第三章花式喷泉系统硬件设计方案.docx

1、第三章花式喷泉系统硬件设计方案第三章 花式喷泉系统硬件设计3.1可编程控制器PLC）的选择PLC产品的种类繁多，PLC的型号不同,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,适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的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作为它的简称。PLC是用于工业现场的电控制器。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的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过

2、输出电路的物理过程去实现对负载的控制。可编程控制器是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备，在其早期主要应用于开关量的逻辑控制。l987年国际电工技术委员会International Electrotechnical Commission，IEC）颁布的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的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，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的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，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

3、其功能的原则而设计。PLC有丰富的指令系统，有各种各样的I/O接口、通信接口，有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输出电路的物理过程去实现对负载的控制，因而具有以下基本的功能： 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的功能，PLC几乎也都可以做到。3.1.2 PLC的机型选择在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

4、计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，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的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。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）点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。2）存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储

5、器中用户应用工程使用的存储单元的大小，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的，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的估算来代替。3）控制功能的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的选择。根据本课题所设计控制的需求，主要介绍一下几种功能的选择。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的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。2.编程功能离线编程方式

6、：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和编程器有各自的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，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。五种标准化编程语言：顺序功能SFC）、梯形图三种图形化语言和语句表il）、结构体文ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准IEC113123），同时，还应该支持多种语言编程方式，如C,

7、Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。3.诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的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的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。选择合适的机型是PLC控制系统硬件配置的关键问题，目前，生产PLC的厂家很多，如西门子，三菱，松下，欧姆龙，LG，ABB公司等，不同厂家的PLC产品虽然基本功能相似，但有些特殊功能，价格及使用的编程指令和编程软件都不想同，而同

8、一厂家生产的PLC产品又不同系列，同一系类中又有不同的CPU型号，PLC的功能应强大，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，主要是开关量控制的应用系统。选用小型PLC就可满足要求。PLC的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，通过编程器上的方式开关选择PLC的编程，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，很适合在生产现场调试，修改程序用。现在很多PLC都有相应的编

9、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系类的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完成响应的控制任务。还可以在PLC运行的模式下调试程序，非常的方便。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24V直流输入开关量输出模块10点晶体管输出，工作

10、电压24V的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条指令的程序存储，2.5K字的数据存储，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模块及内存容量的选择I/O模块：本设计中的现场执行设备为电磁阀，初步确定选用开关量I/O。根据要求选择合适的I/O点数。 开关量输入模块种类很多，按输入点：常用的有8点，12点，16点，32点；按工作电压分：常用的有直流5V，12V，24V，48V

11、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的距离来选择，该设计控制距离要求不是很远，可选择24V即可，为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小。所谓门槛电平是指输入点的接通电平和关断电平的差值。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也越远。 开关量输出模块的输出方式的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的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，使用于动作不频繁的直流负载。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的场合基于以上因素，I/O模块确定为12点输入，10点晶体

12、管输出，工作电压24V的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的内存量大致为：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控制次外环喷水管SB5I0.4花样2选择开关YV4Q0

13、.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容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的裕量，以做备用。根据经验，在选择存储容量时，一般按实际要求的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的输出及时图3-2 扫描过程的响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务见图3-2），这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方

14、式。1. 读取输入在PLC的存储器中，设置了一片区域来存放输入信号和输出信号的状态，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的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模式的程序执行阶段，如果没有跳转指令，CPU从第一条指令开始，逐条顺序的执行用户程序。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的信息，例如读取智能模块的信息并存放在缓冲区中，在适当的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模块的操作和扩展模块的状态是否正常，将检测定期器复位，以及完成一些别的内容工作。5. 改

15、写输出CPU执行完用户程序后，将输出过程映像寄存器的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的线圈“通电”时，对应的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的硬件继电器的线圈通电，起常开触电闭合。使外部负载通电工作。3.2变频器的选择变频调速技术是针对固定工频而采取的高效节能措施，工频50Hz）是发电的最佳频率，但它并非是所有用电设备的最佳工作频率，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的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。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

16、半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的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、电压均可控制的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）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。2）变频器的负载类型。如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。3）变频器与负载的匹配问题：1.电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定

17、电压相符。2.电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电动机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等需要参考电机的性能参数，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，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流地阿牛值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。.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的影响，避免变频器出力不足，所以在这样的情况下，变频器容量要更大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。.对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器

18、的降容，变频器的容量要放大一档。本设计是通过变频器苏调技术来控制每环喷水的高度。我选用的是FR-S5200.41.5kW (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-S520E）系列变频调速器实物图3.3泵的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的地位。泵的电能消耗起了积极作用。但是目前在国民经济各个领域中，

