毕业设计(论文)中央泵房自动控制设计(全套图纸).doc
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1、目录全套完整版CAD图纸,联系1538937061绪论 11.1 引言 11.2 课题来源 12泵控系统设计与分析 32.1 系统总体概述 3 2.2 系统控制要求 3 2.3 系统总体设计方案 5 2.4 泵控系统硬件选型 9 2.5 由微机-PLC网络构成的远程检测设计153 外部设备选用18 3.1 传感器的选用18 3.2 阀的选用32 3.3 其它外部设备选用334 泵控系统软件设计35 4.1 泵控系统TD200组态35 4.2 系统PLC软件设计42 4.3 上位机检测软件设计485 系统接线说明51 5.1 手动控制接线51 5.2 PLC控制接线53结束语56致谢57参考文献
2、58附录A59附录B 62附录C 91附录D94附录E117第一章 绪论1.1 引言传统的自动控制大多为常规的继电器带动接触器控制,其控制器通常为电位器之类,是基于电气原理的纯电气自动控制,属于模拟控制方式。如一位式的模拟控制方式,这种控制方式精度低,可靠性差,除了一些精度要求不高的场合外,现阶段一般很少采用。随着集成技术的迅猛发展,以微处理器为核心的单片机、PLC、工控机迅速渗透到工业控制的各个领域,产生了计算机自动控制。计算机自动控制的控制器是各种类型的计算机(包括单片机、工控机及PLC等),其最大的优点是控制器能够存储并辨识特殊的语言(程序),根据程序的控制思想发出各种指令,控制执行机构
3、的动作,使被控制量满足系统的要求。本系统就是采用计算机控制技术对水泵实行自动控制和状态检测。1.2 课题来源2004年1月,从导师那接到 “中央泵房自动控制及状态监测” 课题。2004年3月,到皖北煤电集团任搂煤矿进行现场实习,从而把课题定位为针对矿业排水系统,且以皖北煤电集团任搂煤矿井下排水泵排水系统为蓝本。 1.2.1 皖北煤电集团任搂煤矿井下排水系统现状皖北煤电集团任搂煤矿井下排水系统整体比较落后,完全是人为手动控制。主水仓内放置一标尺,从而显示主水仓液位;水泵吸水口处有一真空度表,测量吸水口负压;水泵排水口处有一压力表,测量排水口压力。现场无转速、温度测量设备,据现场工作人员说,测温完
4、全靠手感测温,转速则完全靠肉眼看,一般不太在意它,只要有个差不多就行。排水阀是电动阀,分配阀、排气阀完全是手动控制,系统起动前用真空泵排气,达到负压时按照操作要求依次操作控制。整个操作十分不便,并且还经常容易出错。此外,系统还必须有一位操作人员在井下定时巡视,查看主水仓泵液位,以便决定是要在起动还是要停止某台泵,并且查看泵的运行情况。在出现紧急情况时,很难及时采取措施。另外,现场噪音比较大,很不适应人长长时间工作。1.2.2 课题的目的、意义和任务从上面所述皖北煤电集团任搂煤矿井下排水系统现状可以看出,它十分需要加一控制系统,从而减轻操作人员工作量,优化运行,延长系统设备运行寿命。并且据现场技
5、术人员介绍大多数煤矿矿井下排水系统现状和他们这差不多,都很需要加一控制系统。本课题就是设计一控制系统来解决以上问题。本系统在设计的时候是以皖北煤电集团任搂煤矿井下排水泵排水系统为蓝本进行设计的。但本系统的使用是不局限于皖北煤电集团任搂煤矿井下排水泵排水系统。本课题主要的任务是设计检测部分、控制部分和网络(控制器和微机通讯)部分,通过检测部分检测主水仓、补水仓液位和各泵的运行参数,并送至控制器中,通过控制器实现电动控制或自动控制。并且将数据传到地上控制室的上位机中,实现远程检测。=第二章 泵控系统设计与分析2.1 系统总体概述 本系统设计控制为三部分:一、现场手动控制;二、地下控制室电动控制;三
6、、地上主控制室远程检测 。 通过传感器对主水仓液位的检测,来自动判断启动几台水泵进行排水(自动检测控制),或由人为地选择启动几台水泵进行排水(电动控制或手动控制)。同时也类似地控制水泵的停止。在水泵运行的过程中对水泵的相关参数进行监控,如压力、流量、温度、转速、负压。出现故障时进行报警,若出现严重故障时,则立即停止水泵,并报警。并且把所检测到的所有数据传到地上主控制室内的上位机中。2.2 系统控制要求2.2.1 整体要求:1、实现以下控制:手动控制、电动控制、自动监测控制手动控制时要能自动切断电动控制和自动控制;自动控制时要能自动切断手动控制和自动控制;自动控制时要能自动切断手动控制和电动控制
