微机供水监控系统设计.doc

沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 摘摘 要要 随着我国经济的发展，一幢幢高楼拔地而起，对供水系统要求也越来越高。为 了满足人们日常生活的需要，本文设计了微机供水监控系统。该控制系统以西门子 plc 为控制中心，并在 plc 的程序当中运用了 pid 指令。其原理主要是通过 plc 模 拟量模块对现场的水压信号进行采集，与水压的设定值进行比对，通过 plc 的 pid 调节，进而调整变频器的输出频率，调节水泵的转速，进而达到了恒压供水的目的。 此外，该系统还设计了上位机监控部分，监控界面应用亚控组态王软件进行设计， 通过该上位机软件可以有效的将供水现场的情况上传给控制中心或者某个值班室。 使工作人员不必深入供水现场就可以直观的了解到一个甚至多个供水现场的工作状 况，工作人员的效率也就随之提高。 通过多次深入供水设备现场实地考察。事实证明本次设计的微机供水监控系统 可以达到恒压供水的目的，并将现实中的技术更提高了一步。 关键词：恒压供水；plc；组态；变频器 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） i abstract with the development of our national economy, building, water supply for mr mootoo system requires more and more is also high. in order to meet the needs of peoples daily life, this paper designs a microcomputer monitoring system of water. this control system with siemens plc to control center, and in the process of plc using pid instructions. its principle is mainly through plc analog module of the scene of hydraulic pressure signal, and the setting, through the plc and inverter, adjust the pid frequency, adjust the output speed pump, and the constant pressure water supply to the purpose. in addition, this system is designed for pc monitor, monitor and control interface application software design kingview “, through the pc software can effectively will supply site on the condition to control center or a duty. make work personnel are not deep water scene can intuitionistic knowledge to an even more water scene, the work efficiency of the working personnel will increase. through many deep water equipment field investigation. facts prove the design of microcomputer monitoring system can achieve supply of constant pressure water supply, and the technology to improve the more realistic. keywords: constant pressure water supply, plc, configuration , inverter 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） ii 目目 录录 前 言1 1 绪 论2 1.1 课题背景.2 1.2 课题研究意义.3 1.3 课题分析与研究计划.4 1.4 社会经济效益分析.5 2 微机供水监控系统硬件设计6 2.1 硬件模型设计.6 2.2 硬件清单.9 2.3 硬件搭接.10 2.4 变频器.11 2.4.1 变频器硬件部分简介11 2.4.2 变频器参数设定部分13 3 程序设计16 3.1 plc 的发展16 3.2 plc 的特点及应用17 3.3 程序设计分析及流程图.19 3.4 pid 指令.20 3.4.1 pid 算法及 plc 中的 pid 简介.20 3.4.2 pid 指令 20 3.4.3 pid 参数 22 3.4.4 plc 程序构造 .23 3.5 plc 程序编辑24 3.5.1 i/o 分配表及地址说明 .24 3.5.2 plc 程序分析 .25 4 上位机画面设计35 4.1 组态介绍.35 4.2 监控画面设计.36 5 通信41 5.1 plc 与 pc 机通信 .41 5.2 plc 与上位机界面的通信43 6 微机供水监控系统调试46 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） iii 6.1 调试分析.46 6.2 调试中的问题及解决方案46 6.3 调试结果.47 总 结48 致 谢49 参考文献50 附 录51 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 0 前前 言言 水是人类生命的源泉。