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1、广东环境保护工程职业学院广东环境保护工程职业学院 毕毕 业业 设设 计(论计(论 文)文) 题目:题目: 河道拦水闸智能控制系统设计河道拦水闸智能控制系统设计 系:系: 机电工程系机电工程系 专专 业:业: 机电设备维修与管理机电设备维修与管理 班班 级:级: 1212 机电设备维修与管理机电设备维修与管理 2 2 班班 姓姓 名:名: 冯耀章冯耀章 指导教师:指导教师: 车海波车海波 完成时间:完成时间: 20142014 年年 4 4 月月 1717 日日 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 1 摘要摘要 传统的闸门控制方式需要人员亲自到现场操作闸门启闭机而升降
2、闸门。近 年来,随着经济的迅猛发展,使我国水利系统的开发建设得到了快速发展。闸 门启闭机作为水利系统的重要设备之一,如果对其继续沿用传统的继电器控制, 不但难以解决与监控系统上的通讯问题,而且也无法满足当天水利部门对设备 的自动化控制需求。为了解决这个问题,我们尝试采用可编程逻辑控制器 PLC, 设计一种适应自动化控制需求的闸门启闭机的电气控制系统,并对传统的继电- 接触器控制系统相结合,完成了闸门启闭电动机就地手动、远程自动控制系统。 闸门手动控制系统采用传统的继电-接触器控制模式,根据本闸门设计的内 容和要求设计了电气控制原理图。 在闸门自动控制系统中,对闸门的执行机构的控制是非常重要的一
3、个环节, 采用高可靠性、高性能的可编程逻辑控制器 PLC,可成功解决这一问题。根据 闸门执行机构的特点,设计了以 PLC 为核心部件的闸门自动化控制系统,给出 了控制系统的硬件结构,以组合模块化的方式设计了系统的程序软件。 关键词:关键词:闸门控制系统 自动控制 可编程逻辑控制器 PLC 管理模式 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 2 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 3 目录目录 1 前言.3 2 河道拦水闸智能控制系统总体设计方案.4 2.1 系统框图.4 3 闸门手动控制系统设计.5 3.1 闸门手动控制原理.5 3.2 手动控
4、制系统组成5 3.3 主电路分析5 3.4 控制电路分析5 4 闸门自动控制系统设计.8 4.1 硬件系统结构框图8 4.2 超声波液位传感器8 4.3 组态王软件.9 4.3 输入控制9 4.4 输出控制9 4.5 闸门 PLC 控制系统简介 .10 4.6 闸门自动控制系统工作原理12 5 闸门自动(PLC)控制系统程序设计.14 5.1 软件系统设计14 5.2 I/O 端口分配表 .14 5.3 主程序模块.15 6 相关负载和容量的计算及相关元件的选择.19 6.1 电动机容量的计算.19 6.2 导线的选择19 6.3 其他元器件的选择.19 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道
5、拦水闸智能控制系统设计) 4 6.4 元器件清单表.19 7 结论.21 参考文献22 致谢23 附录24 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 5 1 1 前言前言 传统的闸门控制方式需要人员亲自到现场操作闸门启闭机而升降闸门。近 年来,随着经济的迅猛发展,使我国水利系统的开发建设得到了快速发展。闸 门启闭机作为水利系统的重要设备之一,如果对其继续沿用传统的继电器控制, 不但难以解决与监控系统上的通讯问题,而且也无法满足当天水利部门对设备 的自动化控制需求。为了解决这个问题,我们尝试采用可编程逻辑控制器 PLC, 设计一种适应自动化控制需求的闸门启闭机的电气控制系统
6、,并对传统的继电- 接触器控制系统相结合,完成了闸门启闭机就地手动、远程自动控制系统。 针对水利系统的水闸闸门控制系统,设计具有先进技术水平、实用的小型 水闸控制系统;从而进一步掌握电气控制应用技术、可编程控制器应用技术、 水位检测,闸门的限位保护,水闸开度控制及指示等内容。 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 6 2 2 河道拦水闸智能控制系统总体设计方案河道拦水闸智能控制系统总体设计方案 本设计项目为狮山镇某河水质综合治理项目河道拦水闸控制系统,该拦水 闸要求控制 3 组,合计 15 台 0.75KW 电动卷扬机,若采用传统的就地手动控制该 闸门,工作较为繁重,
7、控制线路复杂,可靠性低,不能实现对整个水利设施进 行自动控制,远程通讯能力欠缺等缺点和局限性,所以越来越不能满足水利水 电工程的生产发展。随着先进工控技术的应用和发展,建立基于可编程控制器 (PLC)的河道拦水闸智能控制系统成为解决这一问题的有效途径。 该河道拦水闸智能控制系统 其控制方式的优越性,使它非常有效地解决了 传统河道拦水闸控制系统的存在的缺点和局限性。 2.12.1 系统框图系统框图 图 1-1 河道拦水闸智能控制系统框图 控制电路 2 PLC 工控机(自动控制) M11 15 M6 10 M1 5 电源 交换机 控制电路 3 控制电路 1 PLC 控制系统 控制电箱(手动控制)
8、广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 7 3 3 闸门手动控制系统设计闸门手动控制系统设计 3.13.1 闸门手动控制原理闸门手动控制原理 通过控制继电器的关,电动机启动、停止或反转,以此来控制闸门的开或 关。 图 1-2 闸门手动控制原理图 3.23.2 手动控制系统组成手动控制系统组成 如图 1-4 所示,电路分为主电路和控制电路两部分 3.33.3 主电路分析主电路分析 如图 1-4 所示,低压断路器 QF1、QF2、QF3 用作线路的总开关,兼有过流 和短路保护功能。电动机 M1、M2、M3 分别控制 1 号闸门、2 号闸门和 3 号闸门, 其中电动机 M1
