武汉大学水电站自动化课程设计

水电站自动化课程设计专业：能源与动力工程
设计人：
班级：能动四班
学号：
指导老师：肖志怀
完成时间： 2017年 1 月 11 日
目录
目录........................................................ - 1 - 第一章设计原始资料........................................ - 2 - 第二章电动机主电路设计................................... - 3 -
2.1 电机的选择......................................... - 3 -
2.2 主回路接线原理图................................... - 3 -
2.3 主回路设备的选择................................... - 4 -
2.4 电机的保护......................................... - 8 - 第三章系统控制回路设计................................... - 8 -
3.1 系统控制结构....................................... - 8 -
3.2 控制系统的工作原理................................. - 8 - 第四章 PLC控制回路的设计.................................. - 10 -
4.1 PLC的选择 ........................................ - 10 -
4.2 I/O端子分配及接线图 .............................. - 10 -
4.3 梯形图程序设计及说明.............................. - 10 -
4.4 语句指令表........................................ - 11 -
4.5 设备清单.......................................... - 14 - 附表...................................................... - 15 - 参考文献.................................................. - 16 -
第一章设计原始资料
集水井排水装置自动控制
某水电站渗漏排水系统有二台相同的渗漏排水泵，一台工作，一台备用。

水泵类型为深井泵，单台配套电动机容量：90kW，电压：AC380V。

每台水泵出水管道上安装一只电动阀门，水泵抽水时电动阀门打开，水泵停止时电动阀门关闭，电机功率1.5kW。

排水井水位和高程：渗漏排水井底板高程3.0m，停泵水位高程5.0m，工作泵启动水位高程11.5m，备用泵启动水位高程12.0m，报警水位高程12.2m。

控制要求（机构系统图如图1）：
（1）深井泵启动前3秒必须先给润滑水，泵启动后2min切断润滑水，润滑水由机组技术供水系统供给，供水管径20mm，通过电磁阀自动控制，该电磁阀的工作可自动合/分，也可手动合/分。

（2）盘面上要有电源指示灯，运行指示灯和故障指示灯。

控制柜有电时电源指示灯亮，抽水泵电动机运转时运行指示灯亮，控制柜有故障时故障指示灯亮，故障信号：（a）接触器故障（b）启动超时（45s）
（3）深井泵工作方式：自动/手动。

自动方式时，控制装置依据控制流程要求自动实现水泵的启/停控制。

手动方式时，通过操作面板上的操作开关直接控制水泵，该方式仅供设备调试或检修使
用。

（4）蓄水池水位达到报警水位时，控
制柜内喇叭要发出断续的蜂鸣声，电铃要
响。

（5）出水管道上的阀门电动机正反转
时要有硬件互锁和软件互锁，避免电气短
路。

（6）工作水泵和备用泵每周轮换一次。

图1-1 集水井排水装置机构系统图第二章电动机主电路设计
2.1 电机的选择
（1）水泵电动机的选择
根据本设计深井泵的工作环境、方式以及电动机的容量：90KW,电压：AC380V,可选择Y280M-2电动机，其具体参数如表2-1所示。

（2）电动阀电动机的选择
由于电机的功率为1.5KW,则选用Y90S-2电动机，其具体参数如表2-1所示。

表2-1 电动机技术参数
2.2 主回路接线原理图
考虑到排水装置的控制要求，设计得电动机主回路接线图如图2-1所示，其工作原理如下：
合上电源开关QS1，按下启动按钮SB1，接触器KM1得电吸合并自锁，接触器KM2也同时得电吸合，电动机三相绕组在Y形接法下降压启动，同时时间继电器KT1通电计时。

经过一段时间的延时后，时间继电器KT1常闭触点打开，常开触点闭合，接触器KM2失电释放，其常闭辅助触点闭合，继电器KM3得电吸合并自锁，将电动机三相绕组接成△形在全压下运行。

其中，1号泵电动机由POWER1电源单独供电，2号泵电动机由POWER2电源单独供电，并互为备用。

当两路电源中有一路发生故障切除时（1QF、2QF之一断），则备用电源自动切换装置APD将母联断路器（3QF）合上，以保证电动机的正常工作。

由于电动机的功率较大，为减小启动电流，故在本设计的电动机主回路中选用Y-△降压启动方式。

其控制回路如图2-2所示。

图2-2 控制电路图
2.3 主回路设备的选择
2.3.1 接触器的选择
在电气控制电路中，接触器的使用十分广泛，其额定电流和额定电压是随时用条件的不同而变化的，只有根据不同使用条件去正确选用，才能保证它在控制电路中长期可靠运行，充分发挥其作用。

