PLC课程设计 旋转式滤水器

本科生课程设计报告
题目旋转式滤水器电气控制系统
课程电气控制及可编程控制器
专业
目录
1 任务书 (3)
1.1 课程题目 (3)
1.2 设计目的及要求 (3)
1.3 设备概况 (4)
1.4 控制要求 (5)
1.5 课题要求 (6)
1.6 日程安排 (7)
1.7 主要参考书 (7)
2 流程系统 (8)
3 控制系统的选择 (9)
3.1 整体结构 (9)
3.2 机械结构 (9)
3.2.1执行机构 (9)
3.2.2排污机构 (9)
3.2.3 滤水机构 (10)
3.2.4 操作单元 (10)
3.2.5 保护装置 (10)
4 硬件选择 (11)
4.1 主电路设计 (11)
4.2 交流控制电路设计 (13)
4.3 PLC控制电路设计 (14)
4.3.1硬件结构设计 (14)
4.3.2 输入输出接口功能 (15)
5 软件设计 (17)
6 总结 (19)
7 参考文献 (19)
第1章任务书
1.1 课程题目
旋转式滤水器电气控制系统
1.2 设计目的及要求
一、设计目的
课程设计的主要目的是通过某一生产设备的电气控制装置的设计实践，了解
一般电气控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。

通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。

电气设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。

二、设计要求
在课程设计中，学生是主体，应充分发挥他们的主动性和创造性。

教师的主导作用是引导其掌握完成设计内容的方法。

为保证顺利完成设计任务还应做到以下几点：
1) 在接受设计任务后，应根据设计要求和应完成的设计内容进度计划，确定各阶段应完成的工作量，妥善安排时间。

2) 在方案确定过程中应主动提出问题，以取得指导数师的帮助，同时要广泛讨论，依据充分。

在具体设计过程中要多思考，尤其是主要参数，要经过计算论证。

3) 所有电气图样的绘制必须符合国家有关规定的标准，包括线条、图型符号、项目代号、回路标号、技术要求、标题栏、元器件明细表以及图样的折叠和装订。

4) 说明书要求文字通顺、简练，字迹端正、整洁。

5) 应在规定的时间内完成所有的设计任务。

6) 如果条件允许，应对自己的设计线路进行试验论证，考虑改进的可能性。

1.3 设备概况
旋转式滤水器主要用于水力发电厂的生产用水过程中，对进入水厂原水中2cm3以上的漂浮杂物进行过滤除杂。

该设备安装在水处理车间的进水管道入口处，根据生产用水量的实际需要，既可单台使用，也可多台并联运行。

旋转式滤水器的基本工作原理是根据旋转式滤水器进水口、出水口之间的水位压力差来控制旋转式滤水器的除杂排污。

正常滤水过程：由于旋转式滤水器进水与出水口的水流正常，产生的压力差低于差压控制器设定值，因此，差压控制器内微动开关无动作输出，原水正常过滤。

除杂排污过程：由于旋转式过滤器长时间过滤原水，势必在滤水器内的过滤孔中阻塞大量的水中漂浮物，使得进水口的水压大于出水口的水压，出水量减少，进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值，这时差压控制器内微动开关动作输出，常开触点闭合，接通控制系统进行除杂排污。

除杂排污后旋转式滤水器又恢复正常滤水状态，生产供水系统安全运行。

旋转式滤水器控制框图如图2-1所示。

图1 旋转式滤水器控制框图
1.4 控制要求
(1) 手动调试和检修 SF0手柄指向左45º时，接点SF0-1接通，通过SF1、SF2控制按钮，手动开/关电动阀，通过SF3、SF4控制按钮，手动开/关滤水器电动机，以便于系统调试和检修。

(2) 人工除杂排污 SF0手柄指向右45º时，接点SF0-2接通，人工起动、停止旋转式滤水器进行除杂排污。

(3) 定时自动除杂排污：SF0手柄回零位时，若原水中杂物较少，固体漂浮物也较少，因此，水处理车间的旋转式滤水器长时间正常滤水，不能进行差压自
动除杂排污。

由于旋转式滤水器长时间置于水中，各个机械传动机构会锈蚀，影响过滤和除杂排污或导致旋转式滤水器损坏，因此，需要具有定时自动除杂排污功能。

(4) 差压自动除杂排污 SF0手柄回零位时，若滤水器进、出水口产生的压力差高于差压控制器设定值时，旋转式滤水器自动进行除杂排污，直到滤水器进、出水口产生的压力小于差压控制器设定值时，旋转式滤水器自动停止除杂排污，恢复正常滤水状态。

(5) 超压停机旋转式滤水器内部的过滤孔被小颗粒杂物堵死无法排出，进、出水口的压力差较高，虽然进行了除杂排污，但是进、出水口的压力差仍然未能降到正常值，差压控制器内微动开关长时间动作（8～10min），需要立即停车，并发出声光报警。