人们每天都需要大量的水来保证正常的生活。可想而知， 如果一天突然停水，将给人们的生活带来多大的不便。为了人们不会因为水的问题 而烦恼，对供水系统的要求就显得尤为严格。 而如今，在这个科技迅猛发展的时代，各个领域都要求自动化、智能化、信息 化、网络化、标准化和社会化，那么供水系统又怎能没有时代性的变化呢！基于 plc 控制的恒压供水系统正是这个时代变化的一大标志，充分的体现了自动化和智 能化；在此基础上衍生出来的上位机监控系统更会将供水控制系统提升到另一个高 度，将信息化、网络化充分的体现出来。这必将是供水系统的一个阶段性的提升， 更是将来发展的必然趋势。 本文将对微机供水监控系统进行详尽的介绍，并配有个人设计的模型演示，形 象生动。本文中对供水系统模型同样进行了全面的介绍，完全实现了微机供水监控 系统的大体构想，体现了新时代供水系统的信息化要求。 随着国民经济的迅速发展，国家和地方政府更加关注民生问题。而在民生当中 对于生命之源水的关注尤为突出。更是希望供水控制系统能够更加的稳定、实 用。本文便提供了一个可行的控制办法，可供相关工作人员参考！ 由于时间仓促，水平有限，供水控制系统模型和本文中不妥之处在所难免，敬 请各位老师批评指正。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 1 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景课题背景 水作为生命之源一直是人们关注的重要话题之一。水是人们生活、生产中不可 或缺的物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，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。 随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度的不断革 新。大、中、小型城市建设的发展十分迅速，与此同时，人们对基础设施建设也提 出了更高的要求。供水系统的建设就是其中的重要方面之一。供水系统的可靠性、 稳定性、经济性直接影响到人们的正常工作和生活。 传统的供水方式有：水塔高位水箱供水、恒速泵加压供水、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以及单片机变频调速供水系统等方式，这 些控制方式都有其各自的优缺点，接下来进行一一说明： （1）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电 可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起 动，起动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 （2）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，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运 行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态， 爆损现象严重，电机硬起动易发生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 （3）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节 量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电气设备要求较高、系统维护工作量大， 而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水 压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制其发展。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 2 （4）液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率 低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了， 维修方便。 （5）单片机变频调速供水系统可以做到变频调速，自动化程度优于上面 4 种供 水方式，但是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利、电力资源，效率低， 可靠性差，自动化程度不高等缺点。并且一旦发生故障，不能及时发现并采取有力 措施进行解决，严重影响居民和工业系统的用水。 目前的供水方式正朝着高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显 著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等 高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的 恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出。其优越性表现在：一是节能显 著；二是在开、停机时能减少对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是 能减少水泵、电机自身的机械冲击损耗。 