【S水电站低压气机泵组电气控制系统设计9400字（论文）】

S水电站低压气机泵组电气控制系统设计摘要： 3关键词： 30前言 51绪言 61.1原始资料 61.2控制要求 61.3本系统气流路线图 62电机的启动 72.1电机的起动方式和各方式的特点 72.2电机的启动方式选择 82.3软启动器选型 92.4SSD1—68—E外接应用接线 103电机的保护 123.1过载保护 123.2欠压保护 123.3短路保护 124短路计算 134.1短路计算目的 134.2基本假设 134.3计算过程 135主回路设备选型 175.1选型的基本要求 175.2断路器的选型 175.3熔断器的选型 185.4交流接触器选型 185.5热继电器选型 185.6电缆选型 196控制回路原件选型 196.1开关电源 196.2转换开关 206.3按钮开关 206.4中间继电器 216.5压力变送器 216.6信号灯 216.7电源监视继电器 217PLC选型 227.1PLC选型比较 227.2PLC控制气机逻辑图 227.3输入输出端口分配 237.4HMI选型 248PLC程序设计 248.1控制程序逻辑图 248.2气压信息处理 258.3设备故障处理逻辑 268.4低压气机控制逻辑 278.5其他状态信息 27参考文献 28摘要：在电站中低压气机组为一个主要的辅助系统，对整个电站的正常运行有着重要的作用。在本次电站低压气机电气设计中，使用PLC控制技术完成系统设计及测试。选用性能较高的FX2N-64MR控制器作为主控制单元，配置触摸屏作为上位机监控，实现集中监控。对低压气机电气系统的设计要求进行了详细的分析，并在此基础上了对整个设计方案进行了规划及设计。系统方案确定后，完成系统的选型、图纸设计及程序编写等。使用PLC作为系统的控制核心，可方便收集各类传感器数据，进行逻辑运行及上位监控画面的显示输出，使系统运行更加稳定，操作更加便捷。关键词：低压气机软启动PLC控制前言低压气机凤凰水电站是利用水能转换为机械能再转换为电能的电站，水电站内装配的37KW低压气机共有两台，两台气压机型号完全相同，其中一台为日常使用主机，另外一台作为故障时备用气机。低压空气压缩机是作为凤凰电站的重要组成部分，无论是用于单元制动，吹扫和维护，还是用于主轴密封，都需要空气。同时，为使凤凰水电站内实现高度自动化，本设计采用PLC编程控制实现对空压机的自动控制。同时考虑到故障问题，另设手动控制，以保证系统可靠性。1绪言原始资料凤凰水电站一共有两台低压空压气机，其中一台为主机，另外一台为备用机，其数据如下：表1空压机参数型号额定功率转速冷却方式排气压力数量M37PEN37KW1480r/min风冷0.75MPa2控制要求凤凰水电厂有两个低压气机。两个气机的型号参数相同。万一发生故障，应将其中一台气机用作主机，将另一台气机用作备气机。当储气罐中的气压降至0.5MPa以下时，主气发动机启动，并向储气罐中重新填充气体。当油箱中的气压达到0.7MPa时，主机将停止运转。如果储罐中的气压低于0.4MPa并且备用燃气发动机没有发生故障，备用气发动机将开始运行并补充储罐中的气体，以使储罐中的气压力保持在0.5MPa以上。当储罐中的气压超过0.7MPa时，系统会立即发出警报，而当储罐中的气压降至0.4MPa以下时，系统会立即发出警报。此外，为确保可靠性，电厂人员还可以手动控制软起动器。本系统气流路线图凤凰水电站内低压气机有两台电机，两个4立方米的储气罐，共同进行制动，吹扫检修用气工作。水电站内低压气流主要的路线如下图：图1气流流程图2电机的启动2.1电机的起动方式和各方式的特点全压（直接）启动全电压启动也称为直接启动，是最常用的电动机启动方法。它将电动机的定子绕组直接连接到电源，并以额定电压启动。