多泵恒压供水自动控制系统的研究.doc

江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文）学 院 电子信息学院 专 业 自动化 学生姓名 翟美华 班级学号 0540303203 指导教师 庞科旺 二零零九年六月江苏科技大学本科毕业论文多泵恒压供水自动控制系统的研究控制程序设计The research of automatic control system for water supply of multi-stage pump and constant pressure The design of control program34摘 要本文介绍了自行设计的多泵恒压供水自动控制系统，阐述了利用西门子S7-200系列CPU224 PLC和西门子公司变频器MM430来控制水泵转速的控制系统及其工作原理。该系统采用PLC进行逻辑控制，采用变频器进行压力调节。变频器、可编程控制器作为控制系统的核心部件，时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变化，经变频器内部PID运算，通过可编程控制器控制变频与工频切换，自动控制水泵投入的台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压变量供水，在保持恒压下达到控制流量的目的。本文主要对控制程序的设计作了详细的说明，并简单介绍了供水系统的构成及其设计原理。关键词：恒压供水；PLC；程序设计AbstractThis article introduces the multi-self-designed automatic control system for water supply of multi-stage pump and constant pressure, expounds the control system which uses Siemens S7-200 series CPU224 PLC and Siemens MM430 inverter to control the speed of pump and its working principle.The system uses PLC for logic control, and frequency converter for pressure regulating. Frequency converter and programmable controller as the core system components of the control system, tail after the change of windage between the pressure of pipelines and the given pressure at all times. Through the PID operation in internal frequency converter, the programmable controller commands the switching between frequency conversion and power-frequency, automatically control the number of input pump and motor speed, and achieve the closed-loop constant pressure and variables water supply with self-regulation, while maintaining constant pressure to achieve the purpose of controlling flow rate.This article mostly explains the design of the control procedures in detail, and introduces the formation of the water supply system and its design principles.Key words: Water supply of constant pressure; PLC; The design of Procedures目 录第一章 绪论11.1 研究现状及发展11.2 本文的主要内容2第二章 西门子S7-200系列PLC的介绍32.1 S7-200系列PLC的系统组成32.1.1 S7-200系列PLC的基本介绍32.1.2 S7-200 PLC系统的基本构成42.1.3 S7-200 PLC 的系统配置52.1.4 S7-200 PLC的基本指令62.1.5 S7-200 PLC的功能指令72.2 STEP7编程软件简介92.2.1 编程软件的主要功能92.2.2 STEP7-Micro/WIN软件的编程语言102.2.3 编程软件的使用112.2.4 