基于PLC的水储罐恒压系统设计.doc

毕业设计任务书题目基于PLC的水储罐恒压系统设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气工程系导师姓名导师职称一、主要内容水储罐保持恒定水压的PLC控制。二、基本要求1保持恒定水压，水以变化的速率不断从水储罐取出。2变速泵用于保持充足水压的速率添加水到水储罐。三、主要技术指标(或研究方法)1系统设定值等于水储罐达到充满75%水位的设置。2过程变量由浮点型测量器提供，它提供水储罐充满程度的相同读数，可以从0到100%变化，泵速的值为输出值，允许泵从最大速度的0到100%运行。四、应收集的资料及参考文献五、进度计划1-3周 课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料4-5周 制定毕业设计方案，作开题报告69周 完成电路设计，编写程序，中期答辩1011周 系统调试，撰写论文12-13周 设计整体系统。1415周 整理并撰写毕业设计论文，提交论文给指导老师16周 答辩教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告题目基于PLC的水储罐恒压控制系统设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化一、本课题的研究背景随着国民经济的飞速发展,水储罐被广泛应用于石油化工,锅炉制造等行业, 它的普遍特点是常用于高温, 高压等恶劣工况下,因此对水储罐的质量提出了更 高的要求。于是,压力试验成为水储罐生产过程中必需的质量检测环节,对水储罐质量检验起着重要作用。 水压控制正是为检验水储罐的耐压能力而设计制造的.水压实验机是一种利用油水 平衡控制对水储罐进行静水压试验的机器.它一方面检查水储罐是否有渗漏现象,另一方面可以消除水储罐在成型过程中产生的残余内应力。将水储罐充满高压水后在一定压力范围内对其进行保压,保证规定时间内水储罐全长范围内均无泄漏,它是一个多方面为一体的复杂系统,是集机械、电气、液压、传感和自动控制为一体的复杂的机、电、液一体化设备。水储罐恒压控制系统集变频技术、电气传动技术、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，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以研究设计基于PLC的水储罐恒压控制系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。二、国内外研究现状随着高级水储罐市场的扩大,对高压水储罐水压控制的需求也日益增大。以前,我国油套管,输送管主要生产企业使用的高压水压控制主要依赖进口,直到1999年西安重型机械研究所设计研发出第一套高压水储罐水压控制才改变了这种局面。在不到10年的时间里,西安重型机械研究所根据用户需求,开发设计了十多套不同规格,不同试验压力的高压水储罐水压控制。由于国产高压水储罐水压控制的起步较晚,其发展过程中尚存在一些问题。目前国内外水储罐水压控制有很多种,但原理基本相似,国内的水压控制在部分规格和某些部分的工艺上不如国外的恒压。国内外水压控制的研究主要集中在原理与结构探讨,设备改造,组态系统设计,控制系统和对水压控制的整体运行状态进行故障诊断以及预报潜在故障等方面,都取得了很大的进展。近年来,我国新开发了多种水压控制,不仅满足国际标准的新要求,而且价格低,很受用户欢迎.三、研究方案水储罐恒压系统设计是一种利用PLC和变频器对水储罐进行恒压控制的装置。它主要有以下几部分组成:水储罐、PLC变频器、模拟输入模块、模拟输出模块和水位计。水储罐负责储水,水泵负责往水储罐中注水，并且水压足够大 ,水位计负责监测水位的高低，模拟量输入模块和模拟量输出模块配合PLC和变频器对水储罐水位进行调节，组合起来的整个系统可以有效的进行工作。水压控制的拟研制控制系统由硬件系统,软件系统组成。此设计系统以以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。系统时刻跟踪水储罐的水压与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，实现闭环自动调整恒压供水。四、预期达到的结果本系统以一个水储罐作为被控对象，研究基于PLC的恒压供水系统的设计，使系统获得较好的性能指标。设计水储罐恒压供水控制系统的硬件电路，并画出详细的原理图；掌握PLC的编程及应用，画出PLC控制功能图，梯形图。掌握变频器的工作原理和使用方法，研究恒压变频供水的控制方法，拟定变频器的各项参数，实现对系统的高性能控制；进行程序的模拟调试，并观察运行结果，实现要求的现象。