河北水利電力學院

《工廠電氣控制與PLC》綜合設計說明書

專業： 自動化

班級： 1802

學號： 1008518030203

姓名： 單留偉

指導教師： 栗夢媛 姜久超 劉振方 王繼超

2021年 5月 14 日

深井泵PLC控制系統

深井泵PLC控制系統 4

一、緒論 4

二、總體方案設計 8

三、系統的硬件設計 9

四、PLC控制系統的軟件設計 12

五、安裝與調試 14

六、性能測試與分析 16

七、結論語 16

八、致謝 17

參考文獻： 17

一、緒論

1.1

隨著計算機控制技術的迅速發展，以微處理器為核心的可編程序控制器（PLC）控制已逐步取代繼電器控制，普遍應用于各行各業的自動化控制領域。相對于工業也不例外，水泵的開停及選擇切換均需人工完成，完全依賴于工人的技術、經驗和責任心，也預測不了水位的增長速度，做不到根據水位和其他參數在用電的峰谷期自動開停水泵，這將嚴重影響工業自動化管理水平和經濟效益，同時也容易由于人為因素造成各種安全隱患。

深井泵是電機與水泵直聯潛入水中工作的提水機具，它適用于從深井提取地下水,也可用于河流、水庫、水渠等提水工程:主要用于農田灌溉及高原山區的人畜用水,亦可供城市、工廠、鐵路、礦山、工地供排水使用。由于深井泵是電機及水泵體直接潛入水中運行的，其是否安全可靠將直接影響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為首選。

在地下水源熱泵系統中，經常一臺深井泵的供水量能滿足兩臺或更多熱泵機組所需的水量。但是在實際運行中發現，熱泵機組大部分時間都在部分負荷運行，而深井泵一直處于滿負荷運行，結果造成了電費及水費的大量增加。

變頻調速技術以其顯著的節能效果和可靠的控制方式在空調系統中水泵和風機應用較多，并且其技術也比較成熟，但在地下水源熱泵空調系統中深井泵供水應用，還很少見，但是卻相當有必要。對沈陽地區的地下水源熱泵應用試點調查發現，在地下水源熱泵空調系統中，當熱泵容量不大一臺深井泵的供水量能滿足兩臺或更多熱泵機組所需的水量。在實際運行中發現，熱泵機組大部分時間部分負荷運行，而深井泵一直在滿負荷狀態運行，結果造成了電費及水費的大量增加。因此深井泵變頻調速供水技術在地下水源熱泵系統中的應用具有很大的節能潛力。

1.2

1)幾十年來國內學者在井泵研究方面取得了顯著成果,但目前急需加強深井泵系統的水力模型設計,并探求更為準確的結構設計.2)丹麥格蘭富的沖壓不銹鋼井泵具有高效、節能、節材、保護環境等突出優點,因此具有廣闊的應用前景,市場潛力巨大.3)擁有自主知識產權的專利技術“一種葉輪自身平衡軸向力的多級離心泵”和“一種深井離心泵”的設計方法可將深井泵的單級揚程提高5%,效率也得到提高,而生產成本卻大幅度降低,并可完全平衡軸向力,代表了深井泵更新換代的一個重要方向.4)針對深井泵軸向力的問題,利用數值模擬進行軸向力計算并進行新軸向力平衡試驗的方法將成為研究井泵軸向力最重要也是最主要的設計手段之一.但數值模擬的精度及可靠性還有待于進一步研究.2.1 題目要求設計

1、某深井泵電機一臺 30kw，額定電壓380V頻率50Hz。

設計要求：

(1）深井泵電機啟動時采用降壓起動，可以工頻和變頻兩種方式運行，變頻和工頻不能同時進行,兩者之間要有互鎖關系。

（2）降壓啟動時采用自耦變壓器降壓啟動。

(3）啟動結束后轉到變頻運行。

(4）深井泵通過傳統電氣控制和 PLC 兩種控制，通過設置切換開關實現控制方式的改變。

(5）變頻器的型號和 PLC的型號以及其他電氣設備的選擇按設計需求選用。

2、指導教師簡要講解題目，參考國內外同類產品的有關資料或論文、網絡資源，對應用對象的工作過程進行深入的調查和分析。需求分析通常需要綜合用戶的意見及用途，工程師根據系統的工作環境、應用領域，綜合性地考慮系統的可靠性、通用性、可維護性、先進性，從工程角度完善整套設備的控制需求。任務需求分析是系統設計的開始，也是系統設計的依據，是決定系統用途的關鍵。

