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1、精选优质文档-倾情为你奉上2015年全国高等院校工程应用技术教师大赛项目方案设计书参赛项目可编程序控制系统设计及应用赛项编号AS2参赛题目小型水库泄洪闸门启闭机监控系统实训模型研发选手姓名游张平 年 月 日内容提要FXPLC实验组件： 配置三菱FX3U-48MT/ES-A PLC，内置数字量I/O（24路数字量输入/24路晶体管输出）；FX0N-3A模拟量模块（2路模拟量输入/1路模拟量输出）；FX3U-485-BD通信模块；FX2N-32CCL CC-Link通信模块；将PLC输入输出端子外接安全插孔，在输入端配有钮子开关、输出端配有透明继电器，配套SC-09编程电缆。变频器模块： 配置FR
2、-D720S-0.4kW变频器，功率0.4kW，AC220V供电，带有RS485通信接口及基本操作面板, 将变频器所以输入输出端子外接安全插孔。开关量控制模块： 十字路口交通灯、自动售货机、四层电梯温度、光电控制模块： 温度控制：由驱动模块、电加热器、温度变送器、温度传感器、温度表及测温触发按钮等组成。 光电控制：由调光触发控制电路、色标传感器、多种颜色板、直流电机驱动电路、移动滑轨等组成。触摸屏模块：7英寸彩色触摸屏TPC7062KX PLC编程 GX Works Version 1.77F 三菱 HMI设计 MCGS嵌入版 7.2 昆仑通态 上位机监控设计 MCGS 6.2 昆仑通态 一、
3、项目立意及可行性分析 1.1 项目立意（包括工程应用系统或教学实验系统的项目价值、项目需求分析、项目可行性分析、项目效益分析等。然而可以不全包括，也可不仅限于此） 我国拥有 959.69 万平方公里的国土面积，不仅地域及其广阔，而且山川河流众多致使地形也非常复杂，地处北温带，气候为亚热带季风，这些地理条件致使我国是一个洪灾多发的国家，每年的大小洪灾直接威胁着人民的生命安全并带来了巨大的财产损失。1975 年发生在驻马店的水库溃坝事件，致使被淹耕地高达 1100 万亩，受到此事件影响的人达 1100 万人，2.6 多万人死亡，造成近 100 亿元的经济损失，该事件成为了全世界最大的垮坝惨剧。像这
4、些给我国人民和财产带来巨大损失的洪灾事件还有很多，比如发生在 1989 年的辽河水灾、1991 年华东地区的洪涝灾害以及 1998 年长江、松花江以及嫩江流域特大洪水。由于多年来我国政府对防洪减灾工程建设的高度重视，兴建了许多水利工程用来预防洪涝灾害。然而，一直以来,泄洪闸闸门控制系统存在如下问题：（1）闸门启闭速度固定，不能及时缓解汛情。 泄洪闸闸门的开启和关闭,大部分都由电动机驱动,工作过程完全由人工操作控制,工作效率低,可靠性不高;且闸门的开关速度固定不变,在流量、水位发生变化的情况下,无法根据实际情况自动调节开关闸门的速度,易发生危险;尤其在流量突发短时增大的情况下,不能及时把门打开,
5、无法有效地完成泄洪任务。在这种控制方式下，如果遇到紧急汛情时会面临闸门启闭不及时的情况，导致不能及时缓解汛情。 （2）采用继电器控制方式，故障率很高。传统泄洪闸常采用继电器电路系统,依靠触点的机械动作实现控制。这种方法使用了大量的中间继电器、时间继电器,由于触点接触不良,容易出现故障,并且工作效率低,机械触点的抖动现象也可能会造成逻辑错误，致使整个系统的效率低能耗大,故障率很高.。为了更好地解决上述问题,在原有的泄洪闸闸门启闭机控制系统的基础上,提出利用可编程逻辑控制器(PLC)、触摸屏及变频调速技术对闸门启闭机实时监控与故障报警,并结合水位开关信号对泄洪闸门启闭机的启闭速度进行自动控制。该方
