高低位水箱供水系统电气控制系统设计.docx
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高低位水箱供水系统电气控制系统设计
前言
可编程控制器（PLC）作为一种新型的工业自动化装置。
因其功能强大，可靠性高，操作使用方便而得到了广泛的应用，它在民用建筑行业中的应用也日益广泛。
本设计以PLC为中心控制单元设计一高低位水箱供水系统，具体要求见设计任务。
在本设计中，充分考虑到了设计方案的实用性，经济性以及用户操作的方便性。
在给出系统原理图的基础上，同时也附带了安装图，接线图及操作使用说明书；在保证设计要求及设计质量的基础上，通过分时复用启动按钮与认真修改梯形图，最终将原本应该用的OMRONC40P可编程控制器现改用OMRONC28P即可实现所有功能，为用户降低了设计成本。
本着让用户使用方便，操作明了的设计原则，在手动工作时设置了“允许起泵”与“必须停泵”信号。
一、设计内容及要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
二、分析设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1、主电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2、PLC选择及I/O分配．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
3、PLC接线图设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
三、梯形图设计与分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
1、手动/自动状态选择与指示．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2、高低位水箱液位开关的逻辑设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
3、自动状态时水泵电机的工作方式选择及启动．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
4、手动状态时水泵的单独起停．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
5、故障检测与备泵自投．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
四、用户操作说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
1、系统手动工作操作说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2、系统自动工作操作说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3、注意事项．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
五、元器件选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
六、结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
1、设计的收获与体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
2、系统再认识．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
七、指令语言程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
八、参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
九、备注
1、控制箱尺寸．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
2、导线选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
十、附图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
1、高低位水箱供水系统电气控制原理图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
2、高低位水箱供水系统电气安装接线图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
3、高低位水箱供水系统电气控制箱布置图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
高低位水箱供水系统电气控制系统的设计
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、接线图与控制箱的设计，具有电气控制系统工程设计的初步能力。
根据高低位水箱供水的控制要求，采用PLC为中心控制单元，设计出满足控制要求的控制系统。
具体设计要求：
1、高低位水箱均设水位信号器。
当高位水箱水位达到低位，低位水箱水位达到高位时，水泵启动；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、两台水泵分工作泵与备用泵，可以互换，任何时候只有一台水泵工作。
当工作泵出现故障时，备用泵自投，水泵功率各为5.5KW。
3、具有手动、自动工作方式。
4、各种指示及报警。
二、分析设计
相关约定：
为了分析表达方便，以下设计分析中相关符号表示意义分别为：
某个线圈带电用“+”表示，过度过程用“→”表示，线圈带电并保持用“＿+”表示，线圈失电用“－”表示。
1、主电路设计
根据控制要求及水泵的容量,经计算可确定两台水泵电机均可直接启动（见附图主电路），每个电机分别用1个接触器控制其电源,1个热继电器进行过载及短路瞬时保护.
2、PLC选择及I/O分配
根据控制要求可统计出输入PLC的信号本应为16个,输出信号为6个（见原理图与I/O分配表）,但I/O分配表中输入信号实为14个.原因是从经济性与元件的利用效率上考虑,在本设计中将输入按钮SWK1,SWK2通过软件改变成了多功能按钮,即当系统处于自动工作状态时,选择1#水泵为工作方式的选择按钮SWK1,在系统处于手动工作状态时,它也是1#水泵手动时的启动按钮.同理,SWK2也具有相同的功能.经过改变之后可将原本必须选用的OMRONC40PPLC现改用OMRONC28P（16输入,12输出）即可实现控制要求,且留有一定的余量.