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、總體方案設計

該系統設計一共分為三部分：主電路設計圖，PLC外部設備連接圖，傳統電氣控制電路圖。如下圖 1總體設計圖。

（1）深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求，如控制的基本方式，需要完成的動作和操作方式。

（2）根據被控對象對PLC控制系統的功能要求和所需的I/O信號的點數等，選擇合適類型的PLC，若需要網絡控制系統，還需選擇網絡通信系統的類型。

（3）根據被控要求所需的用戶I/O設備，確定PLC類型，并確定PLC的I/O地址分配，設計I/O端子的接線圖。

（4）根據工作循環圖表或狀態流程圖設計梯形圖。若被控對象已經有了繼電器控制電路圖，可把電路圖變成梯形圖。設計梯形圖時編制程序關鍵的一步，也是較困難的一步。設計好梯形圖，首先熟悉控制要求，還需要有電氣設計的實際經驗。

（5）根據梯形圖編制程序清單。

（6）將程序寫入PLC用戶程序存儲器，調試檢查，包括局部調試、整體調試、聯機調試等。

1、主電路

深井泵電機，需要自耦變壓器降壓啟動。電動機啟動時利用自耦變壓器來降低加在電動機定子繞組上的啟動電壓。原理是電動機啟動后，再使電動機與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運動。

需要外接變頻器，改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。使用的電源分為交流電源和直流電源，一般的直流電源大多是由交流電源通過變壓器變壓，整流濾波后得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95%左右。

2、PLC外部連接圖

I0.0~I0.3輸入采樣階段，用戶程序執行階段，Q0.0~Q0.1輸出階段。

3、傳統電氣控制設計

開關按鈕SB2,SB3.急停按鈕SB1，熱繼電器FR。SA1轉換開關。

按下SB2，繼電器KM3,KM2,時間繼電器KT1得電，電機降壓啟動。一段時間后，時間繼電器KT1的通電延時常開按鈕閉合，通電延時常閉按鈕斷開。繼電器KM1得電，KM2,KM3斷電，電機變頻運行。

按下SB3，KM1得電，電機變頻啟動運行。

圖 1 總體設計圖

三、系統的硬件設計

1.PLC的機型選擇

通過熟悉控制對象和要求，分析控制過程，結合輸入輸出設備的數目與電氣特性，選擇合適型號的PLC，PLC是控制系統的核心部件，對于保證整個控制系統的技術性能指標起著重要作用。機型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求前提下，保證系統工作可靠、維護使用方便以及最佳的性能價格比。

在機型選擇的過程中，主要注意以下幾點：

1）結構合理

在工藝過程比較穩固、環境條件較好（維修量較小）的場合，建議選用整體式結構的PLC；其他情況則最好選用模塊式結構的PLC。針對具體的項目進行PLC選型時，注意控制系統的復雜程度選擇合適的型別，并分析項目中PLC的特點及功能。

2）功能強弱適當

對于開關量控制的工程項目，若是控制速度要求不高，一般選用抵擋的PLC；對于開關量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項目，可選用含有AD轉換的模擬量輸入模塊和含有DA轉換的模擬量輸出模塊以及具有加減乘除和數據傳輸功能的低檔PLC；對于較復雜、控制功能要求較高的工程項目，可根據控制規模及復雜程度，選用中檔或高檔機。

3）PLC的處理速度應滿足實時控制的要求

選用CPU速度快的PLC，提高PLC的實時處理速度，對編制的程序進行優化，縮短掃描周期；必要時可采用高速響應模塊，其響應時間不受PLC掃描周期的影響，只取決于硬件延時。

5）是否在線編程

采用較經濟的離線編程方式還是采用應用領域較寬的在線編程方式取決于被控設備的工藝要求，對于產品定型的設備和工藝不長變動的設備，往往選用離線編程的PLC，反之，考慮選用在線編程的PLC。

