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基于PLC的泵站监控系统设计与应用研究
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更新于2024-06-23
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本篇毕业论文探讨的是基于PLC的典型监控系统在泵站监控中的应用,针对中国矿业大学电气工程与自动化专业的本科生进行设计。研究主题聚焦于工业设计领域,旨在让学生深入理解监控系统的结构、功能以及PLC技术在其中的关键作用。 首先,论文要求学生掌握典型监控系统的整体架构,包括其各个组成部分的功能,如传感器、控制器、执行器和通信模块等。这些组件协同工作,实时监测泵站运行状态,确保其高效、安全运行。通过了解监控系统的原理,学生将能够理解PLC(可编程逻辑控制器)如何作为核心控制器,执行指令、处理数据和协调设备操作。 其次,论文强调了PLC的应用和底层硬件设计的学习。学生需熟悉PLC的基本工作原理,包括梯形图编程、定时器/计数器、输入/输出接口等,同时掌握如何选择合适的硬件设备,如I/O模块、电源模块、网络模块等,以构建出稳定且适应泵站环境的监控系统。 设计过程中,学生需要编写PLC控制程序,这涉及到系统逻辑设计和故障诊断策略的实施。通过实践,他们可以锻炼编程和调试能力,以及解决实际问题的技能。 论文评价体系全面,包括指导教师和评阅教师对学生的理论基础、技能掌握、解决问题能力、研究方法、创新点、工作态度和工作量的评估。此外,答辩环节是对整个设计项目的重要检验,评委会就选题意义、理论运用、解决问题的综合能力等方面给出反馈,并对论文的规范性、存在问题以及是否同意答辩给出结论。 总结来说,这篇毕业论文不仅关注理论教学,更注重实践应用,通过基于PLC的泵站监控系统设计,培养学生的工程实践能力和对现代工业自动化技术的理解,这对于未来在排水防涝设施管理等领域具有重要意义。
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中国矿业大学 2013 届本科生毕业论文
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1 绪论
1.1 本课题的研究意义
泵站在国民经济建设的各个领域中发挥着重要的作用,随着经济的进一步发展,人们
必将对泵站的运行提出更高的要求,研究泵站监控并实现其高效运行是很有现实意义的。
实现泵站控制系统的自动运行会带来很大的益处,对减少泵站运行管理人员的数量有
很大帮助。为泵站建立一个控制系统并改善其各方面的控制功能,达到泵站运行自动化的
目的。泵站的自动化运行还能够带来稳定性和安全性的提升。
PLC 对现场的控制又是专门为在工业环境下应用而设计的工业计算机,具有高可靠性,
编程简单,安装简单,维护方便等优点。再结合组态软件可以很好的完成对泵站的监控。
1.2 国内外泵站的发展现状
目前,国内中小型泵站机组的启动、运行和停车大多靠人工操作来完成,这种情况下
不仅工作强度大,而且工作效率不高。近年来兴建的大型泵站中,大都设置了微机数据采
集系统,但一般情况下还不能实现对运行过程的计算机控制。国内泵站的发展还存在以下
问题:
缺乏统一的设计标准,系统扩展困难,随着计算机的普及,上世纪 90 年代以来,中
国的许多行业开始采用计算机控制技术,泵站也不例外,但由于没有统一的标准,各设计
院设计的泵站有很大的不同,缺乏统一的功能和技术规范使得系统扩展困难;不完善的系统
设备,有些泵站使用的设备不完善,功能不全,就地控制单元和其他控制功能缺失;数据连
接标准的缺乏,选择的元件和系统不匹配导致数据无法交换,没有通信接口或接口协议之
间出现矛盾,当控制系统发出一个信号,如温度信号,以及其他的水位监测元件的信号,
若出现问题不能顺利传输数据,导致无法及时解决问题;泵站运行人员和技术人员严重短缺,
技术人才严重短缺已成为一个普遍现象,泵站操作人员大多没有正规的专业教育和足够的
专业培训,文化素质不高,计算机水平很有限,当自动化设备出现故障,泵站运行人员不能
解决,导致泵站继续运行从而很可能演变成一个更大的问题,造成更加严重的后果。当要
求设备生产商服务时,却发现自动化设备制造商之间激烈的市场竞争导致许多厂商已经倒
闭,用户很容易会遇到找不到厂商服务的情况。
国外像荷兰、美国等国家,它们的泵站发展速度很快,拥有非常先进的技术和更好的
管理水平,有许多方面是我们可以学习和研究的。比如在泵的设计和安装方面,荷兰有世
界著名的液压机械专家可以对泵站的各种装置的性能进行测试,包括水击计算,模型试验
等。在机械方面,他们对计算和测量振动,监测泵的性能和噪声方面也很有研究。他们还
广泛利用计算机,利用计算机辅助选择(CAS),计算机辅助设计(CAD),计算机辅助制
造(CAM)等先进的技术;在泵的叶片方面,他们从液压,结构优化等方面进行设计,并
对叶片的加工进行严格控制,在充分利用计算机这样一个在制造工艺上高度先进的设备的
基础上进行设计工作。荷兰对研究的投资很高,研究实力很强,研究机构齐全,设施非常
先进,对水泵和进出口管道有一个较为系统的研究。完美的设计和制造,对提高机组的性
能和增加水泵运行的安全性和稳定性很有帮助。美国拥有世界最大流量和扬程的抽水站埃
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中国矿业大学 2013 届本科生毕业论文
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德蒙斯顿泵站。它位于加利福尼亚中部圣华金河谷地区的南部郊区的贝克斯菲尔德,加利
