线圈失电2号机停止，同时M202得电启动1号机,从而实现了备泵自投的功能。3.3.4信号灯的指示在本次设计中，共使用了11个指示灯。分别为1、2号电机的工作指示灯HL1，HL2，高位水箱下限指示灯HL3，低位水箱上限指示灯HL4,，高位水箱上限指示灯HL5，低位水箱下限指示灯HL6，1号机作为备用的指示灯LH7；2号机作为备用的指示灯HL8；1号机故障指示灯HL9，2号机故障指示灯HL10；手动工况指示灯HL11；单电机启动30秒后，压力检测起作用，如果压力没达到设定值，则认为是故障状态，此时发出故障提示，如果是在自动模式下还要是使备用泵自投。3.3.5指令语言程序梯形图中对应的指令语言程序如下：指令数据指令数据指令数据LDX402RM202LDY430ORY437LDM202OUTT450ANIY530OUTY430K30OUTY437LDX403LDY431LDX404ANDX401OUTT451ORY436LDY436K30ANIY531ORY531LDT450OUTY436ANDM201ANDX413LDX405ANIX403ORX411ORX406ORBORY530SM201SM203OUTY530LDX407LDX403LDT451ORX410ANIX401ANDX500RM201LDIX403ORX412LDX403ANIM201ORY531ANDX400ORY531OUTY531LDY437ORBLDX403ORY531RM203OUTY532ANDM201LDM203LDY432ANIX403OUTY431ORY433ORBLDX405ORY434SM202OUTY432ORY435LDX403LDX406ORY530ANIX400OUTY433ORY531LDIX403LDX407OUTY533ANIN201OUTY437ENDORY530LDX410ORBOUTY435第四章 元器件的选择及依据4.1 低压断路器的选择根据动力供电支线用断路器的动作电流整定原则，现采用非选择型二段式（过载延时及短路瞬动保护）保护，各参数计算如下： 断路器额定电压UN=380V。 过载保护：Idz1=KkIN,取Kk=1.1，则Idz1=10 A。 短路瞬动保护： Idz2=(1012)IN,则支路上短路瞬动电流至少为100A，按110A。综合以上各个条件，支路上选DZX7-2520型低压断路器，其电流整定范围为1016A，极限短路分断能力为6KA，这里将电流整定为10A，短路脱扣电流整定为110A，尺寸为46*83.5*98（单位都为mm，下同）。干路上支路上选DZX7-2520型低压断路器，由于任何时候都只可能最多有一台电机工作，考虑到控制电路的电流，将电流整定为15A, 短路电流整定为200A。4.2 PLC的选择由于系统要求使用三菱F1系列的PLC。有I/O分配表可知输入点为13点，输出带了为12点，故选用三菱F1-30MR型的PLC，其输入继电器为X400X413和X500X503共16点，输出继电器为Y430Y437和Y530Y535共14点，其尺寸为：275*90*90。4.3 交流接触器的选择单个电机回路中的电流估算如下：INPN/(1.732UNCOS)=5500/(3801.7320.9)9.3A.所以根据IN=10A选交流接触器CJX4-12d,额定工作电流为12A。尺寸为45*45*80。4.4 热继电器的选择因为系统中电机为5.5KW，电源线电压为380V ，所以电机正常工作时应为三角形接法。选带有断相保护的热继电器：LR1-D12316 ，电流调整范围为：1013A，这里将其值整定为10A 。尺寸为45*62*93。4.5 转换开关和旋钮的选择根据系统原理图及系统电压可选择：转换开关用HZZ5-D0213型 工作电压为交流380V及一下；直流220V及以下。尺寸为：48*48*61.5，直径为29mm,安装孔为16mm.旋钮用LA18-22X2，直径为48mm.长度为80mm。4.6 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/61 颜色：红色 额定电压为220V，XDY1-B/62 颜色：绿色 额定电压为220V.尺寸为：直径29mm,安装时，安装孔径为22.3mm，两灯水平之间距离不小于30mm，垂直之间距离不小于40mm。其中水位指示灯和故障指示灯为红色的，共六个，选择的型号为XDY1-B/61；水泵运行状态指示灯，手动指示灯，备用泵指示灯为绿色，共五个，选择的型号为XDY1-B/62。另外水位和故障的线圈输出还要为蜂鸣器供点，起提示报警作用。4.7 端子排的选择在本设计中，一共用了16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*40*51，在本设计中用了其中的16个，余下的4个作为预留端子。第五章 控制柜的尺寸设计根据以上关于本系统所选择的各元器件的实际安装尺寸，同时考虑各元件之间的间隔，最终将电气控制箱的尺寸定为400640180mm具体的元器件尺寸分布参见系统平面布置图中的尺寸标注。另外为了便于检修控制柜内的元件都采用卡轨式安装，柜内设有布线槽，考虑到导线的根数不是很多，线槽的宽度设为15mm。系统平面布置图和接线图见附页。总结对建筑电气控制技术这门课程的学习，使我掌握了很多关于建筑电气方面的知识，在这次的课程设计当中更是学到了许多的专业知识。在这一周的设计当中，通过查阅相关书籍，和相关产品手册，经过不断的努力和改进终于完成了设计要求。本设计的主要优点是各个过程都有明显的指示和提示，能使用户再在使用时清楚明了地知道系统正在干什么，或者现在该怎么操作，并且为系统设计了