基于LOGO在循环水泵控制中的应用设计毕业论文设计.docx

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基于LOGO在循环水泵控制中的应用设计毕业论文设计

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基于LOGO!

在循环水泵控制中的应用设计

摘要

随着现代工业的快速发展，循环水泵系统的应用也越来越广泛，完善循环水泵控制系统，使其适应现代工业生产的需求已经成为目前急需解决的重要问题。

采用LOGO!

作为控制核心的循环水泵控制系统能很好的解决现有很多循环水泵控制系统故障率高、可靠性差、成本高、维修量大的缺陷。

本文在分析循环水泵控制系统的结构和工作基本过程的基础上，介绍了基于LOGO!

的循环水泵控制系统的设计过程，详细阐述了系统的硬件和软件设计。

给出了控制系统主电路接线图、LOGO!

硬件接线图、程序流程图、LOGO!

功能块图等。

利用LOGO!

的仿真软件对所设计程序进行了仿真验证，结果表明，所设计的循环水泵控制系统基本达到了设计要求。

最后对循环水泵控制系统进行了模拟实验研究，实验结果证明了设计的可行性。

关键词：

控制系统、LOGO!

、循环水泵

ABSTRACT

watercirculatingpumpsystemareincreasinglybeingusedwiththerapiddevelopmentofmodernindustry,Improvingthewatercirculatingpumpcontrolsystemtoadapttothedemandofmodernindustrialproductionimportantissuewhichneededtoresolveurgently.UsingLOGO!

asthecontrolcoreofthissystemcansolvethe’sprocess,LOGO!

.Showingtheprogrammingflowchart,themaincircuitconnection,LOGO!

blockdiagramofthecontrolsystem.TheprogramisvalidatedbytheLOGO!

simulationsoftwarewhichshowsthewatercirculatingpumpcontrolsystembasicallymeetthedesignrequirements.Finally,theexperimentalresultsofthesystem’ssimulationdemonstratethefeasibilityofthedesign.

Keywords:

ControlSystem,LOGO!

WaterCirculatingPump

目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论5

1.1循环水泵系统的研究背景及意义5

1.2循环水泵系统的发展5

1.3本文的主要工作6

1.4本章小结7

第2章循环水泵控制系统方案研究8

2.1循环水泵系统简介8

2.2循环水泵系统设计要求及研究思路9

2.3控制方式的选择9

2.4本章小结10

第3章循环水泵系统硬件部分设计11

3.1主电路的设计11

3.2控制电路的设计12

3.2.1LOGO!

的具体IO分配12

3.2.2控制电路接线13

3.3控制面板与控制箱设计13

3.3.1控制面板设计13

3.3.2控制箱设计14

3.4设备选型15

3.4.1电动机选型15

3.4.2LOGO!

选型15

3.4.3热继电器选型15

3.4.4交流接触器选型16

3.4.5低压断路器选型16

3.4.6低压熔断器选型16

3.4.7液位控制器选型16

3.5本章小结17

第4章循环水泵系统软件设计18

4.1程序流程图18

4.2循环水泵控制系统程序设计19

4.2.1自动控制程序19

4.2.2手动控制程序20

4.2.3急停程序20

4.2.4主程序21

4.3本章小结21

第5章循环水泵控制系统仿真结果与分析22

5.1自动控制功能仿真23

5.2手动控制功能仿真23

5.3急停功能仿真24

5.4优先级仿真24

5.5本章小结25

第6章循环水泵系统的的实验研究26

6.1循环水泵实验系统的组成26

6.2循环水泵系统的实验内容与结果26

6.3本章小结28

结论29

参考文献30

致谢31

第1章绪论

随着我国现代工业的快速发展，循环水泵系统在工业中的应用也越来越广泛，并且与此同时对循环水泵系统也有了更高的要求。

目前许多正在使用的循环水泵系统已经不能满足生产的需求，随着现代工业对生产效率和经济效益要求的提升，对其改造和升级势在必行。

1.1循环水泵系统的研究背景及意义

循环水泵是输送流体或使其增压的机械，其作用是将水循环起来利用。

在稳定工作条件下，循环水泵的流量变化比较小、扬程较低[1]。

随着现代工业的发展，循环水泵在机械、水利、冶金、农业等各方面的作用越来越显著，广泛应用于各种需要循环提供冷却介质的场合，典型的比如汽轮机用循环水泵、汽车用循环水泵、大型空调机组等等。

