廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 河道攔水閘智能控制系統(tǒng)設(shè)計系： 機電工程系 專業(yè)： 機電設(shè)備維修與管理班級：12機電設(shè)備維修與管理2班姓名： 馮耀章 指導教師： 車海波 完成時間: 2014年4月17日摘要傳統(tǒng)的閘門控制方式需要人員親自到現(xiàn)場操作閘門啟閉機而升降閘門。近年來，隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，使我國水利系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)得到了快速發(fā)展。閘門啟閉機作為水利系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，如果對其繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的繼電器控制，不但難以解決與監(jiān)控系統(tǒng)上的通訊問題，而且也無法滿足當天水利部門對設(shè)備的自動化控制需求。為了解決這個問題，我們嘗試采用可編程邏輯控制器PLC,設(shè)計一種適應自動化控制需求的閘門啟閉機的電氣控制系統(tǒng)，并對傳統(tǒng)的繼電一接觸器控制系統(tǒng)相結(jié)合，完成了閘門啟閉電動機就地手動、遠程自動控制系統(tǒng)。閘門手動控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繼電一接觸器控制模式，根據(jù)本閘門設(shè)計的內(nèi)容和要求設(shè)計了電氣控制原理圖。在閘門自動控制系統(tǒng)中，對閘門的執(zhí)行機構(gòu)的控制是非常重要的一個環(huán)節(jié)，采用高可靠性、高性能的可編程邏輯控制器PLC,可成功解決這一問題.根據(jù)閘門執(zhí)行機構(gòu)的特點，設(shè)計了以PLC為核心部件的閘門自動化控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，以組合模塊化的方式設(shè)計了系統(tǒng)的程序軟件.關(guān)鍵詞：閘門控制系統(tǒng)自動控制可編程邏輯控制器PLC管理模式目錄1前言 42河道攔水閘智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案 錯誤!未定義書簽。2。 1系統(tǒng)框圖 錯誤!未定義書簽。3閘門手動控制系統(tǒng)設(shè)計 錯誤!未定義書簽。1閘門手動控制原理。錯誤!未定義書簽。3.2手動控制系統(tǒng)組成。錯誤!未定義書簽。3主電路分析。錯誤!未定義書簽。3.4控制電路分析。錯誤!未定義書簽。4閘門自動控制系統(tǒng)設(shè)計 錯誤!未定義書簽。4。1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 錯誤!未定義書簽。4.2超聲波液位傳感器 錯誤!未定義書簽。4.3組態(tài)王軟件 錯誤!未定義書簽。4.3輸入控制。錯誤!未定義書簽。4.4輸出控制。錯誤!未定義書簽。4.5閘門PLC控制系統(tǒng)簡介 錯誤!未定義書簽。4.6閘門自動控制系統(tǒng)工作原理 錯誤!未定義書簽。5閘門自動(PLC)控制系統(tǒng)程序設(shè)計。錯誤!未定義書簽。5.1軟件系統(tǒng)設(shè)計 錯誤!未定義書簽。5.2I/O端口分配表 錯誤!未定義書簽。5.3主程序模塊。錯誤!未定義書簽。6相關(guān)負載和容量的計算及相關(guān)元件的選擇。錯誤!未定義書簽。6。1電動機容量的計算 錯誤!未定義書簽。6.2導線的選擇。錯誤!未定義書簽。6。3其他元器件的選擇 錯誤!未定義書簽。206.4元器件清單表207結(jié)論 錯誤!未定義書簽。參考文獻 錯誤!未定義書簽。致謝。錯誤!未定義書簽。附錄。錯誤!未定義書簽。1前言傳統(tǒng)的閘門控制方式需要人員親自到現(xiàn)場操作閘門啟閉機而升降閘門。近年來，隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，使我國水利系統(tǒng)的開發(fā)建設(shè)得到了快速發(fā)展。閘門啟閉機作為水利系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，如果對其繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的繼電器控制，不但難以解決與監(jiān)控系統(tǒng)上的通訊問題，而且也無法滿足當天水利部門對設(shè)備的自動化控制需求。