PLC和组态软件在凤凰颈泵站自动化改造中的运用.doc

东北大学继续教育学院0909届毕业设计（论文） 毕业论文题 目 PLC和组态软件在凤凰颈排灌站自动化改造中的运用 学院名称 东北大学继续教育学院 专业班级 机电一体化（0909） 学生姓名 黄 振 勤 学 号 C65650209090010 起讫日期 2011年7月11日2011年10月23日 设计地点 安徽省凤凰颈排灌站机电科 指导教师 李 虎 PLC和组态软件在凤凰颈排灌站自动化改造中的运用摘 要安徽省凤凰颈排灌站是巢湖流域综合治理的水利骨干工程，也是我省规划兴建的引江济淮、南水北调的龙头工程，是一座国家级大型泵站。站内安装6台直径为3.1米的立式轴流泵，配套六台同步电机，总装机容量1.48万千瓦，设计机排流量为240立方米/秒，机灌流量为200立方米/秒，自流排、灌流量为380立方米/秒。受益范围涉及合肥市、巢湖市及其附属的肥东、肥西、居巢区、庐江、无为、和县含山、及六安市的舒城县等，总面积近400万亩。自1990年基本建成以来，汛期开机排洪7次机组累计运行20572台时，机排洪水29.62亿立方米，自流排涝48.39亿立方米，自引江水38.14亿立方米，总计排引江河水116.15亿立方米。为保障巢湖流域人民生命财产安全及经济社会发展发挥了重要作用，创直接经济效益近50亿元。本文介绍了从凤凰颈排灌站自动化改造的角度出发，在泵站原有控制系统的基础上，采用ABPLC为现地控制单元的核心部件，以自动化仪表来实现系统模拟数据采集，采用工业液晶显示计算机作为监控系统的操作平台，以组态王（组态软件）为现地控制单元的控制界面的泵站单机的自动化控制系统。初步实现了本站单机组的自排、自灌、机排、机灌四种运行方式的自动化。保留了原有的基础电气控制系统，降低了系统实现的成本，采用现场手动现地控制单元自动的双级控制系统，提高了运行的可靠性、稳定性。选用了模块化的PLC，提高了系统的可扩性和互换性。系统采用快速原型模型开发，运用AB-PLC5专用的指令系统和组态王专用的可视化编程方式，在开发中不断完善系统功能，从最大程度上实现了与用户要求的统一。关键词：PLC, 组态软件, 专用语言，自动化改造，动态显示，流程控制目 录引 言I一 背景1二 系统的构架与平台1三 系统的主要功能模块1四 系统的特点1第一章 绪 论21.1 现行系统简介21.2 用户的需求分析2第二章 总体设计（系统设计）32.1 系统结构32.2 PLC用户程序模块划分及功能32.3 PLC用户程序结构32.4 组态软件模块划分及功能3第三章 详细设计43.1 系统主界面设计43.2 I/O点估算43.3 系统组件选择43.4 PLC I/O地址分配53.5 组态软件变量与PLC地址对应关系53.6 PLC模块设计6第四章 系统部分实现84.1控制命令的执行84.2闸门开度控制的实现9第五章 结束语12致谢13参 考 文 献14附 录：PLC梯形图15引 言一 背景国内水利系统的泵站大多兴建于七八十年代甚至更早，其机组的自动控制系统属于传统的电气控制系统，采用的继电器逻辑控制由于触点多、故障率高、可靠性差、体积大等缺点，而且经过长期的运行后机组运行和维护的费用不断增大，所以继电器控制系统正逐渐被淘汰。如何适应现代化泵站的管理要求，如何降低运行和维护的成本，如何更加可靠、稳定地运行是一批老泵站亟待解决的问题。随着计算机科学的不断发展和自动控制技术的不断推广，PLC和组态产品在全国各行各业得到了广泛的应用，也为本站实现自动控制提供了可靠的依据。二 系统的构架与平台本文选用罗克韦尔自动化公司的SLC500小型PLC和北京亚控的组态软件组态王作为自动控制的实现平台，操作系统采用的是Windows9x及更高版本的图形操作系统，PLC编程软件采用RSLogix 500和RSLogix服务器软件，监控软件采用组态王专用可视化编程软件和ABPLC通讯驱动程序。 