水轮机制动系统的设计

重庆机电职业技术学院目 录摘要21 绪论41.1 设计背景41.2 设计内容42 制动系统设计相关技术62.1 电气控制技术62.2 可编程控制器72.3 流体传动技术103 系统设计133.1 系统设计方案133.2 系统控制流程143.3 系统编程原理153.3 流体控制184 系统常用电气元件及选择204.1 系统所需元器件列表204.2 系统常用元器件简介205 系统的安装与维护245.1 设备的维护与保养245.2 设备修理24总 结26致 谢27参考文献28第 29 页 共 29 页 水轮机制动系统的设计【摘要】为了缩短停机时水轮发电机组的惰行时间，防止推力轴瓦烧损，在停机过程中必须在低转速区对机组进行连续制功。简要介绍了机组制动的工作原理，分析了机械制动和电气制动的特点，对石门2F水轮发电机组电气制功进行了全面的分析指出采用电气制功的必要性，对改善推力瓦运行条件、缩短机组低速运行时间、保证机组安全可靠刹车停机具有十分重要的意义。 水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。本设计主要应用的是欧姆龙系列PLC进行控制，首先通过PLC控制电磁阀的动作，电磁阀的动作使气缸的上、下腔充气或排气，气缸的充气或排气从而使水轮机实现制动、停止和反风等功能。【关键词】水轮机 PLC 制动 气压传动1 绪论随着科学技术的发展，生产过程中自动化水平的提高,要求更多和更先进的控制手段出现，以满足现代化的要求以及世界先进技术接轨。电气控制凭借其传输容易、无污染、无噪音、控制方便等优点，已经被广泛的应用到各个领域；流体制动技术由入其快速、可靠、成本低等优点，已成为现代化生产中不可缺少的技术；而作为与时代同步，与先进技术并行的PLC技术更是受到各行各业的青睐。本设计将电气控制、流体传动和PLC技术结合起来应用，解决实际生产中的问题。针对某发电厂电动机制动中存在的诸如可靠性差、自动化程度低、漏气严重、可维护性差及信号没有监控等问题，我们对其制动系统装置做了全面的升级与改造。本设计共分为三个部分：电气控制部分、气体控制部分、PLC编程部分。1.1 设计背景 本设计是为某发电厂的制动系统设计的，该电厂所使用的制动系统均为几十年前的产品，经过几十年的运行，已经出现了如下的问题： 可靠性差：由于该发电厂始建于六、七十年代，发电机组设备大量老化，特别是动作频繁的制动系统，老化现象尤为突出。这就造成了在机组运行中出现控制失灵及控制不便的现象。漏气现象严重：由于每台机组制动控制柜有6个手阀、1个电磁阀、2个气压表及2个压力开关，不仅接头多，而且均为老式结构的普通接头，密封性较差，气体压力损失较为严重，导致空气压缩机频繁启动，增加了设备维护、保养及检修的工作量。可维护性差：由于制动柜生产年代较早，且柜体摆放在机组压油装置旁，不仅柜体矮小，而且柜体内部空间狭窄，制动控制系统元件及管路布置十分拥挤，维护和维修很不方便。存在信号监控盲区：制动闸上、下腔压力信号未进入监控系统，形成监控盲区,不利于发现隐患的存在。自动化程度低：由于该发电厂兴建较早，许多设备都应用的是几十年前的系统，特别是制动系统这块，自动化程度十分低下。1.2 设计内容通过对其原有系统的全面改造，我们实现了系统的安全可靠、稳定运行的预期目的。本系统共分为三个部分：电气控制设计、气动控制设计、PLC编程设计。1.3.1 电气控制部分 设计任务:(1) 监控24点制动闸动作状态，通过指示灯显示；(2) 24点制动闸全部动作后向PLC发出制动成功或复位信号；(3) 压力站气路压力显示向PLC发出420mA模拟信号；(4) 根据PLC传送来的420mA模拟信号显示相应的转速； 实现方法：(1) 利用继电器，将24点制动闸的位置状态采集到控制板的输入端，继电器利用一对动断触点和动合触点分别控制复位信号灯和制动信号灯，24点信号分别送入24输入与门和24输入或非门，与门和或非门分别输出制动成功或复位信号。(2) 选用输出为420mA的压力传感器，向PLC提供压力信号。(3) 将PLC传送来的420mA转速信号，利用I/V变换器转换成电压信号送入转速标度变换电路，显示相应的转速。调节标度变换电路可实现上、下限转速显示值的调整。(4) 输入模拟信号为420mA形式，输出开关信号为空接点形式。1.3.2 流体控制部分采用节流阀控制流量，水份分离器净化空气，两个三通换向阀分别控制汽缸的上、下腔；气液混用三通球阀进行气、油的转换控制，多块压力表可直接读数等。1.3.3 PLC编程部分本设计应用欧姆龙系列PLC实现控制功能，通过PLC控制电磁阀的动作，电磁阀的动作使气缸的上、下腔充气或排气，气缸的充气或排气从而使水轮机实现制动、停止和反风等功能。根据给出的控制要求可进行进行编程，从而达到设计的最终目的。 