基于PLC的气压给水系统的电气控制设计.docx
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1、目 录内容提要Summary1绪论11.1 气压给水系统的背景11.2 气压给水系统的工作原理21.3 本设计的工作22 PLC与变频器的应用42.1 PLC的产生与发展42.2 PLC的组成与工作原理52.3 变频调速技术的方式及原理93设计思想与方案论证133.1 设计方案143.2 论证分析154气压给水系统的电气设计164.1电气控制系统的基本要求174.2 电气原理图的设计214.3 电气元件的选型234.4 操作面板的布置设计355系统抗干扰设计365.1 变频器的谐波及抗干扰设计365.2 PLC的抗干扰设计385.3 PLC与变频器相连时的抗干扰设计405.4系统软件抗干扰设计
2、41结论42附录1电气原理图43附录2流程图46附录3循序功能图47附录4 操作面板48附录5元器件表图49参考文献50致谢52内容提要随着社会的发展,气压给水系统应用的越来越广泛,对气压给水系统的电气控制要求也越来越高,即对系统的控制器也提出了更高的要求。本文介绍的是基于PLC的气压给水系统的研究与设计。气压给水系统主要是由传感器、PLC、变频器、交流电动机组成。系统利用PLC把现场的检测信号、操作面板上的手动按钮信号经过收集、处理后,完成对变频器的频率控制,使液压泵工作在不同的状态。PLC选用的是三菱FX2N-32MR,变频器使用的是松下M1X154BSA。液位传感器和温度传感器分别为HM
3、-Eagle、PTK-5555-320型。在监控室设有一个操作面板,上面设有反映气压给水系统各种不同状态的指示灯、报警装置以及对PLC进行控制的启动与停止按钮。本文主要完成了气压给水系统的电气原理图设计、元件选型、PLC程序设计。另外,为了提高系统的稳定性和可靠性,本文还对变频器和PLC进行了抗干扰设计。关键词: PLC;变频器;传感器;气压给水SummaryContent feeds with the development of the society, the pressure of the water supply system is becoming more and more wi
4、dely applied, on air pressure water supply system of electrical control requirements are also higher and higher, that is, on the systems controller also high demands. This article is based on PLC pressure water sharing systems of research and design. Pressure water supply system mainly by the sensor
5、, PLC, inverter, AC motors. The system utilizes PLC to the scene of the heartbeat, operator panel manual button signal through the collection, processing, completed on the frequency of the inverter control, so that the pressure pump work in different States. PLC is the selection of the Mitsubishi FX
6、2N-48MR, inverter using Panasonic M1X154BSA. Level and sensors are HM-Eagle, PTK-5555-320-type. In the control room is equipped with an operator panel, has reflected pressure water supply system of different status LEDs, alarm and control of the PLC to start and stop buttons. This article mainly com
7、pleted the pressure water supply system of the electrical schematic design, component selection, PLC programming. In addition, in order to improve system stability and reliability, this article also on inverter and PLC-jamming design was conducted.Keywords: PLC; Inverter; Sensors;Pneumatic water sup
8、ply1绪论随着社会的发展,我国的给水技术也日益完善,气压给水技术是以气压给水设备为主体,用以满足生活、生产和消防用水压的一门技术。近几年来,我国气压给水设备发展迅速,供水设备的结构和性能日趋完善,有效缓解了我国城镇、乡村、工业企业、铁路等供水压力不足的问题。例如石长铁路沿线小站供水均采用气压给水方式,经实践验证,这种供水基本是安全可靠的1。根据气压给水技术原理,结合工程实践,分析了传统气压给水技术的优劣性,提出了采取变频式气压给水技术可克服传统气压给水技术缺点,达到节约能源的要求。随着气压给水系统的普及,对电机的控制系统的控制要求也就越来越高。因此,要求气压给水系统在控制上具有更高的自动化和
9、智能化。现在,可编程控制器可与变频器组成变频调速控制系统,提高控制交流电动机的自动化水平。可编程控制器是微机技术和继电器常规控制相结合的产物。它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电器控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来,是一种适用于工业环境的通用控制装置,在工业自动化控制中占有非常重要的地位。在工业控制系统中,可编程控制器执行顺序控制、定时、计数、逻辑判断、算术运算等功能。它解决了工业控制系统中大量开关量的控制问题,取代体积大、耗能多、故障率高的继电器控制系统,消除由于硬接线所造成的故障,提高控制系统的可靠性。1.1 气压给水系统的课题背景自从20世纪80年代以来,
10、变频调速技术在工业化国家已开始了规模化的应用。80年代末,我国的民用及工业建筑电气设计等领域也开始使用变频调速技术。现在,变频器已经广泛地应用于交流电动机的速度控制,其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。如今,PLC已成为工业自动化的三大支柱(PLC技术,机器人,计算机辅助设计与制造)之一,可编程序控制器同变频器一样,也是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代电气控制装置。利用可编程序控制器设计自动控制系统,结合变频器来实现气压马达调速,操作方便,控制性能高,使气压马达启停平稳。另外,在提高气压给水可用性的同时,还可以达到节能的效果,是一种很好的交流调速方式2。 随着控制理论、交