7、。 2、电动控制:根据所要起动的泵来自动决定阀的开闭,只需人为的来决定起动或停止哪台泵。3、自动检测控制:不需人为的介入,根据主水仓的液位自动实现泵的启动、运转参数检测、泵的停止及故障诊断报警。2.2.2 具体要求:1、现场手动控制/非手动控制转换(非手动控制包括电动控制和自动检测控制),电动控制/自动检测控制转换2、现场手动控制直接经过电控部分控制,而电动控制/自动检测控制则经过控制器来控制 3、自动检测控制实现水泵的自动起动:(1)根据水位信号(液位传感器cgq1),确定要起动水泵的台数和哪台水泵起动;(2)关闭要起动水泵的排水阀(df1),并确定排水管路及各分配阀(df2)的开关状态;(
8、3)开启真空泵;打开真空泵与水泵连接的排气阀(df3);水泵开始排气,并检测水泵吸入口的负压信号(cgq3);(4)当吸入口负压信号(cgq3)到达预定值时,起动水泵(降压启动,由电控实现);打开排水阀(df1),关闭真空泵与水泵连接的排气阀(df3),关掉真空泵,水泵进入正常排水运行。在地下控制室内要实时地显示所投入运行的水泵。4、水泵运行时的参数监控:水泵进入正常排水运行时,检测水泵运行的参数有:(1)、水位信号(液位传感器cgq1);(2)、水泵的排水压力信号(压力传感器cgq2);(3)、水泵吸入口的负压信号(负压传感器cgq3);(4)、水泵的流量信号(流量传感器cgq4);(5)、
9、水泵的转速信号(转速传感器cgq5);(6)、水泵轴承的温度信号(温度传感器cgq6);在地下控制室内要实时地显示所投入运行的水泵以上参数及主水仓液位。并把这些参数传到地上控制室的上位机中。5、自动检测控制实现水泵的自动停止:(1)、根据水位信号(液位传感器cgq1),确定停止水泵台数和停哪台水泵;(2)、切断要停止水泵的电源,关闭排水阀(df1);(3)、根据水位信号(液位传感器cgq1),当水位低于最低水位时,停止最后一台水泵,步骤同上。(4)、水泵全部停止后,系统处于自动监控状态,随时准备起动。6、抢险排水:(1)当水位信号(液位传感器cgq1)超过警戒水位时(井底水平高度),所有水泵全
10、部开动(起动程序同上,逐台起动,防止起动电流过大);(2)随着水位信号(液位传感器cgq1)的逐淅下降,当水位信号(液位传感器cgq1)低于安全警戒线时,逐步停掉部分水泵(停止程序同上);(3)当水位信号(液位传感器cgq1)低于最低水位时,停掉所有水泵(停止程序同上),系统处于自动监控状态,随时准备起动。7、水泵运行的故障诊断及故障报警(1)、水泵不吸水(真空信号);(2)、流量小(真空信号,压力信号);(3)、水泵不上水(压力信号、流量信号);(4)、转速变化大(转速信号、压力信号、流量信号);(5)、轴承过热(温度信号);(6)、内部声音异常,可能原因是流量大,吸入高度过大,吸入处有空气
11、渗入,所吸入的液体温度过高。(流量信号、负压信号、温度信号)。出现以上故障,及时报警通知操作人员;严重故障时,报警并停止出现故障的水泵。2.3 系统总体设计方案2.3.1 手动控制方案的确定1.现场手动控制直接经过电控部分来分别控制各个元件,其所需开关有: 现场手动控制/非手动控制转换开关 各水泵起动/停止开关 各水泵排气阀、排水阀、分配阀打开/关闭开关2.输出开关量有: 各阀开启信号灯2.3.2 系统电动控制/自动检测控制方案的确定根据现场具备的条件及系统的控制要求,得到泵房控制系统的控制I/O点配置及参数显示,主要包括:1、输入开关量: 电动控制/自动检测控制模式选择开关 显示各泵参数按键
12、 泵控制按钮2、输入模拟量: 输入温度 输入负压 输入压力 输入液位 输入转速 输入流量 3、输出开关量: 真空泵、主水泵电机起停 电磁阀/电动阀开关 手动模式信号灯 电动模式信号灯 自动模式信号灯 故障报警灯根据前文所述,可采用如图2-1所示的泵控制系统。 在上述控制系统中,采用不同的控制器,模拟量的测量及信号的转换方式也随之改变,使得该系统的实现有不同的方案。方案一:采用单片机为控制器的方案如图2-2所示。 采用单片机的控制方案功耗低,控制功能强,能满足本系统的各种要求,但是单片机对环境的要求比较高,而且以单片机为控制器的系统需要许多的外围扩展电路,如上图中的调节电路(滤波、信号放大电路)
