基于PLC电站排水系统设计.docx
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基于PLC电站排水系统设计.docx
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基于PLC电站排水系统设计
摘要:
本设计是基于PLC控制的电站排水系统设计,排水系统在电厂这个特殊的环境下有着十分重要的作用。
其重点包括:
首先在于完成中型电站排水系统的主回路接线设计,确定电机的起动、联锁控制及保护方案(包括软启动器的选型设计);其次完成控制线路的设计,确定控制、保护设备、主电缆的型号和技术参数(包括PLC的选型设计);最后编制PLC控制程序。
通过本次设计,可以综合考察学生对整个专业知识的掌握水平和程度,同时使学生进一步加深对水电厂的电气设计相关知识的了解,掌握水电厂电气部分设计的初步流程,为今后的工作和发展打下了良好的基础。
关键词PLC控制电站排水系统软启动
DrainageSystemDesignbasedonthePLCCotrollProgram
(2008ElectricalEngineeringandAutomation)
Abstract:
ThisisoneDrainageSystemDesignbasedonthePLCCotrollProgram,whichissoimportantforthesepcialenvironmentofElectricPowerPlant.Thekeypurposeincludesasfollowing:
firstofall,toacomplishthedesignofthemainloopconnectionindrainagesystemofmediumpowerstation,andensurethestart,theinterlockscontrollandprotectionschemeoftheelectricalmachine(includingtheTypeDesignoftheSoftStarter);then,toacomplishthedesignofcontrollcircuit,andensurecontrollequipment,protectionequipment,themodel/typeofmastercableandtechnologyparameters(includingtheTypeDesignofPLC);fanally,toprepare/workoutthePLCControllProgram.Throughthisdesign,itcaninspect/investigatethestudents'masterylevelofprofessionalknowledge,depeentheunderstandingofrealatedelectricaldesignknowledgeofHydropowerPlantaswellasmasterthepreliminaryprocessofelectrical.Moerover,layingthegoodfoundationofthefutureworkanddevelopment.
KeyWordsPLCCotrollProgramHydropowerStationwaterdrainagesystemSoftStarter
前言
1控制对象描述......................................................1
1.1控制对象的工艺要求............................................1
1.2控制对象运行参数确定............................................2
2系统电源的设计................................................2
2.1主回路电源选择................................................2
2.2控制回路电源选择.................................................3
3主回路系统设计.................................................6
3.1主回路系统要求............................................6
3.2电机启动方式选择.............................................7
3.3电机保护..........................................8
3.4主回路电缆选择.................................................13
4软启动器....................................................18
4.1软启动器的选型..............................................19
4.2软启动器接线及工作原理..........................................24
5控制回路设计.................................................26
