打开文本图片集

摘要：阀门是水利行业的重要设备，对于扬水泵站来说它的工作可靠性决定着泵站是否正常运行。本文针对泵站进水阀控制系统频繁出现故障的现象，浅谈了如何将集成电路控制改造为PLC控制，以适应高温高湿的泵站环境，同时拓展了阀门的控制方式，为水利系统解决此类问题提供帮助。

关键词：泵站；进水阀；PLC

一、现场调研

到每个泵站实地了解故障现象，查阅进水阀说明书、图纸等资料。记录电动机功率、电压。确定控制箱的安装位置、尺寸，研究与原有主回路的对接方式。查看原有的通讯方式为RS485通讯，通过屏蔽双绞线接入PMC-1380通讯管理机，再用以太网连接到后台自动化监控系统，进行远程监控。

二、电机额定电流计算

根据额定电流计算公式IN=计算额定电流。电机工作电压为380V，额定功率为1.5kW，效率为0.78，功率因数=0.85，代入上式计算电机额定工作电流：IN=≈3.44（A）。

三、元器件选型

1.主回路微型断路器的选型

断路器又叫空气开关，带有灭弧装置，主要用作电气回路短路保护，送电后一般不经常操作，用于接通和断开负载电源。既能分合正常工作电流，也能切断短路等其他故障电流。用在一次回路中，作为主保护，也可作为下一级的后备保护，当线路发生单相、两相短路或电机出现匝间、相间短路时，电路被立刻断开，防止造成人身伤害和保护设备安全。根据计算出的电机额定电流为3.44 A，按照低压配电设计规范的规定，被保护线路电压应小于等于断路器的额定工作电压，应选交流400V，额定电流为（1.5～2）倍的负荷电流，这样选择可以保证断路器能承受正常工作电流，故障时保障动作的灵敏性。按照2倍的系数计算，断路器的额定电流Ir=2×3.44A=6.88A，应选10A的断路器。由于电动机的启动电流是5～7倍的额定电流，为了躲过启动电流脱扣器应选D型，该型带有过流延时脱扣，用在有冲击性的瞬时大电流或感性负载，极数选3极。选型为DZ15-40/3 D10。

2.交流接触器的选型

接触器带有简易的灭弧装置，在本电路中用于自动控制主电路的通断，主要考虑线圈电压。根据电机额定电流，按照1.3～2倍的系数，取2倍计算接触器的额定电流In≧3.44×2=6.88A，额定电压选AC380V，线圈电压应选AC220V，辅助触点选两常开、两常闭，选型为CJX1-9/22。

3.电动机保护器的选型

与热继电器相比它的保护功能更加完善，有的还带有通讯功能，经常与电动机配套使用。主要用于过负荷保护，同时具有启动超时、过电流、匝间相间短路、欠电压、过电压、逆相序、缺相、电流不平衡等保护功能。按规范应以1.1～1.25倍保护设备额定电流选型。取系数1.25计算，电动机保护器的额定电流In≧3.44A×1.25=4.3A，选型为PMC-550J-MTA-5A。

4.开关电源的选型

开关电源是把AC220V强电转换为DC24V弱电，给接近开关和PLC供电。PLC每个继电器和信号指示灯的电流小于0.2A，共有12组，总功率P总=0.2A×24V×12=57.6W，一般选用的开关电源工作在50%～80%的负荷功率范围内，考虑可靠性选择50%，开关电源的功率应选120W，型号HYK-120。

5.PLC的选型

PLC全称为可编程序控制器，是进水阀控制箱的核心控制元件，根据输出接口类型分为晶体管式和继电器式，按I/O点数分为大、中、小三种类型，按结构形式分为整体式、组合式。PLC的价格便宜，不占空间，外界干扰影响小，运行稳定可靠，在各种复杂工况都能使用。按进水阀设计需要的I/O点数在40点以下，输出的继电器驱动能力为AC250V 2A，选择西门子S7-200 SMART，可以完全满足负载对输出继电器触电容量的要求，而且还带有485和以太网两种通讯功能。

