《S水電站低壓氣機泵組電氣控制系統(tǒng)設計》6800字（論文）

S水電站低壓氣機泵組電氣控制系統(tǒng)設計目錄摘要： 3關鍵詞： 3Abstract: 4Keywords: 40前言 51緒言 61.1原始資料 61.2控制要求 61.3本系統(tǒng)氣流路線圖 62電機的啟動 72.1電機的起動方式和各方式的特點 72.2電機的啟動方式選擇 82.3軟啟動器選型 92.4SSD1—68—E外接應用接線 103電機的保護 123.1過載保護 123.2欠壓保護 123.3短路保護 124短路計算 134.1短路計算目的 134.2基本假設 134.3計算過程 135主回路設備選型 175.1選型的基本要求 175.2斷路器的選型 175.3熔斷器的選型 185.4交流接觸器選型 185.5熱繼電器選型 185.6電纜選型 196控制回路原件選型 196.1開關電源 196.2轉(zhuǎn)換開關 206.3按鈕開關 206.4中間繼電器 216.5壓力變送器 216.6信號燈 217PLC選型 227.1PLC選型比較 227.2PLC控制氣機邏輯圖 227.3輸入輸出端口分配 237.4HMI選型 248PLC程序設計 248.1控制程序邏輯圖 248.2氣壓信息處理 258.3設備故障處理邏輯 268.4低壓氣機控制邏輯 278.5其他狀態(tài)信息 27參考文獻 28摘要：在電站中低壓氣機組為一個主要的輔助系統(tǒng)，對整個電站的正常運行有著重要的作用。在本次電站低壓氣機電氣設計中，使用PLC控制技術完成系統(tǒng)設計及測試。選用性能較高的FX2N-64MR控制器作為主控制單元，配置觸摸屏作為上位機監(jiān)控，實現(xiàn)集中監(jiān)控。對低壓氣機電氣系統(tǒng)的設計要求進行了詳細的分析，并在此基礎上了對整個設計方案進行了規(guī)劃及設計。系統(tǒng)方案確定后，完成系統(tǒng)的選型、圖紙設計及程序編寫等。使用PLC作為系統(tǒng)的控制核心，可方便收集各類傳感器數(shù)據(jù)，進行邏輯運行及上位監(jiān)控畫面的顯示輸出，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，操作更加便捷。關鍵詞：低壓氣機軟啟動PLC控制前言低壓氣機S水電站是利用水能轉(zhuǎn)換為機械能再轉(zhuǎn)換為電能的電站，水電站內(nèi)裝配的37KW低壓氣機共有兩臺，兩臺氣壓機型號完全相同，其中一臺為日常使用主機，另外一臺作為故障時備用氣機。同時，為使S水電站內(nèi)實現(xiàn)高度自動化，本設計采用PLC編程控制實現(xiàn)對空壓機的自動控制。同時考慮到故障問題，另設手動控制，以保證系統(tǒng)可靠性。1緒言原始資料S水電站一共有兩臺低壓空壓氣機，其中一臺為主機，另外一臺為備用機，其數(shù)據(jù)如下：表1空壓機參數(shù)型號額定功率轉(zhuǎn)速冷卻方式排氣壓力數(shù)量M37PEN37KW1480r/min風冷0.75MPa2控制要求S水電廠有兩個低壓氣機。兩個氣機的型號參數(shù)相同。萬一發(fā)生故障，應將其中一臺氣機用作主機，將另一臺氣機用作備氣機。當儲氣罐中的氣壓降至0.5MPa以下時，主氣發(fā)動機啟動，并向儲氣罐中重新填充氣體。當油箱中的氣壓達到0.7MPa時，主機將停止運轉(zhuǎn)。如果儲罐中的氣壓低于0.4MPa并且備用燃氣發(fā)動機沒有發(fā)生故障，備用氣發(fā)動機將開始運行并補充儲罐中的氣體，以使儲罐中的氣壓力保持在0.5MPa以上。當儲罐中的氣壓超過0.7MPa時，系統(tǒng)會立即發(fā)出警報，而當儲罐中的氣壓降至0.4MPa以下時，系統(tǒng)會立即發(fā)出警報。