5.1水位信号采集和传输.......................................26
5.2PLC选型................................................28
5.3PLCI/O点数分配及接线图........................................30
5.4PLC控制流程............................................32
5.5梯形图程序说明..................................................33
6程序编写和通讯........................................................33
6.1STEP7的安装...................................................33
6.2程序编译............................................................34
6.3通讯................................................................34
结语...........................................................36
参考文献.........................................................37
致谢词..........................................................38
独撰声明.................................................................39
前言
电站排水系统分为渗漏排水系统和检修排水系统。
渗漏排水是将厂房的生活用水、技术用水、各种部件及伸缩缝与沉陷缝的渗漏水均需排走,凡能自流排往下游的均自流排往下游,不能自流排除的用水及渗漏水,则集中到集水井内,再以水泵排往下游。
检修排水是机组检修时常需放空蜗壳及尾水管中的水,并通过水泵排到下游。
本设计是对排水系统进行自动控制设计,根据水位信号,自动控制电机的起停,使系统智能化。
其基本要求包括:
1.排水泵能自动启停,保证集水井水位在规定范围内;
2.当集水井水位在规定的最低水位时,排水泵能自动停转;
3.当工作排水泵故障,或来水量增大,集水井水位升至备用排水泵启动水位时,备用泵、排水泵能自动投入;
4.排水泵之间能互为备用运转,当主备排水泵都投入运行且水位上升至偏高水位时,能发出警报信号。
最后,结合工程实际,设计一套结构简单、效率高、维护方便的集排水自动控制系统。
1控制对象描述
1.1控制对象的工艺要求
渗漏排水系统及检修排水系统的电气控制及运行方式完全一样。
排水系统各部件运行参数不得超过规范及整定值。
一个排水系统两台排水泵可独立设置为自动/切除/手动方式,正常时两台排水泵均在自动方式,其中一台工作,一台备用,两台排水泵根据运行时间及启动次数自动进行切换,当工作排水泵发生故障时,系统自动报警并启动备用排水泵,切除故障排水泵;手动方式主要用于设备的调试和检修,在手动方式下排水泵的启/停分别由操作面板控制按钮控制。
有两段控制电源,正常运行时两段电源均投入,一段工作电源,一段备用电源。
排水系统由于采用离心式排水泵,无润滑水,因此排水系统控制屏柜上的“开/停润滑水”按钮没有使用。
排水泵不得空载运行,集水井水位在停泵水位高程之下,禁止启动排水泵。
排水泵停泵后,不该有反转现象。
1.2控制对象运行参数确定
表1-1泵的参数
渗漏排水系统
检修排水系统
名称
自吸式无堵塞排污泵
自吸式无堵塞排污泵
型号
125ZW-120-20
150ZW-200-25
流量(m3/s)
120
200
转(r/min)
1450
1450
功率(kW)
15
30
扬程(m)
20
25
台数(台)
2
2
表1-2电机参数
型号
Y160L-4
Y2001-4
功率(kW)
15
30
转速(r/min)
1440
1470
电压(V)
380
380
台数(台)
2
2
表1-3排水系统设备整定值
渗漏排水系统
检修排水系统
停运主备用排水泵集水井水位(m)
1571.0
1571.0
启动主备用排水泵集水井水位(m)
1574.5
1573.0
启动备用排水排水泵集水井水位(m)
1575.0
1573.5
集水井水位过高报警水位(m)
1575.5
1575.0
根据集水井假设水位和尺寸,选择液位开关放置水位点,合理选择水泵排水容量,进而确定电机的各项电气参数,如额定功率、额定电流、额定转速等,通过这些参数确定主回路电气元件的选型。
2系统电源的设计
2.1主回路电源选择
根据对中型电站排水系统的调研,本设计的主接线电源直接接用电厂的厂用电380V。
因此主接线方案拟定采用以下接线方案。
方案
(一):
采用单回路供电。
优点:
单回路供电接线简单,经济。
缺点:
可靠性差,一旦线路发生故障需要停电检修时都会造成整个回路断电。
方案
(二):
采用双回路供电。
优点:
双回路接线可靠性较高,无论哪回线路发生故障都不会影响另一回路正常工作。
缺点:
相对于方案一此方案接线相对复杂。
对比以上两种方案,其均能满足主接线要求,但考虑到电厂的特殊环境中,可靠性是最基本的要求。
综合考虑选用方案二的双回路供电接线方式。
电源直接取用380V的厂用电。
两个电机的电源相互独立,这样可以使两个电机互为备用。