2 制动系统设计相关技术本设计由电气控制部分、PLC编程部分和气动控制部分三部分组成。本章作为理论学习的章节，分三个部分分别介绍了电气控制技术、PLC编程技术和气动控制技术的组成及相关原理。为后面的设计打下了坚实理论基础、提供了设计思路。2.1 电气控制技术电气控制凭借其传输容易、无污染、无噪音、控制方便等优点，已经被广泛的应用到各个领域。2.1.1接触器（1）定义接触器(Contactor)是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器。接触器由电磁系统（铁心，静铁心，电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：常闭触头闭合；常开触头断开。（2）结构说明交流接触器利用主接点来开闭电路，用辅助接点来导通控制回路。主接点一般是常开接点，而辅助接点常有两对常开接点和常闭接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。 2.1.2熔断器（1）简介熔断器（如图21所示）是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。 熔断器是一种过电流保护器。熔断器主要由熔体和熔管以及外加填料等部分组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过规定值，并经过一定时间后，由熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，从而起到保护的作用。 （2）熔断器应用由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。 图21 熔断器2.1.3 中间继电器（1）定义中间继电器(intermediate relay)：用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。它用于在控制电路中传递中间信号。中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，与接触器的主要区别在于：接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过小电流。所以，它只能用于控制电路中。 它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。所以它用的全部都是辅助触头，数量比较多。新国标对中间继电器的定义是K，老国标是KA。一般是直流电源供电，少数使用交流供电。（2）结构及原理DZ系列继电器为阀型电磁式继电器。线圈装在U形导磁体上，导磁体上面有一个活动的衔铁，导磁体两侧装有两排触点弹开。在非动作状态下触点弹片将衔铁向上托起，使衔铁与导磁体之间保持一定间隙。当气隙间的电磁力矩超过反作用力矩时，衔铁被吸向导磁体，同时衔铁压动触点弹片，使常闭触点断开常开触点闭合，完成继电器工作。当电磁力矩减小到一定值时，由于触点弹片的反作用力矩，而使触点与衔铁返回到初始位置，准备下次工作。 2.1.4 主令电器自动控制系统中，用于发送控制指令的电器称为主令电器。主令电器是一种机械操作的控制电器，对各种电气系统发出控制指令，使继电器和接触器动作，从而改变拖动装置的工作状态，以获得远距离控制。(1) 控制按钮 控制按钮是发出控制指令和信号的电器开关，是一种手动且一般可以自动复位的主令电器。它用于对电磁启动器、接触器、继电器及其他电气线路发出指令信号控制。1） 控制按钮的结构 钮帽、动触点、动断静触点、动合静触点、外壳等组成，通常制成具有动合触点和动断触点的复式结构。2） 按钮的结构形式有多种，适用于不同的场合：紧急式装有突出的蘑菇型钮帽，以便于紧急操作；指示灯在透明的按钮内装入信号灯，用作信号显示；钥匙式为了安全起见，需要钥匙插入方可旋转操作等。3） 目前，使用比较多的控制按钮型号有LAIO、LA18、LA19、LA20、LA25、LAY3、LAY5、LAY9、HUTII、HUL2等系列产品。(2) 行程开关1）简介行程开关，位置开关（又称限位开关）的一种，是一种常用的小电流主力电器。利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。通常，这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。 在电气控制系统中，位置开关的作用是实现顺序控制、定位控制和位置状态的检测。用于控制机械设备的行程及限位保护。构造：由操作头、触点系统和外壳组成。