6.中间继电器的选型

中间继电器用来扩展继电器触点数量，中间转换，信号分路等，选型时主要考虑线圈电压、常开常闭触点数量以及触点容量，要根据具体需要选择，本次选型为HHC系列。

7.信号指示灯的选型

本次进水阀控制箱设计需要3个信号指示灯，故障指示灯1个，开阀指示灯1个，关阀指示灯1个。所选型的PLC输出接口为继电器式，查阅选型手册继电器容量满足要求，可以不用中间继电器转换，直接接接触器和信号灯，选型为ND16-22B/2 AC/DC220V。

8.接近开关的选型

接近开关的功能是限位，只是接近开关与运动部位无机械接触就能接通或断开触点，动作灵敏可靠，准确性高，使用寿命长，能抗各种外界干扰等特点。接近开关由外壳、高频振荡器、放大电路、感应区组成，常见的接近开关有电感式LJ、电容式CJ、磁感应式HJ、光电式OJ系列。选型时，一要考虑特性，磁感应式用来检测金属，电感式和电容式适用来测非金属；二要选择外观，一般选择圆柱螺纹型，便于安装调试；三选择检测距离，距离与检测对象的材质、形状、尺寸、运动的速度有关；四选择输出容量，接近开关的输出容量要大于负载；五选择触点类型，接近开关的触点有常闭和常开两种，要根据工艺的要求选用；六选择额定电压，直流接近开关有DC12V和DC24V，交流接近开关有AC36V和AC220V；七选择接线，有PNP型和NPN型接近开关，分为二线式和三线式，正极开关叫PNP型，是指信号从接近开关流向负载，负极开关叫NPN型，是指信号从负载流向接近开关。对于直流电路中使用的三线式NPN型接近开关，负载负极接黑色线，接近开关正极接棕色线，负极接蓝色线，选型为HJM-F4-24-N-A。

四、一次主回路设计

根据开关阀的需要，电机要能正转和反转，因此按正反转电路设计。元器件选用一个微型断路器QF作为主保护，一个电动机保护器FR，两个交流接触器一个用于控制开阀，一个用于控制关阀，两个接触器输出端子相序接反，控制电机的转向，操作阀们的开关。

五、二次原理图设计

二次原理图主要是以PLC进行控制开关阀。转换开关SA转到就地，按下SB1开阀按钮，就给PLC输入D0开关量信号，PLC会输出Q0模拟量信号使KM1吸合开阀。按下SB3关阀按钮，就给PLC输入D2开关量信号，PLC会输出Q1模拟量信号使KM2吸合关阀。开阀和关阀不仅设置了程序互锁还有电气互锁，在各自控制回路分别串接对方接触器常闭辅助触点。按下停止按钮SB2，PLC程序立即断开控制回路，不管有无开关阀的命令，阀门都将停止。当开阀到位后JJK1发出模拟量信号，KA4得电，给PLC输入D5开关量信号，程序断开开阀控制电路，PLC输出Q2模拟量信号，点亮开阀到位指示灯H1。当关阀到位后JJK2发出模拟量信号，KA5得电，给PLC输入D6开关量信号，程序断开关阀控制电路，PLC输出Q3，点亮关阀到位指示灯H2。当开关阀接近开关失灵，开关到位后继续向开关阀的方向转动，这时开关阀过力矩行程开关动作，给PLC输入D7或D8开关量信号，程序断开开关阀控制电路，防止开关阀超限损毁电机及传动机构，同时PLC输出Q6、Q7模拟量信号，中间继电器KA1、KA2得电，向中控室上位机发出开关阀过力矩信号，提醒运行人员立即处理。当电机过负荷、接地、短路等故障时，电动机保护器FR发出开关量信号D9给PLC，PLC程序将断开开阀和关阀控制电路，在排除故障前不允许任何操作。不论是电动机保护器发出故障信号还是开关阀过力矩动作，PLC输出Q4模拟量信号，点亮故障指示灯H3。二次原理图如图1。