两个电机的电源都来自厂用电的主电源和备用电源。
主电源和备用电源间可以通过自动转换开关WOTPC-70进行切换,以保证供电的可靠性。
2.2控制回路电源选择
2.2.1.控制电源描述
此电源回路是为系统中提供24V的直流电源,以保证PLC、传感器、人机界面的电源供电。
为了保证供电的可靠性,采用双回路供电。
一回路为主用供电回路(L1回路),另一回路为备用(2L1回路)。
两回路的电源都取自厂用电的一相电压,经过整流装置变换成24VDC,通过电缆与控制回路用电设备进行连接,为其供电。
2.2.2.电源回路元件选择
(1)1DK和2DK为自动空气开关,自动空气开关又称自动空气断路器,是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器,它集控制和多种保护功能于一身。
除了能完成接触和分断电路外,尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护,同时也可以用于不频繁地启动电动机。
整个控制回路负载电流为:
10A。
所以1DK和2DK选用施耐德的小型自动空气开关,型号为:
C65N2PC15A,参数见下表2-1:
表2-1
型号
额定电压
额定电流
分断能力
C65N2PC15A
220VAC
15A
6kA
(2)1FU和2FU为熔断器,对交流侧电源进行短路保护和过载保护,额定工作电压为220VAC,其型号选择为:
西安开尔泰熔断器KSP1-30A,参数见下表2-2:
表2-2
型号
额定电压
额定电流
极限分断能力
KSP1-30A
220VAC
30A
210kA
(3)XK和ZM组成柜内照明回路,以保证检修元器件时能提供照明。
XK为行程开关,当柜门关闭时,XK就处于断开状态;当柜门打开时,XK就处于闭合状态。
根据设计XK型号选择为LX19-001,其参数见下表2-3:
表2-3
型号
额定电压
额定电流
触头对数常开
触头对数常闭
LX19-001
380VAC
5A
1
1
ZM为柜内照明灯,选择型号为:
T2240W,其参数见下表2-4:
表2-4
宏诺
型号
T22
灯头型号
E35
额定功率
40W
额定电压
220V
玻璃外经
38mm
寿命
10000h
(4)温湿度控制回路,为了保持柜体内的温度和湿度均能保持在电器元件工作最适合的范围内,因此由RD和KT组成了温湿度控制回路。
RD为加热器,型号为:
RDB-150,其参数见下表2-5:
表2-5
型号
额定电压
额定功率
绝缘电阻
RDB-150
220V
150W
〉50MΩ
KT为自动温湿度控制器,型号选择为:
SY-WSK-H(TH),其参数见下表2-6:
表2-6
型号
工作电压
工作频率
输出电流
凝露控制
SY-WSK-(TH)
220VAC
50Hz
5A
(88±5)%RH
(5)SITOP电源为可靠的直流24V电源,是与西门子PLCS7-200相对应的直流电源。
SITOP的优点突出,具有尺寸小、功耗低;平面化设计,降低设备厚度;可以用于最严酷的环境。
根据本次设计中控制回路所接的总负载,因此所选SITOP电源的型号为:
6EP1334-1AL12,其参数见下表2-7:
表2-7
型号额定输电压额定频率额定输入电流额定输出电压
6EP1334-1AL12
170~264VAC
50Hz
2.5A
24V
(6)1KM3为主电源监视继电器,2KM3为备用电源监视继电器。
主电源故障后依靠1KM3的一个常闭触点,转换为备用电源。
1KM3和2KM3均选型为:
欧姆龙继电器MY2NJ-24VDC,其参数见下表2-8:
表2-8
型号
额定电压
额定电流
触点形式
MY2NJ-24VDC
24VDC
5A
2C(DPDT)
(7)1XD是信号灯,表示控制回路电源是否工作。
选用红色,其工作电压为24VDC,所以1XD选择天逸AD17-22/DC24VR型号,其参数见下表2-9:
表2-9
型号
额定电压
功率
颜色
AD17-22/DC24VR
24VDC
0.4W
红
(8)根据控制回路所接负载电流为10A,所以控制回路导线选择型号为BVR软铜芯聚氯乙烯绝缘电线,截面积为2mm2。
电源设计图见附件。
3主回路系统设计
3.1主回路系统要求
(1)供电可靠性:
如何保证有可靠的符合质量的电能是主接线回路设计的首要任务,这是第一个基本要求。
(2)灵活性:
其含义是主接线能适应各种运行方式(包括正常、事故和检修运行方式)并能方便地通过操作实现运行方式的变换而且在基本一回路检修时,不影响其他回路继续运行,灵活性还应包括将来扩建的可能性。
(3)操作方便、安全:
主接线还应简明清晰、运行维护方便、使设备切换所需的操作步骤少,尽量避免用隔离开关操作电源。
(4)经济性:
即在满足可靠性、灵活性、操作方便安全这三个基本要求的前提下,应力求投资节省、占地面积小、电能损失少、运行维护费用低、电器数量少、选用轻型电器是节约投资的重要措施。
3.2电机启动方式选择
目前,对于电动机的启动方式从广义上来说主要分为两种:
直接启动、降压启动。
不同启动方式的选择直接影响电动机的工作环境与使用寿命。
以下我们将对这两种启动进行探讨以寻求适合本设计的启动方式。
直接启动就是硬启动了,硬启动(直接启动)的启动电流是电机额定电流的3~7倍。
直接启动(硬启动)时,这种超过了电机额定电流的情况,给电机本身的制作工艺、结构都带来了许多受到制约的问题。
电机的轴很粗,似乎不可理喻,根本用不着这么大的剪切力。
其实就是因为过去没有软启动,而硬启动突如其来的过载5-6倍的启动电流所带给电机的启动冲击转矩,会把电机轴扭断的。