指导教师签字时 间 年 月 日摘要基于PLC水储罐恒压系统设计以西门子S7-200系列PLC作为控制器，采用模拟量输入模块和模拟量输出模块。利用PID控制指令，配合变频器和电机，同时用水位计来测试水储罐的压力，使水储罐保持恒定的水压，构成闭环调速系统。本文所研究的是水压控制的PLC控制部分，有非常重要的意义。水储罐恒压供水系统是非常高效的。本系统的方案是用智能PID调节器实现水储罐水压的PID调节。PLC控制单元则是水泵管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据水储罐水位的实际变化，自动调整输出模拟量，进而控制变频器。变频恒压供水控制系统通过监测水储罐的压力，经PLC内置PID调节器运算后,通过模拟输出端传送到变频器，调节输出频率进而调节水泵变速入水，实现水储罐的恒压供水。从最终结果来看，本次设计成功把自动控制、水储罐、PID控制结合起来，综合实现了水储罐恒压供水，使其在实际运用中响应迅速，实现自动控制的效果，达到预期要求。关键词:水压控制系统 PLC 水储罐AbstractPLC-based water storage tank constant pressure system designed to Siemens S7-200 series PLC as a controller, analog input modules and analog output module. Using PID control instructions, with the inverter and the motor, while the water level gauge to test the pressure of the water storage tank, the water storage tank to maintain a constant water pressure, closed loop speed control system. It is an the complex multifaceted integrally system. Studied in this paper is part of the hydraulic pressure control PLC control.Water tank Water Supply System for its water-saving, high efficiency, adaptability, etc. are widely used in the field of industrial production. Intelligent PID controller in the system water tank water pressure PID regulator. PLC control unit is the pump manage the implementation of equipment, or inverter drive control, automatically adjust the output based on actual changes in water level of the water tank, analog, and then control the drive. Constant pressure water supply control system by monitoring the pressure of the water storage tank, built-in PID controller operation by PLC, transmitted through the analog outputs to the inverter, adjust the output frequency and then adjust the pump variable speed into the water, the water tank pressure water supply.From the final results, the design successfully combine automatic control, water storage tanks, PID control, integrated water tank pressure water supply, making it quick response in the practical application, the effect of