水电厂旋转式滤水器PLC控制系统设计--毕业论文.docx

39摘 要水电厂滤水器的正常运行是保证水电厂技术供水系统设备安全运行的一项重要内容，根据水电厂水源的实际情况，选择一种可靠性高和适应实际水质情况的滤水器，是水电厂技术供水系统运行可靠的保证。目前，我国部分水电厂滤水系统不能有效排污。特别是夏季暴风雨季节，水中污物更加突出，再加上近年来越来越多的塑料瓶、袋等杂物的增多，给电厂安全经济运行造成困难，机组人员需经常进行人工清理，不但造成经济损失，而且增加了工人的劳动强度。旋转式滤水器主要用于水力发电厂的生产用水过程中，对进入水厂原水中2cm3以上的漂浮杂物进行过滤除杂。该设备安装在水处理车间的进水管道入口处，根据生产用水量的实际需要，既可单台使用，也可多台并联运行。旋转式滤水器的基本工作原理是根据旋转式滤水器进水口、出水口之间的水位压力差来控制旋转式滤水器的除杂排污。关键字：PLC控制；西门子S7-200；自动控制；滤水器；排污。目 录绪 论3一、系统总体方案设计4（一）整体机构4（二）机械结构5（三）滤水机构5（四） 执行机构.5（五）排污机构.6（六）操作单元.6（七）保护装置.6（八）控制要求.7二、旋转式滤水器系统设计.9（一）主电路设计.9（二）交流控制系统设计.10（三）主要参数计算.10（四）操作说明及注意事项11三、PLC控制系统设计.12（一）PLC的工作原理.12（二）输入采样阶段.12（三）用户程序执行阶段.12（四）输出刷新阶段.12四、PLC程序设计.15（一）程序流程图.15（二）PLC程序梯形图.16 附录1 PLC程序语句表.19 附录2 旋转式滤水器控制系统元器件目录表.23结 论.25参考文献.26致 谢.27绪 论 旋转反冲洗式滤水器分为手动旋转反冲洗型滤水器、电动旋转反冲洗型滤水器及全自动反冲洗型滤水器、滤网。在火力发电厂、水电站、钢铁冶炼、石油化工、印染造纸等企业的供用水管道上，由于从江河湖海中取水的水源不同，所以在水中存在着各种各样的杂质如：工业废弃物、浮草、鱼虾、田螺等。供水系统的管道前，一般都采用了一次滤网进行处理。但处理后的水质中仍存在着一些体积较小的杂物，如：小颗粒状的悬浮物、泥沙、田螺等。当它们在供用水系统中聚集到一定程度而不清除时，将导致通流面积减少，最终导致堵塞，严重时造成停机，尤其对安全运行构成极大威胁。所以在大管径的管道上设置二次滤网，而在内冷循环水小管径的管道上设置工业滤水器、净水器是很有必要的。优点 （1）外型尺寸小，便于现场的布置和安装。（2）网板材质及结构最大限度提高水流的过流面积，有效减少滤网水阻，保证运行可靠不发生卡、堵、塞现象,大大延长了滤网。（3）滤网采用3-6mm不锈钢板整体冲压成形，网芯应能承受150 kPa的差压，而不变形、不损坏。具有工作寿命长、耐腐蚀、不生锈、表面光洁、不结垢的特性。应用领域火力发电厂、水电站、石油化工、钢铁冶炼、印染、造纸纺织等各工矿企业循环冷却水系统，热网水系统及其它供用水管道上。 一、系统总体方案设计后的水从出水口流出，当水中杂质通过网芯时，由于体积大于网芯孔，而被截留旋转式滤水器接入管道系统后，水就会从进水口进入滤水器，过滤在网芯上，当聚积到一定数量时，即造成进水口和出水口有一定压差。这时可转动网芯进行自动反冲洗，杂质将会从排污口自行排出。旋转式滤水器主要用于水力发电厂的生产用水过程中，对进入水厂原水中2cm3以上的漂浮杂物进行过滤除杂。该设备安装在水处理车间的进水管道入口处，根据生产用水量的实际需要，既可单台使用，也可多台并联运行。旋转式滤水器的基本工作原理是根据旋转式滤水器进水口、出水口之间的水位压力差来控制旋转式滤水器的除杂排污。旋转式滤水器主要由转动轴、定位杆、支架壳体、网芯、进水口、出水口、排污口等组成 一般水质为淡水型的，滤网和内部主要部件为不锈钢材质。网芯中的网孔用冲床一次制成，具有耐腐蚀、不生锈，表面光洁、不易结垢的特性。