在循环水泵应用的越来越广泛的同时，随着现代工业对生产效率和经济效益要求的提升，对循环水泵系统的要求也越来越高，然而目前许多的循环水泵系统已经不能满足现代工业这种越来越高的要求，严重影响了生产的正常进行[2]。

现阶段我国的循环水泵控制系统总体上还是滞后于现代工业的发展。

目前许多循环水泵系统有着严重的不足。

具有控制功能简单，不能满足控制要求，系统故障率高，维修困难，水泵使用率低，容易生锈，建立系统所需资金较高等缺点。

甚至很多的循环水泵控制还是最原始的用继电器和接触器构建的，不仅维护困难，甚至还需要随时有人在旁边来人工启停水泵。

如何完善控制系统，降低循环水泵系统的故障率，提高水泵使用率已经成了完善循环水泵系统需要考虑的问题。

循环水泵系统作为许多现代工业生产的重要部分，它的落后将直接影响到工业生产。

改进、完善循环水泵系统是十分必要的。

为满足现代工业的生产需要，改变传统循环水泵固有的缺点，利用现代科技发展的最新成果，结合生产实际，设计一款编程简单、灵活、维护维修方便、可靠性高的循环水泵控制系统具有十分重要的现实意义与实用价值。

1.2循环水泵系统的发展

由于循环水泵系统在现代工业的许多方面都有重要的作用，所以对于如何改进、完善循环水泵系统，人们投入了大量的资金和精力去发展和研究[3]。

并且经过多年的研究，循环水泵系统在自动化和经济等多个方面都取得了很好的成效。

最初的循环水泵系统是以继电器和接触器为主来设计整个循环水泵的控制系统，并且整个系统只有一个水泵，这种循环水泵控制系统有很多的弊端。

首先用继电器和接触器来构建循环水泵的控制系统所需要的继电器和接触器的数量非常多，接线复杂，因而故障率也高,维修工作量大，并且购买大量继电器和接触器所需的资金也比较多[4]。

特别是常规继电器体积较大，还需要一定的安装空间,因而其电气控制箱的体积也较大，这样就会占据太多的工业用地。

另外，整个系统只有一个水泵，在这个水泵产生故障时，整个系统都会受到影响而完全不能工作，使生产效益降低[5]。

由于最初的循环水泵系统存在上述缺点，这种循环水泵系统逐渐被淘汰，随后人们设计了以单片机为控制核心的的循环水泵系统，并且配备了主备两台水泵。

这种循环水泵系统能实现完整的控制功能，且体积小，成本相对较低。

并且由于此种循环水泵系统具有一个备用的循环水泵，解决了上述的因为水泵突然故障而导致整个系统不能运行的问题。

但是这种系统也有明显的缺点，用单片机控制循环水泵受主板设计工艺、布局结构、所采用元器质量等因素影响导致抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强，开发周期长[6]。

而且在主水泵无故障的时候，备用水泵无法得到使用，长期以往备用水泵就会生锈，从而影响系统的稳定性。

随着PLC即可编辑程序控制器的出现和发展，人们又对循环水泵系统进行了进一步的完善，设计了以PLC为控制核心，配置主备两台水泵的循环水泵控制系统，且当工程量大一个水泵不能满足工业需求时主、备泵能同时运行。

这种以PLC为控制核心的循环水泵系统抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短，并且备用水泵的使用率也得到了提高[7]。

然而此种循环水泵系统费较高，对循环水泵控制系统这种要求不是很高的控制系统来说，性价比不是很高。

1996年西门子公司推出了通用逻辑模块控制器，即LOGO!

