河道拦水闸智能控制系统设计.doc

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 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 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 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 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 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 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 SMART 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 产品配置更加灵活 最大限度的控制成 本 4 5 3CPU 运行速度 配备西门子专用高速处理器芯片 基本指令执行时间可达 0 15 s 在同 级别小型 PLC 中遥遥领先 一颗强有力的 芯 能让您在应对繁琐的程序逻 辑 复杂的工艺要求时表现的从容不迫 4 5 4 固件升级以及程序更新 CPU 模块本体标配以太网接口 集成了强大的以太网通信功能 一根普通 的网线即可将程序下载到 PLC 中 方便快捷 省去了专用编程电缆 通过以太 网接口还可与其他 CPU 模块 触摸屏 计算机进行通讯 轻松组网 快速实现 设备调速 定位等功能 本机继承 Micro SD 卡插槽 使用市面上通用的 Micro SD 卡即可实现程序的更新和 PLC 固件升级 4 5 5 操作界面 传承了西门子编程软件强大功能的基础上 融入了更多的人性化设计 如 新颖的带状式菜单 全移动式界面窗口 方便的程序注释功能 强大的密码保 护等 在体验强大功能的同时 大幅提高开发效率 缩短产品上市时间 如图 1 9 西门子 S7 200 SMART 软件操作界面所示 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 15 图 1 9 西门子 S7 200 SMART 软件操作界面 4 64 6 闸门自动控制系统工作原理闸门自动控制系统工作原理 4 6 1 系统控制原理 PLC 自动控制原理图如图 1 5 所示 作为可编程控制器的 PLC 充当控制系 统的核心部件 它不仅要实时地采集闸门超声波液位传感器发出的开度变化信 号 闸门运行状态信号 外部输入控制信号 还要将所采集的这些信号经软件 处理后 分别转化为相应的闸门开度值和运行状态信号 以显示到工控机上 同 时 还适时地与工控机进行通讯 接收执行操作者发出的指令 经 PLC 软件综 合处理后 向闸门发出相应的控制指令 以达到控制闸门启闭机正常运行的目 的 4 6 2 控制原理分析 旋动闸门手 自动选择开关 系统由手动控制切换到自动控制状态 按下工 控机组态王软件的功能键发出控制信号 可编程控制器收到信号并执行相关程序 控 制与之相连接的中间继电器动作 来控制电动机的起 停及正 反转 从而控制 闸门的上升 下降和停止 例如按动工控机组态王软件上的 1 号闸门上升功能键 经可编程控制器的程 序处理后控制 1 号闸门上升输出触头 QF1 闭合 中间继电器 KA2 线圈通电 控制 电路 图 1 4 中的 KA2 常开触点闭合 接触器 KM1 通电自锁 KM1 主触点闭合 电动机 M1 正向转动 1 号闸门上升 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 16 同样地 按工控机组态王软件上的 1 号闸门下降功能键 1 号闸门下降输出 触头 QF2 闭合 继电器 KA3 线圈通电 KA3 常开触点闭合 KM1 线圈断电 自锁 回路打开 主触点打开 KM2 通电自锁 KM2 主触点闭合 电动机 M1 反向转动 1 号闸门下降 按动工控机组态王软件上的 1 号闸门停止功能键 1 号闸门下降输出触头 Q0 0 闭合 继电器 KA1 线圈通电 KA1 常闭触点断开 1 号闸门控制电路断电 KM1 或 KM2 主触点打开 电动机 M1 停转 1 号闸门停止 2 号和 3 号闸门的 控制原理与 1 号闸门的相同 4 6 3 闸门上 下限位保护 当 1 号闸门运行到最上方时 行程开关 SQ1 受压 SQ1 闭合 中间继电器 KA4 线圈通电 KA4 常闭触点断开 KM1 线圈失电 KM1 主触点断开 电动机 M1 停转 1 号闸门停止上升 当 1 号闸门运行到最下方时 SQ2 闭合 电动机 M1 停转 1 号 闸门停止下降 2 号和 3 号闸门的限位保护与 1 号闸门的相同 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 17 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 18 5 5 闸门自动闸门自动 PLC PLC 控制系统程序设计控制系统程序设计 5 15 1 软件系统设计软件系统设计 根据系统工作原理和控制要求 软件设计上采用模块化结构 将程序分解 为多个小任务 方便增加或删减程序模块 同时也便于使用后完善控制程序 整个程序包括主程序模块 控制模块 显示模块等 编程采用 STEP 7 MicroWIN SMART 中文版 软件下的梯形图 LAD 编辑器 梯形图是 PLC 编程的高级语言 容易编程和维护人员接受和掌握 LAD 图形指令 有三个基本形式 触点 线圈和指令盒 触点表示输入条件 例如开关 按钮控 制的输入映像寄存器状态和内部寄存器状态等 线圈表示输出结果 利用 PLC 输 出点可直接驱动继电器 