毕业设计-中小水电站水闸监控系统的设计下位机.doc
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中小水电站水闸监控系统的设计
——下位机部分
摘要
随着信息化技术在水利行业的大力推广,作为水利信息化的重要组成部分的水闸监控系统日益受到重视。
如今在水闸监控系统的设计中,人们可以利用计算机网络技术、自动控制技术、通信技术和传感器技术,提高系统的自动化的水平,对水利的发展具有重要意义。
本文首先对系统总体方案进行了研究与设计,分析了系统的功能,确定了以集散控制系统作为整个控制系统的结构,并对系统的软、硬件予以了介绍。
随后,本系统选定了具有起重量大、负载刚性大、自动化程度高、安全可靠性好等特点的液压启闭机控制闸门升降。
同时对液压启闭过程中同步策略进行了研究,给出了基于电磁换向阀控制回路的解决方案。
同时,通过研究电机软启动原理,设计了软启动控制电气原理图,并详细介绍了电机软启动的工作流程,实现了对电机的软启动控制、运行监视和保护。
最后设计了PLC与闸门开度仪、液位变送器等传感器的连接,制定了闸门控制系统的具体流程,确定了PLC的型号,并绘制出了相应的梯形图程序。
关键词:
集散控制系统液压启闭软启动可编程控制器梯形图
TheDesignofMediumandSmall HydroelectricPowerStation’sSluiceMonitoringSystem
——PLCSection
ABSTRACT
Alongwiththespreadofinformationtechnologyinwaterresourceindustry,thesluicemonitoringsystem,whichistheimportantpartofwaterresourceindustry,isconcernedbymoreandmorepeople. Nowadays,peoplecanusesomehightechnologymeansinthedesignofsluicemonitoringsystem,suchascomputernetworktechnology,automaticcontroltechnology,communicationstechnologyandsensortechnology.Thesemeanscanbeusedtoimprovethelevelofautomation,andbeprofoundforthedevelopmentofwaterresource.
Firstly,thepaperstudiedanddesignedtheoverallprogram ofthesystem,analyzedthefunctionofthesystem,determinedthedistributedcontrolsystemasthe structureofthesluicemonitoringsystem,andintroducedthesoftwareandhardwareofthesystem.
Secondly,thesystemusedhydraulichoistwhichhadcharacteristicsofsmallvolume,bigliftingweightandrigidload,ahighdegreeofautomation,security,reliabilityandsoontocontrolgate’smovements.Andthepaperstudiedthesynchronizedstrategyofhydraulichoist,designedasolutionwhichisbasedonthecontrolcircuitofelectromagneticdirectionalvalve.
Moreover,thepaperstudiedtheprincipleofthesoft-starter,designedtheelectricalschematicsofthesoft-starting,introducedtheworkprogressofthesoft-startingindetail,andachievedthecontrol,surveillanceandprotectionofthemotor.
Finally,wemakedthePLCandthesensor,suchasphotoelectricencoderandpressuretransmitterconnection,establishedtheprocessofthesluicemonitoringsystem,determinedthetypeofPLC,anddesignedtheladderdiagramprogram.