程序的监控和调试12第三章 PLC控制电路的设计143.1 多泵恒压供水自动控制系统的要求143.2 PLC控制电路设计153.2.1 控制系统设计的内容153.2.2 PLC控制系统设计的基本原则153.2.3 PLC软件程序设计的步骤163.3 多泵恒压供水自动控制系统的设计163.3.1 供水系统的构成163.3.2 系统原理16第四章 控制程序的设计194.1 控制程序的结构194.2 控制流程框图设计194.3 控制电路的设计224.4 控制系统程序设计244.4.1 程序开发的原则244.4.2 程序设计24结 语30致 谢31参 考 文 献32第一章 绪论1.1 研究现状及发展供水系统在现代生活中无处不在，然而，传统供水方式目前却存在着很多问题，比如说水塔式供水存在基建投资大、占地多、维修不方便、水泵为硬启动、启动电流大、控制柜内触点多易烧坏等缺点，如果启动频繁，电机还易烧，联轴器易坏；还有气压罐式供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水等，它们都存在这样那样的问题。总之，传统的供水系统浪费了很多水力资源、电力资源，效率低下，自动化程度不高，且可靠性低，严重影响了居民用水和工业用水。所以开发出一种新型的自动化程度高、可靠性高且节能效果好的供水系统迫在眉睫。随着变频调速技术的发展，变频器在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备因其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平发生了很大的变化。恒压供水系统恒压供水的方法很多,变频器驱动水泵向管路供水,由水压传感器反馈信号与水压设定值在变频器中构成闭环,以保持水泵供水压力恒定的方法是目前性能最好的。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，在供水系统中逐渐取代了传统的水塔、高位水箱、气压罐式增压供水设备，是当今最先进、合理的节能型供水系统，广泛地应用于工业、农业、科研和民用等领域的各个方面。不仅取得了显著的节能效果,还极大地改善了环境污染。由于用变频器驱动的交流异步电动机能够快速平稳地进行调速,使得供水系统不仅能够精确地保持设定的水压值,而且在启停供水系统时没有冲击。与其它方法相比,除了节能、卫生、安全、静音、调整方便、维修量小等特点外,还适于多系统集中控制或是实现自动化调节。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。变频式多泵恒压供水自动控制系统是我们根据城镇居民、机关单位、工矿企业、自来水公司、水厂、泵站等不同用水特点而设计的全自动、节能型、可靠性好、取代水塔、取代无塔上水器和高位水箱等的恒压供水的新型自动控制系统。它集当代最新的电子技术如变频调速、PLC可编程控制、PID调节、逻辑电路、传感技术、触摸屏技术等数项先进技术， 与电机水泵组合成一体的高科技产品， 它可根据供水管网瞬间用水量的不同而引起的压力微量变化， 自动改变水泵转速和启动台数， 变频器微调和PLC宏观调控相结合，自动调节供水峰谷期的供水量。该系统的实现基本上能解决我国目前供水系统中存在的可靠性不高、自动化程度低、能耗浪费严重的问题。多泵恒压供水自动控制系统的应用范围如下： 可用于生产、生活用水，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统； 可广泛用于工业企业生活、生产供水系统及企业自备并改造工程，自来水、生活小区及消防供水系统； 可用于各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统； 可用于污水泵站、污水处理及污水提升系统； 可用于农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统；可用于宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。1.2 本文的主要内容本文首先介绍了西门子S7200系列PLC的系统组成和STEP7编程软件工作环境、功能及配置等，叙述了多泵恒压供水自动控制系统的相关工艺要求，讨论了变频恒压供水系统的原理及构成，阐述了系统的设计思路及流程，并对软件开发做了详细的说明。第二章 西门子S7-200系列PLC的介绍2.1 S7-200系列PLC的系统组成2.1.1 S7-200系列PLC的基本介绍PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller）是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义： “PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” SIMATIC S7-200系列PLC (Programmable Logic Controller) 是西门子家族中最小型的PLC,共有5种基本型号(共18 种) 的CPU , 其基本型号分别为：CPU 210、CPU 212、CPU 214、CPU 215、CPU 216, 控制点数可以从10 点到128 点, 除PLC所具有的一般功能外, 其强大的通讯能力使其区别于一般的小型PLC, 可通过网络、分布系统轻易完成复杂的控制要求, 在基本不增加成本的情况下大大提高控制系统的综合控制能力与自动化程度。