毕业设计（论文）-PLC恒压供水控制系统设计2.doc

Xxx 大学 毕业论文 0 目录 引言 -3 第 1 章 控制系统的总体设计 -5 1.1 系统设计要求-5 1.2 系统工作过程-6 第 2 章 PLC 选型及模块扩展 -7 2.1 PLC 的系统组成与工作原理 -7 2.2 S7-200 系列 PLC 的硬件系统概述 -9 2.3 S7-200 系列 PLC 的 CPU 主要特点 -11 2.4 S7-200 系列 PLC 的输入输出扩展 -11 2.5 S7-300 概述 -14 第 3 章 MICROMASTER 440 变频器应用设计 -16 3.1 变频器调速的概念-16 3.1.1 变频调速的基本概念 -16 3.1.2 各种控制方式的变频器特性比较-17 3.1.3 变频器的操作和显示-17 3.2 MICROMASTER 440 的特点与性能 -18 3.2.1 MICROMASTER 440 特点 -19 3.2.2 MICROMASTER 440 性能特征 -19 3.2.3 保护特性-20 3.3 MICROMASTER 440 引脚介绍 -20 3.4 电机及低压元件-21 第 4 章 传感器 -25 4.1 压力传感器-25 4.2 液位传感器-25 4.3 I/V 变换器结构及其连线 -26 4.4 集成仪表放大器 INA102 -27 4.5 电源设计-27 第 5 章 显示元件的设计 -32 5.1 TD 200 介绍-32 5.1.1 TD 200 概述 -32 5.1.2 TD 200 特点 -32 5.1.3 TD200 的功能 -32 5.1.4 TD 200 的部件 -33 Xxx 大学 毕业论文 1 5.1.5 TD 200 的组态 -34 5.2 TP 270 介绍-35 第 6 章 程序设计 -37 6.1 STEP 7 开发环境介绍 -37 6.1.1 编辑器比较 -37 6.1.2 梯形图的编写 -38 6.2 程序流程框图 -39 结 论 -42 致谢语 -43 参考文献 -44 附 录 -45 Xxx 大学 毕业论文 2 引言 随着礼会的发展和进步，以前市政供水所必须的水塔、水箱及气压给水设备，由于 水质污染及水压不足，已经远远不能满足生活、生产的需要，自来水厂的自动化改造迫 在眉睫。 城市高层建筑的供水问题日益突出一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动 造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性。针对这两方面的要求，这就 要求一种新的供水方式，这里采用可编程序控制器PLC控制的恒压供水系统：PLC是一种 数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计：它采用可了编程序的存储器，用来存 其内部存储执行逻辑元素、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数 字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程而有关的外围设备，都应按 易于工业系统联成一个体。易于扩充其功能的则设计PLC是按集中输入、集中输出、周期 性循环扫描的方式进行工作做的。 自来水厂供水要保持水压稳定在一定范围内，但城市用水量是动态的，白天用水量 大，晚上用水量小。如何保证供水量波动时水压恒定，根据流体力学原理流量正比于转 速，扬程正比于转速的平方，轴功率正比于转速的立方，采用变频调速技术，通过调节 水泵的转速，达到恒压供水的目的。可编程控制器（以下简称PLC）非常适合在供水系统 中运用，配合变频调速器带动多台水泵，采用分级启动工频、变频运行方式，可有效地 解决上述问题。系统可靠性、经济性好。 目前有的供水系统采用多泵定速运行，节流调节流量，以达到水压恒定。但是这种 方式在运行中存在以下问题： 1、由于靠节流调节且动作频繁，运行中常发生调节阀门卡涩、漏流机构损坏等故障 而不能正常工作。 2、由于靠人工操作，存在调节滞后，整个系统稳定性不变，自动化程度低，使水塔 的溢水管经常排水造成水资源浪费。 3、泵定数运行，不仅造成电能的浪费，而且由于水泵长期高速运行，易使轴承损坏， 影响泵的使用寿命。 有的水塔采用浮标式水位计实现自动上水，因其是机械控制，在使用过程中存在以 Xxx 大学 毕业论文 3 下缺点： 1、浮标的滑轨需要经常润滑加油，以利于浮标灵活升降。 2、连接浮标的钢丝绳存在磨损，需定期更换。 3、铁制浮标存在因锈蚀而漏水问题。 4、行程开关存在触点电蚀问题。 5、以上问题均需上塔顶维修，存在安全隐患。 随着 PLC 向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。又有 着抗干扰能力强，可靠性高、控制系统结果简单，通用性强、编程方便，易于使用、功 能完善、设计施工调试的周期短、体积小，维护操作方便等特点。另外，从经济效果上 讲，PLC 控制变频器调节代替阀门调节，管网压力可在线上任意设定，进行实时自动控制， 控制传递快，工艺参数稳定，保证设备的正常运行。使电机软启动，减少了对电网的冲 击，可以延长机泵的使用寿命，减少维修量。