毕业设计中小水电站水闸监控系统的设计下位机

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1、中小水电站水闸监控系统的设计下位机部分摘要随着信息化技术在水利行业的大力推广，作为水利信息化的重要组成部分的水闸监控系统日益受到重视。如今在水闸监控系统的设计中，人们可以利用计算机网络技术、自动控制技术、通信技术和传感器技术，提高系统的自动化的水平，对水利的发展具有重要意义。本文首先对系统总体方案进行了研究与设计，分析了系统的功能，确定了以集散控制系统作为整个控制系统的结构，并对系统的软、硬件予以了介绍。随后，本系统选定了具有起重量大、负载刚性大、自动化程度高、安全可靠性好等特点的液压启闭机控制闸门升降。同时对液压启闭过程中同步策略进行了研究，给出了基于电磁换向阀控制回路的解决方案。同时，通过

2、研究电机软启动原理，设计了软启动控制电气原理图，并详细介绍了电机软启动的工作流程，实现了对电机的软启动控制、运行监视和保护。最后设计了PLC与闸门开度仪、液位变送器等传感器的连接，制定了闸门控制系统的具体流程，确定了PLC的型号，并绘制出了相应的梯形图程序。关键词：集散控制系统 液压启闭 软启动 可编程控制器 梯形图 The Design of Medium and SmallHydroelectric Power Stations Sluice Monitoring SystemPLC SectionABSTRACTAlong with the spread of information t

3、echnology in water resource industry, the sluice monitoring system, which is the important part of water resource industry, is concerned by more and more people.Nowadays, people can use some high technology means in the design of sluice monitoring system, such as computer network technology, automat

4、ic control technology, communications technology and sensor technology. These means can be used to improve the level of automation, and be profound for the development of water resource.Firstly, the paper studied and designed the overall programof the system, analyzed the function of the system, det

5、ermined the distributed control system as thestructure of the sluice monitoring system, and introduced the software and hardware of the system. Secondly, the system used hydraulic hoist which had characteristics of small volume, big lifting weight and rigid load, a high degree of automation, securit

6、y, reliability and so on to control gates movements. And the paper studied the synchronized strategy of hydraulic hoist, designed a solution which is based on the control circuit of electromagnetic directional valve. Moreover, the paper studied the principle of the soft-starter, designed the electri

7、cal schematics of the soft-starting, introduced the work progress of the soft-starting in detail, and achieved the control, surveillance and protection of the motor.Finally, we maked the PLC and the sensor, such as photoelectric encoder and pressure transmitter connection, established the process of

8、 the sluice monitoring system, determined the type of PLC, and designed the ladder diagram program.Key Words: DCS Hydraulic Hoist Soft-starting PLC Diagram Program目 录第一章 绪论 1 课题研究的目的与意义1 我国水电发展历程及其展望11.3 本论文研究的内容2第二章 水闸控制系统的总体设计方案32.1 水闸控制系统的研究背景32.2 系统设计的基本要求32.3 系统的设计原则32.4 系统功能分析4 中央控制单元功能分析4 现地控

9、制单元功能分析42.5 系统总体方案的确定5 系统组成结构的确定5 系统通信方式的确定5 系统硬件组成6 系统软件组成72.6 小结8第三章 闸门的液压启闭控制9 概述93.2 液压控制回路及液压元件简介103.3 液压系统工作原理113.4 闸门的液压启闭控制11 闸门的升降控制11 启闭机空载卸荷和过载保护11 自动防下滑功能123.5 液压启闭机同步方案与策略研究12 开、闭环控制系统的介绍12 同步控制策略的研究12 纠偏原理与控制流程研究133.6 小结15第四章 电机软启动控制164.1 软启动器简介16 软启动器的基本概念16 软启动器的基本原理.164.2 软启动与传统启动的比

10、较16 直接启动16 Y-启动164.3 软启动器起停控制模式研究17 电压斜坡启动模式17 电流限幅启动模式18 突跳+限流或突跳+电压启动模式18 电流斜坡启动模式19 软停车模式194.4 软启动器应用分析194.5 软启动器电气原理图的设计20电机软启动的电气控制原理21电机软启动的控制流程图224.6 小结22第五章 PLC的软、硬件设计235.1 PLC的基本结构235.2 PLC的硬件设计23 总体控制要求的分析23 PLC与液位变送器的连接24 PLC与闸门开度仪的连接24 PLC的选型265.3 PLC的软件设计26 输入量、输出量的介绍27 PLC控制系统的要求27 PLC

11、的梯形图设计295.4 小结40第六章 总结与展望41 总结41 展望41参考文献42致谢43第一章 绪论课题研究的目的与意义从总体上来讲，我国虽然可以称得上是一个地大物博、资源丰富的国家，但是由于我国的人口基数大，以至于我国的人均资源占有量非常有限，水资源更是如此。实际上，我国是一个水资源相对短缺的国家，不但饮用水不足，而且洪涝灾害频发。因此，如何提高水资源的利用率，如何有效预防洪涝灾害，是我国亟待解决的问题。本论文致力于闸门监控系统的研究，通过提高控制系统的精度，来提高水资源利用率以及防洪抗旱能力。闸门监控系统的建立，将大大提高信息采集的准确性及传输的时效性，能够对灾情的发展趋势做出及时、

