《工厂电气控制与PLC》综合设计说明书

河北水利电力学院

《工厂电气控制与PLC》综合设计说明书

专业： 自动化

班级： 1802

学号： 1008518030203

姓名： 单留伟

指导教师： 栗梦媛 姜久超 刘振方 王继超

2021年 5月 14 日

深井泵PLC控制系统

深井泵PLC控制系统 4

一、绪论 4

二、总体方案设计 8

三、系统的硬件设计 9

四、PLC控制系统的软件设计 12

五、安装与调试 14

六、性能测试与分析 16

七、结论语 16

八、致谢 17

参考文献： 17

一、绪论

1.1

随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。相对于工业也不例外，水泵的开停及选择切换均需人工完成，完全依赖于工人的技术、经验和责任心，也预测不了水位的增长速度，做不到根据水位和其他参数在用电的峰谷期自动开停水泵，这将严重影响工业自动化管理水平和经济效益，同时也容易由于人为因素造成各种安全隐患。

深井泵是电机与水泵直联潜入水中工作的提水机具，它适用于从深井提取地下水,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原山区的人畜用水,亦可供城市、工厂、铁路、矿山、工地供排水使用。由于深井泵是电机及水泵体直接潜入水中运行的，其是否安全可靠将直接影响到深井泵的使用以及工作效率，因此，安全可靠性能高的深井泵也成为首选。

在地下水源热泵系统中，经常一台深井泵的供水量能满足两台或更多热泵机组所需的水量。但是在实际运行中发现，热泵机组大部分时间都在部分负荷运行，而深井泵一直处于满负荷运行，结果造成了电费及水费的大量增加。

变频调速技术以其显著的节能效果和可靠的控制方式在空调系统中水泵和风机应用较多，并且其技术也比较成熟，但在地下水源热泵空调系统中深井泵供水应用，还很少见，但是却相当有必要。对沈阳地区的地下水源热泵应用试点调查发现，在地下水源热泵空调系统中，当热泵容量不大一台深井泵的供水量能满足两台或更多热泵机组所需的水量。在实际运行中发现，热泵机组大部分时间部分负荷运行，而深井泵一直在满负荷状态运行，结果造成了电费及水费的大量增加。因此深井泵变频调速供水技术在地下水源热泵系统中的应用具有很大的节能潜力。

1.2

1)几十年来国内学者在井泵研究方面取得了显著成果,但目前急需加强深井泵系统的水力模型设计,并探求更为准确的结构设计.2)丹麦格兰富的冲压不锈钢井泵具有高效、节能、节材、保护环境等突出优点,因此具有广阔的应用前景,市场潜力巨大.3)拥有自主知识产权的专利技术“一种叶轮自身平衡轴向力的多级离心泵”和“一种深井离心泵”的设计方法可将深井泵的单级扬程提高5%,效率也得到提高,而生产成本却大幅度降低,并可完全平衡轴向力,代表了深井泵更新换代的一个重要方向.4)针对深井泵轴向力的问题,利用数值模拟进行轴向力计算并进行新轴向力平衡试验的方法将成为研究井泵轴向力最重要也是最主要的设计手段之一.但数值模拟的精度及可靠性还有待于进一步研究.2.1 题目要求设计

1、某深井泵电机一台 30kw，额定电压380V频率50Hz。

设计要求：

(1）深井泵电机启动时采用降压起动，可以工频和变频两种方式运行，变频和工频不能同时进行,两者之间要有互锁关系。

（2）降压启动时采用自耦变压器降压启动。

(3）启动结束后转到变频运行。

(4）深井泵通过传统电气控制和 PLC 两种控制，通过设置切换开关实现控制方式的改变。

(5）变频器的型号和 PLC的型号以及其他电气设备的选择按设计需求选用。

2、指导教师简要讲解题目，参考国内外同类产品的有关资料或论文、网络资源，对应用对象的工作过程进行深入的调查和分析。需求分析通常需要综合用户的意见及用途，工程师根据系统的工作环境、应用领域，综合性地考虑系统的可靠性、通用性、可维护性、先进性，从工程角度完善整套设备的控制需求。任务需求分析是系统设计的开始，也是系统设计的依据，是决定系统用途的关键。

