基于PLC的高低位水箱自动控制系统.docx
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基于PLC的高低位水箱自动控制系统
课 程 设 计 任 务 书(A)
题目 高低位水箱供水系统电气控制系统的设计(F1)
学院(部)电控学院
专业电气工程及其自动化
班级32040901
学生姓名蒋秋华
学号3204090115
6月11日至6月17日共1周
指导教师(签字)
系 主 任(签字)
2012 年5月26日
1
摘要...............................................................3
第一章引言....................................................4
第二章案的论证及方案确定........................................5
第三章系统各部分的设计...........................................6
3.1 主电路的设计 ...................................................6
3.2 控制电路的设计 .................................................6
3.3 梯形图的设计与分析 .............................................7
3.3.1 手动、自动的工作方式选择..................................7
3.3.2 机组的启动条件及操作使用..................................7
3.3.3 备泵自投功能的实现........................................8
3.3.4 信号灯的指示..............................................8
3.3.5 指令语言程序..............................................9
第四章元器件的选择及依据......................................10
4.1 低压断路器的选择..............................................10
4.2PLC 的选择 ...................................................10
4.3 交流接触器的选择..............................................10
4.4 热继电器的选择................................................11
4.5 控制按钮和旋钮的选择..........................................11
4.6 指示灯的选择..................................................11
4.7 端子排的选择..................................................11
第五章控制柜的尺寸设计..........................................12
总结..............................................................12
参考文献..........................................................13
鸣谢..............................................................13
附录..............................................................13
2
摘要
水箱是自动供水系统中的重要部分,在我们的生活中扮演着非
常重要的角色。
本设计旨在于通过所学知识,设计一个简单的高低
位水箱供水系统,满足一些简单的基本功能。
为了满足该设计中提出的基本功能的要求,本次设计在主电路
上采用两台电动机,且为三角形接直接启动的接法,同时采用了两
个电源线圈对电机进行工作的控制,采用热继电器和低压断路器对
电机进行过载和短路保护。
控制电路上,为了简单灵活起见,采用
课堂中所学过的三菱 F1 系列的 PLC 进行控制。
再加入必需的一些
压力继电器、按钮、开关、指示灯等。
从而基本形成了一个简单的
高低位水箱供水系统。
本次设计旨在于学习和了解设计一个系统的流程和需要注意的
问题,故在本设计中,主要进行的工作是设计系统原理图,画出系
统的接线图和系统平面布置图,最后再进行控制柜大小的设计。
通
过这些琐碎的工作,从而了解和掌握相关的设计方法和知识。
关键词:
电动机PLC原理图接线图布置图
3
第一章引言