此外，為確保可靠性，電廠人員還可以手動控制軟起動器。本系統(tǒng)氣流路線圖S水電站內(nèi)的低壓氣機一共有兩臺，其具體氣流路線如下圖：圖1氣流模型圖2電機的啟動2.1電機的起動方式和各方式的特點全壓（直接）啟動全電壓啟動也稱為直接啟動，是最常用的電動機啟動方法。它將電動機的定子繞組直接連接到電源，并以額定電壓啟動。它具有啟動時間短，啟動轉(zhuǎn)矩大的特點，也是最可靠，最可靠的。最經(jīng)濟，最簡單的啟動方式。全壓起動時起動轉(zhuǎn)矩不大，而電流大。啟動迅速，操作方便，但是大功率電機產(chǎn)生的啟動電流很大，引起電壓波動大，對電機所在的電網(wǎng)電壓造成沖擊并且可能導致電氣故障。降壓（減壓）啟動為減少電機對電網(wǎng)電壓造成的沖擊影響，就可以考慮使用降壓啟動：星三角啟動：適用于空載或輕載啟動場合，與其他減壓起動方式相比，它具有最簡單的結(jié)構(gòu)和最便宜的價格自耦變壓器啟動：此方式通過變壓器的抽頭的改變，從而達到將降低啟動電壓的目的。但是，自耦變壓器對水力發(fā)電站的成本很高，并且具有普遍的削弱作用，性價比不高，所以本設計不使用此啟動方式；軟啟動器：在整個啟動過程中實現(xiàn)電動機的平穩(wěn)啟動而不會受到影響，并且可以根據(jù)電動機負載的特性在啟動過程中調(diào)整各種參數(shù)，如限流值、啟動時間等，其經(jīng)濟可靠性都比較完好。2.2電機的啟動方式選擇圖2電壓電流對比圖斜坡升壓軟啟動：其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，僅通過晶閘管導通角的調(diào)節(jié)即可改變電壓。缺點是，由于電流不受限制，因此在電動機啟動過程中有時會產(chǎn)生較大的浪涌電流，從而損壞晶閘管，這會對電網(wǎng)產(chǎn)生更大的影響。脈沖沖擊啟動：在起動開始階段，讓晶閘管在級短時間內(nèi)，以較大電流導通一段時間后回落，再按原設定值線性上升，連入恒流起動。通過上圖比較，軟啟動技術有更好的平穩(wěn)性。軟啟動技術相較于以前的直接啟動方式或者星三角啟動方式來說，具有更高的平穩(wěn)性。不會對電網(wǎng)造成沖擊，而且由于其啟動的平穩(wěn)性，對電機及電機拖動設備也會有更小的傷害。2.3軟啟動器選型軟啟動器因其較好的啟動性能以及較高的性價比，在各個行業(yè)中廣泛使用。軟啟動器具有斜坡橫流啟動、斜坡升壓啟動、階躍啟動等幾種功能。軟啟動技術與傳統(tǒng)的啟動技術相比，有以下幾個主要特點：一般軟啟動器都會內(nèi)置幾種不同的起動方式，設計人員在進行設計及調(diào)試時，可根據(jù)電機特性及使用需要進行選擇，從而使設計人員有了更多的選擇。而且軟啟動器調(diào)試使用時，一般都可以對其啟動時間、啟動電流等進行設置，從而對電機及電機拖動設備進行保護。軟啟動技術有更全的保護功能，當電機因為上述故障原因停機時，在軟啟動器系統(tǒng)內(nèi)的故障記錄內(nèi)都能查詢到相應的停機故障記錄，方便工作人員進行問題查找。軟啟動技術有更好的平穩(wěn)性。軟啟動技術相較于以前的直接啟動方式或者星三角啟動方式來說，具有更高的平穩(wěn)性，不會對電網(wǎng)造成沖擊。而且由于其啟動的平穩(wěn)性，對電機及電機拖動設備也會有更小的傷害。市場上軟啟動器種類繁多，正泰、西門子、雷諾爾、施耐德等都是一些相對知名且產(chǎn)品質(zhì)量較高的軟啟動器制造廠商，一般軟啟動器都會內(nèi)置幾種不同的起動方式，設計人員在進行設計及調(diào)試時，可根據(jù)電機特性及使用需要進行選擇，從而使設計人員有了更多的選擇。而且軟啟動器調(diào)試使用時，一般都可以對其啟動時間、啟動電流等進行設置，從而對電機及電機拖動設備進行保護。