这一点在大量的实际应用中已得到充分的证实, 为经济地进行技术改造, 将控制与管理结合, 提高工厂的综合自动化程度提供了一种可能。SIMATIC S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。S7-200系列出色表现在以下几个方面：（1）极高的可靠性；（2）极丰富的指令集；（3）易于掌握；（4）便捷的操作；（5）丰富的内置集成功能；（6）实时特性；（7）强劲的通讯能力；（8）丰富的扩展模块。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。2.1.2 S7-200 PLC系统的基本构成S7-200 PLC由基本单元（S7-200 CPU模块）、个人计算机（PC）或编程器、STEP7-Micro/WIN32编程软件以及通信电缆等构成。（1）基本单元（S7-200 CPU模块）基本单元（S7-200 CPU模块）也称为主机。由中央处理单元（CPU）、电源以及数字量输入输出单元组成。这些都被紧凑地安装在一个独立的装置中。基本单元可以构成一个独立的控制系统。（2）计算机（PC）或编程器个人计算机（PC）或编程器装上STEP7-Micro/WIN32编程软件后，即可供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视等。要求个人计算机（PC）的配置：CPU为8056或更高的处理器，16MB内存（最低要求为：CPU80486，8MB内存）；VGA显示器（分辨率1024768像素）；硬盘空间至少50MB；Microsoft Windows所支持的鼠标。（3）STEP7-Micro/WIN32编程软件STEP7-Micro/WIN32编程软件是基于Windows的应用软件，它支持32位Windows95，Windows98和Windows NT4.0使用环境。它的基本功能是创建、编辑、调试用户程序、系统组态等。（4）通信电缆通信电缆是PLC用来与个人计算机（PC）实现通信的。可以用PC/PPI电缆；使用通信处理器（CP）时，可用多点接口（MP1）电缆；使用MPI卡时，可用MP1卡专用通信电缆。S7-200系列PLC 的通讯能力, 通过硬件和软件两方面实现。硬件上, 除CPU 210 外, 所有型号的CPU 在内部都集成了一个(CPU 212、CPU 214 ) 或两个( CPU 215、CPU 216 ) 通讯口( RS-485 或PRO F IBU S2DP 口) , 通讯口为标准的RS-485 口, 引脚的定义可以由手册查到, 在物理上首先保证不需要外接通讯模块, 利用相应的电缆就能构成具有多种通讯功能的复杂通信网络。S7-200 通过通信口可以多种方式与现场设备相连, 组成不同的通信网, 完成工厂现场控制。另外,通过PRO F IBU S 现场总线, 可以快速地传递控制信息, 超越现场控制, 与车间或工厂管理系统相连, 构成现代化的控制与管理网络, 这是一般小型PLC 无法比拟的。（5）人机界面人机界面主要指专用操作员界面，例如操作员面板、触摸屏、文本显示器等，这些设备可以使用户通过友好的操作界面轻松地完成各种调整和控制的任务。2.1.3 S7-200 PLC 的系统配置S7-200 PLC任何一个型号的主机，都可单独构成基本配置，作为一个独立的控制系统。S7-200 PLC各型号主机的I/O配置是固定的，它们具有固定的I/O地址。可以采用主机带扩展模块的方法扩展S7-200 PLC的系统配置。采用数字量模块或模拟量模块可扩展系统的控制规模；采用智能模块可扩展系统的控制功能。S7-200主机带扩展模块进行扩展配置时会受到相关因素的限制。（1）允许主机所带扩展模块的数量各类主机可带扩展模块的数量是不同的。CPU221模块不允许带扩展模块；CPU222模块最多可带2个扩展模块；CPU224模块、CPU226模块、CPU226XM模块最多可带7个扩展模块，且7个扩展模块中最多只能带2个智能扩展模块。（2）CPU输入、输出映像区的大小 数字I/O映像区的大小S7-200 PLC各类主机提供的数字量I/O映像区的区域为：128个输入映像寄存器（I0.0I15.7）和128个输出映像寄存器（Q0.0Q15.7）,最大I/O配置不能超出此区域。 模拟量I/O映像区的大小主机提供的模拟量I/O映像区区域为：CPU222模块，16入/16出;CPU224模块、CPU226模块，32入/32出，模拟量的最大I/O配置不能超出此区域。模拟量扩展模块总是以2个字节递增的方式来分配空间。（3）内部电源的负载能力 PLC内部DC+5V电源的负载能力CPU模块和扩展模块正常工作时，需要DC+5V电源。