11、流调速理论和电子技术的发展,变频器技术也得到充分得重视和发展,交流电动机变频调速技术已日趋完善,变频调速技术用于交流异步电机调速,其性能胜过以往任何一种交流调速方式。与传统的调速技术如直流电动机调速相比,变频调速具有极大的优越性,整个调速系统体积小,重量轻、控制、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简便、通用性强,使传动论证系统具有很优良的性能。此外,由于异步电动机还具有对环境适应能力强,结构简单,维护方便等许多直流电动机所不具备的优点,因而成为交流电动机调速的最新潮流。再者,变频器的外部接口功能越来越丰富,可以很方便地作为自动控制系统中的一个部件使用,构成所需要的自动控制系统。而
12、且,以变频器为中心的变频调速装置驱动电动机去拖动风机、水泵、旋转电机等机械时,与常规的调速电机相比,节能效果十分可观。使用变频器构成自动控制系统时,它需要接收来自自控系统的频率指令信号和其他运行控制信号等,并给信号提供变频器运行状态的监测信号。在许多情况下,变频器需要和可编程控制器配合使用。利用可编程控制器的开关量输入输出模块控制变频器多功能输入端,以控制电机转速,实现有级调速。1.2 气压给水系统的工作原理 设计一个气压给水系统具体化技术指标如下:(1)系统的基本功能:水泵水位过低时,水泵运转;水泵水位过高时,水泵反转;无需供水时,停止;按启动按钮,电机运行;按停止按钮,电机停转;按反转按钮
13、水泵反转。(2)系统安全措施:气压超标或水位过高时,水泵和气压泵反转,并延时。检修正常后,自动恢复正常运行。能对气压给水各运行状态进行显示,出故障时,能进行声光报警。1.3 本设计的工作详细分析课题任务,熟悉可编程控制器和变频调速技术的原理,深入研究可编程控制器和变频器的实际应用,然后根据课题任务的要求设计出相应的控制系统,按照PLC控制系统设计原则与步骤,完成硬件设计和软件设计,并进行实验调试,最后对系统的抗干扰措施进行分析与设计。1.3.1 设计原则PLC控制系统是为工艺流程服务的,所以它首先要能很好地实现工艺提出的控制要求3。PLC控制系统应遵循以下原则:(1)根据工艺流程进行设计,力求
14、设计出来的控制系统能最大限度地满足控制要求。(2)在满足控制要求的前提下,尽量减少PLC系统硬件费用。(3)考虑到以后控制要求的变化,所以控制系统设计时应考虑PLC的可扩展性。(4)控制系统使用和维护方便、安全可靠。1.3.2 设计步骤PLC控制系统设计的一般步骤如图1.1所示,具体操作如下4。实际在本设计中采用了前面的八个步骤: (1)控制要求分析在设计PLC控制系统之前,必须对工艺过程进行细致的分析,详细了解控制对象和控制要求,这样才能真正明白自己所要完成的任务,并更好地完成任务,设计出令人满意的控制系统。(2)确定输入/输出设备 根据控制要求选择合适的输入设备(控制按钮、开关、传感器等)
15、和输出设备(接触器、继电器等)。并根据所选用的输入/输出设备的类型和数量,确定PLC的I/O点数。(3)选择合适的PLC 确定PLC的I/O点数后,就根据I/O点数,控制要求等来继续PLC的选择。包括机型、存储器容量、输入/输出模块、电源模块等。(4)I/O点数分配点数分配就是规定PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系,画出I/O接线原理图。(5)PLC程序设计本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。首先把工艺流程分为若干阶段,确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备,还有不同阶段之间的联系,然后画出程序流程图,最后再进行程序编制。(6) 模拟调试程序编好后,可以用按钮和开关模
16、拟数字量,电压源和电流源代替模拟量,进行模拟调试,使控制程序基本满足控制要求。(7)现场联机调试现场联机调试就是将PLC和现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实际问题,然后经过修正后使其满足控制要求。(8)整理技术文件这一步主要包括整理和设计有关的文档,包括设计说明书、电气原理图、程序清单和使用说明书等。图1.1 PLC控制系统设计步骤2 PLC与变频器的应用PLC与变频器是本项设计的重要部件,因此本文主要介绍PLC与变频调速技术的产生、原理及发展,并对变频器的结构及组成进行了阐述。 2.1 PLC的产生与发展在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照
17、逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的5。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称Programmable Controller(PC)。个人计算机发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC),现在,仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会(IEC)对PLC的定
18、义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30%至40%。在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通
19、用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。21世纪,PLC会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;
20、从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS(Distributed Control System)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。2.2 PLC的组成与工作原理2. 2.1 PLC的组成从结构上分,PLC分为整体式和模块式两种。整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体6。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源
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