automatic control, to achieve the desired requirements.Key words: Control system for hydrostatic testing machine PLC Water tank目录第1章绪论11.1课题研究的目的意义11.2国内外研究现状和发展趋势21.3论文研究内容4第2章水储罐恒压系统的要求及设计方案52.1设计要求52.2设计方案5第3章水储罐恒压系统的硬件设计73.1PLC选型73.2S7-200PLC工作原理73.3I/O分配83.4模拟量模块83.4.1模拟量输入模块(A/D)83.4.2模拟量输出模块(D/A)93.5CPU和接触器的选型93.6水位计的选型93.7变频器的选型103.8系统接线图113.9水泵和熔断器的选型12第4章水储罐恒压系统的软件设计144.1PLC程序流程图144.2PID控制器154.3程序164.4指令和注释174.4.1主程序部分174.4.2子程序部分174.4.3中断服务子程序部分184.4.4中断服务子程序18第5章结论与展望195.1结论195.2展望19参考文献20致谢21附录22附录A外文资料翻译22附录B梯形图30第1章绪论1.课题研究的目的意义水储罐恒压控制系统设计在我们的日常生活中应用非常普遍，为了达到节水和提高供水效率等目的，此设计则非常重要。用PLC控制该系统则可以达到节省人工、方便实用的目的。水储罐恒压控制系统集变频技术、电气传动技术、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，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以研究设计基于PLC的水储罐恒压控制系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义1。随着国民经济的飞速发展,水储罐被广泛应用于石油化工,锅炉制造等行业, 它的普遍特点是常用于高温, 高压等恶劣工况下,因此对水储罐的质量提出了更 高的要求。于是,压力试验成为水储罐生产过程中必需的质量检测环节,对水储罐质量检验起着重要作用。水压控制正是为检验水储罐的耐压能力而设计制造的.水压实验机是一种利用油水平衡控制对水储罐进行静水压试验的机器。它一方面检查水储罐是否有渗漏现象,另一方面可以消除水储罐在成型过程中产生的残余内应力。将水储罐充满高压水后在一定压力范围内对其进行保压,保证规定时间内水储罐全长范围内均无泄漏,它是一个多方面为一体的复杂系统,是集机械、电气、液压、传感和自动控制为一体的复杂的机、电、液一体化设备。水储罐用于恒压供水有非常重要的意义，通过PLC控制水泵流速，使水储罐保持一定的液位。既减少了人为操作带来的麻烦，又有效的避免了水的浪费。水压控制是水储罐生产线上必不可少的设备,因而水压控制的工作效率直接影响到产品的生产率,因此提高水压控制的生产率,对提高设备的检验能力及产品质量具有重要意义,很好的研究水压控制的系统更有利于逐步改进提高现有设备的控制系统,提高设备的自动化水平,进而提高生产力水平,创造更多的经济效益。利用PLC智能控制水储罐中水的流速既可以减少传统的人工控制时人工操作带来的不便和准确性，又可以节水避免水资源浪费。以变频器为核心结合PLC组成的水储罐恒压控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，水储罐恒压系统集变频技术、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，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性，这在能量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的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。近年来，有关液位控制的形式及方法越来越多，技术性能也越发先进，自动化程度也有较大地提高。但就以各类型水罐、水池的液位控制来说，许多项目没有达到自动化的程度，有的在设计上虽然设置有较为精密仪表和其它电气设备，但是没有达到充分的开发和合理的配置，自动化程序较低，有许多电气及仪表装置，在系统中只起到了液位显示及报警功能，其液位控制全凭生产运行人员根据系统工艺流程，人为地手动或电动操作水罐或水池的进出口阀门来实现液位控制，使其液位保持在正常的生产状态范围内。由于受各工艺流程生产系统中的影响，液位的变化和稳定性也受到较大影响，为此生产运行人员在工作中要时时监测液位的变化，而不得有半点疏忽，这样就较大地增加了生产运行人员的劳动强度。