毕业设计（论文）-基于博途S7-1200PLC的恒压供水控制系统设计.docx

基于PLC的恒压供水控制系统设计摘要本课题以某小区供水系统的改造为背景，根据供水系统的特性和实际情况的要求,采用PLC实现供水过程的全自动控制，满足居民用水的需要。研究的主要内容包括:基于PLC自来水控制系统整体方案的设计、PLC控制系统原理、重点探讨PLC控制系统硬件、软件的设计，对PLC在实际现场控制过程中经常遇到的一些实际问题的解决,基于该项目的电气控制系统设计与实现展开的，采用可编程控制器PLC,完成了整个电气控制系统的软硬件的设计，基本达到了预期的目标,实现了小区供水的自动化。关键词：PLC；恒压供水；触摸屏DesignofconstantpressurewatersupplycontrolsystembasedonPLCAbstractBasedonthetransformationofaresidentialwatersupplysystemasthebackground,accordingtothecharacteristicsofthewatersupplysystemandtherequirementsoftheactualsituation,theuseofPLCtoachieveautomaticcontrolofwatersupplyprocess,tomeettheneedsofresidents.Themaincontentsoftheresearchinclude:basedontheoverallschemedesignofPLCtapwatercontrolsystem,PLCcontrolsystemprinciple,focusingonthePLCcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign,thePLCintheactualfieldcontrolprocessoftenencounteredbysomepracticalproblemstosolve,basedontheelectricalcontrolsystemdesignandimplementationoftheproject,PLCisusedtocompletethedesignofthehardwareandsoftwareofthewholeelectricalcontrolsystem,whichbasicallyachievestheexpectedgoalandrealizestheautomationofwatersupplyinthecommunity.KeyWords:PLC;Constantpressurewatersupply;Touchscreen第1章绪论51.1 研究背景51.2 发展与现状61.3 论文主要研究内容7第2章供水系统的理论分析及方案的确定82.1 恒压供水系统原理82.2 系统方案确定82.3 系统实现功能及特点9第3章供水系统的硬件设计113.1 PLC简介113.1.1 结构特点错误!未定义书签。3.1.2 工作原理错误!未定义书签。3.1.3 PLC的编程语言错误!未定义书签。3.2 主要设备选择错误!未定义书签。3.3 系统主电路设计143.4 控制电路153.5 .1I/O分配表153.6 .2PLC周边控制电路设计16第4章恒压供水系统的软件设计184.1 软件配置181.1.1 程序开发环境181.1.2 项目创建以及硬件组态181.1.3 各模块软件程序设计194.2 系统程序控制工艺流程204.2.1 主程序控制工艺流程204.2.2 加减泵控制及其状态分析214.3 PlD功能设计234.4 梯形图设计234.5 4.1数据处理程序234.4.2增减泵程序244.4.3水泵轮询程序264.4.4报警程序27第5章供水系统的组态设计295.1上位机的设计过程295.1.1上位机简要介绍295.1.2上位机功能架构设计295.1.3HMl界面设计29结论37参考文献38谢辞40第1章绪论1 -1研究背景我们都知道,水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在建设节约型时代特征的前提下,我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展,人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面,供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活,也直接体现了小区物业管理水平的高低。本系统就是在这种背景下设计的。