【《小区喷泉控制PLC硬件系统设计案例》4400字】

III小区喷泉控制PLC硬件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8636小区喷泉控制PLC硬件系统设计案例 11481.1控制系统设计 1203401.2主控方案选择 2319441.3控制系统硬件 3210901.4各种硬件的选型 3303441.2.1PLC 387431.2.2喷头 45821.2.3喷泉专用泵 4305641.2.4变频器 5236291.2.5触摸屏 647921.2.6传感器 6271921.2.7其它硬件组成 7135391.5某生活小区喷泉的PLC电路设计 7238251.6I/O分配 863801.7电气原理图 81.1控制系统设计一般生活小区喷泉系统主要由喷泉控制系统硬件管路系统和灯光系统构成。如图3-1所示，喷泉系统主要由控制器、变频器、水泵、电磁阀、触摸屏、各种喷头、其它控制元件以及供水管路系统组成。其中控制器常用单片机、PLC等控制设备对喷泉花样进行编程控制；变频器则是通过对PLC的通信实现对水泵的调速从而控制喷水高度；电磁阀的开闭通合进一步实现喷泉花样动作；而触摸屏的使用是为了实现人机交互对喷泉进行花样选择和人为控制。此外，生活小区花样喷泉系统除了喷泉系统还进行了优化加入了灯光系统和传感器系统。灯光系统采用红绿黄三种色灯，不仅对夜间喷泉起到了照明作用同时配合喷泉系统营造美丽的喷泉夜景。图3-1生活小区花样喷泉总控制图1.2主控方案选择花样喷泉控制是一个复杂、连续、灵巧的过程，其花样功能的实现是通过预先设计好的包含喷水方式和灯光的程序，借助控制器发出控住信号达到对花样的控制。在工业工程中，被选为控制的一般是：继电器，PLC，单片机；同样花样喷泉控制主要也为上述三种控制方式。因此，比较三种控制方案的优缺点选取合适的方案对喷泉系统的成功与否起着决定作用。主控方案分析：传统继电-接触控制器控制空间占有量大，元件易疲劳工作和损坏，特别是触电易产生电弧将元件熔在一起导致误操甚至短路等严重后果，更不适合工作于喷泉潮湿的环境，所以不便选为喷泉控制元件。而单片机作为一种集成电路虽然解决了继电接触控制器的上述缺点，却因其自身存在的诸如结构复杂、编程复杂的缺点止步于喷泉中的应用。PLC控制则不同于前者，其具有可靠性、功能齐全、响应速度快、体积小、编程简单、环境适应性强等方面的优势，非常适合花样喷泉系统中的使用，包括控制的精度、复杂度以及潮湿的工作环境。所以综上方案三是生活小区花样喷泉设计的绝佳控制方案，同时基于PLC控制的花样喷泉也具有极大的研究价值和发展前景。1.3控制系统硬件图3-2生活小区花样喷泉系统电路示意图如图3-2所示，生活小区花样喷泉电路基本包括PLC、触摸屏、变频器、水泵、灯光组等元件，同时课题设计考虑到存在安全隐患如儿童溺水、游客触电等危险情况，因此加入了传感报警系统，即在喷池外围不知两组传感器，外围传感器控制报警灯对靠近的游客警示作用，内围传感器用于断电处理对已进入喷池的游客进行保护。1.4各种硬件的选型1.2.1PLC现在市面上的PLC种类繁多，品牌也不计其数。尽管品牌和型号存在很大的差异，但其结构组成及原理基本相同，实质为新型的工业控制计算机。如图3-3所示，PLC主要由中央处理器（CPU）、电源、存储器、输入/输出接口、编程接口和拓展接口等几个部分。图3-3可编程控制器结构图1.2.2喷头喷泉喷水高度由喷泉水泵决定，而喷泉的水柱的水型则直接由喷泉喷头决定，可以说喷头的选取一定程度决定了喷泉设计的成功与否。其工作原理是：水流在水泵的作用下高速高压流动最后通过喷头内部路径向空中释放，形成不同的水柱形状。喷泉喷头就材质分类可分为金属喷头和塑料喷头，就水型分类可分为直流喷头、雪松喷头、涌泉喷头、牵牛花喷头、扇形喷头等十几种喷头。