為了解決這個問題，我們嘗試采用可編程邏輯控制器PLC,設(shè)計一種適應自動化控制需求的閘門啟閉機的電氣控制系統(tǒng)，并對傳統(tǒng)的繼電一接觸器控制系統(tǒng)相結(jié)合，完成了閘門啟閉機就地手動、遠程自動控制系統(tǒng)。針對水利系統(tǒng)的水閘閘門控制系統(tǒng)，設(shè)計具有先進技術(shù)水平、實用的小型水閘控制系統(tǒng)；從而進一步掌握電氣控制應用技術(shù)、可編程控制器應用技術(shù)、水位檢測，閘門的限位保護，水閘開度控制及指示等內(nèi)容。2河道攔水閘智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案本設(shè)計項目為獅山鎮(zhèn)某河水質(zhì)綜合治理項目河道攔水閘控制系統(tǒng)，該攔水閘要求控制3組，合計15臺0.75KW電動卷揚機，若采用傳統(tǒng)的就地手動控制該閘門，工作較為繁重，控制線路復雜，可靠性低，不能實現(xiàn)對整個水利設(shè)施進行自動控制，遠程通訊能力欠缺等缺點和局限性,所以越來越不能滿足水利水電工程的生產(chǎn)發(fā)展。隨著先進工控技術(shù)的應用和發(fā)展，建立基于可編程控制器（PLC）的河道攔水閘智能控制系統(tǒng)成為解決這一問題的有效途徑。該河道攔水閘智能控制系統(tǒng)其控制方式的優(yōu)越性，使它非常有效地解決了傳統(tǒng)河道攔水閘控制系統(tǒng)的存在的缺點和局限性。1系統(tǒng)框圖圖1-1河道攔水閘智能控制系統(tǒng)框圖3閘門手動控制系統(tǒng)設(shè)計3.1閘門手動控制原理通過控制繼電器的關(guān)，電動機啟動、停止或反轉(zhuǎn)，以此來控制閘門的開或關(guān).固態(tài)繼電器MM固態(tài)繼電器MM閘門圖1-2閘門手動控制原理圖3.2手動控制系統(tǒng)組成如圖1-4所示，電路分為主電路和控制電路兩部分3主電路分析如圖1—4所示，低壓斷路器QF1、QF2、QF3用作線路的總開關(guān)，兼有過流和短路保護功能。電動機Ml、M2、M3分別控制1號閘門、2號閘門和3號閘門,其中電動機M1由接觸器KM1、KM2控制正反轉(zhuǎn);接觸器KM3、KM4的主觸點控制電動機M2正反轉(zhuǎn);接觸器KM5、KM6的主觸點控制電動機M3正反轉(zhuǎn)。4控制電路分析如圖1—4電氣控制原理圖所示，控制電路主要由電動機的正、反轉(zhuǎn)控制，互鎖控制，按鈕聯(lián)鎖等部分組成.3.4.1電動機的正、反轉(zhuǎn)控制控制原理分析：把萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)打到手動擋，按動正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB1（閘門上升）接觸器KM1通電自鎖，KM1主觸點閉合，電動機M1正向轉(zhuǎn)動，1號閘門上升；電動機M1正轉(zhuǎn)過程中，按動停止按鈕SB3,KM1線圈斷電，自鎖回路打開,主觸點打開，電動機M1停轉(zhuǎn)，1號閘門停止。按動反轉(zhuǎn)按鈕SB2,KM2主觸點閉合，電動機M1反向轉(zhuǎn)動，1號閘門下降。2號和3號閘門的控制原理與1號閘門的相同。3。4.2互鎖控制實現(xiàn)這一控制要求的方法是分別將KM1,KM2的動斷觸點串接在對方的線圈電路中，形成相互制約的關(guān)系，簡稱為互鎖控制，又稱為聯(lián)鎖控制。以電動機M1的電路為例,若主電路中的KM1和KM2同時閉合，將會造成主電路電源短路，因此電路中只允許有一個接觸器的觸點閉合，這樣就起到了互鎖控制控制作用。3.4。3按鈕聯(lián)鎖為了方便操作,提高工作效率，將正、反轉(zhuǎn)按鈕的動斷觸點串接到對方的電路中，利用按鈕的動合觸點的機械連接在電路中起相互制約的聯(lián)鎖作用。如正轉(zhuǎn)過程中,按動反轉(zhuǎn)按鈕SB2，SB2的動斷觸點使KM1線圈斷電（自鎖打開），電動機正轉(zhuǎn)停止,KM1動斷觸點復位,SB2動合觸點復位，使KM2線圈通電自鎖，電動機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。同理在反轉(zhuǎn)過程中，按動正轉(zhuǎn)按鈕SB1,SB1的動斷觸點使KM2線圈斷電，電動機正轉(zhuǎn)停止，KM1線圈通電自鎖，電動機進入正轉(zhuǎn)。這樣就簡化了操作,使正轉(zhuǎn)進入反轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)進入正轉(zhuǎn)）不必先按下停止按鈕，然后再進行相反的操作。