PLC供水系统集电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性,这在能源日益紧缺的今天尤为重要,所以研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。目前，常见二次供水的主要方式有：1 ,恒速泵直接供水使用排水系统从城市管网或水库抽水，以提高压力，并直接供应给用户。这种供水系统几乎全天都在运转，这浪费了大量能源。还会影响市政管道的水压，更容易引起管道开裂。这种供水方式结构简单，成本低，但用户水压不稳定，耗电较多，供水质量较差。2 .恒速泵和水塔供水在市政管网和小区用户之间在楼顶增加一定高度的水塔。先利用蓄水量将水抽入水塔,再利用高度的差异向用户供水。水积聚在供水塔内，当水位达到水塔的上限时，停止供水，当水位下降到水塔的下限时，水自动充满水塔。与恒速蓄能直接供水相比，这种供水方式更节能，水压也相对稳定，但水塔施工占地面积大，屋顶承重不同。一般只用于9层及以下的建筑，投资大，二次污染大，不能满足人们对水质的要求。3 .恒速泵和高位水箱供水用水箱代替水塔可以减少建设资金。这个水箱建在建筑的不同楼层，减少了占地面积。但受建筑限制，容量不能太大，供水范围有一定限制，二次污染严重。这种供水方式对建筑的承重结构影响很大，供水方式不灵活。4 .采用恒速泵与气压水箱供水给水是通过气体的压缩性来调节供水的水压。恒速泵的启动和停止是由内部的压力决定的。由于气压罐占地面积比较小，所以可以放置在地下室、停车场等开阔的地方。供水压力稳定，水质不受二次污染，施工周期短，节省资金。但是，这种供水方式没有蓄水功能，停电后紧接着就停水，气压箱内压力不稳定，运行效率不高。5 .变频恒压供水传统的二次供水方式耗电量大，水压不稳定，造成二次污染，不能满足人们对供水系统可靠性和质量的要求。变频恒压供水不同于传统供水。将先进的自动化控制技术和变频应用技术应用于恒压供水系统。根据用水的实际情况设置管网压力，保持供水压力恒定，从而保持供水和用水的平衡，从而提高供水的质量和稳定性，并在很大程度上避免电力的浪费，从而节约能源。这对社会的发展具有积极的意义。1.2 发展与现状随着异步电机变频调速技术的成熟，变频器广泛应用于以工频交流为主的电机拖动控制系统中，变频器恒压供水就是变频调速领域的典型应用。变频器不仅可以控制交流电机的无限调速运行，还可以控制电机的启停与加减速时间，从而减少电机启停对电网供电的影响，实现多种保护功能。在变频恒压供水系统中，变频器由系统控制器控制。变频器作为控制体和系统执行体之间的中间环节，保证水管内水压恒定，满足用户不同时间段的用水需求。压力变送器是用来将管道的水压转换成电信号，反馈给控制器，形成闭环供水控制系统。变频调速的恒压供水技术，可以防止因泵电机频繁启停而引起的来自电网的电流冲击,基本消除了传统供水阀在管道中的水锤效应，延长了泵和供水管道的寿命，实现供水管道的水压稳定，并应调整管道的水量，减少不必要的能源消耗，达到节能的目的。具有节能、高效、安全、水质好、维护方便等优点，是一种适合当前用水需求的节能供水系统。可编程序控制器，简称PLC,是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统。世界上第一台可编程控制器是美国数字设备公司（DEC）于1969年研制的。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等，PLC将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体,具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点。70年代初期,体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增强，具有了：可靠性高、具有丰富的I/O接口模块、采用模块化结构、编程简单易学安装简单，维修方便等特点。以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。PLC在物业供水方面也得到了广泛的应用。传统的小区供水方式有恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等。这些传统的供水方式或多或少都存在各自的缺点和不足，比如：恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水泵的增减都依赖人工进行手工操作水塔高位水箱供水基建投资大，占地面积大,维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大、单片机变频调速供水系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高,可靠性比较低,维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，在这种情况下人们想到了基于PLC的供水系统设计。