基于西门子PLC的水塔供水控制系统设计毕业论文.doc

图书分类号：密 级： 毕业设计(论文)基于西门子plc的水塔供水控制系统设计design of water supply control system for water tower based on siemens plc 毕业设计(论文)学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日ii摘要供水系统与人们的生活息息相关，已有气压罐供水、水塔供水等传统供水方式效率低下、自动化程度低、可靠性差。因此有必要利用plc自动化技术设计一种自动化程度高、供水质量好、可靠性高的水塔供水系统。本文采用s7-200系列西门子plc作为控制核心，根据小区楼层高度和用水量选择合适的水泵电机。通过液压传感器lh-131检测水塔中水位的压力并与设定值比较，经过plc内部的pid算法进行运算来控制mm440变频器的调速频率，从而改变水泵电机y90s-2的转速，驱动水泵向水塔供水，根据用户的用水量不同向水塔提供不同水量，保证供水系统中的水压恒定。系统通过step7-micro/win软件编程，实现了自动手动的切换功能，上下限位保护功能以及状态显示和报警功能等。这种由plc控制的变频调速恒压供水电路，不仅操作简单方便，稳定可靠，而且灵活性高，维修工作量小。关键词 恒压供水；西门子plc；变频器 ；液位传感器abstractwater supply system has a great deal with peoples lives, the existing water supply, such as air pressure tank, water tower water supply and other traditional methods, having the feature of low efficiency, low degree of automation and poor reliability. therefore, it is necessary to use plc automation technology to design a system with the high degree of automation, high quality and high reliability.in this paper, the siemens s7-200 series plc is used as control core. suitable water pump is selected according to the floor height and water consumption. through comparing the pressure of the water tower water level detected by the hydraulic sensor lh-131 with the setting value, the plc will control the speed frequency of mm440 inverter by pid algorithm in order to change the speed of pump motor y90s-2. the pump is driven by motor to supply water to the water tower. and the water tower is provided with different water yield according to water demand, ensuring the constant pressure of the water supply system. manual and automatic switching function is realized by step7-micro/win programming of the software, along with the upper and lower limiting