接触器用于带有负载主电路的自动接通和切断，分直流和交流接触器两大类，交流接触器主要有CJ0及CJ10系列。

机床电器控制电路中应用最多的是交流接触器。

在一般情况下，选用交流接触器的主要依据如下：
①吸引线圈电源种类：交流或直流。

②主触点额定电压、额定电流。

③辅触点类型、数量及其额定电流。

④吸引线圈的电源种类，频率和额定电压。

⑤额定操作频率（次/h），即允许每小时接通的最多次数。

具体选择时应注意以下四点：
① 主触点额定电流N I 应大于或等于被控对象（负载）电流，对于电动机这种负载可按下面经验公式来初步确定其主触点电流N I ，即 N
N N kU P I 3
10⨯= （2-1） 式中：N P 为被控制电动机额定功率（kW ）；N U 为电动机额定电（V ）；k 为经验系数，一般取1~1.4.实际选用接触器时，主接触器额定电流应大于计算值，也可以参照《控制电器及应用》表6-9，按被控电动机的容量进行选取。

对于频繁启动和制动以及频繁正反转工作的电动机，为了防止接触器主触点的烧蚀和过早损坏，应将其额定电流降低一个等级使用，或将表6-9中所示的被控电动机容量减半选用。

② 接触器主触点额定电压N U 应大于被控对象的额定电压。

③ 接触器触点数量及其种类应满足控制需要，当辅触点的对数不能满足要求时，可用增设中间继电器的方法来解决。

④ 接触器吸引线圈的电压种类与电压等级应根据控制电路及被控对象的要求选用。

简答控制电路可直接选用380/220V 电源电压作为接触器吸引线圈电压。

比较复杂的控制电路选用127/110V 或更低的电压作为接触器吸引线圈电压比较合适。

由式2-1计算可得：
故KM1、KM2、KM3应选用CJ20-250接触器,KM4、KM5选用CJ20-5。

2.3.2 熔断器的选用
1、选用的一般原则
① 按合适的电压等级和配电系统中能出现的最大短路电流来选用熔断器。

② gG 、gM 和aM 熔断体的选用：(a)gG 熔断体属于一般用途的可实现全范围分断的熔断体，它兼有过电流保护功能，主要用于线路保护；(b)gM 熔断体可实现全范围保护电动机，既可用于对电动机电路的过载保护，也可用于对电动机回路的短路保护，gM 熔断体还可以保护照明回路；(c)aM 熔断体只能在部分范围分段地保护电动机，所以用在电动机主回路时需要在回路中配套热继电器。

③ 当熔断器是按上下级安装时，需要考虑选择性配合关系。

g 类熔断体的过电流选择比有1.6:1和2:1两种。

一般地，专职人员使用的带刀口的熔断体过电流选择比为1.6:1，而带螺栓连接的熔断体和圆筒形熔断体其过电流选择比为2:1.
应用在电动机回路的熔断器：对于单台的电动机主回路，应当按电动机的起动电流倍数来考虑让熔断体的截断电流大于或等于电动机的起动冲击电流，熔断
体的额定电流应当等于
n I ）（5.3~5.1，这里的n I 是电动机的额定电流为166A 。

则A I 2491665.1e1=⨯=，A I 1.54.35.1e2=⨯=
所以FU1、FU2选用NGT1-250/380熔断器，FU3选用RLIB15熔断器。

2.3.3 热继电器的选用
热继电器主要用于电动机的过载保护，选用时必须考虑电动机的工作环境、起动情况、允许过载能力等因素，具体应按以下几个方面来选择。

① 星型联结的电动机可选用两相或三相结构的热继电器；三角形联结的电动机应选用带断相保护的三相结构热继电器。

② 在长期工作制或间断长期工作制下，按电动机的额定电流来确定热继电器的型号及热元件的额定电流等级。

热元件的额定电流应接近或略大于电动机的额定电流，即
N RT I I )1.1~05.1(= （2-2） 对于工作环境恶劣、起动频繁的电动机，热元件的额定电流则按下式确定，
即
N RT I I )5.1~15.1(= （2-3） ③ 在不频繁起动的场合，要保证热继电器在电动机起动过程中不产生误动作。

通常，当电动机起动电流为其额定电流的6倍且起动时间不超过6s 时，热继电器的额定电流应大于或至少等于被保护电动机的额定电流。

若电动机的起动时间较长（超过5s ），热元件的额定电流可调节到电动机额定电流的 1.1~1.5倍。

④ 对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，必要时可选用埋入电动机绕组的温度继电器或热敏电阻来保护。

由式2-2可得： A I RT 3.17416605.11=⨯=
所以，FR1选用T250热继电器，FR2选用JRSI-25热继电器。

2.3.4 断路器的选用
空气开关也就是断路器，在电路中作接通、分断和承载额定工作电流，并能在线路和电动机发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护。

