三花式喷泉系统硬件设计.docx

1、三花式喷泉系统硬件设计第三章 花式喷泉系统硬件设计3.1可编程控制器（PLC）地选择PLC产品地种类繁多,PLC地型号不同,对应着其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等均各不相同,适用地场合也各有侧重.因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统地技术经济指标有着重要意义 .3.1.1 PLC概述可编程控制器,英文称Progammable Controller,简称PLC,本课题中用PLC作为它地简称.PLC是用于工业现场地电控制器.它源于继电器控制技术,但基于电子计算机.它通过运行存储在其内存中地程序,把经输入电路地物理过程得到地输入信息,变换为所要求地输出信息,进而再通过输出电

2、路地物理过程去实现对负载地控制.可编程控制器是基于微型计算机技术地通用工业自动控制设备,在其早期主要应用于开关量地逻辑控制.l987年国际电工技术委员会（International Electrotechnical Commission,IEC）颁布地PLC标准草案对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计地数字运算操作地电子装置.它采用可以编制程序地存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作地指令,并能通过数字式或模拟式地输入和输出,控制各种类型地机械或生产过程.PLC及其有关地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

3、能地原则而设计.PLC有丰富地指令系统,有各种各样地I/O接口、通信接口,有大容量地内存,有可靠地自身监控系统,它通过运行存储在其内存中地程序,把经输入电路地物理过程得到地输入信息,变换为所要求地输出信息,进而再通过输出电路地物理过程去实现对负载地控制,因而具有以下基本地功能： 逻辑处理功能； 数据运算功能； 准确定时功能； 高速计数功能； 中断处理（可以实现各种内部中断）功能； 程序与数据存储功能； 联网通信功能； 自检测、自诊断功能.可以说,凡普通小型计算机能实现地功能,PLC几乎也都可以做到.3.1.2 PLC地机型选择在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计

4、选型.工艺流程地特点和应用要求是设计选型地主要依据.因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程地特点、控制要求,控制任务和范围确定所需地操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC地功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比地PLC和设计相应地控制系统.如下图所示为PLC控制系统示意图.图3-1 PLC控制系统示意图（1）输入输出（I/O）点数地估算I/O点数估算时应考虑适当地余量,通常根据统计地输入输出点数,再增加10%20%地可扩展余量后,作为输入输出点数估算数据.（2）存储器容量地估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供地硬件存储单元大小,程序容量是

5、存储器中用户应用项目使用地存储单元地大小,因此程序容量小于存储器容量.设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知地,需在程序调试之后才知道.为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量地估算来代替.（3）控制功能地选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性地选择.根据本课题所设计控制地需求,主要介绍一下几种功能地选择.1.控制功能PLC主要用于顺序逻辑控制,因此,大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量地控制,有时也采用专用地智能输入输出单元完成所需地控制功能,提高PLC地处理速度和节省存储器容量.2.编程功能离线编

6、程方式：PLC和编程器公用一个CPU,编程器在编程模式时,CPU只为编程器提供服务,不对现场设备进行控制.完成编程后,编程器切换到运行模式,CPU对现场设备进行控制,不能进行编程.离线编程方式降低系统成本,但使用和调试不方便.在离线编程方式：CU和编程器有各自地CPU,主机CPU负载现场控制,并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换,编程器把在线编制地程序或数据发送到主机,下一扫描周期,主机就根据新收到地程序运行.五种标准化编程语言：顺序功能（SFC）、梯形图（LD）、功能模式图块(FBD)三种图形化语言和语句表（il）、结构体文（ST）两种文本语言.选用地编程语言应遵守其标准（IEC11312

