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1、电控综合实验报告(水塔供水电气控制系统设计与调试)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) 电控学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 2011320401 学生姓名 周文辉 学 号 201132040122 12 月 16 日至 12 月 27 日 共 2 周指导教师(签字) 系 主 任(签字) 2013年 12 月 28 日目录一 设计内容及要求- 1 -二 设计原始资料- 1 -三 水塔供水系统简介- 1 -四 PLC可编程控制器简介- 2 -五 设计要求分析计算- 3 -（一）原始资料分析- 3 -（二）主电路及控制电路设计- 4 -（
2、三）选型- 8 -（四）控制电路PLC梯形图及指令- 9 -六 系统工作原理- 11 -七 程序调试- 12 -八 控制柜设计- 13 -九 接线安装布置- 13 -十 操作使用说明- 14 -十一 参考资料- 14 -十二 鸣谢- 15 -十三 附录：- 15 -（一）图纸部分：- 15 -（二）元器件明细表：- 16 -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，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
3、进行联机调试。二 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。三 水塔供水系统简介水塔供水系统是目前生活
4、小区常用的供水系统。水塔水凭借高位重力势能，实现为小区内用户供水。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。水塔供水示意图如下：图一：水塔供水示意图其中电机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。四 PLC可编程控制器简介PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部
5、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。它具有以下特点：可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。硬件配套齐全，功能完善，适用性强：PLC发展到今天，已经形成标准化、系列化、模块化的系列产品，品种齐全，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。其安装接线也很
6、方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。另外现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎：PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。因此深
7、受工程技术人员欢迎。系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造：PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低：以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。它的重量小于1
8、50g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。五 设计要求分析计算（一） 原始资料分析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。PLC内部定时器可在得到上一台电机启动（输出）信号后开始计时延时得电从而按要求控制输出信号，使得相应输出口线圈得电从而控制电机相继（间隔五秒）启动。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。可通过事先输入选择备用电机信号控制PLC内部继电器得失电，利用相应继电器状态控制输出状态从而控制电机的启停。运行中，任意
9、一台电机若出现故障，外部热继电器常闭触点断开，PLC读入信号并按照程序控制相应电机线路立即断电，报警指示并利用该信号控制当前备用电机解除备用状态投入工作。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。同样利用水位信号开关输入信号控制内部继电器得失电，通过内部继电器状态控制当前电机组应当处于何种工作状态，并投入工作。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。可选择用旋钮对工作方式选择信号输入给PLC，PLC根据该信号控制当前应处于何种工作状态。手
10、动工作时，分别利用六个按钮输入信号控制输出信号，从而控制电机的启停。5. 各种指示及报警。电机工作状态指示，电机故障指示、报警。通过相应的信号控制输出完成报警指示功能。（二）主电路及控制电路设计综上分析，设计如下所示主电路图及控制电路图： 图二：主电路图主电路图中采用三个空气开关分别控制三台电机电源，以便其中某一台或两台电机故障检修时无故障电机能投入工作，并设有进线总电路空开，继电器线圈主触点用以实现自动控制电机工作，另接入热继电器起保护电机作用。 图三：控制电路图控制电路中，PLC输入信号口如图分配，PLC根据相应口的输入信号控制输出信号，实现自动控制供水水泵启停、运行指示、故障报警等。如下
11、：自动状态：通过旋钮SA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SL2启动或水池上限液位开关SL3启动，除选为备用的电机外另外两电机先后5秒依次启动。例如：自动状态下，选电机M1为备用电机，按下按钮SB1选择。当液位达到抽水条件时，电机M2、M3相继5秒启动。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：手动状态下。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SB4，电机M1启动；按下电机M1停止按钮SB5，电机M1停止运行。故障状态：自动运行状态下，三电机两运行一备用。当运
12、行中某一电机发生故障，立即切断该电机电源，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，投入使用。各种指示及报警：HL1、HL2、HL3分别为三台电机正常工作指示灯，三个警铃分别为各电机故障报警警铃。控制电路PLC I/O分配表如下：输 入输 出 水塔高位I00M1电源接触器KM1（及工作指示灯）Q00水池低位I01M2电源接触器KM2（及工作指示灯）Q01电机M1备用按钮SB1I02M3电源接触器KM3（及工作指示灯）Q02电机M2备用按钮SB2I03故障报警Q03电机M3备用按钮SB3I04M1故障
13、指示灯Q04手动/自动工作方式选择旋钮SAI05M2故障指示灯Q05电机1启动按钮SB4I06M3故障指示灯Q06电机1停止按钮SB5I07电机2启动按钮SB6I10电机2停止按钮SB7I11电机3启动按钮SB8I12电机3停止按钮SB9I13M1热继电器触点FR1I14M2热继电器触点FR2I15M3热继电器触点FR3I16紧急停车按钮SB10I17表一：I/O分配表（三）选型1. PLC的选型： 此系统中只有三台电动机，有手动和自动两种运行方式及各电动机过载的声光报警。对于输入输出的点数的需求量不是很大，只需16输入7输出即可满足要求，且没有在线编程的要求以及模拟量输入模块，程序也不是很大
