中央泵房自动控制设计

第 1 页 共 121 页 目录 1 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 课题来源 1 2 泵控系统设计与分析 3 2.1 系统 总体概述 3 2.2 系统控制要求 3 2.3 系统总体设计方案 5 2.4 泵控系统硬件选型 9 2.5 由微机 -PLC 网络构成的远程检测设计 15 3 外部设备选用 18 3.1 传感器的选用 18 3.2 阀的选用 32 3.3 其它外部设备选用 33 4 泵控系统软件设计 35 4.1 泵控系统 TD200组态 35 4.2 系统 PLC软件设计 42 4.3 上位机检测软件设计 48 5 系统接 线说明 51 5.1 手动控制接线 51 5.2 PLC 控制接线 53 结 束语 56 致谢 57 参考文献 58 附录 A 59 附录 B 62 附录 C 91 附录 D 94 附录 E 117 第 2 页 共 121 页 第一章 绪论 1.1 引言 传统的自动控制大多为常规的继电器带动接触器控制，其控制器通常为电位器之类，是基于电气原理的纯电气自动控制，属于模拟控制方式。如一位式的模拟 控制方式，这种控制方式精度低，可靠性差，除了一些精度要求不高的场合外，现阶段一般很少采用。 随着集成技术的迅猛发展，以微处理器为核心的单片机、 PLC、工控机迅速渗透到工业控制的各个领域，产生了计算机自动控制。计算机自动控制的控制器是各种类型的计算机（包括单片机、工控机及 PLC 等），其最大的优点是控制器能够存储并辨识特殊的语言（程序），根据程序的控制思想发出各种指令，控制执行机构的动作，使被控制量满足系统的要求。本系统就是采用计算机控制技术对水泵实行自动控制和状态检测。 1.2 课题来源 2004年 1月，从导 师那接到 “中央泵房自动控制及状态监测” 课题。2004年 3月，到皖北煤电集团任搂煤矿进行现场实习，从而把课题定位为针对矿业排水系统，且以皖北煤电集团任搂煤矿井下排水泵排水系统为蓝本。 1.2.1 皖北煤电集团任搂煤矿井下排水系统现状 皖北煤电集团任搂煤矿井下排水系统整体比较落后，完全是人为手动控制。主水仓内放置一标尺，从而显示主水仓液位；水泵吸水口处有一真空度表，测量吸水口负压；水泵排水口处有一压力表，测量排水口压力。现场无转速、温度测量设备，据现场工作人员说，测温完全靠手感测温，转速则完全靠肉眼看，一 般不太在意它，只要有个差不多就行。排水阀是电动阀，分配阀、排气阀完全是手动控制，系统起动前用真空泵排气，达到负压时按照操作要求依次操作控制。整个操作十分不便，并且还经常容易出错。此外， 第 3 页 共 121 页 系统还必须有一位操作人员在井下定时巡视，查看主水仓泵液位，以便决定是要在起动还是要停止某台泵，并且查看泵的运行情况。在出现紧急情况时，很难及时采取措施。另外，现场噪音比较大，很不适应人长长时间工作。 1.2.2 课题的目的、意义和任务 从上面所述皖北煤电集团任搂煤矿井下排水系统现状可以看出，它十分需要加一控制系统，从而减轻操作 人员工作量，优化运行，延长系统设备运行寿命。并且据现场技术人员介绍大多数煤矿矿井下排水系统现状和他们这差不多，都很需要加一控制系统。本课题就是设计一控制系统来解决以上问题。本系统在设计的时候是以皖北煤电集团任搂煤矿井下排水泵排水系统为蓝本进行设计的。但本系统的使用是不局限于皖北煤电集团任搂煤矿井下排水泵排水系统。 本课题主要的任务是设计检测部分、控制部分和网络（控制器和微机通讯）部分，通过检测部分检测主水仓、补水仓液位和各泵的运行参数，并送至控制器中，通过控制器实现电动控制或自动控制。并且将数据传到地上控制 室的上位机中，实现远程检测。 第 4 页 共 121 页 第二章 泵控系统设计与分析 2.1 系统总体概述 本系统设计控制为三部分：一、现场手动控制；二、地下控制室电动控制；三、地上主控制室远程检测 。 通过传感器对主水仓液位的检测，来自动判断启动几台水泵进行排水（自动检测控制），或由人为地选择启动几台水泵进行排水（电动控制或手动控制）。同时也类似地控制水泵的停止。在水泵运行的过程中对水泵的相关参数进行监控，如压力、流量、温度、转速、负压。出现故障时进行报警，若出现严重故障时，则立即停止水泵，并报警。并且 把所检测到的所有数据传到地上主控制室内的上位机中。 