采用 PLC 控制，提高了自动化程度，操作 控制与生产、工艺需要同步，减轻操作人员的劳动强度，大大缩短了压力调节时间。 本设计的主要内容为当系统运行时，压力传感器不断的将管网中的压力信号转变成 电信号，传送给 PLC，经过 PLC 中 PID 的运算把反馈的压力信号与设定的压力进行比较， 然后根据设定的 P、I、D 参数计算出输出信号来控制变频器的运行频率，从而调整水泵 转速以满足系统的流量要求1。而液位传感器将水塔中的液位变化通过液位变送器转变 成电信号，传送给 S7-200 然后经过通讯电缆，使用 MPI 协议传送给 S7-300，在通过连接 在其身上的 TP270 显示出液位的变化。由于采用 PLC 与变频器构成的水塔水位控制系统， 能够保证供水系统的安全与稳定。 虽然现在在人们的日常生活中，用水塔的或是水箱的很少了，但是它仍然会有它的 优势就是在当一个城市的供水系统出现问题的时候，它会储存一定的水量来保证应急的 时候使用，这一点是任何都比拟不了的，所以水塔水位控制系统也应是城市中不可缺少 的一套供水设施 Xxx 大学 毕业论文 4 第 1 章 控制系统的总体设计 1.1 系统设计要求 本次设计主要内容包括： 1、设计 PLC 控制系统，实现水塔水位远程可靠、安全控制。 2、控制功能包括：就地控制、远程控制、手动控制和自动控制。 3、保护功能包括：电机顺序启动、电机软启动、电机“先开先停” 、电机定期轮换 运行、过载保护和漏电保护等。 4、指示、报警功能包括：电机运行状态指示，变频器故障报警，按故障性质发出停 机报警信号等，报警形式有灯光和铃声报警。 5、传感器设计合理，数量准确，安装位置精确，安装形式明确，输出信号符合 PLC 电气标准。 6、系统具有显示功能，显示水位和压力等数值。 7、系统易于扩展，便于 I/O 模块和功能模块扩展。 图 1.1 为系统的整体设计原理框图，系统的工作过程包括：上水过程及其下水过程 两个部分，是以通过 PLC 控制变频器来调节电机的转速实现持续的恒压供水的过程。 图 1.1 系统整体设计原理框图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:22-Jun-2006Sheet of File:E:业业业业业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By: 380V 1#业业 2#业业 3#业业 1#业 2#业 3#业 4#业业4#业 业业 PLC 业业业业业 业业业业业 业业业业业业业业 业业业 业 / 业 业 业 业 Xxx 大学 毕业论文 5 1.2 系统工作过程 当供水系统投入自动运行时，泵 1 在变频器的控制下投入运行，泵 1 在变频器的控 制下投入运行；当用水量增加时，变频器控制的水泵 1 在频率达到的上限频率时仍不能 满足要求时，在该状态保持一段时间后，变频器首先退出运行，系统自动将 1 号水泵从 变频切换至工频状态，然后变频器投入带动 2 号水泵运行，当用水量再增加时，变频器 控制的水泵 2 在频率达到的上限频率时还是不能满足要求时，该状态保持一段时间后， 变频器退出运行， 系统自动将 2 号水泵从变频切换至工频状态，然后变频器投入带动 3 号水泵运行，同时调节变频器控制的水泵转速实现压力的快速连续变化，以补充管网的 水量保证压力恒定。 当用水量减少时，变频器的输出频率随之下降，直至输出频率低于设定的下限频率 时，系统的供水压力仍高于设定的压力，在该状态保持一段时间后，系统将 1 号水泵退 出，这时候系统由变频器带动 2 和 3 号水泵供水，当系统的供水压力仍高于设定的压力， 在该状态保持一段时间后，系统将 2 号水泵退出，这时候系统由变频器带动 3 号水泵供 水，PID 控制着供水量，使供水水压在设定值附近。 如果在用水量小的情况下，如果一台泵的连续运行时间超过 3 小时，则要切换到下 一台泵。避免某一台水泵工作时间过长。 供水时需要供水的管道满足一定的压力，防止用户增加时高层的用户因为水压不够 而断水的现象，为了避免这样的现象发生增加了出水口的 4 号电机，以便达到恒压的标 准。正常的情况下当水塔的水位足够满足压力的时候 4 号电机不工作，当用户增加时水 塔的压力不能满足规定的压力时，这时由变频器控制 4 号电机工作来维持恒定的水压。 手动部分：当压力传感器出现故障或变频器出现故障时，为确保临时供水，4 台泵可 以分别采取手动在工频下运行。 Xxx 大学 毕业论文 6 第 2 章 PLC 选型及模块扩展 2.1 PLC 的系统组成与工作原理 1、中央处理单元 中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。 CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。与一 般计算机一样，CPU 是 PLC 的核心，它按 PLC 中系统程序赋予的功能指挥 PLC 有条不紊地 进行工作2。用户程序和数据事先存入存储器中，当 PLC 处于运行方式时，CPU 按循环扫 描方式执行用户程序。