在平常使用中，較為普遍的啟動方式有限流啟動、脈沖啟動及軟啟動等幾種方式。而且具有完整的電機保護機制。其短時間內(nèi)的允許啟停次數(shù)也非常符合本次設計空壓機的實際控制需求。最終確定軟啟動器型號為SSD1—68—E。表1軟啟動器數(shù)據(jù)2.4SSD1—68—E外接應用接線根據(jù)控制要求，本設計需要實現(xiàn)自動和手動控制方式，因此有必要使用PLC來實現(xiàn)自動控制的目的。SSD—68—E這類軟啟動器外部應用程序的接線如下圖所示圖3外部接線圖3電機的保護在水電站的日常生產(chǎn)中，電機由于其高負荷高頻率啟動的工作性質(zhì)，容易發(fā)生故障。為了避免這類故障的發(fā)生，保證電站的可靠性，給電機采用一定措施的保護極為重要。3.1過載保護過載可以指電氣設備負載過大，也可以指物體承受的作用力過大，對這些超出“負荷”的行為做出的保護，統(tǒng)稱過載保護。在通信電源系統(tǒng)中，因負載過大而導致電源設備自動斷開供電的功能叫做過載保護，主要應用于工程技術領域。3.2欠壓保護當線路電壓降低到臨界電壓時，保護電器的動作，稱為欠電壓保護，其任務主要是防止設備因過載而燒毀,由于短路故障等原因，線路電壓會在短時間內(nèi)出現(xiàn)大幅度降低甚至消失的現(xiàn)象。它會給線路和電器設備帶來損傷。3.3短路保護短路保護是指在電氣線路發(fā)生短路故障后能保證迅速、可靠地將電源切斷，以避免電氣設備受到短路電流的沖擊而造成損壞的保護。4短路計算4.1短路計算目的短路計算的目的是確定主接線形式，選擇斷路器規(guī)格和校驗導體截面的動熱穩(wěn)定特性。4.2計算過程電纜線路電抗：（3—1）——計算阻抗——電纜單位阻抗阻抗（取1.6/kM）——基準容量——長度——額定電壓雙繞組變壓器電抗： （3—2）——短路電壓百分比——額定容量發(fā)電機電抗：（3—3）——次暫態(tài)電抗Y-△變換：（3—4）通過對整個電廠的電路分析繪制出此阻抗圖：設： 圖4阻抗圖X1—母線阻抗，X2、X3—主變壓器阻抗，X4、X5、X6、X7、X12、X13、X16、X17—電纜阻抗，X8、X9—發(fā)電機阻抗，X10、X11廠用電母線阻抗，X14、X15廠用變壓器阻抗Y-△變換：圖5Y-△變換變換計算電抗：查詢運算曲線可知：周期分量的有效值：沖擊分量：最大有效值：5主回路設備選型5.1設備選型原則根據(jù)短路條件進行驗證，并根據(jù)最極端的條件驗證設備的可靠性。這是為了使電氣設備能夠在短時間內(nèi)承受故障的影響，增大系統(tǒng)的抗干擾能力，在選擇用電器時，還應在考慮電氣設備工作環(huán)境，溫度，風速，溫度，停滯坡度，海拔高度，地震烈度鐵和冰厚度等環(huán)境因素的影響下進行工作要采取規(guī)范措施。5.2斷路器的選型空氣斷路器也成空氣開關。通常，這種開關具有以下跳閘方法。為了進行熱脫扣，在空氣開關內(nèi)安裝了一個熱敏元件。當電路過流時，熱敏元件會發(fā)熱，使金屬板彎曲，與鎖分離并切斷電路。最后是電子脫口。電子跳閘是一種更先進的技術手段。它的優(yōu)點是它結(jié)合了各種類型的跳閘裝置的特性并具有優(yōu)越的性能。本電站內(nèi)兩臺低壓空壓機型號為M37PEN，功率均為37KW。根據(jù)公式，算得額定電流： （3—5）經(jīng)過從經(jīng)濟性操作性各方面的綜合考慮，本次設計采用施耐德的空氣斷路器。脫扣器額定電流：得1.3，所以，其瞬時脫扣電流為≈1384.5A。延時脫扣電流為≈65A。經(jīng)過上述數(shù)據(jù)綜合考慮，最終選型為NSX160NMIC5.2E80。其具體參數(shù)如下表表3斷路器參數(shù)型號開斷電流脫扣電流NSX160NMIC5.2E8050KA80A5.3熔斷器的選型主要是起到保護電路安全運行的作用。