根据课题设计花样方案及布置选取直喷喷头和雪松喷头两个种类，即除观景台前排三个为雾松喷头外其余均为直喷喷头，具体规格及数量如下表3-1所示。表3-1喷泉规格及数量种类型号喷水量（m³/h）喷水高度（m）工作压力（Kpa）数量DN80（直喷喷头）10.0-13.01.5-10.070.0-150.024DN50（雪松喷头）12.0-23.01.0-10.050.0-400.031.2.3喷泉专用泵喷泉专用潜水泵是喷泉专用的一种水泵，主要运用于喷泉设计、水产养殖，同时也运用农业灌溉、供水排水。而其中的QSP型喷泉专用泵是使用最广的一种，具有如下性能特点：（1）采用铸铁或者不锈钢材料，提高泵的耐腐蚀性和耐磨性（2）叶轮采用专用材料防止叶轮旋转动时松叶轮动（3）具有漏电保护装置，进一步提高泵的安全性能（4）能够应对泵的频繁启停以适合喷泉的使用根据喷头的水量要求和喷水高度折算成水泵的水量及扬程初步选取了喷泉水泵QSP120-10-3.5，由于喷泉的合理布置三组喷头均选用这一型号水泵，方便了日后水泵及相关配件的更换。具体规格如表3-2所示。表3-2喷泉专用泵规格及数量规格型号流量扬程功率电流泵重量出水口径数量QSP120-10-3.5m³/hmKwAKgmm个120103.511.46012531.2.4变频器现在有的电源都是恒压恒频的，而有时同一系统的不同设备或同一设备不同时间工作所需的电压均不同，这时必须通过变频装置才能获得变压变频电源，这类变频装置统称为变频器。变频器英文全称Variable-frequencyDrive,简称VFD，是运用变频技术和微电子技术通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电机的电力控制设备。要实现改变喷泉喷水高度，就要在喷泉过程中改变水泵的转速，本次课题就是通过变频器来实现潜水泵的快速启动和多段速可控。选取变频器时要着重从变频器的容量和用途两方面考虑。所谓变频器的容量实质就是变频器的拖动负载电机输出额定电压和额定流量时的输出功率。简言之，多大的负载功率选择多大功率的变频器，当然也可大一规格。切勿选小规格出现小牛拉大车的情况否则易烧坏变频器。变频器种类繁多不同用途有不同变频器，如有风机水泵专用的变频器车床也有机床专用的变频器，所以根据具体布置用途选取。本次课程设计为花样喷泉系统所以变频器选择风机水泵专用变频器，而负载水泵功率为18.5Kw所以选取了三菱FR-F740-18.5K-CHT变频器。其规格及数量如表3-3所示。表3-3变频器规格及数量型号（380V/50Hz）SLD过载能力LD过载能力数量三菱FR-F740-18.5K-CHTKwAKwA个18.53818.5351为了避免变频器在工作中发生故障，而未及时断电或者发出故障指示烧坏变频器或其他元器件，又或者在喷泉意外停止工作无法确定是否是变频器故障。可通过给异常输出口A、B、C接线判断A-B或B-C是否为有信号输出(变频器接口功能图见附录一)，若A-B处于接通状态或B-C处于断开状态，故障灯闪蜂鸣器响同时变频器断电复位。1.2.5触摸屏触摸屏又叫触控屏，是兼具画面显示和操作的一种现代化电子设备。随着智能设备的发展和使用，触摸屏作为目前最简便方便的人机交互方式也得到了充分发展在工业和生活中扮演着重要角色。它以响应速度快、操作方式灵活、空间占有小、性能强等一系列优点正逐步取代诸如键盘输入等机械输入方式。在这里选择的是昆仑通态的触摸屏，具体型号为TPC1061Ti,用于连接可编程控制，并仿真控制程序。1.2.6传感器传感器是由敏感元件和转换元件两部分组成的一种电子元件，其作用是完成信号调理和转换电路的作用即感受一定的测量并按照一定规律转换成可输出信号。本次课题设计选用的是对射式光电红外传感器便是光电式传感器中的一种。