随着我国城市化的不断发展,楼宇给水成为了一个新兴的行业,而对于不
同的建筑,供水方式也各不相同,本设计主要针对低层建筑的供水设计,采用
的是高低位水箱供水。
系统的分为自动和手动两种方式。
设计内容及要求:
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,以及安装布置图、接线图和控制箱的设计,
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,采用三菱 F1PLC 为中心控制单元,设计出满足控
制要求的控制系统。
二、设计原始资料
1、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。
2、两台水泵分工作泵和备用泵,可以互换,只有一台水泵工作。
当工作泵
出现故障时,备用泵自投。
水泵功率 5.5KW。
3、具有手动、自动工作方式。
4、各种指示及报警。
4
三、设计完成后提交的文件和图表
1. 计算说明书部分
1)系统工作原理说明
2)操作使用说明。
2. 图纸部分:
1)电气原理图:
主电路、控制电路、梯形图、指令系统。
2)电气箱面板布置图,电气箱内部布置图。
3)接线图。
(相对编号法)
4)元件名细表。
5)控制箱尺寸。
第二章案的论证及方案确定
本系统采用三菱 F1 系列的 PLC 控制两台水泵电机的工作,具有手动、自
动工作方式,两台水泵分工作泵和备用泵,可以互换,只有一台水泵工作。
当
工作泵出现故障时,备用泵自投;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。
通过分析系统所需要的 I/O 口,可以选择
PLC,由于 F1 系列的 PLC 种类很多,并且 PLC 的点数越多,价格越贵,因此
应在程序上减少输入输出点数;为了减少点数,将手动的启停按钮用旋钮代替
这样就节约了两个输入点,最终系统的输入为 13 点,输出为 12 点;考虑到经
济和裕量的关系,我最终确定的是三菱 F1-30MR 的 PLC。
5
输入
输出
1#机组手动启动按钮 SB1
X400
1#电机工作线圈 KM1
Y430
2#机组手动启动按钮 SB1
X401
2#电机工作线圈 KM2
Y431
1#自投 2#备用开关 SA
X402
高位水箱下限 HL3
Y432
手动/自动选择开关 SA
X403
低位水箱上限 HL4
Y433
1#自投 2#备用开关 SA
X404
高位水箱上限 HL5
Y434
高位水箱下限接点 S1
X405
低位水箱下限 HL6
Y435
低位水箱上限接点 S2
X406
1#备用指示 HL7
Y436
第三章系统各部分的设计
3.1 主电路的设计
由于两台泵,一台工作,一台作为备用泵,所以需要两台电机分别对其进
行控制。
又由于功率都为 5.5kw,所以可确定两台水泵电机均可直接启动。
同
时,每个电机分别用 1 个接触器控制其电源,一个低压断路器进行该支路的短路
保护,1 个热继电器进行电机的过载保护 1 个压力继电器保证电机正常工作。
为了加强保护,在主干路上也设置了一个低压断路器。
即主电路的组成器件为:
3 个低压断路器,2 个接触器的主触头,2 个热继电器,2 个压力继电器,2 台
三相交流电机。
主电路与控制电路见附页。
3.2 控制电路的设计
在本设计中,控制电路是由 PLC 进行控制的。
在进行一次又一次的设计和
修改后,最后定下的电路有 13 个输入点,12 个输出点,故最终决定采用三菱
F1-30MR 的 PLC,该 PLC 有 16 个输入点,14 个输出点,完全能满足本次设计
的要求,并留有一定的余量。
该 PLC 的尺寸为:
275*90*90。
系统的 I/O 分配
表如下:
6
高位水箱上限接点 S3
X407
2#备用指示 HL8
Y437
低位水箱下限接点 S4
X410
1#故障指示 HL9
Y530
1#电机热保护触电 FR1
X411
2#故障指示 HL10
Y531
2#电机热保护触电 FR2
X412
手动状态指示 LH11
Y532
1#水泵压力继电器接点 SP1
X413
声音报警
Y533
2#水泵压力继电器接点 SP2
X500
3.3 梯形图的设计与分析
为了满足本次设计的基本要求和功能,梯形图设计如附录中原理图所示。
分析如下:
3.3.1 手动、自动的工作方式选择
将旋钮 SA 拨至 X403 输入点所对应的档位时,系统将进入手动工作状态。
此时,若旋转 SB1(SB2)至启动位置,则将启动 1
(2)号机组,若旋转
SB1(SB2)至停机位置,则将关闭 1
(2)号机组;当将旋钮 SA 拨至 X402 输
入点对应的档位时,则系统将进入自动工作状态,且 1 号机为自投,2 号机位
备用;当将旋钮 SA 拨至 X404 输入点对应的档位时,则系统将进入自动工作状
态,且 2 号机为自投,1 号机位备用;如果系统满足起泵条件,自投泵自投,
直到满足停机条件时停机,在运行过程中,如果自投泵出现故障,备用泵将自
动投入使用。
3.3.2 机组的启动条件及操作使用
在自动工况下,为了对高、低位水箱的高、低位进行检测,用了四个触点
