毕业设计（论文）-PLC油库管网控制系统.doc

1 绪论1.1 课题背景和意义在电力系统中，变压器起着重要的作用。一个高质量的变压器需要有一个好的加工工艺过程，在变压器的加工工艺过程中对变压器中杂质的清理是一个必不可少的过程。而将压力、温度适合的变压油准确的输送到需要变压油的变压器中则需要一个良好的油路控制系统。传统的变压器除杂质过程是人工的将变压油注入变压器中，经过一段时间再将油放出，这种方法的缺点是整个过程都由人工操作，自动化程度低，而且为了保证供油，经常将油注入过量，使管网处于超压运行状态，爆损现象严重，对变压油造成大量的损耗。由于对油温的控制不够，使其对变压器的杂质未能完全除尽，影响变压器的质量。由此可见，传统的变压器除杂质过程存在一定程度的浪费能源，工作效率低，可靠性差，自动化程度不高等缺点。严重的影响变压器的质量。plc控制系统是集变频技术、电器技术、现代控制技术于一体的控制系统，组态软件是一个专为工控开发的工具软件，以组态王6.53作为上位机监控系统对下位机s7-200 plc进行数据读取，同时plc对管网中的阀体等进行自动控制，这将成为一个良好的自动控制及监控系统。采用该系统进行油库管网的控制可以提高供油的稳定性和可靠性，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生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2 国内外小型plc技术的发展和现状小型plc从产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；如今的小型plc在编程，i/o扩展，通讯借口，开关量和模拟量的调节以及一些特殊功能模块如高速计数输入和脉冲输出的应用上已经基本满足用户的需求了。但随着应用需求及关联产品技术性能的提升（如步进驱动的脉冲响应频率及精度，hmi及关联系统的通讯功能），plc将继续得已完善和发展。（1）运动控制功能用户对plc提出更高的运动控制功能要求，主要是控制性能和功能方面。（2）通讯功能 。有很多厂家认为网络通讯是未来plc的发展方向，这样可以从系统结构上得到简化，从而降低成本。很多之前只支持一种现场总线的产品供应商，都在考虑推出支持更多总线和工业以太网的plc产品。1.3 组态王的发展和现状 组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。1.4 变压器的发展和现状从1885年发明了变压器及感应电动机以来，在一个多世纪里，变压器及电工工业有了长足的发展，由于有了变压器可以变换系统电压，使发电机的电压（受限，最高只能到24kv）经变压器可以随意升高（电压愈高，传输距离愈远），甚至已达到百万伏级使输电距离超过1000km，又由于终端的变压器很容易降到用电压400v（可分一级或几级降压，视电压等级定），这样的以变压器为主导，带动了整个发输变电行业。国外配电变压器容量到2500kva，有二种铁心型式，园形与椭园形，园形的占绝大多数，椭园形的应线圈为园形与椭园形，低压线圈有线绕式与箔式，油箱有带散热管的（少数）与波纹式的（大多数）。我国因供电制与欧洲一样，历来只做三相变压器，目前主要产品为新s9型容量到1600kva。新s9有较好的技术经济指标与国外的不相上下。也有很高的可靠性，做了800台产品的短路试验，从1996年试制鉴定，到1999年末已有400家工厂取得生产资格，也有约10家工厂生产波纹式油箱。2 系统的理论分析及方案确定2.1 油库管网控制系统理论分析 油库管网控制系统的基本任务是1、油箱从油库领油，2、油箱向变压器供油，3、净油机和变压器形成循环回路，除去变压器中的杂质，4、净油完成时，回油。基本特点是控制管网中阀门的开闭，来控制管网中变压油的流向，以及控制净油机的工作方式来控制净油的速率。为完成基本任务，须作如下基本分析：1、要实现油箱从油库领油，须知何时领油，何时停止，这需要在油箱上安装一个液位传感器，当油箱中的液位低于一定的位置时，开启领油阀门领油，当油箱中的油达到一定的量时，关闭阀门。2、实现油箱向变压器供油，需要设计供油油路，油从油箱出来时，需要有一个阀门控制供油，油路经过净油机，再设置一个供油阀门，方便接在变压器上，实现供油，在变压器上设置一个液位传感器，控制供入变压器中变压油的油量，当油量达到一定时，传感器发出信号，系统控制阀门关闭停止供油。3、净油机和变压器形成净油回路时，需要设置一个净油阀门，以便控制净油。为了控制不同油温的油进入到变压器中时，能有不同的速度，在净油机上设置一个变频器控制。以便控制净油速度。4、净油完成时，开启回油阀门回油，回油完成，运走变压器，接着对下一个变压器进行工作。