机械部分由五部分组成，分别为滤水机构、执行机构、排污机构、操作单元、保护装置（一）整体结构在旋转式滤水器设计中，一个主要的问题就是污物的有效排放，这里采用两台电机：主电动机（滤水器电动机）和排污电动机（控制排污阀的开关）配合来完成此功能。总结构如图1-1所示。系统的输入包括压力差信号输入和方式选择输入等，滤水器有进水口、出水口、排污出口，与系统进出水口相衔接的部分不再赘述。图1-1 旋转式滤水器控制框图（二）机械结构旋转式滤水器主要由转动轴、定位杆、支架壳体、网芯、进水口、出水口、排污口等组成一般水质为淡水型的，滤网和内部主要部件为不锈钢材质。网芯中的网孔用冲床一次制成，具有耐腐蚀、不生锈，表面光洁、不易结垢的特性。机械部分由五部分组成，分别为滤水机构、执行机构、排污机构、操作单元、保护装置。（三）滤水机构主要由机壳，滤芯组、旋流子、进出水室、法兰等部件组成。其工作过程是：水流经人口管进人人口水室，再由水室分配至各滤芯单元过滤，将水中的大颗粒杂质滤掉后，由滤芯内流向滤芯外的环形集水室，再经出水管送至各冷却器，杂物留在各滤芯单元内。（四）执行机构由驱动电机、减速器、定位锁紧装置、排污电机及相关部件组成，其作用是按照控制台发来的指令，完成预定的动作，使滤芯旋转一定角度或开关排污阀门。（五）排污机构排污机构由排污台、旋流子、支架、排污管及排污阀等组成。当需要排污时，转动滤芯，进行反冲洗。当打开排污阀门时，排污单元内水流改变方向，从环形水室及相临单元滤芯内进人排污单元滤芯内。当反向流人的冲洗水进入排污单元滤芯时，被旋流子改变方向，形成一束旋流水束，将壁面杂物冲出排污单元滤芯，并经排污门排出，直到壁面洁净为止。（六）操作单元可使整个滤水器实现自动或人工反冲洗，及除杂排污。设自动时可进行定时自动和差压自动除杂排污。网芯单元的冲洗时问，即：排污时间，可根据实际情况自由设定。（七）保护装置本装置主要由电动机过载保护装置和超高压报警停车装置构成。在电机过载时和超高压时，能及时切断电源，保护电动机；超高压时还能进行报警，提醒操作人员及时排除故障。正常滤水过程：由于旋转式滤水器进水与出水口的水流正常，产生的压力差低于差压控制器设定值，因此，差压控制器内微动开关无动作输出，原水正常过滤。除杂排污过程：由于旋转式过滤器长时间过滤原水，势必在 滤水器内的过滤孔中阻塞大量的水中漂浮物，使得进水口的水压大于出水口的水压，出水量减少，进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值，这时差压控制器内微动开关动作输出，常开触点闭合，接通控制系统进行除杂排污。除杂排污后旋转式滤水器又恢复正常滤水状态，生产供水系统安全运行。（八）控制要求（1）手动调试和检修SA1手柄指向左45时，接点SA1-1接通，通过SB1、SB2控制按钮，手动开/关电动阀，通过SB3、SB4控制按钮，手动开/关滤水器电动机，以便于系统调试和检修。（2）人工除杂排污SA1手柄指向右45时，接点SA1-2接通，人工起动、停止旋转式滤水器进行除杂排污。（3）定时自动除杂排污：SA1手柄回零位时，若原水中杂物较少，固体漂浮物也较少，因此，水处理车间的旋转式滤水器长时间正常滤水，不能进行差压自动除杂排污。由于旋转式滤水器长时间置于水中，各个机械传动机构会锈蚀，影响过滤和除杂排污或导致旋转式滤水器损坏，因此，需要具有定时自动除杂排污功能。（4）差压自动除杂排污SA1手柄回零位时，若滤水器进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值时，旋转式滤水器自动进行除杂排污，直到滤水器进、出水口产生的压力小于差压控制器设定值时，旋转式滤水器自动停止除杂排污，恢复正常滤水状态。（5）超压停机旋转式滤水器内部的过滤孔被小颗粒杂物堵死无法排出，进、出水口的压力差较高，差压控制器内微动开关长时间动作（810min），需要立即停车，并发出声光报警。（6）计数功能该设备不管进行了哪种形式的除杂排污，每次进行除杂排污后都要有记录，因此需要记录除杂排污次数（5位）。