九十年代，计算机已渗透到工业、农业、国防、科研等部门及民用生活的各个方面，而工业生产过程计算机控制则是计算机技术应用的一个重要而有发展远景的领域。信息时代的今天，工控界正进行着一场新的革命，各种新型控制设备不断出现，产品的性能和可靠性不断提高，价格进一步下降。因此PLC也受到越来越多的工程技术人员的重视，正在向着产业化方向发展。1.2国内外研究现状和发展趋势随着高级水储罐市场的扩大,对高压水储罐水压控制的需求也日益增大。以前,我国油套管,输送管主要生产企业使用的高压水压控制主要依赖进口,直到1999年西安重型机械研究所设计研发出第一套高压水储罐水压控制才改变了这种局面。 在不到10年的时间里,西安重型机械研究所根据用户需求,开发设计了十多套不同规格,不同试验压力的高压水储罐水压控制。由于国产高压水储罐水压控制的起步较晚,其发展过程中尚存以下亟待解决的问题: (1)制管生产线生产率的提高对高压水储罐水压控制提出了挑战。目前, 单头高压水储罐水压控制的试压最高频次是90根/小时,而前道工序的生产率有时会更高,因此,开发高试压频次的高压水储罐水压控制是今后的一个目标。 (2)开发新型的排气端卡头移动机构以满足水储罐长度变化时的试压需要。 目前水压控制排气端卡头移动用丝杠螺母机构,虽然定位准确,刚性好,但螺母磨损较严重,可以考虑用液压伺服机构来解决这一问题。(3)开发新型的大口径水储罐密封结构。 随着制管生产技术的提高,水储罐外径不断增大,需要试压的管径也相应增大,现在采用的径向预压紧组合密封是靠水储罐外径密封的,水储罐外径如果太大,此结构就太笨重,不利于更换卡头,寻找一种新的密封方式是需要解决的问题。目前国内外水储罐水压控制有很多种,但原理基本相似,国内的水压控制在部分规格和某些部分的工艺上不如国外的恒压,例如目前我国无缝管轧制的规格仅到508mm,且较大规格(大于630mm)密封圈的制作工艺不过关,因此,我国还没有直径大于630mm,采用径向密封的无缝水储罐水压控制。近二十年来,国外恒压发展很快,技术先进,但系统复杂,制造和运行成本很高。为了适应产品高质量、高效率、降低能耗、减少公害、改善劳动条件,创建锻造文明生产的要求,在70年代中期,不少恒压己经实现通过计算机,一人对压机与操作机进行联动控制。20世纪70年代以后,由于高性能大流量油泵及其液压元器件、PLC、触摸屏、工控机和各种先进的测控元件等进入工业领域, 恒压得到了长足进步。从80年代初到现在其控制水平又有提高, 压机机组自编程已完全进入工业性实用 阶段,并且开始实现水储罐检测流程的网络管理及自动控制。国内外水压控制的研究主要集中在原理与结构探讨,设备改造,组态系统设计,控制系统和对水压控制的整体运行状态进行故障诊断以及预报潜在 故障等方面,都取得了很大的进展。例如采用丝堵和胶塞密封的石油油套管水压控制,由于其密封压力低,密封件使用寿命短,效率低,损伤螺纹等原因, 已不能满足API标准的新要求。以前进口的水压控制,因试验压力低,使用受到限制。近年来,新开发了多种水压控制,不仅满足API标准的新要求,而且价格低,很受用户欢迎。变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。 1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”和“变频泵循坏方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。随着现代技术的发展，水储罐恒压系统会变得越来越人性化，越来越科学，经过一步一步的改善，此系统会更好的应用到生产生活实践中，未来必定会带来更大的社会效应和经济效应1.3论文研究内容水储罐恒压系统设计是一种利用PLC和变频器对水储罐进行恒压控制的装置。它主要有以下几部分组成：水储罐、PLC、变频器、模拟输入模块、模拟输出模块和水位计。水储罐负责储水,水泵负责往水储罐中注水，并且水压足够大 ,水位计负责监测水位的高低，模拟量输入模块和模拟量输出模块配合PLC和变频器对水储罐水位进行调节，组合起来的整个系统可以有效的进行工作。水压控制的拟研制控制系统由硬件系统,软件系统组成。此设计系统以以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。系统时刻跟踪水储罐的水压与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，实现闭环自动调整恒压供水。第2章 水储罐恒压系统的要求及设计方案2.1设计要求(1)保持恒定水压，水以变化的速率不断从水储罐取出。(2)变速泵用于保持充足水压的速率添加水到水储罐。