12、准确的预测。一方面，闸门监控系统可以随着自动化水平地提高而迅速发展，并且其控制水平日益完善。现在闸门的启闭操作不仅可以通过控制柜实现闸门的手动控制，而且可以在距现场一定距离的控制中心进行远程控制，这样即远离了恶劣的现场环境，又提高了控制精度，可谓一举多得。另一方面，闸门监控系统的建立是水利工程历史性的一个转变。水利工程要从过去重点对水资源的开发、利用和治理，转变为更加注重对水资源的配置、节约和保护；要从过去重视水利工程建设，转变为注重非水利工程措施的建设；要从过去对水量、水质、水能的分别管理和对水的供、用、排、回收再利用过程的多家管理，转变为对水资源的统一配置、统一调度、统一管理。 总之，闸门

13、监控系统作为水利系统最基层的工程之一，在防洪抗灾中扮演了重要角色。除了满足水利部门的用水需求外，在防洪、保护工农业生产和人民生命财产安全以及环境保护等诸多方面都发挥了巨大的积极作用。我国水电发展历程及其展望新中国成立后，水电发展翻开了新的一页。解放初期，我国工业基础极其薄弱，一切从头开始，艰难起步。随着社会主义建设事业进一步推进，水电建设逐渐提上日程。“一五”期间，在甘肃永靖县境内的黄河上游，我国第一座百万千瓦级的水电站-刘家峡开工建设，同时，下游的盐锅峡和八盘峡两个梯级电站也开始兴建。1975年，刘家峡水电站建成，此后中国又陆续建设了一批百万千瓦级的水电站。截至1978年底，中国水电装机容量

14、已达1867万千瓦，年发电量496亿千瓦时，人均装机和发电量为千瓦、千瓦时。改革开放后，我国水电进入快速发展期，水电建设脚步明显加快。进入上世纪90年代后，中国水电开发又迎来了一个小高潮：五强溪、李家峡、天荒坪抽水蓄能电站开工建设并投产发电。世纪之交，更有万家寨、二滩、小浪底、天生桥一二级、大朝山等一大批水电站建成投产。到2000年，中国水电装机容量达7700万千瓦，超过加拿大，位居世界第二。这个时期我们开工建设了世界上最大的水电站-三峡水电站。三峡工程不仅是世界一流的水电工程，而且是中华民族伟大复兴的标志性工程。截至1999年底，中国水电装机容量已达7739万千瓦，年发电量2219亿千瓦时，

15、人均装机和发电量为千瓦、千瓦时。进入新世纪，特别是电力体制改革的推进，调动了全社会参与水电开发建设的积极性，我国水电进入加速发展时期。2004年，以公伯峡1号机组投产为标志，中国水电装机容量突破1亿千瓦，超过美国成为世界水电第一大国。溪洛渡、向家坝、小湾、拉西瓦等一大批巨型水电站相继开工建设，三峡水电站也将全面竣工。截至2010年，以小湾4号机组投产为标志，我国水电装机已突破2亿千瓦。目前，中国是世界水电装机第一大国，并且已逐步成为世界水电创新的中心。本论文研究的内容本文主要是利用计算机网络通讯技术、自动控制技术以及传感器技术对水闸监控系统进行设计与研究，制定了系统的总体框架结构，对系统进行了

16、软、硬件设计。总的来说，本文分别研究了上位机与下位机的通信方式、液压启闭的基本原理、液压泵软启动的控制以及如何用PLC实现闸门的启闭控制。具体来说，本文在第二章中主要介绍了系统总体框架，本控制系统采用集中控制+分散控制的控制方式，上位机采用集中控制方式，由一台PC机控制多台PLC的运行，并对闸门的状况进行实时监控。第三章主要介绍了液压系统的启闭原理，液压系统的各种基本回路以及同步纠偏的各种方案，确定了纠偏的具体流程。第四章主要介绍了油泵电机的软启动控制，包括了软启动的原理、与传统启动的比较、软启动的几种模式以及软启动电气原理图的绘制。第五章是全文的重点章节，主要介绍了如何用PLC实现系统软、硬

17、件的设计，并给出了具体的控制流程，编出了一套PLC梯形图来实现对系统的各种控制功能。第二章 水闸控制系统的总体设计方案水闸控制系统的研究背景目前水闸自动监控系统在全国水库上的应用还比较少，应用水平也参次不齐。各水闸所使用的控制装置也没有统一的规格，现在应用比较广泛的是单片机、可编程序控制器装置（PLC）。绝大多数水电站的现地控制单元所采用的硬件系统是PLC，其优点为有靠性高、组态灵活、编程简单实用。操作站和管理计算机一般使用PC机，有的采用工控机。此外，在闸门监控系统中还应用了一些先进的技术，如集散控制系统DCS、分布式技术、现场总线技术、以太网技术等，总之我国水闸监控系统在总体上还有很大的提