19、由于选型不合理，许多的泵处于不合理运行状况，运行效率低，浪费了大量能量。还有的泵由于选型不合理，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的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。具体来说，有以下几个方面：必须满足使用流量和扬程的要求，即要求泵的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。所选择的水泵既要体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率。具有良好的抗气蚀性能，这样既能减小泵房的开挖深度，又不使水泵发生气蚀，运行平衡、寿命长。3.3.1选

20、择步骤1）列出基本数据：1.介质的特性：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.所需要的流量，一般工业用泵在工艺流程中可以忽略管道系统中的泄漏量压力，吸水池压力，排水池压力，管道系统中的压力降。每小时、扬程可达到1500M。现在喷泉常用的潜水泵有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：10-250m3/h）。杨程：5-140m）。 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。电泵的上端，多为离心式水泵；下端为三相鼠笼

21、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5M水温不超过+40。流量：10-300m3/h）。杨程：4-110m）。 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的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：5-20m3/h）。杨程：20-60的QYP100-4.5-2.2喷泉泵。其实物图见其3-4所示：图3-4 QYP喷泉泵的实物图3.3.3水泵的参数及性能1）水泵的主要参数水泵参数是指工作性能的主要技术数据，包括流量、扬程、转速、效率和比转数等。1.流量Q）泵的流量市直单位时间所排出的液体的数量。通常泵

22、的流量用体积计算，以Q表示，单位为M3/时m3/h）、M3/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的关系：G=r*Q r-液体的重量千克/M3） 1-1）因水的重量近似1000千克/M3，故 1升/秒=3.6M3/时=3.6吨/时2.扬程H）泵的扬程是指单位重量的液体通过泵所增加的能量。以H表示，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。单位为M液柱高度，习惯上省去“液柱”，以Mm）表示。泵的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到各种阻力而减少了泵的吸

23、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的扬程是上述水泵的总扬程，因此不能误认为铭牌上的扬程是实际扬程数值，水泵的实际扬程都比水泵铭牌上的扬程数值小。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的扬程，订购来的水泵扬程就低了，那可能会降低水泵的效率，甚至打不上水来。损失扬程与管路上的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、水管内壁粗糙程度以及水泵流量等都有密切关系，

24、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，也就是泵的吸水扬程简称泵的吸程），包括实际吸水扬程和吸水损失扬程之和。以Hs表示，单位为Mm）。允许吸上真空高度是安装水泵高度的重要参数，安装水泵时，应使水泵的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的转数，以n表示，单位为转/分r/min）。每台泵都有一定的转速，不能随意提高或降低，这个固定的转速称为额定转速，水泵铭牌上标定的转速即为额定转速。如果远大于额定转速，不但会引起动力机超载或转不动，而且泵的零部件也容易损坏；转

25、速降低，泵的效率就会降低，影响水泵的正常工作。3.比转数ns）在前述水泵型号中，有些型号的组成部分有比转数这个参数。比转数与转速是两个概念，水泵的比转数，简称比速，通常用符号为ns。水泵的比转数是指一个假象的所谓标准水泵叶轮的转数，这个假想的水泵与真实水泵的叶轮各部分都几乎相似而在消耗功率为0.735千瓦、扬程为1M、流量为0.075立方M/秒时所具有的转数。叶轮形状相同或相似的水泵比转数相同，叶轮形状不相同或不相似的水泵比转数不相同。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的综合性指标。此外，要注意比转数大的水泵，其转速不一定高；比转数小的，转速不一定低。大流量、低扬程的水泵，

26、比转数大，防止则小。一般比转数较低的离心泵，其流量小、扬程高；而比转数较高的轴流泵，其流量大、扬程低。4.功率功率是指机组在单位时间内作功的大小。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，纯用于羊水所消耗的功率，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的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的功率，因此称为轴功率或输入功率。要包括泵体内轴承的摩擦、水泵轴与填料的摩擦、水与叶轮、泵壳间的摩擦，以及泵内高压水的回漏等所消耗的功率。3）配套功率 它是指水泵应选配的动力机的功率，一

27、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的过程中，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的功率储备。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的比值，因此他是反映泵对动力所给予的功率利用程度的技术经济指标。常用符号为n，其大小

28、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，应尽量选择效率高的水泵铭牌上的效率是指水泵可能达到的最高效率，一般农用水泵的最高效率为60%80%，有些大型水泵超过了80%。3.4喷头的选择喷泉喷头也称喷泉喷嘴全部采用铜或不锈钢制作，这样具有黄金的色彩或银光闪闪，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。其中常用的有：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，喷出的水姿雄壮笔直、粗狂美观；