PLC在水厂虹吸刮泥机系统中的应用毕业设计论文.docx
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PLC在水厂虹吸刮泥机系统中的应用毕业设计论文
PLC在水厂虹吸刮泥机系统中的应用
摘要
可编程控制器(PLC)是以微处理器为核心、集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。
它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性好、性能价格比高等特点,已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用,成为实现工业自动化的一种强有力工具。
本课题研究的内容就是利用PLC技术实现自来水厂虹吸刮泥机的自动化控制,设计其电气控制系统,将最新的控制技术应用到工作过程中,提高虹吸刮泥系统的稳定性、可靠性和实时性。
本文综述了PLC控制系统的一般结构;简述了PLC控制系统设计的原则、内容和步骤。
针对该虹吸刮泥系统的特点和性能要求,采用了德国西门子公司S7-200系列中S7-214作为系统控制器,重点阐述了该系统的硬件、软件的设计方法,并简要分析了用计时器实现掉电自保的方法和用实时时钟功能实现自动定时刮泥的方法。
经过运行实践表明,以PLC控制的系统可靠性和实时性良好,完全满足系统设计要求,取得了良好的经济效益。
关键词:
可编程控制器虹吸刮泥系统掉电自保实时时钟
Abstract
ProgrammableLogicController(PLC)isakindofuniversalindustrialcontrolapparatuswhichisdevelopedrapidlyandusedwidelyinrecentyears,takingmicroprocessorasitscore,integratingmicrocomputertechnology,automationtechnologyandcommunicationtechnology.Itisappliedverydiffuselyinvariedfieldofindustrialcontrolwiththecharacteristicssuchasall-roundfunctions,flexibleapplication,wellreliability,highratioofcapabilityandpriceandeasymaintenanceandsoon,havingbecomearobusttooltorealizeindustrialautomation.
ThecontentthatthispaperstudiedistomakeuseofPLCtechnologytorealizetheintelligenttransformationofthescrapemudsystem,designtheelectriccontrolsystem,applythelatestcontroltechnologytothelathetransform,andimprovethestabilityofthescrapemudsystem,reliabilityandrealtimenature.ThepapersummarizesthegeneralstructureofPLCcontrolsystem;putsforwardtheprinciple,contentandstepofPLCcontrolsystemdesigning.SiphonblowagainstthesystemofsoilcharacteristicsandperformancerequirementsGermanyadoptedaSiemensS7-200seriessystemsasaS7-214controllerfocusesonthesystem'shardwareandsoftwaredesignmethods,focusesonthesystem'shardwareandsoftwaredesignmethods,SummaryandAnalysisofthetimerusedtoachievepower-failandtrytokeepthereal-timeclockfunctionforautomatictimingscratchingthesoil.
Afterrunning,practiceshowsthatthePLCcontrolsystemreliabilityandgoodreal-time,fullysatisfythedesignrequirements,achievedgoodeconomicresults.