18、升空间。系统设计的基本要求（1）设置一个上位机工作站,可供操作人员远程监控、操作。（2）工作站具有清晰、完整的人机界面，组态软件功能齐全、设置合理、简单易懂。（3）各个闸门分别设置一个以PLC为核心的现地控制单元(LCU)。（4）闸门的位移测量采用绝对值光电编码器,直接输出数字量。系统的设计原则这是我们设计时要考虑的总体原则，它必需满足设计目标中的要求，遵循系统整体性、先进性和可扩充性原则，设计出合理的方案，下面我们分别逐个进行讨论：（1）先进性原则 采用当今国内、国际上最先进和成熟的计算机软硬件技术，使新建立的系统能够最大限度地适应今后技术发展变化和业务发展变化的需要，以防由于跟不上时代而被

19、历史所淘汰。（2）实用性原则 实用性就是能够最大限度地满足实际工作要求，是水闸监控系统在建设过程中所必须考虑的原则，它是自动化系统对用户最基本的承诺。所以，从实际应用的角度来看，这个性能更加重要。（3）可扩充、可维护性原则 根据软件工程的理论，系统维护在整个软件的生命周期中所占比重是最大的，因此，提高系统的可扩充性和可维护性是水闸监控系统的必备手段。（4）可靠性原则 一个中小型计算机系统每天处理数据量一般都较大，系统每个时刻都要采集大量的数据，并要进行处理。因此，任意时刻的系统故障都有可能给用户带来不可估量的损失，这就要求系统具有高度的可靠性。（5）安全保密原则 一个用户的数据是该用户的用户秘

20、密，尤其是政府部门的一些机密文件、绝密文件等，是绝对重要的数据。因此安全保密性对办公自动化系统显得尤其重要，系统的总体设计必须充分考虑到这一点。（6）经济性原则 在满足系统需求的前提下，应尽可能选用价格便宜的设备，以便节省投资，即选用性价比高的设备。总之，整个控制系统要以最低的成本来完成对计算机网络的建设。系统功能分析整个控制系统包括现地控制和中央控制两个单元，现地控制单元简单来讲就是设置在水闸附近的单元，主要接收上位机的指令并执行；中央控制单元负责进行远程控制及监控。现地与中央控制单元的具体结构及作用将会在下面章节中进行更加具体的介绍。中央控制单元功能分析在整个闸门控制系统中，中央控制单元的

21、控制系统是日常操作使用最为频繁的部分，同时也是整个控制系统的控制核心。其主要功能有如下几个：（1）采集现场设备运行的实时数据，如水位、闸门开度以及运行状态等。（2）动态图形显示闸门操作过程及实时参数。（3）根据上下游水位的变化，自动控制闸门开启高度，监视开启速度，限制闸门运动速度在安全范围内。（4）保留系统原手动操作功能，手动操作与自动操作相互屏蔽。（5）建立实时数据库及历史数据库。（6）具有查询以及报警功能。（7）具有良好的中文人机界面，易于操作。2现地控制单元功能分析现地控制单元(LCU)直接面向生产过程，负责对现场数据的采集和处理，能够独立或按主控机的命令完成对所有被控对象的监视和控制。

22、其主要功能有：（1）接收上位机运行指令，并向上位机发送现场采集的各类设备运行实时参数与状态信号。（2）根据上位机指令可对各台闸门自动控制。（3）闸门控制范围根据实际情况而定。（4）现地控制单元根据上位机指令进行单门操作。系统总体方案的确定系统组成结构的确定水闸监控系统按照拓扑结构可分为分布式监控系统和集中式监控系统，下面依次进行介绍。（1）分布式监控系统 现今，分布式控制系统在工业上的典型应用就是集散控制系统(DCS)，具体可以应用到现场总线技术、以太网技术、PLC技术等。集散控制系统是以微处理器为基础的集中分散型控制系统的简称。由于它在发展初期是以分散控制为主要特征的，因此国外一般称其为分散

23、控制系统(Distributed Control System)即DCS，在国内习惯上称之为集散控制系统。也有人称其为分布式控制系统。集散控制系统综合了计算机技术、通信技术、图形显示技术(CRT)和过程控制技术，采用了多层次分级的结构形式，以适应现代生产控制与管理的需要。它继承和发展了常规仪表控制系统和计算机集中控制系统的优点，同时也弥补了各自的不足。这种系统的组成是分层的，结构是模块化的，根据实际应用对象可灵活选择。集散控制系统的出现是工业过程控制发展史上的一个里程碑。从世界范围看，它已成为过程控制系统发展的主流。所以推广与应用集散控制系统，研究与开发更先进的集散控制系统，已成为整个工业控制

24、界的重要任务。（2）集中式监控系统 集中式水闸自动化监控系统应用比较早，在我国的小型水闸的自动化控制中应用比较广泛。这种控制系统往往用一台PLC来控制多个现场设备，连接方便且成本低廉。 通过以上的介绍可知分布式闸门监控系统是水闸自动化的发展方向，在大中型水闸上已有所应用，取得了很好的效果。由于采用了DCS结构，可靠性高，一个LCU出现故障不影响其他LCU的正常工作。但是因为所使用的PLC较多，布线较为复杂，造成工程成本偏高。集中式闸门监控系统由于采用了集中控制，可靠性相对较低，一个PLC出现故障就会导致整个系统的瘫痪，并且能控制的闸门数也是有限的。但是其成本低廉，结构简单，适用于一些经济相对落