6、案利用现代电子技术和自动控制技术取代传统的机械结构,有效地提高了系统的工作可靠性及自动化程度,扩大了闸门启闭机自动控制系统的工作环境适应性,并且操作简单方便。项目的教学价值:1.2 项目可行性分析 （1）PLC是一种先进而又成熟的技术。可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通讯技术于一体的一种新型工业控制装置。它是一种面向生产过程控制的数字电子装置。不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络。作为一种先进而又成熟的技术，目前PLC被广泛地应用到机械、冶金、化工、电力、轻纺等各个领域，产品遍及世界各
7、地。这种新型的电控装置极大地提高了劳动生产率和自动化程度。可编程控制器将传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要，应用最多的控制设备，并已跃居工业生产自动化三大支柱(即PLC，机器人和计算机辅助设计制造CAD/CAM)的首位。随着工业自动化的快速发展，可编程控制器(PLC)得到了广泛的应用，可靠性高、运行稳定、适合户外使用、联网功能强大等特点都促使 PLC 成为现代生产工艺过程的新宠。（2）由 PLC、变频器和电机组成的控制系统来实现对电机的无极调速控制现今已经成为一种应用成熟的技术。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的
8、控制性能被广泛应用于速度控制领域。由 PLC、变频器和电机组成的控制系统来实现对电机的无极调速控制现今已经成为一种应用成熟的技术。（3）竞赛平台提供了项目研究所需的软、硬件条件竞赛平台提供了PLC、变频器、电机和触摸屏等项目所需硬件，被控对象可通过基于组态软件的触摸屏进行模拟。（4）本项目具有坚实的研发基础和条件。参寒选手长期从事机电控制技术的教学与科研工作。主持或参与国家863计划项目、国家科技支撑计划项目、浙江省自然科学基金、浙江省公益技术应用研究项目等十余项省部级课题。在期刊上发表相关高水平SCI/EI期刊研究论文10余篇。获得发明专利授权1项、实审5项，实用新型专利授权10余项，软件获
9、得著作权登记8项。这些均为本项目的顺利实施奠定了坚实的基础。参寒选手在针对设备状态监测、PLC智能控制系统研发、组态监控、故障诊断等方面已开展了一系列的研究工作。与协助单位合作完成了国家863重大专项“工程机械远程维护及监控系统”子课题“起重车安全监控及预警系统研制”，实现了对起重车的在线监控与故障诊断，项目成果获得软件著作权登记1项、发明专利实审2项，实用新型专利授权6项，受到了国家863验收专家组的高度评价，该项目实现了起重车各子系统的远程在线监测与故障预警。此外，还与协作单位合作完成了国家科技支撑重大项目子课题“连续墙抓斗电控系统和抓斗结构优化”，开发了拥有多项自主知识产权（电液系统监测
10、与故障预警、卷盘自由快放浮动控制、油管爆裂安全保护、双卷扬同步控制、前后纠偏自动控制）的连续墙抓斗电控系统（图1），整机综合性能达到国内领先，国际先进水平，打破了欧美对我国桩工基础施工设备的技术和市场垄断，受到了课题验收专家组的一致好评。图1 连续墙抓斗状态监控与故障报警人机交互界面（主界面部分）参寒选手还与地方产业结合在一些关键技术上获得了产业化突破，特别是在状态监控与故障报警、自动化检测、高精度控制与CAD系统研发等方面，与浙江省*企业一起主持承担国家重大科技支撑子课题“节能空气能热水器智能控制关键技术集成与工程示范”，完成空气能-太阳能集成供热工程的运行监控与故障报警（图2）。这些都为本