，针对控制系统不是很复杂的场合，LOGO!

控制器具有编程方便，简单易学，性价比高的特点[8]。

采用其设计的循环水泵系统能实现水位检测、水泵的自动控制和手动控制、主备水泵按星期日的不同切换等功能，这种循环水泵系统大大减少了建设的成本，并且很大程度上提高了备用水泵的使用率，在大多数的中小型场合中能得到良好的应用。

1.3本文的主要工作

本设计的主要工作是采用通用逻辑控制模块设计一个能普遍适用大多数中小型应用场合的循环水泵系统，主要功能包括两个方面：

一是能够根据星期日的不同改变两台水泵的主备次序；二是能够根据液位控制器的信号判断是否需要抽水，自动控制两台水泵的启停，从而实现循环水泵的自动控制功能。

因此，为实现上述目标，本文的主要工作包括以下几个方面：

●选取合适的硬件元件，设计合理的硬件电路。

●分析设计控制要求和成本选择合适可行的控制方式，并且设计合理的控制程序。

●对设计的控制程序进行仿真，完成整个程序的调试与改进，使设计达到要求。

●进行循环水泵系统实物模拟实验，验证系统设计是否具有可行性。

1.4本章小结

本章主要介绍了循环水泵系统的研究背景及意义，阐述了循环水泵技术的发展历程，在此基础上，介绍了基于LOGO！

的循环水泵系统的应用前景，最后概况了论文工作的主要安排。

第2章循环水泵控制系统方案研究

循环水泵控制系统方案的研究主要是在了解循环水泵系统的结构与工作过程的基础上，根据系统具体的控制要求，确定系统的控制方式，从而设计合理的控制系统。

使循环水泵系统达到控制功能完善、维护方便、价格便宜的目的。

2.1循环水泵系统简介

循环水泵系统能够使水资源得到循环利用，主要用来供排水和提供冷却介质。

本次设计的循环水泵控制系统的基本结构如图2.1所示。

图2.1循环水泵系统基本结构图

循环水泵系统主要包括液位控制器和两台水泵。

通过水泵工作来调节蓄水池水位的高低，采用液位传感器检测蓄水池液位信号，并将其信号送到主控制器，由控制器控制水泵的启停来调节水位的高低，具体的基本工作过程如图2.2所示。

图2.2循环水泵系统基本工作过程图

循环水泵控制系统的基本工作过程是：

先是液位控制器检测水位状况，并且转换为数字信号输入系统的控制器内，按照可编程逻辑控制器内编写好的程序输出信号，控制系统中两台水泵的启停，从而调节蓄水池的水位，调整循环系统的供水量。

2.2循环水泵系统设计要求及研究思路

根据设计任务，本设计采用两台水泵控制蓄水池水位的高低，一主一备，其具体的控制要求如下：

在自动控制方式下，两台水泵主与备每天切换控制，星期一、星期三、星期五、星期日水泵M1作为主泵，水泵M2作备用水泵。

星期二、星期四、星期六水泵M2作为主水泵，M1号水泵作备用水泵。

当蓄水池水位在高水位时，两台水泵同时开启。

当蓄水池水位在中水位时，当日主水泵开启。

当蓄水池水位在低水位时，两台水泵都停机。

处于手动控制方式时，可以手动选择水泵M1或水泵M2的开启，一旦进入手动控制状态，两台水泵都自动脱离自动开启和自动停机状态。

另外系统具有急停，不论两台水泵哪台处于工作状态，一旦急停按钮动作，要求所有水泵立即停机。

根据上述的控制要求及循环水泵系统的结构和工作过程分析，研究思路如下：

由于本设计的循环水泵系统主要针对的是较小型的应用场合，所以采用两台功率较小的水泵用来抽水，从而控制蓄水池的水位、调整系统的供水量。

采用液位控制器作为水位状况信号采集工具，输入到LOGO!