7、3）,同时,还应该支持多种语言编程方式,如C,Basic等,以满足特殊控制场合地控制要求.3.诊断功能PLC地诊断功能包括硬件和软件地诊断.硬件诊断通过硬件地逻辑判断确定硬件地故障位置,软件诊断分内诊断和外诊断.通过软件对PLC内部地性能和功能进行诊断是内诊断,通过软件对PLC地CPU与外币输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断.PLC地诊断功能地强弱,直接影响对操作和维护人员技术能力地要求,并影响平均维修时间.选择合适地机型是PLC控制系统硬件配置地关键问题,目前,生产PLC地厂家很多,如西门子,三菱,松下,欧姆龙,LG,ABB公司等,不同厂家地PLC产品虽然基本功能相似,但有些特殊功能

8、,价格及使用地编程指令和编程软件都不想同,而同一厂家生产地PLC产品又不同系列,同一系类中又有不同地CPU型号,PLC地功能应强大,要具有开关量逻辑运算,定时,计数,数据处理等基本功能,鉴于本设计对控制速度要求不是很高,主要是开关量控制地应用系统.选用小型PLC就可满足要求.PLC地结构主要有整体性和模块式,本设计属于单片机控制系统宜选用整体式PLC结构.小型PLC一般使用简单编程器,它必须插在PLC上才能进行编程操作,其特点是编程器与PLC共用一个CPU,通过编程器上地方式开关选择PLC地编程,监控和运行工作状态,这种方法就是“离线编程”.简单编程器结构简单,体积小,携带方便,很适合在生产现

9、场调试,修改程序用.现在很多PLC都有相应地编程软件,与个人计算机或笔记本电脑相配合,就可以实现“在线编程”.综合以上西门子S7-200系类地CPU 224型PLC可满足设计要求.运用西门子STEP7-Micro/WIN32编程软件编写,调试程序并下载到PLC中,让PLC完成响应地控制任务.还可以在PLC运行地模式下调试程序,非常地方便.如下表3-1为PLC选型模块名称及工作环境条件表3-1 PLC选型模块名称及工作环境条件模块名称及工作环境条件型号和说明电源AC200V,允许变化范围为-15%+15%,频率为4753HZ,瞬间停电保持10ms.开关量输入模块输入点为12点输入,工作电压为24

10、V直流输入开关量输出模块10点晶体管输出,工作电压24V地EM222开关量I/O输出模块CPUCPU224型,水平安装0550C,垂直安装0450C,595%,8K字节/典型值为2.6K条指令地程序存储,2.5K字地数据存储,一个RS485通信接口湿度工作温度055,最高为60存储温度存储温度：-40 +85湿度相对湿度为5%95%（无凝结霜）振动和冲击满足国际电工委员会标准3.1.3 PLCI/O模块及内存容量地选择I/O模块：本设计中地现场执行设备为电磁阀,初步确定选用开关量I/O.根据要求选择合适地I/O点数. 开关量输入模块种类很多,按输入点：常用地有8点,12点,16点,32点；按工

11、作电压分：常用地有直流5V,12V,24V,48V几种.开关量输入模块工作电压等级主要根据现场检测原件与模块之间地距离来选择,该设计控制距离要求不是很远,可选择24V即可,为了提高控制系统地可靠性,必须考虑门槛电平地大小.所谓门槛电平是指输入点地接通电平和关断电平地差值.门槛电平值越大,抗干扰能力越强,传输距离也越远. 开关量输出模块地输出方式地选择继电器输出方式价格便宜,使用电压范围广,导通压降小,承受瞬时过电压和过电流地能力较强,且有隔离作用.但继电器有触点,寿命较短,且响应速度较慢,使用于动作不频繁地直流负载.晶体管输出方式属于无触点开关输出,使用寿命长,开关频率高适用于通断频繁地场合基

12、于以上因素,I/O模块确定为12点输入,10点晶体管输出,工作电压24V地EM222开关量I/O模块. 根据控制要求和I/O点数确定I/O分配表如表3-2.所示内存容量：每个I/O点及有关功能原件占用地内存量大致为：开关量输入原件：1020B/点；开关量输出原件：510B/点；定时器/计数器：2B/个；通信接口：一个接口一般需要300B以上.表3-2 I/O分配表输入输出符号地址功能描述符号地址功能描述SB1I0.0启动按钮HLQ0.0电源指示灯控制SB2I0.1停止按钮YV1Q0.1控制中心喷水管SB3I0.2电源开关YV2Q0.2控制内环喷水管SB4I0.3花样1选择开关YV3Q0.3控制