(3)系统设定值等于水储罐达到充满75%水位的设置。(4)过程变量由浮点型测量器提供，它提供水储罐充满程度的相同读数，可以从0到100%变化，泵速的值为输出值，允许泵从最大速度的0到100%运行。2.2设计方案本系统原理图如下。用水水储罐+水泵供水变频器D/A转换PID调节器水位给定+A/D转换水位计图2-1 系统原理框图由于该设计的目的是保持水储罐水位不变，而从水储罐流出的水又是变化的速率，因此就要控制其入水的速率，即控制变速泵的速度。因此要用PLC来自动调节变速泵的泵速。该系统主要由水储罐、水位计、PLC、变频器和水泵等组成。系统主要的设计任务是使水储罐水位保持在75%的位置。系统开机后手动控制水泵往水储罐中加水，当水位上升到满水位的75%时，系统转换到PID自动调节。水储罐的水位由水位检测计提供，经过A/D转换后送入PLC。控制信号由PLC执行PID指令以后，以单极性信号经D/A转换后送出，从而驱动变频器控制水泵电动机调速，以维持水储罐的水位不变。水储罐恒压系统设计是一种利用PLC和变频器对水储罐进行恒压控制的装置。水储罐负责储水,水泵负责往水储罐中注水，并且水压足够大 ,水位计负责监测水位的高低，模拟量输入模块和模拟量输出模块配合PLC和变频器对水储罐水位进行调节，组合起来的整个系统可以有效的进行工作。水压控制的拟研制控制系统由硬件系统,软件系统组成。此设计系统以以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。系统时刻跟踪水储罐的水压与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，实现闭环自动调整恒压供水。第3章 水储罐恒压系统的硬件设计3.1PLC选型PLC即可编程序控制器，是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。它具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等许多优势，目前随着计算机通讯技术和大规模集成电路技术的发展，PLC技术的应用变得越来越广泛，同时在技术和功能上也变得越来越先进。 目前国内使用的PLC种类很多，主要有德国西门子、日本三菱、欧姆龙等厂商的产品。按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机2。通常小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。小型机通常用于单机控制和小型控制场合。西门子公司的S7-200就属于小型机。S7-200以其相对较低的成本使得他在激烈的小型PLC市场中具有非常大的竞争优势。本设计比较属于小型控制，因此我选择的西门子S7-200PLC。3.2S7-200PLC工作原理S7-200采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。在扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。扫描周期执行的任务依赖于CPU的工作模式，S7-200CPU有两种操作模式：STOP模式和RUN模式。对于扫描周期，STOP模式和RUN模式的主要差别是在RUN模式下运行用户程序，而在STOP模式下不运行用户程序3。3.3I/O分配表3-1 I/O分配表 输入I0.0I0.1自动转换开关变频器接入电源开关AIW0模拟量输入AIW2模拟量输入输出AQW0模拟量输出Q0.0变频器3.4模拟量模块工业设计中，有时需要用模拟量信号来进行控制。模拟量模块有输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入输出模块。本次设计中用到模拟量输入模块模拟量输出模块。3.4.1模拟量输入模块(A/D)模拟量信号是一种连续变化的物理量，如电流电压温度压力位移速度等。工业设计中，要对这些模拟量进行采集并送给PLC的CPU，必须先对这些模拟量进行模/数(A/D)转换。模拟量输入模块就是用来将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号的。生产过程的模拟信号是多种多样的，类型和参数大小也不相同，它的满量程输入是020mA。所以，一般先用现场信号变送器把它们变换成统一的标准信号(如420mA的直流电信号)，然后再送入模拟量输入模块将模拟量信号转换成数字量信号，以便PLC的CPU进行处理。模拟量输入模块(EM231)一般由滤波模/数(A/D)转换，光耦合器等部分组成。光耦合器有效的防止了电磁干扰，对多通道的模拟量输入单元，通常设置多路转换开关进行通道的切换，且在输出端设置信号寄存器。