《S水电站低压气机泵组电气控制系统设计》6800字（论文）

S水电站低压气机泵组电气控制系统设计目录摘要： 3关键词： 3Abstract: 4Keywords: 40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 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S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。同时，为使S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S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S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S水电站内的低压气机一共有两台，其具体气流路线如下图：图1气流模型图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，就可以考虑使用降压启动：星三角启动：适用于空载或轻载启动场合，与其他减压起动方式相比，它具有最简单的结构和最便宜的价格自耦变压器启动：此方式通过变压器的抽头的改变，从而达到将降低启动电压的目的。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；软启动器：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图2电压电流对比图斜坡升压软启动：其优点是结构简单，仅通过晶闸管导通角的调节即可改变电压。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。脉冲冲击启动：在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。通过上图比较，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。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。最终确定软启动器型号为SSD1—68—E。表1软启动器数据2.4SSD1—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外部接线图3电机的保护在水电站的日常生产中，电机由于其高负荷高频率启动的工作性质，容易发生故障。为了避免这类故障的发生，保证电站的可靠性，给电机采用一定措施的保护极为重要。3.1过载保护过载可以指电气设备负载过大，也可以指物体承受的作用力过大，对这些超出“负荷”的行为做出的保护，统称过载保护。在通信电源系统中，因负载过大而导致电源设备自动断开供电的功能叫做过载保护，主要应用于工程技术领域。3.2欠压保护当线路电压降低到临界电压时，保护电器的动作，称为欠电压保护，其任务主要是防止设备因过载而烧毁,由于短路故障等原因，线路电压会在短时间内出现大幅度降低甚至消失的现象。它会给线路和电器设备带来损伤。3.3短路保护短路保护是指在电气线路发生短路故障后能保证迅速、可靠地将电源切断，以避免电气设备受到短路电流的冲击而造成损坏的保护。4短路计算4.1短路计算目的短路计算的目的是确定主接线形式，选择断路器规格和校验导体截面的动热稳定特性。4.2计算过程电缆线路电抗：（3—1）——计算阻抗——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Y-△变换：（3—4）通过对整个电厂的电路分析绘制出此阻抗图：设： 图4阻抗图X1—母线阻抗，X2、X3—主变压器阻抗，X4、X5、X6、X7、X12、X13、X16、X17—电缆阻抗，X8、X9—发电机阻抗，X10、X11厂用电母线阻抗，X14、X15厂用变压器阻抗Y-△变换：图5Y-△变换变换计算电抗：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设备选型原则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，在选择用电器时，还应在考虑电气设备工作环境，温度，风速，温度，停滞坡度，海拔高度，地震烈度铁和冰厚度等环境因素的影响下进行工作要采取规范措施。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。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，算得额定电流： （3—5）经过从经济性操作性各方面的综合考虑，本次设计采用施耐德的空气断路器。脱扣器额定电流：得1.3，所以，其瞬时脱扣电流为≈1384.5A。延时脱扣电流为≈65A。经过上述数据综合考虑，最终选型为NSX160NMIC5.2E80。其具体参数如下表表3断路器参数型号开断电流脱扣电流NSX160NMIC5.2E8050KA80A5.3熔断器的选型主要是起到保护电路安全运行的作用。熔断器是指，当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，得以断开电路的一种电器。根据公式。本设计选择正泰熔断器，型号为HDLRT0—100/80其具体参数如下：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交流接触器选型本次设计中的两台空压机的工作频率较高，作为执行原件用于接通、分断线路，因此需要用到接触器实现对两台电机的高频控制。交流接触器的选择应在85%-110%额定电压下工作，经市面上的考察，本设计最终使用正泰NC2-115接触器，参数如下。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。经手册和市面调查，故。本设计采用正泰NR2-93型热继电器。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电缆选型电缆类型多样，应该按照实际情况选择合适类型，除此之外，电缆选择有几个选择条件:额定电压、额定电流截面积和环境因素。由额定电流71A得，截面积选择应在范围内。选择FS-YJV--16电缆。热稳定校验转化为满足的最小截面校验：S电压降校验：∆U%=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。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，本次设计采用施耐德ABL1REM24062。表7开关电源参数型号输入输出输出功率个数ABL1REM24062AC220VDC24V150W/240W26.2转换开关为满足给定的控制要求，本次设计需要一个转换开关。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。本次设计采用表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按钮开关为实现人工操作，须通过按钮开关直接控制气机，本次设计采用IP6522MM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IP65—22MM380/2203.5/6.5446.4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PLC得到反馈信息是通过压力变送器从气罐内的压力探测得到的，压力变送器主要作用是吧压力信号传送到PCL，再通过PLC内的程序控制从而实现自动控制。本次设计中在对气压进行测量时，采用GPD8煤层瓦斯压力变送器，其货号为HK18002，该变送器具体参数如下表：表10压力变送器参数型号量程输出信号额定电压额定电流GDP80—10MPa4—20mA24DC20mA6.6信号灯通过信号灯的反馈从而得知系统运行情况是工程中最常用的信息反馈方式。因此本设计中的信号灯的采用也是非常有必要的。并且还需要颜色不同的信号灯来反馈系统中不同的运行情况。并且可以采用蜂鸣器来提示工作人员，从而及时得到信息并进行必要的操作。本次设计采用AD16-22SM声光一体信号灯，共有红绿两种颜色可供选择表11信号灯参数型号声音强度可选电压防护等级AD16-33SM85DB6V/12V/24VIP407PLC选型7.1PLC选型比较通过对控制要求的分析，本设计自动控制核心装置为PLC，通过气压变送器的数据，PLC对数据进行分析并作出相应的反馈。同时，有必要确定气机、软起动器或开关电源是否出现故障。因此应该考虑将来的电厂增强功能。因此，本次设计选择三菱的FX2N-64MR来满足多个I/O端口的需求。多余的接口以便日后厂内扩建使用。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。本控制系统还需1号气罐气压和2号气罐气压这两个模拟量，另加设了PLC模拟量模块，考虑到日后厂内扩建，端口留有多余，本次设计选择了FX2N-4D可以满足的要求。表12参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控制流程PLC控制主回路并接收反馈信息的流程如下：图6控制系统流程图7.3端口分配在端口分配时，需要根据控制回路尽可能的细化端口分配，由于本设计选用的PLC拥有相当充裕的端口。通过两台视屏检测器，可以实时监视两个燃气发动机的工作状态，以查看低压气机的工作状态是否有任何异常和故障。输入信号地址表如图：表格13输入信号地址表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，应该立即发出报警信号并将备用气机启动。同时当各设备发生故障时，蜂鸣器也应发出警报。分配如下表：表格14输出信号地址表7.4HMI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。本次设计PLC选型为三菱公司生产，考虑到系统的兼容性和性价比，本设计人机界面依然选择三菱公司。具体型号为GS2110-WTBD，画面尺寸为10×7，分辨率800×480。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，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7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S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。一旦气压超过正常范围内，就应立即警告并显示。