目前国内外基于PLC的供水系统设计技术比较多，并且有些技术已经相当成熟,从简单的基于PLC的恒压供水系统设计到基于PLC的变频恒压供水系统设计，其中后者的变频技术是现在研究的核心，变频技术是在电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论发展的基础上发展起来的。本文的基于PLC的物业供水系统设计属于恒压供水，由于PLC的可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等特点,与传统的供水系统相比本系统有很大的实用价值。1.3 论文主要研究内容研究了高层建筑供水系统的需求，分析了供水系统的变化特性，非线性问题，对供水控制系统进行硬件设计，选取合适可靠的可编程控制器与触摸屏，分别进行了控制系统主电路的设计、控制电路的设计、PLC周边电路的设计、变频器周边电路的设计以及参数的设置，最终完成了恒压供水系统整体方案设计并一仿真的形式呈现。第2章供水系统的理论分析及方案的确定2.1恒压供水系统原理恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体，通过调节电机机组工作电机的数量,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此,恒压供水系统的实质是电机的工作控制。电动机的控制通常使用接触器，PLC通过控制接触器来实现自动控制电机机组的电机从而实现了恒压供水。2.2系统方案确定恒压供水的原理分析可知,该系统主要有压力传感器、压力变送器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元控制多台水泵，实现管网水压的恒定压力供水，可供选择的方案有：(1)人工控制+水泵机组+压力传感器，这种控制系统结构简单，实现起来也比较容易，就是派专人看着压力传感器传输过来的数据，人工选择哪台水泵工作和控制几台水泵机组工作。这种控制比较落后,可靠性不高。需要工作人员一直守在控制室里，实时控制，效率低。因此不选并用此方案。(2)单片机+水泵机组+压力传感器，这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便,具有较高的性能价格比。但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时在运行时，将产生干扰,水泵的功率越大,产生的干扰越大,所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的恒压供水系统中。(3) PLC+水泵机组+压力传感器，这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化,用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时,可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序,所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合,并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“PLC+水泵机组+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。控制方案如下：模拟小区供水系统采用3台泵进行供水，3台泵电机功率都相同，在手动控制操作模式下，各个水泵的运行状态(工频运行或者变频运行)以及相应的运行速度和频率都可以通过控制界面的按钮来实现，在需要增加工作泵的情况下，其中泵1以5OHz的频率开始运转，工作的模式为工频模式。在需要增加水压的时候，需要使用泵1切换为变频模式。系统配备有自动和手动控制两种模式，自动控制通过PLC编程的方式，根据压力传感器，控制变频器，以达到自动增减泵运行。手动模式，通过触摸屏来控制泵的开始和停止，不使用PLC和变频器进行变频控制。自动模式则使用PLC与变频器进行控制。当压力传感器检测到压力变化，并将其转换成电信号，将电信号传送于PLC控制器，通过计算，将信号传送至变频器来控制水泵电机的转速，使供水系统稳定在设定的压力值范围，如果用水量增加，频率升高，对应的水泵转速就会加快，供水量相应增大；如果用水量小，频率就会降低，对应的水泵转速将会减慢，供水量也相对减小。