2）工作原理 在实际生产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位，轿厢的上、下限位保护。2.2 可编程控制器可编程控制器（Pogrammabie controller ,PC）一微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、棉线用户的“自然语言”编程，适应工业环境，简单易懂，操作方便，是可靠性高的新一代通用工业控制装置。2.2.1 PLC的定义PLC一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会（IEC）曾先后于1982.11/1985.1和1987.2发布了PLC标准草案的第一、二、三稿。在第三稿中，对PLC作了如下定义：PLC是一种数字运算操作电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。该定义强调了PLC是：（1）数字运算操作的电子系统也是一种计算机；（2）专为在工业环境下应用而设计；（3）面向用户指令编程方便；（4）逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作；（5）数字量或摸拟量输入输出控制；（6）易于控制系统连成一体；（7）易于扩充。2.2.2 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，基本构成为： （1） 电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的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。 （2） 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。 （3） 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。 （4） 输入输出接口电路 1） 现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。 2） 现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 （5） 功能模块 如计数、定位等功能模块 （6） 通信模块 如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。2.2.3 PLC的工作原理(1) 扫描技术 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。 1) 、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。 2)、 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。 3)、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。2.2.4 PLC内部运作方式虽然PLC所使用之阶梯图程式中往往使用到许多继电器、计时器与计数器等名称，但PLC内部并非实体上具有这些硬件，而是以内存与程式编程方式做逻辑控制编辑，并借由输出元件连接外部机械装置做实体控制。因此能大大减少控制器所需之硬件空间。实际上PLC执行阶梯图程式的运作方式是逐行的先将阶梯图程式码以扫描方式读入CPU 中并最后执行控制运作。在整个的扫描过程包括三大步骤，“输入状态检查”、“程式执行”、“输出状态更新”说明如下： 步骤一“输入状态检查”：PLC首先检查输入端元件所连接之各点开关或传感器状态（1 或0 代表开或关），并将其状态写入内存中对应之位置Xn。步骤二“程式执行”：将阶梯图程式逐行取入CPU 中运算，若程式执行中需要输入接点状态，CPU直接自内存中查询取出。输出线圈之运算结果则存入内存中对应之位置，暂不反应至输出端Yn。步骤三“输出状态更新”：将步骤二中之输出状态更新至PLC输出部接点，并且重回步骤一。 此三步骤称为PLC之扫描周期，而完成所需的时间称为PLC 之反应时间，PLC 输入讯号之时间若小于此反应时间，则有误读的可能性。每次程式执行后与下一次程式执行前，输出与输入状态会被更新一次，因此称此种运作方式为输出输入端“程式结束再生”。PLC内部构架如图22所示。 图22 PLC内部构架2.3.6 PLC目前的主要品牌ABB，松下，西门子，三菱，欧姆龙，台达，富士，施耐德，信捷等 2.3 流体传动技术 2.4.1气压传动气动（Pneumatics）是“气动技术”或“气压传动与控制”的简称。