S7-200 PLC内部电源提供的DC+5V电源为CPU模块和扩展模块提供了工作电源。其中扩展模块所需的DC+5V工作电源是由CPU模块通过总线连接器提供的。CPU模块箱为总线扩展接口提供的电流值是有限制的。在配置扩展模块时，应注意CPU模块所提供DC+5V电源的负载能力。电源超载会造成难以预料的故障或事故。为确保电源不超载，应使各扩展模块消耗DC+5V电源的电流总和不超过CPU模块所提供的电流值。否则的话，要对系统重新配置。 PLC内部DC+24V电源的负载能力S7-200 主机的内部电源单元除了提供DC+5V电源外，还提供DC+24V电源。DC+24V电源也称为传感器电源，它可以作为CPU模块和扩展模块用于检测直流信号输入点状态的DC+24V电源，如果用户使用传感器的话，也可作为传感器的电源。一般情况下，CPU模块和扩展模块的输入、输出点所用的DC+24V电源是由用户外部提供。如果使用CPU模块内部的DC+24V电源的话，应注意该DC+24V电源的负载能力。使CPU模块及各扩展模块所消耗电流总和不超过该内部DC+24V电源所提供的最大电流（400mA）。2.1.4 S7-200 PLC的基本指令（1）基本逻辑指令基本逻辑指令以位逻辑操作为主，在位逻辑指令中，除另有说明外，操作数的有效区域为：I、Q、M、SM、T、C、V、S、L，且数据类型是BOOL（例I0.0、Q0.0）。基本逻辑指令包括： 标准触点指令； 输出指令； 置位和复位指令。（2）立即I/O指令上述指令遵循CPU的扫描规则，程序执行过程中梯形图各输入继电器、输出继电器触点的状态取自于I/O映像存储器。为了加快输入输出响应速度, S7-200 PLC还可采用直接处理方式，引入立即I/O指令。立即I/O指令包括： 立即触点指令； 立即输出指令； 立即置位、立即复位指令。（3）逻辑堆栈指令逻辑堆栈指令只用于语句表（STL）编程。使用梯形图（LAD）、功能块图（FBD）编程时，梯形图（LAD）、功能块图（FBD）编辑器会自动插入相关的指令处理堆栈操作。对复杂的逻辑关系进行编程时要用到逻辑堆栈指令。逻辑堆栈指令有： 栈装载“与”（ALD）指令； 栈装载“或”（OLD）指令； 逻辑推入栈（LPS）指令； 逻辑读栈（LRD）指令； 逻辑弹出栈（LPP）指令； 装入堆栈（LDS）指令。（4）取非触点指令和空操作指令（5）正/负跳变触点指令（6）定时器和计数器指令（7）顺序控制继电器指令工业控制中常有顺序控制的要求。所谓顺序控制，是使生产过程按工艺要求实现安排的顺序自动地进行控制。顺序功能图（Sequential Function Chart）编程语言是基于工艺流程的高级语言。顺序控制继电器（SCR）指令是基于SFC的编程方式。它依据被控对象的顺序功能图（SFC）进行编程，将控制程序进行逻辑分段，从而实现顺序控制。（8）移位寄存器指令移位寄存器指令可以用来进行顺序控制、物流及数据流控制。移位寄存器指令（SHRB）把输入端（DATA）的数值移入移位寄存器，并进行移位。（9）比较触点指令比较触点指令为上、下限控制提供了方便。2.1.5 S7-200 PLC的功能指令功能指令涉及的数据类型多，编程时应确保操作数在规定的合法范围内。（1）传送指令传送指令可分为： 数据传送指令； 数据块传送指令； 交换字节指令； 传送字节立即读、写指令。（2）数学运算指令数学运算指令包括： 四则运算指令； 数学功能指令。（3）逻辑运算指令逻辑运算指令的操作数均为无符号数。可分为四种： 逻辑“与”指令； 逻辑“或”指令； 逻辑“异或”指令； 取反指令。（4）移位和循环移位指令移位和循环移位指令均为无符号数操作。（5）数据转换指令可分为： BCD码与整数的转换； 双字整数与实数的转换；双字整数与整数的转换； 字节与整数的转换； 译码、编码指令； 断码（SEG）指令； ASCII码与十六进制数的转换指令； 整数、双字整数、实数转为ASCII码指令。（6）表功能指令该指令分为三种： 填表查表指令； 先进先出、后进先出指令； 存储器填充指令。（7）程序控制指令它可分为： 有条件结束（END）指令； 暂停（STOP）指令； 监视定时器复位指令； 跳转与标号指令； 循环指令。（8）中断指令中断指令使系统暂时中断正在执行的程序，而转到中断服务程序去处理那些急需的事件，处理后再返回原程序执行。中断指令对特定的内部和外部事件做快速响应。（9）PID回路指令（10）高速计数器指令普通计数器要受CPU扫描速度的影响，对高速脉冲信号的计数会发生脉冲丢失的现象。高速计数器脱离主机的扫描周期而独立计数，它可对脉宽小于主机扫描周期的高速脉冲准确计数。高速计数器指令包含定义高速计数器（HDEF）指令和高速计数器（HSC）指令，高速计数器的时钟输入速率可达1030kHz。（11）高速脉冲输出指令高速脉冲输出指令，使PLC某些输出端产生高速脉冲，用来驱动负载实现精确控制（例如对步进电动机的控制）。（12）时钟指令读实时时钟（TODR）指令从实时时钟读取当前时间和日期，并装入以T为起始字节地址的8个字节缓冲区，依次存放年、日、时、分、秒、0和星期。