三 系统的主要功能模块 自动开机方式功能 系统手动控制功能 闸门开度控制功能 故障、事故报警功能四 系统的特点本站原先的自动化系统采用继电器逻辑控制，故障率高，所需继电器现已淘汰，大多没有厂家生产，维护费用高。机组运行时需要每个岗位由专人值班，运行成本大。自动运行方式工作时没用运行进度显示，故障部位显示，即自动运行时处于不可控制的方式，自动运行的成功率不高。所以已不符合现代化泵站管理的需求。本系统采用“无人值班，少人值守”的控制原则，以PLC为现地控制中心，以工控机为操作平台的计算机监控系统。利用组态王的图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。通过对现场数据的采集处理。以动画显示、流程控制等多种方式，向泵站自动化改造提供解决问题的具体方案。本系统采用了软件工程的设计思想，结构上具有灵活的扩充性，功能上易于删减。第一章 绪 论1.1 现行系统简介本站的采用X形双向流道(见图1)，通过闸门的控制，把长江、内河高水位差时的电机启动高负荷转变为启动低负荷（接近空载运行），同时实现了灌溉和排涝的双重任务。 本站的主要功能：a.机灌：开机流程如图2所示。b.机排：开机流程如图2所示。（上述两种方式关机时流程逆转。）c.自排、自灌：通过同时开启闸门1、3或闸门2、4利用两侧水位差来进行排灌。1.2 用户的需求分析我通过不断地和排灌站的机电工程师的沟通，对用户需求逐步改善，最终确定的用户需求如下：1.在监控工控机上能实现泵站的基本功能，即灌溉、排涝开停机（根据自动流程控制运行泵站的各部件），主机开关的单开、关，闸门的单开、关、停和辅机系统（供水泵、主机风机等）的开、关控制。能显示机组运行时的相关参数和各相关部件的运行状态。2.能实现对闸门的开度控制。（按输入要求控制闸门开度）。3.对自动开机时应检测其各子系统的状态，如自动开机条件不允许，能显示不允许系统的名称。4.当自动关机过程中出现故障，能显示故障部位，操作人员可根据实际情况选择等待或停止流程的操作。5.当自动开机条件不满足时，可以在监控工控机上手动操作操作各子系统，实现在监控机上的手动操作。6.在机组运行时如出现故障，系统应能显示其故障部位。7.在机组发生事故时能锁存事故信号，故障排除后手动复位。8.当发生事故停机时，能自动跳闸并关闭机组的所有闸门，防止因两侧水位差大而引起的水流倒灌和机组倒转。9.监控系统应有权限控制，对没有操作权限的人员，不能进行任何操作。10.如监控系统出现暂不可恢复的故障时，能通过手动方式操作各系统，保证系统的可靠性第二章 总体设计（系统设计）2.1系统结构系统总体结构如图3所示。PLC与工控机的组态软件的通讯通过AB-PLC自带的232串行接口，基本满足监控系统的实时控制要求。开关节点输出采用中间继电器作为触点电压等级和触点容量的扩展。2.2 PLC用户程序模块划分及功能主控模块：实现监控工控机对PLC的命令转换，延时复位控制参数等。输入转换模块：接收各种输入的开关量、模拟量信号，并把其中的开关“位”信号转换成整数文件形式。输出模块：对程序中所使用的对机组的控制命令（输出）集中处理。故障事故处理模块：对程序中所出现的故障，事故信号进行转换、处理和故障事故复位、机组状态复位等。闸门开度控制模块：比较监控系统传送来的闸门开度，选择适当的闸门控制操作。自动开机方式选择模块：按照多种开停机方式的自动流程控制机组的运行。2.3 PLC用户程序结构由于PLC的工作方式是自上而下、从左到右循环执行梯形图的各个用户命令，所以程序结构大体为顺序循环结构，如右图所示。