I/O分配表
输入
输出
1#泵作为工泵选择按钮SWK1
0000
1#水泵电机接触器线圈
0504
2#泵作为工泵选择按钮SWK2
0001
2#水泵电机接触器线圈
0505
自动工作方式选择按扭SAUT
0003
自动工作方式指示灯
0506
手动工作方式选择按扭SMAN
0004
手动工作方式指示灯
0507
高位水箱下限水位信号SHL
0005
1#水泵电机故障报警指示
0500
高位水箱上限水位信号SHH
0006
2#水泵电机故障报警指示
0501
低位水箱上限水位信号SLH
0007
1#水泵正常工作状态指示
0504
高位水箱下限水位信号SLL
0008
1#水泵正常工作状态指示
0505
1#水泵电机过载保护触点FR1
0009
手动工作时“允许起泵”指示
0502
2#水泵电机过载保护触点FR2
0010
手动工作时“必须停泵”指示
0503
1#水泵电机手动停止按钮STP1
0011
2#水泵电机手动停止按钮STP2
0012
1#水泵电机触点检测信号
0013
1#水泵电机触点检测信号
0014
3、PLC接线图设计
由于采用了OMRONC28P,其输入输出均为分组式的,其中输入点0000,0001为一组,其余合为一组.根据I/O分配表即可将连接电路,如原理图所示.在主电路中输入各点共用PLC自带的24伏直流电源,输出各点共用交流220伏电源.
三、梯形图设计与分析
1、手动/自动状态选择与指示
这部分梯形图的设计主要用KEEP指令来实现.在梯形图中,当外部自动选
SATO有按下时,0003+1000+1001－（手动状态时PLC内部辅助继电器1001复位清零）0506+自动状态指示灯HLATO亮,同理手动工作方式时0507会带电,手动状态指示灯HLMAN亮.由于自动,手动在KEEP复位时采用了互锁,所以每个工作状态下只有相应的工作指示灯亮.
2、高低位水箱液位开关的逻辑设计
根据设计要求,高低位水箱的水位信号需要检测出来,现用干簧水位信号器进行水位测量,高低位水箱各设一只,其示意图见系统接线图与原理图。
。
从控制要求,I/O分配表及干簧水位信号器的示意图可得知只有0005与0007带电时,即高位水箱水位达到低位且低位水箱水位达到高位时才允许启泵;而只要0006与0008中的一个动作,即高位水箱水位达到高位或低位水箱水位达到低位时就必须得停泵.据这一逻辑关系,在梯形图中用0006与0008的或逻辑去发出停泵信号,用0005与0007的常开与逻辑作为启泵信号.相互之间也应有互锁.
工作过程为:
启泵信号发出
0006－或0008－1200+（短时带电）1300+
3、自动状态时水泵电机的工作方式选择及启动
自动状态时水泵电机的工作方式选择信号由PLC内部辅助继电器1101,1102发出,其中1101用于选定1#水泵为工作泵,2#水泵为备用泵;1102用于选定2#水泵为工作泵,1#水泵为备用泵.与自动/手动选择一样,这两种工作方式之间也需要互锁,同样通过KEEP指令来实现.自动工作时1#水泵为工作泵,2#水泵为备用泵的工作过程如下:
由于1000已带电（自动状态）,此时若SWK1按下→
→
4、手动状态时水泵的单独起停
考虑高低位水箱供水系统一般为城市居民楼供水，在系统处于手动工作方式下时，有必要在控制室设置一水位信号指示灯，以使操作人员知道什么状态下可以起泵，什么状态下必须停泵。
而且这一信号应该与自动状态时高低位水箱里的干簧水位信号器的逻辑相同，所以就将自动状态时的水位逻辑作为手动工作时的起停泵逻辑，用两个指示灯分别表示手动方式时的“允许起泵”与“必须停泵”信号。
工作过程如下：
手动状态时，1001+，若1301+，则表示可以起泵了，此时是否起泵完全由手动启动按钮SWK1,SWK2决定。
“允许起泵”信号由KEEP指令实现，且只有在手动工作方式时有效，自动工作方式时，通过1000将其互锁。
而且“允许起泵”信号与“必须停泵”信号必须互锁。
“必须停泵”信号的产生原理类似于“允许起泵”信号，它也是由水位信号器发出的，到底何时停泵，何时起泵完全由操作人员自主决定，只不过起泵必须在“允许起泵”指示灯亮了之后进行，而停泵的最终期限为“必须停泵”指示灯亮。