因此接觸器互鎖和按鈕互鎖構(gòu)成雙重互鎖，使電路更具實用性。3.4.4閘門手動控制選擇萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)是一種多擋位、多段式、控制多回路的主令電器，當操作手柄轉(zhuǎn)動時，帶動開關(guān)內(nèi)部的凸輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動,從而使觸點按規(guī)定順序閉合或斷開。如圖1—3中萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)，當把擋位打到手動擋位時，系統(tǒng)即處于手動控制狀態(tài)。圖1—3萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)3。4.5電氣控制原理圖電】—T底電】—T底4閘門自動控制系統(tǒng)設(shè)計4。1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-5自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖所示，系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器(PLC),工控機、液位傳感器、輸入控制、輸出控制等部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖1-5自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4。2超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器集非接觸開關(guān)、控制器和變送器三種功能于一身，是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。這類型的傳感器價格比較便宜，性能穩(wěn)定可靠，廣泛應用于閘門水位差測量使用。如圖1—6超聲波液位傳感器所示。

4。3組態(tài)王軟件組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件,是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。可以為企業(yè)提供一個對整個生產(chǎn)流程進行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺，使企業(yè)能夠及時有效地獲取信息，及時地做出反應，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。如圖1一7工控機組態(tài)王軟件操作界面所示.監(jiān)控圖1—7工控機組態(tài)王軟件操作界面II■*?1?4上即！們15『網(wǎng)瑪監(jiān)控圖1—7工控機組態(tài)王軟件操作界面II■*?1?4上即！們15『網(wǎng)瑪4。3輸入控制輸入控制信號可以來自工控機組態(tài)王軟件界面的功能按鍵，以及按鈕開關(guān)信號（備用操作）等。通過切換開關(guān)，可以選擇手動控制和自動控制。4。4輸出控制控制閘門電動卷揚機電機正向和反向運轉(zhuǎn)，打開與閉合，使閘門上升、下降、停止，以及當閘門運行到達極限位置、輸出報警信號。

4。5閘門PLC控制系統(tǒng)簡介本閘門控制系統(tǒng)選型為西門子S7—200SMART，西門子S7—200SMART是一種小型的可編程序控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。如圖1-8西門子S7-200SMART外型結(jié)構(gòu)所示。圖1—8西門子S7—200SMART外形結(jié)構(gòu)4.5.1性價比S7—200系列PLC系統(tǒng)由主機（基本單元）、I/O擴展單元、功能單元（模塊）和外部設(shè)備等組成。S7—200PLC主機（基本單元）的結(jié)構(gòu)形式為整體式結(jié)構(gòu)。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能.4。5。2硬件配套提供不同類型、I/O點數(shù)豐富的CPU模塊，單體I/O點數(shù)最高可達60點，可滿足大部分小型自動化設(shè)備的控制需求.另外，CPU模塊配備標準型和經(jīng)濟型供用戶選擇,對于不同的應用需求，產(chǎn)品配置更加靈活，最大限度的控制成本。4。