它具有启动时间短，启动转矩大的特点，也是最可靠，最可靠的。最经济，最简单的启动方式。全压起动时起动转矩不大，而电流大。启动迅速，操作方便，但是大功率电机产生的启动电流很大，引起电压波动大，对电机所在的电网电压造成冲击并且可能导致电气故障。降压（减压）启动为减少电机对电网电压造成的冲击影响，就可以采用降低电压启动的方式：星三角启动：启动电流将减小为三角形接法启动电流的1/3，启动转矩也只需要原先启动转矩的1/3。这是一种能削弱，但并不能消除危害的启动方式。自耦变压器启动：这种方式类似于通过变压器将启动电压降低，通过不同的变比抽头的选择，从而达到将降低启动电压的目的。同样，由于自耦合降压变压器的变压器特性，一次电流小于直接流经定子绕组的二次电流，因此也可以减小影响。但是，自耦变压器对水力发电站的成本很高，并且具有普遍的削弱作用，性价比不高，所以本设计不使用此启动方式；变频器启动：变频器启动方法相对新颖，并且当降低启动电压时可以降低启动电流。这种启动方式通常用于需要反复调速，结构复杂，投资大的场合。因此，此启动方法未在本设计中使用。软启动器：软起动器是一种电动机控制设备，集软启动，软停止，轻载节能和多功能保护于一体。在整个启动过程中实现电动机的平稳启动而不会受到影响，并且可以根据电动机负载的特性在启动过程中调整各种参数，如限流值、启动时间等，其经济可靠性都比较完好。2.2电机的启动方式选择结合实际情况和经济性考虑，上述启动方式中软启动器是十分适合凤凰水电站的启动方式。其中比较图如下：图2启动方式比较图斜坡升压软启动：优点是启动方法最简单。它只能通过调节晶闸管的导通角来启动。缺点是，由于电流不受限制，因此在电动机启动过程中有时会产生较大的浪涌电流，从而损坏晶闸管，这会对电网产生更大的影响。斜坡恒流软启动：这种启动方法是在电动机启动的初始阶段逐渐增加启动电流，当电流达到预设值时，它将保持恒定，直到启动完成。在启动过程中，可以根据电动机负载调整和设置电流的上升和变化率。如果电流上升率大，则启动转矩大，启动时间短。脉冲冲击启动：晶闸管快速以大电流导通一段时间，随后进行回降，再然后进行线性升高，此启动方式适用于重载的场合。综上所述，软启动和其他启动方式相比，经济性相对性价比较高，同时也减少了电机启动时所产生的损耗。而且软启动器具有软停止这一功能，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击，避免高程供水系统的水锤效应，减少设备损坏。2.3软启动器选型软启动器因其较好的启动性能以及较高的性价比，在各个行业中广泛使用。软启动器具有斜坡横流启动、斜坡升压启动、阶跃启动等几种功能。软启动技术与传统的启动技术相比，有以下几个主要特点：一般软启动器都会内置几种不同的起动方式，设计人员在进行设计及调试时，可根据电机特性及使用需要进行选择，从而使设计人员有了更多的选择。而且软启动器调试使用时，一般都可以对其启动时间、启动电流等进行设置，从而对电机及电机拖动设备进行保护。软启动技术有更全的保护功能，当电机因为上述故障原因停机时，在软启动器系统内的故障记录内都能查询到相应的停机故障记录，方便工作人员进行问题查找。软启动技术有更好的平稳性。软启动技术相较于以前的直接启动方式或者星三角启动方式来说，具有更高的平稳性，不会对电网造成冲击。而且由于其启动的平稳性，对电机及电机拖动设备也会有更小的伤害。市场上软启动器种类繁多，正泰、西门子、雷诺尔、施耐德等都是一些相对知名且产品质量较高的软启动器制造厂商，一般软启动器都会内置几种不同的起动方式，设计人员在进行设计及调试时，可根据电机特性及使用需要进行选择，从而使设计人员有了更多的选择。而且软启动器调试使用时，一般都可以对其启动时间、启动电流等进行设置，从而对电机及电机拖动设备进行保护。