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1、 国家职业资格全国统一鉴定维修电工高级技师论文（国家职业资格一级）论文题目：PLC在水塔供水系统控制中的应用 姓 名： 身份证号： 准考证号： 所在省市： 广东省佛山市 所在单位： 南海区第一职业技术学校 PLC在水塔供水系统控制中的应用佛山市南海区第一职业技术学校【摘要】：可编程控制器(PLC)是计算机技术在工业控制领域的一种重要的应用技术,利用PLC对水塔供水系统控制，由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大大减少；PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期；在维修方面，PLC的故障率极低，维修工作量很小。本文详述了该系统的控
2、制要求、采用PLC控制的设计原则及原理分析。【关键词】： PLC 水塔 供水系统控制 一、 概述可编程控制器简称PC或PLC。它是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点，能较好地解决工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经
3、济等问题。其主要特点有：1、可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。（1）硬件方面 I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了联锁保护、自诊断电路等。（2）软件方面 PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰导致的故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实
4、现检测和判断；当外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。2、编程简单、使用方便目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图语言的电路符号和表达式与电气控制线路图接近，形象、直观，很容易让广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。3、功能完善、通用性强现代PL
5、C不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。4、设计安装简单、维护方便由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，控制柜的设计、安装接线工作量大大减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小；而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上的指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。5、体积小
6、、质量轻、能耗低由于PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，因而是实现机电一体化的理想控制设备。二、控制要求某高层建筑住宅顶上设有高4.2m的生活水箱，由设在地下设备层中的两台水泵为其供水。单台水泵电动机功率为33kW，额定电压为380V。水塔正常水位3.5m，由安装在水箱内的上、下液位开关SU和SD分别对水箱的上限和下限水位进行控制。对水泵电动机的控制要求如下：( 1 ) 为了减小启动时的起动电流，两台电动机均采用Y/形降压启动。降压启动至全压运行的转换时间为10秒。并且两台电动机均设有过载保护。( 2 ) 手动/自动转换开关SA，在手动方式工作时，由操作者分别启动每台水泵，水泵之
7、间不进行联动；在自动方式下工作时，由上、下液位开关对水泵的启、停自动控制，且启动时要联动。( 3 ) 两台水泵在正常情况下要求一开一备，当运行中任一台水泵出现故障，备用水泵应立即投入运行。为了防止备用泵长期闲置锈蚀，要求备用水泵可在操作台上用按钮任意切换。( 4 ) 在控制台上有两台水泵的备用状态，运行、故障及上、下液位等信号指示。三、 系统设计（1） 主电路设计两台水泵电动机均采用Y/形启动方式，主电路控制线路如图一所示。图中M1、M2为水泵电动机，每台电动机用3个接触器分别控制电源、Y形启动和形运行，各电动机均设有过载保护FR1和FR2。为了反映各水泵工作是否正常，在每台水泵的压力出口处设
