技术供水系统设计.docx

1、 西华大学毕业设计说明书 目录 1 前言 . 1 1.1 课题研究的目的及意义 . 1 1.2 设计的内容 . 1 2 总体方案设计 . 3 2.1 技术供水系统简介 . 3 2.2 方案比较 . 4 2.3 方案论证与选择 . 5 3 系统设计 . 6 3.1 轴流式水轮机 . 6 3.1.1 ZZ560-LH 1130 水轮机 . 6 3.1.2 水轮机轴承 . 7 3.2 可编程逻辑控制器 PLC . 8 3.3 PLC 通信模块 . 10 3.4 温度检测模块 . 11 3.5 流量控制模块 . 16 3.5.1 模拟量输出模块 . 16 3.5.2 电动调节阀 . 19 3.6 压力

2、控制部分 . 20 3.6.1 压力传感器 . 20 3.6.2 模拟量输入模块 . 21 3.6.3 变频器 . 21 3.6.4 水泵的选择 . 22 3.7 液位传感器及电磁阀的选型 . 23 3.7.1 电磁阀 . 23 3.7.2 液位传感器 . 23 3.7.3 接触器 . 23 3.8 各 硬件模块的连接 . 23 4 软件设计 . 25 4.1 软件设计工具 . 25 4.2 主要软件设计流程框图 . 25 4.3 PID 控制及参数整定 . 26 4.4 上位机设计 . 31 5 结论 . 36 6 总结与体会 . 37 7 谢辞（致谢 ） . 38 8 参考文献 . 39第

3、 1 页 西华大学毕业设计说明书 1 前言 1.1 课题研究的目的及意义 水电站自动化是电力系统自动化的组成部分，目的是提高发供电的可靠性，保证电能质量及电力系统经济安全运行，同时也有效地改善运行人员的工作条件，最终提高水电企业的市场竞争力。 我国大中型水电厂自动化以计算机监控技术为平台 ,经过二十多年的发展已经日趋成熟 ,而我国农村中小水电厂的自动化正处于一个推广应用快速发展的阶段。中国农村水电或中小水电起源于 20 世纪 90 年代，指总装机在 5 万 kW 以下水电站及其配套电网。中小水电站的自动化技术的发展大致分三个阶段： 第一阶段为 20 世纪 70 年代以前，基本为传统的机电电磁技

4、术。 第二阶段大约为 90 年代期间，为计算机监控技术在中小水电站移植试点阶段，此阶段的状况是：模仿大中型水电厂的监控模式，将大中型水电厂的模式直接搬到中小水电站上来；将用于变电站中的综合自 动化模式略加修改搬到水电站上来；少数厂家结合中小水电站的特点，研制开发出适合于中小水电站的计算机监控模式，并致力于推广应用。第三阶段为 2001 年以来，在全国农村水电领域展开了全面推广现代化技术的工作，经过十多年的试点，中小水电站自动化水平已到一个关键的攻坚阶段。 但是 在设计、设备选型、设备管理、资金投入、人才水平等方面与大电网有较大的差距，因此迫切需要加强 各 方面的力量 。 而 本次的 技术 供水

5、系统是专门针对 水电站 的供水 系统而 做的， 致 力与提高水电站技术供水系统的 监视 和智能控制 技术。技术供水系统中，水轮机设备、上导轴承、推力轴承、水导轴承、发电机空气冷却器等等在运行过程中会因为各种的机械损耗，电磁损耗和机械摩擦等等导致设备发热，散热不及时则会对设备甚至发电机设备的瘫痪，所以在处理设备冷却上是十分重要的，而技术供水就是为了解决这个问题的。 1.2 设计的内容 本次设计的核心内容是通过三菱公司生产的功能最强、速度最快的 FX 系列的 FX2N 的微型 PLC 来控制整个系统的稳定运行。具体是这样的，首先对于技术供水系统的了解，技术供水系统的各用水设备对水的要求。总的原则是

6、，水量足够、水压合适、水质 良好、水温适宜。在通常情况下，也就是根据我过大中型水电站的情况，水量的分配比 例大致是空冷器为 70%，推力和导轴承的油冷却基本是 18%，水轮机的导轴承商瑞华用水是 5%，水冷式变压器为 6%，其他的用水大致是 1%。由于自己的能力不足所以在这一块的控制上就没有去考虑，本次设计所做的重点是，对于机组轴承冷器、发电机空气冷却器等设备的流量控制、压力控制和温度检测。温度在这个系统里面是不能控制的，而本次设计的重点就是，通过实时的对设备温度进行检测，设备温度超过正常的工作温第 2 页 西华大学毕业设计说明书 度，通过温度检测模块读入的信号值反馈到 PLC 中通 过 PI