1.2 课题研究意义课题研究意义 plc 变频恒压供水系统集变频器技术、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。 而微机供水监控系统能够更好的对被控对象进行实时监控，并将其记录下来， 使工作人员可以更加精准的对每一个泵房现场进行远程监控。如不出现机械故障， 工作人员不必再深入环境恶劣的泵房现场。更为重要的是一个微机监控系统可以同 时监控多个现场，免去了工作人员对泵房进行一一巡查的麻烦，从而提高了工作人 员的工作效率。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 3 1.3 课题分析与研究计划课题分析与研究计划 关于微机供水监控系统设计重点和难点大体分以下三部分： （1）上位机控制关于组态王的程序设计。其中包括：上位机界面的设计，操作 简单及可靠性的设计，以及历史记录与报警情况的设计。 （2）plc 程序的控制设计主要是关于水泵的倒换问题的解决。为完成所期望的 功能和效果，在 plc 控制程序的设计方面就不得不运用多个逻辑关系来进行交替工 作，此处较为复杂。 （3）外部硬件的线路连接。为了能够更好的完成此次设计的模拟过程，外部硬 件的搭接也是不可缺少的一部分。先是外部的电路设计，后是实际操作连接都必须 做到胆大心细。 微机供水监控系统是在以往供水系统的基础上建立起来的更加完善、更加人性 化的新一代供水系统。它结合了以往供水控制系统的变频调速功能，又增加了上位 机的监控功能。使得该供水系统的实用性又有了更高的提升。为了能够将该系统做 到尽善尽美，我将以下四部分做到该系统设计当中： （1）针对供水系统的特殊性，我选择 plc 来作为控制系统的核心控制机构，其 原因在于 plc 工作的稳定性要比单片机好的多，并且可以在环境较恶劣的条件下进 行工作。 （2）为达到节能节水的最终目的，我选择变频器作为辅助控制手段，这样既对 水泵电机起动和停止给予了更好的保护，又达到了节水节能的目的。 （3）为使该系统方便检修，无需停止供水，我设计了外部硬件手动直起功能。 （4）最重要的是为了使供水系统工作人员能够无需深入现场便可了解泵房现场 的工作状态，我设计了基于组态王基础上的上位机监控画面，这样可以大大减轻工 作人员的工作量，提高工作效率。 通过以上的描述，可以用一幅简单的控制关系图来进行表达，如图 1.1 所示。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 4 图 1.1 简易给水控制原理图 1.4 社会经济效益分析社会经济效益分析 在每一座城市中，供水系统都是至关重要的，所以对于控制系统的稳定性的要 求也就极为严格。基于这一点，本次设计采用了 plc 来进行控制，初看每一台控制 柜的成本是有所增加，但是从长远的角度来看，却节省了很多资源。理由如下： （1）plc 的稳定性很高，故障率很低，这就使供水控制系统的维修负担有所减 轻； （2）供水系统采用了变频供水控制系统，使得水资源得以有效的利用，避免了 水资源的浪费，与此同时对电能的消耗也大大的降低了； （3）在变频系统出现故障时，无需停止供水，维修方便。这就减少了由于供水 系统某一小部分发生故障而导致停水情况的发生； （4）本次设计当中使用上位机监控系统，减少了工作人员的投入，节省了人力， 同时提高了效率。 综上所述，本次设计的微机供水监控系统利处颇多。在很大程度上提高了供水 系统的技术水准，增强了供水系统的可操作性，减少了水能电能的浪费。 上位机监控系统 plc 控制部分 自动控制回路 变频器控制 手动控制回路 水泵 水压信号 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 5 2 2 微机供水监控系统硬件微机供水监控系统硬件设计设计 2.1 硬件模型设计硬件模型设计 在该微机供水监控系统中，硬件部分设计是在实际现场中的微机给水控制柜基 础上，进行设计开发的。硬件的搭接过程均本着安全、合理的原则来进行。 本文所介绍的微机供水监控系统是以一拖二（即：有一台控制柜来带动两台水 泵进行工作）的工作方式为例进行设计的。在该控制系统中，共分为两大部分：一 是手动部分；二是自动部分。其中由于手动部分是为了在变频器发生故障是仍可使 控制柜正常工作，水泵正常运行而设计的。所以手动部分要与自动部分分开来进行 控制。为了达到自动部分不能工作手动还可以工作的目的，硬件控制回路的设计就 会相对比较繁琐。而相对于手动部分，自动部分的硬件配置就少了很多。因为自动 部分的控制中心是 plc，对泵的起、停都是由 plc 来进行控制的。整体上来说自动 控制部分主要分为三大块，即：plc、变频器、上位机监控。对于该系统的手动、自 动硬件部分设计，以下将进行详细的介绍。 （1）主控制回路 如下图 2.1 所示为电机主控制回路电路图。图中共由四个交流接触器进行控制。 其中 km1、km3 用于切换 1#水泵的变频控制与手动控制；km2、km4 用于切换 2#水泵 的变频控制与手动控制。之所以运用如此多的交流接触器，就是为了可以自由的改 变 1#、2#水泵的工作方式。在图中不难看出 km1、km2 的作用是用于 1#、2#水泵变 频器切换，km3、km4 的作用是用于 1#、2#水泵的工频切换。为了水泵能够安全稳定 的工作，所以必须注意的是在控制过程中一定要保证 km1、km3 两个交流接触器同一 时间只能够有一个处于工作状态，km2、km4 也是如此。在该电路当中的保护装置是 fr1 和 fr2，它们是两个热保护继电器，当电路中电流过大时可以及时切断电路，以 保护设备。图中 pa1 和 pa2 只是两个电流表，用于测量 1#电机与 2#电机工作时的电 流，以便直观的了解到整个系统的工作状态，及时发现问题。