福尼亚南部的南水北调工程上的 22 个大型泵站总的绵延长度达到 864 公里(加利福尼亚
整个特哈查比山脉南运河的水运到加利福尼亚北部)。埃德蒙斯顿泵站有 14 台泵,每个泵
具有 9m3/ s 的流量,必须提供 587m 的静扬程(不包括管道损失),效率为 92.2%,速度
为 600r / m(带电机),配套电机功率为 80000 马力(近 60000 千瓦)。泵的总流量为 125m3
/s,配套的总功率为 112 万马力,约 600000 万千瓦的年用电量。泵为立轴 4 级串联,高
9.45m,转子直径 4.88 m,重 220 吨。泵和电机直接相连,总高度近 20 米,重 420 吨。该项
目于 1951 年提出方案,在 1965 年 5 月确定方案并于 1971 年 9 月正式施工,1984 完成三个
机组的最终安装,总投资约 17500 万美元。
国外在对泵站的管理方面有许多值得我们学习的地方:
1.国外泵站自动化程度高
国外水利工程在建设过程中对质量的要求非常严格。荷兰的泵站与业务管理之间的关
系比我国更紧密,运营管理设计人员对泵站非常熟悉,他们与泵站管理单位在设计,生产,
制造,测试,安装,调试,运行和维护等各个环节配合默契。国外泵站的状态都保养得很
好,这不仅提高了泵站运行的效率而且能大大延长泵站的使用寿命,减少事故的发生。
国内泵站的质量不是很好。国内的泵站,结构简单,制造质量普遍较差,很多泵站在
建设过程中没有严格的质量监管系统,这不仅降低了泵站的运行效率,而且留下了许多隐
患。
国外泵站的自动化程度很高,对泵站运行的各项指标进行长期跟踪,监控和记录,发
现问题,随时可以解决。此外,自动化程度的增加会大大减少事故的发生,也减少了泵站
管理人员。如美国,几十公里的水路,只有几个工作人员。而国内的大多数泵站由于建设
时间较早,设备陈旧,自动化程度较低,往往采用经验主义管理并且缺乏定期的检修,导
致运行成本的增加,带来不必要的经济损失。
2.国外泵站运行管理人员素质高,分工明确
国外泵站运行管理人员只相当于我国的 1/10,而且泵站能够在良好的秩序中保持长期
运行。以荷兰为例,我们知道泵是泵站装配和维护的核心部件,泵站管理人员只负责小规
模的检查维护工作,而大规模的检修工作由专业的公司来完成。这些劳动分工与合作方面
的成功经验,值得我们认真研究和借鉴。
国外泵站拥有经验丰富的管理人员,他们能够在泵站运行过程中,及时发现问题,正
确处理各种突发事件。而国内许多泵站管理人员素质差,专业技能低,地方保护主义严重,
不注重管理人员的培训,导致泵站的管理水平很落后。
3.国外十分重视工程的维护并拥有足够的运营和管理资金
国外泵站清洁工作做得很好,一般都配有清洗专用设备,这样可以确保泵站的安全运
行,节能降耗,降低了泵的磨损,延长使用寿命。而国内的泵站,工作环境差,设施不齐
全,许多都没有配备清洗设备,缺乏资金投入。
在运行和管理费用方面,国外泵站是国家资金的受益者,拥有足够的资金,所以有能
力根据不同的要求进行翻新,维修和扩建。而在我国,很多泵站工程一次性投资完成后,
缺少后期的投资,导致设施落后,使部分泵站不能达到应有的工作效率。此外,有些泵站
在运行管理资金上的缺乏导致工人工资都得不到保障,就更不用说泵站的更新改造了。
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中国矿业大学 2013 届本科生毕业论文
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1.3 泵站监控系统研究的发展趋势
实时监控系统在上个世纪 90 年代之前,是传统的,封闭的,它升级是非常困难的。
近年来,随着计算机技术,图形化 UI 界面技术,网络技术,传感器技术的飞速发展,系
统的升级和扩展的问题,已经得到解决。从技术层面和可靠性的角度考虑,采用 PLC+IPC
这种控制方式而不是常规的控制系统,是泵站监控系统发展的必然趋势。
在泵站控制软件方面,采用组态软件开发将成为必然的趋势。组态软件是一种监测系
统开发工具,通过简单形象的组态配置工作,就能构造出监控系统的结构和功能,这对于
监控系统的设计和开发具有十分重大的意义。
泵站监控系统与故障诊断的结合会更加紧密。监控系统与故障诊断技术有着不可分割
的关系。在泵站监控过程中,如果发现泵站出现故障,故障诊断系统会自动判断故障类型
,并给出措施,即使故障排除。
泵站监控系统会朝着更加智能化的方向发展。人们对控制系统性能的要求越来越高,
而传统的控制系统已很难到达人们所要求的性能指标,而智能控制可以很好的完成这个任
务。自动化是设计控制系统的核心目的,而智能控制是自动控制系统发展的高级阶段,如
果把智能控制理论应用在泵站监控系统中,势必会带来让人惊喜的效果。
1.4 本课题的研究内容及方案
设计一套适合城市排水的基于 PLC 的泵站监控系统,以达到安全,高效的控制泵站
运行的目的。具体包括:选择泵站监控系统所需要用到的各种传感器,以实现对流量、压
力、液位等参数的测量;根据控制要求选择合适的 PLC 并进行硬件系统设计,包括 PLC 的
选型、外电路的设计、不同控制方式的实现、plc 编程等问题;结合 MCGS 组态软件,实现
更加可视化的监控。
方案:根据设计要求和实际情况,采用基于 PLC 的监控系统并辅以上位机组态软件的分
布式控制系统。
此方案主要优点有:
可靠性和可维护性高;
编程方便、开发周期较短;
设计和施工周期短,调试修改方便。
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