2.2油库管网控制系统的理论模型 根据上述理论分析，确定如下理论方案模型方案一 一个油箱 一个净油机 一个传感器 组成回路如图1.1所示： 图1.1 方案1图1.1 方案1方案二 三个油箱 三个净油机 三个传感器 组成回路如图1.2所示：图1.2 方案2方案三 三个油箱 三个净油机 六个传感器 组成回路如图1.3所示：图1.3 方案3比较三个方案，方案一中，如果油箱、净油机、或者传感器其中之一出现故障问题，回路将不能工作，此回路过于简单，不需要用plc控制回路，不适用于工厂批量生产控制。方案二中三个传感器分别在三个位置，如果其中一个传感器出现故障，那么其所对应的位置将无法进行工作，所以应在同一工作位上至少设置两个供油阀门，两个传感器以防止出现故障。方案三相对于方案一和二是最优的，在一个车间中有三个位置可以工作，同时三个位置中如果其中一个供油阀门和传感器出现故障，不会影响其工作。2.3 油库管网控制系统方案的确定从上述分析和设计方案来看，选择方案三作为工作油路方案。方案三的工作特点是三个油箱可以分别对三个净油机供油，三条回路在不干涉的情况下，可以独立的工作，三个净油机中的油可通过六个供油阀门分别进入到需要变压油的变压器中。油箱中的油量足够时，选择该油箱供油。对供油阀门的选择采取就近原则，在车间的三个位置上，当有变压器来的时候，通过人工的观察，选择离变压器最近的供油阀门接上变压器供油。供油完成时，传感器发出信号，关闭供油阀门，接通净油阀门，开始净油，通过变频器控制净油的速度，当从变压器中循环出来的油的油温过高时，由变频器控制降低净油的速度，当从变压器中循环出来的油的油温过低时，由变频器控制加快净油的速度，净油完成时，关闭阀门，打开回油阀门，回油完成运走变压器，完成工作，对下一个变压器进行工作。2.4 本章小结 本章首先分析了油路管网的工作方式，给出了油路管网的理论控制模型，确定了油路管网的控制方案，给出了供油和净油的工作原理和控制流程。3 油库管网控制系统的硬件设计3.1 系统的主要配置选型根据第二章所阐述的基于plc和组态王的油库管网控制的原理，系统控制总框图如图3.1所示。图3.1 系统控制总框图由系统电气总框图可以看出，系统所需要的主要硬件包括：1） 净油机、变频器2） plc及扩展模块3） 液位传感器、温度传感器4） 阀门3.1.1 净油机选型 净油机的选型原则是能够除去变压器中的水分、杂质、气体、能提高其耐压性，而且还能使变压油中的酸值、ph值等指标符合国家标准，使变压油的各项指标得到综合提高。根据以上的要求，确定采用三台重庆中能滤油机制造有限公司生产的zyb系列多功能油处理机，型号及参数详见表3.1所示。表3.1 净油机型号及参数zyb-200系列多功能油处理机技术参数表流量单位l/min200工作真空度mpa-0.08 -0.095工作压力mpa0.5恒温控制范围1080电源50hz 380v工作噪声db(a)80电加热功率kw72总电功率kw80进出口管径mm50外形尺寸mm1700x1000x1900设备重量kg900 3.1.2 plc及其扩展模块的选型plc是一种计算机化的高科技产品，价格较高，在选用plc之前，应首先考虑是否需要使用plc。如果被控制的系统简单，i/o点数也很少，控制要求也不复杂，则没有必要选用plc，下列情况可以考虑使用plc：1、 系统的i/o点数要求特别多，控制要求复杂，如果用继电器控制，需要大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件。2、 系统对可靠性的要求特别高，继电器控制不能满足要求。3、 由于工艺流程和产品品种饿变化，需要经常改变控制电路的结构和修改多项控制参数。plc的硬件由plc及i/o设备构成。plc控制系统设计的基本内容如下所述。1、 选择i/o设备。通过输入设备（如按钮、操作开关、限位开关、和传感器）可以输入参数给plc控制系统；输出设备（如继电器、接触器、信号灯等执行机构）是控制系统的执行机构，i/o设备是plc与控制对象连接的唯一桥梁。2、plc是整个油路管网控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出信号的控制以及对外的数据交换。合理的选择plc对于保证整个控制系统的技术指标和质量是至关重要的。因此我们在选择plc及其模块时，要考虑plc的机型、容量、i/o模块和电源等，要考虑plc及其模块的工作方式和输入输出端口的数量，根据油路管网控制的要求，选择西门子s7-200plc s7-224xp cn, s7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。s7-224xp cn的性能见表3.2所示。