另外，在该图当中还 有一个最为主要的部分便是变频器，本文在 2.4 节将做出详细的讲解。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 6 图 2.1 主控制回路 （2）plc 自动控制电路 如下图 2.2 所示为 plc 自动控制部分的电路接线图。该图中分为数字量和模拟 量两部分。其中数字量使用的是西门子 s7-226，模拟量部分应用的是西门子 em235。在数字量连线的过程中，最值得注意的是输入与输出的电源的选取问题。为 了能够保证该电路的实用性与可行性，数字量的输入部分采用的是西门子 plc 当中 自带的 24v 直流电源。然而数字量的输出部分电源根据所使用的硬件需要，分成了 两部分。其一，前四个交流接触器的工作电压为 220v 交流电压，为了使之能够正常 的工作，故而连接的是 220v 交流电；其二，ka 这个中间继电器是 24v 直流电气元 件，故而连接的是西门子 plc 自带的 24v 直流电。 在模拟量模块的连线过程中，最值得注意的问题为每一组模拟量的连线都必须 应用屏蔽线，以避免外界的各种干扰。对于该 plc 的各控制端子的作用，详见程序 设计部分的表 3.2 所示。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 7 图 2.2 plc 接线图 （3）手/自动控制回路 如下图 2.3 所示为手/自动切换的主要控制回路。在该电路的设计当中必须将控 制过程中的互锁关系理顺清晰，这样才不至于由于电路的设计不当而造成故障。在 下图中不难看出，该硬件控制系统主要分为两部分。一部分为自动控制，另一部分 为手动控制。这两种控制是通过转向开关 sa 来进行切换的。为了能够实现自动部分 的变频切换工频的过程，在电路中使用了 km8 和 km9 来进行切换，如下图 2.3 所示。 结合上图 2.2 不难看出，在自动控制部分主要都是通过 plc 端子输出的信号来进行 控制，电路及其简单。而手动部分则相对较为复杂。首先，由于当系统处于自动控 制时，手动控制必须被切断，这就涉及到一个极为严格的互锁问题。故而分别在 1# 工频、2#工频的主电路中应用了 km1、km2 的常闭触点进行互锁保护。其次，在手动 控制时，plc 程序不在发挥任何效力，因而手动控制就单纯的变成了电气元件的连 接。其中，为了实现零压保护，在电路中 km3、km4 均使用了自锁控制。另外，在该 电路中可以看到，在 1#工频、2#工频的末端都接有热保护继电器的常闭触点，其原 因就是为了实现故障时可以及时切断电路的保护功能，以免发生危险。此外，为了 当变频器故障时，自动控制过程不再运行，在电路中特别添加了 km5 进行进一步的 保护，以切断自动控制回路。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 8 图 2.3 控制电路 2.2硬件清单硬件清单 由于本次设计的微机供水监控系统是毕业设计，硬件模拟部分需要在校完成。 所以本着节省开支的原则，该系统的硬件都是结合实验室的现有资源来选定的。具 体的硬件清单如下表 2.1 所示。 表 2.1 硬件清单 名称型号个数备注 变频器vf62ce1 个 cpu 226cn216-2bd23-0xb81 个siemens(plc) em 235cn235-0kd22-0xa81 个siemens 计算机1 个 电位器1 个05v，用来模拟水压信号 空气开关lg bkm c252 个1p 交流接触器主触点lc1-d06n7 个 交流接触器辅助触点la1-dn11 n7 个 交流接触器jzc1-442 个 中间接触器hh531 个 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 9 指示灯 8 个自动部分：1#、2#变频；1#、2# 工 频各一个 手动部分：1#、2#起动、停止个一个 按钮4 个1#、2#手动起动、停止 两项选择开关1 个手/自动切换使用 单项开关1 个手自动给 plc 信号 电机wdj262 个三相鼠笼式异步电动机 2.3 硬件搭接硬件搭接 根据以上硬件的连线图以及硬件的选型清单，经过一段时间的细心连接，终于 完成了硬件模型部分的搭接。硬件模型如下图 2.4 所示。从该硬件模型中可以看出， 共运用了九个交流接触器。其中，前四个交流接触器是用来对电机的工频与变频工 作状态进行切换的，用以保证电机的正常运行。第五个交流接触器是用于变频器发 生故障时给予 plc 一个报警信号的，从而实现变频器故障报警。而后四个交流接触 器则是用于电机的手自动切换时防止切换不当发生错误的。之所以运用了如此之多 的交流接触器，最终只为一个目的，就是要保证整个硬件控制回路的运行安全。 另外，在正常的应用当中，主控回路中的交流接触器下面应该连接热保护继电 器，对回路进行过流保护，只因实验室条件制约，故而没能对此进行硬件模拟。但 在实际的应用当中是必须使用的，以保证工作的安全性。 图 2.4 硬件模型 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 10 2.4 变频器变频器 变频器在本次的系统设计中起着举足轻重的作用。所谓的恒压供水、变频调速 就是通过变频器来实现的。它不仅能调频改善供水系统的稳定性，还可以在水泵起 动的时候减轻对水泵的损耗，从而延长水泵的使用寿命。 根据实验室的现有资源，故而选用的变频器是实验室已有的 vf62ce 系列变频 器。它是按照国际标准设计、开发、制造的，具有高品质、多功能、低噪声等优点。 并且可以完成恒电压控制、停电在起动、死区补偿、自动转差补偿、在线修改参数 等功能。 2.4.1 变频器硬件部分简介变频器硬件部分简介 本次所应用的变频器的型号为 vf62ce-3r744，该型号的具体含义说明请见图 2.5 所示。 