在平常使用中，较为普遍的启动方式有限流启动、脉冲启动及软启动等几种方式。而且具有完整的电机保护机制。其短时间内的允许启停次数也非常符合本次设计空压机的实际控制需求。其特有的限流启动，可以减少电机发热，大大地延长了电机工作寿命。通过空压机额定功率最终确定软启动器型号为SSD1—68—E。表1软启动器数据型号额定电流适用电机功率显示数量SSD1—68—E68A37KWLED22.4SSD1—68—E外接应用接线根据控制要求，本设计需要实现自动和手动控制方式，因此有必要使用PLC来实现自动控制的目的。SSD—68—E这类软启动器外部应用程序的接线如下图所示图3外应用接线图端子说明：:端子R-S-T为动力端子，应接三相的交流电;U-V-W为连接电机的端子。控制回路所需的供电电源接在控电源端子D1、D2.接地:接在电源端子D3。K1为运行输出,K2为故障输出,K3控制旁路接触器，均为无源触点。软启动和软停止在P1、P2、P3端子。P4为可编程输入端子。A5和A6为4-20mA模拟信号输出。A1.A2、A3、A4为软启动器的RS485通讯端子。3电机的保护水电站在生产过程中，辅助设备的电机生产负荷相比之下比较繁重的，，当电机出现故障或者损坏的情况下，可能影响到水电站的日常电能生产。为了避免这类故障的发生，保证电站的可靠性，为电机设计保护系统就显得尤为重要，常发的故障就有短路、过载、缺相、过流。3.1过载保护在电机运行过程之中，若突然出现电机过载，相应电动机的速度将被拉低，甚至被堵转，将增加电路中的电流，超过电动机的额定电流。如果这种情况继续发生，将导致电动机的绝缘老化，绝缘材料变脆，并且电动机将缩短使用寿命，如解决不当，可能会损坏电机当过载电流增加时，电流的热效应将产生热量，从而弯曲热继电器的双金属片。超过设定值后，触点断开，电路断开。3.2欠压保护电机在欠压状态下运行，可能会导致电动机速度下降或失速。当电力系统中存在欠压时，需要对设备进行保护。欠压保护设备动作使设备短路跳闸或停止工作。电压过低也会触发电力系统继电保护动作。切断电源后，线路可能会停止工作。3.3短路保护当电动机本身或电路中发生短路故障时，故障电流非常大。如果没有及时发现并及时切断电路，很可能会烧毁电动机并引起事故。因此，短路保护在这里尤为重要。常用的保护装置是熔断器。发生短路时，电流会激增，温度会升高，熔丝（片）会立即爆炸，切断电源，从而保护了电动机。对于容量较大的电动机，通常使用断路器进行保护。4短路计算4.1短路计算目的短路的结果将降低系统的电压，并大大增加短路回路中的电流，这可能会严重损坏电气设备。因此，有必要选择和设计一套的保护设备和保护方案，以确保在发生短路时可以安全地隔离故障线，从而保护设备的安全。短路计算用于验证所选的保护设备是否可以承担保护功能。4.2基本假设1、正常运行时系统三相对称。2、系统各元器件和设备的磁路不饱和。3、输电线路电容忽略。4、变压器励磁电流忽略。5、短路类型为金属性短路。4.3计算过程1、计算公式电缆线路电抗：（3—1）——等值阻抗——电缆单位阻抗阻抗（取1.6/kM）——基准容量——长度——额定电压双绕组变压器电抗： （3—2）——短路电压百分比——额定容量发电机电抗：（3—3）——次暂态电抗星——三角变化公式：（3—4）2、计算步骤（最大运行方式）经过对电厂的主回路分析，绘制出了部分电厂阻抗图。注：设： 图4阻抗图阻抗图说明：1为电站架空母线阻抗。2、3凤凰水电站升压变压器的阻抗。4、5、6、7均为电缆阻抗。8、9为发电机阻抗。10、11为厂用电架空母线阻抗。12和13是母线到变压器之间电缆阻抗。14、15为厂用变压器阻抗。16、17为空压机和变压器之间的电缆阻抗。