14、，不需要很大的内存，故此程序中选取华光PLC的SH32RI。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。2. 元器件的选型：接触器的选择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LC1-D12，数量为3个热继电器的选择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，并将其整定为12A。水位信号器的选择 水位信号器选用电缆浮球液位开关即可，水塔中设在水位线高位，接常开触点，当水位超过此水位线时，开关动
15、作，常开触点闭合输入水满信号；水池中设在水位线低位，接常闭触点，平时水位未达到低位时开关吸合，常闭触点处于断开状态，当水位达到低位时开关动作，常闭触点闭合输入水位低位信号。因此选用设有一对常开触点一对常闭触点的液位开关即可，型号为LPF-A3.15，数量为2个。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，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 由于控制柜内及
16、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，所以控制柜选用非标准柜，其外部尺寸为400X170X650（单位为mm）。其他元器件的选择指示灯（红绿）、旋钮、警铃、线槽、端子排等元器件的选择型号见附表。（四）控制电路PLC梯形图及指令详见附件图纸梯形图 图四：梯形图及指令六 系统工作原理当输入信号I05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I05为OFF时（即旋钮开关不接通），系统为自动工作方式。当输入信号I02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I03为ON时（即按下选择电
17、机M2备用按钮SB2）,2号泵备用。当输入信号为I04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I00输入为OFF,当水池水位未达到低位（还可以抽水）时I01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I00、I01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，I05为
18、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），I00、I01 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
19、泵自投。若要紧急停车，按下SB10，I17由ON变为OFF，水泵全部停机。手动工作方式下，I05为ON，按下SB4，I06为ON，QOO为ON并保持，线圈KM1得电，1号泵启动。按下SB5，I07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。七 程序调试问题一：2#泵和3#泵工作时（1#泵备用），若2#故障，3#泵也立即停止，五秒后1#泵能投入工作；若3#泵故障，不影响2#泵工作，五秒后1#泵自投。相应的有如下故障表：当前工作状态故障泵自投状态故障泵自投状态2#、3#工作，1#备用2#3#急停，5s后1#自投3#不影响2#泵工作，5s后1#自投1#、3
20、#工作，2#备用1#不影响3#泵工作，5s后2#自投3#1#急停，5s后2#自投1#、2#工作，3#备用1#2#急停，5s后3#自投2#不影响1#泵工作，5s后3#自投表二：调试故障表解决办法：经分析，之前程序的顺序延时启动采用的是2#，3#，1#，2#顺序，顺序中前一个电机启动后延时线圈得电控制后一电机启动，若前一电机故障了，后一电机（不在备用状态）顺序延时线圈立即失电复位，必然立即停止。解决办法：在各电机延时启动后利用该电机工作信号完成电气互锁。这样即使该电机不在备用状态下也不受其他电机故障影响，顺利完成故障自投。如图：图五：问题一修改后梯形图增加Q02互锁后，即使2#电机故障也不会影响3
21、#电机（不在备用状态，M02不得电）工作，五秒后1#自投。其他情况与此相同。问题二：调试过程中，用旋钮开关模拟水位信号输入，旋钮输入不如预期所想一档高水位信号，一档低水位信号，而有高低水位均有的信号，造成发生与实际情况不符的输入。解决办法：直接用线头触碰PLC输入公共端COM模拟水塔水位高或水池水位低信号，实现自动停机控制。问题三:改进措施：液位输入开关的优化改进，由原来的四个液位开关优化为两个，能实现水塔水不满水池没达到液位下限即可工作抽水，水塔水满或是水池水位达到液位下线即可停止工作，一方面优化可抽水条件，另一方面，节约液位开关成本投资，省去PLC两个输入点，SH32即可满足要求；三个警铃
22、分别报警指示三台电机故障，都是警铃报警，没必要三个警铃，改进为三个红色指示灯显示故障电机，统一用一路报警信号；主电路及控制电路增加进线空开QF4，以及各电机分别用不同的空开控制，方便电机检修及故障处理；八 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4/4布置图。九 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3/4接线图。十 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
23、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）。十一 参考资料 建筑电气控制技术 王俭 建筑工业出版社 建筑电气控制技术 马小军 机械工业出版社 光洋（无锡）电子有限公司 SH系列编程手册 各种电器元件产品样本十二 鸣谢两周的建筑电气综合实验，从题目分析-系统设计-编程序-程序调试-报告总结，每一个过程都不是一帆风顺。只有不断地请教老师，指导老师不厌
24、其烦的帮着我分析一开始乱如麻的程序，才使得我思路一点点变得清晰，系统设计的一步步趋于完整。首先，向辛苦这么多天跑来为我们解惑的老师致以谢意和敬意。再者，通过两周的对完整系统的设计明显感觉的之前学的很多东西变的形象有了依托，能初步掌握所要设计一套完整系统的必备条件。同时，也是我们清楚地感觉到重要何为学习的重点。在构建专业思维的同时，提高了自己一定的操作水平，收获不少。十三 附录：（一）图纸部分：1：主电路原理图+PLC外部接线图2：控制电路原理图（梯形图及指令系统）3：接线图4：元件布置图（电气箱面板、内部布置图）（二）元器件明细表：序号名称型号数量备注1接触器LC1-D1232热继电器LR1-D1233指示灯ND16-22 DS6绿色、红色各3只4PLC华光SH32RI15水位信号器LPF-A3.1526空气开关DZ-20-1004三相7空气开关DZ-20-102单相8线槽SWD-1519端子排RJ14HWP110控制箱1400X170X650（mm）11按钮NP2-BW1361 24V1012熔断器RT36N-00/16313蜂鸣器114旋钮1