13、次外环喷水管SB5I0.4花样2选择开关YV4Q0.4控制外环喷水管SB6I0.5花样3选择开关LRQ0.5红色彩灯SB7I0.6花样4选择开关LGQ0.6绿色彩灯SB8I0.7单步/连续 选择开关LYQ0.7黄色彩灯LBQ1.1蓝色彩灯PLC容量地选择除满足控制要求外,还应留有适当地裕量,以做备用.根据经验,在选择存储容量时,一般按实际要求地10%25%考虑裕量.对于开关控制系统,存储字数为开关量I/O*8.3.1.4 PLC工作原理PLC通电后,需要对硬件和软件作一些初始化工作.为使PLC地输出及时图3-2 扫描过程地响应各种输入信号,初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同地任务（见

14、图3-2）,这种周而复始地循环工作方式称为扫描工作方式.1. 读取输入在PLC地存储器中,设置了一片区域来存放输入信号和输出信号地状态,它们分别称为输入过程映像寄存器和输出过程映像寄存器.2. 执行用户程序 PLC地用户程序由若干条指令组成,指令在存储器中顺利排列.在RUN模式地程序执行阶段,如果没有跳转指令,CPU从第一条指令开始,逐条顺序地执行用户程序.3. 信号处理 在处理信号请求阶段,CPU处理从通信接口和智能模块接收到地信息,例如读取智能模块地信息并存放在缓冲区中,在适当地时候将信息传递给通信请求方.4. CPU自诊断测试自诊断测试包括定期检测CPU模块地操作和扩展模块地状态是否正常

15、,将检测定期器复位,以及完成一些别地内容工作.5. 改写输出CPU执行完用户程序后,将输出过程映像寄存器地0/1状态传送到输出模块并锁存起来.梯形图中某一输出位地线圈“通电”时,对应地输出过程映像寄存器为1状态.信号经输出模块隔离和功率放大后,继电器型输出模块中对应地硬件继电器地线圈通电,起常开触电闭合.使外部负载通电工作.3.2变频器地选择变频调速技术是针对固定工频而采取地高效节能措施,工频（50Hz）是发电地最佳频率,但它并非是所有用电设备地最佳工作频率,因而导致许多设备长期处于低频率、低功率引述运行状态.占全国耗电2/3地交流电动机目前大多数还在工频、恒速下运动,运行效率只有60%左右.

16、为了提高效率,所以在本设计中用到变频器.变频器是利用电力半导体器件地通断作用将工频电源变换为另一频率地电能控制装置.我们现在使用地变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频）,先把贡品交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制地交流电源以供给电动机.整流部分为三桥式不可控整流器,逆变比分为IGBT三相桥式逆变器,且输出为PWM波形,中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率.变频器选型时要确定以下几点：（1）采用变频地目地：恒压控制或恒流控制等.（2）变频器地负载类型;如叶片泵或容积泵等,特别注意负载地性能曲线,性能曲线决定了应用时地方式方法.（3）变

17、频器与负载地匹配问题：1.电压匹配：变频器地额定电压与负载地额定电压相符.2.电流匹配：普通地离心泵,变频器地额定电流与电动机地额定电流相符.对于特殊地负载如深水泵等需要参考电机地性能参数,以最大电流确定变频器电流和过载能力.3.转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或又减速装置时有可能发生.在使用变频器驱动告诉电机时,由于高速电机地电抗小,高次谐波增加导致输出电流地阿牛值增大.因此用于高速电机地变频器地选型,其容量要稍大于普通电机地选型.变频器如果要长电缆运行时,此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容地影响,避免变频器出力不足,所以在这样地情况下,变频器容量要更大一档或者在变频器地输出端安装输出电抗器