通过软启动，使多台水泵顺序运行，由远程压力表设定一定值，通过指针的上下浮动来控制水泵频率的升高或降低。可编程控制器变频器逻辑转换用户管网A压力传感器图2-1泵组结构图2. 3系统实现功能及特点控制要求如下：1 .系统能自动运行（能实现无人值守）；系统在用水时段能根据用水量（水压的大小）自动调节管道的流量，保证用户的正常使用。2 .系统能手动控制供水；当系统的自动控制模式出现故障时，能够切换进行手动控制,在人为的控制下可以保障正常的供水。3 .供水水压要满足用户用水需求；供水水压稳定在合理的范围内，避免水压过高造成的资源浪费，同时也能避免水压过低，导致用户不良的体验。4 .系统必须具备过载保护、水箱限位等相关的保护功能。5,能记录供水系统运行相关数据，以便后续的分析；供水现场如图2-2所示。图2-2供水现场控制部分主要由PLC控制器及相应部件、变频器和电气控制模块组成。基于PLC的恒压供水控制系统结构图如图2.2所示。该系统的中控装置由变频器、PLC,各种传感器、供水泵机组、继电器控制柜和计算机组成。工作时采用变频器驱动三台电机，泵机组采用循环循环。在恒压供水系统中，供水管道中的压力由压力变送器采样，输出信号由控制水泵的变频器获得。PLC接收到的压力信号和变频器信号传输到PLC后进行处理，并与初始信号进行比较，做出最终判断并计算最终结果。基于这一最终结果，由PLC产生信号，经D/A转换后再次反馈给变频器，控制变频泵的转速和启停等工作状态，保证供水系统中的管道压力接近原设定值，从而达到恒压供水中节能的目的，保证用户的水压，减少设备损耗。图2-3供水系统结构图第3章供水系统的硬件设计3. 1PLC简介PLC(ProgrammableLogicContrOlIer)是现阶段国内外最为流行的工业控制器，也是截止目前设计供水系统最常用的控制器。PLC汇集了继电器与接触器的优点，再加上它能够很好地与计算机相结合，展现出良好的灵活性与通用性让硬件连线逻辑转变为软件编程。PLC的硬件是标准化的，为了达到预定的工艺流程可以通过改变它存放在存储器里面的控制程序。因此，它更具有灵活、更完善、通用性更强，能够应用于各种生产设计。整体式的PLC所有部件都放在一个机壳当中。主机部分是经电源总线、控制总线、地址总线与数据总线连接而成的，根据实际的生产设计需要去连接外部设备，以形成不同的PLC系统。而模块形式的PLC,每个部件都是独立的封装，每个模块用电缆和机架连接在一起。PLC是按照“顺序扫描，不断循环”的方式来工作的，PLC的扫描过程分为三个阶段，分别是输入采样,程序执行,输出刷新,而且进行着周期性的循环。PLC一般有梯形图(LAD)、语句表(STL),功能块图(FBD)、结构化文本(ST)和顺序功能图(SFC)等5种编程语3. 2主要设备选择1 .PLC的选型PLC控制器作为整个供水系统的“大脑”，不仅负责采集和处理各种模拟信号和开关信号，还负责将控制器经过控制算法处理后的输出指令发送到相应的驱动执行机构，与上位机进行数据传输和通信。可以说，它是整个系统中最重要的部分。市面上主要流行的是s7-200Smart与S7-1200o两者的主要区别体现在S7-1200支持的点数高，达到280,而S7-200smart支持的最大点数为250；S7-200smart应用环境大概是小型单机项目，1200就相应可以应用于更高点的地方，比如大些的单机项目或者一般性的联网项目。编程环境1200在博图下编程，更利于与西门子的控制系统集成、对接。1200适合作为以西门子品牌为主集成的系统的子站、子系统。在选择PLC控制器时，应根据需要考虑控制器的CPU处理速度、内部存储器大小和I/O端口数量。本文根据实际需要，参考了多家PLC厂家提供的样品，重点比较了选用上述控制器时应注意的参数。最后，选用西门子S7-1200系列PLC作为本次供水系统设计的控制器。S7-1200系列PLC功能强大，具有处理速度快、指令集丰富、处理周期短、模块化设计、环境适应性强等优点。它们广泛应用于工业自动化。这个系列是相对成本有效的。2 .人机交互设备的选型人机交互设备(HMI)可以是各种各样的机器设备。工业控制系统中有普通计算机、触摸屏、工控机等。它们也可以是计算机设计的系统或软件。人机交互是通过输出或显示设备向人提供大量的信息和提示，并通过输入设备向机器输入相关信息，包括设置数据参数和发出操作指令。HMI触摸屏人机界面是操作人员与各种仪器交互的媒介。控制系统将程序运行过程中各个传感器的状态以及程序运行的结果和故障信息发送到触摸屏。操作人员根据上述信息做出相应的响应判断，并通过触摸屏上的按钮发出相应的控制指令，即使处理控制系统的反馈信息，也能保证整个系统的正常运行。考虑到自适应问题，采用TP700HMI触摸屏作为人机交互监控界面，实现对整个供水系统的随时监控和对管网的实时监控。3 .