2.2 系统控制要求 2.2.1 整体要求： 1、实现以下控制： 手动控制、电动控制、自动监测控制 手动控制时要能自动切断电动控制和自动控制；自动控制时要能自动切断手动控制和自动控制；自动控制时要能自动切断手动控制和电动控制。 2、电动控制：根据所要起动的泵来自动决定阀的开闭，只需人为的来决定起动或停止哪台泵。 3、自动检测控制：不需人为的介入，根据主水仓的液位自动实现泵的启动、运转参数检测、泵的停止及故障诊断报警。 2.2.2 具体要求： 1、现场手 动控制 /非手动控制转换（非手动控制包括电动控制和自动检测控制），电动控制 /自动检测控制转换 2、现场手动控制直接经过电控部分控制，而电动控制 /自动检测控制则经 第 5 页 共 121 页 过控制器来控制 3、自动检测控制实现水泵的自动起动： （ 1）根据水位信号（液位传感器 cgq1），确定要起动水泵的台数和哪台水泵起动； （ 2）关闭要起动水泵的排水阀（ df1），并确定排水管路及各分配阀（ df2）的开关状态； （ 3）开启真空泵；打开真空泵与水泵连接的排气阀（ df3）；水泵开始排气，并检测水泵吸入口的负压信号（ cgq3）； （ 4）当吸入口 负压信号（ cgq3）到达预定值时，起动水泵（降压启动，由电控实现）；打开排水阀（ df1），关闭真空泵与水泵连接的排气阀（ df3），关掉真空泵，水泵进入正常排水运行。 在地下控制室内要实时地显示所投入运行的水泵。 4、水泵运行时的参数监控： 水泵进入正常排水运行时，检测水泵运行的参数有： （ 1）、水位信号（液位传感器 cgq1）； （ 2）、水泵的排水压力信号（压力传感器 cgq2）； （ 3）、水泵吸入口的负压信号（负压传感器 cgq3）； （ 4）、水泵的流量信号（流量传感器 cgq4）； （ 5）、水泵的转速信号（转速 传感器 cgq5）； （ 6）、水泵轴承的温度信号（温度传感器 cgq6）； 在地下控制室内要实时地显示所投入运行的水泵以上参数及主水仓液位。并把这些参数传到地上控制室的上位机中。 5、自动检测控制实现水泵的自动停止： （ 1）、根据水位信号（液位传感器 cgq1），确定停止水泵台数和停哪台水泵； （ 2）、切断要停止水泵的电源，关闭排水阀（ df1）； （ 3）、根据水位信号（液位传感器 cgq1），当水位低于最低水位时，停止最 第 6 页 共 121 页 后一台水泵，步骤同上。 （ 4）、水泵全部停止后，系统处于自动监控状态，随时准备起动。 6、抢险排 水： （ 1）当水位信号（液位传感器 cgq1）超过警戒水位时（井底水平高度），所有水泵全部开动（起动程序同上，逐台起动，防止起动电流过大）； （ 2）随着水位信号（液位传感器 cgq1）的逐淅下降，当水位信号（液位传感器 cgq1）低于安全警戒线时，逐步停掉部分水泵（停止程序同上）； （ 3）当水位信号（液位传感器 cgq1）低于最低水位时，停掉所有水泵（停止程序同上），系统处于自动监控状态，随时准备起动。 7、水泵运行的故障诊断及故障报警 （ 1）、水泵不吸水（真空信号）； （ 2）、流量小（真空信号，压力信号）； （ 3）、水泵不上水（压力信号、流量信号）； （ 4）、转速变化大（转速信号、压力信号、流量信号）； （ 5）、轴承过热（温度信号）； （ 6）、内部声音异常，可能原因是流量大，吸入高度过大，吸入处有空气渗入，所吸入的液体温度过高。（流量信号、负压信号、温度信号）。 出现以上故障，及时报警通知操作人员；严重故障时，报警并停止出现故障的水泵。 2.3 系统总体设计方案 2.3.1 手动控制方案的确定 1.现场手动控制直接经过电控部分来分别控制各个元件，其所需开关有： 现场手动控制 /非手动控制转换开关 各水泵 起动 /停止开关 各水泵排气阀、排水阀、分配阀打开 /关闭开关 第 7 页 共 121 页 2.输出开关量有： 各阀开启信号灯 2.3.2 系统电动控制 /自动检测控制方案的确定 根据现场具备的条件及系统的控制要求，得到泵房控制系统的控制 I/O点配置及参数显示，主要包括： 1、输入开关量： 电动控制 /自动检测控制模式选择开关 显示各泵参数按键 泵控制按钮 2、输入模拟量： 输入温度 输入负压 输入压力 输入液位 输入转速 输入流量 3、输出开关量： 真空泵、主水泵电机起停 电磁阀 /电动阀开关 手动模式信号灯 电动模式信号灯 自动模式信号灯 故障报警灯 根据前文所述，可采用如图 2-1所示的泵控制系统。 