25、后的地区。综上，由于本论文仅限于理论上的研究，不考虑成本上的问题，因此本控制系统的组成结构采用集散控制系统，以便于对下面一些问题的研究与讨论。系统通信方式的确定目前常用的几种通信方式分别为通过多点接口（MPI）协议的数据通信、现场总线通信、工业以太网通信、点对点连接通信以及通过AS-I的过程通信。工业现场总线PROFIBUS是用于车间级监控和现场层的通信系统，具有开放性。S7-300型PLC可以通过通信处理器或集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP的网络上。PROFIBUS的物理层是RS-485，最高传输速率为12MB/S，使用光纤作为通信介质，通信距离可达90

26、KM。工业以太网是用于工厂管理和单元层的通信系统，符合国际标准，用于对时间要求不太严格、需要传送大量数据的通信场合，可以通过网关来连接远程网络。如果PROFIBUS网络采用FMS协议，工业以太网采用TCP/IP或ISO协议，则可以实现不同公司设备之间的数据交换。 AS-I的全称为执行器/传感器接口，是位于自动控制系统最底层的网络，用来连接有AS-I接口的现场设备，只能传送少量的数据。综上所述，在本控制系统中总体结构采用DCS结构，其中上位机之间的通信方式采用工业以太网通信方式，现场PC与PLC采用PROFIBUS-DP总线相连，通信接口为RS-232。下位机与现场设备之间则采用PROFIBUS

27、-DP通信方式和AS-I通信方式，具体连接方式如图所示。因此在选择设备的过程中，要选择带有相应接口的设备，从而实现本套控制方案。图2.1 系统总体结构Fig.2.1 Integral structure of the system系统硬件组成1.现地控制单元（1）可编程控制器（PLC） PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来，它不断吸收微型计算机技术使之功能不断增强，从最初的逻辑控制、顺序控制，发展到成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC，逐渐适合复杂的控制任务。本控制系统将采用西门子公司生产的S7-300型PLC，其具体结构与功

28、能将会在第五章予以介绍，这里不再赘述。（2）人机操作界面 人机操作界面是通过触摸显示屏来实现的。可根据系统的控制要求并综合考虑人机界面的操作特点，编制各个操作界面。现场操作人员可根据屏幕上的中文提示，直接轻触屏幕上的按钮来控制闸门的启闭，同时又可在屏幕上观察到油泵电机工作电压、电流和液压系统压力，闸位和水位的实时数据，各种故障信息等，具有显示直观，操作简便等特点。（3）软启动器 软启动器主要用于电机的启停操作过程中改善电机启动特性，减少对用电系统的冲击，对启动过程及运转过程中的电机实施保护及参数监测。软启动器由三相反并联晶闸管组成，可控制三相异步电机的起动和停止。同时软启动器可以与PLC相连接

29、，通过执行PLC的相关程序实现软启动的自动控制。（4）液压启闭系统 液压启闭系统包括油泵电动机组、液压控制设备和辅助设备等。液压控制设备包括换向阀、流量控制阀、压力阀、单向阀等。辅助设备主要包括油箱、滤油器、传感器等。2.中央控制单元（1）主控级计算机兼操作员工作站 通常情况下配置一台主计算机兼操作员工作站，特殊情况可采用双机冗余配置热备用工作方式。正常情况一台工作，一台备用，主计算机故障，则由备用计算机接替，自动完成双机无扰动切换。（2）时钟系统 系统提供一套高精度的GPS时钟系统，时钟误差为二十四小时不超过0.2MS。时钟系统能与卫星的标准时间同步。时钟系统中卫星同步时钟能接收卫星时钟信息

30、，并使主控级和LCU时钟与卫星时钟同步。 （3）打印机 系统配置汉字激光打印机作各种信息及报表打印用，根据运行经验，推荐以召唤打印为主、定时打印为辅的方法。（4）不间断电源（UPS） 当电网突然掉电，而计算机不能停止工作或者需要一个充足的时间保护重要数据时，就要用到UPS。随着技术的进步，目前的UPS除了不间断供电之外，还具备过压、欠压保护功能，软件监控功能等等。其中在线式的UPS还具备与电网隔离、强抗干扰特性，是高可靠性控制系统的最佳选择。系统的软件组成1中央控制单元在本控制系统中，中央控制单元上位机（PC）的组态软件采用组态王系列软件，组态王软件经过七年开发，五年的各种突发环境的真实考验，

31、九千例工程的现场运行，现已成为国内组态软件的客户首选，并且作为首家国内组态软件应用于国防，航空航天等重大领域。2现地控制单元下位机由于使用了PLC作为硬件设备，因此就要选择与PLC相应的一款编程软件，本系统采用与西门子公司的S7-300型PLC相配套的step7编程软件。Step7是一款功能非常强大的软件，即可编程，也可仿真，且操作简单、易学，是工业控制领域中的重要组成部分。2.6 小结本章节主要从系统总体结构入手，首先介绍了整个系统所要实现的功能以及设计的一些原则，然后开始确定整个控制系统的总体结构以及通信方式，即上位机之间采用工业以太网来实现通信，上位机与下位机之间采用RS-232串口通信