变频器及水泵机组的选型根据系统控制要求选用西门子公司专门为风机和水泵类电机开发的MM430系列变频器，根据控制系统实际水泵电机功率要求，系统选用西门子MICROMASTER430-18.5系列变频器作为水泵电机驱动器。综上情况，我们选择该变频器作为系统的水泵电机驱动器，完全能够满足系统设计要求，也与系统水泵驱动电机功率匹配。图3-3西门子变频器水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行;二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本文以某小区的实际生活用水的数据进行选型，该小区生活用水具体要求为：(1)由多台水泵机组实现供水，流量范围OOn12h,扬程60米左右，出水口水压大小为0.4Mpa;(2)设置一台水泵作用于小流量时的供水;供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小;(3)系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能。(4)具有完善的过载保护功能，系统要求较高的经济运行性能。根据以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力(水泵扬程)，考虑到用水量类型为连续型低流量变化型,确定采用上海熊猫机械(集团)有限公司生产的SFL系列主水泵机组。4 .阀门及电磁阀的选型目前常用的阀门为电动阀门和气动阀门的，区别为执行机构动力源不同：气动阀门执行机构动力源为气源，电动阀门执行机构动力源为电源。考虑到本项目应用背景多为化工等要求防爆的场合，安全性要求高，因此选用气动阀门。图3-4气动球阀本项目采用二位五通电磁阀，其工作原理为得电时，线圈产生电磁力把关闭件从密封气孔上提起，压缩空气进入先导阀，先导阀工作；断电时，电磁力消失，阀门动作则相反；电磁阀的气动执行部分在先导阀活塞和主活塞杆另端弹簧的共同作用运动，完成气路的切换5 .液位计的选型常见的液位计种类有磁浮子式内浮式磁翻板式投入式。考虑到耐腐蚀性，现场显示，后期维护等综合要素，选择磁翻板式液位计搭配远程变送器（两线制），将液位信息转换为420ma模拟量传给PLCo磁翻板液位计的测量原理主要是基于连通器原理、浮力原理和磁性耦合作用来实现的。磁翻板液位计中都有一个容纳磁浮球的腔体，其通过法兰与容器组成一个连通器，使得其腔体内的液面与容器内的液面高度相同，且腔体内的磁浮球随着液面的升降而升降。由于同性相斥、异极相吸的原理，使磁翻板外部红白磁翻片发生翻转，外界便可以从翻片颜色的变化而清楚地辨别液位的实际位置。图3-5磁翻板液位计示意图6 .压力变送器压力变送器的主要功能是检测供水管道中的水压，并将水压转换为相应的电流信号。发送到控制器。与PLC中预置的压力值进行比较，通过控制算法将输出的控制信号调节到变频器，通过调节驱动电机的频率改变供水的大小，最终实现变频恒压供水。综合考虑水泵参数、供水参数（供水压力等）以及与控制器S7-1200通信的稳定性，选择了3351-KT系列压力变送器。量程为OMpa,输出电流为4-20mA。该系列压力变送器具有精度高、稳定性好、调节方便、通讯能力强等特点。3. 3系统主电路设计1. 主电路的原理图，如图3-6所示。FUl是主电路的熔断器提供短路保护；KAl是西门子MM440变频器的电源接触器，闭合KAI以后为变频器提供电源，变频器输出接变频接触器KM2,KM4,KM6的输入端；QFl是水泵1电机工频回路断路器，实现水泵1电机工频回路电源进行通断；KM2是水泵1电机变频启动接触器，泵1变频运行时，电流经LI,L2,L3,熔断器FUL接触器KAL变频器，接触器KM2（此时闭合），热继电器FRl常闭主触点，为电机Ml提供变频电源，启动水泵1电机Ml,泵1变频供水。KMl是水泵1工频运行接触器，泵1工频运行时，交流电经熔断器FUl,断路器QFl,接触器KMl（此时闭合），热继电器FRl常闭主触点，为电机Ml提供工频电源，启动水泵1电机Ml工频运行，泵1工频供水。FRl是水泵1的过载保护热继电器，其作用是保护水泵电机1,避免水泵1长时间的过载运行。KMl和KM2是一组接触器通过机械进行互锁，同时只能一组闭合。图3-6主电路图3.4控制电路2. 4.1I/O分配表对恒压供水控制系统进行市场需求分析确定其功能，为了实现系统的费用成本低下以及安全可靠性能，PLC系统输入/输出的布局设计规划应当设定为下表：表3-1PLC输入端子信号分配表名称数据类型地址启动BOOL10.0停止BOOL10.1手动启动泵1BOOL10.2手动启动泵2BOOL10.3手动启动泵3BOOL10.4过载信号电机1BOOL10.5过载信号电机2BOOL10.6过载信号电机3BOOL10.7液位低限位BOOL11.0液位高限位BOOL11.1对于PLC系统的控制对象需求进行分析，此次设计的系统的电机调速采用变频调速的方式，两台水泵的调速变频器为同一台控制，利用接触器进行变频模式与工频模式轮流切换的形式。