7、D 调节器比较，然后给出一个调节值，这个调节值通过控制调节阀的开度控制管道中的水流量，从而通过增大管网中水的流量，加快设备的冷却，来达到设备降温的目的，保证水电站发电设备的正常运行和生产。 而对于技术供水系统中管网中压力是有一定的要求的，轴承冷却器和发电机空气冷却器，水压不能超过 0.3MPa，冷却其入口水压取决于冷却器和排水管的阻力，一般不能低于 0.040.075MPa，水冷空压机的水压不能低于 0.05MPa，水润滑导轴承的水压一般为 0.150.20MPa，水压低就没润滑效果。通过资料等的查阅，对与压力控制要求非常高，控制起来复杂，但从数据来看，用水设备的水压有一个共同的区间， 0.2

8、MPa 这个水压合适各个用水设备的要求，所以这次的设计决定对压力控制是保证供水水压在0.2MPa 左右。 第 3 页 西华大学毕业设计说明书 2 总体方案设计 2.1 技术 供水系统简介 技术供水系统 主要是为水轮机发电机组 和水轮机 的辅助设备的 提供 冷却水的 一个水路 管网系统 ， 另外 还有部分的用水是用于机组的润滑用， 有一些 水电站 的 技术用水 还会 给消防水 补充供水 以及生产 人员平时的生活 提供 水 。 本次设计 的技术供水主要 是 围绕发电机组水轮机 各 重要部件的冷却用水，以及提供给 消防水池 补给水。 在 这个系统中 水轮机 设备 冷却的 主要 的用水 设备 是发电机

9、空气冷却器，上导轴承油冷却器 ， 推力轴承的油冷却器以及水导轴承的油冷却器 ， 这几个 部件 是水 轮机整个设备中冷却水用量相当大的部分 ，这些 部分因为各种电磁损耗 和 机械 磨损 等等 产生 大量的热量， 如果 不 能够 及时的 的 对设备进行散热， 会造成机组温度升高 ， 就会 对电气 设备造成极大的损失，严重时会 破坏 整个电力 资源 的 生产。 本次 设计 的 技术 供水系统由 技术 供水的 水源、 水轮机 的冷却器用水设备和 温度 、压第 4 页 西华大学毕业设计说明书 力模拟量 测控 制 元件 等主要部分构成 成 ，技术供水系统的 主要 水源 从 上面 技术 供水图里面看到是 蜗

10、壳 的水源 ， 当这些水源不 足以 满足用水设备 需求 的时候， 系统 就会通过检测切换 到 蓄水池水源供水 ， 而蓄水池 里面的水源 通过 一个液位信号器检测反馈蓄水池的 水位水量 ， 保证蓄水池水量足够 。 在这个 技术 供水系统 里面还 增加了一个消防池 的功能 ，同样是通过一个液位信号器， 实时 的 检测 水池 的水位 ，水位 降低， 电气控制系统及时 的给出信号通过水泵向水池里面抽水， 这部分 的管道开断选择的是一个电磁阀，两个 状态开关。 在 主要的水轮机冷却器里面的用水系统中， 根据 各个设备 的 要求 温度、供水 压力、水 流量等等，在水管路上装设压力表，流量表 ， 以及相应的

11、传感器实现对这些参数进行监控， 冷却器 设备主要的 参数 就是温度，在设备上面装设温度传感器 通过特殊 的功能模块 对 温度监视，通过反馈的信号控制系统对 温度 值高于预设值的设备所在的水管网路通过控制电动调节阀，增加水路上的水流量，加快设备的冷却。 用水设备 对水 的要求 ， 基本 上满足 是 水量 足够 、水压 适宜 、水温 合适和 水质 较 好 就 可以了 。 2.2 方案 比较 2.2.1 方案 一 这个 方案一单片机为 核心 控制整个系统， 原理 框图 如 下图所示： 图 2.1 单片机 控制 系统 原理 框图 2.2.2 方案 二 在这个 方案中，用 到 的是 PLC 作为控制核心

12、，其原理框图 如 下所示： 第 5 页 西华大学毕业设计说明书 图 2.2 PLC 控制 系统 原理框图 2.3 方案论证 与选择 在以上所 介绍的两种方案中，第一中方案选择的是以 51 或者 52 单片机 作为技术供水 系统电气控制的核心控制器 ， 通过 A/D 模块 接受来自压力传感器 和 温度传感器的信号然后通过单片机的控制程序，调节控制 技术 供水 系统 的流量 、 压力 等 ，这种方案单片机控制颇为麻烦，而且效率 不高 ，处理器要求 高 ， I/O 控制 点数太少， 另外 单片 机 的稳定性不好 ， 外围电路繁琐，一不小心就 容易 出现故障，单片的 内部 可扩展的功能模块 相对 不多