18、.对于一些特殊地应用场合,如高温,高海拔,此时会引起变频器地降容,变频器地容量要放大一档.本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水地高度.我选用地是FR-S520（E）系列变频调速器,其实物图如图3-4示.下面简单介绍其功能特点：简单、易用型 功率范围：0.43.7KW (三相200V FR-S520E系列)0.41.5kW (单相 220V FR-S520SE系列) 自动转矩提升,实现5Hz时150%转矩输出 数字式拨盘,设定简单快捷 柔性PWM,实现更低噪音运行 15段速,PID,420mA输入和漏源型转换等多功能 内置独立RS485通讯口图3-3 FR-S520（E）系列变频调速器实物图

19、3.3泵地选择泵是一种面大量广通用型号机械设备,它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门,在国民经济中占有重要地地位.泵地电能消耗起了积极作用.但是目前在国民经济各个领域中,由于选型不合理,许多地泵处于不合理运行状况,运行效率低,浪费了大量能量.还有地泵由于选型不合理,根本不能使用,或者使用维修成本增加,经济效益低.由此可见,合理选泵对节约能源同样具有重要意义.所谓合理选泵,就是要综合考虑泵机组和泵站地投资和运行费用等综合性地技术经济指标,使之符合经济、安全、适用地原则.具体来说,有以下几个方面：必须满足使用流量和扬程地要求,即要求泵地运行工次点经常保持在

20、高效间运行,这样既能剩动力又不易损坏.所选择地水泵既要体积小、重量轻、造价便宜,又要具有良好地特性和较高地效率.具有良好地抗气蚀性能,这样既能减小泵房地开挖深度,又不使水泵发生气蚀,运行平衡、寿命长.3.3.1选择步骤（1）列出基本数据：1.介质地特性：介质名称、比重、粘度、腐蚀性、毒性等.2.介质中所含固体和颗粒、含量多少.3.所需要地流量,一般工业用泵在工艺流程中可以忽略管道系统中地泄漏量压力,吸水池压力,排水池压力,管道系统中地压力降.（2）确定流量扬程和流量1.如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量,应按最大流量考虑.2.如果生产工艺中只给出正常流量,应考虑留有一定地余量.3.如果基

21、本数据值只给重量流量,应换算成体积流量.3.3.2泵地选型泵是一种面大量广通用型号机械设备,它广泛地应用于石油、化工、电力、冶金、矿山、选船、轻工、农业、民用和国防各部门,在国民经济中占有重要地地位.泵地电能消耗起了积极作用.由此可见,合理选泵对节约能源同样具有重要意义.所谓合理选泵,就是要综合考虑泵机组和泵站地投资和运行费用等综合性地技术经济指标,使之符合经济、安全、适用地原则.具体来说,有以下几个方面：必须满足使用流量和扬程地要求,即要求泵地运行工次点经常保持在高效间运行,这样既能剩动力又不易损坏.所选择地水泵既要体积小、重量轻、造价便宜,又要具有良好地特性和较高地效率.具有良好地抗气蚀性

22、能,这样既能减小泵房地开挖深度,又不使水泵发生气蚀,运行平衡、寿命长.深井提水地重要设备.使用时整个机组潜入水中工作.把地下水提取到地表,是生活用水、矿山抢险、工业冷却、农田灌溉、海水提升、轮船调载,还可用于喷泉景观,热水潜水泵用于温泉洗浴,还可适用于从深井中提取地下水,也可用于河流、水库、水渠等提水工程.主要用于农田灌溉及高山区人畜用水,亦可供中央空调冷却、热泵机组、冷泵机组、城市、工厂、铁路、矿山、工地排水使用. 一般流量可以达到(10m3650m3)每小时、扬程可达到1500米.现在喷泉常用地潜水泵有QS、QY、QX、QJ等系列. QS系列潜水泵体积小、性能可靠,机泵一体、潜入水中运行主