(6) 减速机润滑在旋转式滤水器上装有行星摆线针轮减速机，由输油泵将油室中的润滑油源源地送入减速机，液压泵拖动电动机与滤水器电动机同步运行。

(7) 除杂排污阀门的电动装置内设三相交流异步电动机380V/60W、阀门限位开关和电动机过热保护，通过正、反相运行实现开阀、关阀功能。

(8) 其他必要的电气联锁与保护，受控对象运行状态显示等。

9) 相关参数
1) 滤水器电动机MA1：Y系列，AC380V，1.5 kW，6极；液压泵电动机MA2：Y系列，AC380V，70W，4极；减速机4极减速；电动阀电动机MA3：AC380V，60W，电动阀自带。

2) 差压变送器测量范围：0.3～0.8MPa可调，电感性电接点输出：AC220V，1A。

3) 指示灯PG：10mA，DC24V。

4) 电铃PB：8W，AC220V。

11) 控制信号说明见表2-1。

表2-1 控制信号说明
1.5课题要求
1) 根据控制要求，进行旋转式滤水器电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。

2) 根据控制要求，编制旋转式滤水器控制PLC应用程序，有条件可以利用模拟开关板调试程序，模拟运行。

3) 编写设计说明书，内容包括：
①设计过程和有关说明。

②基于PLC的旋转式滤水器电气控制系统电路图。

③ PLC控制程序（梯形图和指令表）。

④电器元器件的选择和有关计算。

⑤电气设备明细表。

⑥参考资料、参考书及参考手册。

⑦其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。

1.6日程安排
设计时间安排（共1.5周）
1.7 主要参考书
1．教材《电气控制与PLC应用》2．《可编程序控制器原理及应用》3．《S7-200使用手册》
第2章流程系统
在旋转式滤水器设计中，一个主要的问题就是污物的有效排放，这里采用两台电机：主电动机(滤水器电动机)和排污电动机(控制排污阀的开关)配合来完成此功能。

第3章控制系统的选择
由于本设计所需的I/O口较少，所以我们选用三菱 FX2N系列小型程控器FX2N-48MR作为核心控制器件。

FX2N系列是PLC FX家族中最先进的系列。

由于FX2N系列具有如下优点：最大范围地包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

FX2N系列PLC的特点有：系统配置既固定又灵活，编程简单，备有可自由选择，丰富的品种，令人放心的高性能、高速运算，使用于多种特殊用途，外部机器通讯简单化，共同的外部设备。

3.1 整体结构
在旋转式滤水器设计中，一个主要的问题就是污物的有效排放，这里采用两台电机：主电动机(滤水器电动机)和排污电动机(控制排污阀的开关)配合来完成此功能。

总结构如图1所示。

系统的输入包括压力差信号输人和方式选择输入等，滤水器有进水口、出水口、排污出口。

3.2 机械结构
旋转式滤水器主要由转动轴、定位杆、支架壳体、网芯、进水口、出水口、排污口等组成一般水质为淡水型的，滤网和内部主要部件为不锈钢材质。

网芯中的网孔用冲床一次制成，具有耐腐蚀、不生锈，表面光洁、不易结垢的特性。

机械部分由五部分组成，分别为滤水机构、执行机构、排污机构、操作单元、保护装置
3.2.1执行机构
由驱动电机、减速器、定位锁紧装置、排污电机及相关部件组成，其作用是按照控制台发来的指令，完成预定的动作，使滤芯旋转一定角度或开关排污阀门。

3.2.2排污机构
排荇机构由排污台、旋流子、支架、排污管及排枵阀等组成。

当需要排污时，转动滤芯，进行反冲洗。

当打开排污阀门时，排污单元滤卷内水流改变方向，从环形水室及相临单元滤芯内进人排污单元滤芯内。

当反向流人的冲洗水进入排圬单元滤芯时，被旋流子改变方向，形成一旋流水束，
将壁面杂物冲出排污单元滤芯，并经排污门排出，直到壁面洁净为止。

3.2.3滤水机构
主要由机壳，滤芯组、旋流子、进出水室、法兰等部件组成。

其工作过程是：水流经人口管进人人口水室，再由水室分配至各滤芯单元过滤，将水中的大颗粒杂质滤掉后，由滤芯内流向滤芯外的环形集水室，再经出水管送至各冷却器，杂物留在各滤芯单元内。