（7）减速机润滑 在旋转式滤水器上装有行星摆线针轮减速机，由输油泵将油室中的润滑油源源地送入减速机，液压泵拖动电动机与滤水器电动机同步运行。（8）除杂排污阀门的电动装置内设三相交流异步电动机380V/60W、阀门限位开关和电动机过热保护，通过正、反相运行实现开阀、关阀功能。（9）其他 必要的电气联锁与保护，受控对象运行状态显示等。（10）相关参数1) 滤水器电动机M1：Y系列，AC380V，1.5 kW，6极；液压泵电动机M2：Y系列，AC380V，70W，4极；减速机4极减速；电动阀电动机M3：AC380V，60W，电动阀自带。2) 差压变送器测量范围：0.30.8MPa可调，电感性电接点输出：AC220V，1A。3) 指示灯HL：10mA，DC24V。4) 电铃HA：8W，AC220V。二、旋转式滤水器系统设计（一）主电路设计旋转式滤水器控制系统的主电路如图2-1所示。主回路中交流接 触器KM3控制滤水器电动机M1、液压泵电动机M2；KM1、KM2通过正、反转控制电动阀电动机M3,完成开起阀门和关闭阀门的功能。电动机M1、M2、M3由热继电器FR1、FR2、FR3实现过载保护。电动阀电动机M3控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M3实现双重保护。QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。熔断器FU1、FU2、FU3分别实现各负载回路的短路保护。FU4、FU5分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。图2-1 旋转式滤水器控制系统主电路图（二）交流控制电路设计（1）控制电路有电源指示HL。PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。（2）隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型，变比1:1，容量100VA隔离变压器。（3）3台电动机M1、M2、M3的过载保护，分别由3个热继电器FR1、FR2、FR3、实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。（4） 报警电铃HA为AC200V/8W，在出现超高压差时进行报警。（5）差压变送器是差压自动控制的关键传感器件，输出为压差信号。差压变送器测量范围为0.30.8MPa可调，电感性电接点输出：AC220V,1A。（6）由于控制电路的指示灯工作电压为直流24V，所以将220V电源电压经过变比为8：1的降压变压器进行电压变换得到交流为27.5V的交流电，再经过整流电路、滤波电路得到24V的直流电压。（7）控制系统的计数显示模块选用AT89S51单片机作为控制芯片，单片机供电电源需要直流5伏电压，要经过变比为20：1的降压变压器进行变压得到交流为11V交流电，并且经过整流电压变成直流电压为24V的直流电。（三） 主要参数计算断路器QF脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。旋转式滤水器有1.5KW负载电动机一台，起动电流较大，其余二台为100W以下，起动电流较小，工艺要求滤水器电动机和液压泵电动机同时起动运行，因此可根据1.5kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：IQF1.7IN=1.73A5.1A5A，选用IQF5A的断路器。熔断器FU熔体额定电流。以滤水器电动机为例，223A6A，选用6A的熔体。其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。热继电器的选择参照相关技术资料选取。