严格地说，传动系统是以传递动力（功率）为主，以传递信息为次；控制系统是以传递信息为主，以传递动力为次。但实际使用中传动系统和控制系统在具体结构上往往是结合在一起的，而且由于对现代机器设备的要求愈来愈高，使传递动力和控制指标都很重要。通常所指的气压传动是以压缩空气为工作介质进行能量传递的一种传动形式。由于气压传动具有节能、高效、价廉和无污染等优点，因此近年来在国内外发展较快。（1） 气压传动系统的组成根据气动元件和装置的不同功能，可将气压传动系统分成以下五个部分：气源装置 获得压缩空气的装置和设备，如各种空气压缩机，它将原动机的机械能转变成为气体的压力能，还包括储气罐等辅助设备。执行元件 将压缩空气的压力能转变为机械能的装置，如做直线运动的气缸，做回转运动的气马达等。控制元件 控制压缩空气的流量、压力、方向以及执行元件工作程序的元件，如各种压力阀、流量阀、方向阀、逻辑元件等。辅助元件 使压缩空气净化、润滑、消声以及用于元件连接等所需的装置和元件，如各种空气过滤器、干燥器、油雾器、消声器、管件等。工作介质 在气压传动中传递运动、动力及信号的作用。气压传动的工作介质为空气。（2） 气压传动的工作原理气压传动是以压缩空气为工作介质传递运动和动力的一门技术，由于气压传动具有防火、防爆、节能、高效、无污染等优点，因此应用十分广泛。而在工厂实际中气压传动技术应用随处可见。因空气无润滑性能，故在气路中应设置给油润滑装置。（3） 气压传动的特点气压传动的优点：（1） 工作介质是空气，来源方便，取之不尽，使用后可直接排入大气且无污染，不需要设置专门的回气装置；（2） 空气的粘度很小，所以流动时压力损失较小，节能、高效，适用于集中供应和远距离输送；（3） 动作迅速，反应快，维护简单，调节方便，特别适用于一般设备的控制；（4） 工作环境适应性好，特别适合在易燃、易爆、潮湿、多尘、强磁、震动、辐射等恶劣条件下的工作，外泄漏不污染环境，在食品、轻工、纺织、印刷、精密检测等环境中采用最为适宜；（5） 成本低，过载能自动保护。气压传动的缺点：（1） 空气具有可压缩性，不易实现准确的速度控制和很高的定位精度，负载变化时对系统的稳定性影响较大；（2） 空气的压力较低，只适用于压力较小的场合；（3） 排气噪声较大。2.4.2 液压传动液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。（1）液压传动系统的组成液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。 1）动力元件（油泵）它的作用是利用液体把原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。 2）执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。 3）控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。 4）辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括、蓄能装置、冷却器、管件各种管接头(扩口式、焊接式、卡套式）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等及油箱等，它们同样十分重要。 5）工作介质工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。（2） 液压系统的工作原理液压传动的基本原理：液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。（3）液压传动的优缺点液压传动的优点：1） 体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的1020%。因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； 2） 能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速，且调速范围最大可达1：2000(一般为1：100）； 3） 换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； 4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； 5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长； 6）操纵控制简便，自动化程度高； 7）容易实现过载保护； 8）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。 