11、项目的顺利开展积累了实践经验。图2 空气能-太阳能热泵热水系统运行状态监控与故障报警界面总之，本项目是在已有相关研究工作基础上，结合企业需求而提出的研究课题，具有坚实的研发基础和条件。二、项目系统设计 （包括项目工程工艺流程、系统结构、系统组成、系统功能、系统软件功能等。然而可以不全包括，也可不仅限于此）2.1 系统功能需求分析随着科学技术和经济的高速发展，对水库现场设备的控制不断的提出新要求，如何保证水库处于安全稳定运行的状态对防洪减灾起着至关重要的作用。因此，如何及时准确的获得水文实时数据并根据实时数据对水库现场进行相应的控制，使水库各项数据维持在标准水平，对于水库的安全运行尤为重要。PL
12、C-变频器-电机工作系统是一种具有控制灵活高、节能效果好、效率高的一种成熟性技术手段。将交流变频调速技术引入水库闸门控制系统中，一方面可以实现闸门控制电机的软启动功能，解决了以往电机因启动电流过大而导致的接触器或过电流继电器因过流保护而断开主回路和对电网冲击污染较大等问题，另一方面可以根据汛情的不同实现对闸门的快速开启与快速控制，达到及时缓解险情使水库处于安全运行状态，另外，变频调速技术的节能功能，也符合我国的能源政策。本项目所设计水库监控系统主要任务有两个，第一个任务是监测水库闸门的开度、水库的水位信息、闸门控制电机的转速以及变频器的运行状态等，实现实时监测和报警处理。第二个任务是在水库闸门
13、控制子系统中通过PLC-变频器-电机控制技术的引入，使现地控制系统摆脱以往只能以同一频率对闸门进行启闭的单一控制方法，并通过变频器的软启动功能降低启动电流过大引起的种种弊端。基于满足以上功能需求，系统设计要求达到以下功能：（一）闸门控制与保护功能；在水库现场中的现地控制系统中可以通过水库现场安装的触摸屏来实现本地现场闸门的启动与关闭控制，而且可以控制闸门的开度，使水库闸门可以上升或者下降到指定的高度，电机的启动方式采用平稳可靠的变频启动方式，大大降低启动电流，同时，在遇到紧急汛情时，可采用不同的频率来完成对水库闸门的开启与关闭，及时调节水库水文，缓解险情。为了提高系统的可靠性、稳定性和安全性，
14、系统在水库现场现地控制系统设计中有手动控制和自动控制两种模式，可以根据水库实际需求进行选择，在系统运行出现异常时，系统会紧急抱闸刹车停机并进行报警提示。（二）数据采集与处理功能；1.水库水位信息采集与处理：通过在水库现场安装的检测水位信息的传感器实现对水库的水位实时数据进行自动采集，在进行必要的数据处理后上传至触摸屏中，经触摸屏以友好界面显示出来。2.闸门开度的数据采集与处理：可完成对闸门的位移量的采集，同时可以获得闸门的状态是上升开启状态还是下降关闭状态，闸门是否超越上下限为的相关数据。3.闸门控制电机状态数据的采集与处理：可完成对闸门控制电机的运行速度和运行电流的采集，从而实现对闸门电机运
15、行状态的监控，在遇电机运行异常时可进行报警。4.变频器运行状态数据的采集与处理：对变频器的运行状态（正反转、频率）以及是否出现故障的数据采集。（三）人机交互功能水库监控系统可以通过安装在水库现场的数据采集设备完成对水库现场的各种水文实时数据的采集，这些数据通过模拟量输入模块传送到 PLC（可编程控制器）内部指定的寄存器中，PLC 再将这些数据进行运算处理后传送至现地控制系统的触摸屏或上位机中，完成对水库水文信息的实时数据的显示、记录、存储、处理、打印和分析。工作人员可以直接通过安装的组态软件获取水库现象的各种水文信息，并可以对水库现场 PLC 发出相应的控制命令。2.2系统方案设计根据监控系统
16、的功能需求，该子系统为现地控制系统，主要由触摸屏、PLC、变频器等设备组成。控制对象为闸门电机。水库现场的控制基本由 PLC 来完成，是控制系统的核心。PLC 通过对变频器的控制可以实现对闸门电机的控制，变频器通过恒转矩的控制方式来实现闸门的开启和关闭，这样可以实现降低在启闭初始过程中的启动电流，从而降低了设备的机械冲击，实现对闸门电机的软启动。同时，闸门可以采用不同的开启频率，提高了水库对突发险情的应急能力。PLC 实现水文信息监测的功能，又可以与水库现场的触摸屏进行通讯，实现现地控制功能。该系统的基本运作流程为：由水库现场安装的闸位传感器、水位传感器等水文传感器负责采集水库中需要进行实时监