第 8 页 共 121 页 控 制 器液位传感器传感器主 水 泵电机阀主水仓人机交互图 2 - 1 、 泵 控 示 意 图在上述控制系统中，采用不同的控制器，模拟量的测量及信号的转换方式也随之改变，使得该系统的实现有不同的方案。 方案一：采用单片机为控制器的方案如图 2-2所示。 图 2 - 2 、 采 用 单 片 机 控 制 示 意 图看门狗电路键盘设定单片机多路开关调节电路调节电路故障报警和信号灯数据显示电机阀A / D 转 换调节电路S / H 电 路S / H 电 路S / H 电 路 液位传感器液位传感器传感器温度、负压等补水仓主水仓水泵采用单片机的控制方案功耗低，控制功能强，能满足本系 统的各种要求，但是单片机对环境的要求比较高，而且以单片机为控制器的系统需要许多的外围扩展电路，如上图中的调节电路（滤波、信号放大电路）、 S/H电路、转换开关、 A/D转换电路、 I/O接口电路及其光电隔离电路、干扰抑制电路等，使得系统接线复杂，这对于井下条件来说，增加了故障发生率，导致控制不可靠，因此本系统不采用单片机控制方案。 方案二：采用 PLC 为控制器的方案如图 2-3所示。 第 9 页 共 121 页 水泵主水仓补水仓温度、负压等传感器液位传感器液位传感器调节电路调节电路调节电路键盘设定图 2 - 3 、 采 用 P L C 控 制 示 意 图PLC模拟量扩展模块 阀电机信号灯及报警人机交互采用 PLC 的泵控系统在控制方法上与单片机的方案相同，但是 PLC 集 成度高，接线简单，所以其在系统的稳定性、可靠性等方面，其具有较大的优势： 1、 PLC是面向工业应用而设计的一种工业计算机，可靠性高，特别适应恶劣的工业环境。 2、 PLC有多种扩展模块，其中模拟量扩展模块可与系统中的温度、负压、压力等模拟量信号直接相连，并能自动进行信号处理。不需设计外部信号处理电路，抗干扰性好，系统稳定性高。 3、 PLC模块化的结构便于扩展，设计简单。 此外， PLC比较容易构建一控制网络，所以，本系统采用 PLC泵控系统。 2.3.3 初步设计方案的确定 根据前面所述，初步确定其总体设计 方案见图 2-4。 第 10 页 共 121 页 图 2 - 4 、 总 体 设 计 方 案上位机 地上主控制室PLC现场PLC水泵1水泵2水泵3水泵4水泵5水泵6现场控制由 PLC 控制网络组成，第一台 PLC检测主水仓、补水仓的液位、控制 3 台水泵、并控制第二台 PLC，第二台 PLC 控制 4、 5、 6 泵；地上控制室由一台上位机组成，主要接收井下控制室传上来的主水仓液位及各台泵的运行参数。 2.4 PLC泵控的硬件选型 2.4.1 PLC的选型 PLC的型号有许多，目前性能较好的有 SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国 AB公司等产品，根据性价比的选择，本系统采用 SIEMENS公司 S7-200系列 PLC。考虑到以后系统的扩展要求，选用“ CPU226AC/DC/继电器”型号PLC，该型号具有 24 输入 /14 输出，可提供标准值为 24V DC 的输入和输出电压，此外还提供范围为 5-250V AC 的输出电压。 S7-200 CPU 模块包括一个中央处理单元（ CPU）、电源以及数字量 I/O点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。 2.4.2 模拟量扩展模块的选型 由于系统有多个模拟量输入，故可采用与 S7-200 CPU 相配套的 EM231模拟量输入模块，其具有 4路模拟量输入，输入信号可以是电压也可 以是电流，输入与 PLC 具有隔离。输入信号的范围可以由 SW1、 SW2 和 SW3 设定。 第 11 页 共 121 页 其具体技术指标见表 2-1。 表 2-1、 EM231技术指标 型号 EM231模拟量输入模块 总体特性 外形尺寸： 71.2 80 62 功耗： 3W 输入特性 本机输入： 4 路模拟量输入 电源电压：标准 DC24V/4mA 输入类型： 0 10V、 0 5V、 5V、 2.5V、 0 20mA 分辨率： 12bit 转换速度： 250 s 隔离：有 耗电 从 CPU 的 DC 5V(I/O 总线 )耗电 10mA 开关设置 SW1 SW2 SW3 输入类型 ON OFF ON 0 10V ON ON OFF 0 5V 或 0 20mA OFF OFF ON 5V OFF ON OFF 2.5V 本系统输入类型为 0 5V，因此开关设置为 SW1(ON)、 SW2(ON)、 SW3(OFF)。 