起停过程由操作人员根据指示灯状态自主进行，适合在际环境中使用。
5、故障检测与备泵自投
在本设计中，将系统的故障简化为两种类型：
一个是电机的过载，这一信号可由设在电机主回路中的热继电器常开触点发出（当水泵电机过负荷或者缺相时），所以可将这一信号设为备泵自投信号；另一个故障是接触器水泵工作过程中或启动时可能出现的衔铁卡涩，导致接触器线圈虽带电但触点不动作，所以电机就无法正常工作。
在设计中将两个接触器的常闭触点接入PLC用于监视接触器的工作情况并将此信号也作为一个备泵自投信号。
另外。
考虑到接触器的动作时间小于PLC的扫描时间，所以为了排除启动时的虚假故障信号，在梯形图中设置了时间继电器TIM01进行5秒的延时，如果延时时间到，且接触器的故障信号还存在，则启动备用泵。
由于热继电器本身就具有过载延时，所以一旦热继电器常开触点动作，则立即启动备泵并给出报警。
具体工作过程如下：
0504－（1#泵停）
过载：
假设1#水泵过载，则0009+→1002+0505+（启动2#备用泵）
0500+（故障指示灯HL1
亮，HA1报警）
接触器1KM故障：
设线圈KM1带电，但其触点没动作，即：
0504+，0013+
0504+（停止1#水泵）
→延时5S→TIM01+→1002+→0505+（启动2#备用泵）
0500+（故障指示灯HL1亮，HA1报警）
当延时5秒没到时，若0013－，则不会启动备泵自投信号1002。
同理，当2#水泵为工作泵，1#水泵为备用泵，出故障时也能实现备泵自投。
四、用户操作说明
本系统为高低位水箱供水系统，请使用者务必按操作说明进行。
在使用之前请先打开控制箱门，合上低压断路器QF,检查PLC是否正常带电。
1、系统手动工作操作说明：
按下控制箱面板上的手动工作方式选择按钮SMAN，此时手动工作指示灯HL6亮，表示系统已进入手动工作状态，再按SWK1或者SWK2即可选择让1#或2#水泵工作。
当某个水泵正常工作时，相应的水泵工作指示灯HL3，HL4将维持点亮直到相应的水泵停止工作。
需要停泵时，只需按下停泵按钮STP1或STP2即可。
2、系统自动工作操作说明：
需要系统自动工作时，首先按下自动工作方式选择按钮SATO，此时系统自动退出手动工作方式，进入自动工作模式，并等待用户发出机组选择信号。
若选择2#泵为工作泵，1#泵为备用泵，只需按下SWK2；若选择1#泵为工作泵，2#泵为备用泵，只需按下SWK2即可。
系统便可自动运行。
3、注意事项：
由于本系统在自动手动方式工作时是分时复用按钮AWK1,SWK2的，所以用户不必担心在这两种工作方式时都按同样的按钮会产生什么影响。
为了保证系统安全长久运行，本系统对手动工作方式有一定的限制：
在高位水箱的水位达到高位或低位水位达到低位之前，如果使用者还没有停泵，则系统将自动停泵，这样可以有效的避免水泵的“干抽”与高位水箱水位的冒出；同时只有当高位水箱的水位达到低位且低位水位达到高位时才允许使用者手动启动泵。
五、元器件选型
1、交流接触器
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选交流择接触器LC1-D129MA65
2、热继电器
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。
选带有段相保护的热继电器：
LR1-D12316,并将其值整定为10A。
4、熔断器
由于水泵功率为5.5KW,属于小功率电机驱动，所以选用选择熔断器时应选熔化系数较小的熔断器，根据熔体整定电流Ire≥（1.5～2）IN,取Ire=2IN=20A,可选择螺旋塞式熔断器RL1-60系列，容体电流为20A的熔断器。
5、低压断路器
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：
断路器额定电压UN=380V。
过载保护：
Idz1=KkIN,取Kk=1.1，则Idz1=11A,所以干路上电流约为22A。
短路瞬动保护：
Idz2=（10～12）IN,则干路上短路瞬动电流至少应为220A.