5.3CPU運行速度配備西門子專用高速處理器芯片，基本指令執(zhí)行時間可達0°15us，在同級別小型PLC中遙遙領(lǐng)先.一顆強有力的“芯”，能讓您在應對繁瑣的程序邏輯,復雜的工藝要求時表現(xiàn)的從容不迫。4。5。4固件升級以及程序更新CPU模塊本體標配以太網(wǎng)接口，集成了強大的以太網(wǎng)通信功能。一根普通的網(wǎng)線即可將程序下載到PLC中，方便快捷，省去了專用編程電纜。通過以太網(wǎng)接口還可與其他CPU模塊、觸摸屏、計算機進行通訊，輕松組網(wǎng).快速實現(xiàn)設(shè)備調(diào)速，定位等功能。本機繼承MicroSD卡插槽，使用市面上通用的MicroSD卡即可實現(xiàn)程序的更新和PLC固件升級。4。5.5操作界面?zhèn)鞒辛宋鏖T子編程軟件強大功能的基礎(chǔ)上，融入了更多的人性化設(shè)計，如新穎的帶狀式菜單，全移動式界面窗口，方便的程序注釋功能,強大的密碼保護等。在體驗強大功能的同時，大幅提高開發(fā)效率，縮短產(chǎn)品上市時間。如圖1—9西門子S7-200SMART軟件操作界面所示。4。6閘門自動控制系統(tǒng)工作原理4.6。1系統(tǒng)控制原理PLC自動控制原理圖如圖1—5所示，作為可編程控制器的PLC,充當控制系統(tǒng)的核心部件，它不僅要實時地采集閘門超聲波液位傳感器發(fā)出的開度變化信號、閘門運行狀態(tài)信號、外部輸入控制信號，還要將所采集的這些信號經(jīng)軟件處理后，分別轉(zhuǎn)化為相應的閘門開度值和運行狀態(tài)信號，以顯示到工控機上；同時,還適時地與工控機進行通訊，接收執(zhí)行操作者發(fā)出的指令，經(jīng)PLC軟件綜合處理后，向閘門發(fā)出相應的控制指令，以達到控制閘門啟閉機正常運行的目的。4。6。2控制原理分析旋動閘門手/自動選擇開關(guān)，系統(tǒng)由手動控制切換到自動控制狀態(tài).按下工控機組態(tài)王軟件的功能鍵發(fā)出控制信號,可編程控制器收到信號并執(zhí)行相關(guān)程序,控制與之相連接的中間繼電器動作，來控制電動機的起、停及正、反轉(zhuǎn)，從而控制閘門的上升、下降和停止.例如按動工控機組態(tài)王軟件上的1號閘門上升功能鍵，經(jīng)可編程控制器的程序處理后控制1號閘門上升輸出觸頭QF1閉合，中間繼電器KA2線圈通電，控制電路（圖1—4）中的KA2常開觸點閉合，接觸器KM1通電自鎖，KM1主觸點閉合，電動機M1正向轉(zhuǎn)動，1號閘門上升。同樣地，按工控機組態(tài)王軟件上的1號閘門下降功能鍵，1號閘門下降輸出觸頭QF2閉合,繼電器KA3線圈通電，KA3常開觸點閉合，KM1線圈斷電，自鎖回路打開,主觸點打開，KM2通電自鎖，KM2主觸點閉合，電動機M1反向轉(zhuǎn)動，1號閘門下降。按動工控機組態(tài)王軟件上的1號閘門停止功能鍵，1號閘門下降輸出觸頭Q0.0閉合,繼電器KA1線圈通電，KA1常閉觸點斷開，1號閘門控制電路斷電，KM1（或KM2）主觸點打開，電動機M1停轉(zhuǎn)，1號閘門停止。2號和3號閘門的控制原理與1號閘門的相同.4。6。3閘門上、下限位保護當1號閘門運行到最上方時，行程開關(guān)SQ1受壓,SQ1閉合，中間繼電器KA4線圈通電,KA4常閉觸點斷開,KM1線圈失電,KM1主觸點斷開，電動機M1停轉(zhuǎn)，1號閘門停止上升。當1號閘門運行到最下方時，SQ2閉合，電動機M1停轉(zhuǎn),1號閘門停止下降。2號和3號閘門的限位保護與1號閘門的相同.5閘門自動（PLC）控制系統(tǒng)程序設(shè)計5。1軟件系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)工作原理和控制要求，軟件設(shè)計上采用模塊化結(jié)構(gòu),將程序分解為多個小任務，方便增加或刪減程序模塊，同時也便于使用后完善控制程序.整個程序包括主程序模塊、控制模塊、顯示模塊等。編程采用STEP7-MicroWINSMART（中文版）軟件下的梯形圖（LAD）編輯器，梯形圖是PLC編程的高級語言，容易編程和維護人員接受和掌握。LAD圖形指令有三個基本形式:觸點、線圈和指令盒。觸點表示輸入條件，例如開關(guān)、按鈕控制的輸入映像寄存器狀態(tài)和內(nèi)部寄存器狀態(tài)等。線圈表示輸出結(jié)果，利用PLC輸出點可直接驅(qū)動繼電器、接觸器線圈等負載。指令盒代表較復雜功能的附加指令，例如數(shù)學運算指令和數(shù)據(jù)處理指令等.5.2I/O端口分配表表2-1I/O端口分配表序號符號功能描述110。01#上限位（KA4常開觸頭）2I0.11#下限位（KA5常開觸頭）3I0.21#手/自動（SA1常開觸頭）4I0o32#上限位（KA9常開觸頭）5I0.42#下限位（KA10常開觸頭）6I0o52#手/自動（SA2常開觸頭）7I0o61#上升運行狀態(tài)輸入（KM1常開觸頭）8I0.71#下降運行狀態(tài)輸入（KM2常開觸頭）