13、、S/H电路、转换开关、A/D转换电路、I/O接口电路及其光电隔离电路、干扰抑制电路等,使得系统接线复杂,这对于井下条件来说,增加了故障发生率,导致控制不可靠,因此本系统不采用单片机控制方案。方案二:采用PLC为控制器的方案如图2-3所示。 采用PLC的泵控系统在控制方法上与单片机的方案相同,但是PLC集成度高,接线简单,所以其在系统的稳定性、可靠性等方面,其具有较大的优势:1、PLC是面向工业应用而设计的一种工业计算机,可靠性高,特别适应恶劣的工业环境。2、PLC有多种扩展模块,其中模拟量扩展模块可与系统中的温度、负压、压力等模拟量信号直接相连,并能自动进行信号处理。不需设计外部信号处理电路
14、,抗干扰性好,系统稳定性高。3、PLC模块化的结构便于扩展,设计简单。此外,PLC比较容易构建一控制网络,所以,本系统采用PLC泵控系统。2.3.3 初步设计方案的确定 根据前面所述,初步确定其总体设计方案见图2-4。现场控制由PLC控制网络组成,第一台PLC检测主水仓、补水仓的液位、控制3台水泵、并控制第二台PLC,第二台PLC控制4、5、6泵;地上控制室由一台上位机组成,主要接收井下控制室传上来的主水仓液位及各台泵的运行参数。2.4 PLC泵控的硬件选型2.4.1 PLC的选型 PLC的型号有许多,目前性能较好的有SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国AB公司等产品,根据性价比的选择
15、,本系统采用SIEMENS公司S7-200系列PLC。考虑到以后系统的扩展要求,选用“CPU226AC/DC/继电器”型号PLC,该型号具有24输入/14输出,可提供标准值为24V DC 的输入和输出电压,此外还提供范围为5-250V AC的输出电压。S7-200 CPU 模块包括一个中央处理单元(CPU)、电源以及数字量I/O点,这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。2.4.2 模拟量扩展模块的选型 由于系统有多个模拟量输入,故可采用与S7-200 CPU 相配套的EM231模拟量输入模块,其具有4路模拟量输入,输入信号可以是电压也可以是电流,输入与PLC具有隔离。输入信号的范围可以由SW1
16、、SW2和SW3设定。其具体技术指标见表2-1。表2-1、EM231技术指标型号EM231模拟量输入模块总体特性外形尺寸:71.28062功耗:3W输入特性本机输入:4路模拟量输入电源电压:标准DC24V/4mA输入类型:010V、05V、5V、2.5V、020mA分辨率:12bit转换速度:250s隔离:有耗电从CPU 的DC 5V(I/O总线)耗电10mA开关设置SW1 SW2 SW3 输入类型ON OFF ON 010VON ON OFF 05V或020mAOFF OFF ON 5VOFF ON OFF 2.5V本系统输入类型为05V,因此开关设置为SW1(ON)、SW2(ON)、SW3
17、(OFF)。此时,其分辨率为1.25mv(见S7-200编程手册)其输入数据格式为:模拟量到数字量转换器(ADC)的12位读数,其数据格式是左端对齐的,最高有效位是符号位,对单极性格式,最高位为0,0表示正值数据字,后三位有效数字为0,这就使得ADC计数值每变化1个单位,则数据字的变化是以8为单位变化的。以上的分辨率和输入数据格式是把PLC采样处理过程中要用到的重要数据。2.4.3 数字量扩展模块的选型由于PLC的输入与输出量较多,所以选用与S7-200配套的EM223数字量混合模块。 EM223数字量混合模块有6种类型,包括24 V 4点输入/4点输出,24 V 4点输入/继电器4点输出,2
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