液压传动的缺点：1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁； 2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高； 3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平； 4）液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。因此液压传动不宜在很高或很低的温度下工作， 一般工作温度在-1560范围内较合适； 5）液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低。3 系统设计3.1 系统设计方案本设计设计到许多电气知识，下面从各个部分分别进行介绍。系统电气原理图如图31所示。电源：由于系统需要获得24V直流电进行控制，故首先将220V直流电经DC-DC模块转换，得到用以控制的24V直流电。当电源得电后，指示灯L1亮，同时线圈KM14闭合，控制柜上的指示灯亮。风闸：当风闸被顶起到位时，继电线圈KM12得电，常开开关KM12闭合，指示灯L2亮，向PLC发出制动成功信号。当风闸全部落到位时，线圈KM13得电，常开开关KM13闭合，指示灯L3亮，向PLC发出复位信号。向PLC提供信号：当上腔压力分别达到上、下限时，上腔压力传感器发出的信号分别是cqp21、cqp22分别闭合，线圈KM1、KM2分别得电，使得常开开关KM1、KM2分别闭合，向PLC发出上腔压力达到上、下限信号。同理，当下腔压力分别达到上、下限时，下腔压力传感器发出的信号分别使cqp21、cqp22闭合，线圈KM3、KM4分别得电，使得常开开关KM3、KM4闭合，向PLC发出下压力达到上、下限信号。本设计提供了手动和自动两种控制。下面就这两种控制进行介绍。手动控制；手动状态，备紧急和特殊场合使用。在手动状态下，能够通过一个三位转换开关实现制动、停车和反风三种功能。当二为转换开关K2打到手动状态时，指示灯K4亮，同时线圈KM5得电，使得常开开关KM5闭合，使控制柜上的手动指示灯亮。在手动状态下，将三位转换开关打到制动位置，此时由于线圈KM7和KM8处于失电状态，常开开关KM7、KM8处于闭合状态，指示灯L5亮，同时线圈KM6得电，使常开开关KM6闭合，使得下腔连接的二位三通电磁换向阀得电，达到制动的目的，同时常闭开关KM6打开，使得反风和停止处于闭锁状态；将 图31 系统电气原理图三位转换开关打到反风位置时，此时由于线圈KM6、KM7处于失电状态，常闭开关KM6、KM7处于闭合状态，指示灯L6亮，同时线圈KM8闭合，使得上腔连接的二位三通电磁换向阀得电，以达到反风的目的，同时常闭开关KM8打开，使制动和停止处于闭锁状态；将三位转换开关达到停止位置时，由于线圈KM6、KM8都失电，故常闭开关KM6和KM8处于闭合状态，指示灯K7闭合，同时线圈KM7得电，使常开开关KM7闭合，使控制柜上的停止指示灯亮，同时常闭开关KM7打开，使得制动和反风处于被锁状态。 自动控制：自动状态，在一般情况下使用。自动状态下，可实现制动和反风两种功能。将两位转换开关K2打到自动位置时，指示灯L8亮，同时线圈KM11得电，常开开关KM11闭合，使得控制柜上的自动指示灯亮。此时闭合开关Z1，线圈KM9得电，常开开关KM9闭合，使得与下腔连接的二位三通电磁换向阀得电，以打到制动的目的。闭合开关Z2，线圈KM10得电，常开开关KM10闭合，使得上腔相连的二位三通电磁换向阀得电，以到达反风的目的。 3.2 系统控制流程该设计控制流程图如图32所示： 图32 控制流程图3.3 系统编程原理3.3.1 水轮机制动系统PLC控制过程当导叶关闭，出口DL分闸，转速低于35%，上腔压力为下限值这四个条件同时满足时，输出继电器01000得电，使与下腔连接的二位三通电磁换向阀线圈得电，制动闸下腔充电，同时输出继电器01002得电，红灯亮，制动开始；当下腔压力达到上限且发电机组转速小于5%nr时，时间继电器T00000得电开始计时，计时3秒后，复位输出继电器01000，使与下腔连接的二位三通电磁换向阀线圈失电，制动闸下腔排气，当下腔压力达到下限值时，如果风闸全部落下，输出继电器01003得电，使绿灯亮，表明制动结束；如果风闸没有全部落下，定时器T1得电开始计时，计时4秒后，输出继电器01001得电，使与上腔连接的二位三通电磁换向阀得电，制动闸上腔充气。当上腔压力达到上限且风闸全部落下时，复位输出线圈01001，使与上腔相连的二位三通电磁换向阀失电，制动闸上腔排气，同时输出继电器01003得电，绿灯亮，表明制动过程结束。