表3.2 s7-224xp cn的性能描述cpu224xpcndc/dc/dccpu224xp cn ac/dc物理特性尺寸（w x h x d）140x80x62 mm140x80x62 mm重量390g330g功耗8w11wi/o特性本机数字量输入14输入14输出本机数字量输出10输出10输出本机模拟量输入2输入2输入本机模拟量输出1输出1输出数字i/o映像区256（128输入/128输出）256（128输入/128输出）模拟i/o映像区64（32输入/32输出）64（32输入/32输出）允许最大的扩展i/o模块7个模块7个模块 扩展模块选择em223 cn 数字量混合模块 性能见表3.3所示表3.3 em223 cn模块的性能em223 cn输入特性i/o端子16点输入输入电压24v dc输入电流“1”信号4ma输出特性i/o端子16点输出负载额定电压24v dc3.1.3 传感器的选型对油箱中的传感器，用来测油箱中的油位，当油位低于一定位置时，发出警报，起报警作用，guy5投入式液位传感器选用不锈钢隔离膜片敏感元，将芯片装入一不锈钢壳体内，采用特制的防水通气电缆将信号引出。传感头投入被测液体内，电缆接入仪表盒内的中心处理线路板。由于采用特制的防水通气电缆，使感压膜片的背压腔与大气良好相通，测液位不受外界大气压的影响，测量准确、长期稳定性好，并具有优良的密封和防腐性能，可直接投入水、油等液体（包括腐蚀性液体）中长期使用。所以油箱中的液位传感器选择guy5投入式液位传感器，其主要技术参数见表3.4所示。表3.4 guy5投入式液位传感器主要技术参数guy5投入式液位传感器主要技术参数工作电压dc 9v 24v工作电流60ma基本误差2%输出信号200hz 1000hz测量范围0m 5m过载能力150%最大测量值外形尺寸181mm x 68mm x 240mm测量介质与不锈钢兼容的所有介质 对安装在变压器上的传感器，要求传感器能测量密封厚壁容器中的液位。sitrans probe lu 二线制一体化超声波液位计，测量储罐和简单过程容器中液体的液位、体积和流量。sitrans probe lu是化工储罐液位测量的最佳解决方案。probe lu的传感器为etfe或pvdf材质，可适合化学腐蚀。probe lu内置的温度传感器可以对不同的温度变化进行补偿。连续液位测量，最大量12m 。安装方便，启动简单 ， etfe或pvdf传感器抗化学腐蚀 ，声智能信号处理 ，很高的信/噪比，自动虚假回波抑制技术避免固定的障碍物的影响。所以选择probe lu一体化超声波液位计来测量变压器中的液位。probe lu一体化超声波液位计的主要技术参数见表3.5所示。表3.5 probe lu一体化超声波液位计主要技术参数probe lu一体化超声波液位计输入电压24v dc测量范围液体量程0.25m 12m频率54khz输出4ma 20ma精度0.02ma 3.1.4 变频器的选型由第二章的分析可知，变频器用来控制净油时的油速，西门子变频器micromaster430是全新一代标准变频器。西门子变频器micromaster430的主要特征：380v-480v 10%，单相/三相，交流，功率范围7.5kw至250kw，数字量输入6个，模拟量输入2个，模拟量输出2个，继电器输出3个，内置pid控制器。3.2 系统主电路分析及设计供电系统的设定直接影响到控制系统的可靠性，因此在设定供电系统时因考虑下列因素2：1） 输入电源电压在允许的一定范围内变化；2） 当输入交流电断电时，不应破坏控制器程序和数据；3） 当外部设备电源断电时，不影响控制器的供电。系统中变频器的输入信号有两种，一种是控制信号，由plc输入，另一种是输入电源信号3，尽量不要用主电路电源的on/off直接控制变频器的停止和运行，应该用控制面板上的开始和停止按钮控制变频器的停止和运行。系统中对阀门的控制，阀门的开闭由电机的正反转来实现，选择三相异步电动机来实现控制，三相异步电动机的电源可以直接接入三相交流电中。对电机的控制电气回路如图3.2所示。图3.2 阀门控制电气回路在控制电路的设计中，必须要考虑弱电强电之间的隔离问题。为了保护plc设备，plc输出端口并不直接和交流接触器连接，而是在plc输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中还要考虑电路之间的互锁关系，这对于阀门安全的开闭十分重要。设计通过控制继电器来实现互锁4出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动和自动转换控制，通过转换开关来实现，在自动状态时，系统执行plc的控制程序。3.3 可编程逻辑控制器（plc）的i/o端子分配 系统中plc的型号为西门子s7-200plc cpu224xp cn，它表示的含义包括如下几部分：它是基本单元，内部包括cpu、存储器、输入输出口；其输入点总数为16点，输出点总数为11点，输出类型为继电器型，其扩展模块em223有16个输入点，16个输出点。plc具体的端子分配情况如表3.6所示。