模拟量输入模块(EM231)设有电压信号和电流信号输入端。输入信号经滤波放大模/数(A/D)转换得到的数字量信号，再经光耦合器进入PLC内部电路。3.4.2模拟量输出模块(D/A)在工业设计中。有些现场设备需要用模拟量信号控制，例如，电动阀门液压电磁阀等执行机构需要用连续变化的模拟信号来控制或驱动。这就要求把PLC输出的数字量变换成模拟量，以满足这些设备的要求。模拟量输出模块(EM232)的作用就是把PLC输出的数字量信号转换成相应的模拟量信号，以适应模拟量控制的要求。模拟量输出模块一般由光耦合器数/模(D/A)转换器和信号驱动等环节组成，光耦合器可有效地防止电磁干扰。PLC输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入端，经光耦合后的数字信号，再进入数/模(D/A)转换器，转换后的直流模拟量信号经运算放大器放大后驱动输出。通常模拟量输出模块提供电压输出和电流输出4。3.5CPU和接触器的选型CPU选择的原则是在满足功能要求的前提下保证系统可靠性，使用维护方便以及最优的经济效益。应当满足性能与任务相适应、指令满足系统的功能要求、估算的输入输出点数有余量等几个要求。根据I/O分配表中的内容，我选择CPU222系列，它可以连接2个扩展模块，即模拟量输入和模拟量输出模块。CPU222内置了8个数字量输入点和6个数字量输出点，可以满足此系统的数字量信号的需要。另外它还具有足够大的程序和数据存储空间，因此我选用CPU222作为整个系统的控制核心5。接触器选择的是CJ20-10型号的交流接触器。3.6水位计的选型本次设计中需要检测水储罐的液位，因此用到水位计来实现这一要求。在此选用DDZ-型仪表水位计对其进行测量变送，以实现对水位的检测和监控。此水位计具有结构简单、检测功能齐全、读数直观、醒目、测量范围大等优点。尤其对在大量程、强腐蚀性、易燃、易爆等场合更为适用。该仪表输出420mA信号。其具体工作原理是：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：P=gh+P0式中：P变送器迎液面所受压力被测液体密度g当地重力加速度P0液面上大气压h变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压P0与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的P0，使传感器测得压力为：gh，显然,通过测取压力P可以得到液位深度。控制器在自动控制系统中的地位和作用是十分重要的。当干扰作用于被控过程时，其被控参数发生变化，使相应的测量值偏离给定值而产生偏差。控制器则根据偏差大小，按照一定的规律使其输出变化，并通过执行器改变控制参数，使被控参数回到给定值，从而抵消干扰对被控参数的影响。所以控制器具有把在干扰作用下偏离给定值的被控参数重新拉回到给定值上的功能。DDZ-型控制器的作用是输出420mA DC信号，然后通过执行器，实现对过程参数的自动控制。一台DDZ-型工业控制器除能实现PID运算外，还具有如下功能，以适应生产过程自动控制的需要。(1)获得偏差并显示其大小(2)显示控制器的输出(3)提供内给定信号并能进行内外给定选择(4)进行正反/作用选择(5)进行手动操作 ，并具有良好的手动/自动双向切换性能3.7变频器的选型通常把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作变频器，该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电。然后再把直流电变换为三相或单相交流电。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的N0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入CPU等部件，来进行必要的转矩运算。变频器的诞生源于交流电机对无级调速的需求，随着晶闸管、静电感应晶体管、耐高压绝缘栅双极型晶闸管等部件的出现，电气技术有了日新月异的变化，变频器调速技术也随之发展，特别脉宽调制变压变频调速技术更是让变频器登上了新的台阶。变频器的工频电源一般是50Hz或60Hz，无论是在家用领域或生产领域，工频电源的频率和电压都是恒定不变的。以工频电源工作的电机在调速时可能会造成功率的下降，而通过变频器的调整，电机在调速时就可以减少功率损失。变频器的种类繁多，按照变频器的用途不同可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等；按照变频器工作原理分类可分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能。