32、，下位机与传感器及其它输入设备之间采用AS-I及PROFIBUS-DP通信方式。最后本章介绍了控制系统的软、硬件组成，提前对系统的软、硬件予以简单的介绍。第三章 闸门的液压启闭控制31概述在水电站的发电过程中，举足轻重的一步即是水流的势能转变为电能的过程。而在这个过程当中，闸门的启闭起到了决定性的作用。闸门的启闭控制是多年来的一个话题。由于闸门所处的环境恶劣，因此需要一种控制系统，既要满足一定的控制精度，也要克服恶劣的现场环境，液压控制系统同时具备上述控制要求，它是多数水电站的最佳选择。液压系统有它自己的特点，下面分别论述。（1）液压系统的优点：1、液压元件的功率-惯量比大。一般液压泵的重量是

33、同功率电动机的10%20%，尺寸约为电动机的12%13%，功率-重量比为同容量电机的10倍，因此液压元件可以组成结构紧凑、体积小、重量轻、加速性能好的伺服系统，对于像本闸门开闭控制系统，由于在野外工作，因此更应采用液压启闭控制。2、易获得较大的力和力矩，工作比较平稳，反应快，冲击小，可在负载下直接换向或启动，快速性能好，系统响应快。3、容易实现复杂的动作、集中操作或远距离控制，而且省力。操作简便、易于实现自动控制和遥控。4、易于实现过载保护。由于液压元件中的油液介质对每个部件进行润滑作用，使得零部件磨损减轻、使用寿命长。5、液压系统元件实现了系列化、标准化、通用化，所以容易设计、推广使用。整个

34、系统的设计也有很大的灵活性。（2）液压系统的不足之处：1、精密的液压控制元件如电液伺服阀抗污能力较差，对工作液的清洁度要求较高。2、液压元件出现密封不严时容易产生泄露，对环境造成污染。3、液压控制系统出现故障时不易追查原因，维修困难。因此，在进行液压控制系统的设计时，我们应该尽可能的去利用其优点，避开其缺点，最大限度的减少损失。1、过滤器 2、液压泵 3、单向阀 4、先导溢流阀 5、二位二通电磁阀 6、三位四通电磁阀 7、调速阀 8、三位三通电磁阀 9、液压锁 10、节流阀 11、液压缸图 液压启闭原理图Fig.3.1 Schematic diagram of the hydraulic ho

35、ist液压控制回路及液压元件简介（1）液压泵 用以提供整个液压系统的动力。（2）单向阀 单向导通，反向截止。（3）压力控制回路 如图，由二位二通电磁阀5.1和先导溢流阀4组成。通过用PLC程序控制1DT的得电来使系统建压，控制1DT失电使系统降压。（4）方向控制回路 由电磁换向阀组成。当换向阀不得电时，工作在中位。当换向阀左位或者右位得电时，换向阀则工作在左位或右位。（5）速度控制回路 由调速阀组成，通过控制油液流量的大小借以控制活塞的推进速度。（6）液压锁定回路 图中共有2组，即与为一组，与为一组。每组由2个单向阀组成，主要作用为使闸门能停在任意位置上。具体过程为，当油液经调速阀流向单向阀时

36、，其另一端流向，使反向导通，闸门上升；当液压泵停止工作时，与都被反向截止，闸门停止运动。（7）同步控制回路 由二位二通换向阀5.2和、节流阀和、三位三通换向阀8组成。根据液压缸行程检测偏差信号，实现闭环纠偏环节，以达到同步的目的。液压系统工作原理整个系统是通过电磁换向阀的得、失电来实现不同的控制要求，控制闸门的启闭、同步纠偏以及其他各种功能。控制单元即可编程逻辑控制器（PLC），通过读取PLC的梯形图程序，使得相应的电磁换向阀得、失电，实现对闸门的控制。闸门的液压启闭控制闸门的升降控制在闸门开启的过程中，液压泵首先要经过一个软启动的过程，软启动过程结束后，电磁换向阀的电磁铁1DT得电，通过先导

37、溢流阀4使系统的压力调至工作压力，即系统建压。然后电磁换向阀6的电磁铁2DT得电，油液通过调速阀、（、），流至液压锁（），同时使（）反向导通，最后油液流到液压缸的下腔（有杆腔），推动活塞向上运动，而液压缸上腔（无杆腔）的油液则经过（）流回油箱，活塞杆缩回，闸门开启。在闸门下降的过程中，电磁换向阀6的电磁铁3DT得电，油液经过液压锁（），直接流向液压缸的上腔，推动活塞向下，同时液压缸下腔的油液经过（）和调速阀流回油箱，活塞杆拉伸，闸门闭合。 启闭机空载卸荷和过载保护1空载卸荷在整个水闸控制系统的运行过程中，需要根据实际情况频繁的对闸门进行调整，这就需要频繁的对液压泵进行开关动作。但是，由于电机启