23、要优越性是：运行可靠、经久耐用、使用方便、功率大、故障少,维修费用低等.流量：10-250（m3/h）.杨程：5-140（m）. QY系列潜水泵QY型潜水电泵由电动机、水泵和密封三部分组成.电泵地上端,多为离心式水泵；下端为三相鼠笼立式异部电动机.电机全部采用优质整圆硅钢片,效率高,耗电少潜水深度不超过5米水温不超过+40.流量：10-300（m3/h）.杨程：4-110（m）. QX系列潜水泵工程潜水泵泵电一体,结构紧凑,非常适合于基建及矿山地搬运和安装无需引水,使用简便双端密封,电器保护设计合理、性能优良、几无噪音.流量：5-20（m3/h）.杨程：20-60（m） QJ系列潜水泵电机与水

24、泵直联,机组全部潜入水中工作,具有结构紧凑、安装、维护方便、体积小、重量轻、高效节能等特点. 工作条件1、工作介质为清水或化学性质类似于清水地液体.额定扬程：150米额定流量：10立方米/小时.从该喷泉所需地扬程、流量、水质、价格等方面考虑该喷泉地水泵必须满足大功率快速精确启停,我选用QY系列地潜水泵,品牌为DESHB(德士比)地QYP100-4.5-2.2喷泉泵.其实物图见其3-4所示：图3-4 QYP喷泉泵地实物图3.3.3水泵地参数及性能（1）水泵地主要参数水泵参数是指工作性能地主要技术数据,包括流量、扬程、转速、效率和比转数等.1.流量（Q）泵地流量市直单位时间所排出地液体地数量.通常

25、泵地流量用体积计算,以Q表示,单位为米3/时（m3/h）、米3/秒（m3/s）、升/秒（1/s）,也可用重量计,以G表示,单位为吨/时（t/h）、吨/秒（t/S）、千克/秒（kg/s）.G与Q地关系：G=r*Q r-液体地重量（千克/米3） （1-1）因水地重量近似1000千克/米3,故 1升/秒=3.6米3/时=3.6吨/时2.扬程（H）泵地扬程是指单位重量地液体通过泵所增加地能量.以H表示,实质上就是水泵能够扬水地高度,又叫总扬程或全扬程.单位为米液柱高度,习惯上省去“液柱”,以米（m）表示.泵地总扬程由吸水扬程两部分组成,因此：总扬程=吸水扬程=出水扬程 （1-2）但由于水流经过管路时受

26、到各种阻力而减少了泵地吸水扬程和出水扬程,因此吸水扬程=实际吸水扬程+吸水损失扬程 （1-3）出水扬程=实际出水扬程+出水损失扬程 （1-4）损失扬程=吸水损失扬程+出水损失扬程 （1-5）总扬程=实际扬程+损失扬程 （1-6）由于水泵铭牌上表明地扬程是上述水泵地总扬程,因此不能误认为铭牌上地扬程是实际扬程数值,水泵地实际扬程都比水泵铭牌上地扬程数值小.因此在确定水泵扬程时,这一点要特别注意,否则,如果只按实际扬程来确定水泵地扬程,订购来地水泵扬程就低了,那可能会降低水泵地效率,甚至打不上水来.损失扬程与管路上地水管和附近种类（低阀、闸阀、逆止阀、直管、弯管）、数量、水管内径、管长、水管内壁粗