Keywords:
ProgrammableLogicControllerSiphonscratchingmudsystemPowerdownprotectionRealtimeclock
第一章绪论
1.1课题的来源和意义
在提倡健康绿色生活的社会环境下,生活用水的质量,关系到每家每户的健康,而人们对它的水质提出更高要求。
随着自动化技术、控制设备和机电仪表的发展,使水行业的自动化发展成为现实,更好保障水质量。
在自来水厂中,沉淀设备是整个水处理工艺系统最重要的过程之一,是水处理工艺中泥水分离的重要环节,是保障水厂优质供水的关键所在,其运行状况直接影响出水水质,关系到千家万户的用水卫生和身体健康。
虹吸刮泥机是水厂工艺上沉淀的一种电气设备,其能否正常运行直接影响水厂自动化的正常控制。
早期刮泥机因采用常规继电器进行控制,控制线路过于烦琐复杂,不便于维护,故障率又高,因此,建立基于PLC为核心的水厂虹吸刮泥自动控制系统的目的是对虹吸刮泥机刮泥过程的设备工况、工艺参数等现场状况进行监视和自动调控,从而保障刮泥处理过程的稳定性和运行的连续性、可靠性。
同时,如何充分发挥PLC丰富的逻辑、控制功能,如何采用国内外著名品牌的PLC软硬件产品构成的水处理自控系统,是实现一个不但可以满足工程周期的要求,更可以确保稳定性、可靠性和先进性的虹吸刮泥机系统的关键。
本课题欲达到的目的或预期研究的结果是采用先进的国内外计算机软、硬件技术和设备设计出一套通用的,质量可靠、成本适宜的水处理刮泥自动控制方案。
1.2继电器控制系统的特点及存在问题
1.2.1继电器控制系统的特点
a)所有控制功能及信号处理均由硬件实现,线路直观,易于理解和掌握,适合于一般技术人员和技术工人所掌握。
b)系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。
c)大部分电器均为常用控制电器,更换方便,价格便宜。
d)多年来我国一直生产和运用这类电器,技术成熟,已形成系列化产品,技术资料图纸齐全,熟悉掌握的人员较多。
1.2.2继电器控制系统存在的问题
a)系统触点繁多接线线路复杂,且触点容易烧坏磨损,造成接触不良,因而故障率较高。
普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能,使系统的控制功能不易
增加,技术水平难以提高。
b)电磁机构及触点动作速度比较慢,机械和电磁惯性大,系统控制精度难以提高。
c)系统结构庞大,能耗较高,机械动作噪音大。
d)由于线路复杂,易出现故障,因而保养维修工作量大,费用高;而且检查故障困难,费时费工。
因此,继电器控制系统故障率高,大大降低了系统的可靠性和安全性,造成机械部件损坏,造成不必要的损失,甚至可能出现人身事故。
1.3可编程序控制器(PLC)及其在电气控制中的应用特点
1.3.1可编程序控制器(PLC)的定义
可编程控制器((ProgrammableController)是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能己经大大的超过了逻辑控制的范围。
因此,今天这种装置称作可编程控制器,简称PC。
但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLC。
为了使PLC生产和发展标准化,国际电工委(IEC)先后颁布了PLC标准草案第一稿,第二稿,并在1987年2月通过对它的定义:
“可编程控制器是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境应用而设计的[1],它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
”
总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。
它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。
但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.3.2可编程序控制器(PLC)的特点
为适应工业环境使用,与一般控制装置相比较,PLC机有以下特点:
a)可靠性
对可维修的产品,可靠性包括产品的有效性和可维修性。
1)PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件,它的接线大大减少,与此同时,系统的维修简单,维修时间短。
2)PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计,例如,冗余设计,断电保护,故障诊断和信息保护及恢复等,提高了MTTR,使可靠性提高。
3)PLC有较高的易操作性,它具有编程简单,操作方便,维修容易等特点,一般不易发生操作的错误。
4)PLC是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置,它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。
采用了精简化的编程语言,编程错误率大大降低,而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。
5)在PLC的硬件方面,采用了一系列提高可靠性的措施。
例如,采用可靠性的元件;采用先进的工艺制造流水线制造;对干扰的屏蔽、隔离和滤波等;对电源的断电保护;对存储器内容的保护等。
6)PLC的软件方面,也采取了一系列提高系统可靠性的措施。
例如,采用软件滤波等;软件自诊断;简化编程语言等。
b)易操作性
PLC的易操作性表现在下列几个方面:
1)操作方便。
PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。
大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。
编程器至少提供了输入信息的显示,对大中型的PLC编程器采用了CRT屏幕显示,因此,程序的输入直接可以显示。
更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找,然后进行更改。
更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。
2)编程方便。
PLC有多种程序设计语言可供使用。
对电气技术人员来说,由于梯形图与电气原理图较为接近,容易掌握和理解。
采用布尔助记符编程语言,十分有助于编程人员的编程。
3)维修方便。
PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。
当系统发生故障时,通过硬件和软件的自诊断,维修人员可以很快的找到故障的部位,以便维修。
