PLC课程设计旋转式滤水器电气控制系统Word文档下载推荐.docx
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第四章基于单片机的计数显示模块设计................................21
4.1计数显示控制电路设计............................................21
4.2计数显示程序设计................................................22
课程设计总结.........................................................25
参考文献.............................................................26
附录：
旋转式滤水器控制系统的元器件清单..............................26
第一章设备控制原理
旋转式滤水器接入管道系统后，水就会从进水口进入滤水器，过滤后的水从出水口流出，当水中杂质通过网芯时，由于体积大于网芯孔，而被截留在网芯上，当聚积到一定数量时，即造成进水口和出水口有一定压差。
这时可转动网芯进行自动反冲洗，杂质将会从排污口自行排出。
旋转式滤水器的控制原理如下图图1所示：
图1旋转式滤水器控制原理图
1.1设备简介
如图1所示，旋转式滤水器具有手动控制和自动控制两种方式，可实现手动调试和检修，人工除杂排污，定时自动除杂排污，差压自动除杂排污，超压停机，计数功能等多种功能。
旋转式滤水器的工作过程主要有以下两个部分：
正常滤水过程：
由于旋转式滤水器进水与出水口的水流正常，产生的压力差低于差压控制器设定值，因此，差压控制器内微动开关无动作输出，原水正常过滤。
除杂排污过程：
由于旋转式过滤器长时间过滤原水，势必在滤水器内的过滤孔中阻塞大量的水中漂浮物，使得进水口的水压大于出水口的水压，出水量减少，进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值，这时差压控制器内微动开关动作输出，常开触点闭合，接通控制系统进行除杂排污。
除杂排污后旋转式滤水器又恢复正常滤水状态，生产供水系统安全运行。
1.2系统控制原理及设计要求
（1）手动调试和检修
SA1手柄指向左45º
时，接点SA1-1接通，通过SB1、SB2控制按钮，手动开/关电动阀，通过SB3、SB4控制按钮，手动开/关滤水器电动机，以便于系统调试和检修。
（2）人工除杂排污
SA1手柄指向右45º
时，接点SA1-2接通，人工起动、停止旋转式滤水器进行除杂排污。
（3）定时自动除杂排污：
SA1手柄回零位时，若原水中杂物较少，固体漂浮物也较少，因此，水处理车间的旋转式滤水器长时间正常滤水，不能进行差压自动除杂排污。
由于旋转式滤水器长时间置于水中，各个机械传动机构会锈蚀，影响过滤和除杂排污或导致旋转式滤水器损坏，因此，需要具有定时自动除杂排污功能。
（4）差压自动除杂排污
SA1手柄回零位时，若滤水器进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值时，旋转式滤水器自动进行除杂排污，直到滤水器进、出水口产生的压力小于差压控制器设定值时，旋转式滤水器自动停止除杂排污，恢复正常滤水状态。
（5）超压停机
旋转式滤水器内部的过滤孔被小颗粒杂物堵死无法排出，进、出水口的压力差较高，虽然进行了除杂排污，但是进、出水口的压力差仍然未能降到正常值，差压控制器内微动开关长时间动作（8～10min），需要立即停车，并发出声光报警。
（6）计数功能
该设备不管进行了哪种形式的除杂排污，每次进行除杂排污后都要有记录，因此需要记录除杂排污次数（5位）。
（7）减速机润滑
在旋转式滤水器上装有行星摆线针轮减速机，由输油泵将油室中的润滑油源源地送入减速机，液压泵拖动电动机与滤水器电动机同步运行。
（8）除杂排污阀门的电动装置
内设三相交流异步电动机380V/60W、阀门限位开关和电动机过热保护，通过正、反相运行实现开阀、关阀功能。
第二章PLC的概述
2.1PLC的定义
PLC即可编程控制器是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
PLC英文全称ProgrammableLogicController,中文全称为可编程逻辑控制器，它的定义是:
一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用了可编程序的存储器，用于在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。
2.2PLC的特点
（1）可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
（5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.3PLC的基本结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同．2.3.1中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；
检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
2.3.2存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