表3.6 系统plc的i/o端子分配硬件接线端子i/o地址功能解释输入输入开关sa1i0.0手动开启阀门f9信号开关sa2i0.1手动开启阀门f10信号开关sa3i0.2手动开启阀门f11信号开关sa4i0.3手动开启阀门f12信号开关sa5i0.4手动开启阀门f13信号开关sa6i0.5手动开启阀门f14信号开关sa7i0.6手动开启阀门f15信号开关sa8i0.7手动开启阀门f16信号开关sa9i1.0手动开启阀门f17信号开关sa10i1.1手动开启阀门f18信号开关sa11i1.2手动开启阀门f19信号开关sa12i1.3手动开启阀门f20信号正向限位开关的动合触点sq1i1.4阀门f9正向限位信号正向限位开关的动合触点sq2i1.5阀门f10正向限位信号正向限位开关的动合触点sq3i2.0阀门f11正向限位信号正向限位开关的动合触点sq4i2.1阀门f12正向限位信号正向限位开关的动合触点sq5i2.2阀门f13正向限位信号正向限位开关的动合触点sq6i2.3阀门f14正向限位信号正向限位开关的动合触点sq7i2.4阀门f15正向限位信号正向限位开关的动合触点sq8i2.5阀门f16正向限位信号正向限位开关的动合触点sq9i2.6阀门f17正向限位信号正向限位开关的动合触点sq10i2.7阀门f18正向限位信号正向限位开关的动合触点sq11i3.0阀门f19正向限位信号正向限位开关的动合触点sq12i3.1阀门f20正向限位信号开关sa13i3.2手动关闭阀门f9信号开关sa14i3.3手动关闭阀门f10信号开关sa15i3.4手动关闭阀门f11信号开关sa16i3.5手动关闭阀门f12信号开关sa17i3.6手动关闭阀门f13信号开关sa18i3.7手动关闭阀门f14信号开关sa19i4.0手动关闭阀门f15信号开关sa20i4.1手动关闭阀门f16信号开关sa21i4.2手动关闭阀门f17信号开关sa22i4.3手动关闭阀门f18信号开关sa23i4.4手动关闭阀门f19信号开关sa24i4.5手动关闭阀门f20信号反向限位开关的动合触点sq13i4.6阀门f9反向限位信号反向限位开关的动合触点sq14i4.7阀门f10反向限位信号反向限位开关的动合触点sq15i5.0阀门f11反向限位信号反向限位开关的动合触点sq16i5.1阀门f12反向限位信号反向限位开关的动合触点sq17i5.2阀门f13反向限位信号反向限位开关的动合触点sq18i5.3阀门f14反向限位信号反向限位开关的动合触点sq19i5.4阀门f15反向限位信号反向限位开关的动合触点sq20i5.5阀门f16反向限位信号反向限位开关的动合触点sq21i5.6阀门f17反向限位信号反向限位开关的动合触点sq22i5.7阀门f18反向限位信号反向限位开关的动合触点sq23i6.0阀门f19反向限位信号反向限位开关的动合触点sq24i6.1阀门f20反向限位信号传感器1的动合触点sq25i6.2传感器1发出信号传感器2的动合触点sq26i6.3传感器2发出信号传感器3的动合触点sq27i6.4传感器3发出信号传感器4的动合触点sq28i6.5传感器4发出信号传感器5的动合触点sq29i6.6传感器5发出信号传感器6的动合触点sq30i6.7传感器6发出信号输出ka1线圈q0.0开启阀门f9ka3线圈q0.1开启阀门f10ka5线圈q0.2开启阀门f11ka7线圈q0.3开启阀门f12ka9线圈q0.4开启阀门f13ka11线圈q0.5开启阀门f14ka13线圈q0.6开启阀门f15ka15线圈q0.7开启阀门f16ka17线圈q1.0开启阀门f17ka19线圈q1.1开启阀门f18ka21线圈q2.0开启阀门f19ka23线圈q2.1开启阀门f20ka2线圈q2.2关闭阀门f9ka4线圈q2.3关闭阀门f10ka6线圈q2.4关闭阀门f11ka8线圈q2.5关闭阀门f12ka10线圈q2.6关闭阀门f13ka12线圈q2.7关闭阀门f14ka14线圈q3.0关闭阀门f15ka16线圈q3.1关闭阀门f16ka18线圈q3.2关闭阀门f17ka20线圈q3.3关闭阀门f18ka22线圈q3.4关闭阀门f19ka24线圈q3.5关闭阀门f203.4 提高plc控制系统可靠性的措施3.4.1 plc控制系统环境改善的措施 plc是专门为工业生产环境设计的控制装置，一般不需要采用什么特殊措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，每种plc都有自己的工作环境技术条件，在设计控制系统时，对环境条件要尽可能的改善plc的现场工作环境，达到延长其工作寿命，提高系统可靠性的目的。这里介绍几种常用、可行的有效措施。1、 高温设计处理如果控制系统的周围环境温度超过55.，必须采取下面的有效措施，以使环境温度低于极限值。（1）、在控制盘、柜内设置风扇或冷气机，通过过滤器把自然风引入盘、柜内，并一起进行定期检修。（2）、把控制系统置于有空调的控制室内，降低工作环境温度。控制系统不能直接放在日光下。