2.PLC容量選擇

1）PLC容量

關于PLC的容量主要包括兩個方面：一是I/O點數；二是用戶存儲容量（字數）。PLC容量的選擇除滿足控制要求外，還應留有適當的容量，以做備用。

2）減少I/O點數的措施

在PLC控制系統的實際應用中，常通過合并輸入點、單按鈕起/停控制、分組輸入、利用PLC外部電路等方法減少輸入點數；通過負載并聯、借助接觸器輔助觸點、使用數字顯示其代替指示燈、輸出設備多用化等方法減少輸出點數。

3.I/O模塊的選擇

通過I/O接口模塊檢測被控生產過程的各種參數，并以這些現場數據作為控制器對被控對象進行控制的依據。I/O模塊選擇時首先需要確定點數，要充分考慮到裕量，從而方便地對功能進行擴展。其余還包括對開關量I/O、模擬量I/O、特殊功能I/O、智能式I/O的選擇。

4.電源模塊的選擇

電源模塊一般只需考慮輸出電流。電源模塊的額定輸出電流必須大于處理器模塊、I/O模塊和專用模塊等消耗電流的總和。

5.繪制電路圖

繪制電路圖的目的是把系統的輸入和輸出所涉及的地址和名稱聯系起來。這是很關鍵的一步，繪制輸入電路時，不僅要考慮信號的連接點是否與命名一致，還要考慮輸入端的電壓和電流是否合適，也要考慮到特殊條件下運行的可靠性和穩定條件問題等。繪制輸出電路時，不僅要考慮輸出信號連接點是否與命名一致，還要考慮PLC輸出模塊的帶負載能力與耐電壓能力。設計的步驟為主電路、控制電路、輔助電路、聯鎖與保護、檢查、修改與完善

四、PLC控制系統的軟件設計

1.系統功能設計

在用戶需求分析和工程師系統分析基礎上，對整個控制系統進行功能的劃分。首先需要將復雜的工程分解成多個較簡單的小任務，便于編程與維護。其次編制控制系統的邏輯關系圖，可以反映控制過程中控制作用與被控對象的活動，也反映了輸入和輸出的關系。

2.編寫PLC程序并進行模擬調試

1）程序框圖與執行流程圖

根據需求分析與工藝要求，繪制出各種功能單元的詳細功能框圖。框圖是程序的主要依據，盡可能詳細，以便對全部控制功能有一個整體的概念。繪制PLC控制系統程序流程圖，完成程序設計過程的分析說明。

2）I/O口的點數及地址分配

根據選題的輸入輸出設備、控制要求，確定PLC外部I/O端口的分配。首先做I/O分配表，對個I/O點功能做出說明。然后畫出PLC外部I/O接線圖，依據輸入輸出設備和I/O口分配關系，畫出I/O接線圖，接線圖中標明各元件代號及編碼。I/O輸入輸出圖，如下圖所示。

3）PLC梯形圖設計

根據上述框圖與流程圖逐條編寫控制程序，這是整個設計過程工作的核心部分。在繪制梯形圖過程中，應熟練掌握基本指令和簡單編程，可借鑒現成的典型控制環節程序，另外，應及時對編出的程序進行注釋，提高程序的邏輯性與可讀性。

如上圖所示，按下I0.0，Q0.0得電。此時為自耦變壓器降壓啟動運行。同時定時器開始定時1S。時間一到，定時器的觸點開始動作，Q0.0斷電，Q0.1得電，電機變頻運行。

如下圖所示，按下I0.3，Q0.1得電，電機變頻啟動運行。

上圖Q0.1的常閉以及下圖Q0.0的常閉為工頻和變頻的互鎖。

五、安裝與調試

PLC控制系統的安裝與調試，涉及到各項工作，并且只能按序進行，-環緊扣一環，稍.有不慎都將導致調試失敗，不但延誤工期,甚至會損壞設備。本文介紹了在現場實踐中總結出的PLC控制系統的安裝與調試技術經驗，并對現場經常出現的安裝、調試相關問題，提出探討意見和解決方案。

一、系統的安裝與調試

合理安排系統安裝與調試程序，是確保高效優質地完成安裝與調試任務的關鍵。

1、前期技術準備

系統安裝調試前的技術準備工作越充分，安裝與調試就會越順利。前期技術準備工作包括下列內容:

(1)熟悉PC隨機技術資料、原文資料,深入理解其性能、功能及各種操作要求，制訂操作規程。

(2)深入了解設計資料、對系統工藝流程，特別是工藝對各生產設備的控制要求要有全面的了解，在此基礎上，按子系統繪制工藝流。程聯鎖圖、系統功能圖、系統運行邏輯框圖、這將有助于對系統運行邏輯的深刻理解，是前期技術準備的重要環節。

(3)熟悉各工藝設備的性能、設計與安裝情況，特別是各設備的控制與動力接線圖，并與實物相對照，以及時發現錯誤并糾正。

(4)在全面了解設計方案與PC技術資料的基礎上，列出PC輸入輸出點號表(包括內部線圈一覽表，I/0所在位置，對應設備及各I/O

(5)研讀設計提供的程序，對邏輯復雜的部分輸入、輸出點繪制時序圖，一些設計中的邏輯錯誤，在繪制時序圖時即可發現。

(6)分子系統編制調試方案，然后在集體今的基礎。上綜合成為全系統調試方案。

3、實驗室調試

(1)PLC的實驗室安裝與開通制作金屬支架,將各工作站的輸入、輸出模塊固定其上，按安裝提要以同軸電纜將各站與主機、編程器、打印機等相連接，檢查接線正確，供電電源等級與PLC電壓選擇相符合后，按開機程序送電，裝入系統配置帶，確認系統配置，裝入編程器裝載帶、編程帶等，按操作規程將系統開通，此時即可進行各項操作試

(2)鍵入工作程序

(3)模擬I/O輸入、輸出，檢查修改程序本步驟的目的在于驗證輸入的工作程序的正確性，該程序的邏輯所表達的工藝設備的聯鎖關系是否與設計的工藝控制要求相符，程序是否暢通。若不相符或不能運行完成全過程，說明程序有誤，應進行修改。在這人!程中，對程序的理解將逐步加深，為現’二試作好了準備，同時也可以發現程序不口理和不完善的部分，以便進一步優化。

3、PLC仿真圖如下圖所示

六、性能測試與分析

PLC是為了工業生產設計的控制裝置，本身已經針對工業生產的環境進行了抗干擾的設計研究，在一般情況下已經具備了相當的抗干擾能力。但是由于現代化生產大型化、準確化、高效化的要求，以及某些特殊生產環境的影響都要求PLC要具備更強的抗干擾能力，針對PLC系統的可靠性探討，主要從輸入可靠性和輸出穩定性兩方面考慮。在輸入可靠性程序構建中，需要注意防抖動設計、確保輸入脈沖的穩定性、避免非法輸入、檢測多余或錯誤輸入等。在輸出穩定性程序構建中，應該用高質量的輸出監控，如動作反應監控和看門狗監控。采用PLC系統的錯誤判斷功能，利用計算機程序保證系統正常工作，減少錯誤的輸出。

七、結論語

在本次為期兩周的課程設計基本達到了預期目標，使我們的PLC設計知識更加的系統化，更清晰更直觀化。在涉及過程中接觸了大量的資料，對電氣控制技術以及PLC設計有了更深刻的認識，解決了一些在學習本課程時的一些當時不太明白的問題，極大的豐富了相關知識，同時也掃清了知識盲區。

通過本次課程設計,使所獲得的有關PLC的知識加以系統化,整體化,更好的鞏固擴大所學的專業知識，如果有不懂,那么整個設計就進行不下去了,必須搞懂了，就能繼續設計下。同時培養我的獨立分析能力，解決實際問題的能力,在相當程度上鍛煉了自己，同時也提高設計和編寫說明書及繪畫能力。

以西門子S7-200 型PLC 為核心的水泵自動控制系統，通過合理的程序設計和對原排水系統的改進，減輕工人勞動強度.同時也實現了水泵運行的合理調度，提高設備利用率，節能增效。

自動控制系統采用了技術先進的西門子S7-200 型PLC，性能穩定，故障率低，且具有完備的故障診斷和保護功能，保留的人工控制方式可在PLC控制系統故障時正常啟動水泵。可實現界面切換、系統巡查、故障復位、控制方式轉換等功能。總之，該系統的使用必將提高煤礦生產的自動化水平，對礦井安全生產具有重要意義。

八、致謝

本課題在選題及研究過程中得到幾位老師的親切關懷和悉心指導下完成的。他們嚴肅的科學態度，嚴謹的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，幾位老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。老師們不僅在學業上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向各位老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。

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