38、停的瞬间电压、电流都会很大，即使有软启动器，也无法完全避免电机瞬时过热，瞬间功率过大等缺陷，频繁的启动电机最终会导致电能的损耗以及缩短液压泵的寿命，这对于水电站的发展、建设是非常不利的。因此要避免频繁的启动电机，延长其使用寿命。所以液压系统在短时间停止工作时，一般让液压泵卸荷运转，就是让泵以很小的输出功率或以很低的压力运转，这样可以节省功率消耗，减少液压系统发热。2过载保护当闸门开度控制失灵时，或闸门到达极限位置液压泵仍在执行启、闭闸门动作时，会引起液压系统中的压力急剧上升从而破坏液压系统，甚至会酿成事故。因此要在液压泵的旁边并上一个降压回路，这样可以减小液压泵的压力，实现过载保护。3空载卸荷

39、与过载保护的具体过程本系统中的卸荷、过载保护回路如图所示，先导溢流阀4与二位二通电磁换向阀组成此回路，其中先导溢流阀的远程控制口K通过换向阀接回油箱。当1TD失电时，系统卸荷；当1TD得电时，液压系统在溢流阀的调定压力下正常工作，当闸门由于意外造成系统压力急剧上升时，溢流阀开始溢流，系统过载保护。自动防下滑功能闸门因自身重力的作用以及油液的泄露，会导致闸门产生不同程度上的下滑，使闸门开度与预先的设定值有所偏差，影响闸门启闭的精度。当PLC检测到下滑位移大于设定值时，首先发出下滑报警信号，同时启动PLC程序自动提升闸门，直到回到原来位置。 液压启闭机同步方案与策略研究在一泵多缸的系统中，尽管液压

40、缸的有效工作面积相等，但是由于运动中所受负载不均衡，摩擦阻力也不相等以及制造上的误差等，不能使液压缸同步动作。同步回路的作用就是为了克服这些影响，补偿他们在流量上所造成的变化。开、闭环控制系统的介绍使两个或两个以上的液压缸，在运动中保持相同位移或相同速度的回路称为同步回路。同步控制分为开环控制与闭环控制两种。由自动控制原理可知，开环系统的结构简单，但是输出与输入之间不存在反馈，开环系统的控制精度主要取决于液压系统中液压元件的精度，因此在要求系统精度较高的环境中不宜采用开环控制。闭环同步控制通过对输出量进行检测、反馈，从而构成反馈闭环控制，在很大程度上消除或抑制不良因素的影响，从而获得高精度的同

41、步驱动。综上，本系统采用的是闭环控制，即从液压缸的上腔引出一条回路至油箱。同步控制策略的研究 同步回路分为流量同步、容积同步、伺服同步。下面对这三种同步回路予以简单的介绍。1.容积同步回路容积同步回路又称为串联同步回路，如图所示，图中第一个液压缸回油腔排出的油液，被送入第二个液压缸的进油腔。即图中1缸的右腔排出的油液被送入到2缸的左腔中去。为了达到同步，缸1右腔的面积必须与缸2左腔的面积相等。这种回路的优点是结构简单。但是一般不用在水利工程中。因为水利工程中采用的液压启闭机往往都是大容量，活塞杆行程长，若采用此回路，对液压缸的面积要求精度高，也难以控制。 图3.2 容积同步回路 图3.3 流量

42、同步回路Fig.3.2 Synchronized circuit of volume Fig.3.3 Synchronized circuit of flow2流量控制式同步回路流量控制式同步回路大体上可分为调速阀控制同步回路、电液比例调速阀控制同步回路以及电磁换向阀控制同步回路。（1）调速阀控制的同步回路 如图所示为两个并联的液压缸分别用调速阀控制的同步回路。两个调速阀分别调节两缸活塞的运动速度，当两缸运动同步时，则流量也调整的相同；若两缸不同步，则改变调速阀的流量便能使双缸同步。此法同样结构简单，并且可以调速，但是由于受到油温变化以及调速阀性能差异等影响，同步精度较低，一般在5%7%左右。

43、（2）电液比例调速阀控制回路 此回路中使用了一个普通调速阀和一个比例调速阀，由4个单向阀组成的桥式回路包围着，它们分别控制两个液压缸的运动。当两缸不同步时，检测装置就会发出信号，调节比例调速阀的开度，使双缸同步。这种回路的同步精度高，位置精度可达MM，能够满足大多数工作部件所要求的同步精度。（3）电磁换向阀控制同步回路 本液压系统的同步控制方案采用此种同步回路，同步回路由图中二位二通电磁阀、，节流阀、，以及三位三通电磁阀8组成。当双缸运动出现不同步时，根据实际的运动情况，控制三位三通换向阀8的电磁铁4DT、5DT的得失电，从而改变液压缸中的油量，达到同步控制目的。此方法控制简单，耐油液污染能力

44、强，成本较低，并且可实施较高精度的连续调节，但其控制精度不如伺服同步控制。3.伺服同步回路液压伺服系统通常采用电液伺服阀，且多为闭环控制，以传递信息为主，传递动力为辅，追求控制特性的完善。伺服同步控制能形成精确的控制系统，其控制质量受工作条件变化的影响较小。但是精密的液压控制元件抗污能力差，对工作液的清洁度要求高。并且液压传动装置对油温和负载变化都比较敏感，不适宜在低温及高温下工作。纠偏原理与控制流程研究1.纠偏原理上文已经提出了双缸运行不同步的原因及其解决方案，实际上解决双缸运行不同步的过程便是纠偏的过程。本系统采用电磁换向阀控制同步回路，其与PLC的连接如图所示。两个液压缸分别接上闸门开度