vf62c e 3r7 44 输入电源：44：3ph/380v- 440v 最大适用电机功率 通用型 系列号 图 2.5 变频器信号说明 在该系统设计当中变频器连线图如图 2.6 所示，只有一一按照连线图上的连线 方式进行连接，才能保证变频器运行的安全性和准确性。其中，在本次系统设计当 中硬件部分变频器的连线分为两部分，一部分是主电路的连线，在主电路中须将 r、s、t 变频器电源线与 380v 三相交流电连接好，以保证变频器的正常工作。此 外，u、v、w 电机电源线也是必须连接的好，以免输出缺相发生变频故障。另一 部分就是端子的连线方式，下面将做出详尽的介绍。 为了达到自动的目的，此次微机供水监控系统的变频器部分采用端子控制，以 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 11 便能够通过 plc 对变频器的工作进行控制与调节。其中通过变频器的 05v 模拟量 输入端子 v2、gnd 控制变频器的输出频率。而变频器的实时频率也是通过 05v 的模拟量输出频率送入 plc 模拟量扩张模块 em235 当中去的，之所以选择 05v 这个区间而不是 010v 或者 420ma 是由于在实际应用当中，大多数的泵房现场 能够采集的模拟量信号都是远传压力表来实现的。而使用 05v 模拟量较为方便。 有了以上的连线才能够保证变频器的运行时通过 plc 来进行控制的，故而该变频器 需要连接的线除了三线电源线和电机线外，还要将端子上的 sf、cm，v2、gnd，fm、gnd；ta、tc 八个点都连接好。其中为了避免外界磁 场对模拟量信号的干扰，对于 v2、gnd，fm、gnd 这两组模拟量信号线都需要使 用双心屏蔽线进行连接。 图 2.6 vf62ce 系列通用变频器接线图 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 12 2.4.2 变频器参数设定部分变频器参数设定部分 （1）变频器的控制面板及使用方法 vf62ce 系列变频器的控制面板键盘由 5 位 led 数码管监视器、发光二极管指 示灯、操作按键、面板电位器等组成，如图 2.7 所示。 图 2.7 控制面板键盘各部分名称及说明 该变频器键盘上共有 5 位 8 段红色 led 监控器，用来显示运行状态、功能代码、 参数值、故障码等。指示灯共有两个，其中 run 指示灯当变频器处于运行状态时会 被点亮；err 指示灯当变频器发生故障或错误时就会被点亮并且闪烁。对于变频器 面板上的各个按键的功能必须要牢牢掌握，以便在参数的设定过程中可以准确无误 的将需要的参数设定正确。使变频器可以按照预想的状态进行工作。以下表 2.2 是 变频器键盘的功能表。在调试前一定要明确变频器键盘上每一部分的功能。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 13 表 2.2 按键功能表 按 键名 称功 能 转换键 在直接显示状态下，按此键进入功能组选项，在按一次退回直接显示状态。 在参数设置状态下，按此键退回上一级状态。 增加键 在功能组状态下，对功能组选项（基本功能 b 组、扩展功能 e 组、pid 专用 p 组）进行选择操作。 在功能代码状态下，对功能代码进行向上选择操作。 在参数值状态下，对参数值进行增加设定值操作。 变频器控制面板直接设定频率运行时，进入参数 b-000 的设置状态，按该键可 即时增加输出频率。 减小键 在功能组状态下，对功能组选项（基本功能 b 组、扩展功能 e 组、pid 专用 p 组）进行选择操作。 在功能代码状态下，对功能代码进行向下选择操作。 在参数值状态下，对参数值进行减小设定值操作。 变频器控制面板直接设定频率运行时，进入参数 b-000 的设置状态，按该键可 即时减小输出频率。 存储键 在直接显示状态下，按此键进入功能组选项。 在其他状态下，按此键确认选项或数据，并把设置数据存入 e2prom 中，可长 期保存。 运行键用控制面板控制时的起动命令键，在按下该键并释放时，发出运行指令，变频 器将按设定的加速时间加速运行。 停止/复位 键 用控制面板控制时的停机命令键，在按下该键并释放时，发出停机指令，变频 器将按设定的减速时间减速停机。 变频器由于故障跳闸时，用该键对变频器进行复位。 对于变频器除接线必须正确以外，另一个非常重要的部分就是对变频器参数的 设定。这关系到变频器能否按照预先所设计的方式进行工作。但在参数的设定过程 fun set run stop 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 14 中，可以发现实际上有很多参数都无需设定，使其处于出厂值即可。这就需要操作 人员对每一个参数一一进行分析与设定。以下将本次微机供水监控系统中变频器所 需要设定的参数列于表 2.3 中，以便大家查阅。 在该系统中面板选择的参数 b-001 设定极为重要。其原因在于如果该参数设定 不对，变频器的 plc 控制就无从谈起，更不能实现之后的一系列的变频控制了。其 次，参数 b-004 也同样很重要，它用于设定变频器的频率设定，当然这是根据采集 水压的硬件设备（即：远传压力表）所决定的。由于本次说使用的是模拟量 05v 电压信号，故而参数 b-004 需被设定。如果这组模拟量变成了 420ma 电流信号， 应该本设定的就是 b-005 这个参数了。 表 2.3 变频数设定参数表 功能代码功能名称出厂值设定值设定值含义 b-001面板选择50面板 run/stop 键无效，电机运行/停止和转向由 sf、sr 端子状态和b-036的值决定； b-004模拟电压输入选择05由模拟电压输入值设定频率。 b-016加减速模式 101s 曲线模式。 