对射式光电红外传感器主要由发射器、检测器和检测电路三部分组成，其工作原理是是发射端发出红外信号，接收端接收，当有物体遮挡阻断或阻断红外信号的接收，检测电路开始输出电平信号。对射式光电红外传感器具有检测距离长，准确度高和适用范围广等优点广泛运用于各个领域。如表3-4所示。表3-4传感器规格及数量型号（沪工自动化）工作电压检测距离数量E3F-5DP1-5L(PNP常开)DC12-24V5m16对1.2.7其它硬件组成警示灯是一种用于故障指示、安全警示、以及操作指示的一种电力装置，广泛应用于工业和生活中。考虑到喷泉系统可能存在的诸如溺水、水柱伤人、触电等安全隐患，加入警示灯可以对游客起到初步的警示作用又不置于影响喷泉正常工作，经过反复比对最终选取了宏达LTE-1101无声旋转警示灯。彩灯作为观赏性的照明装置，在喷泉系统夜间工作起到关键作用。喷泉照明方式有水上水下两种照明方式，水下照明更具观赏性使用更广。本次课题选用了LED水底灯，其材质由优质加厚不锈钢材料、钢化玻璃、橡胶封圈构成，具有节能、环保、安全、寿命长等优点。喷泉管路虽为喷泉系统重要组成，但因其参照标准完备此处就不作赘述。但总体来说为了应对环境起到防冻、防老化、耐腐蚀，喷泉管道一般采用不锈钢管或铜管。1.5某生活小区喷泉的PLC电路设计花样一：按下启动按钮SB1，喷头以5S的时间间隔，按照A-B-C的顺序喷水；停止时，按下停止按钮SB2，喷头以5S的时间间隔按照C-B-A的顺序停止。花样二：按下启动按钮SB1，喷头A喷水10秒后停喷的同时喷头B、C一起喷水，B喷水10秒后停喷，C喷水20秒后停喷的同时A、B一起喷水14秒，C喷水20秒后停喷4秒又喷10秒停喷。A、B、C三组喷头都停6秒后进入下一个循环。1.6I/O分配在前节已选定三菱FX3U-32MRPLC为控制器，如表3-5所示，本方案控制系统主要需要的是启动按钮、停止按钮、模式选择开关及传感器检测等共8个数字量输入，对于数字量输出部分，主要涉及的是指示灯、喷头继电器及变频器运行继电器等共8个数字量输出，则数字量输入输出部分总共达到了16个，同时在实际输出使用量预留约20%以上的点数，因此选择FX3U-32MR的PLC，它含有16个数字量输入和16个数字量输出，针对此次设计，可以满足本课题需求表3-5生活小区花样喷泉PLC控制I/O端口分配表1.7电气原理图如图3-4所示，某生活小区花样喷泉主控电气图主要由PLC和触摸屏以及若干输入输出元件组成，他们组成了实现喷泉花样核心控制部分。传感器的PLC由外部供220V交流电同时接地以保护实现漏电保护，而触摸屏的引入是为了实现人机交互选择花样以简化操作。从PLC外部接线来看，输入端中的SB1、SB2分别指的是喷泉的启动按钮和停止按钮，而SEN则指的是两组光电红外对射式传感器的接收器，其中，SEN1、SEN2分别指外围传感器接收器和内围传感器接收器；输出端的KA是表示中间继电器的线圈部分，序号对应分别为主回路中电气图中的继电器序号，功能上是通过PLC控制，从而实现系统内的通断电。而HA、HL分别对应变频器的蜂鸣器和异常指示灯，L1对应布置于喷泉外的警示灯。最后是输出的SEN它不同于输入的SEN，它指的是内外两组红外对射式红外传感器的红外信号发射器。如图3-5所示，生活小区花样喷泉的主回路主要是由变频器和由喷泉专用潜水泵组成，变频器主要是起到对潜水泵调速作用。本次课题采用一个合适功率的变频器拖动三个编号的三相潜水泵，由于变频器一次只能输出一个工作转速。以上方案减少了过分追求喷泉效果而产生的不必要成本支出，同时水泵选择相同型号也方便维护。变频器由380V三相交流电供电同时做接地处理，之后变频器通过U、V、W对潜水泵供电并控制。当然潜水泵的转动不是由变频器自发控制而是由PLC给定信号，变频器上端口STF、RH、RM、RL、MRS、SD分别指控制潜水泵正转、高速转、中速转、低速转、输入公共点，每