KeyWords:
DCSHydraulicHoistSoft-startingPLCDiagramProgram
目录
第一章绪论………………………………………………………………………………1
1.1课题研究的目的与意义…………………………………………………………………1
1.2我国水电发展历程及其展望……………………………………………………………1
1.3本论文研究的内容………………………………………………………………………2
第二章水闸控制系统的总体设计方案………………………………………………3
2.1水闸控制系统的研究背景………………………………………………………………3
2.2系统设计的基本要求……………………………………………………………………3
2.3系统的设计原则…………………………………………………………………………3
2.4系统功能分析……………………………………………………………………………4
2.4.1中央控制单元功能分析…………………………………………………………4
2.4.2现地控制单元功能分析…………………………………………………………4
2.5系统总体方案的确定……………………………………………………………………5
2.5.1系统组成结构的确定……………………………………………………………5
2.5.2系统通信方式的确定……………………………………………………………5
2.5.3系统硬件组成……………………………………………………………………6
2.5.4系统软件组成……………………………………………………………………7
2.6小结………………………………………………………………………………………8
第三章闸门的液压启闭控制……………………………………………………9
3.1概述………………………………………………………………………………………9
3.2液压控制回路及液压元件简介…………………………………………………………10
3.3液压系统工作原理………………………………………………………………………11
3.4闸门的液压启闭控制……………………………………………………………………11
3.4.1闸门的升降控制…………………………………………………………………11
3.4.2启闭机空载卸荷和过载保护……………………………………………………11
3.4.3自动防下滑功能…………………………………………………………………12
3.5液压启闭机同步方案与策略研究………………………………………………………12
3.5.1开、闭环控制系统的介绍………………………………………………………12
3.5.2同步控制策略的研究……………………………………………………………12
3.5.3纠偏原理与控制流程研究………………………………………………………13
3.6小结…………………………………………………………………………………15
第四章电机软启动控制……………………………………………………16
4.1软启动器简介………………………………………………………………………16
4.1.1软启动器的基本概念………………………………………………………16
4.1.2软启动器的基本原理.………………………………………………………16
4.2软启动与传统启动的比较…………………………………………………………16
4.2.1直接启动……………………………………………………………………16
4.2.2Y-△启动……………………………………………………………………16
4.3软启动器起停控制模式研究………………………………………………………17
4.3.1电压斜坡启动模式…………………………………………………………17
4.3.2电流限幅启动模式…………………………………………………………18
4.3.3突跳+限流或突跳+电压启动模式…………………………………………18
4.3.4电流斜坡启动模式…………………………………………………………19
4.3.5软停车模式…………………………………………………………………19
4.4软启动器应用分析…………………………………………………………………19
4.5软启动器电气原理图的设计………………………………………………………20
4.5.1电机软启动的电气控制原理………………………………………………21
4.5.2电机软启动的控制流程图……………………………………………22