控制器，从而控制两台水泵的启停。

分析控制要求，循环水泵系统要有手动控制方式和自动控制方式，在手动控制方式下时，能够紧急的应对突发状况，提高系统的灵活性，当液位控制器出现故障时，能够通过手动控制水泵启停保障系统继续运行。

在处于自动控制方式下时，一是利用LOGO!

中的周定时器模块，编程设定主备水泵。

二是通过液位控制器检测水位信息，然后输入到核心控制器，决定是启动两台水泵还是当日主水泵，又或是停止水泵的运行。

2.3控制方式的选择

目前，在循环水泵控制系统的应用上，主要有4种控制方式能够符合循环水泵系统的控制要求，分别为继电接触器控制方式、单片机控制器控制方式、可编程逻辑控制器控制方式、可编程逻辑块控制器控制方式。

继电接触器控制系统这种控制方式有着很大的缺点，它不仅耗能高，系统接线复杂，在控制过程中，其中任何一个继电器或接触器损坏，都会影响整个系统的正常工作与运行，故障率高，并且在查找和排除系统故障时比较困难，控制柜的安装接线工作量大，控制系统灵活性也较差[9]。

单片机控制器控制方式成本相对较低，但是由于制版工艺、布局结构、器件的质量等因素的影响使得抗干扰能力差，故障率高，不易扩展，对环境依赖性强[10]。

而且开发周期长，从设计到使用要求设计人员有较高的专业知识与单片机开发经验。

可编程逻辑控制器即基于PLC的控制器方式。

PLC可编程控制器是发展比较早的工业控制器，能够简单的编程实现控制要求，灵活性高，它应用于工业生产线、流水线、大型自动化设备方面，但由于价格方面的因素，在小型控制方式不能体现其优越性，缺乏市场竞争力。

可编程逻辑块控制器也就是基于LOGO!

控制器方面的自动控制。

它是由PLC发展而来，面向的是较小型的自动化控制。

采用这种控制方式来控制循环水泵系统具有很大的优势。

首先，LOGO!

控制器产品集编程功能、显示功能、控制为一体，我们可以随时对循环水泵控制系统进行编程或者修改，极其方便[11]。

其次，LOGO!

编程语言简单易学，操作简单，可以很轻松的对循环水泵控制系统进行编程，不像PLC的梯形图编程较为复杂。

再次，LOGO!

较PLC价格便宜，在中小型的自动控制方面市场竞争力更强。

经过比较，由于LOGO!

控制系统有着独特的显示功能，编程方便，编程语言简单易懂，性价比较高，且本身偏向于中、小型自动化应用等优点[12]。

所以，本设计选择以LOGO!

逻辑控制模块作为控制核心来设计循环水泵控制系统。

2.4本章小结

本章主要简单分析了循环水泵系统的基本结构与工作过程，随后分析了循环水泵系统的具体控制要求，通过对其原理和要求的分析制定合理的研究思路。

最后对于系统控制方式的选择做了详细的分析与说明。

第3章循环水泵系统硬件部分设计

在了解了循环水泵控制系统设计要求的基础上，经过对比分析，选择了控制系统方案后，主要是对循环水泵控制系统硬件电路部分进行设计。

循环水泵系统硬件电路设计主要包括主电路部分的设计、控制电路部分的设计、控制面板的设计、控制箱的设计以及对系统主要元器件的选型等方面。

3.1主电路的设计

根据设计要求，主电路采用两台电机，电源采用三相四线制，线电压为380V，相电压为220V，频率为50HZ的交流电压，电路具有过电流和过电压保护功能。

主电路图如3.1所示。

图3.1主电路图

图中M1和M2为三相异步电动机，采用三相电源进行供电，FR1和FR2为热继电器触头，为电动机提供过电流保护。

FU1和FU2为低压熔断器，为系统提供过电压保护。

KM1为交流接触器常开触头，通过触头控制水泵的运行与停止。

QS为低压断路器，可断开主电路电源，同时控制控制电路电源。

控制电路部分电源由零线N和火线L3提供。

3.2控制电路的设计

控制电路核心部分为LOGO!