8、置压力继电器SP1和SP2，将其常开触点接入PLC中。图一（2） PLC选择及I/O分配根据上述控制要求，统计出现场输入信号共16个，输出信号共12个，故选用FX2N-48MR，它可实现24点输入，24点输出的控制，在本系统使用尚有裕量，可供备用。其I/O分配见下表。输入输出1#泵备用按钮SRES1X11#泵电源接触器KM1Y02#泵备用按钮SRES2X21#泵Y形接触器KM2Y11#泵手动启动按钮SB1X31#泵形接触器KM3Y22#泵手动启动按钮SB2X42#泵电源接触器KM4Y4选择开关SA手动X52#泵Y形接触器KM5Y5自动X62#泵形接触器KM6Y6水位上限触点SUX71#泵备用指
9、示Y20水位下限触点SDX102#泵备用指示Y211#泵热保护触点FR1X11水位上限报警Y222#泵热保护触点FR2X12水位下限报警Y231#泵压力继电器SP1X131#泵故障指示Y242#泵压力继电器SP2X142#泵故障指示Y251#泵停止按钮SB3X152#泵停止按钮SB4X16故障复位按钮SB5X17（3） PLC外部接线图图二是所设计的PLC系统外部接线示意图。图中各接触器采用交流220V电源，信号指示部分采用24V直流电源。本次开关量信号均采用常开形式输入PLC，在编制I/O分配表和绘制PLC接线图时，事先通过PLC手册或实物了解外部端子的位置及编号。图二四、 梯形图设计及分析
10、图三图三是实现上述控制任务的梯形图，以下分几方面对其进行分析。（1） 备用选择控制台上的2个备用选择按钮SRES1和SRES2分别与梯形图输入点X1和X2相对应。按下任一按钮时，可以选择1#和2#中的任一台水泵作备用，备用水泵可用上述按钮任意切换。 设选择2#水泵备用，按下SRES2，则X2为ON，输出继电器Y21为ON，控制台2#备用指示灯亮。同时Y21的软触点在梯形图内部起控制作用。若将备用水泵改为1#，则需按下SRES1，X1为ON使输出继电器Y20为ON，给出1#备用指示，同时Y20常闭触点使Y21为OFF，清除2#水泵以前的备用记忆。（2） 上、下液位指示 安装在水箱内的上、下液位开
11、关SU/SD均为常开型，与输入点X7/X10相对应。设水位上升到上限位置，则X7为ON，在其前沿产生一个扫描周期的脉冲信号，该脉冲使输出继电器Y22为ON，发出上限位指示，使电动机停止工作。若水位下降到下限位置，由于触点SD要断开，使X10为OFF，故用PLF指令在SD断开时产生脉冲信号，从而使输出点Y23为ON，发出下限指示。（3） 机组的自动启动方式在“自动”工作方式下，X6为ON，选择2#水泵备用，由上面分析可知Y21为ON。当水位下降到下限位时，由上述可知Y23为ON，于是在Y23上升沿产生微分脉冲M4。M4就是用来使1#水泵首先启动的信号，具体启动过程在下面叙述。（4） 机组的启动及
12、联动 每台水泵电动机启动时接触器的动作顺序为电源接触器 Y形连接接触器 形连接接触器，梯形图中，Y0，Y4分别控制2台电动机的电源；Y1，Y5分别控制2个Y形连接接触器；Y2，Y6分别控制2个形连接接触器；软件定时器T0，T1分别控制每台电动机Y/转换时间10s。 设“自动”方式下选择2#水泵备用。当水位到下限时，由上面分析可知M4 ，于是有如下过程：“ ”表示ON状态。 Y1 (Y形连接)M4 Y0 (电源引入) T0启动定时，延时10s后 Y2 （1#电动机Y/转换完成）T0 Y1断开（5） 机组的故障检修 当任何一台运行水泵出现故障时，应当立即停止该水泵运行，并使备用水泵自动投入运行。为
13、此应把发生故障时的状态在梯形图中反映出来。 供水系统可能出现的故障很多，为了尽量全面而又简单地表示故障的发生，可以把出现以下两种情况之一确定为出现故障的条件： 1）某机在进入正常运行后，水泵出水压力仍然很低。例如：将装设在该出水管处的压力继电器SPi（i=1,2）的动作压力整定为电动机Y形连接启动时的压力。如果进入形连接运行后管路压力仍不能使该继电器动作，则说明存在各种机械或电气故障，使水泵不能正常工作，因此视为故障出现。 2）水泵电动机在运行中过载。装设于电动机主电路的热继电器可以反映出由于电动机长期过负荷工作或由于缺相引起的过载现象。这时压力继电器不一定动作。但属不正常状态，因此也应视为故