（3）、plc主控制器的安装应考虑良好的通风和散热，其上下左右都要留有不少于50mm的距离，各i/o口应有足够的空间用于通风。（4）、安装时要把发热量大的元件远离plc主控制器，或者把plc主控制器安装在发热体上面，一般情况下plc主控制器与电源模块分别安装在框架的两端。2、低温设计处理（1）、在控制柜、盘内设置加热器，并选择适当的温度传感器，以便能在高温时自动切断加热器电源，低温时自动接通电源。（2）、系统停止运行时，不切断控制器和i/o模块电源，靠其本身的发热量使周围温度升高，特别是夜间低温时，这种措施最有效。3.4.2 提高供电系统可靠性的措施电源是干扰plc的主要途径之一，特别是对于系统中存在大的电磁铁，电磁阀，大接触器，大电机等的场合，更易引入干扰信号。感性元件产生的大的纹波信号将严重影响输入信号正确接受。同时，大的感性元件在通电运行的瞬间，也将产生大的压降，使plc出现突然掉电自保的情况。供电系统的设计直接影响控制系统的可靠性。对一些可靠性要求较高的控制系统，应当根据现场情况，设计合理的供电系统，尽可能的减少由于供电系统故障造成系统故障。一般常用的有三种供电方式。1、使用隔离变压器的供电系统。主控制器和i/o系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主回路电源分开。这样，当i/o模块供电断电时不会影响控制器的供电。2、使用ups供电系统。不间断电源ups（uninterrupted power supply）是计算机和一些重要设备的保护神，平时处于充电状态，当输入电源失电时，ups能自动切换到输出状态，释放内部存储的能量，继续向设备供电，保证系统正常运行和信息部丢失。 3、双电源供电系统。为了进一步提高供电系统的可靠性，交流供电最好采用双电源供电。两路电源分别引自不同的变电所，当一路供电故障时，自动切换到另一路供电5。3.4.3 plc的接地正确、良好的接地是plc安全可靠运行的重要条件。控制器和控制柜盘与大地之间存在着电位差，正确、良好的接地可以减小此电位差和由此电位差引起的干扰信号。plc控制器最好采用单点接地，即控制器与其它设备分别接地，如果做不到每个设备独立接地，也可以采用公共接地方式，但是禁止使用串联接地方式，因为这种接地方式在各设备之间会产生电位差，引起输入、输出电位与系统部匹配，而产生误动作。接地线的截面积应大于2平方毫米，接地点应尽量靠近plc。3.4.4 防止输入、输出信号干扰的措施输入端或输出端接有感性元件，应在它们两端并联续流二极管或组容泄放电路，以抑制电路断开时产生的电弧对plc的影响。电阻可以取51120欧姆，电容可以取0.10.47微法，电容的额定电压应大于电源峰值电压，续流二极管可以选1a的管子，其额定电压应大于电源电压的3倍6。如果输入信号由晶体管提供，其截至电阻应大于10千欧姆，导通电阻应小于800欧姆7。当接近开关、光电开关这一类两线式传感器的漏电流较大时，可能出现错误的输入信号，可以在输出端并联旁路电阻，以减小输入电阻。3.4.5 plc外部电气设备可能出现的故障及相应措施实际上，plc的可靠性比起外部系统的机械、电器设备元件的可靠性要高得多。plc对系统外部电气设备的控制室一种单向开环控制，如不采用安全保护措施，当电器元件故障时，可能出现plc继续正常运行的情况，将可能导致安全事故。从人身安全和设备安全的角度考虑，应该在设备上安装必要的保护装置，如行程极限开关、故障检测装置、连锁紧停装置等。特别是在两种运行状态不容许同时运行的场合，除了要求plc内部软件联锁外，还必须有必要的电气联锁，使系统在出现故障时，能紧急停机8。 设计系统主要是对阀门的控制，既是对电机的正反转控制，对电机的正反转控制，除了有plc中的软件联锁外，还应有电气联锁和紧急停机的功能电路，以防止因为正反转接触器烧死而不能断开，致使正反转接触器同时接通，出现短路故障。3.5 本章小结 本章针对毕设要求，在满足油库管网控制要求的前提下，实现了油库管网控制系统的设计，该系统由plc控制阀门的自动开启和关闭来实现对变压器的除杂质过程的自动化控制。基于这一方案，本章的具体内容概括如下：1、对系统的硬件进行选型，其中包括：净油机选型、变频器选型、plc及其扩展模块的选型、传感器的选型。2、设计系统的主电路、控制电路plc的i/o端子分配、控制阀门的电机的工作方式，对阀门的控制方式在电路设计时应用了电气联锁的方式，以防止运行故障。4 油库管网控制系统的软件设计4.1 系统运行状态及工作过程分析 本系统的程序是建立在第三章油路管网控制方案和控制流程的基础上，按照plc应用的步骤开发完成的。程序控制的目的是实现整个油库管网系统的稳定，正确的运行，为此必须控制阀门9到阀门20的正确开启与关闭，使得供油回路之间不干涉，在净油时控制变频器的工作，以便控制净油速度。同时还要保证系统的安全性与可靠性。在程序的开发过程中需要注意一下几点：1、 对阀门的控制，既是对电机的正反转控制要使用联锁，对阀门工作时的故障进行分析，在排除故障之后才能启动电机带动阀门工作。