图5最大运行方式进行星三角变换：图SEQ图表\*ARABIC6星三角变换计算电抗：查询运算曲线可知：周期分量的有效值：冲击分量：最大有效值：5主回路设备选型5.1选型的基本要求为确保主要设备的安全和正常运行，必须根据以下条件进行选择和验证：选择设备时，应选择设备可以正常工作，平稳运行并满足发电需求的电压和电流频率。根据短路条件进行验证，并根据最极端的条件验证设备的可靠性。这是为了使电气设备能够在短时间内承受故障的影响，增大系统的抗干扰能力，因此有必要在极端条件下验证其性能，这包括设备的部分热稳定性校验和动态稳定性校验。5.2断路器的选型空气断路器也成空气开关。通常，这种开关具有以下跳闸方法。为了进行热脱扣，在空气开关内安装了一个热敏元件。当电路过流时，热敏元件会发热，使金属板弯曲，与锁分离并切断电路。其次是电磁脱口，并且吸力升高，在磁力的作用下，杠杆被电枢击中，搭扣和锁扣分开并断开电路。另外一种是失压脱扣，主要用于保护系统中电动机的电压损失。最后是电子脱口。电子跳闸是一种更先进的技术手段。它的优点是它结合了各种类型的跳闸装置的特性并具有优越的性能。本电站内两台低压空压机型号为M37PEN，功率均为37KW。根据公式，可以计算出这种类型的电动机在工作中的额定电流： （3—5）——额定功率——额定电压——功率因数在本次设计中选择施耐德品牌的空气断路器，然后将脱扣方式选择为电子脱扣。通过参考Schneider手册，您可以在选择空气断路器时了解一些当前设置。脱扣器额定电流：取1.3，故，因为电路中有大功率电动机，所以选择D型断路器。D型断路器更适合于具有较大启动电流的冲击负载。它的瞬时脱扣电流为，大概约为1384.5A。脱扣器过载长延时脱扣的电流为，约为65A。由此可以确定最终型号确定为NSX160NMIC5.2E80。脱口电流80A，开断电流是50KA。表3断路器参数型号开断电流脱扣电流NSX160NMIC5.2E8050KA80A5.3熔断器的选型熔断器是整个电源电路的另一层保护，必须与要保护的电路串联。当电路过载，短路或过流时，保险丝会自行熔断，切断电路并隔离故障。选型时可依据公式。所以。本设计选择正泰熔断器，型号为HDLRT0—100/80，底座额定电流为100A，断体的额定电流为80A。表4熔断器参数型号底座额定电流熔断体额定电流HDLRT0—100/80100A80A5.4交流接触器选型两个低压空气压缩机由两组软起动器控制以启动和停止，但是在空气压缩机进入稳定运行状态后，让软起动器承担运行任务是不合适的。如果软起动器长时间放置，则运行状态也会缩短软起动器的使用寿命。可以在软起动器旁边设计一个旁路来代替软起动器，并且可以使用接触器来设置旁路。在电动机平稳运行之后，可以使用接触器的自锁功能使接触器接管空气压缩机。交流接触器的选择应基于电路的电压水平和运行期间空气压缩机的额定电流。输入电压为380V，空气压缩机的额定电流为71A。正泰的NC2-115型接触器刚好符合要求。380V下额定工作电流115A。可以控制电机最大功率55KW。表5接触器参数型号额定工作电流最大功率NC2-115115A55KW5.5热继电器选型热继电器实现对电机的过载保护，选型原则如下：（1）通常情况选择两相结构的热继电器，但是当出现平衡性差，工作情况复杂或无人监控的电动机，都应该首先选择使用三相结构的热继电器。（2）热继电器的额定电流要保证大于电机额定电流。当电动机负载过大、短时间无法启动或不允许制动时，整定电流应该调整到电动机额定电流的一到两倍。按照选择原则，故。本设计采用正泰NR2-93型热继电器。额定电流63~80A版。表6热继电器参数型号电流等级辅助触点NR2-9393A1开1闭5.6电缆选型电缆的选择必须考虑现场的实际条件，例如温度和湿度，这会或多或少地影响电缆的使用，并且可能是长期的时间积累。