被控对象主要为几台水泵电机PLC输出端子信号分配如表3.2所示:表3-2PLC输出端子信号分配表名称数据类型地址泵1工频启动BOOLQ0.0泵1变频启动BOOLQ0.1泵2工频启动BOOLQ0.2泵2变频启动BOOLQ0.3泵3工频启动BOOLQ0.4泵3变频启动BOOLQ0.5过载报警BOOLQ0.6进水阀BOOLQ0.7变频器运行BOOLQLO名称数据类型地址组态启动BOOLM10.0组态停止BOOLM10.1组态手动启动泵1BOOLM10.2组态手动启动泵2BOOLM10.3组态手动启动泵3BOOLM10.4组态过载信号电机1BOOLM10.5组态过载信号电机2BOOLM10.6组态过载信号电机3BOOLM10.7组态液位低限位BOOLMlLO组态液位高限位BOOLMil.1PVREALMD220SVREALMD224KREALMD228TIREALMD232TDREALMD236触摸屏模拟BOOLM12.0SlREALMD300S2REALMD304S3REALMD308压力信号INTIW64变频器频率INTQW643. 4.2PLC外部接线电路设计根据本设计的恒压供水系统控制电路能实现系统要求的手自动模式切换，并能实现系统要求手动功能模式，通过操作面板上的转换开关可以控制系统水泵的工频运行、泵1的工频运行、泵2、泵3的工频运行。根据设计要求设计如图3-7所示供水系统控制电路。LlN+24VKA2A日,4T4而Ll1节呆-L多贝KA31蔡亦无而LTKA49-.4"I*45Lr口KA52号泵变频LlKA64JZJ<><9W3号泵工频+24VKA7Q-K(Ji过载报警进水阀L1A1HLO1234U56710.0.0.so.,so.o.QQQQQQQQS7I1200PLC1215AC/DC/RLYO1234567012345U1xIx11111111IIIIIIIIII+220VPEIMSBlSB2SB3IOIO1SB4SB5IO÷220AC启动停止.手动启动泉1手动启动泵2手动启动采3过我信号电机1过载信号电机2过载信号电机3液位高限位开关液位低限位开关变频器启动变频器频率014666IlwwQQQQ4666Mww3IIST压力信号L3NQF5图3-7控制电路第4章恒压供水系统的软件设计4. 1软件配置4.1.1程序开发环境本次设计的恒压供水系统的控制程序是通过西门子TIAPortalV16软件开发平台编写，一个集成有控制器、HMI和驱动装置的工程组态平台，如图4-1所示，TIAPOrtal是集合了各种西门子型号的CPU、信号版、信号块等所有的自动化工具的开发平台，在技术创新方面，TIAPortaI做到了通过其直观化的用户界面、高效的导航设计以及行之有效的技术实现周密整合的效果。无论是设计、安装、调试，还是维护和升级自动化系统，TIAPortal都能做到节省工程设计的时间、成本和人力。SIEMENSTotallyIntegratedAutomationSiemensAG.20082019图4-1程序开发环境4.12项目创建以及硬件组态在电脑上运行TIAPortalV16软件，启动后的界面包括Portal视图和项目视图如图4-2所示，两个界面都可以创建项目。以在Portal视图中的操作为例，单击“创建新项目”，输入窗口内所需填写的信息，然后单击创建，即可生成新项目。使用S7-1200PLC自动化系统要对各硬件进行组态、参数配置和通信互联。系统启动时，CPU会自动监测软件的预设组态与系统的实际组态是否一致。在添加完新设备后，会生成与其匹配的机架。S7-1200CPU左侧配置通信模块，CPU右侧配置信号模块，CPU本体上可配置一扩展板。在硬件配置时，TIA博途软件会自动检查模块的正确性。在硬件目录下选择模板后，则机架中允许配置该模块的槽位边框变为蓝色，不允许配置该模块的槽位边框无变化。PLC硬件组态完成后，可在网络视图中组态Profibus>Profinet网络，创建以太网的tcp连接或HMIo欢迎光餐在线与诊断已安装的软件帮助用户界面语言图4-2创建项目界面4.1.3各模块软件程序设计在设备硬件组态完成后，可添加相应的FB函数块、FC函数、DB数据块和OB组织块，如图4-3所示。(1) OB组织块：OB:组织块，英文名Organizationblock。组织块是CPU系统和用户程序之间的接口，可以在CPU上电启动时调用，也可以循环调用，也可以在PLC发生错误时候调用。(2) FB函数块：FC+DB组合,意思是含有DB块的FC函数,与FC的区别是当函数调用结束后，通过StatiC变量仍然可以保留数值，经常用于调用间的数据共享。