河道拦水闸智能控制系统设计.docx

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河道拦水闸智能控制系统设计

广东环境保护工程职业学院

毕业设计（论文）

题目：

 河道拦水闸智能控制系统设计 

系：

      机电工程系     

专  业：

 机电设备维修与管理  

班  级：

12机电设备维修与管理2班

姓  名：

    冯耀章     

指导教师：

    车海波     

完成时间：

  2014年4月17日   

摘要

传统的闸门控制方式需要人员亲自到现场操作闸门启闭机而升降闸门。

近年来，随着经济的迅猛发展，使我国水利系统的开发建设得到了快速发展。

闸门启闭机作为水利系统的重要设备之一，如果对其继续沿用传统的继电器控制，不但难以解决与监控系统上的通讯问题，而且也无法满足当天水利部门对设备的自动化控制需求。

为了解决这个问题，我们尝试采用可编程逻辑控制器PLC,设计一种适应自动化控制需求的闸门启闭机的电气控制系统，并对传统的继电-接触器控制系统相结合，完成了闸门启闭电动机就地手动、远程自动控制系统。

闸门手动控制系统采用传统的继电-接触器控制模式，根据本闸门设计的内容和要求设计了电气控制原理图。

在闸门自动控制系统中，对闸门的执行机构的控制是非常重要的一个环节，采用高可靠性、高性能的可编程逻辑控制器PLC，可成功解决这一问题。

根据闸门执行机构的特点，设计了以PLC为核心部件的闸门自动化控制系统，给出了控制系统的硬件结构，以组合模块化的方式设计了系统的程序软件。

关键词：

闸门控制系统自动控制可编程逻辑控制器PLC管理模式

1前言  3

2河道拦水闸智能控制系统总体设计方案  4

2.1系统框图  4

3闸门手动控制系统设计  5

3.1闸门手动控制原理  5

3.2手动控制系统组成  5

3.3主电路分析  5

3.4控制电路分析  5

4闸门自动控制系统设计  8

4.1硬件系统结构框图  8

4.2超声波液位传感器  8

4.3组态王软件  9

4.3输入控制  9

4.4输出控制  9

4.5闸门PLC控制系统简介  10

4.6闸门自动控制系统工作原理  12

5闸门自动（PLC）控制系统程序设计  14

5.1软件系统设计  14

5.2 I/O端口分配表  14

5.3主程序模块  15

6相关负载和容量的计算及相关元件的选择  19

6.1电动机容量的计算  19

6.2导线的选择  19

6.3其他元器件的选择  19

6.4元器件清单表  19

7结论  21

参考文献  22

致谢  23

附录  24

1前言

传统的闸门控制方式需要人员亲自到现场操作闸门启闭机而升降闸门。

近年来，随着经济的迅猛发展，使我国水利系统的开发建设得到了快速发展。

闸门启闭机作为水利系统的重要设备之一，如果对其继续沿用传统的继电器控制，不但难以解决与监控系统上的通讯问题，而且也无法满足当天水利部门对设备的自动化控制需求。

为了解决这个问题，我们尝试采用可编程逻辑控制器PLC,设计一种适应自动化控制需求的闸门启闭机的电气控制系统，并对传统的继电-接触器控制系统相结合，完成了闸门启闭机就地手动、远程自动控制系统。

针对水利系统的水闸闸门控制系统，设计具有先进技术水平、实用的小型水闸控制系统；从而进一步掌握电气控制应用技术、可编程控制器应用技术、水位检测，闸门的限位保护，水闸开度控制及指示等内容。

2河道拦水闸智能控制系统总体设计方案

本设计项目为狮山镇某河水质综合治理项目河道拦水闸控制系统，该拦水闸要求控制3组，合计15台0.75KW电动卷扬机,若采用传统的就地手动控制该闸门，工作较为繁重，控制线路复杂，可靠性低，不能实现对整个水利设施进行自动控制，远程通讯能力欠缺等缺点和局限性，所以越来越不能满足水利水电工程的生产发展。