4.6小结…………………………………………………………………………………22
第五章PLC的软、硬件设计………………………………………………23
5.1PLC的基本结构……………………………………………………………………23
5.2PLC的硬件设计……………………………………………………………………23
5.2.1总体控制要求的分析…………………………………………………………23
5.2.2PLC与液位变送器的连接……………………………………………………24
5.2.3PLC与闸门开度仪的连接……………………………………………………24
5.2.4PLC的选型……………………………………………………………………26
5.3PLC的软件设计……………………………………………………………………26
5.3.1输入量、输出量的介绍………………………………………………………27
5.3.2PLC控制系统的要求…………………………………………………………27
5.3.3PLC的梯形图设计……………………………………………………………29
5.4小结…………………………………………………………………………………40
第六章总结与展望…………………………………………………………41
6.1总结…………………………………………………………………………………41
6.2展望………………………………………………………………………………41
参考文献……………………………………………………………………42
致谢…………………………………………………………………………43
43
第一章绪 论
1.1课题研究的目的与意义
从总体上来讲,我国虽然可以称得上是一个地大物博、资源丰富的国家,但是由于我国的人口基数大,以至于我国的人均资源占有量非常有限,水资源更是如此。
实际上,我国是一个水资源相对短缺的国家,不但饮用水不足,而且洪涝灾害频发。
因此,如何提高水资源的利用率,如何有效预防洪涝灾害,是我国亟待解决的问题。
本论文致力于闸门监控系统的研究,通过提高控制系统的精度,来提高水资源利用率以及防洪抗旱能力。
闸门监控系统的建立,将大大提高信息采集的准确性及传输的时效性,能够对灾情的发展趋势做出及时、准确的预测。
一方面,闸门监控系统可以随着自动化水平地提高而迅速发展,并且其控制水平日益完善。
现在闸门的启闭操作不仅可以通过控制柜实现闸门的手动控制,而且可以在距现场一定距离的控制中心进行远程控制,这样即远离了恶劣的现场环境,又提高了控制精度,可谓一举多得。
另一方面,闸门监控系统的建立是水利工程历史性的一个转变。
水利工程要从过去重点对水资源的开发、利用和治理,转变为更加注重对水资源的配置、节约和保护;要从过去重视水利工程建设,转变为注重非水利工程措施的建设;要从过去对水量、水质、水能的分别管理和对水的供、用、排、回收再利用过程的多家管理,转变为对水资源的统一配置、统一调度、统一管理。
总之,闸门监控系统作为水利系统最基层的工程之一,在防洪抗灾中扮演了重要角色。
除了满足水利部门的用水需求外,在防洪、保护工农业生产和人民生命财产安全以及环境保护等诸多方面都发挥了巨大的积极作用。
1.2我国水电发展历程及其展望
新中国成立后,水电发展翻开了新的一页。
解放初期,我国工业基础极其薄弱,一切从头开始,艰难起步。
随着社会主义建设事业进一步推进,水电建设逐渐提上日程。
“一五”期间,在甘肃永靖县境内的黄河上游,我国第一座百万千瓦级的水电站---刘家峡开工建设,同时,下游的盐锅峡和八盘峡两个梯级电站也开始兴建。
1975年,刘家峡水电站建成,此后中国又陆续建设了一批百万千瓦级的水电站。
截至1978年底,中国水电装机容量已达1867万千瓦,年发电量496亿千瓦时,人均装机和发电量为0.02千瓦、51.5千瓦时。
改革开放后,我国水电进入快速发展期,水电建设脚步明显加快。
进入上世纪90年代后,中国水电开发又迎来了一个小高潮:
五强溪、李家峡、天荒坪抽水蓄能电站开工建设并投产发电。
世纪之交,更有万家寨、二滩、小浪底、天生桥一二级、大朝山等一大批水电站建成投产。
到2000年,中国水电装机容量达7700万千瓦,超过加拿大,位居世界第二。
这个时期我们开工建设了世界上最大的水电站---三峡水电站。
三峡工程不仅是世界一流的水电工程,而且是中华民族伟大复兴的标志性工程。
截至1999年底,中国水电装机容量已达7739万千瓦,年发电量2219亿千瓦时,人均装机和发电量为0.06千瓦、176.4千瓦时。