此时，其分辨率为 1.25mv（见 S7-200 编程手册） 其输入数据格式为 : 模拟量到数字量转换器（ ADC）的 12 位读数，其数据格式是左端对齐的，最高有效位是符号 位，对单极性格式，最高位为 0， 0 表示正值数据字，后三位有效数字为 0，这就使得 ADC 计数值每变化 1 个单位，则数据字的变化是 第 12 页 共 121 页 以 8为单位变化的。 以上的分辨率和输入数据格式是把 PLC 采样处理过程中要用到的重要数据。 2.4.3 数字量扩展模块的选型 由于 PLC的输入与输出量较多 ,所以选用与 S7-200配套的 EM223数字量混合模块。 EM223数字量混合模块有 6种类型，包括 24 V 4 点输入 /4点输出， 24 V 4点输入 /继电器 4点输出， 24 V 8点输入 /继电器 8点输出， 24 V 8 点输入/8点输出， 24 V 16 点输入 /继电器 16点输出， 24 V 16 点输入 /16点输出，6 种类型均有隔离，本系统选用 24 V 16 点输入 /继电器 16 点输出，其技术指标见表 2-2。 表 2-2、 EM223技术指标 型号 EM223数字量（ DC输入 /继电器输出）组合模块 总体特性 外形尺寸： 71.2 80 62 功耗： 3W 输入特性 本机输入： 4/8/16路数字量输入 电源电压：标准 DC24V/4mA。最大 DC30V 输入延时：最大 4.5ms 分辨率： 12bit 转换速度： 250 s 隔离：光隔离， AC500V,1min。 4点 /组 电缆长度：不屏蔽 350m，屏蔽 500m 第 13 页 共 121 页 输出特性 本机输出： 4/8/16路数字量输出 输出电压： DC5 30、 AC5 250V 输出电流： 2.0A/点 输出延时：最大 10ms 分辨率： 12bit 转换速度： 250 s 隔离：光隔离， AC500V,1min。 4点 /组 电缆长度：不屏蔽 150m，屏蔽 500m 耗电 从 CPU 的 DC 5V(I/O 总线 )耗电 40/80/150mA 2.4.4、 PLC与输入输出模块的连接 西门子 S7-200 系列 PLC 模块化设计，可使用户根据自己控制目的和I/O 控 制点数，选择相应模块。本系统选择 CPU226, EM223, EM231 模块，它们之间的连接通过模块上的数据线和数据线槽连接如图 2-5 所示，整个PLC和膜块将安装在 DIN轨道上。 图 2-5CPU 与模块连接示意图 2.4.5 人机交互设备的选型 根据需要，在地上控制室和井下控制室中要具有人机交互设备，地上控制室采用上位机，井下控制室中采用与 SIMATIC PLC 配套的 TD200操作员界面，其可以实现人机交互功能，且价格低，占用空间小，可与 PLC同时安装在同一操作盘上，显示从 S7-200CPU 读 来的信息。 TD200可以单独供电，也可由 S7-200CPU 通过 TD/CPU 电缆供电。图 2-5为 TD200的界面示意图 第 14 页 共 121 页 图 2-6、 TD200的界面示意图 2.4.6 系统各模块的 I/O或功能键配置 按照系统要求及所选模块，系统各模块的 I/O或功能键配置如下： 1、 PLC（ 3、 4号站） : （ 1）、输入数字量： 电动控制 /自动检测控制模式开关（ 1个） 流量、转速高速脉冲输入（ 6个） 水泵起动（降压起动）与停止开关（ 6个） 电动阀开与关限位开关（ 24个） 报警器复位开关（ 1个） （ 2）、输出数字量： 电动、自动模式信号灯（ 2个） 水泵起动（降压起动）与停止（ 6个） 阀开与关（ 27个） 3台泵故障报警器（ 3个） 补水仓液位不足故障报警器（ 1 个） 故，需 2个 16 点输入 /继电器 16 点输出 EM223数字量混合模块。 （ 3）、输入模拟量： 1 、 3号站 第 15 页 共 121 页 输入主水仓、补水仓液位（ 2个） 1、 2、 3号泵轴承处温度（ 3个） 1、 2、 3号泵排水口压力（ 3个） 1、 2、 3号泵吸水口负压（ 3个） 故，需 3个 EM231模拟量输入模块 2 、 4号站 4、 5、 6号泵轴承处温度（ 3个） 4、 5、 6号泵排水口压力（ 3个） 4、 5、 6号泵吸水口负压（ 3个） 故，需 3个 EM231模拟量输入模块 2、 TD200文本显示（ 1号站）功能键（总共提供 8个）： 显示主水仓液位（ 1个） 显示 1、 2、 3号泵的信息（ 3 个） 显示 1、 2、 3号泵分配阀开关信息（ 3） 3、 TD200文本显示（ 2号站）功能键（总共提供 8个） 显示 4、 5、 6号泵的信息（ 3 个） 显示 4、 5、 6号泵分配阀开关信息（ 3） 2.4.7 电源计算 表 2-4、 3、 4号站 PLC电源预算 CPU电源预算 5V DC 24V DC CPU226.AC/DC/继电器 1000mA 280mA 减 系统要求 5V DC 24V DC 3EM231,5V电源需求 3 10=30 mA 2EM223,5V电源需求 2 150=300 mA 第 16 页 共 121 页 DC32输入 32 4 mA 128 mA TD200文本显示器 500mV（ P-P） （测试条件：发讯齿轮，齿数为 60，材料为电工钢，模数为 2，传感器端面距齿顶 1mm）。信号幅值大小，与转速成正比，与端面和齿顶间隙的大小成反比。 则： f n (2) 磁阻式转速脉冲转换电路： 磁阻式转速脉冲转换电路如图 3-9所示 第 30 页 共 121 页 5.1k5.1kDBGBGBG240P10K2.2K5.1K100 100 10k5.1k2.2k10k+12vU0传感器线圈10123图 3 - 9 磁 阻 式 转 速 脉 冲 转 换 电 路传感器的感应电压由 D1 管削去负半周，送到 BG1 进行发大，再经BG2组成的射极跟随器，然后送入由 BG3和 BG4组成的射极耦合触发器进行整形，这样就得到方波输出信号。 （ 3） 传感器安装： 如图 3-8，把永久磁铁套在电动机与水泵连接的轴上。 6) 温度传感器 : 测量温度的传感器归根结底是热电式传感器，即把温度变化转换为电量变化。在各种热电式传感器中，主要有热电偶（即把温度量转换为电势大小的热电式传感器）、热电阻（即利用感温电阻，把测量温度转化成测量电阻的电阻式测量系统，它是利用热电阻和热敏电阻的电阻率温度系数而制成温度传感器，大多数金属导体和半导体的电阻率都随温度发生变化，都称为热电阻）、晶体管和集成温度传感器（即利用 pn结的伏安特性与温度之间的关系研制成的一种固体传感 器）。其性能比较如表 3-6 表 3-6、温度传感器性能比较 传感器类别 测温范围（） 精度（） 直线性 重复性 灵敏度 铂测温电阻 -200 600 0.3 1.0 差 0.3 1.0 不高 第 31 页 共 121 页 热电偶 -200 1600 0.5 3.0 较差 0.3 1.0 不高 双金属片 -20 200 1 10 较差 0.5 5 不高 热敏电阻 -50 300 0.2 2.0 不良 0.2 2.0 高 半导体管 -40 150 1.0 良 0.2 1.0 高 集成温度传感器 -55 150 1.0 优 0.3 高 本系统是测量水泵轴承处的温度，大约是 0 100之内，从测量范围、精度、直线性、重复性和灵敏度综合方面考虑，本系统选用集成传感器，在集成传感器中 AN6701s 型温度传感器具有很高的灵敏度，且价格便宜。故本系统选用 AN6701s 型温度传感器。 (1) 集成传感器工作原理： 12 21 21be-I I RT TRVuu图 3 - 1 0如图 3-10所示，一只晶体管的发射极电流密度 Je可用下式表示 Je 1/a Jsln(qUbe/kT) 1 式中： a 共基接法的短路电流增益； T 绝对温度； Js 发射极饱和电流密度； k 波尔兹曼常数（ 1.38 10-23J/K） ; 第 32 页 共 121 页 q 电子电荷（ 1.59 10-19C）； Ube 基、射极电位差。 通常 a 1， JeJs,将上式简化、取对数后得 Ube=kT/qln(aJe/Js ) 如果图中两晶体管满足下列条件： a1 a2， Js1 Js2， Je1/Je2为常数（是 Q 1， Q2发射极面积比因子，由设计和制造决定，为一常数），则两晶体管基、射极电位差 Ube之差 Ube（ R1两端之压降）为 Ube= Ube1 Ube2=kT/qlny 可 见， Ube正比于绝对温度 T。 (2)AN6701s型温度传感器： 1AN6701s型温度传感器结构原理框图如图 3-11。 温度补偿调节部分运放感温部分图 3 - 1 1 、 A N 6 7 0 1 s 温 度 传 感 器 结 构 原 理 图-+1243AN6701s型温度传感器由感温部分，温度补偿调节部分和放大器组成。 外部校正电阻 RC接 3、 4 脚，从 1、 2 脚输出 110mv/的测温信号，它的经常使用范围为 -10 80。 2输出反转电路如图 3-12 第 33 页 共 121 页 A N 6 7 0 1 sR R1 0 0 KV1 0 0 K1 0 K1 5 V1234c+-OUT1 0 K图 3 - 1 2 、 输 出 极 性 反 转 电 路（ 3）、测点布置： 在轴承座上部打一小孔，感温元件放在小孔中。 3.2 阀的选用 3.2.1 阀清单： 阀 主排水阀 分配阀 排气阀 代 号 Df1 Df2 Df3 数 量 6 18 6 类别 电动阀 电动阀 电磁阀 3.2.2 阀的选用 （一）电磁阀： 电磁阀用于水泵的排气阀，即电磁排气阀。 1、电磁阀结构： 电磁阀由线圈，固定铁芯，可动铁芯及阀体等组成。其结构如图 3-13所示。 第 34 页 共 121 页 线圈引出线固定铁芯线圈弹簧可动线圈阀图 3 - 1 3 、 电 磁 阀出口入口2、电磁阀工作原理： 线圈断电时，可动铁芯受弹簧 弹簧力作用与固定铁芯脱离，阀门处于关闭状态；当线圈通电时，可动铁芯克服弹簧弹簧力作用与固定铁芯吸合，阀门处于打开状态。 本系统选用江阴市电磁阀厂出品的 ZCZ 型电磁阀， ZCZ 型电磁阀有工作电压为 24VDC量程 0 1.6Mpa不同口径的多种型号，根据现场需要选用不同型号的电磁阀。 (二 )、电动阀： 电动阀用于水泵的分配阀、排水阀，即电动分配阀、电动排水阀。 电动阀电动驱动装置主要由电动机、减速器组成。 本系统选用天津第二通用机械厂出品的 ZD 型电动阀。根据现场需要选用不同口径不同规格的电动阀。 3.3 其它外部设 备的选用 3.3.1 继电器 本系统用到的大多是直流继电器，其中交流接触器、时间继电器等现场已经具备，如水泵电机的降压起动用。所以只需选用 PLC 和电控过程中所用到的直流继电器。由于现场所用的电动阀，电磁阀规格不同，所以继电器的选用也不同。根据主电路参数、控制电路参数、辅助电路参数及电寿命和使 第 35 页 共 121 页 用类别来综合决定继电器的选用。 JZ 系列继电器提供了多种规格的交、直流继电器。并且厂家还根据用户的需要提供相应的继电器，本系统拟选用 JZ系列继电器。 3.3.2 报警器 选用工作电压为 24V 的压电式蜂鸣 器，报警器没有过多的要求，现场根据需要自己购买任意型号的报警器。 3.3.3 信号灯 选用工作电压为 24V 的信号灯，同样其也没有过多的要求，现场根据需要自己购买任意型号的信号灯。 3.3.4 按钮 选用工作电压为 24V 的按钮，同样其也没有过多的要求，现场根据需要自己购买任意型号的按钮。 3.3.5 电源 现场只提供了 AC380V 电源和 AC220V 电源，而控制系统（ PLC 提供的直流电不够用见第二章 PLC电源预算）和传感器用到的是直流电源，故需 AC/DC转换模块。 本系统选用北京万众机电 设备有限公司出品的 AC/DC模块式开关稳压电源 ,其内置美国或日本公司产的工业级电源模块，具体性能见厂家的厂家的产品性能介绍。控制系统电源选用 AC380V/DC24V 型号，功率根据现场而定。传感器电源据各传感器所需选用不同的型号。 第 36 页 共 121 页 第四章 泵控系统的软件设计 PLC 泵控系统采用德国西门子公司的 STEP 7-Micro/WIN 32 软件包进行编程，该软件包是基于 Windows 的应用软件。程序可以用编程器直接对 PLC进行编程，但这时只能使用语句表进行编程。本系统通过 PC 机运用 STEP 7-Micro/WIN 32 软件编写程序用梯形图或语句表来编写，编好的程序，通过PC/PPI电缆串行通信，下载到 PLC，由 PLC执行控制程序。 因泵控系统用到 TD200 文本显示器，在编程前必须先按控制要求组态TD200，得到需显示的消息及消息的各种数据及参数地址，它是程序的编制重要原始数据。 