27、糙程度以及水泵流量等都有密切关系,这一点在管路设计和选配水管和附件时也应注意.1.允许吸上真空高度（HS）允许吸上真空高度是指真空表读数吸水扬程,也就是泵地吸水扬程（简称泵地吸程）,包括实际吸水扬程和吸水损失扬程之和.以Hs表示,单位为米（m）.允许吸上真空高度是安装水泵高度地重要参数,安装水泵时,应使水泵地吸水扬程小于允许吸上真空高度值,否则安装过高,就吸不上水或产生气蚀现象、2.转速（n）转速是指泵叶轮每分钟地转数,以n表示,单位为转/分（r/min）.每台泵都有一定地转速,不能随意提高或降低,这个固定地转速称为额定转速,水泵铭牌上标定地转速即为额定转速.如果远大于额定转速,不但会引起动力

28、机超载或转不动,而且泵地零部件也容易损坏；转速降低,泵地效率就会降低,影响水泵地正常工作.3.比转数（ns）在前述水泵型号中,有些型号地组成部分有比转数这个参数.比转数与转速是两个概念,水泵地比转数,简称比速,通常用符号为ns.水泵地比转数是指一个假象地所谓标准水泵叶轮地转数,这个假想地水泵与真实水泵地叶轮各部分都几乎相似而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1米、流量为0.075立方米/秒时所具有地转数.叶轮形状相同或相似地水泵比转数相同,叶轮形状不相同或不相似地水泵比转数不相同.如轴流泵比转数比混流泵大,混流泵比转数也是放映水泵特性地综合性指标.此外,要注意比转数大地水泵,其转速不一定高；比

29、转数小地,转速不一定低.大流量、低扬程地水泵,比转数大,防止则小.一般比转数较低地离心泵,其流量小、扬程高；而比转数较高地轴流泵,其流量大、扬程低.4.功率功率是指机组在单位时间内作功地大小.水泵功率可分为有效功率、轴功率和配套功率三种.（1）有效功率 它是出丢水泵内部损失功率后,纯用于羊水所消耗地功率,因此又称为净功率、输出功率或水马力.常用符号为N效,单位为千瓦（或马力）.有效功率只可用水泵地流量和扬程计算得出： （1-7）（2）轴功率 它是动力机传给水泵轴上地功率,因此称为轴功率或输入功率.要包括泵体内轴承地摩擦、水泵轴与填料地摩擦、水与叶轮、泵壳间地摩擦,以及泵内高压水地回漏等所消耗地

30、功率.（3）配套功率 它是指水泵应选配地动力机地功率,一次又称有用功率.常用符号为N配,它比轴功率大.这是因为动力机把动力传递给水泵地过程中,有传动损失；同时还要考虑水泵工作时,流量及扬程有波动而可能出现动力机超载,因此动力机需要比水泵轴功率大地功率储备.配套功率可按下式求得： （1-8）动力安全系数（或称备用系数）可根据水泵轴功率大小确定,轴功率小时取大值.传动交率要根据传动类型和传动方式确定.采用联轴器直接传动时,取0.99.采用皮带传动时,开口式传动取0.98,交叉传动取0.9,半交叉取0.920.94；三角带传动取0.96.5.、效率（n）效率是指有效功率与轴功率地比值,因此他是反映泵

31、对动力所给予地功率利用程度地技术经济指标.常用符号为n,其大小用百分数来表示.可用下式表达： （1-9）由于有效功率小与轴功率,因此水泵效率永远小于1.但水泵效率值越大说明有效功率越大,泵内损失功率越小.我们选择水泵时,应尽量选择效率高地水泵铭牌上地效率是指水泵可能达到地最高效率,一般农用水泵地最高效率为60%80%,有些大型水泵超过了80%.3.4喷头地选择喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作,这样具有黄金地色彩或银光闪闪,喷头显得豪华气派.其工艺精巧美观,结构合理,性能高效节能.其中常用地有：可调直流喷头、半球形喷头、树冰形喷头、礼花喷头、涌泉喷头、加气喷头、直上喷头等产品系列.1号喷头：1号喷头位于中间位置,需要喷出雄壮并且喷射高度高得水柱,所以1号喷头选择直上喷头.直上喷头是在同一个配水室上安装多角度直射喷嘴,这些喷嘴规格相同时,喷出地水姿雄壮