9I1o02#上升運行狀態(tài)輸入（KM3常開觸頭）1011。12#下降運行狀態(tài)輸入（KM4常開觸頭）11Q0.01#停止輸出控制（KA1線圈）12Q0o11#上升輸出控制（KA2線圈）13Q0o21#下降輸出控制（KA3線圈）14Q0o32#停止輸出控制（KA6線圈）15Q0o42#上升輸出控制（KA7線圈）16Q0o52#下降輸出控制（KA8線圈）5。3主程序模塊對所使用的計數(shù)器、定時器、存儲單元、數(shù)據(jù)寄存器進行初始化處理，一些需要初始值的變量進行賦值.2,g倒海作HIWWE間村祿tl'心F;

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6相關(guān)負載和容量的計算及相關(guān)元件的選擇6。1電動機容量的計算本設(shè)計選用PA400型單相電動機作為閘門的啟閉設(shè)備，查表2—2得PA400型單相電動機的技術(shù)參數(shù)：表2—2PA400型單相電動機技術(shù)參數(shù)電動機額定工作電壓UN=220V電動機額定功率PN=0.75KW電動機額定效率nN=86%電動機額定功率因數(shù)COSON=0077電動機額定電流3.5A6。2導線的選擇按每平方毫米2到5A選擇導線，電動機額定電流為3.5A，共15臺，分3組控制，主電路中主供電線選用10平方毫米，每組電動機分別選用6平方毫米的供電導線?？刂齐娐返膶Ь€統(tǒng)一選用1平方毫米的導線。6.3其他元器件的選擇按照閘門控制系統(tǒng)設(shè)計基本要求以及6.1中電動機容量計算得到的電動機電壓和電流選擇元器件，結(jié)果如表2-3元器件材料清單表所示。6。4元器件清單表表2-3元器件材料清單表序號原件編號設(shè)備名稱設(shè)備型號數(shù)量單位1QF總開關(guān)NB1-63C32A3P3個2QF1/QF2/QF3熱磁繼電器DZ108-20/21110A3個

3SB1/SB3/SB4常開按鈕（帶綠色燈）NP2—BW33413套4SB2/SB4/SB6常開按鈕（帶紅色燈）NP2-BW33413套5KM1-KM6交流接觸器CJX2-12106只6F1繼電器NB1—63HC10A2P1個7HL1電源指示燈ND16—22DS/41套8KAQ-KA7小型繼電器JZX—22F/006/4Z7套9U1超聲波液位傳感器1臺10U2光纖交換機1臺11U3PLC288—1SR30—0AA01臺12PLC模擬量模塊288—3AE04—0AA01塊13端子6m24個14端子2o5m236個15SP限位開關(guān)1個16SB7常開小按鈕1個17HL8/HL9/HL10故障指示燈ND16—22DS/43套18報警器DC24V1個19馬達保護斷路器DZ108—20/21116A3個7結(jié)論通過這次河道攔水閘智能控制系統(tǒng)設(shè)計，使我對電氣控制及PLC、可編程原理及應用等幾門課程有了更為深入的理解，進一步掌握了電氣控制應用技術(shù)、可編程控制器應用技術(shù)。本次設(shè)計讓我認識到團隊分工合作的重要性，要把一個設(shè)計真正的完全的做好，有一定的困難，如果是靠一個人的力量的話,那需要很大的工作量,所以組員們應做好分工、很好的合作起來。這次設(shè)計我擔任了設(shè)計助理，我較好地履行了自己的職責，也給我提供了一個提高自己各方面能力的機會，從中學到了很多。通過本次畢業(yè)設(shè)計,既綜合了機電設(shè)備專業(yè)所學過的多門學科知識，還讓我見識到了西門子PLCS7-200的實際應用，增強了我對電氣化專業(yè)應用技術(shù)和領(lǐng)域的了解，培養(yǎng)了自己分析問題、解決問題的能力，為畢業(yè)后從事電氣化專業(yè)技術(shù)工作打下了一個很好的基礎(chǔ)。該控制系統(tǒng)的主要設(shè)計特點是集通訊、控制、數(shù)據(jù)采集、閘門開度顯示，人機界面采用PLC>X控機和組態(tài)王軟件的組合。對閘門啟閉機這種控制比較簡單的設(shè)備，采用這種組合方案，不但功能上可完全滿足設(shè)計要求，而且可降低費用，簡化系統(tǒng)設(shè)計，提高系統(tǒng)運行的可靠性。參考文獻孫平，《可編程控制器原理及應用》，高等教育出版社，2003ol孫平，《電氣控制與PLC》，高等教育出版社，2004。12廖常初，《PLC編程及應用》，機械工業(yè)出版社，2003王永華，《現(xiàn)代電氣及可編程序控