3.3.2 PLCI/O分配表（如图33所示）输入继电器控制对象输出继电器控制对象0.00导叶是否关闭10.00下腔电磁阀HV10.01出口是否分闸10.01上腔电磁阀HV20.02转速是否低于35%10.02红灯HV3（制动开始）0.03上腔压力是否达到下限10.03绿灯HV4（制动结束）0.04下腔压力是否达到限上定时器TIM0000.05转速是否小于5%TIM0010.06下腔压力达到下限中间继电器200.000.07风闸是否全部落下200.010.08上腔压力是否达到上限图33 I/O分配表3.3.3 PLC的I/O配线图PLC的I/O配线图如图34所示： 图34 I/O配线图3.3.4 PLC控制梯形图控制梯形图如图35所示： 图35 控制梯形3.3.5 PLC程序步 指令 操作数0 LD 0.001 AND 0.012 AND 0.023 AND 0.034 ANDNOT TIM0005 OUT 10.006 LD 10.007 OUT 10.028 LD 0.049 AND 0.0510 TIM 000 #003011 LD 0.0612 AND 0.0713 OUT 200.0014 LD 0.0615 ANDNOT 0.07 16 TIM 001 #004017 LDNOT 0.0718 AND TIM00119 OUT 10.0120 LD 0.0721 AND 0.0822 OUT 200.0123 LD 200.0024 OR 200.0125 OUT 0.033.3 流体控制3.3.1 气动控制设计工作原理气体的进化：从起源出来的空气经球阀后，通过节流阀控制其流速。此时的空气还含有很多的从空气压缩机里出来的水分，油液等杂质，必须通过水分分离器，以净化空气。净化后的空气分别通过上，下腔的两位三通换向阀进入气缸。当要求制动时（制动风闸全部顶上），可以通过手动或自动两种方式让与下腔连接的两位三通电磁换向阀得电，此时空气可以通过下腔换向阀进入下气缸，由于上下气缸之间存在差压，使得推动活塞向上运动，达到制动的目的。当要求反风时（制动风闸全部落下），同样可以通过手动和自动两种方式让与上腔连接的两为三通电磁阀得电，使空气通过上腔换向阀进入上腔，同样由于上下气缸的压力差，使得推动活塞向下运动，达到风闸快速落下的目的。液压控制原理：当需要检修时，可以通过气液混用三通球阀，让油液进入下腔，使其推动活塞，将整个设备顶起。同时，通过压力传感器，将压力转换成电信号送PLC监控系统。机械压力表和面板机械压力表提供的压力，供现场工作人员参考。气压传动原理图如图36所示：图36 气压传动原理图1球阀 2节流阀 3水份分离器 4压力表开关 5面板机械压力表6两位三通换向阀 7机械压力表 8压力传感器 9气液混用三通阀 4 系统常用电气元件及选择4.1 系统所需元器件列表系统元器件列表如表41所示：产品名称规格数量单位生产厂家备注两位三通电磁换向阀041333T（16kg）3个德国宝德2用1备气动压力传感器ISE-01-621-M2个日本SMC数显气体压力表LED红色七段码3块机械压力表0-16bar2块50mm表头气液混用三通阀KH3-G1/2-L-1120-01个德国HYDAC120bar气水分离器 主气源使用1个手动不锈钢球阀压力表、变送器前使用6个5用1备转速表4-20mA输入、输出1块要求购买成品电源模块220VDC/24VDC2个朝阳要求并列运用二位转换开关自动、手动（带辅助结点）2个一用一备三位转换开关制动、停止、反风（带辅助结点）2常开、2常闭继电器线圈为220VDC2个一用一备绿灯落下指示2只一用一备红灯电源、顶起指示3只二用一备控制柜2360*800*6001 表41 系统元器件列表4.2 系统常用元器件简介4.2.1 两位三通电磁换向阀（1） 简介两位三通电磁阀分为常闭型和常开型两种，常闭型指线圈没通电时气路是断的，常开型指线圈没通电时气路是通的。 常闭型两位三通电磁阀动作原理：给线圈通电，气路接通，线圈一旦断电，气路就会断开，这相当于“点动”。 常开型两位三通单电控电磁阀动作原理：给线圈通电，气路断开，线圈一旦断电，气路就会接通，这也是“点动”。 两位五通双电控电磁阀动作原理：给正动作线圈通电，则正动作气路接通(正动作出气孔有气)，即使给正动作线圈断电后正动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给反动作线圈通电为止。 给反动作线圈通电，则反动作气路接通(反动作出气孔有气)，即使给反动作线圈断电后反动作气路仍然是接通的，将会一直维持到给正动作线圈通电为止。这相当于“自锁”。 （2） 两位三通电磁阀工作原理 电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。