45、仪，以检测闸门两端的开度。闸门开度仪再把检测出来的闸门开度送入到PLC中，经过比较后，通过用户编制的PLC梯形图程序，来控制三位三通电磁换向阀中电磁铁的得失电，从而实现了闸门左右的纠偏。闸门纠偏有左超纠偏与右超纠偏之分。左超表示在闸门启闭运行过程中，闸门左端开度高于闸门右端开度；右超表示在闸门启闭运行过程中，闸门右端开度高于闸门左端开度。当闸门左超时，电磁铁4DT得电（相对于图），右缸中活塞下降，推动闸门右端下降，最终使闸门左右开度相等；同理，当闸门右超时，电磁铁5DT得电，左缸中的活塞下降，推动闸门左端下降，最终使闸门左右开度相等。 图 闸门开度仪与PLC的连接Fig.3.4 Connect

46、ing of the photoelectric encoder and PLC2.纠偏控制流程图 根据上文对纠偏控制原理的叙述，可知首先要让闸门左右开度相比较，得到闸门开度的差值，如果比较结果为零，则直接跳出纠偏程序进入其它控制流程；当闸门左边开度大于右边开度时，PLC进行左超纠偏，让4DT得电；当闸门右边开度大于左边开度时，PLC进行右超纠偏，让5DT得电。纠偏以后再比较一次，如果左右开度仍不相等，则跳回重新纠偏；如果左右开度相等，则纠偏结束。纠偏控制流程图如图所示。图3.5 纠偏流程图The flow diagram web guiding system3.6 小结在本章节，首先对液压启

47、闭机的基本工作原理予以详细的介绍，并介绍了液压控制系统每个回路的作用，包括调压回路、调速回路、同步回路等。然后介绍了液压控制系统所具备的一些功能，解释了如何用PLC去实现这些功能。最后则详细研究了双缸同步运行的问题，设计了一个比较完善的纠偏方案，并给出了具体的控制流程。第四章 电机的软启动控制软启动器简介软启动器的基本概念软启动器是一种控制三相异步电机启动与停止过程的新设备，主要由串接于电源与异步电机之间的三相反并联晶闸管组成，通过对内部的单片机调整来改变触发脉冲的触发时间，继而改变晶闸管的导通角。软启动器属于电力电子控制电路，属于新兴领域，电力电子技术是弱电与强电相结合、直流电与交流电相结合

48、的学科，具有很大的发展前途，因此重视对软启动器的研究，对未来电气及自动化领域的发展有很大的帮助。软启动器的基本原理软启动器采用晶闸管三相交流调压电路，利用晶闸管进行调压，其输出电压值的大小由晶闸管导通角决定，导通角由单片机控制，通过调节晶闸管的导通角来改变加到定子绕组的三相电压。当异步电机软启动时，晶闸管的导通角从零开始上升，电机的端电压也从零开始上升直到满足起动转矩的要求，从而保证启动成功。又因为晶闸管的导通角与触发角有关，因此只需在电动机启动过程中控制晶闸管触发角的大小，就可以使异步电机的定子端电压和启动电流根据控制要求来进行变化。这样，异步电机的启动电压和启动电流即可调整和设置成理想状态

49、。软启动与传统启动的比较直接启动启动时通过一些直接启动设备，将全部电源电压直接加到异步电机的定子绕组上，使电动机在额定电压下启动。直接启动的线路是最简单的，但这种启动方法有很多不足，对于需要频繁启动的电动机，如液压启闭控制系统，过大的启动电流将造成异步电机的发热，会影响电机的寿命，使电机更加容易损坏。 Y-启动Y-启动是一种降压启动方法，启动时将异步电动机三相定子绕组接成星型，等启动完成以后，再接成三角形，如图所示。启动时，先接通开关，然后使接触器KM1 、KM3得电，将异步电动机接成Y 形启动。当电机转速达到预定值时，使KM3断电，并使KM2得电，则异步电机运行于三角形连接。Y-启动适于电机

50、的轻载启动，并且局限于正常运转时为三角形接法的异步电机。 图4.1 直接启动 Y-启动Fig.4.1 Direct starting Fig.4.2 Y- starting三相异步电机在启动时一般都要采用降压启动的手段。采用传统的降压启动装置一对一地对大功率电机进行启动，控制电路复杂，故障点多，且占用空间大，投资多；而采用软启动器实现电机的软启、软停，可以使控制电路简化，同时电机的软启、软停减小了对电机本身的损害，有助于延长电机的使用寿命，且可挂带多台电机，既节省空间又降低成本，是一种非常理想的启、停电机的方式。软启动器启停控制模式的研究电压斜坡启动模式电压斜坡启动方式是软启动器最基本的启动方