2、 人机交互界面上要对设备的工作状态进行实时监控。3、 变频器根据油温的变化通过pid调节器调整净油机净油的速度。启动自动控制时，当有变压器进入工作场地时，人工的接上供油阀门时，通过上位机选择供油回路，选择通过后，回路形成闭锁回路，开启供油阀门时，回路相应的阀门自动开启，当供油完成，传感器发出信号时，回路的阀门自动关闭，当净油回路接通时，开启净油阀门，回路相应的阀门自动开启，净油完成时，阀门自动关闭。4.2 plc程序设计方法的分析plc是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。采用了面向控制过程、面向问题、简单直观的plc编程语言，易于学习和掌握。尽管国内外不同厂家采用的编程语言不尽相同，但是程序的表达方式基本类似，主要有四种形式：梯形图、指令表、状态转移图和高级语言。梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电器接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但是又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数plc用户都首选使用梯形图编程。指令是用英文名称的缩写字母来表达plc的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。状态转移图语言(sfc)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述控制过程比较详细具体，包括每一框前的输入信号，框内的判断和工作内容，框后的输出状态。这种方式容易构思，是一种常用的程序表达方式。高级语言类似于bacic语言、c语言等，它们在某些厂家的plc中应用。通常微、小型plc主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有：1、 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线，然后是触电的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用的plc的有效范围内。2、 梯形图是plc形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过，但是为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解说中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流；层次的改变也只能自上而下。3、 梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。4、 梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。5、 继电器线圈在一个程序中不能重复使用，而继电器的触点，编程中可以重复使用，而且使用次数不受限制。6、 plc在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按照扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。当plc运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但cpu是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为cpu对程序的扫描。扫描从0000号存储器地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储器地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始的工作。顺序扫描的工作方式简单直观，它简化看程序的设计，并为plc的可靠运行提供了非常有用的保证。一方面，扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过cpu设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于cpu内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响。plc的工作过程就是程序执行过程。它分为三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段9。