4.2.2 球阀 （1） 工作原理球阀它具有旋转90度的动作，旋塞体为球体，有圆形通孔或通道通过其轴线。球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向，它只需要用旋转90度的操作和很小的转动力矩就能关闭严密。球阀最适宜做开关、切断阀使用，但近来的发展已将球阀设计成使它具有节流和控制流量之用，如V型球阀。 （2） 主要特点球阀的主要特点是本身结构紧凑，密封可靠，结构简单，维修方便，密封面与球面常在闭合状态，不易被介质冲蚀，易于操作和维修，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，在各行业得到广泛的应用。球阀阀体可以是整体的，也可以是组合式的4.2. 3 气水分离器（1） 简介压缩空气气水分离器是运用离心及集流相结合之原理,重力及碰撞等机理的完美结合,能有效地去除压缩空气中的液体态水雾.是压缩空气高效过滤器及冷冻式,吸附式压缩空气干燥机必要的预处理装置. 除去压缩空气中的水份是压缩空气净化处理的首要任务,压缩空气中的水夹带杂质会侵蚀管道,阀门,仪表及设备,造成生产成本的提高. （2） 规格气水分离器,其外形小巧美观,经久耐用,压力损失小到可忽略.且内部带有进口自动的排污阀,无需要更换元件.不仅是螺杆式压缩机配套的理想元件,也是一般空压机后处理必不可少的除水装置.。部分型号规格（如表42所示）如下： 型号流量(m3/min)进出口连接尺寸WF-22.4G1/2WF-33.6G3/4WF-44.5G1WF-44.533*2WF-77.5G11/4WF-99G11/2WF-2021G2WF-202160*2WF-3030DN80WF-4040DN100WF-6060DN125WF-8090DN150WF-120120DN150表42 气水分离器规格表更大流量机型及耐压1.04.0MPa及其它类型气体除油净化器可找厂家定做 ，可按要求配置自动排污阀。（可配日本SMC型AD402-04排水器，也可配用荷兰JORC的OPT-A，OPT-B电子排水器，当然还可以用AVC CS-728 或者RPT-16等型排水器。） 4.2.5 面板机械压力表压（1） 结构原理 面板机械压力表（如图43所示）由导压系统(包括接头、弹簧管、限流螺钉等)、齿轮传动机构、示数装置(指针与度盘)和外壳(包括表壳、表盖、表玻璃等)所组成对于在外壳内充液(一般为硅油或甘油)的仪表，能够抗工作环境振动较剧和减少介质压力的脉动影响。 4.3.6 压力传感器 图43 全不锈钢压力表（1）定义 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。另有医用压力传感器。常用的压力传感器有电阻应变片式、压电式、压磁式等，下文简单介绍一下电阻应变片式压力传感器。 （2）电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：金属导体的电阻率（。cm2/m ） S 导体的截面积（cm2 ） L 导体的长度（m ） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化。 从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情。4.2.7 气液混用三通阀 (1) 概述传统的介质过滤器为了达到工作和反冲洗要求，一般需配备五至六只手动阀门。需按照一套标准的程序进行反冲洗，同时为了达到较好的冲洗效果，需额外配备压缩空气或滤后清水和反冲泵。设备运行耗水、耗电量较大。三通隔膜阀做为反冲洗阀，主要应用在介质过滤器上，一般使用时安装于过滤器的进水口，如砂滤器、活性炭过滤器、海绵铁过滤式除氧器等。其优越特性包括：独特的隔膜驱动杆装置，该装置确保冲洗口打开时供水口关闭，较短的动作行程确保水流方向能顺畅地改变，保证水源供应，防止供水与冲洗废水混合。1) 在反冲洗口打开前先关闭供水口；2) 流畅地改变水流方向；不浪费进水；3） 通过水流张紧(隔膜)关闭供水或反冲洗口；4) 高流量；5) 可以安装在不同位置。 (2) 结构及工作原理隔膜与阀杆结为一体，当隔膜动作带动时阀杆上下移动。正常工作时由于进水口水压作用，阀杆上移至顶部，进水口与过滤器连通；反冲洗时控制水自阀盖上端的控制口流入，使隔膜带动阀杆向下移动至阀座底部，进水口被关闭，排水口与过滤器连通；此时过滤器的出水口如果有压力水，水将从过滤器的顶部流出，从而过到反洗的目的。 三通阀的控制水压(气压)来源，可以是三通前导电磁阀(见后面专门产品介绍)或是液压分配器(详见液动隔膜二通阀中相关介绍)。也可通过手动给出液压信号，使三通阀动作完成冲洗。