protection function, status display and alarm function. the frequency speed constant pressure water supply circuit which is controlled by plc, not only the operation is simple and convenient, stable and reliable, and flexibility is high, the maintenance workload is small.keywords constant pressure water supply siemens plc frequency converter liquid level sensor毕业设计(论文)目 录摘要iabstractii目 录i1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2恒压供水的发展现状21.3供水系统的研究现状31.4 恒压供水的实现42 供水系统工艺分析与方案选择62.1 供水系统的工艺要求62.1.1供水规模分析62.1.2水塔外观设计62.2方案论证与选择72.2.1 控制方式的选择82.2.2 调速方式的选择92.3 系统器件的选型102.3.1plc的选择102.3.2水泵电机的选择112.3.3 变频器的选择112.3.4液位传感器的选择132.3.5其他元器件的选择143 硬件系统设计173.1主电路设计173.1.1主电路原理图173.1.2控制功能实现173.2 plc控制电路设计183.2.1plc原理图183.2.2i/o端口分布193.2.3控制功能实现193.3元器件的排布接线设计203.3.1元器件的电箱排布设计203.3.2控制面板安置图设计213.3.3元器件连接配线设计214 软件系统设计234.1 plc程序设计234.1.1pid指令编程244.1.2主电路运行程序控制294.2系统软件的监控软件设计334.2.1plc与上位机通讯344.2.2组态王与s7-200通讯344.2.3用户界面模块344.2.4制作图形画面35结论37致谢38参考文献39附录4091 绪论随着经济的发展，人们对越来越重视对资源的利用，特别是水资源和电力资源的使用问题。城市人口增多加上人们对城市供水的质量、数量、经济性、稳定性等方面都提出了更高的要求。据统计，我国人均用水量在逐年上升，有些城市出现了缺水现象。由于供水不足和供水质量下降，给城市工业以及居民生活带来了极大的不便。1.1 课题研究的目的和意义影响城市供水质量的主要原因是供水厂原有的供水系统比较落后，如只是简单地通过接触器-继电器控制，人工手工操作来控制全部机组的运行。通过接触器和继电器以及一些按钮开关来控制主电路中电机的启停，由于人手工控制难以对水位变化做出准确控制，一般只能用在供水要求低的场合，而不能满足居民的供水要求。水塔供水是目前常见的供水方式，在水塔供水的发展过程中，有用接触器-继电器通过手动操作控制的，见图1-1。通过手动的方式控制水泵电机的启停和电磁阀的开度，同时还增加了上下限位的报警功能。图1-1 手动控制供水示意图也有利用单片机或plc进行自动化控制的，但目前的水塔供水方式主要是依赖水塔中水位的限位开关进行调节供水，通过设定上下位水位开关来控制主电路中水泵电机的启停，见图1-2。s1、s2分别是检测水塔内水位上限和下限的模拟开关，s3、s4分别是检测水池内水位上限和下限的模拟开关。y是控制水池注水的电磁阀。图1-2 自动上下限位供水模型由于上下限位范围大，所以管网水压时小时大，而且水泵的不断的启动所产生的转矩冲击和对电网的冲击是很大的。这种供水方式也满足工业生产供水的需要，但是供水质量一般。还有一些无塔的供水方式，如利用调节阀门的开度来控制水量的供水方式。通过控制调节阀门的开度来提供用水，这种方法虽然简单，但也有许多缺陷，如造成能量的浪费，当所需用水减少时，阀门开度减小，但电机仍工频运转，此时很大一部分能量阻挡在阀门挡板之外。