b-036sf、sr 端子功能01运行、正/反装模式sf-cm 短接则指令电机运 行且正转，sf-cm、sr-cm 均短接则指令电机运行 且反转，sf-cm 断开则电机停止运行。 e-034表头输出量选择01输出额定电流时 fm-gnd 间电压约为 5v。 注释除以上参数外，其余参数均设置为出厂值。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 15 3 3 程序设计程序设计 3.1 plc 的发展的发展 随着社会的不断发展、科技的不断进步，工业产品也不断的进行着更新换代。 为适应市场的需要，工业产品的品种就要不断的更新，从而要求产品的生产线及附 属控制系统必须不断的修改甚至更换。在 20 世纪 60 年代，生产线的控制主要采用 继电器控制。修改一条生产线，要更换许多硬件设备，进行复杂的接线，既浪费了 许多硬件又大大拖延了施工周期，增加了产品的成本。于是人们要研制一种新型的 通用控制设备。1968 年，美国通用汽车公司（gm）液压部提出了 10 项招标指标： （1）编程简单，可在现场修改和调试程序； （2）维护方便，各部件最好采用插件方式； （3）可靠性高于继电器控制系统； （4）设备体积小于继电器控制柜； （5）数据可以直接送给管理计算机； （6）成本可与继电器控制系统相竞争； （7）输入电压是 115v 电流电； （8）输出电压也是 115v 交流电，输出电流达 2a 以上，能直接驱动电磁阀； （9）系统扩展时，原系统只需作很小的变动； （10）用户程序存储容量可扩展到 4kb。 美国数字设备公司（dec）中标，于 1969 年研制成功了一台符合要求的控制器， 称为可编程控制器，在通用汽车公司（gm）的汽车装配生产线上实验获得成功。 可编程控制器的出现，立即引起了各国的关注。日本于 1971 年引进可编程控制 器技术；德国于 1973 年引进可编程控制器技术。中国于 1973 年开始研制可编程控 制器，1977 年应用到生产线上。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 16 3.2 plc 的的特点及应用特点及应用 可编程控制器（program logical controller） ，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，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自 动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当 今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于 plc 采用了“三机一体化”的综合 技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组 合灵活、编程简单、维护方便和低成本诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适 合工业控制环境和市场的要求；再加上 plc 发展过程中产品的系列化、产业化和标 准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，开始进入批量控 制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的支柱。目前，plc 在小型化、大 型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。 早期的可编程控制器主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通 信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程控制器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，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。从第一台可编程控制器的研发成功至今，可编程 控制器的功能在不断的增强，具有以下五大特点： （1）可靠性高。plc 的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特 殊的周期循环扫描工作方式。 （2）具有丰富的 i/o 接口模块和模拟量模块。plc 针对不同的工业现场信号， 有相应的模块与工业现场的期间或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有 多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模 块。 （3）采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 plc 以 外，绝大多数 plc 均采用模块化结构。plc 的各个部件，包括 cpu、电源、i/o 模 块等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根 据用户的需要自行组合。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 17 （4）编程简单易学。plc 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式， 对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此容易被一般工程技术人员所理 解和掌握。 （5）安装简单，维护方便。