2.2 STEP7编程软件简介STEP7-Micro/WIN 32编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子专门为SIMATIC系列PLC设计开发。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。该软件在Windows环境下运行，其基本操作与标准Windows软件相似，具有操作简便、简单易学的特点。STEP7-Micro/WIN软件为用户编辑、调试和监控应用程序提供了良好的环境，是SIMATIC S7-200用户不可缺少的开发工具。2.2.1 编程软件的主要功能（1）基本功能STEP7-Micro/WIN 32的基本功能是协助用户完成应用软件的开发任务，例如，创建用户程序，进行程序的运行监控。它还具有简单语法的检查、对用户程序的文档管理和加密等功能，并提供在线帮助。（2）主界面各部分功能主界面的各组成部分及其功能简述如下： 菜单栏菜单栏包括文件（File）、编辑（Edit）、视图（View）、可编程控制器（PLC）、调试（Debug）、工具（Tools）、窗口（Windows）和帮助（Help）等8个主菜单项，提供了文件操作、程序编辑、PLC参数设置、系统组态、编程环境设置、窗口切换以及帮助等多种功能，包括了用户在STEP7-Micro/WIN环境下可以进行的绝大部分操作。 工具条工具条是指以按钮形势提供给用户在程序编辑、调试和运行时最常用的操作。用户可通过菜单命令View/toolbars自定义工具条。 浏览条浏览条可实现编程过程中各功能窗口的快速切换。单击浏览条中的任一控制按钮，即可将编程窗口切换为该按钮对应的窗口。 指令树（Instruction Tree）指令树包括两部分：项目文件管理系统和指令系统。项目文件管理系统主要包括CPU型号确定、程序重命名、子程序与中断程序的添加和删除等。指令系统以树的形式按类列举了所有的快捷操作指令和PLC指令。 输出窗口用于显示程序的编译结果。如果程序有错误，则通过输出窗口可查询错误类型、错误所属的程序以及具体位置等信息。 状态条状态条也称为任务栏，用于指示编程主窗口的状态。（3）系统组态系统组态主要包括：通信组态、设置数字量或模拟量输入滤波、设置脉冲捕捉、输出表设置、定义存储器保持范围、设置密码和后台通信时间等内容，系统组态设置主要在引导条中的“系统块”中进行。2.2.2 STEP7-Micro/WIN软件的编程语言STEP7-Micro/WIN软件支持梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）三种PLC编程语言。（1）顺序功能图（SFC）这是位于其它编程语言之上的图形语言，用来编程顺序控制的程序（如：机械手控制程序）。编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。（2）梯形图（LAD）梯形图是目前PLC程序设计中最常用的编程语言，它是在传统的继电器接触器控制线路的基础上演变而来的，与电气控制系统的原理图设计方法非常类似，只是在符号的使用及表达形式上存在一定的差别而已。梯形图使用的PLC内部“软元件”，如辅助继电器、定时器、计数器等，均由软件实现。与传统电气控制大量的引接线相比，它使用方便、控制方案设计灵活，且容易修改。梯形图由触点、线圈和用方框表示的指令构成。触点代表逻辑输入条件，线圈代表逻辑运算结果，常用来控制的指示灯，开关和内部的标志位等。指令框用来表示定时器、计数器或数学运算等附加指令。在程序中，最左边是主信号流，信号流总是从左向右流动的。（3）语句表（STL）语句表指令类似于计算机的汇编语言，是PLC最基础的编程语言。STL使用特定的助记符（指令操作符）和操作数的形式来描述某种逻辑功能或运算关系。一般由多条语句组成一个程序段。语句表指令与逻辑堆栈相结合，有利于理解程序的执行过程，同时可以实现某些梯形图不易实现的功能。语句表是PLC各种编程语言中执行速度最快的。（4）功能块图（FBD）功能块图的使用类似于数字电子线路，它用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑，一些复杂的功能用指令框表示，适合于有数字电路基础的编程人员使用。功能块图用类似于与门、或门的框图来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入、输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用“导线”连在一起，信号自左向右。适合熟悉数字电路设计的编程人员使用。2.2.3 编程软件的使用（1）项目生成项目（Project）文件来源有三个：新建一个项目、打开已有的项目和从PLC上载已有项目。（2）程序的编辑和传送利用STEP7-Micro/WIN 32编程软件编辑和修改控制程序师程序员要做的最基本的工作，下面以体现图编辑器为例介绍一些基本的编辑操作。 