CPU 的主要任务有控制用户程序和数据的接受与存储；用扫描的方 式通过 I/O 部件接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或存储器中；诊断 PLC 内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读 取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术等；根据运 算结果，更新有关标准位的状态和输出映像寄存器的内容，在经输出部件实现输出控制、 制表打印或数据通信等功能。 2、存储器 PLC 的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。系统存储器用来存放由 PLC 生产 厂家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能直接更改。它使 PLC 具有基本的功能， 能够完成 PLC 设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了 PLC 的 性能，其内容主要包括三部分。第一部分为系统管理程序；第二部分为用户指令解释程 序；第三部分为标准程序模块与系统调用。用户存储器包括用户程序存储器和数据存储 器两部分。PLC 使用的存储器类型有三种。 （1）随机存取存储器；（2）只读存储器； （3）可电擦除可编程的只读存储器3。 3、输入/输出单元 PLC 输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出单元从广义上 分包含两部分；一是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存 器4。 （1）输入接口电路 Xxx 大学 毕业论文 7 为防止各种干扰信号和高电压信号进入 PLC，影响其可靠性或造成设备损化，现场输 入接口电路一般由光电耦合电路进行隔离。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般 由发光二极管和光电三极管组成。通常 PLC 的输入类型可以是直流、交流和交直流。输 入电路的电源可由外部供给，有的也可由 PLC 内部提供。 （2）输出接口电路 输出接口电路通常有三种类型：继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型。每 种输出电路都采用电气隔离技术，电源由外部提供，输出电流一般为 0.52A，输出电流 的额定值与负载的性质有关。为使 PLC 避免受瞬间大电流的作用而损坏，输出端外部接 线必须采用保护措施：一是输入和输出公共端接熔断器；二是采用保护电路，对交流感 性负载，一般用阻容吸收回路，对直流感性负载用续流二极管。由于输入和输出端是靠 光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会 产生地线干扰或其他串扰，因此 PLC 具有很高的可靠和极强的抗干扰能力。 4、电源部分 PLC 一般使用 220V 的交流电源，内部的开关电源为 PLC 的中央处理器，存储器等电 路提供 5V、+12V、-12V、24V 等直流电源，使 PLC 能正常工作。电源部件的位置形式可 有多种，对于整体式结构的 PLC，通常电源封装到机壳内部；对于模块式 PLC，有的采用 单独电源模块，有的将电源与 PLC 封装到一个模块中5。 5、扩展接口 扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活以 满足不同控制系统的需要。 6、通信接口 为了实现“人-机”或“机-机”之间的对话，PLC 配有多种通信接口。PLC 通过 这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的 PLC 或计算机相连。当 PLC 与打印机相连 时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器相连时，可将过程图象显示出来； 当与其他 PLC 相连时，可以组成多机系统或连成网络，实现更大规模的控制；当与计算 机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理想结合的综合控制。 7、编程器 编程器的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 8、PLC 的工作全过程 第一部分是上电处理。机器上电后对 Xxx 大学 毕业论文 8 PLC 系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O 模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC 上电处理完成后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理， 再次进行时钟、特殊寄存器更新6。当 PLC 处于 STOP 方式时，转入执行自诊断检查。当 CPU 处于 RUN 方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。第 三部分是出错处理。PLC 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定 PLC 自身的动作是否正 常，如 CPU、电池电压、程序存储器、I/O 和通信等是否异常或出错。 