plc 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直 接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法， 使系统迅速恢复运行。 由于 plc 强大的功能和优点，使得其在我国的水工业自动化中得到了广泛的应 用。plc 在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、 自动加矾、水泵变频调速和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数 的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以及水质监测等。 plc 的应用非常广泛，例如：电梯控制、防盗系统的控制、交通分流信号灯控 制、楼宇供水自动控制、消防系统自动控制、供电系统自动控制、喷水池自动控制 及各种生产流水线的自动控制等。按 plc 编程功能来分可分为 4 大类：开关量顺序 控制、模拟量控制、运动控制、通信功能。 开关量控制是 plc 最早、最原始的控制功能，可以取代传统的继电器逻辑电路 中的顺序控制系统。例如电梯自动控制、工厂装配流水线的控制及交通分流信号灯 的自动控制等。 模拟量控制是 plc 利用 pid 算法来实现闭环控制的功能。例如对温度、速度、 压力及流量等的过程量控制。 目前 plc 制造商已制造出能驱动步进电动机和伺服电动机的单轴和多轴的 plc 和运动控制的特殊模块来实现运动控制，可驱动单轴或多轴电动机按一定的速度、 作用力到达拟定目标位置。 plc 还具有通信功能，为适应现代化工业自动化控制系统的需要集中及远 程管理，plc 可实现与 plc、单片机、打印机及上级计算机等之间的互相交换信息 的通信功能。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 18 3.3 程序设计分析及流程图程序设计分析及流程图 在微机供水控制系统中，最为核心的部分就是 plc 控制部分。通过 plc 的程 序设计，来实现供水系统自动部分的控制。为了能使该供水监控系统实现手动、自 动切换功能，并且可以彼此独立工作，故而在程序编辑方面复杂性有了更高的要求。 这样才能达到预期的效果。为了整个系统安全性的考虑，在该系统的程序编辑当中 应运用多处互锁。为了能够及时、准确的察觉故障部位，也需在程序当中编辑故障 报警部分，例如变频器故障报警等。 为了使 plc 程序编辑的思路更加清晰明朗，编写了以下流程图作为程序编辑的 依据，该流程图如图 3.1 所示。 有 无 手动 自动 一用一备 一用一补 1#泵 1#泵 2#泵 2#泵 不是 不是 是 是 不是 不是 是 是 图 3.1 程序流程图 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 19 3.4 pid 指令指令 pid 指令在整个自动控制系统有着很重要的地位。当该系统处于自动工作状态 的时候，需要通过远传压力表将水的实时压力以模拟量的形式传回控制中心 plc,此 时只有通过 pid 指令，才可以对该处进行有效的调节。其主要是通过 pid 指令将远 传回来的压力与已设定好的水压进行比对，实施调节功能，是变频器的工作频率得 到调整。下面将对 pid 指令的具体介绍。 3.4.1 pid 算法及算法及 plc 中的中的 pid 简介简介 pid 是工业控制常用的一种控制算法，无论在温度、流量等慢变化过程，还是 速度、位置等快变化过程，都可得到很好的效果。 pid 控制算法一般由【比例项+积分项+微分项】组成，但在实际编程时可以只 使用比例项，或使用比例项+积分项，或比例项+积分项+微分项三项都使用。积分 项的作用是消除系统的静差，微分项可以改善系统的动态响应速度，有缓和输出值 激烈变化的效果。 以往的 pid 需要技术人员做很复杂的工作，但 plc 的 pid 算法则相对应用方便 很多，其特点如下： （1）系统设计简单，针对不同的控制系统的特点，使用比例项，或使用比例项+ 积分项，或使用比例项+积分项+微分项，具有较强的适应性和灵活性。 （2）参数调整相对简单，易于达到控制要求。 （3）程序设计简单，直接套用即可，没有琐碎的逻辑及算术运算，实际工程中 易于实现。 3.4.2 pid 指令指令 pid 运算指令是根据表格（tbl）中的输入和设置信息对 loop 指定的回路执 行 pid 环路计算的指令，其指令样式如图 3.2 所示，所需参数类型如图 3.3 所示。由 于需要进行 pid 闭环控制的场合很多，一般的 plc 都具有 pid 运算指令，西门子品 牌也不例外，用户只需要输入和配置回路的参数信息，立刻达到 pid 运算的任务。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 20 图 3.2 pid 指令 图 3.3 pid 指令参数类型 西门子 s7-200 可以在一个程序里同时使用 8 个回路的 pid 指令。如果在编程时， 多处使用相同回路（loop 指定相同的数值） ，由于各回路的参数表不同，会出现错 误结果。 基本 pid 环路表如表 3.1 所示。 表 3.1 基本 pid 环路表 字节偏移量代表意义数据类型in/out说 明 0检测值小数in范围：0.01.0 4设定值小数in范围：0.01.0 8输出值小数in/out范围：0.01.0 12增益小数in比例常数，可正可负 16采样时间小数in单位为“秒” ，正数 20积分时间小数in单位为“分钟” ，正数 24微分时间小数in单位为“分钟” ，正数 28积分前项小数in/out范围：0.01.0 32检测前项小数in/out最近一次 pid 运算的检测值 在实际控制系统中，可以采用一项、两项或三项控制方法。