3.2.4操作单元
可使整个滤水器实现自动或人工反冲洗，及除杂排污。

设自动时可进行定时自动和差压自动除杂排污。

网芯单元的冲洗时问，即：排污时间，可根据实际情况自由设定。

3.2.5保护装置
主要设置电动机过载保护装置和超高压报警停车装置。

在电机过载时和超高压时，能及时切断电源，保护电动机；超高压时还能进行报警，提醒操作人员及时排除故障。

第4章硬件设计
4.1 主电路设计
旋转式滤水器控制系统的主电路如图2所示。

（1）主回路中交流接触器KM3控制滤水器电动机M1、液压泵电动机M2；KM1、KM2通过正、反转控制电动阀电动机M3,完成开起阀门和关闭阀门的功能。

（2）电动机M1、M2、M3由热继电器FR1、FR2、FR3实现过载保护。

电动阀电动机M3控制器内还装有常闭热保护开关，对阀门电动机M3实现双重保护。

（3） QF为电源总开关，既可完成主电路的短路保护，又起到分断三相交流电源的作用，使用和维修方便。

（4）熔断器FU1、FU2、FU3分别实现各负载回路的短路保护。

FU4、FU5分别完成交流控制回路和PLC控制回路的短路保护。

图2 旋转式滤水器控制系统主电路图
4.2 交流控制电路设计
旋转式滤水器控制系统的交流控制电路图如图3所示。

图3 旋转式滤水器控制系统交流控制电路图
（1）控制电路有电源指示HL。

PLC供电回路采用隔离变压器TC，以防止电源干扰。

（2）隔离变压器TC的选用根据PLC耗电量配置，可以配置标准型、变比1：1、容量100VA隔离变压器。

（3） 3台电动机M1、M2、M3的过载保护，分别由3个热继电器FR1、FR2、FR3、实现，将其常闭触点并联后与中间继电器KA1连接构成过载保护信号，KA1还起到电压转换的作用，将220V交流信号转换成直流24V信号送入PLC完成过载保护控制功能。

（4）报警电铃HA为AC200V/8W，在出现超高压差时进行报警。

（5）差压变送器是差压自动控制的关键传感器件，输出为压差信号。

差压变送器测量范围为0.3－0.8MPa可调，电感性电接点输出：AC220V,1A。

（6）由于控制电路的指示灯工作电压为直流24V，所以将220V电源电
压经过变比为8：1的降压变压器进行电压变换得到交流为27.5V的交流电，再经过整流电路、滤波电路得到24V的直流电压。

（7）控制系统的计数显示模块选用AT89S51单片机作为控制芯片，单片机供电电源需要直流5伏电压，要经过变比为20：1的降压变压器进行变压得到交流为11V交流电，并且经过整流电压变成直流电压为24V的直流电。

4.3 PLC控制电路设计
4.3.1 硬件结构设计。

根据设计要求，本系统设计了15个输入和12个输出。

其中，输出部份分为220V输出和24V输出两部份。

220V输出为电动机控制的接触器和报警电铃输出；24V输出为各种指示灯输出。

由于有两种不同的输出电压要求，所以必须提供两种不同电压的电源，这两个电源由交流控制电路提供。

图4 旋转式滤水器控制系统的PLC控制电路图
4.3.2 输入输出接口功能。

PLC输入接口功能如下表1所示，输出接口功能如下表2所示。

表1 旋转式滤水器控制系统的PLC输入接口功能表
表2 旋转式滤水器控制系统的PLC输出接口功能表
控制电路图中L5作为PLC输出回路的220V电源，分别向输出回路的220V交流负载供电，输出回路COM2接入电源N端。

VC24V作为PLC输出回路的24V直流电源，向电路中的所有指示灯供电，输出回路COM1接入直流电源的GND端。

光电耦合器件做为信号转换器件，将PLC的输出信号转换成单片机能接收的计数输入信号，通过单片机进行排污次数的计数，并将计数值通过8段数码管显示出来。

光电耦合器件的输入信号是滤水器电动机起动运行的输出信号。

第5章软件设计
旋转式滤水器控制系统的PLC程序梯形图如下图5所示。

第6章课程设计总结
通过这次的设计实验。

对我以前的知识有很好的查漏补缺功效，使我受益匪浅，并且锻炼了我独立思考的能力，培养了我独立研究、发现问题、分析问题、解决问题的能力，也增强了自己的动手能力，使实践与理论很好切合在一起，对书本上的知识也能活学活用。

虽然我们的课程设计在规定的时间内按时完成了任务，但是，由于知识和经验的欠缺，在设计的过程中也遇到了很多困难，但通过我们的不懈努力和老师、同学的帮助，设计才得以圆满按时的完成，所以仅凭个人的力量想设计出一个完美的系统几乎是不可能的。

课程设计是对大学所学课程的一个高度的综合。

使零散的知识系统化，形成了一种能力，这也是课程设计所要达到的目的。

通过这次课程设计是我对PLC有了更加深刻的了解，能熟练的使用PLC软件编程，这也为我们走入社会打下一个良好的基础，为走入社会对知识与理论的应用做了一个好的铺垫。

7 参考文献
[1] 熊幸明，电气控制与PLC，机械工业出版社，2011.1
[2] 胡晓林，电气控制与PLC应用技术，北京理工大学出版社，2010.7。