51、式，图所示为电压斜坡启动方式输出电压曲线。起始电压和启动时间是决定电动机启动过程的两个重要参数。它的电压按一个预先设定好的曲线变化，其斜坡由斜坡上升时间t决定；另外，当起始电压 U0低于一定值时，电磁转矩小于负载转矩，电机并不能运转，反而使电机发热。因此，电压斜坡启动方式电压不从0V 开始上升，而是有一个起始电压 U0，这个电压通常要根据负载特性设定成能使电机运转所需的最小电压。电流限幅启动模式电动机启动时，根据设定的启动电流将对应的电压施加于电动机，当电动机力矩足以克服负载阻力时，电动机获得力矩开始升速，至电动机接近额定转速时，输出电流下降至额定电流以下。随着时间的推移，整个启动过程完成，。

52、这种控制方式适用于电源容量小，必须限制启动电流的场合。 图4.3 电压斜坡启动方式 图4.4 电流限幅启动方式Voltageramp starting Current limit starting突跳+限流或突跳+电压启动模式在某些重载场合下，由于机械静摩擦力的影响而不能启动电机时，可选用此种启动模式。如图4.5、所示，在启动时，先对电动机施加一个较高的固定电压并持续有限的一段时间，以克服电动机负载的静摩擦力使电机转动，然后按限制电流或电压斜坡的方式启动。图 突跳+限流启动模式 图 突跳+电压启动模式 Jump+ current limit starting Jump+ voltageramp

53、 starting 电流斜坡启动模式如图所示，其中I1为限流值。电流斜坡启动模式具有较强的加速能力，适用于两极电动机，也可在一定范围内缩短启动时间。图 电流斜坡启动模式 Fig.4.7 current ramp starting软停车模式在这种停车模式下，电动机的供电由旁路接触器切换到软启动器的晶闸管输出，软启动器的输出电压由全压逐渐减小，使电动机转速平稳降低，以避免机械震荡，直到电动机停止运行。一般情况下，要根据电动机的负载情况(重载或轻载)、启动的频繁程度来选择软启动器，根据实际启动状况来选择、优化启动参数。选用软启动器除了要考虑技术、性能、价格外还要考虑设备现场的电网容量等具体条件。对于

54、像油泵电机等启动负载较轻的设备，可选择功能简单、价格较低、操作方便的软启动器。因此，软启动器的型号还要根据油泵电机的额定功率来选择。另外，由于软启动器还要与PLC相连接，因而在软启动器的选型过程中，要选择与PLC频率一致的软启动器。 控制电机的软启动时，首先按要求设置软启动器起动和停止方式，合理控制启动过程。其次在运行过程中，当油泵出现故障时，备用油泵能及时自动投入运行。而且控制系统可靠性要高，还要具有较强的容错能力。最后电机启动除正常使用软启动器外，必须保留可切换至直接启动方式的功能，以确保在软启动器或PLC不能工作时，油泵电机应急启动运行。软启动器的电气原理图由主回路图以及控制回路图这两个

55、回路图组成。分别如图4.8和图4.9所示，其中图4.8是电机软启动的主回路图，图4.9是电机软启动的控制回路图。图4.8 电机软启动主回路图Fig.4.8Main circuitof the soft-starter图4.9 电机软启动控制回路图Fig4.9 Control circuit of the soft-starter在图与图中，QS为隔离开关，主要功能是隔离高压电源，以保证其他设备和线路的安全检修。FU为熔断器，它是在电路电流超过规定值并经过一定时间后，使其熔体融化而分断电流并断开电路的一种保护电器。其功能主要是对电路及电气设备进行短路保护。QF为断路器，它不仅能通断正常负荷电流，

56、而且能接通和承受一定时间的短路电流，并能在保护装置作用下自动跳闸，切除短路故障。KM1、KM2为接触器，它是电气及PLC控制中最为典型、最为常见的器件。在电气回路中，通过控制接触器的通断来进行油泵电机启动、停止的控制。KH为热继电器。SB1、SB2为开关。当主回路中的软启动器或其他设备损坏需要检修的时候，一定要先断开断路器，再断开隔离开关，这是因为隔离开关没有专门的灭弧装置，因此它不允许带负荷操作。这样可以保证维修人员的人身安全。电机软启动的电气控制原理 1. 电机软启动的主回路如图4.8所示为电机软启动的主回路图，本电气控制系统中包括油泵电机、软启动器及相应的电气控制元件。图中QF1、KM1

57、分别在软启动器的左端，QF1对整个电气回路起到了过载、欠压、短路保护作用。KM1为油泵电机的软启动、软停止运行过程的主回路接触器，用来控制主电路是否会进入软启动阶段。KM2为非软启动接触器，即如果KM1在没有闭合的情况下，单独接通KM2，会直接启动油泵电机。在自动控制的情况下，当上位机发出控制命令时，通过执行PLC的程序，软启动器开始启动油泵电机，当软启动完成后，由接触器KM2完成从软启动到直接启动的切换过程。当油泵电机软启动时，首先接通隔离开关QS1、QS2，再接通断路器QF1、QF2，当发出控制信号以后，接触器KM1得电闭合，电机进入到软启动阶段。经过一定的时间后，电机的运转已经基本平稳，便可以切断KM1，同时接通KM2，软启动过程结束，电机进入正常运行阶段。当油泵电机软停止时，KM2首先断开，同时接通KM1，电机进入了软停止阶段，经过一定的时间以后，电机停止转动，软停止过程结束。2.电机软启动的控制回路电机的软启动分为手动控制与自动控制两个部分。手