综合以上各个条件选DZX7-2522F2TH型低压断路器。
6、按钮开关的选择
根据系统原理图及系统电流可选择用LAY5-10M3.14152FTH’
7、元器件明细表
序号
名称
型号
数量
单位
1
交流接触器
LC1-D129MA65
2
个
2
热继电器
LR1-D12316
1
个
3
熔断器
RL1-60
2
个
4
8、低压断路器
DZX7-2522F2TH
1
个
5
按钮开关
LAY5-10M3.14152FTH
6
个
六、结束语
1、设计的收获与体会
电气控制技术是一门实践性很强的课程，一些理论上的东西只有经过了实践锻炼才能真正的被我们掌握。
在此次课程设计中，我通过查找资料，与同学讨论
，解决了一个又一个问题，最终较为成功的设计出了这个系统。
此次课设使我对用PLC设计电气控制系统有了更进一步的认识，而且初步具备了设计电气控制系统工程的能力。
这些都为我们将来的工作打下了良好而坚实的
实践基础。
2、系统再认识
本系统为开关量的控制系统，优点是设计成本低，设计简单；缺点是控制精度不高，缺乏实时监控上下液位的模拟量控制，比如可再添入变频器，重新用PLC设计一现在较为流行的变频衡压供水系统。
由于在整个设计过程中始终坚持以“操作简洁、明了、节约、实用”为原则，所以该系统还是具有其可以竞争的优势。
七、指令语言程序
电气原理图中梯形图的指令语言程序如下：
LD
0003
LD
1000
OR
1002
LD
1001
OR
1001
LD
0012
KEEP
1000
AND
1301
OR
1003
LD
0004
IL
OR
1300
LD
1000
LD
1101
KEEP
0505
KEEP
1001
DIFU
1401
LD
0504
LD
1000
LD
1102
AND
0013
OUT
0506
DIFU
1402
LD
0505
LD
1001
ILC
AND
0014
OUT
0507
LD
1001
ORLD
LD
0000
AND
1301
TIM
01
LD
1102
LD
0503
#0050
KEEP
1101
OR
1000
LD
TIM01
LD
0001
KEEP
0502
AND
0013
LD
1101
LD
1001
OR
0009
KEEP
1102
AND
1300
LD
1811
LDNOT
0006
LD
0502
KEEP
1002
ORNOT
0008
OR
1000
LD
TIM01
DIFU
1200
KEEP
0503
AND
0014
LD
1200
LD
1401
OR
0010
LD
1301
OR
1003
LD
1811
KEEP
1300
LD
0011
KEEP
1003
LD
0005
OR
1002
LD
1002
AND
0007
OR
1300
OUT
0500
LD
1300
KEEP
0504
LD
1003
KEEP
1301
LD
1402
OUT
0501
八、参考文献
【1】郭宗仁吴亦峰郭永可编程控制器应用系统设计几通信网络工程人民邮电出版社2002.9
【2】王检龙莉莉建筑电气控制技术中国建筑工业出版社2006.1
【3】齐宝国王德明电动机控制电路200例福建科学技术出版社2004.5
九、备注
1、控制箱尺寸
根据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510×840×150mm，具体的尺寸参见电气控制控制箱布置图中的尺寸标注。
2、导线选择
由于系统干线的工作电流约为20A,所以干线可采BV-3×4+1×4-SC15C；支线工作电流约为10A，所以可采用BV-3×1.5+1×1.5-SC15C。
十、附图
本系统的电气控制原理图，安装接线图，控制箱布置图分别如下：
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