9、PLC 工作过程的中心内容： （1）输入采样阶段：PLC 在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状 态存入相对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着，进入程序执 行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变 化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内 容。所以一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，否则很可能造成信号的丢失7。 （2）程序执行阶段：根据 PLC 梯形图程序扫描原则，一般来说，PLC 按从左到右、 从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC 就从输入映像寄存 器中读入对应输入端子状态，从元件映像寄存器读入对应元件的当前状态。然后，进行 相应的运算，运算结果在存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件 的状态会随着程序执行过程而变化。 （3）输出刷新阶段：在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的 状态在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，最后经过输出端子驱动 外部负载。 2.2 S7-200 系列 PLC 的硬件系统概述 S7-200 系列 PLC 可以满足多种多样的自动化控制的需要。由于它具有紧凑的设计、 良好的扩展性、低廉的价格、丰富的功能模块以及强大的指令系统，使得 S7-200PLC 可 以近乎完美地满足小规模的控制要求8。 S7-200PLC 是德国西门子公司生产的一种小型 PLC，其许多功能达到大、中型 PLC 的 水平，而价格却和小型 PLC 的一样，因此，它的一经推出，即受到了广泛的关注。特别 Xxx 大学 毕业论文 9 是 S7-200CPU22*系列 PLC（它是 CPU21*系列的替代产品） ，由于它具有多种功能模块和人 机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成 PLC 网络。 同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简 单，几乎可以完成任何功能的控制任务。 S7-200 的 CPU 模块包括一个中央处理单元、电源以及数字 I/O 点，这些都被集成在 一个紧凑、独立的设备中。CPU 负责执行程序，输入部分从现场设备中采集信号，输入部 分则输出控制信号，驱动外部负载。 编程工具 CPU 主机 人机界面通信设备 功能 模块 扩展 模块 图 2.1 S7-200 外部实物图组成 S7-200PLC 硬件系统的配置方式采用整体式加积木式，既主机中包含一定数量的输入 /输出点，同时还可以扩展 I/O 模块和各种功能模块。 一个完整的系统组成如图 2-1 所示 （1）基本单元 基本单元有时又称 CPU 模块，也有的称之为主机或本机。它包括 CPU、存储器、基本 输入/输出点和电源等，是 PLC 的主要部分。实际上它就是一个完整的控制系统，可以单 独完成一定的控制任务。 （2）扩展单元 主机 I/O 点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种 I/O 模块， 所能连接的扩展各种 I/O 模块，所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的 I/O 点数 是由多种因素共同决定的。 （3）特殊功能模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊 Xxx 大学 毕业论文 10 控制任务的一些装置。 （4）相关设备 相关设备是为充分和方便地利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备， 主要有编程设备、人机操作界面和网络设备等。 （5）工业软件 工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，它主要由标 准工具、工程工具、运行软件和人机接口软件等几大类构成。 2.3 S7-200 系列 PLC 的 CPU 主要特点 S7-200PLC 的电源电压有（20.428.8）VDC 和（85264）VAC 两种，主机上还集成 了 24V 直流电源，可以直接用于连接传感器和执行机构。它的输出类型有晶体管、继电 器两种输出方式。它可以用普通输入端子捕捉比 CPU 扫描周期更快的脉冲信号，实现高 速记数。2 路最大可达 20KHZ 的高频脉冲输出，可用以驱动步进电动机和伺服电机以实现 准确定位任务。可以用模块上的电位器来改变它对应的特殊寄存器中的数值，可以实现 更改程序运行中的一些参数，如定时器/记数器的设定值、过程量的控制参数等。实时时 钟可用于对信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。 