一、Introduction

1.1

With the rapid development of computer control technology, PLC control, which is based on microprocessor, has gradually replaced relay control, and is widely used in the field of automation control in all walks of life.Compared with industry, the start-up and selection of water pump shall be completed manually, which is completely dependent on the workers technology, experience and responsibility, and the growth rate of water level cannot be predicted.It is impossible to automatically start and stop the water pump in peak valley period according to water level and other parameters, which will seriously affect the level of industrial automation management and economic benefits, At the same time, it is easy to cause various safety hazards due to human factors.Deep well pump is a water lifting machine which is directly connected with motor and water pump to dive into water.It is suitable for extracting groundwater from deep wells, and also for water extraction projects such as rivers, reservoirs, canals, etc.it is mainly used for farmland irrigation and human and animal water in Plateau and mountainous areas, and also for drainage of cities, factories, railways, mines and construction sites.Because the deep well pump is operated by the motor and the pump body directly, whether it is safe and reliable will directly affect the use and working efficiency of the deep well pump, so the high safety and reliability performance of the deep well pump is also the first choice.In the underground water source heat pump system, the water supply quantity of one deep well pump can meet the water demand of two or more heat pump units.But in practice, it is found that the heat pump unit is running at partial load most of the time, while the deep well pump is always in full load operation, which results in a large increase in electricity and water costs.Frequency conversion speed regulation technology is widely used in water pump and fan in air conditioning system with its remarkable energy saving effect and reliable control method, and its technology is also relatively mature.But it is rare to apply deep well pump in underground water source heat pump air conditioning system, but it is very necessary.The pilot investigation of the application of the underground water source heat pump in Shenyang shows that in the air conditioning system of the underground water source heat pump, the water supply of one deep well pump with small capacity of the heat pump can meet the water demand of two or more heat pump units.It is found that the heat pump unit is running partially at most of the time, while the deep well pump is running at full load, which results in a large increase in the electricity and water costs.Therefore, the application of frequency conversion and speed regulating water supply technology of deep well pump in the underground water source heat pump system has great potential for energy saving.1.2

1)In recent decades, domestic scholars have made remarkable achievements in the research of well pump, but it is urgent to strengthen the hydraulic model design of deep well pump system and to explore more accurate structural design.2)The stamping stainless steel well pump of gryfu, Denmark, has many outstanding advantages such as high efficiency, energy saving, material saving and environmental protection, so it has a broad application prospect and huge market potential

3)The patented technology of independent intellectual property rights, the design method of “a multi-stage centrifugal pump with balanced axial force of impeller” and “one deep well centrifugal pump” can increase the single stage lift of deep well pump by 5%, and the efficiency is also improved.However, the production cost is greatly reduced, and the axial force can be completely balanced, which represents an important direction of the renewal and replacement of deep well pump

4)In view of the problem of axial force of deep well pump, the method of calculating axial force by numerical simulation and carrying out new axial force balance test will become one of the most important and main design methods for studying the axial force of well pump.However, the accuracy and reliability of numerical simulation need further study.二、总体方案设计

该系统设计一共分为三部分：主电路设计图，PLC外部设备连接图，传统电气控制电路图。如下图 1总体设计图。

（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求，如控制的基本方式，需要完成的动作和操作方式。

（2）根据被控对象对PLC控制系统的功能要求和所需的I/O信号的点数等，选择合适类型的PLC，若需要网络控制系统，还需选择网络通信系统的类型。

（3）根据被控要求所需的用户I/O设备，确定PLC类型，并确定PLC的I/O地址分配，设计I/O端子的接线图。

（4）根据工作循环图表或状态流程图设计梯形图。若被控对象已经有了继电器控制电路图，可把电路图变成梯形图。设计梯形图时编制程序关键的一步，也是较困难的一步。设计好梯形图，首先熟悉控制要求，还需要有电气设计的实际经验。