13、，性价 比相对来说比较低 。 方案 二 中，选择 以 PLC 作为技术供水 系统 电气 控制 的 核心控制器 ， PLC 的 整体 结构比起 单片机 更加 的模块化， 封装 良好， 没有 很多的外围电路，对于三菱公司的 PLC 还有很多 结构化的特殊功能模块， 对于 模块扩展非常容易 。 PLC 相对 单片机有很大的储存能力， 分 用户储存器和系统储存器， 系统 储存器，用于放置 生产厂商预置的程序， 是 PLC 的 基础 功能， 而 用户 储存器包含 了程序储存器和数据储存器 ，这些储存器的容量 小的 有 1K，大的则可以达到几兆，当然 这是 根据 厂家技术 和 需要来生产的， PLC 拥有

14、很多的 I/O 口完全能够满足本次的设计需求， 在 编程语言方 也是 比较简单易懂 的，加上其 丰富 的 控制 指令 ， 与方案一相比 的 方案二，通过 PLC 作为 核心控制器控制整个系统， 方案 二 更具有 优势 ， 控制也更加的稳定 、 可靠 、方便， 所以本次技术供水系统电气控制选择方案二作为 本次 的最终 设计 方案。 第 6 页 西华大学毕业设计说明书 3 系统 设计 本次设计的 技术供水系统电气控制是 PLC 控制电机水泵 、 阀门 达到 控制 冷却水 流量 、温度 ， 在 本 系统中 采用 特殊 功能模块 ，温度模拟 量输入模块 FX2N-4AD-PT 对 温度进行采集反馈给

15、读入 PLC， 压力变送器 通过调节器 A/D 模块读入 PLC,通过 PLC 某种 控制方式 程序计算比较与设定值的关系，输出信号通过模拟量输出模块输出模拟点信号控制 阀门、 电机 的 动作从而控制整个技术供水系统的 稳定 运行，保证 发电站 电气设备正常 生产 。本次 设计的技术供水对象主要是水轮机中的各个冷却器， 所以 对 水轮机 需要一个基本的认识 ， 对其基本的机构 有 基础的了解。 下面 会稍微介绍 本次 技术供水系统 原型 的水轮机的一个大概。 3.1 轴流 式 水轮机 3.1.1 ZZ560-LH 1130 水轮机 如 下图所示 ， ZZ560-LH 1130轴流式 水轮机结构

16、 ， 立轴、混凝土蜗壳，转轮直径 1130cm。水轮机 基本 参数 ： 最大水头 27m,最小 水头 10.6m，额定 转速 54.6r/min， 飞逸 转速120r/min， 额定输出功率 175.3MW， 额定 流量 1130m， 安装高程 36.6m。 图 3.1 ZZ560-LH-1130 型 水轮机 第 7 页 西华大学毕业设计说明书 蜗壳 为混凝土蜗壳，蜗壳包角 180 度。 导水 机构 的型式为径向式 ， 活动 导叶 32 个，导叶不知 圆 直径 1.31m，导叶高度 4.54m。 导叶 密封 采用橡胶密封， 防止 沙进入轴 颈 ，导叶中下轴都采用了橡胶密封。导水 机构 的传动机

17、构为叉头式，保护装置为剪断销导水机构接力器 2 只 900mm 的 环形接力装置，活塞与控制环直接连 在 一起。主轴 型 式为双法兰空心结构 ， 轴 的 中心 有 操作 用 的油管 ， 与轴领分段加工后接成整体。水 导 轴承瓦式导轴承，在油槽的下面部分装设有油冷却器。 在轴承下 面 装置 可调的水压密封，为防止移动时顺坏，在密封盖设置减压排水阀，这样设置自动补偿密封块的磨损量，还能够 保值密封面的 压力 恒定 ， 另外还可以阻挡泥沙进入密封面 。 3.1.2 水轮机 轴承 导轴承是 为了 保持 主轴中心 位置平衡，承受径向力而 存在 的轴承 。 水轮机 导轴承 的主要作用承受机组运行中主轴传来

18、的 振 摆力和径向力限制主轴轴线的位置 ， 在 布置 上靠 近转轮，保证主轴稳定性、可靠性。 根据 润滑介质不一样，有 水 润滑和油润滑 导 轴承 ，下面 分别 介绍 。 水 润滑导轴承主要固定在顶盖上的铸铁轴承体 和 固定在轴承体顶部的水箱 组成 。轴体 内壁 装设 橡胶轴瓦， 和 主轴形成的间隙 经过 螺钉调 节， 轴瓦上有沟槽，方向与轴的转动方向适应，清洁水经沟槽进入瓦面，形成 润滑 水膜，从而起到润滑和冷却轴瓦的功能。水 润滑 导轴承轴瓦材料都用的是橡胶，结构 简单 安装方便 而且 成本不高。结构 如下图 所示： 图 3.2 水 润滑导轴承结构 油润滑 导轴承的结构型式有分块轴瓦式、圆