进入新世纪,特别是电力体制改革的推进,调动了全社会参与水电开发建设的积极性,我国水电进入加速发展时期。
2004年,以公伯峡1号机组投产为标志,中国水电装机容量突破1亿千瓦,超过美国成为世界水电第一大国。
溪洛渡、向家坝、小湾、拉西瓦等一大批巨型水电站相继开工建设,三峡水电站也将全面竣工。
截至2010年,以小湾4号机组投产为标志,我国水电装机已突破2亿千瓦。
目前,中国是世界水电装机第一大国,并且已逐步成为世界水电创新的中心。
1.3本论文研究的内容
本文主要是利用计算机网络通讯技术、自动控制技术以及传感器技术对水闸监控系统进行设计与研究,制定了系统的总体框架结构,对系统进行了软、硬件设计。
总的来说,本文分别研究了上位机与下位机的通信方式、液压启闭的基本原理、液压泵软启动的控制以及如何用PLC实现闸门的启闭控制。
具体来说,本文在第二章中主要介绍了系统总体框架,本控制系统采用集中控制+分散控制的控制方式,上位机采用集中控制方式,由一台PC机控制多台PLC的运行,并对闸门的状况进行实时监控。
第三章主要介绍了液压系统的启闭原理,液压系统的各种基本回路以及同步纠偏的各种方案,确定了纠偏的具体流程。
第四章主要介绍了油泵电机的软启动控制,包括了软启动的原理、与传统启动的比较、软启动的几种模式以及软启动电气原理图的绘制。
第五章是全文的重点章节,主要介绍了如何用PLC实现系统软、硬件的设计,并给出了具体的控制流程,编出了一套PLC梯形图来实现对系统的各种控制功能。
第二章水闸控制系统的总体设计方案
2.1水闸控制系统的研究背景
目前水闸自动监控系统在全国水库上的应用还比较少,应用水平也参次不齐。
各水闸所使用的控制装置也没有统一的规格,现在应用比较广泛的是单片机、可编程序控制器装置(PLC)。
绝大多数水电站的现地控制单元所采用的硬件系统是PLC,其优点为有靠性高、组态灵活、编程简单实用。
操作站和管理计算机一般使用PC机,有的采用工控机。
此外,在闸门监控系统中还应用了一些先进的技术,如集散控制系统DCS、分布式技术、现场总线技术、以太网技术等,总之我国水闸监控系统在总体上还有很大的提升空间。
2.2系统设计的基本要求
(1)设置一个上位机工作站,可供操作人员远程监控、操作。
(2)工作站具有清晰、完整的人机界面,组态软件功能齐全、设置合理、简单易懂。
(3)各个闸门分别设置一个以PLC为核心的现地控制单元(LCU)。
(4)闸门的位移测量采用绝对值光电编码器,直接输出数字量。
2.3系统的设计原则
这是我们设计时要考虑的总体原则,它必需满足设计目标中的要求,遵循系统整体性、先进性和可扩充性原则,设计出合理的方案,下面我们分别逐个进行讨论:
(1)先进性原则采用当今国内、国际上最先进和成熟的计算机软硬件技术,使新建立的系统能够最大限度地适应今后技术发展变化和业务发展变化的需要,以防由于跟不上时代而被历史所淘汰。
(2)实用性原则实用性就是能够最大限度地满足实际工作要求,是水闸监控系统在建设过程中所必须考虑的原则,它是自动化系统对用户最基本的承诺。
所以,从实际应用的角度来看,这个性能更加重要。
(3)可扩充、可维护性原则根据软件工程的理论,系统维护在整个软件的生命周期中所占比重是最大的,因此,提高系统的可扩充性和可维护性是水闸监控系统的必备手段。
(4)可靠性原则一个中小型计算机系统每天处理数据量一般都较大,系统每个时刻都要采集大量的数据,并要进行处理。
因此,任意时刻的系统故障都有可能给用户带来不可估量的损失,这就要求系统具有高度的可靠性。
(5)安全保密原则一个用户的数据是该用户的用户秘密,尤其是政府部门的一些机密文件、绝密文件等,是绝对重要的数据。
因此安全保密性对办公自动化系统显得尤其重要,系统的总体设计必须充分考虑到这一点。
(6)经济性原则在满足系统需求的前提下,应尽可能选用价格便宜的设备,以便节省投资,即选用性价比高的设备。
总之,整个控制系统要以最低的成本来完成对计算机网络的建设。
2.4系统功能分析
整个控制系统包括现地控制和中央控制两个单元,现地控制单元简单来讲就是设置在水闸附近的单元,主要接收上位机的指令并执行;中央控制单元负责进行远程控制及监控。
现地与中央控制单元的具体结构及作用将会在下面章节中进行更加具体的介绍。
2.4.1中央控制单元功能分析
在整个闸门控制系统中,中央控制单元的控制系统是日常操作使用最为频繁的部分,同时也是整个控制系统的控制核心。