熔斷器是指，當電流超過規(guī)定值時，以本身產(chǎn)生的熱量使熔體熔斷，得以斷開電路的一種電器。根據(jù)公式。本設計選擇正泰熔斷器，型號為HDLRT0—100/80其具體參數(shù)如下：表4熔斷器參數(shù)型號底座額定電流熔斷體額定電流HDLRT0—100/80100A80A5.4交流接觸器選型本次設計中的兩臺空壓機的工作頻率較高，作為執(zhí)行原件用于接通、分斷線路，因此需要用到接觸器實現(xiàn)對兩臺電機的高頻控制。交流接觸器的選擇應在85%-110%額定電壓下工作，經(jīng)市面上的考察，本設計最終使用正泰NC2-115接觸器，參數(shù)如下。表5接觸器參數(shù)型號額定工作電流最大功率NC2-115115A55KW5.5熱繼電器選型熱繼電器實現(xiàn)對電機的過載保護，選型原則如下：（1）通常情況選擇兩相結(jié)構(gòu)的熱繼電器，但是當出現(xiàn)平衡性差，工作情況復雜或無人監(jiān)控的電動機，都應該首先選擇使用三相結(jié)構(gòu)的熱繼電器。（2）熱繼電器的額定電流要保證大于電機額定電流。當電動機負載過大、短時間無法啟動或不允許制動時，整定電流應該調(diào)整到電動機額定電流的一到兩倍。經(jīng)手冊和市面調(diào)查，故。本設計采用正泰NR2-93型熱繼電器。表6熱繼電器參數(shù)型號電流等級輔助觸點NR2-9393A1開1閉5.6電纜選型電纜類型多樣，應該按照實際情況選擇合適類型，除此之外，電纜選擇有幾個選擇條件:額定電壓、額定電流截面積和環(huán)境因素。由額定電流71A得，截面積選擇應在范圍內(nèi)。選擇FS-YJV--16電纜。熱穩(wěn)定校驗轉(zhuǎn)化為滿足的最小截面校驗：S電壓降校驗：?U%=6控制回路原件選型6.1開關電源控制回路的直接控制對象是主回路中的軟啟動器和空氣壓縮機。如果想低壓空氣壓縮機滿足設計要求并可以正常運行，則需要確保控制回路正常工作。同時，為了確?？煽啃裕瑧渲脙山M開關電源，以便有一個電源可以在另一個電源出現(xiàn)故障并卸下后再提供電源。設備處于控制回路中。根據(jù)設計要求，可提供具有220VAC輸入和24VDC輸出的開關電源。經(jīng)過對比挑選，本次設計采用施耐德ABL1REM24062。表7開關電源參數(shù)型號輸入輸出輸出功率個數(shù)ABL1REM24062AC220VDC24V150W/240W26.2轉(zhuǎn)換開關為滿足給定的控制要求，本次設計需要一個轉(zhuǎn)換開關。轉(zhuǎn)換開關可以保證兩個或多個電源或負載轉(zhuǎn)換，并且由更多觸點組合而成。通過轉(zhuǎn)換開關可以實現(xiàn)手動和自動控制模式之間的靈活切換。本次設計采用表8轉(zhuǎn)換開關參數(shù)型號殼架電流額定電流額定工作電壓極數(shù)NXZ—250250A200A400/415V3P/4P6.3按鈕開關為實現(xiàn)人工操作，須通過按鈕開關直接控制氣機，本次設計采用IP6522MM開關。表9按鈕開關參數(shù)型號額度工作電壓額定工作電流常開對數(shù)常閉對數(shù)IP65—22MM380/2203.5/6.5446.4中間繼電器中間繼電器是自動化控制系統(tǒng)中廣泛使用的一種電氣元件，在電路中起著功率放大的作用。繼電器的使用是如此廣泛，以至于有許多制造商。通用繼電器制造商，例如西門子和正泰。此設計選擇了SchneiderRXM系列繼電器。該系列繼電器易于安裝，運行穩(wěn)定，故障率低。選定型號為RXM4AB2BD+RXZE2M114M（繼電器頭+繼電器底座）。6.5壓力變送器PLC得到反饋信息是通過壓力變送器從氣罐內(nèi)的壓力探測得到的，壓力變送器主要作用是吧壓力信號傳送到PCL，再通過PLC內(nèi)的程序控制從而實現(xiàn)自動控制。