本设计选用T.VERTER 变频器，它是三相380V变频器。使用正弦波PWM控制方式，频率控制范围是0.1400HZ，可以满足要求。3.8系统接线图 图3-1 系统接线图3.9水泵和熔断器的选型由于恒压供水是要靠水泵抽水来实现的，所以选择水泵是非常重要的。水泵选型依据应从五个方面加以考虑，既液体输送量、装置扬程、液体性质、管路布置以及操作运转条件等。根据泵选型原则和选型基本条件，具体操作如下：(1)根据装置的布置、地形条件、水位条件、运转条件，确定选择卧式、立式和其它型式(管道式、潜水式、液下式、无堵塞式、自吸式、齿轮式等)的泵。(2)根据液体介质性质，确定清水泵，热水泵还是油泵、化工泵或耐腐蚀泵或杂质泵，或者采用无堵塞泵。安装在爆炸区域的泵，应根据爆炸区域等级，采用相应的防爆电动机。(3)根据流量大小，确定选单吸泵还是双吸泵；根据扬程高低，选单级泵还是多级泵，高转速泵还是低转速泵(空调泵)、多级泵效率比单级泵低，如选单级泵和多级泵同样都能用时，首先选用单级泵。(4)确定泵的具体型号。确定选用什么系列的泵后，就可按最大流量，(在没有最大流量时，通常可取正常流量的1.1倍作为最大流量)，取放大5%10%余量后的扬程这两个性能的主要参数，在型谱图或者系列特性曲线上确定具体型号。操作如下：利用泵特性曲线，在横坐标上找到所需流量值，在纵坐标上找到所需扬程值，从两值分别向上和向右引垂线或水平线，两线交点正好落在特性曲线上，则该泵就是要选的泵，但是这种理想情况一般很少，通常会碰上下列两种情况：第一种：交点在特性曲线上方，这说明流量满足要求，但扬程不够，此时，若扬程相差不多，或相差5%左右，仍可选用，若扬程相差很多，则选扬程较大的泵。或设法减小管路阻力损失。第二种：交点在特性曲线下方，在泵特性曲线扇状梯形范围内，就初步定下此型号，然后根据扬程相差多少，来决定是否切割叶轮直径，若扬程相差很小，就不切割，若扬程相差很大，就按所需Q、H，根据其ns和切割公式，切割叶轮直径，若交点不落在扇状梯形范围内，应选扬程较小的泵。选泵时，有时须考虑生产工艺要求，选用不同形状Q-H特性曲线。(5)泵型号确定后，对水泵或输送介质的物理化学介质近似水的泵，需再到有关产品目录或样本上，根据该型号性能表或性能曲线进行校改，看正常工作点是否落在该泵优先工作区。(6)对于输送粘度大于20mm2/s的液体泵(或密度大于1000kg/m3)，一定要把以水实验泵特性曲线换算成该粘度(或者该密度下)的性能曲线，特别要对吸入性能和输入功率进行认真计算或较核。(7)确定泵的台数和备用率：对正常运转的泵，一般只用一台，因为一台大泵与并联工作的两台小泵相当(指扬程、流量相同)，大泵效率高于小泵，故从节能角度讲宁可选一台大泵，而不用两台小泵，但遇有下列情况时，可考虑两台泵并联合作：流量很大，一台泵达不到此流量；对于需要有50%的备用率大型泵，可改两台较小的泵工作，两台备用(共三台)；对某些大型泵，可选用70%流量要求的泵并联操作，不用备用泵，在一台泵检修时，另一台泵仍然承担生产上70%的输送。我选择的是10Sh-9A型水泵，该水泵进口直径是250毫米，这台水泵的叶轮是“双面”都进水的，比转数是90。它的流量可以在一个相当大的范围内变化流量变化时，扬程也就跟着变化，这台水泵的各项系数可以满足本设计的要求。熔断器选择的型号是RC1A30。第4章 水储罐恒压系统的软件设计4.1PLC程序流程图开始如图41所示。手动运行模式，根据要求，手动进行相应操作是否自动运行否初始化子程序及PID参数的初始化 是运行PLCPID指令及算法控制控制量的输出75%水压计算变频器改变频率变速泵变速控制注水速度压力值周期采样及数值处理图 4-1 程序流程图4.2PID控制器PLC的模拟量输入/输出的本质是进行A/D与D/A转换，这一功能除了用来对速度、压力、流量等模拟量进行测量显示与转换外，其更重要的作用是用来实现模拟量控制系统的闭环自动控制。为此，S7-200PLC集成有专门的PID(比例、积分、微分)软件，可用于闭环控制的工业设计中6。在工业控制中，常常需要用闭环控制方式实现压力、温度、流量等连续变化的模拟量的控制。无论使用模拟控制器的模拟控制系统，还是使用计算机(包括PLC)的数字控制系统，PID控制系统都得到了极为广泛的使用。过程控制系统在对模拟量进行采样的基础上，一般还对采样值进行PID(比例+积分+微分)运算，并根据运算结果，形成对模拟量的控制作用。PID运算中的积分作用可以消除系统的静态误差，提高对系统参数变化的适应能力；微分作用可以克服惯性滞后，提高抗干扰能力和系统的稳定性，改变系统动态响应速度；比例作用可对系统偏大做出及时响应。