（四）操作说明及注意事项1、各处电器、电路有熔断器和热继电器保护，不易发生烧熔故障；2、定时功能还只能通过PLC定义，如需外界定义还要另外添加硬件；3、自动除杂和差压除杂切换明确，两工作方式互不干扰；4、整机的滤水器电机和液压泵电机始终工作，进行排污时只有电动阀电机启动停止，有效减少机械振动和电机的频繁启动，延长了整机的寿命。三、PLC控制系统设计（一）PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（二）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（三）用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。（四）输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。根据设计要求，如图3-1所示，共有19个I/O接口，其中10个输入接口，9个输出接口。根据S7-200系列的技术指标选择型号为CPU224的PLC。CPU224的用户存储空间为4096字，用户数据为2560字，有14个输入端口和10个输出端口，可以满足本控制系统的控制要求。其中，输出部份分为220V输出和24V输出两部份。220V输出为电动机控制的接触器和报警电铃输出；24V输出为各种指示灯输出。由于有两种不同的输出电压要求，所以必须提供两种不同电压的电源，这两个电源由交流控制电路提供。如图3-2所示。输 入 点序号文字符号程序指令说 明1SA1-1I0.0手动控制转换开关2SA1-2I0.1人工除杂排污控制转换开关3SA1-0I0.2自动除杂排污转换开关4SB1I0.3手动开电动阀按钮5SB2I0.4手动关电动阀按钮6SB3I0.5手动开滤水器、液压泵按钮7SB4I0.6手动关滤水器、液压泵按钮8SQ1I0.7电动阀打开限位开关9SQ2I1.0电动阀关闭限位开关10KPI1.1压差变送器信号输 出 点序号文字符号程序指令说 明1KM1,HL6Q0.0开电动阀接触器与指示灯2KM2,HL7Q0.1关电动阀接触器与指示灯3KM3,HL8Q0.2滤水器、液压泵运行接触器与指示灯4HL1Q0.3手动控制指示灯5HL2Q0.4人工除杂排污指示灯6HL3Q0.5定时自动除杂排污指示灯7HL4Q0.6差压自动除杂排污指示灯8HL5,HAQ0.7故障指示灯及报警电铃9HQ1.0除杂排污次数显示（5位）图3-1 旋转式滤水器控制系统的PLC输入输出接口表图3-2 旋转式滤水器控制系统的PLC控制电路图四、PLC程序设计（一） 程序流程图（二）PLC程序梯形图 附录1 PLC程序语句表 TITLE=程序注释Network 1 / 手动调试和检修；人工电动阀控制也在此。/ 电动阀控制LD I0.0O I0.6A I0.2LPSLD I0.1O M0.1ALDAN I0.4AN I0.3= M0.1LPPLD I0.4O M0.6ALDAN I0.1AN I0.5= M0.6Network 2 / 开电动阀LD M0.1O M0.2O M0.5= Q0.0Network 3 / 关电动阀LD M0.6O M0.7O M1.5= Q0.2Network 4 / 滤水器、液压泵运行LD M1.1O M1.2= Q0.5Network 5 / 手动控制指示灯LD I0.0= Q0.4Network 6 / 开电动阀指示灯LD Q0.0= Q0.1Network 7 / 关电动阀指示灯LD Q0.2= Q0.3Network 8 / 人工除杂排污/ 调试与检修的滤水泵、液压泵控制在此；手动除杂只需开启滤水电动机，除杂人工进行。