而且电机启动时间较短，管内流量从零增长到所需流量就会造成管网欠压或者过压，严重时还会使水管破裂，产生所谓的“水锤效应”，造成很大的安全隐患。本文采用水塔恒压供水方式，通过液位传感器检测水压信号，通过plc控制变频器输出频率，控制水泵电机的转速，使水塔中水压恒定，实现恒压供水。这种供水方式比传统的手动供水方式更加的灵活方便，供水更加稳定可靠。和上下位控制的水塔供水相比，多了变频器控制电机，采用变频调速从转速零开始慢慢启动，逐渐升压升速，不仅节约电能，而且承担了软启动的任务，使得电机更加平稳的运行，并且在水塔水压变化范围小，使得居民使用水时水压变化小，供水质量提高。本文供水方式和无塔的调节阀门开度的方式相比，虽然增加了建设成本并且增加了水塔的建筑面积，但有塔较无塔而言，响应快，不会出现“水锤效应”，在电机或控制系统出现故障时，仍能维持一段时间，更加安全可靠稳定1。因此，需要把传统的供水系统改造成自动化恒压控制来改善供水现状，这一研究主要通过plc控制变频调速，除了变频器还借助了液位传感器、上下水位开关、接触器等元器件组成了一个闭环控制的回路，在保持手动的功能下增加了许多其他的功能，如自动功能、状态显示功能、保护报警功能等。对水资源的利用有着重要意义。plc通过与上位机通讯，时时把数据传给上位机，实现现场监控，大大提高了供水的安全性和可操作性。通过对传统供水方式的改进，更好地满足了居民们供水的需求。变频恒压供水系统主要可以在以下场合使用：（1）小区供水。这类水塔恒压供水变频控制的电机功率相对较小，主要可以给农村供水，6层以下小区楼宇居民供水，控制系统简单。这类用户群在我国分布较大，也是水塔恒压供水的主要服务对象。（2）高层楼宇供水。这类水塔恒压供水变频控制的电机功率相对较大，主要给城市6层以上高楼居民供水。不过随着社会的发展，城市楼宇建设得越来越高，给水塔高度也提出了新的要求，这类水塔大多建设在地势高处，以减少水塔可能因为水压不足而增加的建设成本。（3）工业供水。这类水塔恒压供水变频控制的电机功率根据工厂规模大小和用水量而定，一般使用功率相对中等的电机。1.2恒压供水的发展现状目前国外恒压供水方式主要利用一台变频器拖动一台电机进行供水，当所需供水量大时往往需要配备几台变频器，因而投资成本大。随着plc技术的发展，变频恒压供水技术得到了很大的改善，在此基础上，国内外开发了很多新型的恒压供水方式，不但节约了投资，还大大改善了供水质量。目前国内外主要恒压供水的方式有如下几种类型。（1）专用供水变频器。针对传统变频器调速方式的不足，很多公司推出了带有pid功能的变频器，这些变频器将pid控制器集成在变频器内部，可不用连接plc或pid控制器直接进行闭环控制，而且自带pid功能的变频器不仅优化了算法，还是水位调节更加稳定平滑。这类变频器在功能上比传统的变频器功能强大，但价格也要略高一些，但价格比通用变频器加上pid控制器低，所以集成pid控制的专用供水变频器节约了成本，提高了生产效率，节省了安装时间。但只用专用变频器作为控制器恒压供水就少了很多其他的i/o接口，失去了很多附加功能，接口的拓展失去了灵活性，与其他监控系统和组态软件难以形成良好的通讯，如本文所用的监控软件组态王。并且限制了负载的容量，大大减小了使用范围。（2）专用恒压供水控制器。这类控制器主要利用单片机、fpga等微处理器作为控制核心，与传感器、变频器等设备组成控制回路。这些控制器提供了强大的控制功能，有pid算法功能，模糊控制功能，状态显示和检测功能等。并且支持多种通讯，如rs-485、lan、无线传输等。比如博格朗公司的db4000系列控制器，它采用双cpu结构设计和模糊控制算法，最多能实现对5个水泵进行控制，提供的控制宏多达9种，既能用于居民生活用水的控制，也能用于消防供水控制2。但微处理器控制虽然有很强大的功能，但抗干扰性差，可靠性低，不便于维修。(3)带pid回路的plc可编程逻辑控制。这种控制方式通过液位传感器检测水压信号，传送给plc模拟量输入端，通过plc内部的pid指令计算后，把输出信号传给接plc模拟量输出端的变频器，变频器的作用就是为水泵电机提供频率可变的电源，从而实现电机的无级调速，从而使水塔中水位恒定在某值附近，使管网压力趋于设定值，实现恒压供水。并且plc自带许多i/o接口，可根据功能要求接其他输入输出。