输入编程元件梯形图的编程元件（编程元素）主要有线圈、触点、指令盒、标号及连接线。输入方法有两种，即顺序输入和任意添加输入。 插入和删除编辑中经常用到插入和删除一行、一列、一个梯级（网络）、一个子程序或中断程序等。 符号表使用符号表可将梯形图中的直接地址编号用具有实际含义的符号代替，是程序更直观、易懂。 局部变量表 注释梯形图编辑器中的Network n表示每个网络或梯级，同时又是标题栏，可在此为每个网络或梯级加标题或必要的注视说明，使程序清晰易读。 语言转换STEP7-Micro/WIN 32软件可实现语句表、梯形图和功能块图三种编程语言之箭的任意切换。 编辑用户程序程序编辑完成，可用菜单“PLC”中的“编译”项进行离线编译。编译结束后在输出窗口显示程序中的语法错误的数量、各条错误的原因和错误在程序中的位置。必须改正程序中的所有错误，编译成功后才能下载程序。 程序的下载和清除在计算机遇PLC建立起通信连接且若能过户程序编译成功后，可以将持续下载到PLC中去。为了使下载的程序能正确执行，下载前必须将PLC存储器中的原程序清除。清除的方法是：单击菜单“PLC”中的“清除”项，会出现清除对话框，选择“清除全部”即可。（3）程序的打印输出2.2.4 程序的监控和调试STEP7-Micro/WIN 32编程软件提供了一系列工具，使用户可直接在软件环境下调试并监视用户程序的执行。（1）选择扫描次数STEP7-Micro/WIN 32可选择单次或多次扫描来监视用户程序，可以指定主机以有限的扫描次数执行用户程序。通过选择主机扫描次数，当过程变量改变时，可监视用户程序的执行。（2）用状态表监控程序STEP7-Micro/WIN 32编程软件可使用状态表来监视用户程序，在程序运行时，可以用状态表来读、写监视和强制PLC的内部变量，并可以用强制操作修改用户程序。这一方法的使用，大大方便了程序的调试。（3）在RUN方式下编辑程序在RUN方式下，可对用户程序作少量的修改，修改后的程序下载时，将立即影响系统的控制运行，所以使用时应特别注意。具体操作时可选择“排错”菜单中的“在运行状态下编辑程序”项进行。编辑前应退出程序状态监视，修改程序后，需将改动的程序下载到PLC。（4）梯形图程序的状态监视利用三种程序编辑器都可在PLC运行时监视各元件的执行结果，并可监视操作数的数值。梯形图中显示所有操作数的值，所有这些操作数状态都是PLC在扫描周期完成时的结果。STEP7-Micro/WIN 32经过多个扫描周期采集状态值，然后刷新梯形图中各值的状态显示。STOP方式下，梯形图中的状态显示为每个编程元素的实际状态。（5）S7-200的出错处理使用“PLC”菜单命令中的“信息”项，可查看程序的错误信息。S7-200的出错主要有两类，即致命错误和非致命错误。第三章 PLC控制电路的设计3.1 多泵恒压供水自动控制系统的要求本系统要求供水稳定,确保水位、压力维持在一定的范围内。同时为了降低成本、节约能源、便于维护,采用三台泵一台变频器的控制方案。PLC 根据压力信号进行调节并控制三台泵的变频工频的切换。为此选用SIMAITIC S7-200 系列的PLC 来进行控制,对供水系统进行PID 调节,控制变频器的运行和水泵的切换,使供水达到最理想的工作状态,从而达到供水稳定、节能的目的。系统分手动、自动控制,当手动时,由手动来对泵的工频、变频运行状态进行控制。当自动时,由PLC控制。PLC 根据采集来的压力信号进行PID 数学模型运算,通过模拟量输出信号控制变频器频率,从而达到对泵的转速控制,使压力维持在设定的范围内。当小区用水量低于压力设定值时,切掉泵的工频。当小区用水量高于压力设定值时,将没有运行的泵工频启动。三台泵的变频工频运行,但只能有一台泵由变频器进行变频控制,确保供水稳定。要求系统功能如下：（1）全自动平稳切换，恒压控制主水管网压力传感器的压力信号控制在420mA，送给数字PID控制器。控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC 检测到，PLC自动将原来工作在变频状态下的水泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若两台泵运转仍不能满足要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC 首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC 再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用变频器恒压供水。另外，控制系统让三台泵轮流运行，既保证供水系统有备用泵，又保证每台泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。（2）半自动运行方式当PLC 系统出现问题时，自动控制系统失灵，这时候系统工作处于半自动状态，即一台水泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可手动投入另外一台或几台工频泵运行。