(3) FC函数：英文名FUnCtion。我们常常在FC函数中写一些需要重复执行的代码,可以在程序不同地方调用，可以被OB调用，也可以被FC调用。使用FC可以简化我们需要重复执行的任务，提高代码的运行效率。FC类似于200的子程序。(4) DB数据块：英文名Datablocko从字面含义便知主要用于储存用户数据，比如模拟量转换数据，相当于200里面的V区，欧姆龙PLC的肌图4-3添加新块4.2系统程序控制工艺流程4.2.1主程序控制工艺流程按照所设计的控制要求，设计了PLC程序流程如图4T所示。系统大部分时间在自动模式下运行，只有在调试或装置PLC损坏时才会采用手动模式，在变频器故障时采用半自动模式，通过这样的方式来保障用户的用水需求。图4-5PLC控制程序流程图4. 2.2加减泵控制及其状态分析在手动控制操作模式下，各个水泵的运行状态（工频运行或者变频运行）以及相应的运行速度和频率都可以通过控制界面的按钮来实现，在需要增加工作泵的情况下，其中泵1以50HZ的频率开始运转，工作的模式为工频模式。在需要增加水压的时候，需要使用泵1切换为变频模式。为稳定管道供水压力，在用水低谷期，供水系统减泵来减少供水量，稳定管道水压在设定压力，保障供水压力小于管道的安全水压，保障管路正常运行并能满足少量用水需求。由此可以的得到加减泵的条件：加泵条件：f=P<P2减泵条件：f=fL,P1>P2脑表示频率上限，尢表示频率下限，PI表示设定的压力值，P2表示当前压力值。维持运行状态维持运行状态4.3PlD功能设计本设计中PID控制器的控制量是系统变频器的模拟量(OTOV直流)电压控制信号,压力传感器将水泵出口供水管道的水压信号转换成(4-20mA)电流信号后通过西门子S7-1200PLC的A/D模拟量模块转换成数字信号后输入到PLC的内部寄存器中，与系统设定管道压力值进行PID运算比较后，得到调整后运行参数,通过PLC模拟量输出模块(D/A)转换模块(本设计采用0-1OV电压信号)，输出给变频器模拟信号输入端调整变频器运行频率，实现闭环控制调整管道压力的目的。图4-7PlD控制原理根据PID调节回路的设置，完成设定值的范围设定，输入信号的类型设定，输出信号的类型设定，存储地址的设定，通过以上的组态设定，完成恒压供水控制系统的PID功能建立，可以在程序中调用PlD子程序，实现系统的连续变量PID调节功能。如图4-7所示为PID初始化程序。程序段1：注释MOVEENENO30NWD404牛OUTI-模拟水位MOVEENENt10.68-NWD224。cun-,svMOVEENENOINWD2280OUH-KMOVEENENOIINWD2360OUTI-"TO'MOVEEN-ENO2.0-NIlMD2320OUTl-"11'图4-8系统PlD初始化程序4.4梯形图设计4.4.1数据处理程序由数据处理程序将外模拟量输入到系统中，再经运算变换，将外模拟量转化为真实反馈值。首先，我们要将输入的模拟值转换成整数，再将其与5530相减，从而获得4-20mA范围内的信号，再将其除以22118,从而获得目前的真实反馈值。同样要小心的是，在此过程中，不能将数值转化成负值，否则将会使真实的反馈值变小。CONVInttoReal三6WD388,5A,-inoui-Mio'WD388SUBDIViTagJOeIIRealRealUEN-ENOEN-EM15530.0WD388训D392,XMD392WD396WJoJNIOgTagJT加JT-niou-i3,5530.0-N222118.0-N2图4-9系统数据处理程序4.4.2增减泵程序当该程序开始运转时，第一个水泵将被起动，并被设置到自动运转状态。当PID输出值大于或等于其最大值时，系统将自动重新起动新的水泵，从而延长滞后时间；当PID输出值低于最大值时，则在5秒钟后，系统将自动降低其他水泵的操作。同时，该控制系统还能根据具体情况，对PlD控制参数进行调节，确保了控制的稳定可靠。MOVEAOUTIMOVEAOUTIMD100运行泵个数.-运行泵个数.图4-11增泵程序(XDB3"EJTmerJLDB_2,(XM20。自动运行标志位KMD200P1D计算输出，Dlnt(XM202g,2780图4-12减泵程序4XM2O.O自动运行标志位WD200P1D计算输出IDlntI27648IXDB2'IEC_7imer_0_DB.1,W201TON,Tag_4*FmeTZlINQT#5SptET-T#0mSSUBAuto(DInt)EN1WDlOOWDlOO运行泵个数,一IN1OUl,运行泵个数1IN2MOVEENENOI20°-NWD3284OUTI-,or,XM20.1Fg_4T)"'ADDAuto(Dint)ENENO1KMDWOWD1O0运行泵个数INIOUT运行泵个数.1-