因此，对于快过程和慢过程，PID都有良好的实际效果。如果可以将这三种的强度做适当的配合，可以使PID回路快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。PID控制器的输出量=比例项+积分项+微分项+输出的初始值，即 (4-1)数字计算机要处理这个函数函数关系式，必须将连续函数离散化，对偏差周期采样后，计算输出值得到 (4-2)式中，积分项是包括从第1个采样周期到当前采样周期的所有误差的积累值。计算中，没有必要保留所有采样周期的误差项。只需保留积分项前值MX即可 (4-3)式中MX积分项前值(在第n-1采样时刻的积分项)；MPn第n采样时刻的比例项；MIn第n采样时刻的积分项；MDn第n采样时刻的微分项。比例项是是增益Kc和偏差e的乘积。增益Kc决定输出对偏差的灵敏度。增益为正的回路为正作用回路，反之为反作用回路。选择正、反作用的目的是使系统处于负反馈控制。 (4-4)式中SPn为第n采样时刻的给定值；PVn为第n采样时刻的过程变量值。积分项MIn与偏差的和成正比 (4-5)式中Ts为采样周期；Ti为积分时间常数积分项前值MX是第n采样周期前所有积分之和。在每次计算出Min之后，都要用Min去更新MX。第一次计算时MX的初值被设置为Minitial(初值)。采样周期Ts是重新计算输出的时间间隔，而积分时间常数Ti控制积分项在整个输出结果中影响的程度。本次设计中用的是PI控制，因此关闭微分作用，即微分时间为0。根据题意，PID回路参数表如下：表4-1 PID回路参数表地址参数数值VD100过程变量当前值PVn水位检测计提供的模拟量经A/D转化后的标准化数值VD104给定值SPn0.75VD108输出值MnPID回路的输出值(标准化数值)VD112增益KC0.25VD116采样时间TS0.1VD120积分时间TI30VD124微分时间TD0VD128上一次积分值MX根据PID运算结果更新VD132上一次过程变量PVn-1最近一次的PID的变量值4.3程序给定值为满水量的75%，被控水位值由液位计检测后经A/D转换送入PLC,用于控制电动机转速的控制量信号由PLC执行PID指令后以单极性信号经D/A转换后送出。采用PI控制，其增益、采样周期和积分时间分别为：Kc=0.25，T=0.1s，Ti=30min。通过首次扫描调用子程序的方式，初始化PID参数并为PID运算设置时间间隔(定时中断)。PID参数表的首地址为VD100，定时中断时间为I0，子程序编号为0。通过定时中断每隔100ms调用一次中断服务程序。在中断服务程序中，采样被控制量的水位值并进行标准化处理后送入PID参数表若系统处于手动工作状态，则将手动时水泵转速的给定值经标准化处理后送PID参数表作为输出值及积分和，将手动时水位值标准化后送PID参数表作为反馈量前值；若系统为自动工作状态，则执行PID运算，并将运算结果转换成工程量后送模拟量输出寄存器，通过D/A转换以控制水泵的转速，实现水位恒定的控制要求。该系统的控制程序由主程序、子程序和中断程序3部分组成。采用定时中断来定时采样，设置定时时间为100ms，并写入SMB34，标准化采用单极性(取值范围为0-32000)。4.4指令和注释4.4.1主程序部分 LD SM0.1 CALL SBR0 首次扫描调用初始化子程序0 ID I0.1 = Q0.0 I0.1得电，将变频器接入电源 4.4.2子程序部分 LD SM0.0 MOVR 0.75，VD104 填写PID参数表，设置给定水位值75% MOVR 0.25，VD112 设置增益值为0.25 MOVR 0.1，VD116 设置采样周期为0.1s MOVR 0.3，VD120 设置积分时间为30min MOVR 0.0，VD124 设置微分时间常数为0，即关闭微分作用 MOVB 100，SMB34 设定定时中断的时间间隔为100ms ATCH INT0，10 每次定时时间到调用中断程序0 ENI 全局开中断4.4.3中断服务子程序部分 LD SM0.0 XORD AC0，AC0 清累加器 MOVW AIW0，AC0 读入(采集)连接在模拟量通道0上的水位值 DTR AC0，AC0 将采集到的水位值转换为实数(即浮点数) /R 32000.0，AC0 MOVR AC0，AC0 对单极性的实数水位值进行标准化 MOVR AC0，VD100 将水位值的标准化结果填入PID回路表 LD I0.0 PID VB100，0 若为自动方式，则调用PID功能，取环路编号0 MOVR VD108，AC0 *R 32000.0，ACO 取PID运算结果的控制量，进行逆标准化(即转换为工程量) TRUNC AC0，AC0 取整 MOVW AC0，AQW0 将工程量输出给模拟量输出通道0进行D/A变