4.1 泵控系统的 TD200 组态 STEP 7-Micro/WIN 32提供了一个组态“向导”（ Wizard），它便于在 S7-200 CPU 数据储存区中组态参数块和信息。在完成选择项的选择和信息的建立之后， TD200 组态向导就自 动的把参数块和信息文本写入数据块编辑器内。然后数据块将下载到 CPU。 TD200的组态包括以下内容： 1、 选择语言和字符集 2、 启用 Time-of-Day、 Force 功能和口令保护 3、 确定功能键存储位和显示更新速率 4、 选择消息的长度和消息的数量 5、 指定参数块地址、消息使能地址和消息位置 6、 建立消息 4.1.1 TD200 组态过程： 1、选择语言和字符集 TD200支持中、英、德、法、意、西种语言以及 Latin、 original TD200等字符集。本系统采用英文文及 original TD200 字符集。组态时的界面如图 4-1所示。 第 37 页 共 121 页 图 4-1、 TD200选择语言和字符集组态界面 2、启用 Time-of-Day、 Force功能和口令保护 本系统启用 Time-of-Day 菜单及 Force 菜单，实际操作 TD200 时可以访问相应的菜单，为方便操作，本系统未设置口令保护。组态界面如图 4-2所示。 图 4-2、 TD200启用 Time-of-Day、 Force功能和口令保护组态界面 3、确定功能键存储位和显示更新速率 TD200功能键的标志字节地址默认为 PLC的 M存储器，每一个功能键（ F1F8）都必须设定一个位地址，即便在 PLC程序种不使用该功能键，也要保留该功能键的位地址。本系统中设置 TD200 功能键的标志字节地址为 M2，则F1 F8 键的位地址分别为 M2.0 M2.7，显示更新速率决定 TD200 为显示消 第 38 页 共 121 页 息需多长时间轮询一次 CPU。本系统中 TD200 的显示更新速率设置为默认的“ As fast as possible”。上述内容的组态如图 4-3所示。 图 4-3、 TD200确定功能键存储位和显示更新速率组态界面 4、选择消息的长度和消息的数量 TD200 最多可以显示 80 条消息，可供选择的消息长度有 20 或 40 个字符两种方 式，本系统根据需要选择 40 字符方式，显示的消息数量为 19 条（ 1号站）和 18条（ 2号站）。其组态界面如图 4-4所示。 图 4-4、 TD200选择消息的长度和消息的数量组态界面 5、指定参数块地址、消息使能地址和消息位置 TD200参数包含了 TD200的组态消息，为了在 PLC的 CPU 和 TD200之间建立一个接口，必须在 PLC 的 CPU 数据存储区（ V 存储区）中生成。消息使能 第 39 页 共 121 页 标志的起始字节决定了 V存储器里消息使能标志开始的位置，消息起始字节决定了 V存储器里第一条消息的起始位置。本系统中，参数块地址、消息使能地 址分别采用缺省值 VB0 和 VB12,消息起始位置为 VB200。其组态界面如图 5-5所示。 图 4-5、 TD200指定参数块地址、消息使能地址和消息位置组态界面 6、建立消息 TD200的消息可以分成四种：第一种为不要求确认、不允许编辑，只有文本的消息；第二种为需要确认、不允许编辑的消息；第三种为不要求确认、允许编辑的消息；第四种为需要确认、允许编辑的消息。 TD200以十进制形式显示全部数值。在把数据嵌入文本消息时，必须在消息中为数据值和信息留有空间。格式信息告诉 TD200如何显示和编辑数据值，它要求在消息中有 2个字符的空间。除此之外，还要求 2 个字符空间（共计4个字符）；双字或实数（浮点）除格式信息外还要求 4个字符的空间（共计6个字符）。在格式化嵌入数据值的对话框中，可以指定一个嵌入数据的数据类型、格式和显示特性；可以选择消息是否需要确认，数据值是否可以编辑和编辑是否需要口令；还可以选择小数点右边的位数，为数据显示提供定位。图 5-6为一个典型的包括文本和嵌入数据值的消息组态界面。该消息嵌入的数据为不可编辑的，有符号的整型数，显示时，根据需要定义小数点后保留 第 40 页 共 121 页 位数。 图 4-6、 TD200建立消息 组态界面 4.1.2 TD200组态结果 本系统根据泵控系统要求，按照以上组态的原则，得到了 TD200功能键定义、消息内容、消息使能位和消息参数地址。