其主要功能有如下几个:
(1)采集现场设备运行的实时数据,如水位、闸门开度以及运行状态等。
(2)动态图形显示闸门操作过程及实时参数。
(3)根据上下游水位的变化,自动控制闸门开启高度,监视开启速度,限制闸门运动速度在安全范围内。
(4)保留系统原手动操作功能,手动操作与自动操作相互屏蔽。
(5)建立实时数据库及历史数据库。
(6)具有查询以及报警功能。
(7)具有良好的中文人机界面,易于操作。
2.4.2现地控制单元功能分析
现地控制单元(LCU)直接面向生产过程,负责对现场数据的采集和处理,能够独立或按主控机的命令完成对所有被控对象的监视和控制。
其主要功能有:
(1)接收上位机运行指令,并向上位机发送现场采集的各类设备运行实时参数与状态信号。
(2)根据上位机指令可对各台闸门自动控制。
(3)闸门控制范围根据实际情况而定。
(4)现地控制单元根据上位机指令进行单门操作。
2.5系统总体方案的确定
2.5.1系统组成结构的确定
水闸监控系统按照拓扑结构可分为分布式监控系统和集中式监控系统,下面依次进行介绍。
(1)分布式监控系统现今,分布式控制系统在工业上的典型应用就是集散控制系统(DCS),具体可以应用到现场总线技术、以太网技术、PLC技术等。
集散控制系统是以微处理器为基础的集中分散型控制系统的简称。
由于它在发展初期是以分散控制为主要特征的,因此国外一般称其为分散控制系统(DistributedControlSystem)即DCS,在国内习惯上称之为集散控制系统。
也有人称其为分布式控制系统。
集散控制系统综合了计算机技术、通信技术、图形显示技术(CRT)和过程控制技术,采用了多层次分级的结构形式,以适应现代生产控制与管理的需要。
它继承和发展了常规仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点,同时也弥补了各自的不足。
这种系统的组成是分层的,结构是模块化的,根据实际应用对象可灵活选择。
集散控制系统的出现是工业过程控制发展史上的一个里程碑。
从世界范围看,它已成为过程控制系统发展的主流。
所以推广与应用集散控制系统,研究与开发更先进的集散控制系统,已成为整个工业控制界的重要任务。
(2)集中式监控系统集中式水闸自动化监控系统应用比较早,在我国的小型水闸的自动化控制中应用比较广泛。
这种控制系统往往用一台PLC来控制多个现场设备,连接方便且成本低廉。
通过以上的介绍可知分布式闸门监控系统是水闸自动化的发展方向,在大中型水闸上已有所应用,取得了很好的效果。
由于采用了DCS结构,可靠性高,一个LCU出现故障不影响其他LCU的正常工作。
但是因为所使用的PLC较多,布线较为复杂,造成工程成本偏高。
集中式闸门监控系统由于采用了集中控制,可靠性相对较低,一个PLC出现故障就会导致整个系统的瘫痪,并且能控制的闸门数也是有限的。
但是其成本低廉,结构简单,适用于一些经济相对落后的地区。
综上,由于本论文仅限于理论上的研究,不考虑成本上的问题,因此本控制系统的组成结构采用集散控制系统,以便于对下面一些问题的研究与讨论。
2.5.2系统通信方式的确定
目前常用的几种通信方式分别为通过多点接口(MPI)协议的数据通信、现场总线通信、工业以太网通信、点对点连接通信以及通过AS-I的过程通信。
工业现场总线PROFIBUS是用于车间级监控和现场层的通信系统,具有开放性。
S7-300型PLC可以通过通信处理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP的网络上。
PROFIBUS的物理层是RS-485,最高传输速率为12MB/S,使用光纤作为通信介质,通信距离可达90KM。
工业以太网是用于工厂管理和单元层的通信系统,符合IEEE802.3国际标准,用于对时间要求不太严格、需要传送大量数据的通信场合,可以通过网关来连接远程网络。
如果PROFIBUS网络采用FMS协议,工业以太网采用TCP/IP或ISO协议,则可以实现不同公司设备之间的数据交换。
AS-I的全称为执行器/传感器接口,是位于自动控制系统最底层的网络,用来连接有AS-I接口的现场设备,只能传送少量的数据。
综上所述,在本控制系统中总体结构采用DCS结构,其中上位机之间的通信方式采用工业以太网通信方式,现场PC与PLC采
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