（5）根据梯形图编制程序清单。

（6）将程序写入PLC用户程序存储器，调试检查，包括局部调试、整体调试、联机调试等。

1、主电路

深井泵电机，需要自耦变压器降压启动。电动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。原理是电动机启动后，再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运动。

需要外接变频器，改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95%左右。

2、PLC外部连接图

I0.0~I0.3输入采样阶段，用户程序执行阶段，Q0.0~Q0.1输出阶段。

3、传统电气控制设计

开关按钮SB2,SB3.急停按钮SB1，热继电器FR。SA1转换开关。

按下SB2，继电器KM3,KM2,时间继电器KT1得电，电机降压启动。一段时间后，时间继电器KT1的通电延时常开按钮闭合，通电延时常闭按钮断开。继电器KM1得电，KM2,KM3断电，电机变频运行。

按下SB3，KM1得电，电机变频启动运行。

图 1 总体设计图

三、系统的硬件设计

1.PLC的机型选择

通过熟悉控制对象和要求，分析控制过程，结合输入输出设备的数目与电气特性，选择合适型号的PLC，PLC是控制系统的核心部件，对于保证整个控制系统的技术性能指标起着重要作用。机型选择的基本原则是在满足控制功能要求前提下，保证系统工作可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。

在机型选择的过程中，主要注意以下几点：

1）结构合理

在工艺过程比较稳固、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的PLC。针对具体的项目进行PLC选型时，注意控制系统的复杂程度选择合适的型别，并分析项目中PLC的特点及功能。

2）功能强弱适当

对于开关量控制的工程项目，若是控制速度要求不高，一般选用抵挡的PLC；对于开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目，可选用含有AD转换的模拟量输入模块和含有DA转换的模拟量输出模块以及具有加减乘除和数据传输功能的低档PLC；对于较复杂、控制功能要求较高的工程项目，可根据控制规模及复杂程度，选用中档或高档机。

3）PLC的处理速度应满足实时控制的要求

选用CPU速度快的PLC，提高PLC的实时处理速度，对编制的程序进行优化，缩短扫描周期；必要时可采用高速响应模块，其响应时间不受PLC扫描周期的影响，只取决于硬件延时。

5）是否在线编程

采用较经济的离线编程方式还是采用应用领域较宽的在线编程方式取决于被控设备的工艺要求，对于产品定型的设备和工艺不长变动的设备，往往选用离线编程的PLC，反之，考虑选用在线编程的PLC。

2.PLC容量选择

1）PLC容量

关于PLC的容量主要包括两个方面：一是I/O点数；二是用户存储容量（字数）。PLC容量的选择除满足控制要求外，还应留有适当的容量，以做备用。

2）减少I/O点数的措施

在PLC控制系统的实际应用中，常通过合并输入点、单按钮起/停控制、分组输入、利用PLC外部电路等方法减少输入点数；通过负载并联、借助接触器辅助触点、使用数字显示其代替指示灯、输出设备多用化等方法减少输出点数。

3.I/O模块的选择

通过I/O接口模块检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制器对被控对象进行控制的依据。I/O模块选择时首先需要确定点数，要充分考虑到裕量，从而方便地对功能进行扩展。其余还包括对开关量I/O、模拟量I/O、特殊功能I/O、智能式I/O的选择。

4.电源模块的选择

电源模块一般只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于处理器模块、I/O模块和专用模块等消耗电流的总和。