（闸门开度控制4个模块和机组自动运行4个模块为调用是子程序，程序未调用时系统扫描不执行此子程序。）2.4 组态软件模块划分及功能登陆界面：用于用户权限控制，显示用户的使用权限。运行主界面：动态显示机组各部位的运行情况和用户权限，显示系统各相关参数，并可根据各子系统的相对位置，调用系统操作的各子菜单。显示系统出现的事故报警、预警信号、自动允许状态的总信号，并可调用其菜单，明确故障位置。运行方式选择菜单：控制机组的各种自动运行方式和主机开关的控制。闸门操作菜单：对闸门进行开、关、停和开度控制。辅机控制菜单：供水泵和风机的控制事故报警菜单：闪烁显示事故的位置，并可对锁定的故障信号解锁。故障预警菜单：闪烁显示故障的位置。复位菜单：当系统出现运行故障时，中断自动控制流程，恢复到原始状态。闸门开度归零菜单：校验闸门开度值。即在闸门全关时开度归零。第三章 详细设计3.1 系统主界面设计3.2 IO点的估算：系统的输入点：闸门：开、闭、全开、闸门开度、两侧闸门电源信号18个 主辅机： 供水泵、主机风机、上、下油盆油位允许信号，4个励磁、主变、站变、主电机保护系统允许信号，4个，主机开关、供水泵、主机风机、电热状态信号4个故障信号:主电机、主变、站变、励磁系统动作、故障信号7个，（共计37个）模拟量： 冷却水压力，泵站两侧水位3个（共计3个）系统的输出点：闸门：开、关、停控制 12个主辅机：主电机开关、供水泵开关控制，主机风机开关控制，共5个（共计17个）3.3 系统组件选择：考虑到系统以后的扩展应用，故而选择PLC时增加了大量的备用节点。框架：模块式SLC500 1746-A7 7-Slot Rackcpu： 1747L541 一个模入：1746-NI4 一个开入：1746-IB32 二个开出：1746-OW16 三个模拟量输入采用压力变送器和超声波液位仪输入4-20mA的电流信号到PLC的模拟量输入模块。3.4 PLC I/O地址分配输入地址：输入名称逻辑地址对应整数文件输入名称逻辑地址对应整数文件1号闸门开状态I:2/ON7:1供水泵状态信号I:3/16N7:31号闸门关状态I:2/1风机状态信号I:3/172号闸门开状态I:2/8电热运行状态信号I:3/202号闸门关状态I:2/9主机开关状态I:3/223号闸门开状态I:2/16主变保护动作信号I:3/18N7:43号闸门关状态I:2/17站变保护动作信号I:3/194号闸门开状态I:2/24励磁保护动作信号I:3/214号闸门关状态I:2/25主机保护动作信号I:3/23长江侧闸门电源I:2/12励磁风机故障信号I:3/24内河侧闸门电源I:2/28励磁失压信号I:3/25供水泵允许I:3/0N7:2励磁融丝断信号I:3/26主机风机允许I:3/11号闸门开启高度I:2/3N7:11上油盆油位允许I:3/22号闸门开启高度I:2/11N7:12下油盆油位允许I:3/33号闸门开启高度I:2/19N7:13励磁允许信号I:3/44号闸门开启高度I:2/27N7:14主变保护允许信号I:3/5长江侧水位I:1.0N7:15站变保护允许信号I:3/6内河侧水位I:1.1N7:16主机保护允许信号I:3/7冷却水压力I:1.2N7:173号闸门全开状态I:2/181号闸门全开状态I:2/24号闸门全开状态I:2/262号闸门全开状态I:2/10输入信号转换成整数文件形式是方便组态王在有限变量的条件下读取更多的位文件的数据。