其选型原则如下：
（1）断路器的额定电压必须大于或等于线路的工作电压。

（2）断路器的额定短路通断能力≥线路中可能出现的最大短路电流。

（3）断路器的额定电流≥线路的负载电流。

（4）漏电断路器的额定漏电动作电流必须≥2倍的线路业已存在的泄漏电流。

（5）断路器末端单相对地短路时能使选用B 、C 、D 型瞬时脱扣器的开关动作，对于不同类型的负载（用电设备）选用不同的瞬时脱扣器和相应的电流等级的产品。

（6）在装漏电保护器之前必须搞清原有的供电保护型式，以便判断是否可以直接安装或需改动。

（7）有进出线规定的产品必须严格按要求接线，进出线不可反接。

综合以上因素考虑，则本设计选用DZL25断路器
2.4 电机的保护
本设计中通过采用三个PTC 热敏电阻内置于电动机定子绕组内监测电动机运转时定子绕组内温度，温度开关两端引致PLC 相应输入端。

温度开关为双金属片结构，正常工作时触点处于闭合状态(具体见第四章温度开关介绍)。

当电动机过热时，任一个PTC 热敏电阻温度达到额定断开温度时，电阻值急剧上升，温度开关的双金属片触点断开， PLC 机温检测输入端断开，PLC 立即切断电动机启动器； 保护电机绕组、轴承、电容器等易发热器件。

温度开关额定断开温度也即是欲控制电动机定子绕组最高温度参考设置为90℃。

另外，采用断路器和熔断器用于电动机的短路保护。

第三章 系统控制回路设计
3.1 系统控制结构
图3-1 集水井排水装置的自动控制原理流程图
3.2 控制系统的工作原理
可编程控制器进入运行状态，先检测各状态量和通过A/D 模块检测水位变送器传送的水位信号，如发现某一事故则作对应的事故处理，如果发现LCU 传送的手动开和停泵的信号，也作对应的处理。

为了准确可靠的工作，PC 对水位的检测通过开关量输入和A/D 采样对节点式和模拟量输出的水位信号进行检测，当两水位信号都是大于工作泵启动水位时，则置M 1 =1，当水位不小于备用泵启动水
位时，则置M 2 =1，当水位不大于水泵停止水位时，则置M 1=M 2=0。

M 1和M 2中间继电器状态如表3-1所示。

表3-1 M
1和M
2
中间继电器状态图
自动投入：当M
1
=1，即集水井水位上升到工作泵启动水位时，则PC发一开
关量输出信号控制工作泵电动机启动。

当集水井水位下降到停泵水位（M
1
=0）时，PC发出信号控制关闭水泵电动机。

备用投入：当M
2
=1，即当工作泵故障或来水量大增，使集水井水位上升到备用泵启动水位时，PC发一控制信号控制打开备用水泵，并发出报警信号。

当集
水井中水位下降到停泵水位时即M
2
=0时，则PC发一控制信号控制备用泵停机。

第四章 PLC控制回路的设计
4.1 PLC的选择
1、输入点数的确定：设置4个水位点从高到低依次是过高水位、备用泵启动水位、工作泵启动水位、停泵水位，用到4个输入端；电源信号用到2个输入端；泵出口示流信号、压力信号各用到2个输入端，润滑水示流信号用到2个输入端，用于电机运行的接触器KM1、KM
2、KM6、KM7，用于电机三角形降压启动的接触器KM
3、KM8，用于阀门电动机正反转的接触器KM
4、KM
5、KM9、KM10用到10个输入端，共计22个开关量输入点。

2、输出点数的确定：水位指示灯4个；1号泵启动/停泵信号2个；2号泵启动/停泵信号2个；两组冲水电磁阀2个；两组阀门正/反转及停车信号6个；电源指示灯2个；手动指示灯和自动指示灯2个；两组故障指示灯和蜂鸣器报警输出共3个；总计23个开关量输出点。

3、根据以上分析选用FX2N-48MR-001，共24个开关量输入端，24个开关量输出端。

输入点余出2个可用于主备水位计各自输入端，亦可作为余量。

FX2N 是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，内置用户存储器8Kb，可扩展到16Kb，最大可扩展到256个I/O点，可有多种特殊功能扩展，实现多种特殊控制功能（PID、高速计数、A/D、D/A、等）。

有功能很强的数学指令集。

通过通信扩展板或特殊适配器可实现多种通信和数据链接。

4.2 I/O端子分配及接线图
PLC外部端子接线图如图4-1所示：
4.3 梯形图程序设计
根据系统工艺和控制要求，依据I/O端子分配，在梯形图程序中设置了相应的程序段功能模块，设计梯形图如图4-2所示。

图4-2 PLC梯形图
4.4 语句指令表
表4-1 排水泵控制参考程序表
4.5 设备清单
表4-1 设备清单表
附表
附表1 小组分工明细表
参考文献
[1] 李中年主编.控制电器及应用.北京.清华大学出版社.2006.
[2] 吴凌云主编.电气控制与PLC技术及应用.武汉.华中科技大学出版社.2013.
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[5] 李兰忖等主编.电气控制与PLC.北京.清华大学出版社.2012.
[6] 张白帆编着.低压成套开关设备的原理及其控制技术.北京.机械工业出版社.2012.
[7] 易泓可主编.电气控制系统设计基础与范例.北京.机械工业出版社.2008.
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