17、测的水文信息，传感器将采集到的水文信息以 4-20mA 的模拟量形式通过 PLC 模拟量输入模块传输到 PLC 指定的数据块中，PLC 对在对数据进行处理后，是送至水库现场的触摸屏中显示，。当需要对现场PLC发送控制指令使其执行相应动作时，可以通过现场触摸屏进行现场控制。三、系统控制设计 （包括控制需求分析、控制结构图和流程图、控制功能、控制逻辑、控制顺序、控制回路、控制算法、软件设计等。然而可以不全包括，也可不仅限于此）3.1 控制需求分析水库水位变化如图5-1所示： 图5-1 水位变化示意图总体要求：控制系统应具备两种控制功能：人工控制和机电一体化自动控制。要求一：当需要人工控制闸门升降时
18、，该系统可随时实行人工控制。单选高速、中速或低速，按下正转开关，电动机正转，闸门以高速、中速或低速提升放水；单选高速、中速或低速，按下反转开关，电动机反转，闸门以高速、中速或低速下降关闭；按下停止开关，电动机停止，闸门不工作。要求二：当水坝值班人员不能及时开放水闸时，系统实行自动化控制。（此时注意，人工控制系统时，就不能启动自动化控制。）当水位低于警戒水位A时，电动机不工作；当水位一旦到达警戒位置A时，电动机开始工作，低速正转，此时闸门低速提升至三分之一行程放水；放水至安全位置C时，电动机反转，闸门中速下降关闭；（但从B上升至C时，电机仍无需工作）；若遇洪水，水位继续上升至危险水位D时，系统将
19、自动以最大速度开启闸门泄洪，防止出现危险；当水位下降至警戒水位以下时，停止报警，同时驱动电机低速反转，关闭闸门，防止水位下降过多。若自动系统出现故障时，水位到达危险水位D时电机仍没有启动，则电路自动报警，此时由人工控制电动机的启停。要求三：报警要求 水库水位上升超过警戒位置A时，水位异常警报灯报警，并提示。 水库水位下降低于死水位时，水位异常警报灯报警，并提示。 若泄水动作执行10分钟后，水库水位无明显变化，则机械故障报警灯报警。 水位处于正常水位时，所有报警灯熄灭和泄水自动被复位。3.2控制结构图和流程图系统主控制程序流程图如图 5-9 所示，在系统上电后，最先执行的动作是系统的自检和初始化
20、，自检的内容主要是对 PLC 输入/输出状态的自检以及各部分通讯协议的配置。然后进入控制模式的选择，自动模式和手动模式，如果选择手动模式则调用手动控制程序，完成对水库闸门的手动控制。如果选择自动模式，则调用相应的自动控制程序，同过对水位的监测来自动控制闸门的启闭，如果在自动控制模式下发生系统故障，则 PLC 会发出中断命令，是系统停止运行。系统主控制程序流程图如图 5-9 所示图 5-10 为闸门自动控制系统程序流程图，在传统的只能以一种频率来控制闸门开启速度的方法相比，本设计引入了 PLC-变频器控制技术，通过对水位进行划分为 3个位置，当水位位于不同位置时，控制系统会采用预先设置好的相应的
21、频率来控制闸门的启闭速度，这样做的优点是当遇到紧急情况（如洪灾等）可以及时的完成对闸门的启闭控制，从而缓解险情。3.3控制功能、控制逻辑、控制顺序、控制回路、控制算法、软件设计等 四、系统安全设计 （包括系统安全分析、安全控制结构图和流程图、安全控制逻辑、安全联锁、紧急停车、报警、绿色生产、节能减排、仪表安全等。然而可以不全包括，也可不仅限于此） 7系统中的闸门控制模式 对水库闸门开启状态的控制，从确保安全可靠的原则出发，本系统中采用了三种控制模式，即上位机闸门自动监测控制模式（简称自动模式）、上位机闸门手动控制模式（简称手动模式）和现场闸门手动控制模式（简称现场模式）。自动模式是由上位机根据