(3) 主要应用根据装填填料、过滤器件的不同，采用液压式三通阀可以配套用于不同的设备，如盘式过滤器、海绵铁除氧器、锰砂除铁设备、石英沙过滤器、多介质过滤器、活性碳过滤器、除氟设备、全自动软水器等。用户也可根据需要，在特殊的需要三路接口不同时导通的用水场合都可以使用三通阀。本阀门尤其适用于旧式手动设备的自动化控制改造。 5 系统的安装与维护随着我国以劳动密集性产业为主向，以技术密集性产业为主的发展阶段，加工设备的精良对于保证产品质量，降低物资消耗，提高经济效益，增强市场竞争能力，无疑是一决定性因素。然而造成功率降低，工作受到严重影响，及时检修，势在一本多利。所以，机械设备的保养与修理是不容忽视的。5.1 设备的维护与保养正确使用与维护设备是设备管理工作的重要环节，是由操作工人和专业人员根据设备的技术资料及参数要求和保养细则来对设备进行一系列的维护工作，也是设备自身运动的客观要求。设备维护保养工作包括：日常维护保养（一保）、设备的润滑和定期加油换油、预防性试验、定期调整精度和设备的二、三级保养。维护保养的好备直接影响到设备的运作情况、产品的质量及企业的生产效率。5.1.1 设备的检查设备检查是及时掌握设备技术状况，实行设备状态监测维修的有效手段，是维修的基础工作，通过检查及时发现和消除设备隐患，防止突发故障和事故，是保存证设备正常运转的一项重在工作。5.1.2 日常检查日常检查是操作工人按规定标准，以五官感觉为主，以设备各部位进行技术状况检查，以便及时发现陷患，采取对策，尽量减少故障停机损失。对重点设备，每班或一定时间由操作者。5.1.3 二级保养该级保养以操作工作为主，维修工作配合。保养周期可根据设备的工作环境和工作条件而定，如金切机械可定为400600运转小时，停歇时间和保养工时可按设备每复杂系数0.5小叶计算。5.2 设备修理设备在使用运生过程中，由于某些零部件的磨损、腐蚀、烧损、变形等缺省，影响到设备的精度、性能和生产效率，正确操作和精心维护虽然可以减少损伤，延长设备使用寿命，但设备运行毕竟会磨损和损坏，这是客观规律。所以，除了正确使用和保养外，还必须对已磨损的零部件进更换、修理或改进，安排必要的检修计划，以恢复设备的精度及性能，保存证加工产品质量和发挥设备应有的效能。设备维修方式如下:1） 预防维个修：为防止设备性能劣化或降低设备故障的概率，按事先规定的计划和技术条件所进行的维修活动。就是从预防“医疗”的立场出发，根据设备经常的检查记录或运转同对主品质量、生产效能存在不正常的征兆，在设备发生故障前就去进行预防性的修理改进。预防维修通常根据设备实际运作情况来编排计划。2） 故障维修：设备发生故障或性能降低时采取的非计划性维修，亦称事后维修。3） 生产维修：从经济效益出发提高设备生产效率的维修方法，它根据设备对生产的影响程度对待。不重要的设备采用事后维修，重点关键设备则进行预防维修。4） 预知维修：根据状态监测和诊断技术所提供的信息，在故障发生前进行必要和适当的维修，也称状态监测维修。5） 除以上几种维修方式外，还有改善维修，定期维修及无维修设计等方式。设备维护与维修工作与企业生产经营和效益密切相关，无论是大型企业，还是中、小型企业，都是不容忽视的，应引起各级领导及管理部门的重视，尤其是当前企业设备不断地更新，高精度、高效率、自动化设备日趋增多，更显出设备维护与维修工作的重要性。总 结通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我懂得了怎样把理论应用于实际，又让我懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，我还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。相信这次完成毕业设计的过程一定会对我将来的学习和工作有很大帮助，而且我也会牢记这段时间里的点点滴滴，因为它是属于我的美好的回忆。 通过此次毕业设计，我对本专业的各种控制知识有了更深层次的认识，理论与实践相结合使我很好的检验了我的理论知识，提高了我的动手能力，为以后的工作和学习打下了坚实的基础 。 致 谢在此论文撰写过程中，要特别感谢我的指导老师叶俊老师的指导与督促，每次遇到难题，我最先做的就是向叶老师寻求帮助，而周老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。 同时感谢她的谅解与包容，没有周老师的帮助也就没有今天的这篇论文。求学历程是艰苦的，但又是快乐的。感谢我的班主任迟卫迟老师，谢谢他在这三年中为我们全班所做的一切，他不求回报，无私奉献的精神很让我感动，再次向他表示由衷的感谢。另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的