控制器，再加上热继电器，接触器，断路器，按钮开关，组成了系统控制部分。

控制部分主要元器件集中于控制箱与控制面板上。

控制面板有按钮开关与断路器，为用户直接操作部分，控制箱内各个元器件集中安装。

一般我们可以将控制箱与控制面板组合在一起，控制箱为暗装，控制面板可明装。

这样既便于操作，又便于维修。

3.2.1LOGO!

的具体IO分配

根据设计要求，分析可知输入信号有3个液位传感器，两个手动启动按钮，一个自动控制开启按钮，一个急停按钮，输出有两台水泵启动线圈，所以总共需要用到7个输入和两个输出。

本设计的循环水泵系统具体的输入信号为：

自动控制方式按钮SB1，手动启动水泵M1按钮SB2，手动启动水泵M2按钮SB3，紧急停止按钮SB4，KPL为蓄水池低水位信号，KPM为蓄水池中水位信号，KPH为蓄水池高水位信号；输出信号为：

Q1输出接KM1线圈，控制水泵M1的启停，Q2输出接KM2线圈，控制水泵的启停。

其具体IO地址分配如表3.1所示。

表3.1LOGO!

IO地址分配表

序号

数字量输入地址

设备

定义

1

I1

按钮SB1

自动控制方式

2

I2

按钮SB2

手动启动水泵1

3

I3

按钮SB3

手动启动水泵2

4

I4

按钮SB4

急停

5

I5

KPL

水箱低水位

6

I6

KPM

水箱中水位

7

I7

KPH

水箱高水位

8

数字量输出

设备

定义

9

Q1

KM1线圈

控制水泵1

10

Q2

KM2线圈

控制水泵2

3.2.2控制电路接线

LOGO!

基本模块有8个数字量输入和4个数字量输出，本设计只需用到7个数字量输入，两个数字量输出，所以只用一个LOGO!

基本模块即可[13]。

根据系统控制要求及IO分配表，控制电路的接线如图3.2所示。

图3.2控制电路接线图

3.3控制面板与控制箱设计

根据硬件电路与控制接线以及安装设计的需要，本设计采用控制面板与控制箱分开的方式进行设计，为了安全，安装环境应该为干燥通风处，控制箱外部宜采用绝缘箱体，箱体外部金属部分应接地。

控制箱进线电源为220V单相，并且能够独立切断控制箱电源。

液位传感器与水泵安装在控制箱外部，通过接线端子棑与之联系。

三相断路器安装于控制箱外围。

3.3.1控制面板设计

控制面板布置图如图3.3所示，图中有4个按钮开关，一个低压断路器。

图3.3控制面板布置图

面板各按钮功能如下：

QS2：

单相断路器，可通断控制箱电源，具有保护作用。

SB1：

自动控制方式按钮，开启水泵自动方式状态。

SB2：

手动启动水泵M1按钮，进行手动控制水泵M1工作。

SB3：

手动启动水泵M2按钮，进行手动控制水泵M2工作。

SB4：

急停按钮，系统发生故障时，紧急停止。

3.3.2控制箱设计

控制箱主要是根据元器件的多少，结合安装空间的大小，按照功能分区的原则进行设计，由于本次设计主要是控制系统功能的实现，故对控制箱的结构与控制箱接线图没有进行详细的设计，仅给出了控制箱布局图，如图3.4所示。

图3.4控制箱布局图

由图中可知，控制箱里面元器件主要包括FU1，FU2主电路低压熔断器，FU3控制电路低压熔断器，QS2单向断路器，LOGO!

一台，交流接触器两个，两个热继电器以及接线端子排。

液位控制器应安装于控制箱外围。

设备安装线路需要通过端子排进行连接。

3.4设备选型

根据系统控制要求，首先对电动机与LOGO!