（3）手动运行方式当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，几台泵可分别以手动工频方式保障运行。3.2 PLC控制电路设计PLC控制系统的设计应遵循：在最大限度地满足被控对象控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、安全可靠；并考虑到今后生产的发展和工艺的改进，在选择PLC机型时，应适当留有余地。3.2.1 控制系统设计的内容（1）分析控制对象，调研收集有关资料，掌握恒压供水的控制工艺和相关要求；（2）根据原理确定控制程序设计流程图；（3）选定要用的PLC的型号及所需的输入/输出模块，并对控制系统的硬件进行配置；（4）画出PLC控制电路图（编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图）；（5）用STEP7编制程序，选用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计。3.2.2 PLC控制系统设计的基本原则在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：（1）最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决实际中出现的各种各样的问题；（2）在满足该系统控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用及维修方便；（3）保证控制系统的安全、可靠；（4）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的容量时，应适当留有适当的裕量。3.2.3 PLC软件程序设计的步骤（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图或时序图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步；（2）设计梯形图。这是程序设计当中比较关键的一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制的要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验；（3）根据梯形图编制程序清单（若使用的编程器可之直接输入梯形图，则可省去此部）；（4）用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确；（5）对程序进行调试和修改，知道满足要求为止；（6）待控制柜及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再回去修改程序或检查连线，直到满足要求为止；（7）编制技术文件；（8）交付使用。3.3 多泵恒压供水自动控制系统的设计3.3.1 供水系统的构成由水泵(三台)，一台西门子MM430变频器，一台西门子公司的S7-200系列CPU224和扩展模块EM231可编程序控制器（PLC）和一个压力变送器及若干辅助部件构成。各部分功能如下：安装于供水管道上的压力变送器将管网压力转换成电流(4-20mA)或电压(0-10V)信号；变频调速器用于调节水泵转速以调节流量；PLC用于逻辑切换。此外，上述系统还可配备外围辅助电路，以保障自动控制系统出现故障时可通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。3.3.2 系统原理水泵切换电路由工频电路和变频器提供的变频电路组成， 实际上它们都是通过PLC的输出信号来控制交流接触器的通断， 通过PLC和变频器将各台水泵按照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行， 使整个供水回路处于最佳的配置状态。变频器则具体微调当前水泵的转速， 使转速变化跟随管网压力变化(实际上是跟随用户用水量的变化)。为了使3台水泵轮流运行，我们采用了先投先停，先停先投的原则，对3台水泵建立运行与停止时间控制序列，同时也可以由操作台手动控制，启动或停止任意1台水泵。系统正常工作时，我们采用全自动变频恒压控制方式。系统投入时，可以用1至3台泵供水。合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，管网水压升高，同时变频器接收到压力传感器送来的信号，经运算与给定压力参数进行比较，调节变频器的输出，若反馈压力小于系统设定压力时，频率上升，如果到达50Hz上限频率时，压力仍不能达到要求，变频器则会把信号送给PLC， 通过PLC自动切换电路将1#水泵由变频运行切换为工频运行， 同时启动2#泵变频，通过压力传感器的压力信号反馈控制转速， 使得转速动态跟随供水压力的变化，变频器频率逐渐上升至给定值，此时，1#水泵运行于工频状态，2#水泵运行于变频状态；若用水量继续增大，压力仍然不能达到要求，PLC则进行自动切换，先切除2#水泵的变频运行，将2#水泵转换为工频运行，同时将3#水泵启动为变频运行，此时1#和2#水泵均工作于工频状态，3#水泵则工作于变频状态。