22、下位机上传的水位数据经过处理后，对闸门实施自动控制的工作模式，是本系统的常规控制模式，是本系统核心价值的具体体现。手动模式是在非正常情况下，自动模式已无法正常自动控制现场闸门的动作或控制水位的上涨，用人工通过上位机软件操作界面，根据上位机监测的现场数据和现场闸门处的监控图像，直接下达闸门动作指令控制闸门动作的控制模式。该模式也可用于对闸门能否正常工作的远程例行检查，及时发现问题解决问题，以确保闸门随时都处于正常的待命状态。现场模式是在紧急情况下，自动模式或手动模式都失灵或无法正常有效控制现场闸门的动作或控制水位的上涨时，由监测控制中心紧急通知水库闸门现场值班人员通过安装在现场的闸门电机控制单元
23、或系统直接控制闸门电机的动作来开启闸门，以保证水库的安全。以上三种模式的结合，既使水库管理手段的先进性得以充分体现，又保证了水库运行的安全性。 一个成熟的PLC控制程序应该有1/3-1/2以上的程序量是为控制系统安全可靠服务的。因为随着PLC控制系统设备应用的普及,将面对的是各个行业最基层的操纵者和维护者,其素质参差不齐。PLC应用系统设计应该遵循人性化原则。本文根据设计经验,讨论故障诊断程序等用户友好系统设计方法。程序案例不针对具体PLC型号,梯形图逻辑是示意性的。 1李勤义. PLC控制系统故障自诊断以及人性化安全设计J. 可编程控制器与工厂自动化,2006,11:9-14+16.1王海,
24、巩亚东,王宛山. 基于PLC的故障诊断及处理J. 组合机床与自动化加工技术,2006,02:66-68.现场层诊断技术在以往智能诊断研究中往往被忽视。现场控制器迅速发展,在完成对设备和生产过程监控任务的同时,完全具备能力完成必要的诊断工作,并具有快速准确、简化诊断过程的特点。文章对于在智能诊断中最底层的智能设备PLC的诊断功能和处理方法加以阐述,指出处理及设计中的基本原则。并对基于PLC的模糊融合智能诊断进行深入探讨。 对工业现场的远程监控、 故障诊断技术是近年来研究的一个热点 。 一般的做法是将现场底层控制器数据通过控制网络 (现场总线或工业以太网等)送至信息管理层或远程网络 , 通过各种智
25、能诊断算法完成诊断任务。 对于那些复杂性很高的疑难故障效果较好, 且在很多领域取得较好效果 。 但统计表明实际中 80%以上的故障为一般性故障, 在解决常见、 多发故障的处理上 , 尤其在需要快速解决, 甚至需要在某些故障状态保证运行时, 这种远程的方式缺少灵活性和实时性 , 现场控制器只是监控设备和生产过程, 忽视其在故障诊断及处理中的作用远程智能诊断与基于 PLC 的故障诊断有明显的互补, 现场控制器可发挥如下作用 : 精确定位故障 , 避免盲目 性; 采取主动措施, 硬件冗余的同时 , 软件充分考虑常见故障 , 使系统有一定的容错能力, 出现某些故障的情况下, 避免停车事故, 确保系统继
26、续安全可靠的运行 ; 各类现场控制器紧跟计算机网络技术的发展, 朝着大型网络化 、 智能化方向发展, 为故障诊断处理提供平台保障 , 在此之上可设计出 一定智能程度的诊断功能在 PLC 控制系统中 , 控制器本身的可靠性一般较高 , 故障率很低 。 一旦出 现故障亦能通过自 诊断检测并显示出来 。 绝大部 分故障不在 PLC 设备本身 , PLC的外部设备 , 如输入元件、 输出 执行元件、 被控设备及输入输出信号线路等的故障率很高。 当这些故障发生时 , PLC不会自 动停机, 往往在发生故障或事故后才被发现。 因此 , 在系统设计时就应充分考虑可能的故障,并在控制器中做好监视处理工作结论在
27、以往进行设计时 , 通常把控制器和故障诊断系统分开设计 , 但在设计控制器的同时考虑故障诊断 , 可以提高故障的可诊断性及故障诊断的可靠性, 而且便于将故障诊断系统化 。 随着 PLC 功能不断增强 , 它在故障诊断领域将有更广阔的应用 前景。 实践中应注意如下原则: 设备及工艺过程诊断维护的困难很大程度是因为 PLC 的诊断能力不足 , 设计时充分考虑可能的故障。 充分考虑控制功能与故障监控诊断的平衡, 分清轻重缓急 , 并与远程 A I诊断取长补短。 运用 中, 采用 各种措施 , 确保诊断工作不会影响 PLC 的正常监控工作目 前复杂控制系统采用 了 许多较新控制方法: 如模糊控制、 神