电缆老化比较严重。因此，有必要在现场考虑电缆的实际运行状况。选择电缆时，电缆可以承受的最大电压必须高于环路中可能出现的最大电压。对于横截面积，可以参考正常运行期间空气压缩机的额定电流。根据手册中的选择规则，电缆截面积的选择公式为：根据前面的内容，我们可以知道空压机在运行过程中的额定电流I=71A。所以截面积选择应该在范围内。选择YJV—3*16的电缆。最大安全载流量为80A。6控制回路原件选型6.1开关电源控制回路的直接控制对象是主回路中的软启动器和空气压缩机。如果想低压空气压缩机满足设计要求并可以正常运行，则需要确保控制回路正常工作，但要保证控制回路的运行电源。正常工作的最基本条件。同时，为了确保可靠性，应配置两组开关电源，以便有一个电源可以在另一个电源出现故障并卸下后再提供电源。设备处于控制回路中。根据设计要求，可提供具有220VAC输入和24VDC输出的开关电源。经过对比挑选，本次设计采用明纬S系列S—800—24。表7开关电源参数型号输入输出电压输出电流输出功率数量S—800—24AC220VDC24V33A800W26.2转换开关在控制要求中，提到低压空气压缩机需要实现三种控制模式：自动，断开和手动。为了满足此控制要求，需要一个转换开关。转换开关可以保证两个或多个电源或负载转换，并且由更多触点组合而成。通过转换开关可以实现手动和自动控制模式之间的灵活切换。为了让电气设备之间更好的融合，本次设计采用正泰NXZ—250。参数如下表：表8转换开关参数型号壳架电流额定电流额定工作电压极数NXZ—250250A200A400/415V3P/4P6.3按钮开关手动控制回路时，需要一个按钮开关。按钮开关具有简单易懂的结构，可以通过按下触点和静态触点来接通或断开电路。此次设计采用正泰LAY3—11ZS自锁型开关。表9按钮开关参数型号额度工作电压额定工作电流常开对数常闭对数LAY3—11ZS380/2202.5/4.5226.4中间继电器中间继电器是自动化控制系统中广泛使用的一种电气元件，在电路中起着功率放大的作用。继电器的使用是如此广泛，以至于有许多制造商。通用继电器制造商，例如西门子和正泰。此设计选择了SchneiderRXM系列继电器。该系列继电器易于安装，运行稳定，故障率低。选定型号为RXM4AB2BD+RXZE2M114M（继电器头+继电器底座）。6.5压力变送器为了实现对控制回路的自动控制，需要依靠PLC的高度自动化的特性。PLC做出决定的基础是程序和模数转换模块收集的数据信号。气压变送器可以安装在凤凰水力发电厂的两个4立方米的储气罐中。实时压力信息被收集并发送回模数模块。本次设计选用米科的MIK—P3000高精度单晶硅压力变送器。该变送器还可以实时显示储罐中的气压，测量范围为0-40MPa。6.6信号灯若想了解整个系统中的低压空气压缩机是否正常工作，软起动器是否正常工作，并且仅通过信号灯的显示就可以更直接地了解储罐中的气压。因此，需要信号灯来反映回路的状态。红色信号灯指示故障状态，绿色信号指示正常操作。可以选择正泰的ND16系列信号灯，其工作电压为24V，可以使用蜂鸣器选择红色的信号灯，以便及时将故障状态通知工作人员。6.7电源监视继电器本次设计需要监视1＃和2＃开关电源是否处于正常状态工作，因此需要电源监视继电器。两组开关电源是分开监视的，因此需要两个电源监视继电器。选择欧姆龙的G2RL-2，其线圈电压为DC24V，并且可以通过8A的额定电流。7PLC选型7.1PLC选型比较通过对控制要求的解析，PLC主要以两个储气罐中的压力数据为基础，来确定和确定当时正在充气的储气罐。如果气压太高，将立即发出警报，如果气压太低，则空气发动机将启动。同时，有必要确定燃气发动机，软起动器或开关电源是否出现故障。如果发生故障，应立即报告警报。