9、由接触器 KM1、KM2 控制正反转;接触器 KM3、KM4 的主触点控制 电动机 M2 正反转;接触器 KM5、KM6 的主触点控制电动机 M3 正反转。 3.43.4 控制电路分析控制电路分析 如图 1-4 电气控制原理图所示,控制电路主要由电动机的正、反转控制 , 互锁控制,按钮联锁等部分组成。 3.4.1 电动机的正、反转控制 控制原理分析:把万能转换开关打到手动挡,按动正转启动按钮 SB1(闸 门上升)接触器 KM1 通电自锁,KM1 主触点闭合,电动机 M1 正向转动,1 号闸 固态继电器 闸门 M 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 8 门上升;电动机
10、 M1 正转过程中,按动停止按钮 SB3,KM1 线圈断电,自锁回路 打开,主触点打开,电动机 M1 停转,1 号闸门停止。按动反转按钮 SB2,KM2 主 触点闭合,电动机 M1 反向转动,1 号闸门下降。2 号和 3 号闸门的控制原理与 1 号闸门的相同。 3.4.2 互锁控制 实现这一控制要求的方法是分别将 KM1,KM2 的动断触点串接在对方的线圈 电路中,形成相互制约的关系,简称为互锁控制,又称为联锁控制。以电动机 M1 的电路为例,若主电路中的 KM1 和 KM2 同时闭合,将会造成主电路电源短路,因此 电路中只允许有一个接触器的触点闭合,这样就起到了互锁控制控制作用。 3.4.3
11、 按钮联锁 为了方便操作,提高工作效率,将正、反转按钮的动断触点串接到对方的电 路中,利用按钮的动合触点的机械连接在电路中起相互制约的联锁作用。如正转 过程中,按动反转按钮 SB2,SB2 的动断触点使 KM1 线圈断电(自锁打开),电动机 正转停止,KM1 动断触点复位,SB2 动合触点复位,使 KM2 线圈通电自锁,电动机实 现反转。同理在反转过程中, 按动正转按钮 SB1,SB1 的动断触点使 KM2 线圈断 电,电动机正转停止, KM1 线圈通电自锁,电动机进入正转。这样就简化了操作, 使正转进入反转(或反转进入正转)不必先按下停止按钮,然后再进行相反的操作。 因此接触器互锁和按钮互锁
12、构成双重互锁,使电路更具实用性。 3.4.4 闸门手动控制选择 万能转换开关是一种多挡位、多段式、控制多回路的主令电器,当操作手 柄转动时,带动开关内部的凸轮机构转动,从而使触点按规定顺序闭合或断开。 如图 1-3 中万能转换开关,当把挡位打到手动挡位时,系统即处于手动控制状态。 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 9 图 1-3 万能转换开关 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 10 3.4.5 电气控制原理图 图 1-4 电气控制原理图 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 11 4 4 闸门自动控制系统设计
13、闸门自动控制系统设计 4.14.1 硬件系统结构框图硬件系统结构框图 自动控制系统结构框图如图 1-5 自动控制系统结构框图所示,系统主要由 可编程逻辑控制器(PLC),工控机、液位传感器、输入控制、输出控制等部分组 成,其结构框图如图所示。 图 1-5 自动控制系统结构框图 4.24.2 超声波液位传感器超声波液位传感器 超声波液位传感器集非接触开关、控制器和变送器三种功能于一身,是利 用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波, 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现 象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。这类型的传感器
14、价 格比较便宜,性能稳定可靠,广泛应用于闸门水位差测量使用。如图1-6超声波 液位传感器所示。 图 1-6 超声波液位传感器 输出控制 输入控制 液位传感器 闸门运行状态 P P L L C C 控控 制制 系系 统统 工控机工控机(组态王组态王) 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 12 4.34.3 组态王软件组态王软件 组态王开发监控系统软件,是新型的工业自动控制系统,它以标准的工业 计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。可以为企业提供 一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台,使企业能够及时 有效地获取信息,及时地做出反应,以获得
15、最优化的结果。如图 1-7 工控机组 态王软件操作界面所示。 图 1-7 工控机组态王软件操作界面 4.34.3 输入控制输入控制 输入控制信号可以来自工控机组态王软件界面的功能按键,以及按钮开关 信号(备用操作)等。通过切换开关,可以选择手动控制和自动控制。 4.44.4 输出控制输出控制 控制闸门电动卷扬机电机正向和反向运转,打开与闭合,使闸门上升、下 降、 停止,以及当闸门运行到达极限位置、输出报警信号。 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 13 4.54.5 闸门闸门 PLCPLC 控制系统简介控制系统简介 本闸门控制系统选型为西门子 S7-200 SMAR
16、T,西门子 S7-200 SMART 是一 种小型的可编程序控制器,适用于各行各业,各种场合中的检测、监测及控制 的自动化。如图 1-8 西门子 S7-200 SMART 外型结构所示。 图 1-8 西门子 S7-200 SMART 外形结构 4.5.1 性价比 S7-200 系列 PLC 系统由主机(基本单元)、I/O 扩展单元、功能单元(模块) 和外部设备等组成。S7-200 PLC 主机(基本单元)的结构形式为整体式结构。 S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控 制功能。 广东环境保护工程职业学院毕业论文(河道拦水闸智能控制系统设计) 14 4.5.2 硬件配套 提供不同类型、I/O 点数丰富的 CPU 模块,单体 I/O 点数最高可达 60 点, 可满足大部分小型自动化设备的控制需求。另外,CPU 模块配备标准型和经济 型供用户选择,对于不同的应用需求,产品