2.3.3电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。
如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
2.4PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（一）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（二）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；
或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
（三）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外
设。
这时，才是PLC的真正输出。
第三章旋转式滤水器控制系统的设计
3.1整体结构
在旋转式滤水器设计中，一个主要的问题就是污物的有效排放，这里采用两台电机：
主电动机（滤水器电动机）和排污电动机（控制排污阀的开关）配合来完成此功能。
总结构如图1所示。
系统的输入包括压力差信号输人和方式选择输入等，滤水器有进水口、出水口、排污出口，与系统进出水口相衔接的部分不再赘述。
3.2机械结构
旋转式滤水器主要由转动轴、定位杆、支架壳体、网芯、进水口、出水口、排污口等组成一般水质为淡水型的，滤网和内部主要部件为不锈钢材质。
网芯中的网孔用冲床一次制成，具有耐腐蚀、不生锈，表面光洁、不易结垢的特性。
机械部分由五部分组成，分别为滤水机构、执行机构、排污机构、操作单元、保护装置
（1）滤水机构滤水机构
主要由机壳，滤芯组、旋流子、进出水室、法兰等部件组成。
其工作过程是：
水流经人口管进人人口水室，再由水室分配至各滤芯单元过滤，将水中的大颗粒杂质滤掉后，由滤芯内流向滤芯外的环形集水室，再经出水管送至各冷却器，杂物留在各滤芯单元内。
（2）执行机构执行机构
由驱动电机、减速器、定位锁紧装置、排污电机及相关部件组成，其作用是按照控制台发来的指令，完成预定的动作，使滤芯旋转一定角度或开关排污阀门。
（3）排污机构
排荇机构由排污台、旋流子、支架、排污管及排枵阀等组成。
当需要排污时，转动滤芯，进行反冲洗。
当打开排污阀门时，排污单元滤卷内水流改变方向，从环形水室及相临单元滤芯内进人排污单元滤芯内。
当反向流人的冲洗水进入排圬单元滤芯时，被旋流子改变方向，形成一旋流水束，将壁面杂物冲出排污单元滤芯，并经排污门排出，直到壁面洁净为止。
（4）操作单元操作单元
可使整个滤水器实现自动或人工反冲洗，及除杂排污。
设自动时可进行定时自动和差压自动除杂排污。
网芯单元的冲洗时问，即：
排污时间，可根据实际情况自由设定。
（5）保护装置本装置
主要设置电动机过载保护装置和超高压报警停车装置。
在电机过载时和超高压时，能及时切断电源，保护电动机；
超高压时还能进行报警，提醒操作人员及时排除故障。
3.3电气控制设计
3.3.1主电路设计
旋转式滤水器控制系统的主电路如图2所示。
（1）主回路中交流接触器KM3控制滤水器电动机M1、液压泵电动机M2；
KM1、KM2通过正、反转控制电动阀电动机M3,完成开起阀门和关闭阀门的功能。
（2）电动机M1、M2、M3由热继电器FR1、FR2、FR3实现过载保护。
电动阀电动机M3控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M3实现双重保护。
（3）QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。
（4）熔断器FU1、FU2、FU3分别实现各负载回路的短路保护。
FU4、FU5分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。
图2旋转式滤水器控制系统主电路图
3.3.2交流控制电路设计
旋转式滤水器控制系统的交流控制电路图如图3所示。
图3旋转式滤水器控制系统交流控制电路图
（1）控制电路有电源指示HL。
PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。
（2）隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：
1、容量100VA隔离变压器。
（3）3台电动机M1、M2、M3的过载保护，分别由3个热继电器FR1、FR2、FR3、实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。
（4）报警电铃HA为AC200V/8W，在出现超高压差时进行报警。
（5）差压变送器是差压自动控制的关键传感器件，输出为压差信号。
差压变送器测量范围为0.3－0.8MPa可调，电感性电接点输出：
AC220V,1A。
（6）由于控制电路的指示灯工作电压为直流24V，所以将220V电源电压经过变比为8：
1的降压变压器进行电压变换得到交流为27.5V的交流电，再经过整流电路、滤波电路得到24V的直流电压。
（7）控制系统的计数显示模块选用AT89S51单片机作为控制芯片，单片机供电电源需要直流5伏电压，要经过变比为20：
1的降压变压器进行变压得到交流为11V交流电，并且经过整流电压变成直流电压为24V的直流电。
3.3.3主要参数计算
（1）断路器QF脱扣电流。
断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。