输出地址：O:4/0闸门1开控制O:5/3闸门4开控制O:4/1闸门1关控制O:5/4闸门4关控制O:4/2闸门1停控制O:5/5闸门4停控制O:4/3闸门2开控制O:5/6闸门3、4紧急落闸O:4/4闸门2关控制O:6/0主机开控制O:4/5闸门2停控制O:6/1主机关控制O:4/6闸门1、2紧急落闸O:6/2供水泵开控制O:5/0闸门3开控制O:6/3供水泵关控制O:5/1闸门3关控制O:6/4主机风机开关控制O:5/2闸门3停控制3.5 组态软件变量与PLC地址对应关系变量名变量类型寄存器变量名变量类型寄存器闸门状态I/O整型N7:1控制参数I/O整型N7:100允许自动信号I/O整型N7:2闸门1控制开度I/O实型N7:21动作状态信号I/O整型N7:3闸门2控制开度I/O实型N7:22事故信号I/O整型N7:4闸门3控制开度I/O实型N7:23故障信号I/O整型N7:5闸门4控制开度I/O实型N7:24闸门1实际开度I/O实型N7:11开机允许条件I/O整型N7:50闸门2实际开度I/O实型N7:12闸门控制开度1内存实型闸门3实际开度I/O实型N7:13闸门控制开度2内存实型闸门4实际开度I/O实型N7:14闸门控制开度3内存实型内河侧水位I/O实型N7:15闸门控制开度4内存实型长江侧水位I/O实型N7:16叶片变量内存整型循环水压力I/O实型N7:17其中寄存器对应PLC的整型文件。通过对控制参数N7:100不同的赋值来执行不同的控制命令。3.6 PLC模块设计a.闸门开度控制模块控制时序及流程设计如图4所示：闸门开度控制共4个模块，其基本功能一致，分别控制闸门14。b.灌溉开机模块控制时序及流程设计如图5所示：c.灌溉关机模块控制时序及流程设计如图6所示：第四章 系统部分实现4.1控制命令的执行通过对控制参数N7:100不同的赋值来执行不同的控制命令。其数值与命令的对应关系如下：控制参数执行命令控制参数执行命令控制参数执行命令100状态复位123闸门3控制143闸门3单关101事故复位124闸门4控制153闸门3停111灌溉开机125闸门开度归零134闸门4单开112灌溉停机131闸门1单开144闸门4单关113排涝开机141闸门1单关154闸门5单停114排涝停机151闸门1停160紧急落闸115主机开关单开132闸门2单开181开供水泵116主机开关单关142闸门2单关182关供水泵121闸门1控制152闸门2停183开主机风机122闸门2控制133闸门3单开184关主机风机如选择灌溉开机则执行：本站点控制参数=111;PLC执行命令比较，开放相应的子程序执行灌溉开机的流程，并在1秒后重新给N7:100赋值0。4.2 闸门开度控制的实现通过对闸门卷扬机上转动齿轮的运行的计数，通过一定的比例换算出闸门实际开启的高度，其具体步骤如下：开度信号读取，转存为整数文件：如果闸门为开状态，累加计数（CTU），否则为减(CTD)。监控主机读取PLC文件，转换为实际高度 通过读取PLC整数文件，线性转换为闸门的实际高度。在监控工控机上动态显示闸门高度：闸门的动画连接属性：将实际开度转换为在屏幕上移动的距离。开度输入：下图为开发环境的主控界面和闸门控制菜单，图中1、2为闸门卷扬机，闸门开启状态时显示绿色，关闭时显示红色，点击卷扬机调用闸门控制菜单，点击开度控制调用控制开度输入对话框，在输入开度中填入开度值。确认按键的控制语句为：本站点闸门1控制开度=Trunc(本站点闸门控制开度1/0.035);/转换为脉冲数并取整本站点控制参数=121; /闸门1控制命令ClosePicture(闸门1控制开度输入);ClosePicture(闸门1控制菜单);开度控制：监控程序赋值给PLC-N7:21并开放闸门1控制子程序。PLC梯形图如下：第五章 结束语本系统基本实现泵站单机的自动控制，改变了由继电器控制的节点多，维护复杂的缺陷，但作为一个泵站的整体管理控制还有一定的差距，如建立PLC网络进行多机控制，中央控制