电控综合实验报告(水塔供水电气控制系统设计与调试)要点

1、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20113204012212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 -（三）选型 .- 8 -（四）控制电路 plc 梯形图及指令 .- 9 -

2、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进行联机调

3、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小区常

4、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：- 1 -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

5、储器， 用来在其内部存储执行逻辑运算、 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 1/10 1/100 ，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

6、功能、不同规模的系统。 其安装接线也很方便， 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- 2 -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

7、 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 10

8、0mm，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1/2 1/10 。它的重量小于 150g，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

9、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- 3 -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

10、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：- 4 -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。

11、- 5 -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- 6 -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：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。

12、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i00

13、m1 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

14、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- 7 -（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， 不需要很大的内存，故此程序中选取华光plc 的 sh 32ri。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=1.732uic

15、os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

16、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

17、灯（红绿）、旋钮、警铃、线槽、端子排等元器件的选择型号见附表。- 8 -（四）控制电路plc梯形图及指令详见附件图纸梯形图- 9 -图四：梯形图及指令- 10 -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

18、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 off，当 1 号泵为备用泵时

19、，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

20、障指示灯亮，定时器 t3 开始计时， 5 秒后， 1 号泵自投。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。- 11 -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

21、状态故障泵自投状态故障泵自投状态2#、 3#工作，2#3#急停，5s 后 1#自投3#不影响 2#泵工作， 5s1#备用后 1#自投1#、 3#工作，1#不影响 3#泵工作， 5s3#急停，5s后自投2#备用后 2#自投1#2#1#、 2#工作，1#自投2#不影响 1#泵工作， 5s备用2#急停，5s 后 3#后 3#自投3#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

22、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#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。- 12 -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

23、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。- 13 -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。手动工作方式状态下：按下sb4，水泵 1 启动。按下 sb5，水泵 1 停