旋转式滤水器有1.5KW负载电动机一台，起动电流较大，其余二台为100W以下，起动电流较小，工艺要求滤水器电动机和液压泵电动机同时起动运行，因此可根据1.5kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：
IQF＝1.7IN=1.7×
3A＝5.1A≈5A，选用IQF＝5A的断路器。
（2）熔断器FU熔体额定电流
。
以滤水器电动机为例，
≥2
＝2×
3A＝6A，选用6A的熔体。
其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。
（3）热继电器的选择参照相关技术资料选取。
3.3.4PLC控制电路设计
（1）硬件结构设计。
根据设计要求，本系统设计了15个输入和12个输出。
其中，输出部份分为220V输出和24V输出两部份。
220V输出为电动机控制的接触器和报警电铃输出；
24V输出为各种指示灯输出。
由于有两种不同的输出电压要求，所以必须提供两种不同电压的电源，这两个电源由交流控制电路提供。
由于本设计所需的I/O口较少，所以我们选用三菱FX2N系列小型程控器FX2N-48MR作为核心控制器件。
FX2N系列是PLCFX家族中最先进的系列。
由于FX2N系列具有如下优点：
最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
FX2N系列PLC的特点有：
系统配置既固定又灵活，编程简单，备有可自由选择，丰富的品种，令人放心的高性能、高速运算，使用于多种特殊用途，外部机器通讯简单化，共同的外部设备。
图4旋转式滤水器控制系统的PLC控制电路图
旋转式滤水器控制系统的PLC输入输出接口功能和相关说明PLC输入接口功能如下表1所示，输出接口功能如下表2所示。
表1旋转式滤水器控制系统的PLC输入接口功能表
程序输入
文字符号
说明
X000
SA1-1
手动控制转换开关（左45度）
X001
SA1-2
人工除杂排污控制转换开关（右45度）
X002
SA1-0
转换开关零位
X003
SB1
手动开电动阀按钮
X004
SB2
手动关电动阀按钮
X005
SB3
手动开滤水器、液压泵按钮
X006
SB4
手动关滤水器、液压泵按钮
X007
KP
差压变送器信号
X010
KM1
开电动阀信号
X011
KM2
关电动阀信号
X012
KM3
滤水器、液压泵电动机运行信号
X013
KA1（FR）
电动机过载信号
X014
SQ1
电动阀打开限位开关
X015
SQ2
电动阀关闭限位开关
X016
SB5
故障报警显示关闭开关
表2旋转式滤水器控制系统的PLC输出接口功能表
程序输出
Y010
开电动阀接触器
Y011
关电动阀接触器
Y012
滤水器、液压泵运行接触器
Y000
HL1
手动控制指示灯
Y001
HL2
人工除杂排污指示灯
Y002
HL3
定时自动除杂排污指示灯
Y003
HL4
差压自动除杂排污指示灯
Y004
HL5
故障指示灯
Y005
HL6
开电动阀指示灯
Y006
HL7
关电动阀指示灯
Y007
HL8
滤水器、液压泵运行指示灯
Y013
KA2（HA）
报警电铃
控制电路图中L5作为PLC输出回路的220V电源，分别向输出回路的220V交流负载供电，输出回路COM2接入电源N端。
VC24V作为PLC输出回路的24V直流电源，向电路中的所有指示灯供电，输出回路COM1接入直流电源的GND端。
光电耦合器件做为信号转换器件，将PLC的输出信号转换成单片机能接收的计数输入信号，通过单片机进行排污次数的计数，并将计数值通过8段数码管显示出来。
光电耦合器件的输入信号是滤水器电动机起动运行的输出信号。
3.3.5PLC控制的程序设计
（1）程序流程图如下图5所示。
图5旋转式滤水器控制系统的PLC程序流程图
（2）旋转式滤水器控制系统的PLC程序梯形图如下图6所示。
图6旋转式滤水器控制系统的PLC程序梯形图
（3）旋转式滤水器控制系统的PLC程序指令表如下所示
第四章基于单片机的计数显示模块设计
4.1计数显示控制电路设计
图8基于51单片机的计数显示模块电路原理图
AT89S51单片机是Atmel工司生产的8位单片机。
它由以下功能部件组成：
1）中央处理单元（8位）数据处理、测试位，置位，复位位操作
2）只读存储器（4KB或8KB）永久性存储应用程序，掩模ROM、EPROM、EEPROM
3）随机存取内存（128B、128BSFR）在程序运行时存储工作变量和资
4）并行输入/输出口（I/O）32位作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片
5）串行输入/输出口（2条）串行通信、扩展I/O接口芯片
6）定时/计数器（16位、加1计数）计满溢出、中断标志置位、向CPU提出中断请求，与CPU之间独立工作
7）时钟电路内振、外振。
8）中断系统五源中断、2级优先。
本课设所使用到的单片机资源有：
并行输出口13位，外部中断P3.2。
13位并行输出口用于计数值的显示，外部中断用于排污次数的计数。
单片机通过中断程序对排污次数进行计数，然后将计数值通过5位数码管显示出来，最大显示数值为99999。
数码管选共阳型数码管。
4.2计数显示程序设计
以下为数码管显示的C语言程序。
#include<
reg51.h>
#defineucharunsigned
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