c)灵活性
PLC的灵活性表现在以下几个方面:
1)编程的灵活性。
PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。
编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。
2)扩展的灵活性。
PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。
它可根据应用的规模不同,即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
3)操作的灵活性。
操作十分灵活方便,监视和控制变得十分容易。
1.3.3可编程序控制器(PLC)控制虹吸刮泥机的优点
a)在虹吸刮泥机控制中采用了PLC,用软件实现对虹吸刮泥机运行的自动控制,可靠性大大提高。
b)去掉了大部分继电器,控制系统结构简单,外部线路简化。
c)PLC可实现各种复杂的控制系统,方便地增加或改变控制功能。
d)PLC可进行故障自动检测报警显示,提高运行安全性,并便于检修。
e)更改控制方案时不需改动硬件接线。
1.3.4可编程序控制器(PLC)的应用领域
随着PLC的性能价格比的不断提高,过去许多采用专用计算机或继电器控制的场合,都可使用PLC来代替。
PLC的应用范围不断扩大,主要有以下几个方面:
a)开关量逻辑控制。
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制,可以取代传统的继电器控制,用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等,例如:
机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。
这是PLC最基本的应用,也是PLC最广泛的应用领域。
b)运动控制。
运动控制是指通过配用PLC生产厂家提供的单轴或多轴等位置控制模块、高速计数模块等来控制步进电机和伺服电机,从而使运动部件能以适当的速度或加速度实现平滑的直线运动或圆周运动。
c)闭环过程控制。
通过配用A/D,D/A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环PID调节控制,使这些物理参数保持在设定值上。
d)数据处理。
现代PLC具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析和处理。
e)通信、联网及集散控制(TDCS)。
PLC的通信包括PLC之间的通信、PLC和其它智能设备的通信。
随着计算机控制技术的发展,现代的PLC可以实现工厂自动化通信网络系统。
PLC可与智能仪表、执行装置(如变频器等)进行通信和联网,互相交换数据并实施对其的控制。
利用PLC强大的通信联网功能,把PLC分布到工业控制现场,并实现各站间、上下层间通信,达到分散控制、集中管理,即构成了DCS(DistributedControlSystem)系统。
1.3.5可编程控制技术(PLC)的发展趋势
随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求,可编程控制技术得到了飞速的发展,其技术和产品日趋完善。
仅仅将PLC理解为开关量控制的时代已经过去,PLC不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要,而且将通信技术和信息处理技术融为一体,其功能也日趋完善。
今后,PLC将主要朝着以下两个方向发展:
一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。
总的趋势如下:
a)可编程控制技术的标准化。
在工业自动化产品繁花似锦的今天,各生产厂商既互相竞争又互相合作。
一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外,更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。
标准化一方面保证了产品的出厂质量,另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。
出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。
按照这些标准,各种型号的PLC产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。
但是,这些标准目前只能是统一区域性的产品,而不能实现全球的统一性。
为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面,制定了国际标准。
b)CPU处理速度进一步加快。
目前PLC的CPU与微型计算机的CPU相比,还处在比较落后的地步,最高的也仅仅处在80486一级。
将来会全部使用64位RISC芯片,实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理,实现各种模块智能化,且部分系统程序用门阵列电路固化。
这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。
c)可编程控制技术的智能化。
提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质,在某种意义上也提高了系统的可靠性。
d)系统的开放性和兼容性。
开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。
一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度,另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。
当今可编程控制产品种类繁多,加上自动化项目越来越大,致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象,这就要求每一厂家的产品族中,都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题;另一方面,可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。
除此之外,同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。
e)通用性和专业化的结合。
可编程控制产品是通用的。
但是工业的每一领域都有其自己的特点。
怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?
硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。
这样,适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用系统中去。
常用的专用模块包括:
定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。
f)可靠性进一步提高。
随着PLC进入过程控制的领域,对PLC可靠性的要求进一步提高。
硬件冗余的容错技术将进一步得到应用,不仅会有CPU单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/0单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。
但从根本上来讲,系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。
要保证整个系统的可靠运行,首先要求系统各单元的质量要得到保证。
MTBF(平均无故障时间)是衡量产品质量的重要指标。
纵观各著名厂商,其PLC产品都有不同程度的冗余功能,而且发展越来越完善。
g)控制系统分散化。
根据分散控制、集中管理的原则,PLC控制系统的I/0模块将直接安装在控制现场,通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。
这样使控制更有效,系统更可靠。
h)控制与管理功能一体化。
为了满足现代化大生产的控制与管理的需要,PLC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术,使PLC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。
综上所述,我们不难得出下面几个结论:
1)工控机、计算机集散控制系统及PLC正在走着一条相互融合的道路。
2)系统的智能性将越来越重要,因此系统的分析运算能力将越来越强。
3)智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。
4)通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。
1.4课题的主要研究内容
课题所研究的内容主要是用可编程控制器(PLC)设计水厂虹吸刮泥机自动控制系统。
针对老式虹吸刮泥机采用的继电器逻辑控制方式存在功能差和工作寿命短等缺陷,提出采用功能强、故障率低、弱、故障少、可靠性高的可编程控制器(PLC)来控制刮泥机。
论文的主要内容如下:
首先对虹吸刮泥机系统及可编程控制器(PLC)作了比较全面的总结和介绍。
简述了虹吸刮泥机的工艺流程,分析了自来水厂虹吸刮泥机过程对控制系统的控制要求,确定了虹吸刮泥机PLC控制系统的总体控制方案,完成了可编程控制器(PLC)的选择。
然后,完成了PLC的选型,I/O点数分配,完成了虹吸刮泥机基于PLC控制的电气接线图。
在分析虹吸刮泥机的软件基础上,设计出了软件流程图,控制系统的梯形图,编写了程序。
1.5本章小结
本章阐述了课题的来源和意义,对常规继电器和PLC作了分析和比较,提出了PLC控制虹吸刮泥机的优点,也确定了本课题讨论的主要内容。
第二章虹吸刮泥机设备介绍
2.1刮泥机简介
沉淀池的排泥是运转中的重要问题,它关系到沉淀池的正常运行。
排泥设备有两种,一种是穿孔排泥管,另一种是刮泥机。
穿孔排泥是一种较为简易的排泥方法,穿孔排泥管多用于反应池,它是利用沉淀池的水压力,做到无需停池排泥,简单、方便。
刮泥机是机械排泥的一种形式,它主要由电动机、变速箱、钢桁架、轴流泵、刮泥板和虹吸管和吸泥口等组成。
它是原理也相当简单,电动机拖动钢桁架,桁架沿着导轨运动,刮泥板将池底的淤泥刮到虹吸管末端的吸泥口处,轴流泵将压力水充满虹吸管产生虹吸,虹吸管就能将池底的淤泥连续不断地吸到池外了。