如输入端可以增加手动/自动切换功能，状态显示功能，上下限位保护功能以及报警功能等，还可以与上位机进行通讯，通过组态软件实现现场监控，使系统运行更加的安全稳定可靠。plc控制不仅抗干扰性强，系统配置也简单灵活，控制系统采用模块化结构更易操作，安装简单维修方便。但plc较单片机价格昂贵，增加了设计成本。1.3供水系统的研究现状 在3和4中，主要解决了系统基本原理和控制方式的选择问题。系统选择恒压控制方式，通过检测水位的实际压力值与压力设定值作比较，通过pid算法控制水泵电机的转速，使水塔中水位趋于稳定。在选择控制器时，比较了目前常用控制方式的利弊，比如单片机控制价格相对较低，功能丰富，但稳定性差，可操作性低。plc虽然价格较高，但实时性好，抗干扰能力强，采用模块化控制结构，简单易操作。综合考虑，决定选用西门子plc。在6中，主要解决了电机启动和变频调速的问题。交流电动机直接启动时会因为启动电流过大而对元器件造成损坏或对电网有冲击，所以选择变频软启动。根据公式n=60f/p(1-s),在不改变极对数和转差率的情况下，通过变频器改变电源频率来改变水泵电机的转速。在8、9、10、11中，主要解决了主要硬件的选型问题。主要包括plc的选型、水泵机组的选型、变频器的选型以及液位传感器的选型。plc选型主要考虑输入输出端口数、是否满足功能实现要求以及价格。水泵机组的选型原则既要确保平稳运行，又要使其处于高效区运行，所以选择时要和系统供水需求量相匹配。选择电机功率时，要满足供水高峰期的需要，实现功能要求。 变频器选择时，在保证实现功能的情况下尽可能减少技术投资，要以结构简单、技术成熟、维修量少为参考指标，选择符合控制要求的变频器。选择液位传感器时，要根据水箱中的最大水压来选择传感器的量程，水箱中液体的高度与液位传感器所测得的压力信号成线性关系，通过检测到的水压信号传送给plc便可检测出实际水位。在12中，主要可以借鉴控制系统需要注意的问题。比如plc的抗干扰问题和i/o设备与plc连接的问题。plc可能因为环境恶劣，或其他连接设备受环境干扰而影响正常运行，所以要选择抗干扰的措施。如将输入信号电缆、电力电缆和输出信号电缆分开布置，和plc连接的电缆应远离电磁辐射等。在13中，主要处理了硬件电路的设计问题。结合本文控制要求，主电路的执行元件为两台水泵电机，其中一用一备，三相交流电通电。通过空气开关、交流接触器、变频器和热继电器与电机连接，从而实现变频调速。通过控制电路来实现主电路的手动/自动功能，上下限位保护功能，变频启动功能等。在14中，主要解决了plc的程序设计思路。该文中主要包括四个模块：按钮处理模块、报警处理模块、变频器给定模块和变频器设定模块。本文参考以上四种功能，外加状态显示模块、pid控制模块和自我保护模块，使系统更加稳定可靠。在15、16中，主要针对恒压控制系统解决了pid算法的实现，通过调节p、i、d三个参数的值，使系统供水能实现较快的动态响应。本文因为对控制要求精度不是很高，所以采用简单的理想模拟pid控制。在17、18中，主要解决了plc的通讯和plc的i/o端口接线问题。plc通过pc/ppi电缆将pc的232接口与plc的485接口连接在一起，实现电脑与plc的通讯。其他元器件与plc的i/o口相连时，考虑电路中电流、信号类别来选择合适的连接线。i/o端口有数字量端口和模拟量端口之分，根据控制要求，选择合适的端口。1.4 恒压供水的实现本文设计内容包括：（1）了解水塔供水系统的基本原理。（2）查阅资料，确定系统总体设计方案。（3）硬件系统设计 ：plc选型、i/o分配、外部接线，接触器、熔断器、按钮等选型和接线，传感器选型，变频器选型及接线。（4）软件系统设计： plc控制程序设计和调试。主要技术路线包括：（1）小型恒压供水系统常用单片机控制，可靠性低。本文采用西门子plc，稳定性高。常规的水位控制还可通过限位开关控制水泵电机的启停，但水压范围大，供水质量差。本文通过压力变送器检测水位，反馈给plc，来控制变频器频率，使得水泵电机无级调速，实现恒压供水。（2）普通电机直接启动，会造成启动电流过大，烧坏元器件。本文采用变频启动。