控制逻辑并不复杂，但是输入点太少，因此应该考虑将来的电厂增强功能。因此，在这里只能选择三菱的FX2N-64MR来满足多个I/O端口的需求。其余的输入和输出端口保留供以后扩展。两个气罐中的气压是需要接收的模拟量，因此需要一个附加的PLC模拟量模块。该控制系统需要接收两个模拟量：1＃气罐中的气压和2＃气罐中的气压。还有另外两个模拟端口，因为以后的增强也需要考虑这些端口，选择了FX2N-4D可以满足的要求。表10参数对比型号输入点数输出点数耗电量FX2N-64MRFX2N-48MR32点24点32点24点60VA50VA7.2PLC控制气机逻辑图PLC控制主回路并接收反馈信息的流程逻辑如下：图7控制系统逻辑图7.3输入输出端口分配要连接到输入端口的状态信息包括两个电源状态，电源的状态由电源监视器监视。两组软起动器的状态为故障或运行状态。此外，由于必须考虑对空气发动机的手动控制，因此还必须考虑软起动器的手动状态。对于输入储气罐，由于现场有两个储气罐，因此通过压力板选择工作储气罐，PLC也需要接收此信息。储气罐中的气压信息，由于气压值不同，空气机的启动方式也不同，因此气压信息非常重要。可以实时监视两个燃气发动机的工作状态，以查看燃气发动机的工作状态是否有任何异常和故障。PLC各输入信号的地址分配表如下表：表格6输入信号地址表输入信号代码地址1#控制电源故障状态1ZLJX02#控制电源故障状态2ZLJX11#低压气机故障状态3ZLJX22#低压气机故障状态4ZLJX31#软启动器故障状态9ZJX42#软启动器故障状态10ZJX51#软启动器运行状态11ZJX62#软启动器运行状态12ZJX71#软启动器手/自动状态1ZKX10、X112#软启动器手/自动状态2ZKX12、X131#气罐投入1XBX142#气罐投入2XBX151#气罐气体压力高于0.7MPa13ZJX161#气罐气体压力低于0.5MPa14ZJX171#气罐气体压力低于0.4MPa15ZJX202#气罐气体压力高于0.7MPa16ZJX212#气罐气体压力低于0.5MPa17ZJX222#气罐气体压力低于0.4MPa18ZJX23当储气罐内压力高于0.7MPa时，立即发出警报。当储气罐内的气压低于0.5MPa时，应发出主机操作的指令。当储气罐中的气压低于0.4MPa时，还需要立即发出警报信号并命令备用燃气发动机启动。当每个设备发生故障时，也需要发出警报。分配如下表：表格7输出信号地址表输出信号代码地址1#号气罐的气体压力过高1ZJY02#号气罐的气体压力过高2ZJY11#号气罐的气体压力过低3ZJY22#号气罐的气体压力过低4ZJY31#气机启动/停止5ZJY42#气机启动/停止6ZJY51#系统故障7ZJY62#系统故障8ZJY77.4HMI选型人机界面（HMI）也称为人机界面，人机界面通常是指用户可见的部分。用户通过人机交互界面与系统通信并执行操作。由于PLC是由三菱制造的，因此为了更好的系统兼容性和更容易的设备调试，人机界面仍然选择三菱。具体型号为GT1030-HBD-C，显示屏为10.4英寸，CPU为64位，并包括USB接口。8PLC程序设计8.1控制程序逻辑图通过分析水力发电厂中低压气机的自动化运行要求，可以了解到，PLC接收到的状态信息可以大致分为两种类型。一个是来自储气罐中气压的状态信息，另一个是来自系统中各设备的状态信息。在全面分析并确定了这套信息之后，PLC发出指令以完成设计过程中所需的操作。图8控制程序流程图8.2气压信息处理PLC接收到有关储气罐内压力的信息，并通过程序输出相应的信号，以实现控制效果。由于凤凰水电站的低压气机系统具有两个储气罐，因此PLC必须先接收储气罐信息，然后才能接收储气罐气压信息。也就是说，需要确定要使用的储气罐。接下来，确定气压信息。如果气