所有的 S7-200CPU 都有一个内部电源，为 CPU 自身和扩展模块以及其他用电设备提 供 24V 直流电源。S7-200 为系统中的所有扩展模块提供 5V 直流逻辑电源。要确保 CPU 所 提供的 5V 电源，来满足所选择的所有扩展模块的需要。如果配置要求超出了 CPU 的供电 能力，要去掉一些模块或者选择一个供电能力更强的 CPU。S7-200CPU 也提供 24V 直流传 感器供电，此 24VDC 可以为输入点、扩展模块上的继电器线圈或者其他设备供电，如果 设备用电量超过了传感器供电预算，必须为系统另配一个外部 24VDC 供电电源。 本设计中的 PLC 模块用到的为 CPU 226：它有 24 输入/16 输出，最大数字量 I/O 为 265，最大模拟量 I/O32AI 和 32AO。它与 CPU 221 和 224 相比，存储容量扩大了很多， 它可以有 7 个扩展模块，有内置时钟，它有更强的模拟量和高速计数的处理能力，是使 用得很较多的 S7-200 产品。 2.4 S7-200 系列 PLC 的输入输出扩展 当 CPU 的 I/O 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行 I/O 的扩展。I/O Xxx 大学 毕业论文 11 扩展包括 I/O 点数的扩展和功能模块的扩展。用户可以使用主机 I/O 和扩展 I/O 模块。 S7-200 系列 CPU 提供一定数量的主机数字量 I/O 点，但在主机 I/O 点数不够的情况下， 就必须使用扩展模块的 I/O 点9。CPU 22*系列的每种主机所提供的本机 I/O 点的 I/O 地 址是固定的，进行扩展时，可以在 CPU 右边连接多个扩展模块的组态地址编号取决于各 模块的类型和该模块在 I/O 链中所处的位置。编址方法是同种类型输入或输出点的模块 在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块 的编号。 整个 PLC 系统模块配置（表 2-1 所示） 。由于本系统中需要的输入口为 12 个，输出 口为 16 个，但是前面已经介绍了 CPU226 为 24 输入/16 输出，很显然它不能满足系统的 需要，因此我选用了一台模拟量输入扩展模块 EM231，它为 4 模拟输入，分辨率 12 位 A/D 转换器，另外本系统还需要一个模拟量输出端子，这个 CPU226 也不能满足，因此还 要扩展一台模拟量模块，我选择的是 EM232，它有 2 个输出模拟量模块（有关 I/O 分配表 详见表 2-2） 表 2-1 EM 231.232 输出扩展模块性能参数表 EM 231EM 232 总体特性 尺寸(W H D) 重量 功耗 点数 71.2 80 62mm 183g 2W 4 路模拟量输入 46 80 62mm 148g 2W 2 路模拟量输出 功率损耗 +5V DC(从I/O 总线) 从L+ L+电压范围 第2 级或DC 传感器供电 10mA 60mA 20.4 28.8 10mA 70mA( 带2 路输 出 20mA) 20.4 28.8 LED 指示器24V DC 状态 亮=无故障 灭=无24V DC 电源 24V DC 状态 亮=无故障 灭=无24V DC 电 源 模拟量输入特性 模拟量输入点数 4 隔离(现场与逻辑电路间)无 Xxx 大学 毕业论文 12 输入类型差分输入 输入范围 电压(单极性) 电压(双极性) 电流 0 10V 0 5V 5V 2.5V 0 20mA 模数转换时间 = VD250, VD208 AN M0.1 TON T37, +50 Network 5 / 符合增泵条件时，工频泵运行数加 1 LD T37 AB VB300, 3 MOVB 1, VB300 Network 18 / 一个变频泵运行的 持续时间判断 LDB= VB301, 0 A SM0.4 EU INCD VD310 Network 19 / 3 h 时间到。则产生下一台泵的变频启动信号 LDD= VD310, +180 EU = M0.3 MOVD +0, VD310 Network 20 / 由工频泵运行时，复位 VD310 LDB VB301, 0 MOVD +0, VD310 Network 21 / 1 号泵变频运行控制逻辑 LD SM0.1 O M0.0 O M0.6 AB= VB300, 1 O Q0.1 AN M3.0 Xxx 大学 毕业论文 47 AN M0.4 AN Q0.0 = Q0.1 Network 22 / 2 号泵变频运行逻辑 LD M0.6 AB= VB300, 2 O Q0.3 AN M3.0 AN M0.4 AN Q0.2 = Q0.3 Network 23 / 3 号泵变频运行控制逻辑 LD M0.6 AB= VB300, 2 O Q0.5 AN M3.0 AN M0.4 AN Q0.4 = Q0.5 Network 24 / 1 号泵工频运行控制逻辑 LD M0.5 O Q0.0 LDB= VB300, 2 AB VB301, 0 LDB= VB300, 3 AB VB301, 1 OLD ALD AN Q0.1 = Q0.0 Network 25 / 2 号泵工频运行控制逻辑 LD M0.5 O Q0.2 Xxx 大学 毕业论文 4