进行检测。
将四个触点分别接至 PLC 的 X405,X406,X407,X410 四个输入端。
根据设计要求,当高位水箱达到高位或者低位水箱达到低位时,水泵不启动;
当高位水箱达到低位或者低位水箱达到高位时,应起泵。
在梯形图中,当 X406
或 X405 触点闭合时,则 M201 线圈得点,在使得 M202(M203)线圈得电,
7
最终使 Y430(Y431)线圈的复位端接通,则系统将会启动;当 X407 或 X410
触点闭合时,将是线圈 M201 失电断开,则使得 M202(M203)线圈失电,使
得 Y430(Y431)线圈失电,电机停止。
通过 Y436 和 Y437 线圈触头之间的互
锁,使系统任一时刻,只能工作在气泵或不起泵状态,保证了系统的稳定性。
在手动情况下电机的启停不在受液位高低的控制,直接通过人为的操作来
实现电机的启动和停止:
旋转 SB1(SB2)至启动位置,则将启动 1
(2)号机
组,若旋转 SB1(SB2)至停机位置,则将关闭 1
(2)号机组。
3.3.3 备泵自投功能的实现
设计任务中要求当工作泵出现故障时,应实现备泵自投的功能。
因此,在
设计中,电机的启动方式除了自动和手动的启动方式外,应再加一种作为备泵
自投的启动方式,即在在自动工作模式下确认工作泵出现故障时,在系统仍满
足起泵的条件下,应在感应工作泵的故障线圈一旦得电,则备泵应立即启动。
因此将 1 号机组的故障线圈的常开触点 Y530 并在 1 号机组自动控制停止线圈
M202 的回路和 2 号机组启动线圈 M203 的回路上,这样当 1 号机故障时 M202
线圈失电 1 号机停止,同时 M203 得电启动 2 号机;同样,将 2 好机组的故障
线圈的常开触点 Y531 并在并在 2 号机组自动控制停止线圈 M203 的回路和 1
号机组启动线圈 M202 的回路上,这样当 2 号机故障时 M203 线圈失电 2 号机
停止,同时 M202 得电启动 1 号机,从而实现了备泵自投的功能。
3.3.4 信号灯的指示
在本次设计中,共使用了 11 个指示灯。
分别为 1、2 号电机的工作指示灯
HL1,HL2,高位水箱下限指示灯 HL3,低位水箱上限指示灯 HL4,,高位水箱
上限指示灯 HL5,低位水箱下限指示灯 HL6,1 号机作为备用的指示灯
LH7;2 号机作为备用的指示灯 HL8;1 号机故障指示灯 HL9,2 号机故障指示
灯 HL10;手动工况指示灯 HL11;单电机启动 30 秒后,压力检测起作用,如
果压力没达到设定值,则认为是故障状态,此时发出故障提示,如果是在自动
模式下还要是使备用泵自投。
8
指令
数据
指令
数据
指令
数据
LD
X402
R
M202
LD
Y430
OR
Y437
LD
M202
OUT
T450
ANI
Y530
OUT
Y430
K
30
OUT
Y437
LD
X403
LD
Y431
LD
X404
AND
X401
OUT
T451
OR
Y436
LD
Y436
K
30
ANI
Y531
OR
Y531
LD
T450
OUT
Y436
AND
M201
AND
X413
LD
X405
ANI
X403
OR
X411
OR
X406
ORB
OR
Y530
S
M201
S
M203
OUT
Y530
LD
X407
LD
X403
LD
T451
OR
X410
ANI
X401
AND
X500
R
M201
LDI
X403
OR
X412
LD
X403
ANI
M201
OR
Y531
AND
X400
OR
Y531
OUT
Y531
LD
Y437
ORB
LD
X403
OR
Y531
R
M203
OUT
Y532
AND
M201
LD
M203
LD
Y432
ANI
X403
OUT
Y431
OR
Y433
ORB
LD
X405
OR
Y434
S
M202
OUT
Y432
OR
Y435
3.3.5 指令语言程序
梯形图中对应的指令语言程序如下:
9
LD
X403
LD
X406
OR
Y530
ANI
X400
OUT
Y433
OR
Y531
LDI
X403
LD
X407
OUT
Y533
ANI
N201
OUT
Y437
END
OR
Y530
LD
X410
ORB
OUT
Y435
第四章元器件的选择及依据
4.1 低压断路器的选择
根据动力供电支线用断路器的动作电流整定原则,现采用非选择型二段式
(过载延时及短路瞬动保护)保护,各参数计算如下:
⑴ 断路器额定电压 UN=380V。
⑵ 过载保护:
Idz1=KkIN,取 Kk=1.1,则 Idz1=10 A。
⑶短路瞬动保护:
Idz2=(10~12)IN,则支路上短路瞬动电流至少为
100A,按 110A。
综合以上各个条件,支路上选 DZX7-2520 型低压断路器,其电流整定范围
为 10~16A,极限短路分断能力为 6KA,这里将电流整定为 10A,短路脱扣电流
整定为 110A,尺寸为 46*83.5*98(单位都为 mm,下同)。
干路上支路上选
DZX7-2520 型低压断路器,由于任何时候都只可能最多有一台电机工作,考虑