14、障。 将上述两种情况相“或”，即可得到任何一台电动机的故障条件。梯形图中用输出继电器Y24和Y25分别表示1#，2#水泵机组的故障状态，则梯形图中对应的故障逻辑表达式为： Y24=Y0*Y2*X13+X11 Y25=Y4*Y6*X14+X12 上式中，X13，X14是与2台机组压力继电器输入信号（常开）相对应的输入继电器常闭触点，当出水压力正常时，它们均会断开。X11、X12是与2台电动机热继电器输入信号（常开）相对应的输入继电器常开触点，当电动机过载时，它们将会闭合。 例如1#水泵进入正常时运行后，Y0为ON，Y2为ON。这时若该水泵供水压力继电器仍不动作（水压太低），常闭触点X13将不会断
15、开。因此，1#水泵故障标志Y24为ON。从图三可见，输出继电器Y24接通后一方面发出灯光或声音报警信号；另一方面其常开触点使Y0和Y2断开，这样就切断了1#水泵的电源和形连接状态，从而使其停止工作。2#水泵故障时的处理过程与1#水泵相同。（6） 故障情况下备用水泵的自动投入 当运行水泵出现故障时，备用水泵投入运行，这时首先解除备用状态，然后才完成备用水泵的投入过程。a) 备用过程的解除，梯形图中的内部辅助继电器M5、M7分别为1#、2#水泵备用情况下解除备用的条件。从它们的逻辑组合关系可以清楚地看出，任一台水泵要解除备用状态，条件就是另外一台水泵出现故障，例如当常开触点Y24接通（1#机组出现
16、故障）时，会使M9继电器接通，并用PLS指令转换为脉冲信号M6，则M6可以使2#水泵的备用状态Y21复位，即解除了2#水泵备用。b) 备用水泵自动投入设“自动”工作方式下，选择2#水泵备用。由前面分析可知，由于Y21为ON，2#水泵不会启动运行。如果此时1#水泵故障，则2#水泵应当投入工作。若1#水泵在运行时出现故障，则Y24为ON，发出声、光报警，并使Y0为OFF，Y2为OFF。同时，通过M9辅助继电器产生脉冲信号，使M6为ON，从而使输出继电器Y21为OFF，解除了备用状态。但此时2#机组尚未启动，经过时间继电器T2启动延时2秒，T2为ON，这样2#水泵即备用水泵实现自动投入。（7） 手动
17、控制 手动/自动转换开关SA是一个用动触点完成两种工况切换的开关，因此，当开关置于“手动”位置时，X5为ON，同时必有X6为OFF，即手动方式建立，自动方式自然解除。这时每台电动机是通过手动按钮（对应输入点X3，X4）完成启动任务的。根据控制要求，这种工作方式不进行联动，因此用手动状态X5的常闭触点封锁T2，即解除了各台水泵的联动关系。用手动按钮（对应输入点X3、X4）和手动停止按钮（对应输入点X15、X16）可以分别对1#、2#水泵单独进行控制，具体过程就不再详述。五、结束语 以上分析了水塔供水泵站PLC控制梯形图的主要功能的实现过程虽然以2台机组为背景，但只要留有一定的I/O点裕量，同样的
18、控制环节很容易扩展到由多台水泵组成的泵群控制中去，显然，与继电器控制系统相比，PLC控制系统具有更大的优越性。PLC与继电器控制系统功能与特点比较比较项目继电器控制系统PLC控制系统控制功能的实现由许多继电器采用接线方式来完成相应的控制功能对PLC进行编程实现所需控制要求对生产工艺变化的适应性需进行重新设计与接线、适应性差只需对程序进行修改，适应性强可靠性元器件多、触点多，容易出现故障采用大规模集成电路，绝大部分是软继电器，可靠性高可扩展性困难具有种类齐全的扩展单元，扩展灵活控制的适时性机械动作时间常数大，实时性差微处理器控制，实时性好占用空间与安装控制柜体积大、笨重，安装施工工作量大体积小，
19、重量轻，安装工作量小使用寿命短长复杂控制能力差很高测试、维护工作量大，不易查找故障有自诊能力，维护工作量小硬件成本较低较高六、 致 谢 在参加维修电工高级技师的培训过程中，得到了佛山市高级技工学校诸多老师的悉心教导，通过几个月的学习，我在自动控制理论、PLC、变频器、触摸屏方面的知识有了长足进步，对我今后的学习工作将起到很大帮助！在此，真诚地感谢各位老师，祝各位老师身体健康！事业顺利！家庭幸福！ 参考文献：1可编程序控制器过程控制技术曹辉 霍罡编著，北京：机械工业出版社， 2005.112可编程序控制器选择设计与维护 殷洪义主编 ，北京：机械工业出版社， 2002.113PLC分析与设计应用 周万珍 高鸿斌编著 北京：电子工业出 2004.14 西门子PLC与变频器、触摸屏综合应用教程 吴志敏 阳胜峰编著 北 京：中国电力出版社，20095 变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术 岳庆来主编 北京：机 械工业出版社，2006.46 自动控制技术 肖建章主编 北京：中国劳动社会保障出版社，20047 电气控制与PLC 杨亚萍主编 北京：化学工业出版社，200919