本次設計中在對氣壓進行測量時，采用GPD8煤層瓦斯壓力變送器，其貨號為HK18002，該變送器具體參數(shù)如下表：表10壓力變送器參數(shù)型號量程輸出信號額定電壓額定電流GDP80—10MPa4—20mA24DC20mA6.6信號燈通過信號燈的反饋從而得知系統(tǒng)運行情況是工程中最常用的信息反饋方式。因此本設計中的信號燈的采用也是非常有必要的。并且還需要顏色不同的信號燈來反饋系統(tǒng)中不同的運行情況。并且可以采用蜂鳴器來提示工作人員，從而及時得到信息并進行必要的操作。本次設計采用AD16-22SM聲光一體信號燈，共有紅綠兩種顏色可供選擇表11信號燈參數(shù)型號聲音強度可選電壓防護等級AD16-33SM85DB6V/12V/24VIP407PLC選型7.1PLC選型比較通過對控制要求的分析，本設計自動控制核心裝置為PLC，通過氣壓變送器的數(shù)據(jù)，PLC對數(shù)據(jù)進行分析并作出相應的反饋。同時，有必要確定氣機、軟起動器或開關電源是否出現(xiàn)故障。因此應該考慮將來的電廠增強功能。因此，本次設計選擇三菱的FX2N-64MR來滿足多個I/O端口的需求。多余的接口以便日后廠內(nèi)擴建使用。兩個氣罐中的氣壓是需要接收的模擬量，因此需要一個附加的PLC模擬量模塊。本控制系統(tǒng)還需1號氣罐氣壓和2號氣罐氣壓這兩個模擬量，另加設了PLC模擬量模塊，考慮到日后廠內(nèi)擴建，端口留有多余，本次設計選擇了FX2N-4D可以滿足的要求。表12參數(shù)對比型號輸入點數(shù)輸出點數(shù)耗電量FX2N-64MRFX2N-48MR32點24點32點24點60VA50VA7.2PLC控制流程PLC控制主回路并接收反饋信息的流程如下：圖6控制系統(tǒng)流程圖7.3端口分配在端口分配時，需要根據(jù)控制回路盡可能的細化端口分配，由于本設計選用的PLC擁有相當充裕的端口。通過兩臺視屏檢測器，可以實時監(jiān)視兩個燃氣發(fā)動機的工作狀態(tài)，以查看低壓氣機的工作狀態(tài)是否有任何異常和故障。輸入信號地址表如圖：表格13輸入信號地址表當儲氣罐內(nèi)壓力高于0.7MPa時，立即發(fā)出警報。當儲氣罐內(nèi)的氣壓低于0.5MPa時，應發(fā)出主機操作的指令。當儲氣罐中的氣壓低于0.4MPa時，應該立即發(fā)出報警信號并將備用氣機啟動。同時當各設備發(fā)生故障時，蜂鳴器也應發(fā)出警報。分配如下表：表格14輸出信號地址表7.4HMI選型人機界面（HMI）也稱為人機界面，人機界面通常是指用戶可見的部分。用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)通信并執(zhí)行操作。本次設計PLC選型為三菱公司生產(chǎn)，考慮到系統(tǒng)的兼容性和性價比，本設計人機界面依然選擇三菱公司。具體型號為GS2110-WTBD，畫面尺寸為10×7，分辨率800×480。8PLC程序設計8.1控制程序邏輯圖通過分析水力發(fā)電廠中低壓氣機的自動化運行要求，PLC接收到的狀態(tài)信息可以大致分為兩種類型。一個是來自儲氣罐中氣壓的狀態(tài)信息，另一個是來自系統(tǒng)中各設備的狀態(tài)信息。在全面分析并確定了這套信息之后，PLC發(fā)出指令以完成設計過程中所需的操作。圖7控制程序流程圖8.2氣壓信息處理PLC接收到有關儲氣罐內(nèi)壓力的信息，并通過程序輸出相應的信號，以實現(xiàn)控制效果。由于S水電站的低壓氣機系統(tǒng)具有兩個儲氣罐，因此PLC必須先接收儲氣罐信息，然后才能接收儲氣罐氣壓信息。也就是說，需要確定要使用的儲氣罐。一旦氣壓超過正常范圍內(nèi)，就應立即警告并顯示。