到控制电路的电流,将电流整定为 15A, 短路电流整定为 200A。
4.2PLC 的选择
由于系统要求使用三菱 F1 系列的 PLC。
有 I/O 分配表可知输入点为 13 点,
输出带了为 12 点,故选用三菱 F1-30MR 型的 PLC,其输入继电器为 X400~X413
和 X500~X503 共 16 点,输出继电器为 Y430~Y437 和 Y530~Y535 共 14 点,其尺
寸为:
275*90*90。
10
4.3 交流接触器的选择
单个电机回路中的电流估算如下:
IN=PN/(1.732×UN×COS∝)=5500/(380×1.732×0.9)≈9.3A.所以根据
IN=10A 选交流接触器 CJX4-12d,额定工作电流为12A。
尺寸为45*45*80。
4.4 热继电器的选择
因为系统中电机为 5.5KW,电源线电压为 380V,所以电机正常工作时应
为三角形接法。
选带有断相保护的热继电器:
LR1-D12316 ,电流调整范围为:
10~13A,这里将其值整定为 10A 。
尺寸为 45*62*93。
4.5 转换开关和旋钮的选择
根据系统原理图及系统电压可选择:
转换开关用 HZZ5-D0213 型 工作电压
为交流 380V 及一下;直流 220V 及以下。
尺寸为:
48*48*61.5,直径为 29mm,
安装孔为 16mm.旋钮用 LA18-22X2,直径为 48mm.长度为 80mm。
4.6 指示灯的选择
在控制电路上,为了接线简单起见,给指示灯供电为220V。
故选择指示
灯类型为:
XDY1-B/61 颜色:
红色 额定电压为220V,XDY1-B/62 颜色:
绿色
额定电压为220V.尺寸为:
直径29mm,安装时,安装孔径为22.3mm,两灯水平之
间距离不小于30mm,垂直之间距离不小于40mm。
其中水位指示灯和故障指示灯为红色的,共六个,选择的型号为 XDY1-
B/61;水泵运行状态指示灯,手动指示灯,备用泵指示灯为绿色,共五个,选
择的型号为 XDY1-B/62。
另外水位和故障的线圈输出还要为蜂鸣器供点,起提示报警作用。
4.7 端子排的选择
11
在本设计中,一共用了16个端子进行导线的引入和引出,故选用端子排
的型号为:
TZ1-20总共有20个端子,每个端子的尺寸为:
10*40*51,在本设计
中用了其中的16个,余下的4个作为预留端子。
第五章控制柜的尺寸设计
根据以上关于本系统所选择的各元器件的实际安装尺寸,同时考虑各元
件之间的间隔,最终将电气控制箱的尺寸定为400×640×180mm 具体的元器件
尺寸分布参见系统平面布置图中的尺寸标注。
另外为了便于检修控制柜内的元
件都采用卡轨式安装,柜内设有布线槽,考虑到导线的根数不是很多,线槽的
宽度设为15mm。
系统平面布置图和接线图见附页。
总结
对《建筑电气控制技术》这门课程的学习,使我掌握了很多关于建筑电气
方面的知识,在这次的课程设计当中更是学到了许多的专业知识。
在这一周的
设计当中,通过查阅相关书籍,和相关产品手册,经过不断的努力和改进终于
完成了设计要求。
本设计的主要优点是各个过程都有明显的指示和提示,能使
用户再在使用时清楚明了地知道系统正在干什么,或者现在该怎么操作,并且
为系统设计了两种保护:
过载保护和水泵压力不住保护,当然还有每个电路必
有的短路保护。
另外本系统还将水位报警和故障报警合并使用同一个蜂鸣器,
这样就节省了成本,并且是电路更加简洁。
当然本系统也存在一定的不足之处,有待改进,比如:
四个水位的指示可
以改为两个,即:
高水位水箱下限指示和低水位水箱上限指示合并为水泵启动
信号,将低水位上下指示和高水位上限指示合并为水泵停机信号,这样就可以
12
名称
型号
数量
尺寸
PLC
F1-30MR
1
275*90*90
交流接触器
CJX4-12d
2
45*45*80
低压断路器
DZX7-2520
3
46*83.5*98
热继电器
LR1-D12316
2
45*62*93
转换开关
HZZ5-D0213
1
48*48*61.5
节约两个输出点和两个各指示灯。
但是从总来说本系统设计得还是比较成功的,
如果还有其他不足之处欢迎指正。
参考文献
1.建筑电气控制技术马小军机械工业出版社
2.建筑电气控制技术王俭建筑工业出版社
3.建筑电气控制技术胡晓元建筑工业出版社
4.PLC 控制程序精编 108王阿根电子工业出版社
5.各种电器产品样本
鸣谢
感谢刘老师这学期为我们教授建筑电气控制技术这门课程,并在课程设计
中为我解答的各种问题,并无私地提供了各种电器产品的手册。
同时感谢各位
同学的帮助。
附录
一. 元件明细表
13
旋钮开关
LA18-22X2
2
直径为 48mm.长
度为 80mm
指示灯(红色)
XDY1-B/61
6
指示灯(绿色)
XDY1-B/62
5
端子排
TZ1-20
1
每个端子
10*40*51
二,主电路与控制电路见附页
三,平面布置图见附页
四,接线图见附页
14
- 配套讲稿:
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