进行选型，然后依据水泵电动机的额定电压、电流等参数对其它系统设备进行选型。

包括低压断路器，低压熔断器，热继电器，交流接触器以及液位控制器等。

3.4.1电动机选型

电动机选型主要是根据循环水泵所需功率的大小进行选择，本次设计主要是实现循环水泵控制系统的相关功能，采用一般的水泵即可，根据调研与查阅相关资料，我们将循环水泵的功率选择在7.5KW，由于采用三相四线制供电，电机的额定电压选用380V，经过分析论证，选用电机型号为Y-132S2-2三相电机异步电动机，参数为额定电压380V，功率为7.5KW，额定电流为15A[14]。

3.4.2LOGO!

选型

系统三相四线制电源可提供220V交流电源，为减少设备费用，提高系统可靠性，选择LOGO!

额定电压为220V交流。

根据控制要求，本系统需要7个数字量输入与2个数字量输出，而LOGO!

230RC型号拥有8个数字输入信号，4个数字输出信号、供给电压为115-240VACDC，其输出承载电流高达10A，满足设计要求，所以在本设计中选择LOGO!

控制器型号为LOGO!

230RC[15]。

3.4.3热继电器选型

热继电器的额定电流按电动机的额定电流选择，并留有上下调节的余地。

热继电器的整定电流可为电动机的额定电流的1.0～1.05倍[9]。

由于电机经常需要启停，取最大值1.05倍，因此，选热继电器的额定电流为：

IFR1=1.05×IN1=1.05×15A=15.75A（3.1）

因此，电动机的热继电器选择JR20-16系列，它的额定电压时380V，整定电流范围为14-18A。

3.4.4交流接触器选型

选择交流接触器时主要考虑主触头的额定电压大于或等于电动机额定电压，其主触头的额定电流应等于或大于电机的额定电流[16]。

即

（3.2）

（3.3）

、

分别为接触器主触头的额定电压与额定电流。

考虑到式3.3、式3.4中的额定电压、额定电流及电器寿命、性价比等因素，再考虑到接触器的电流小于16A，并且线圈是接220V电压，交流接触器型号可以选CJ20J-16A。

3.4.5低压断路器选型

低压断路器又称自动空气开关或自动开关，低压断路器既有手动开关作用，又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的开关电器[9]。

系统中电路正常工作电压为380V、电机额定电流为15A，所以选用DZ47-63系列高分断小型断路器，该型号断路器适用于电动机的控制系统[16]。

主要用于交流50Hz60Hz，三、四极400V线路的过载、短路保护，因此，选用DZ47-633P16A三极该型号断路器作为主电路断路器。

该型号断路器壳架等级额定电流为63A，级数为3，额定电流值为16A，符合控制要求。

3.4.6低压熔断器选型

主电路低压熔断器的选型由电动机额定电流决定。

由于水泵需要频繁启动，因此FU1低压熔断器取熔体额定电流为2倍电机额定电流[9]，计算的水泵电机额定电流大小为15A，所以熔断器熔体电流为30A。

在熔断器的规格选择中，熔断器的额定电压必须大于电路工作电压，额定电流必须等于或大于所装熔体的额定电流，由以上要求选择RC1A-60型号熔断器。

RC1A-60型熔断器适用于额定电压为交流380V。

因此，可以选择电流级别为40A的RC1A-6040型号低压熔断器。

3.4.7液位控制器选型

液位控制器由控制盒和电子式水位开关搭配而成，最大的优点是:

安全耐用、稳定可靠、耐污耐水垢能力强、接线简单、安装非常方便，广泛应用于需要水位控制的场合。

本设计选用的水位控制器为宝智公司生产的三水位控制器，型号为BZ303。

它的工作电压是AC220，输出是开关量输出，可直接连接到LOGO!

。

3.5本章小结

本章主要对循环水泵系统硬件电路的各个部分进行了分别设计，其中包括主电路部分的设计、控制电路部分的设计、控制面板的设计。

完成了对系统主要元器件的选型以及控制箱的设计。

并对各个部分的设计和元器件选型进行了阐述和分析。

第4章循环水泵系统软件设计

根据循环水泵系统工作原理与控制要求，在第3章的基础上，对系统进行软件设计。

根据程序设计要求以及流程