基于PLC的旋转式滤水器控制系统设计

摘要

水电厂滤水器的正常运行是保证水电厂技术供水系统设备安全运行的一项重要内容，根据水电厂水源的实际情况，选择一种可靠性高和适应实际水质情况的滤水器，是水电厂技术供水系统运行可靠的保证。目前，我国部分水电厂滤水系统不能有效排污。特别是夏季暴风雨季节，水中污物更加突出，再加上近年来越来越多的塑料瓶、袋等杂物的增多，给电厂安全经济运行造成困难，机组人员需经常进行人工清理，不但造成经济损失，而且增加了工人的劳动强度。

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2-3cm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。本文探讨了手动调试和检修，工除杂排污，定时自动除杂排污，压差自动除杂排污以及超压时的自动停机。并用两个数码管将除杂排污次数显示出来。

关键词：PLC控制；西门子S7-200；自动控制；滤水器；排污

目录

第一章 绪论 ............................................ 1

1.1 设计要求 ......................................................... 1

1.2 控制要求 ......................................................... 2

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1.3 PLC的概述 ....................................................... 3

第二章 总体设计 ........................................ 6

2.1 整体结构 ......................................................... 6

2.2 机械结构 ......................................................... 6 2.3 主电路设计 ....................................................... 7 2.4 交流控制电路设计 ................................................. 8 2.5 主要参数计算 ..................................................... 8 2.6 PLC控制系统设计 ................................................. 8

第三章 PLC程序设计 ................................... 10

3.1 PLC流程图 ...................................................... 10

3.2 PLC程序梯形图 .................................................. 11

第四章 程序调试与仿真 ................................. 16 第五章 设计结论 ...................................... 17 第六章 课程设计总结 .................................. 18 第七章 附录 ........................................... 19

附录一：旋转式滤水器控制系统的PLC输入输出接口 ...................... 19

附录二：旋转式滤水器控制系统元器件目录表 ............................ 20

第八章 参考文献 ....................................... 22

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第一章 绪论

1.1 设计要求

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2-3cm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1-1所示。

图1-1 旋转式滤水器控制框图

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1.2 控制要求

(1) 手动调试和检修 SA1手柄指向左45o时，接点SA1-1接通，通过SB1、SB2控制按钮，手动开/关电动阀，通过SB3、SB4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 SA1手柄指向右45o时，接点SA1-2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：SA1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 SA1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，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) 计数功能 该设备不管进行了哪种形式的除杂排污，每次进行除杂排污后都要有记录，因此需要记录除杂排污次数（2位）。

(7) 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。

(8) 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。

(9) 其他 必要的电气联锁与保护，受控对象运行状态显示等。 (10) 相关参数

1) 滤水器电动机M1：Y系列，AC380V，1.5 kW，6极；液压泵电动机M2：Y系列，

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AC380V，70W，4极；减速机4极减速；电动阀电动机M3：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HL：10mA，DC24V。 4) 电铃HA：8W，AC220V。

1.3 PLC的概述

PLC的定义

PLC即可编程控制器是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，它的定义是: 一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用了可编程序的存储器，用于在其内部存储程序、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。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。PLC是可编程逻辑电路，也是一种和硬件结合很紧密的语言，在半导体方面有很重要的应用，可以说有半导体的地方就有PLC。 PLC的特点

可靠性高，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

配套齐全，功能完善，适用性强

PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。

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易学易用，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。

系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造

PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。

体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同．（1） 中央处理单元(CPU)

中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 （2）存储器

存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 （3）电源

PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电

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压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

PLC的工作原理

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 (三) 输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

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2.1 整体结构

第二章 总体设计

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1-1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，与系统进出水口相衔接的部分不再赘述。

2.2 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

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。

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。

排污机构

排污机构由排污台、旋流子、支架、排污管及排污阀等组成。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污单元滤芯时，被旋流子改变方向，形成一束旋流水束，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。

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。

保护装置

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本装置主要由电动机过载保护装置和超高压报警停车装置构成。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。

2.3 主电路设计

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。

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。

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。

熔断器FU1、FU2、FU3分别实现各负载回路的短路保护。

QFNFU4FU5FU3KM3KM1KM2NL4L5FU1FU2FR1FR2FR3M1~M2~M3~

图2-1 主电路电气控制原理图

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2.4交流控制电路设计

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。 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 报警电铃HA为AC220V/8W，在出现超高压差时进行报警。

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。

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。控制系统的计数显示模块选用数码管。

2.5 主要参数计算

断路器QF脱扣电流。断路器为供电系统电源开关，其主回路控制对象为电感性负载交流电动机，断路器过电流脱扣值按电动机起动电流的1.7倍整定。旋转式滤水器有1.5KW负载电动机一台，起动电流较大，其余二台为100W以下，起动电流较小，工艺要求滤水器电动机和液压泵电动机同时起动运行，因此可根据1.5kW电动机选择自动开关QF脱扣电流IQF：

IQF＝1.7IN=1.7×3A＝5.1A≈5A，选用IQF＝5A的断路器。

熔断器FU熔体额定电流IFU。以滤水器电动机为例，IFU≥2IN＝2×3A＝6A，选用6A的熔体。其余熔体额定电流的选择，按上述方法选配。

热继电器的选择参照相关技术资料选取。

2.6 PLC控制系统设计

根据设计要求，共有39个I/O接口，其中13个输入接口，26个输出接口。根据S7-200系列的技术指标选择型号为CPU226的PLC。有24个输入端口和16个输出端口，再扩展2片EM222(数字量8输出)可以满足本控制系统的控制要求。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

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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。旋转式滤水器控制系统的PLC控制电路图接线如图2-2

图2-2 CPU外部接线图

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第三章 PLC程序设计

3.1PLC流程图

开始选择工作方式手动操作N定时自动除杂压差过高？Y压差自动除杂N定时除杂时间到？启动电动阀电动机Y启动电动阀电动机定时10分钟N排污时间到？报警停车Y超时？N压差低于设定值？Y停止电动阀电动机NY恢复正常状态停止电动阀电动机结束

图3-1 控制流程图

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3.2 PLC程序梯形图

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第四章 程序调试与仿真

图4-1仿真图形

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第五章 设计结论

通过本次设计，基本达到了设计要求：

1、各处电器、电路有熔断器和热继电器保护，不易发生烧熔故障； 2、定时功能还只能通过PLC定义，如需外界定义还要另外添加硬件； 3、自动除杂和差压除杂切换明确，两工作方式互不干扰；

4、整机的滤水器电机和液压泵电机始终工作，进行排污时只有电动阀电机启动停止，有效减少机械振动和电机的频繁启动，延长了整机的寿命。

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第六章 课程设计总结

此次设计，对我以前的知识有很好的查漏补缺功效，使我受益匪浅，并让我再一次深刻体会到学而怠用之，必有大漏这句话的深刻意义。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。

通过这次课程设计使我们都更加懂得并亲身体会到了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到很多问题，可以说是困难重重，并且在设计的过程中发现了自己的很多不足之处，发现自己对之前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，有待加强。

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，整个系统的开发功能还不算太完善，在设计的过程中也遇到了很多困难，比如由于早期的需求分析不充分，给后来系统的具体实现带来了很大的困难，所以中间做了一部分的无用功，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。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i7ur.html