由此得知,刮泥机是自来水厂制水工艺上的一种重要的电气设备,其能否正常运行是直接影响到生产运作,影响到自来水厂自动化的正常控制。
2.1.1刮泥机系统组成
a)刮泥机
刮泥机布置在水下,采用V型刮板,刮板高0.45m。
为防止池底不平整和减少磨损,下衬10mm厚,400mm高橡胶板。
刮泥机跨度约7米,车轮直径D=200mm。
轨道高出池底15cm,滚轮中心距池底40cm,形成悬挂式刮泥机。
这样可使滚轮轴套等离开泥浆区,减少泥砂进入[2]。
如图2.1所示:
水下滑轮和刮泥机车轮均采用滚动轴承装置,为防止污泥进入轴承箱,采用石棉盘根密封装置,见图2.2。
这样,只需要五年更换一次轴承箱内的润滑油脂。
b)钢丝绳
刮泥机通过钢丝绳牵引,由于长期浸于水下,不宜采用镀锌钢丝绳,因镀锌层出现裂纹时反而会由于双金属的电化学作用而加速腐蚀。
故选用φ10mm不锈钢钢丝绳4根。
但干、湿交替运行,腐蚀和温度仍是其重要影响因素。
c)慢动式卷扬机
慢动式卷扬机两台,布置在池中部的走道平台上,各台传动功率1.0Kw。
在两根钢丝绳的牵引下,保持两台卷扬机同步,使两端受力均匀,以防刮泥机出轨。
2.1.2刮泥机的工作状况
刮泥机运行方向垂直于水流方向,行驶速度为0.8m/min。
在沉淀池两侧沿池长方向布置集泥槽两条。
喇叭口吸泥管(DN250)放置槽中,穿孔排泥管与刮泥机联动,当刮泥板将泥刮至集泥槽边缘时,大量污泥拥入集泥槽,开启快开排泥阀,将稀释的泥水抽吸输送至池外排泥渠。
如图2.3所示:
1——一套刮泥机(池底轨道上)
2——四套水下导向滑轮组(与池壁预埋件定位)
3——四套水上导向张紧滑轮组(与池壁预埋件定位)
4——两套卷筒装置(池顶走道板上)
5——两套减速电机(池顶走道板上)
6——四根不锈钢钢丝绳(连接刮泥机与卷扬筒)
2.2虹吸刮泥机的工作原理
2.2.1虹吸原理
就是连通器的原理,加在密闭容器里液体上的压强,处处都相等。
而虹吸管里灌满水,没有气,来水端水位高,出水口用手掌或其他物体封闭住。
此时管内压强处处相等。
一切安置好后,打开出水口,虽然两边的大气压相等,但是来水端的水位高,压强大,推动来水不断流出出水口。
2.2.2虹吸刮泥机工作原理
安装在沉淀池上的刮泥机是采用虹吸进行吸泥的,故称之为虹吸刮泥机。
刮泥机主要由虹吸管、轴流泵、行走电动装置、刮泥机体等主要部件组成。
起动轴流泵抽水,水灌射入虹吸管,从另一端射出,从而产生虹吸吸力,慢慢地吸走虹吸管中的空气,当虹吸管形成比较强的真空吸力后,就可以把沉积在沉淀池底的淤泥与水的混合物吸入虹吸管,排放到沉淀池外的排污沟,这个过程称之为虹吸刮泥[3]。
当虹吸形成之后,刮泥机开始向前运行吸泥,当刮泥机到达预定的行程之后,开始破坏虹吸,即打开破坏虹吸电磁阀,让空气进入虹吸管,破坏虹吸管内的真空度,从而使虹吸管停止吸泥。
当虹吸被破坏后,刮泥机往初始的方向返回,到初始位置后停止运行,就完成了一次的虹吸刮泥过程。
2.3刮泥机控制方式
虹吸刮泥机控制系统分手动和自动两种控制方式。
行程开关与卷扬机相连,自动控制其往复行程,并采用变频调速控制速度。
手动控制采用现场电控箱,进行开/停控制;自动系统由微型计算机和PLC站组成,两级分布式集中管理、分散控制的SCADA。
PLC通过编制程序直接控制刮泥机运行,监控计算机通过组太软件可控制刮泥机运行,并对运行速度和时间等工艺参数进行实时显示、记录、存储、分析、打印,并对事故状态进行报警。
2.4刮泥机常规操作
2.4.1现场自动开刮泥机操作规范
a)送上刮泥机的电源(电源灯亮);
b)将切换开关“程/点/运”切换到“运”状态;
c)用选择开关“I/III/II”,选择刮泥机的行程;
d)点按“运行”按钮,刮泥机自动刮泥。
2.4.2手动方式开刮泥机操作
a)送上刮泥机的电源(电源灯
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