随着先进工控技术的应用和发展，建立基于可编程控制器（PLC）的河道拦水闸智能控制系统成为解决这一问题的有效途径。

该河道拦水闸智能控制系统其控制方式的优越性，使它非常有效地解决了传统河道拦水闸控制系统的存在的缺点和局限性。

2.1系统框图

图1-1河道拦水闸智能控制系统框图

3闸门手动控制系统设计

3.1闸门手动控制原理

通过控制继电器的关，电动机启动、停止或反转，以此来控制闸门的开或关。

图1-2闸门手动控制原理图

3.2手动控制系统组成

如图1-4所示，电路分为主电路和控制电路两部分

3.3主电路分析

如图1-4所示，低压断路器QF1、QF2、QF3用作线路的总开关，兼有过流和短路保护功能。

电动机M1、M2、M3分别控制1号闸门、2号闸门和3号闸门，其中电动机M1由接触器KM1、KM2控制正反转；接触器KM3、KM4的主触点控制电动机M2正反转；接触器KM5、KM6的主触点控制电动机M3正反转。

3.4控制电路分析

如图1-4电气控制原理图所示，控制电路主要由电动机的正、反转控制，互锁控制，按钮联锁等部分组成。

3.4.1电动机的正、反转控制

控制原理分析：

把万能转换开关打到手动挡，按动正转启动按钮SB1（闸门上升）接触器KM1通电自锁，KM1主触点闭合，电动机M1正向转动，1号闸门上升；电动机M1正转过程中，按动停止按钮SB3，KM1线圈断电，自锁回路打开，主触点打开，电动机M1停转，1号闸门停止。

按动反转按钮SB2,KM2主触点闭合，电动机M1反向转动，1号闸门下降。

2号和3号闸门的控制原理与1号闸门的相同。

3.4.2互锁控制

实现这一控制要求的方法是分别将KM1,KM2的动断触点串接在对方的线圈电路中,形成相互制约的关系,简称为互锁控制,又称为联锁控制。

以电动机M1的电路为例,若主电路中的KM1和KM2同时闭合,将会造成主电路电源短路,因此电路中只允许有一个接触器的触点闭合，这样就起到了互锁控制控制作用。

3.4.3按钮联锁

为了方便操作,提高工作效率,将正、反转按钮的动断触点串接到对方的电路中,利用按钮的动合触点的机械连接在电路中起相互制约的联锁作用。

如正转过程中,按动反转按钮SB2,SB2的动断触点使KM1线圈断电（自锁打开）,电动机正转停止,KM1动断触点复位,SB2动合触点复位,使KM2线圈通电自锁,电动机实现反转。

同理在反转过程中,按动正转按钮SB1,SB1的动断触点使KM2线圈断电,电动机正转停止,KM1线圈通电自锁,电动机进入正转。

这样就简化了操作,使正转进入反转（或反转进入正转）不必先按下停止按钮,然后再进行相反的操作。

因此接触器互锁和按钮互锁构成双重互锁,使电路更具实用性。

3.4.4闸门手动控制选择

万能转换开关是一种多挡位、多段式、控制多回路的主令电器，当操作手柄转动时，带动开关内部的凸轮机构转动，从而使触点按规定顺序闭合或断开。

如图1-3中万能转换开关,当把挡位打到手动挡位时，系统即处于手动控制状态。

图1-3万能转换开关

3.4.5电气控制原理图

图1-4电气控制原理图

4闸门自动控制系统设计

4.1硬件系统结构框图

自动控制系统结构框图如图1-5自动控制系统结构框图所示，系统主要由可编程逻辑控制器（PLC）,工控机、液位传感器、输入控制、输出控制等部分组成，其结构框图如图所示。

图1-5自动控制系统结构框图

4.2超声波液位传感器

超声波液位传感器集非接触开关、控制器和变送器三种功能于一身，是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

这类型的传感器价格比较便宜，性能稳定可靠，广泛应用于闸门水位差测量使用。

如图1-6超声波液位传感器所示。

图1-6超声波液位传感器

4.3组态王软件

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。

如图1-7工控机组态王软件操作界面所示。

图1-7工控机组态王软件操作界面

4.3输入控制

输入控制信号可以来自工控机组态王软件界面的功能按键，以及按钮开关信号（备用操作）等。

通过切换开关，可以选择手动控制和自动控制。

4.4输出控制

控制闸门电动卷扬机电机正向和反向运转，打开与闭合，使闸门上升、下降、

停止，以及当闸门运行到达极限位置、输出报警信号。

4.5闸门PLC控制系统简介

本闸门控制系统选型为西门子S7-200SMART，西门子S7-200SMART是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

如图1-8西门子S7-200SMART外型结构所示。