28、经网络控制、 专家控制等等 , 恰好可以相应地开发出 配套的高性能故障诊断部分 , 并与之融为一体。 高档 PLC 都提供了 高级语言开发环境 , 也可实现自行开发的诊断算法。基于信息融合原理的智能故障诊断方法 , 是通过多路传感器信号进行有效多层面的关联组合及提取,获得对诊断对象故障信息更可靠的认识 , 从而最大限度地提高对故 障的诊断和 预知能力 。 在智能 推理中FU ZZY技术较为成熟且简单, 本文给出 基于 FUZZY规则的诊断推理过程。1.2.1 输入信号故障PLC主要完成顺序控制，当没有信号输入，逻辑条件不满足，PLC就不能执行下一个动作。一般出现故障时，输入信号只有一个条件不满
29、足，同时出现两个条件不满足可能想较小。这时可根据梯形图分析输入信号无效的原因，进行故障的进一步分析，直到找到故障产生的原因。1.2.2 输出信号故障输出信号方面主要是控制元件或执行元件故障，一般情况经常出现有机械动作的零件损坏，如接触器触头机构不灵活导致触点接触不良，电磁阀体内有异物导致阀芯堵塞，机械磨损导致阻力增加，传动器件移动不到位等。若执行机构出现故障，造成顺序控制的下一个动作输入条件不能满足，顺序控制就不能正常进行。PLC在设备故障检测与诊断中的应用_张传斌.caja)用PLC的定时器进行故障的检测和诊断:机械设备各工步动作的时间基本上是固定不变的,即使变化也不会太大,因此可以用这些时
30、间作为参数,当外部执行元件开始一个动作时,可同时触发一个定时器,定时器的设定时间比正常情况下该动作的进行时间长20%左右。b)利用外部元件间的逻辑关系进行故障的检测和诊断:在系统正常运行时,可编程序控制器的输入、输出和内部信号(存储器位的状态)相互之间存在着某种确定的逻辑关系,如果工作中出现异常的逻辑信号,则说明PLC外部元件出现了故障。因此我们在编程时可以编制一些常见故障的逻辑关系,一旦这些常见的逻辑关系的运算结果为1(ON)状态时,就应按故障处理。例如A、B两地的限位开关的逻辑状态正常工作时不能同时为ON,若它们工作中出现同时为ON的状态时,说明至少有一个限位开关卡死基于PLC和组态软件的
31、控制系统故障诊断方法_刘文鹏.cajPLC控制系统的故障诊断方法很多,目前,大多数的故障诊断专家系统是读取PLC的I/O及各种中间状态的信息,进行故障推理和诊断2。然而,仅仅使用PLC进行故障诊断存在故障提示信息不够详细、人机界面不够友好、诊断系统灵活性不足等缺点。本文以汽车底漆生产线控制诊断系统为例,利用已有的软硬件资源,探讨将PLC和组态软件相结合的故障诊断方法。诊断系统充分利用PLC的逻辑运算功能和强大的I/O能力,结合PLC内各种控制状态信息,进行控制系统故障诊断,用组态软件开发友好的人机界面提供详细的故障信息以及相应的对策。111 逻辑故障诊断112 时间限值故障诊断113 初始故障诊断114 基于PLC移位指令的多故障诊断如何利用PLC来判断机电设备的故障_赵娜.caj机床PLC改造过程中的故障自诊断设计_朱朝宽.caj五、系统实施设计 （包括系统设备（如控制器、传感器、执行机构、显示器、仪表）、IO接口配置、系统连接、系统接线、系统配电等，其中施工图、接线图（必要时）采用附件形式给出。然而可以不全包括，也可不仅限于此） 六、实施效果 （预期或仿真的实施效果，包括操作说明、人机界面、操作画面、报警画面、趋势曲线、性能分析等。然而可以不全包括，也可不仅限于此）七、创新与效益分析 7.1 创新7.2效益分析 专心-专注-专业