5.绘制电路图

绘制电路图的目的是把系统的输入和输出所涉及的地址和名称联系起来。这是很关键的一步，绘制输入电路时，不仅要考虑信号的连接点是否与命名一致，还要考虑输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到特殊条件下运行的可靠性和稳定条件问题等。绘制输出电路时，不仅要考虑输出信号连接点是否与命名一致，还要考虑PLC输出模块的带负载能力与耐电压能力。设计的步骤为主电路、控制电路、辅助电路、联锁与保护、检查、修改与完善

四、PLC控制系统的软件设计

1.系统功能设计

在用户需求分析和工程师系统分析基础上，对整个控制系统进行功能的划分。首先需要将复杂的工程分解成多个较简单的小任务，便于编程与维护。其次编制控制系统的逻辑关系图，可以反映控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反映了输入和输出的关系。

2.编写PLC程序并进行模拟调试

1）程序框图与执行流程图

根据需求分析与工艺要求，绘制出各种功能单元的详细功能框图。框图是程序的主要依据，尽可能详细，以便对全部控制功能有一个整体的概念。绘制PLC控制系统程序流程图，完成程序设计过程的分析说明。

2）I/O口的点数及地址分配

根据选题的输入输出设备、控制要求，确定PLC外部I/O端口的分配。首先做I/O分配表，对个I/O点功能做出说明。然后画出PLC外部I/O接线图，依据输入输出设备和I/O口分配关系，画出I/O接线图，接线图中标明各元件代号及编码。I/O输入输出图，如下图所示。

3）PLC梯形图设计

根据上述框图与流程图逐条编写控制程序，这是整个设计过程工作的核心部分。在绘制梯形图过程中，应熟练掌握基本指令和简单编程，可借鉴现成的典型控制环节程序，另外，应及时对编出的程序进行注释，提高程序的逻辑性与可读性。

如上图所示，按下I0.0，Q0.0得电。此时为自耦变压器降压启动运行。同时定时器开始定时1S。时间一到，定时器的触点开始动作，Q0.0断电，Q0.1得电，电机变频运行。

如下图所示，按下I0.3，Q0.1得电，电机变频启动运行。

上图Q0.1的常闭以及下图Q0.0的常闭为工频和变频的互锁。

五、安装与调试

PLC控制系统的安装与调试，涉及到各项工作，并且只能按序进行，-环紧扣一环，稍.有不慎都将导致调试失败，不但延误工期,甚至会损坏设备。本文介绍了在现场实践中总结出的PLC控制系统的安装与调试技术经验，并对现场经常出现的安装、调试相关问题，提出探讨意见和解决方案。

一、系统的安装与调试

合理安排系统安装与调试程序，是确保高效优质地完成安装与调试任务的关键。

1、前期技术准备

系统安装调试前的技术准备工作越充分，安装与调试就会越顺利。前期技术准备工作包括下列内容:

(1)熟悉PC随机技术资料、原文资料,深入理解其性能、功能及各种操作要求，制订操作规程。

(2)深入了解设计资料、对系统工艺流程，特别是工艺对各生产设备的控制要求要有全面的了解，在此基础上，按子系统绘制工艺流。程联锁图、系统功能图、系统运行逻辑框图、这将有助于对系统运行逻辑的深刻理解，是前期技术准备的重要环节。

(3)熟悉各工艺设备的性能、设计与安装情况，特别是各设备的控制与动力接线图，并与实物相对照，以及时发现错误并纠正。

(4)在全面了解设计方案与PC技术资料的基础上，列出PC输入输出点号表(包括内部线圈一览表，I/0所在位置，对应设备及各I/O

(5)研读设计提供的程序，对逻辑复杂的部分输入、输出点绘制时序图，一些设计中的逻辑错误，在绘制时序图时即可发现。

(6)分子系统编制调试方案，然后在集体今的基础。上综合成为全系统调试方案。

3、实验室调试

(1)PLC的实验室安装与开通制作金属支架,将各工作站的输入、输出模块固定其上，按安装提要以同轴电缆将各站与主机、编程器、打印机等相连接，检查接线正确，供电电源等级与PLC电压选择相符合后，按开机程序送电，装入系统配置带，确认系统配置，装入编程器装载带、编程带等，按操作规程将系统开通，此时即可进行各项操作试