1、 输入采样阶段：在开始执行程序之前，plc以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态（开或关、“1”或“0”）读入到输入映像寄存器中寄存起来，这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新。在程序执行期间，所需输入信号取自输入映像寄存器的内容。在本工作周期内，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不会改变。输入状态的变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读入。2、 程序执行阶段：在程序执行阶段，plc对程序按顺序进行扫描。每扫描到一条指令时，所需要的输入状态或者其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，然后将执行结果写入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容会随程序执行的进程而变化。但是这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到端子上。3、 输出刷新阶段：当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元素映像寄存器中所有的输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备（负载），这才是plc的实际输出。plc重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短（即组成程序的语句多是）、指令的种类和cpu执行的速度有很大关系。一般说来，一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分。plc在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出刷新一次。这就保证了plc在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。4.3 系统控制程序设计 油库管网控制系统根据需要实现的主要功能有供油和净油。分自动控制和手动控制。plc控制系统主流程图如图4.1所示。图4.1 系统工作流程图根据控制回路及控制流程图编写plc控制程序。1、 上位机选择净油机、阀门、传感器。例如选择净油机如图4.2所示。m0.0,m0.1,m0,2分别表示上位机选择净油机a、b、c，选择净油机a将plc中的寄存器vb10中赋值1，选择净油机b将plc中的寄存器vb10中赋值2，选择净油机c将plc中的寄存器vb10中赋值3。2、开启供油阀门，考虑到正反转的联锁，和回路故障问题。例如开启阀门f15如图4.3所示。3、开启阀门时出现故障，当开启阀门一定的时间后，阀门的正向限位开关未能传出到位信号，表明阀门在开启的过程中出现了故障，系统停止工作，检修故障，直到故障解除后，重新开始工作。例如阀门f15在开启中出现故障，程序如图4.4所示。4、阀门的开启与关闭出现故障的判断方法相似，开启以正向限位开关信号为标志，关闭以反向限位开关信号为标志。图4.2 选择净油机图4.3 开启阀门f15图4.4 开启阀门f15出现故障4.4 变频器pid控制功能参数的设置4.4.1 pid控制及其控制算法在净油回路的设计中，选用了具有pid调节模块的变频器来实现闭环控制保证净油时在一定的温度下又一定的对应速度，较好的满足系统的要求。在连续控制系统中，常采用proportional（比例）、integral（积分）、derivative(微分)控制方式，称之为pid控制。pid控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。pid控制器是一种线性控制器，它是对给定值：r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)10: e(t)=y(t) r(t) （4-1） 经比例(p)、积分(i)和微分(d)运算后通过线性组合构成控制量u(t)，对被控制对象进行控制，故称pid控制器。系统由模拟pid控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图4.5所示，图中u(t)为pid调节器输出的调节量。pid控制规律为：图4.5 pid控制原理图式中：kp为比例系数；t1为积分时间常数；td为微分时间常数。相应地传递函数形式：pid控制器各环节的作用及调节规律如下：1、比率环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反应。比例环节不能彻底消除系统的误差，系统偏差随比例系数kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。