控制电路设计plc各i/o口的接线，包括自动手动切换功能、液位检测和显示功能、报警保护功能、状态指示功能等。元器件的选择要考虑允许通过最大电流。（3）确定i/o表的分配，确定各个输入点和输出点的功能。按控制要求用西门子语言编写梯形图。编程完毕用plc进行仿真，通过观察指示灯确认程序是否正确，反复调试，进行完善。为更好地实现恒压供水功能，系统技术路线还重点包含系统恒压供水方案设计和控制算法设计。恒压供水方案的设计：系统通过出水母管安装的液压变送器，将水压值转换成4-20ma的电流信号传输给plc模拟量输入端viw0，把plc接收到的信号值与水位设定值相比较，通过算法计算出频率值3。通过变频器来改变输出泵的转速来调节水量，使水塔水位稳定在设定值，从而实现恒压供水。控制算法的设计：因为供水系统很难确定具有高阶次、滞后大、非线性且参数易变的数学模型，所以计算控制器参数需要对控制对象参数很明确。而水塔水位控制过程中很多参数易于发生变化，比如：水温、电压等4。用plc自带的pid算法凑试pid参数不需要知道系统模型，并且采用pid闭环控制后可以自动调整对象参数发生变化后的水位。本文针对某小区的水塔供水系统进行研究，具体安排如下：第一章介绍了研究课题的目的和背景，目前供水方式的使用现状，简述了几种常见的供水方式，并介绍了其组成、特点及应用场合，并针对本文供水方式进行了分析，分析了其应用场合和功能实现要求。第二章对本文供水系统进行了工艺分析，对供水对象进行了假设，并以此设计了水塔外观。第三章对系统方案进行了论证与选择，包括控制方式的选择，调速方式的选择，总体方案的设计以及系统器件的选择。第四章进行了系统硬件设计，包括主电路和plc控制电路的设计，以及元器件的排布与接线，并详细说明了控制功能。第五章进行了系统软件设计，包括pid编程的实现，各种控制功能的软件编程，组态王监控软件的设计，plc与上位机之间的通讯等。文章的最后是本文的总结。2 供水系统工艺分析与方案选择2.1 供水系统的工艺要求2.1.1供水规模分析结论本文是针对小区供水的水塔水位控制设计，主要实现了恒压供水的要求。通过液位传感器检测水压得到实际水位，与设定水位比较，通过pid算法实现了闭环控制，pid输出直接控制变频器的频率，从而调整水泵电机转速。本文除了实现了恒压供水的功能外，还增加了很多辅助电路，如手动/自动切换电路、上下限位保护电路、状态指示电路和报警电路等，使整个系统更加安全与稳定。本系统还与上位机连接，通过组态王监控软件，实时对控制系统进行监控显示，使整个系统的运行状态更为直观，大大减少了因现场出现故障不能及时知道并维修诊断而造成的损失。本系统和单片机控制系统相比，虽然成本有所增加，但是稳定可靠。采用水塔控制，使供水能够尽快响应，并且假设现场控制设备都出故障，水塔中的水任能维持一段时间的供水，给维修腾出了时间。采用恒压供水，是为了提高供水质量，是居民们的出水口的水压都能相对稳定。采用了组态王监控，提高了供水系统的可靠性与可观性。整个系统与传统的供水方式相比，有很多优势。本系统不仅可以应用在民用领域还可以应用在工业领域甚至消防领域，比如给工厂设备加工提供水压，比如可以把水塔改造成消防水塔，给灭火提供水源等等。一个水塔往往能服务一片区域，科技正改变着我们的生活，水塔控制的建设成本也在逐步降低，在供水领域还是有不可替代的作用。本文采用的是简单的pid算法，只用比例-积分进行了调节，为了达到更大的精度，可以再设置微分参数。随着自动化控制技术的日新月异，一些新型的算法也相继涌现，如模糊pid控制、智能pid控制等，为达到更高的精度提供了技术支持。液位传感器与plc连接还是有线连接，今后可以用无线通讯技术作进一步改进。另外，本文只是利用组态王进行监控，今后可以利用组态王编程，利用计算机远程监控界面实现对水位的控制，并能自动检测故障并作出相应的处理。当故障计算机自身不能处理时，还可以添加gsm模块发送短信给工作人员，以便工作人员及时维护。设计的不足之处将会在以后的工作和学习中进一步完善。致谢参考文献1任晓娜,王万岗，李林，阮文韬.基于plc和组态王的水塔水位自动监控系统n.20142姚福来，孙鹤旭，杨鹏.变频器、plc及组态软件实用技术速成教程m.北京：机械工业出版社.2010