(2)键入工作程序

(3)模拟I/O输入、输出，检查修改程序本步骤的目的在于验证输入的工作程序的正确性，该程序的逻辑所表达的工艺设备的联锁关系是否与设计的工艺控制要求相符，程序是否畅通。若不相符或不能运行完成全过程，说明程序有误，应进行修改。在这人!程中，对程序的理解将逐步加深，为现’二试作好了准备，同时也可以发现程序不口理和不完善的部分，以便进一步优化。

3、PLC仿真图如下图所示

六、性能测试与分析

PLC是为了工业生产设计的控制装置，本身已经针对工业生产的环境进行了抗干扰的设计研究，在一般情况下已经具备了相当的抗干扰能力。但是由于现代化生产大型化、准确化、高效化的要求，以及某些特殊生产环境的影响都要求PLC要具备更强的抗干扰能力，针对PLC系统的可靠性探讨，主要从输入可靠性和输出稳定性两方面考虑。在输入可靠性程序构建中，需要注意防抖动设计、确保输入脉冲的稳定性、避免非法输入、检测多余或错误输入等。在输出稳定性程序构建中，应该用高质量的输出监控，如动作反应监控和看门狗监控。采用PLC系统的错误判断功能，利用计算机程序保证系统正常工作，减少错误的输出。

七、结论语

在本次为期两周的课程设计基本达到了预期目标，使我们的PLC设计知识更加的系统化，更清晰更直观化。在涉及过程中接触了大量的资料，对电气控制技术以及PLC设计有了更深刻的认识，解决了一些在学习本课程时的一些当时不太明白的问题，极大的丰富了相关知识，同时也扫清了知识盲区。

通过本次课程设计,使所获得的有关PLC的知识加以系统化,整体化,更好的巩固扩大所学的专业知识，如果有不懂,那么整个设计就进行不下去了,必须搞懂了，就能继续设计下。同时培养我的独立分析能力，解决实际问题的能力,在相当程度上锻炼了自己，同时也提高设计和编写说明书及绘画能力。

以西门子S7-200 型PLC 为核心的水泵自动控制系统，通过合理的程序设计和对原排水系统的改进，减轻工人劳动强度.同时也实现了水泵运行的合理调度，提高设备利用率，节能增效。

自动控制系统采用了技术先进的西门子S7-200 型PLC，性能稳定，故障率低，且具有完备的故障诊断和保护功能，保留的人工控制方式可在PLC控制系统故障时正常启动水泵。可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。总之，该系统的使用必将提高煤矿生产的自动化水平，对矿井安全生产具有重要意义。

八、致谢

本课题在选题及研究过程中得到几位老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，几位老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。老师们不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向各位老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

参考文献：

[1]胡奇芸－《基于带式输送机电控系统设计及应用》－重庆大学出版社－2009年

[2]乔东 －《PLC和变频器在电厂控制系统中的应用》－矿山机械出版社－2009年

[3]陈远立－《电气控制与可编程控制器》－华南理工大学出版社－2004年

[4]白铭声－《流体机械煤炭工业出版社》－上海交通大学出版社－2005年

[6]李胜旺－《PLC梯形图程序的设计方法与技巧》－电工技术出版社－1998年

[7]王孝颖－《PLC在煤矿井下主排水控制系统中的应用》－中国煤炭工业出版社－2002年

[8]周峰软－《PLC技术的发展现状及应用前景》－计算机工程与应用－2004年 [9]李泽松－《井下水泵房自动排水系统研究》－中央广播电视大学出版社－2005年

[10]姚福强－《煤矿井下主排水泵计算机监控系统设计》－煤矿机械出版社－2004年