这是 PLC 泵控系统软件开发中实现人机交互的主要依据。起组态结果如表 4-1、 4-2 所示。 1、 1号站： 表 4-1泵控系统的 TD200（ 1号站）功能键定义明细 键名 功能 标志位 F1 显示 1号泵的温度、压力、负压、流量、转速 M2.0 F2 显示 2号泵的温度、压力、负压、流量、转速 M2.1 F3 显示 3号泵的温度、压力、负压、流量、转速 M2.2 F4 1 号泵分配阀开启状况 M2.3 F5 2 号泵分配阀开启状况 M2.4 F6 3 号泵分配阀开启状况 M2.5 F7 显示主水仓液位 M2.6 F8 未定义 M2.7 表 4-2泵控系统的 TD200（ 1号站）显示消息内容及组态参数明细 第 41 页 共 121 页 消息 消息内容 消息中参数地址 消息使能位 1 1 Temperature:#.#c VW216 V12.7 2 1 Pressure:#.#Kpa VW233 V12.6 3 1 Flux:#.#l/min VW249 V12.5 4 1 Vacuum:#.#Kpa VW271 V12.4 5 1 Rotate: #.#r/min VW291 V12.3 6 2 Temperature:#.#c VW316 V12.2 7 2 Pressure:#.#Kpa VW333 V12.1 8 2 Flux:#.#l/min VW349 V12.0 9 2Vacuum:#.#Kpa VW371 V13.7 10 2 Rotate: #.#r/min VW391 V13.6 11 3 Temperature:#.#c VW416 V13.5 12 3 Pressure:#.#Kpa VW433 V13.4 13 3 Flux:#.#l/min VW449 V13.3 14 3Vacuum:#.#Kpa VW471 V13.2 15 3 Rotate: #.#r/min VW491 V13.1 16 #is open in 1 VW502 V13.0 17 #is open in 2 VW522 V14.7 18 #is open in 3 VW542 V14.6 19 Water level:#.#cm VW574 V14.5 2、 2号站： 表 4-3泵控系统的 TD200（ 2号站）功能键定义明细 键名 功能 标志位 F1 显示 3号泵的温度、压力、负压、流量、转速 M2.0 F2 显示 5号泵的温度、压力、负压、流量、转速 M2.1 第 42 页 共 121 页 F3 显示 6号泵的温度、压力、负压、流量、转速 M2.2 F4 4 号泵分配阀开启状况 M2.3 F5 5 号泵分配阀开启状况 M2.4 F6 6 号泵分配阀开启状况 M2.5 F7 未定义 M2.6 F8 未定义 M2.7 表 4-4泵控系统的 TD200（ 2号站）显示消息内容及组态参数明细 消息 消息内容 消息中参数地址 消息使能位 1 4 Temperature:#.#c VW216 V12.7 2 4 Pressure:#.#Kpa VW233 V12.6 3 4 Flux:#.#l/min VW249 V12.5 4 4 Vacuum:#.#Kpa VW271 V12.4 5 4 Rotate: #.#r/min VW291 V12.3 6 5 Temperature:#.#c VW316 V12.2 7 5 Pressure:#.#Kpa VW333 V12.1 8 5 Flux:#.#l/min VW349 V12.0 9 5Vacuum:#.#Kpa VW371 V13.7 10 5 Rotate: #.#r/min VW391 V13.6 11 6 Temperature:#.#c VW416 V13.5 12 6 Pressure:#.#Kpa VW433 V13.4 13 6 Flux:#.#l/min VW449 V13.3 14 6 Vacuum:#.#Kpa VW471 V13.2 15 6 Rotate: #.#r/min VW491 V13.1 16 #is open in 4 VW502 V13.0 17 #is open in 5 VW522 V14.7 第 43 页 共 121 页 开始 开始 18 #is open in 6 VW542 V14.6 4.2 系统的 PLC软件设计 本系统通过 PLC编程实现对系统的远程控制 /自动控