19、筒瓦式导轴承。 主要 由轴承体 、 轴瓦 和调整螺钉 构成 轴承体安装在顶盖，轴瓦浸入油中，水轮机运行时冷油浸入轴瓦面形成油膜。对 轴瓦 润滑 和 冷却 ， 此时 油 的温度上升从轴承体顶 流出 ，然后经它们之间的通道回到轴领，形成一个自循环的 系统 ，轴承体内设冷却器对回流的油进行降温， 在 内部还装第 8 页 西华大学毕业设计说明书 设有温度信号器，过高及报警，这个型的 导 轴承 受力 均匀，轴瓦块有自动调节力 ， 安装 、检修间隙 调节方便 ， 但成本较高。 圆筒 瓦式导轴承的结构常见 三 种， 带转动 油盆的圆筒式 导轴承 、导轴领的圆筒式导轴承和带毕托管的圆筒式导轴承 ， 主要结构和

20、工作原理相似。 这种 轴承 的 特点是 在 主轴旋转 时 ，转动油盆 的 油受旋转离心力的作用从油嘴进入轴瓦下部的环状油槽，然后沿轴瓦面斜油沟导全部瓦面 ， 热油 排进油 箱 ， 经过冷却器从回油管道流回油盆，形成循环。 工作 可靠 ， 使用寿命长成本低，被广泛接受 使用 。 如下图 所示， 导水机构 的工作原理图： 图 3.3 导水 机构 工作 原理图 图示 两个接力器的工作情况，导叶此时处于中间开度 ， 档接力器腔体收到调速系统过来的 压力 油 后 ， 便能控制接力器的推拉杆运动从而改变导叶的开度达到调节水轮机流量的 效果 。 3.2 可编程 逻辑控制器 PLC 可编程逻辑 控制器，也就是

21、 PLC，它是以微处理器为基础 出现 的通用工业控制系统装置，其应用范围 广大 ，是当代工业自动化控制系统的核心支柱之一 ，在民用 和家庭自动化 方面 也有了 飞速 的发展。 PLC 的 出现，带来了新的控制理念 、 全新的控制系统结构和 继电 -接触器控制系统 没有 办法可以相比较的 各种 强大的 功能。基于 在 大学期间自己学习的 基础是三菱 公司 PLC，而且 对于本次设计 技术供水 控制系统 相对 不大， 三菱 公司生产 PLC 是 能够 完全 可以满足本次设计的需求， 在 本次的设计中 选用的 是 三菱公司 生产的 FX 系列中 功能强大 、 速度 极 高的 FX2N 微型 PLC

22、作为 本次设计的核心控制器。 FX2N第 9 页 西华大学毕业设计说明书 外形 结构图 如 下图所示： 图 3.4FX2N 外形结构图 FX 系列各子系列 FX1S、 FX1N、 FX2N 和 FX2NC 的 PLC 的 外观、 高度、深度没 有 太大的差别，高度 90mm， 深度 75mm(FX1S和 FX1N 系列 )、 87mm（ FX2N 和 FX2NC 系列），内置 DC 24V 电源可以 作为输入回路的电源与传感器电源使用，很合适在机电一体化的产品中使用 。 表 3.1 FX 各 子系列的性能比较 型号 I/O 点 数 用户 程序步数 应用 指令 通信功 能 基本 指令执行时 间

23、FX1S 1030 2K 步 EEPROM 85 条 较强 0.550.7s FX1N 14128 8K 步 EEPROM 89 条 强 0.550.7s FX2N 和FX2NC 16256 内置 8K 步 RAM， 最大16K 步 128 条 最强 0.08s FX1S的 功能简单实用，价格低适用于小的开关量控制系统 ； FX1N 最多能 够配置128 个 I/O 点 ，适用于要求 高 的中小系统； FX2N 的 功能 是 最强的 ，能用于 要求极高的 控制 系统中 ， 有很强的通信功能 ， 内置 8K 步 RAM， 支持扩展，最大可以达到 16K 步 ，I/O 口可以扩展到 256 个， 机内有实时钟， PID 指令用于模拟量闭环控制。 FX 系列体积小，功能强大，内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波事件调整、恒定扫描时间的功能，有 高速 计数器的专用比较指令 。 FX1N 和 FX2N 系列 的扩展 模块 比较如下表所示： 表 3.2 FX1N 和 FX2N 系列的扩展模块 输入 模块 继电器 输出模块 晶体管 输出模块 输入 点数 输出 点数 FX0N-8ER - 4 4