这就是电机轴为何设计得很粗的原因之一。
对于小功率的电机,直接启动尽管电流很大,启动时的冲击转矩对电机而言很大,但对机械的强度抗冲击性还是可以承受的。
对于大功率的电机就有问题,启动时所造成的过载冲击,机、电的强度与容量设计都是很棘手的。
而且造成很大的附加成本。
所以,直接起动面临的问题主要是:
电动机直接全压启动时的大电流在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力,会破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂,引起电机故障;大电流还会产生大量的热,损伤绕组绝缘,减少电机寿命。
可采用增大配电容量或限制电机启动电流的方法来解决上述问题。
如果仅仅为启动电机而增大配电容量,这样并不经济。
因此,通常配备限制电机启动电流的启动设备。
常用的方法有:
1)定子串接电阻启动:
由于外串了电阻,在电阻上有较大的有功损耗,特别对中型、大型异步电动机更不经济,因此在降低了启动电流的同时、却付出了较大的代价(启动转矩降低得更多),一般只能用于空载和轻载。
2)Y一△启动:
Y一△启动方法虽然简单,只需一个Y一△转换开关。
但是Y一△启动的电动机定子绕组六个出线端都要引出来,对于高电压的电动机有一定的困难,一般只用于△接法380V电动机。
3)自耦变压器降压启动:
自耦变压器将压启动,比起定子串接电抗器启动,当限定的启动电流相同时,启动转矩损失的较少;比起Y一△起动,有几种抽头供选用比较灵活,并且启动电流较大时,可以拖动较大些的负载启动。
但是自耦变压器体积大,价格高,也不能拖动重负载启动。
4)延边三角形启动:
采用延边三角形启动鼠笼式异步电动机,除了简单的绕组接线切换装置之外,不需要其他专用启动设备。
但是,电动机的定子绕组不但为△接,有抽头,而且需要专门设计,制成后抽头又不能随意变动。
这些启动方式都属于有级减压启动,存在明显缺点,启动过程中出现二次冲击电流。
正因为如此,我们才用了软启动。
软启动顾名思义,就是不直接启动,而是慢慢的、一点一点的启动。
比如在电机的输入端一点一点地把电压从0升高到额定电压,频率由0渐渐的变化到额定频率,这样电机在启动过程中的启动电流,就由过去不可控的过载冲击电流变成为可控的、可根据需要调解大小的启动电流。
电机启动的全过程都不存在冲击转矩,而是平滑的启动运行。
这就是所谓的电动机的软启动。
结合本设计我们才用的是软启动器对电机进行启动。
3.3电机保护
3.3.1.短路计算
以检修排水系统为例,系统容量为100MVA,三相异步电机的额定功率为30kW,额定电压为380V,额定电流为
A.电机的启动采用软启动器来降压启动,其启动电流为额定电流的7倍,最大启动电流为:
Iqm=7×63.09A=441.63A。
根据《供电工程师技术手册》可得,380~660V和6~10kV电缆线路每相的单位长度电抗平均值分别为0.066
/km和0.08
/km,本设计中的厂用电变压器高压侧为10.5kV,低压侧为0.4kV,阻抗电压的百分比为4%,容量为500kVA。
发电机的额定功率为10MVA,额定功率因数为0.8,次暂态电抗Xd″为0.23。
假设在电动机端发生三相短路如下图3.1。
图3.1
标幺值法计算三相短路电流:
设
MVA
kV则:
=144.5(kA)
首先计算各元件参数的标幺值电抗计算:
发电机的次暂态电动势为:
电动机的次暂态电动势为:
则三相短路的等值网络图如下:
图3.2
因此,由电源侧供给的起始次暂态电流为:
由电动机供给的起始次暂态电流为:
求各元件电阻的标幺值:
由此可得,电源侧对K(3)点的等值电阻为:
电源非周期分量电流衰减时间常数为:
冲击系数为:
异步电动机容量在200kW以下,冲击系数
。
于是,短路点的冲击电流为
(kA)
短路点短路电流的最大有效值为:
(kA)
3.3.2.主回路交流接触器的选择
1KM、2KM的选择按连续工作制,其额定电流选择与电动机额定电流相同,7KM、8KM工作电流也和电机的额定电流相同。
即:
(A)
参考选型:
施耐德CJX2-D80接触器参数见下表3-1:
表3-1接触器参数
控制功率线圈功率(50Hz)
型号
额定绝缘电压(V)
约定发热电流(A)
额定
电流(A)
380V
(kW)
吸合
(VA)
保持
(VA)
功耗
(W)
CJX2-D80
660
125
80
45
200
20
6-10
3.3.3.开关的选择
1QF1、2QF1为电机的电源开关及保护开关,因此要能分断最大短路冲击电流,所以它的极限分断电流要大于等于该回路发生三相短路时的短路冲击电流,
即:
(A)
保护开关的额定电流要大于等于主回路的额定电流:
(A)
参考选型:
施耐德CompactNSD10035/3P塑壳断路器,参数见下表:
表3-2断路器参数
型号
额定绝缘电压
额定电流
极限分断电流
极数
NSD10035/3P
500V
100A
35kA
3
施耐德NSD100型塑壳断路器配标准热磁脱口器,提供过负荷保护和短路保护。
3.3.4.热继电器的选择
热继电器的选择,主要以电机的额定电流为主,同时考虑电机的型式、动作特性和工作制等因素。
所以本次设计中1KH、2KH的额定电流为主回路电机额定电流的0.9到1.1倍,即最大额定电流为:
(A)
参考选型:
施耐德热继电器LR9-D5380参数见下表3-3:
表3-3热继电器参数
型号
额定电压
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