当用水量减小时，由于供水管网积水蓄压，管网水压升高，压力大于设定值，变频器输出频率下降，若到达下限频率时，仍大于设定值，变频器就会把信号传送给PLC，继而在PLC控制下从先启的水泵开始减，如前所述，1#和2#水泵运行于工频，3#水泵运行于变频时，先停掉1#水泵，使2#水泵运行于工频、3#水泵运行于变频下；当用水量继续减少时，则在PLC控制下将2#水泵工频切除，仅3#水泵工作于变频状态，最后一直到全部水泵都停止运行。若用水量重新增大或者减少时，泵的运行台数及运行状态依此类推，循环往复。在用水量比较平稳的情况下， 系统应该工作在几台工频1台变频的状态，仅仅由1台泵微调转速跟随供水管网压力的变化。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#水泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对三台水泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。手动运行时，按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#3#水泵的直接启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。第四章 控制程序的设计4.1 控制程序的结构根据用水量的大小，水泵组在变频器及PLC的控制下顺序循环运行，以三台水泵组成的供水设备为例，系统顺序循环运行，保证用户的正常供水，如图4-1所示。图4-1 系统工作原理图4.2 控制流程框图设计在系统进入自动变频运行的状态后，根据图4-1所示的工作原理，可设定程序如下：（1）当实际压力低于设定压力时，PLC根据偏差进行PID数据处理，通过D/A转换后发出指令，使变频器输出频率升高，增加水泵转速，提高给水量，使实际压力达到设定压力的要求。反之，则逆运行；（2）若1#（或2#、3#）水泵变频频率升到最大值时，实际压力仍低于设定压力，PLC自动将1#（或2#、3#）水泵切换到工频运行，并变频启动2#（或3#、1#）水泵；如果此时实际压力还低于设定值，PLC则继续将2#（或3#、1#）水泵切换到工频运行，并变频启动另外一台水泵来保证用户的正常供水；（3）当用水量减少时，实际压力高于设定压力，PLC自动停止1#（或2#、3#）水泵，如果此时实际压力仍高于设定值，PLC则继续将2#（或3#、1#）水泵停止，仅留一台泵变频运行；（4）当按下变频停止按钮时，所有水泵停止运行。报警信号的程序设定：当变频器发生故障、蓄水池的水位过低或当实际压力超限（上限或下限）时，装置发出声光报警。该系统的软件流程图如图4-2所示：图4-2 系统的软件流程图4.3 控制电路的设计根据供水系统的工艺要求及以上论述，采用SIMAITIC S7-200 系列的PLC控制变频调速装置，通过装在水泵出水管上的压力变送器，把出口压力变为4-20mA的模拟信号，此信号送入变频器，改变变频器的输出频率，从而改变电机转速，用户需水量与变频器输出频率成正比关系：用水多时，频率提高，水泵转速提高；反之，若用水量减少，变频器输出频率降低，电机转速降低，以达到恒压供水的目的。多台泵恒压供水的控制系统原理图如图4-3所示：图4-3 供水系统控制原理图其中，I/O分配表入表4-1所示：表4-1 I/O分配表输入信号输出信号I0.0手动运行Q0.1水泵起/停I0.1自动运行Q0.21号水泵变频输出I0.21号水泵输入Q0.31号水泵工频输出I0.32号水泵输入Q0.42号水泵变频输出I0.43号水泵输入Q0.52号水泵工频输出I0.6总停信号Q0.63号水泵变频输出I0.7变频器故障信号Q0.73号水泵工频输出I1.0变频器就绪信号I1.4低水位停泵信号4.4 控制系统程序设计 4.4.1 程序开发的原则（1）水泵投入顺序采用的是“先停先投”，切除顺序为“先投先停”，以确保3台水泵的平均使用量一致，损耗大致相同；（2）系统运行的任何时刻都只有一个变频输出为“ON”，即变频器在任何时候都只对当前控制的水泵负责；（3）对于每台水泵来说，任何时刻都只能工作在一种状态(变频或工频)或者处于停机状态；（4）手启泵只有在其它水泵不工作在变频状态时才能起作用，因为如果其它水泵工作在变频状态，说明系统不需要增开泵就能达到控制目的。4.4.2 程序设计STEP7-Micro/WIN软件支持梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）三种PLC编程语言。梯形图是目前PLC程序设计中最常用的编程语言，由触点、线圈和用方框表示的指令构成，在程序中，最左边是主信号流，信号流一般总是从左向右流动的。梯形图使用的PLC内部“软元件”，如辅助继电器、定时器、计数器等，均由软件实现。与传统电气控制大量的引接线相比，它使用方便，控制方案设计灵活，且