接触器线圈等负载 指令盒代表较复杂功能的附加指 令 例如数学运算指令和数据处理指令等 5 25 2 I OI O 端口分配表端口分配表 表 2 1 I O 端口分配表 序号 符号功能描述 1I0 0 1 上限位 KA4 常开触头 2I0 1 1 下限位 KA5 常开触头 3I0 2 1 手 自动 SA1 常开触头 4I0 3 2 上限位 KA9 常开触头 5I0 4 2 下限位 KA10 常开触头 6I0 5 2 手 自动 SA2 常开触头 7I0 6 1 上升运行状态输入 KM1 常开触头 8I0 7 1 下降运行状态输入 KM2 常开触头 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 19 9 I1 0 2 上升运行状态输入 KM3 常开触头 10I1 1 2 下降运行状态输入 KM4 常开触头 11 Q0 0 1 停止输出控制 KA1 线圈 12Q0 1 1 上升输出控制 KA2 线圈 13Q0 2 1 下降输出控制 KA3 线圈 14Q0 3 2 停止输出控制 KA6 线圈 15Q0 4 2 上升输出控制 KA7 线圈 16Q0 5 2 下降输出控制 KA8 线圈 5 35 3 主程序模块主程序模块 对所使用的计数器 定时器 存储单元 数据寄存器进行初始化处理 一 些需要初始值的变量进行赋值 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 20 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 21 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 22 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 23 6 6 相关负载和容量的计算相关负载和容量的计算及及相关元件的选择相关元件的选择 6 16 1 电动机容量的计算电动机容量的计算 本设计选用 PA400 型单相电动机作为闸门的启闭设备 查表 2 2 得 PA400 型单相电动机的技术参数 表 2 2 PA400 型单相电动机技术参数 电动机额定工作电压 U UN N 220V 220V 电动机额定功率 PN 0 75KWPN 0 75KW 电动机额定效率 N 86 N 86 电动机额定功率因数 COS N 0 77COS N 0 77 电动机额定电流 3 5A3 5A 6 26 2 导线的选择导线的选择 按每平方毫米 2 到 5A 选择导线 电动机额定电流为 3 5A 共 15 台 分 3 组控制 主电路中主供电线选用 10 平方毫米 每组电动机分别选用 6 平方毫 米的供电导线 控制电路的导线统一选用 1 平方毫米的导线 6 36 3 其他元器件的选择其他元器件的选择 按照闸门控制系统设计基本要求以及 6 16 1 中电动机容量计算得到的电动机电压 和电流选择元器件 结果如表 2 3 元器件材料清单表所示 6 46 4 元器件清单表元器件清单表 表 2 3 元器件材料清单表 序号原件编号设备名称设备型号数量单位 1QF 总开关 NB1 63 C32A 3P3 个 2QF1 QF2 QF3 热磁继电器 DZ108 20 211 10A3 个 3SB1 SB3 SB4 常开按钮 带绿色灯 NP2 BW33413 套 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 24 4SB2 SB4 SB6 常开按钮 带红色灯 NP2 BW33413 套 5KM1 KM6 交流接触器 CJX2 12106 只 6F1 继电器 NB1 63H C10A 2P1 个 7HL1 电源指示灯 ND16 22DS 41 套 8KAQ KA7 小型继电器 JZX 22F 006 4Z7 套 9U1 超声波液位传感器 1 台 10U2 光纤交换机 1 台 11U3PLC288 1SR30 0AA01 台 12 PLC 模拟量模块 288 3AE04 0AA01 块 13 端子 6m 4 个 14 端子 2 5m 36 个 15SP 限位开关 1 个 16SB7 常开小按钮 1 个 17HL8 HL9 HL10 故障指示灯 ND16 22DS 43 套 18 报警器 DC24V1 个 19 马达保护断路器 DZ108 20 211 16A3 个 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 25 7 7 结论结论 通过这次河道拦水闸智能控制系统设计 使我对电气控制及 PLC 可编程原 理及应用等几门课程有了更为深入的理解 进一步掌握了电气控制应用技术 可编程控制器应用技术 本次设计让我认识到团队分工合作的重要性 要把一个 设计真正的完全的做好 有一定的困难 如果是靠一个人的力量的话 那需要很大 的工作量 所以组员们应做好分工 很好的合作起来 这次设计我担任了设计 助理 我较好地履行了自己的职责 也给我提供了一个提高自己各方面能力的 机会 从中学到了很多 通过本次毕业设计 既综合了机电设备专业所学过的多门学科知识 还让我见 识到了西门子 PLC S7 200 的实际应用 增强了我对电气化专业应用技术和领域 的了解 培养了自己分析问题 解决问题的能力 为毕业后从事电气化专业技术工 作打下了一个很好的基础 该控制系统的主要设计特点是集通讯 控制 数据采集 闸门开度显示 人机界面采用PLC 工控机和组态王软件的组合 对闸门启闭机这种控制比较 简单的设备 采用这种组合方案 不但功能上可完全满足设计要求 而且可降 低费用 简化系统设计 提高系统运行的可靠性 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 26 参考文献参考文献 1 孙平 可