例如，只使用比例 项控制或比例项和积分项控制或比例项、积分项和微分项控制，可以通过设置常量 参数值对所需的环路控制类型进行选择。 如果不需要积分项运算，应将积分时间指定为“inf” （无限大） ，由于积分和 mx 的初始值，即使没有积分运算，积分项的值也可能不为零。 如果不需要微分运算，应将微分时间指定为“0.0” 。 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 21 如果不需要比例运算，并且只要积分或积分和微分控制，则应将增益值指定为 “0.0” 。因为闭环增益是计算积分和微分项公式中的系数，将环路增益设为 0.0 会导 致在积分和微分项计算中使用的环路增益值为 1.0。 一个环路有两个输入变量、定点和进程变量。定点通常为固定值。进程变量是 与环路输出相关的数值，因此可测量环路输出对手控系统的影响。 在实际应用中，设定值和检测值均为实际数值，其大小、范围和工程单位可能 不同。将这些实际数值用于 pid 指令操作之前，必须将其转换成标准化小数表示法。 方法如下： 第一步是将实际数值从 16 为正数数值转换成浮点或实数数值，然后将小数数值 表示转换成 0.01.0 之间的标准化数值。转化公式如（3.1）所示。 pid 标准值=原值值域+偏置 （3.1） 式中：偏置是单极性数值取“0.0” ，是双极性数值取“0.5” ；值域是可能的最大值减 去可能的最小值的差值。 在实际应用中，输出值均为实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同。这 些实际数值用于 pid 指令操作之后，必须将 pid 标准化小数转换成实际数值。方法 如下： 第一步是将 pid 标准值转化成实数数值，然后将实数数值转换成 032000 或- 32000+32000 之间的标准化数值。转化公式如（3.2）所示。 实际输出值=（pid 标准输出值-偏置）值域 （3.2） 式中：偏置是单极性数值取“0.0” ，是双极性数值取“0.5” ；值域是可能的最大值减 去可能的最小值的差值。 3.4.3 pid 参数参数 使用 pid 指令，需要确定采样周期“t” 、比例增益“kp” 、积分增益“ki” 、及 微分增益“kd”等控制参数，这些控制参数中采样周期时间和比例增益的确定相对 容易些，积分增益及微分增益的确定往往是在调试中最棘手的问题。这些控制参数 的确定可以使用经验法和公式法。 在实际工程中，快速检验及调整系统控制参数的方法常用扰动法。所谓扰动法 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 22 是把通过经验公式或工作经验得出的系统控制参数放在控制系统中实现闭环运行， 然后人为地给系统施加从小到大的扰动，同时记录被控对象的实际检测值的曲线， 当第一个检测的正峰值“a1”与第二个检测的正峰值“a2”的关系符合经验公式 “a1/a2=4”时，认为系统达到最佳的控制状态最佳的响应特性和最小的误差。 3.4.4 plc 程序构造程序构造 在西门子 s7-200plc 中，有四种程序：os 系统程序、ob1 主程序、sbr 子程 序和 int 中断程序。其中 ob1 主程序、sbr 子程序和 int 中断程序也称为用户程 序。当 cpu 工作在 stop 状态时，只运行 os 系统程序。当 cpu 工作在 run 状态 时，既运行 os 系统程序，也运行 ob1 主程序；当满足调用 sbr 程序状态时，会暂 停现在执行的用户程序进入执行 sbr 子程序，执行完 sbr 子程序后，再返回原来 的地方继续执行原来的程序；当声明允许开中断，有中断源产生，会暂停执行现在 的用户程序（包括 ob1 主程序、sbr 子程序和级别较低的中断程序） ，进入声明与 该中断源有联系的 int 中断程序，中断程序执行完毕自动返回到原来的地方继续执 行原来的程序。下面将对 sbr 子程序和 int 中断程序分开进行介绍。 （1）sbr 子程序简介 子程序可以从 ob1 主程序、另一个子程序或中断程序中进行调用；但不能从子 程序本身调用子程序。在 s7-200cpu 中共有 64 个子程序（063） 【cpu226xm 有 128 个子程序（0127）.在主程序中可以嵌套子程序（在子程序中调用另一个子程 序） ，最大嵌套深度为 8，但在中断程序中不能嵌套子程序。 （2）int 中断程序 s7-200 支持以下中断程序类型： 通信端口中断：s7-200 生成允许程序控制通信端口的事件。 i/o 中断：s7-200 生成用于各种 i/o 状态不同变化的事件。这些事件允许程序 对高速计数器、脉冲输出或输入的上升沿或下降沿的状态作出反应。 时机中断：s7-200 生成允许程序按照用户指定时间间隔作出反应的事件。 中断由事件驱动。在应用中断程序之前，必须使用 atch 指令把中断事件与发 沈阳航空航天大学北方科技学院毕业设计（论文） 23 生该事件的中断程序建立联系，然后使用 eni 允许开中断。当这个中断事件发生时， 会自动执行与该中断事件联系的中断程序。 3.5 plc 程序编辑程序编辑 3.5.1 i/o 分配表分配表及地址说明及地址说明 在所有控制过程当中，外部硬件与 plc 的 i/o 点连接都必须一一对应，并且明 确其功能，才能达到预想的功能。本次微机供水监控系统的设计也不例外。详细的 plc 的 i/o 点分配表如下表 3.2 所示。 表 3.2 模型 i/o 分配表 输 入输 出 i0.0手/自动切换q0.01#变频 i0.11#变频q0.12#变频 i0.22#变频q0.21#工频（自动） i0.31#工频q0.32#工频（自动） i0.42#工频q0.4变频器启动信号 i0