LD I0.6O I0.0LD I0.7O M1.1ALDA I1.0A I1.1AN I1.2= M1.1Network 9 / 滤水器、液压泵运行LD Q0.5= Q0.7Network 10 / 人工除杂排污指示灯LD I0.6= Q0.6Network 11 / 压差判定LD I1.3A I1.4= M0.0Network 12 / SA1-0模式下虑水机、液压泵开启/ 唯一的变化是电动阀LD M0.0O T37A I1.4A I1.0A I1.1AN M1.0= M1.2Network 13 / 定时自动除杂/ 除杂启动定时LD I1.4AN M0.0LPSAN T38TON T37, 6000LPP= Q1.0Network 14 / 排污停止定时LD T37TON T38, 3000Network 15 / 电动阀定时开启LD T37A I0.2AN I0.3= M0.2Network 16 / 电动阀定时关闭LD T38O M1.5A I0.2AN I0.5= M1.5Network 17 / 差压自动除杂/ 差压除杂定时LD M0.0TON T39, 6000= M0.3= Q1.1Network 18 / 压差除杂启动各电机LD M0.3A I0.2AN I0.3= M0.5Network 19 / 超时报警停机LD T39A M0.3= M1.0= Q1.2= Q1.3Network 20 / 电动阀复位0.5LDN M0.0A I1.4A I0.2AN M0.2AN I0.5= M0.7Network 21 / 计数显示，注：已将5位显示简化为2位显示/ 开机清零LD SM0.1MOVW 0, VW0Network 22 LD Q0.0EUINCW VW0Network 23 / 将VW0转换为BCD码存放于VW10（VB11）中，取VB11低4位送QB2显示，VB11高4位送QB3显示LD SM0.0MOVW VW0, VW10IBCD VW10SEG VB11, QB2MOVB VB11, VB21AENOSRB VB21, 4AENOSEG VB21, QB3附录2旋转式滤水器控制系统元器件目录表旋转式滤水器控制系统元器件目录表序号文字符号名称数量规格型号备注1M1、M2滤水器，油泵电动机2Y系列三相门交流异步电动机2M3电动阀电动机1LQA20-1 AC380V/60W自带电动阀3FR1FR3热继电器3JR16B-20/3参照电动机整定电流4FU1FU3熔断器12RL1-15熔体210A5QF断路器1C45AD脱扣电流 10A6TC1隔离变压器1BK-100变比1：1,AC220V7TC2电压转换变压器1变比20：1,AC220V8TC3电压转换变压器1变比8：1,AC2209SA1转换开关1手动/自动转换10SB1开电动阀按扭1LAY37绿色11SB2关电动阀按扭1LAY37红色12SB3滤水器电动机起动按扭1LAY37绿色13SB4滤水器电动机停止按扭1LAY37红色14KM1KM3交流接触器3DJX9线圈电压：AC220V15KA1、KA2中间继电器2HH52P线圈电压：AC220V16HL1HL8信号指示灯8AD16-22状态显示：DC24V17HL电源指示灯1电源指示：AC220V18HA报警电铃1故障报警：AC220V19YA1差压变送器1反馈压差信号：AC220V1A0.30.8Mpa20PLC可编程控制器1S7-200继电器输出旋转式滤水器控制系统元器件目录表序号文字符号名称数量规格型号备注21C1、C6电容22陶瓷电容1040.1uF 50V22C2C5电容44铝电解电容1000uF 50V23C7、C8电容22陶瓷电容30pF 25V24C9电容11电解电容10uF 25V25DB1、DB2整流桥22KBL410AC220V26R1R5电阻555.1K1/8W27R6-R13限流电阻884701/8W28R14放电电阻112001/8W29R15、R16限流电阻2210K1/8W30Y1晶体振荡器1112MHz单片机晶振31SW单片机复位按钮1132VT1-VT5NPN三极管55PE805033SEG5位8段数码管11报警次数显示34U18位单片机11AT89S51计数、显示35U2红外发射接收对管11PT334光电耦合结 论通过本次设计，基本达到了设计要求,各处电器、电路有熔断器和热继电器保护，不易发生烧熔故障；定时功能还只能通过PLC定义，如需外界定义