六、通讯网络设计

进水阀与上位机监控系统通讯采用24口10/100Mbps以太网。选择以太网通讯的理由是它具有五大优势，第一，良好的兼容性，以太网是开放式网络，能够和不同厂商不同的设备互联互通，容易实现扬水泵站自动化网络；第二，标准化的通讯协议；第三，使用成本低；第四，通讯速率高，能到100M、1000M甚至10G。进水阀通过PLC输入模块采集阀门各种等信号，用以太网通讯接口连接到交换机，交换机与上位机监控电脑也是以太网连接，实现数据的交换和远程监控。监控电脑下发指令到交换机，远程操作开关阀。

七、控制箱元器件组装及配线

1、对控制箱内的电气元件按照从上到下、从左到右、横平竖直、先一次后二次的原则排列安装，满足原理和使用要求的前提下兼顾美观，对照原理图进行配线。2、根据规范标准用线号机打印线号管，保证清晰不易褪色，相序、线号、二次接线端子号准确无误。3、在接线时，要做到导线与电气元件或接线端子连接紧密牢固，排列整齐，每个接线端子不能同时接两根导线。4、接地线选用黄绿相间，截面积不小于2.5平方毫米的软铜导线，零线选用蓝色铜导线，走向合理，接地可靠。

八、PLC编程、程序导入及测试

考虑梯形图直观易懂，适合于数字量逻辑控制，因此，选择编程语言时优先考虑使用梯形图，如图2。

输入3是远方信号，当转换开关SA转到远方，输出M0.0；输入4是就地信号，当转换开关SA转到就地，输出M0.1；输入0是开阀信号，按下SB1开阀按钮时接通回路；输入1是停止信号，程序中是常闭，有输入时断开电路阀门停止；输入5是开阀到位信号，开阀到位后断开，输入7是开阀过力矩，开阀超限后开阀行程开关动作断开；输入9是电机过载信号，电动机过载、缺相等故障时断开；输入T37是开阀超时计时器，开阀超过130000ms动作；输出1的常闭节点是关阀状态，在关阀过程中断开；输出0的线圈是开阀继电器；输入M1.0是远方开阀，上位机发出开阀指令后闭合；输入M1.1是远方停止，上位机发出停止指令后断开，停止开阀。将编制好的梯形图检查无误后保存，连接PLC建立通讯并将程序下载到CPU。将CPU置于运行模式，进行就地、远方转换，开阀、关阀、停止操作，分别调整开阀到位、关阀到位时接近开关的位置和检测距离，进行过载测试，开关阀过力矩行程开关可靠性测试。

九、安装调试

安装完成后调试，先检查一二次回路接线正确无误后送电。先送控制电源，测量AC220V、DC24V电源是否正常，再送一次电源，依次操作检查PLC、接触器、中间继电器等工作状态。先就地开阀、关阀、停止操作，调整接近开关的位置，保证开关阀到位后接近开关能够灵敏可靠动作。阀门能按照设计图纸开启、关闭和停止，过力矩行程开关动作可靠，各种反馈信号准确。再检查通讯网线，在用后台监控电脑设置通讯参数，PLC的IP地址、波特率、通讯协议，建立通讯网络，通讯正常后可以进行远程操作，后台机监控运行状况，检查一切都正常后即完成调试工作。

结束语：本文针对进水阀控制系统改造技术进行了浅谈，从设计选型、安装调试，论述了如何采用PLC操控进水阀，提出了具体的改造方案、技术措施。该方法在行业内具有指导意义，改造后取得了很好的效果，开关阀操作灵敏可靠、坚固耐用，目前已经列为全管理处进水阀控制系统维修改造的优选方案。

参考文献

[1]李大平.基于PLC的电厂凝结水精处理过程控制系统的研制[D].哈尔滨工业大学，2016.1-68.

[2]张巍.基于PLC的液位控制系统设计与实现[D].电子科技大学，2017.1-73.

[3]《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》GB50171-2002.