2、积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数t1 ，t1越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。3微分环节：对偏差信号的变化趋势（变化速率）做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但是过大的td对于干扰信号的抑制能力却将减弱。pid的三种作用是相互独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现pid控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字pid控制算法是通过对式（4-2）离散化来实现的。用一系列的采样时刻点nt代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后积分近似代替连续系统的微分，得到pid位置控制算法表达式：式中：t为采样周期；n为采样序号；e(n)为第n时刻的偏差信号；e(n-1)为第n-1时刻的偏差信号。pid位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n)和e(n-1)，而且还要把历次的偏差信号e(j)相加，计算繁琐，占用内存大；另一方面计算机输出的控制量u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u(n)可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式pid控制算法，其表达式为11:式中：u (n)为调节器输出的控制增量; 增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量u (n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。4.4.2 净油pid调节过程分析净油时使用pid的目的是为了保证当从变压器中出来的油，油温过高时，调节减慢净油速度；当油温过低时，调节加快净油速度。在净油回路中，变频器、pid调节器、温度变送器、净油机、变压器等构成了一个闭环控制系统，可以对净油能力实现有效的自动调节。其实现的方法是首先根据净油对油温要求，给pid预设一个目标温度值，管道中的实际油温，经温度变送器转换成4-20ma的模拟电流信号反馈给变频器内置的pid调节器，pid调节器根据目标温度值和实际温度值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供油量发生变化，取得动态平衡，其具体调节过程如下：1、 稳态运行：当目标油温信号r和油温反馈信号y相等时，偏差e=y-r=0，pid输出的控制增量u (n)=0，变频器输出频率不变，净油机转速不变，处于稳态运行。2、 油温升高时：油温反馈信号y增大，偏差e=y-r0, pid输出控制量u0,变频器输出频率下降，净油机转速降低，减弱供油能力，最后达到一个新的平衡状态。3、 油温降低时：油温反馈信号y减小，偏差e=y-r0,变频器输出频率升高，净油机转速升高，增强供油能力，最后达到一个新的平衡状态。将油液温度的模拟量输入值aiw0存放至存储器vw100中。再通过转换后由模拟量输出aqw0输出。在pid程序中vd336为进程变量，vd168为增益，vd172为采样时间，vd180为微分时间，vd396为第一次初始化的进程变量，vd360为以前的进程变量。4.5 本章小结本章对系统plc控制程序进行了分析，对控制的流程进行了设计；对pid控制的基本原理和系统中的pid调节过程进行了分析，讨论了pid参数的调节方法。对整个系统的plc控制程序进行了设计。5 人机交互界面的设计5.1 人机界面设计时应考虑的问题人机界面设计的根本出发点是为了使用更方便、更容易的操作和使用plc控制系统。人与机器之间的交换信息由各种各样的人机交互方式，每种方式都有各自的不同性能、特点和适用的范围。在进行人机界面设计时，必须充分了解各种交互方式的优点和缺点和使用限制，按照不同的对象，任务类型的选择和设计适当的人机交互方式。通常在设计之前考虑一下几个方面的问题12:1、使用对象。使用该系统的是一般的用户，还是具有一定专业技术知识的人员。2、学习的难易程度。在人机界面设计时，应该让用户少花时间，熟悉的速度快，不需要许多的经验知识，要尽可能有形象的提示等，以便使用户能够通过自己的摸索很快的掌握plc控制系统的工作特性和使用特点。3人机界面的控制方式。这是指采用自动还是手动方式，通常由机器自动完成的交互方式易学、方便，而由人来控制的人机交互方式，控制灵活、可靠。5.2 人机界面设计