【电气工程及其自动化】基于plc的恒压供水远程控制系统的plc控制软件设计

本科生毕业设计（论文）论文题目（基于PLC的恒压供水远程控制系统的PLC控制软件设计）二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2013年5月20日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论211变频恒压供水产生的背景和意义212变频恒压供水的特点213设计任务及要求32变频恒压供水系统的结构及工作流程421系统结构原理图422工作流程53控制系统的硬件配置731系统构成及主要设备选型732控制系统主电路733PLC的I/O表834PLC和上位机的通讯变量分配935硬件总电路114软件设计1341编程软件的介绍1342恒压供水系统的控制流程1343程序设计14431手动自动设计14432PLC程序设计1744PID控制模块19441PID控制及其控制算法19442PID参数整定215结论23参考文献24基于PLC的恒压供水远程控制系统的PLC控制软件设计摘要本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。通过软件程序设计，采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电用组态软件完成机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与PLC的连接，采系统监控，实现了运行状态动态显示及数据、报警的查询。关键词变频调速，恒压供水，PLC，组态软件，PID控制THEDESIGNOFTHECONTROLSOFTWAREOFCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYREMOTECONTROLSYSTEMOFPLCBASEDONPLCABSTRACTTHEDESIGNOFTHESYSTEMCONTAINSTHREEPUMPMOTORS,THEIROPERATIONISFREQUENCYCONVERSIONCYCLETHROUGHSOFTWAREPROGRAMMING,THESYSTEMUSEFREQUENCYCONVERTERTOREALIZETHETHREEPHASEPUMPMOTORSOFTSTARTANDFREQUENTLYCONTROLTHEMOTORSPEEDTHECURRENTHYDRAULICPRESSURESENSORSIGNAL,SENDSIGNALTOPLCANDCOMPAREWHENPIDARITHMETICFINISH,FREQUENCYCONVERTERCANCONTROLTHEOUTPUTVOLTAGEANDFREQUENCY,ANDCHANGETHEWATERPUMPELECTRICITYWHICHUSECONFIGURATIONSOFTWARETOCOMPLETETHEMACHINESPEEDANDCHANGEWATERSUPPLY,EVENTUALLYMAINTAINTHESTABILITYOFTHEPIPENETWORKPRESSUREABOUTTHESETPOINTTHROUGHTHECONNECTIONOFINDUSTRIALCOMPUTERANDPLC,USINGSYSTEMMONITORING,THEDYNAMICRUNNINGSTATECANDISPLAYDATA,ALARMQUERIESKEYWORDSFREQUENCYCONTROL,CONSTANTPRESSUREWATERSUPPLY,PLC,PIDCONTROL1绪论11变频恒压供水产生的背景和意义泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需大量消耗能量，提高泵站效率降低能耗，对国民经济有重大意义。我国泵站的特点是数量大、范围广、类型多、发展速度快，在工程规模上也有一定水平，但由于设计中忽视动能经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。目前，大量的电能消耗在水泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类负载中占了相当的比例。这一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大；另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不够科学合理。造成不必要的能量浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的控制策略方法，这里大有潜力可挖，是减少能耗，保障供水的一个很有意义的工作。以变频器为核心结合PLC组成的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，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。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。512变频恒压供水的特点变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点1供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量如温度、流量、浓度等一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。3变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。4在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制包括定量泉的停止和运行是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。13设计任务及要求本论文研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动三台水泵电机变频运行的恒压供水自适应平衡控制系统的研制。该系统从变频器恒压驱动水泵电机的工作原理出发，通过PLC编程软件程序的编写，设计由PLC可编程控制变频器的调速系统，实现水泵电机的软启动和无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水。并验证以变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，和变频器组成恒压闭环控制系统。3该系统设计包括以下任务及要求（1）系统开始供水时，变频运行；（2）三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出；（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3小时，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”可避免某一台泵长时间工作；（4）三台泵启动时都有延时，减小电流过大时对其他用电设备的冲击；（5）有完善的报警功能包括水位上下限报警、热继电器报警、变频器故障报警和压力高报警等；（6）对电机的操作要有手动和自动两种控制功能。2变频恒压供水系统的结构及工作流程21系统结构原理图触摸屏工控机PPI图21系统设计框架图工作原理PLC的主要功能是根据供水管道的出口压力，控制工频电源供电的水泵台数，通过开关量输出信号给变频器提供启动/停止命令，对泵站总的供水量进行粗调。在控制系统中，压力变送器将泵站出口管道的水压转换为标准量程的电压或电流，这些反馈量直接送给可编程控制器。可编程控制器时刻跟踪管网压力与压力给定值之间的偏差变化情况，经可编程控制器内部的PID运算，调节变频器的输出频率，改变变频器驱动的水泵转速。变频器的输出频率越高，泵站的出口压力就越高。选择最佳的输出频率，既能保证供水压力，又能防止压力过高，可以节约大量的能源。为了实现工频泵的自动投入和切换，需要给PLC提供管网压力信号或变频器的频率信号。管网压力信号可以用压力变送器传送模拟信号给PLC，也送给变频器。当用水量减少，变频泵的转速下降到水泵不出水的临界值时，变频器的另一个可编程输出触点闭合，可以将它送给PLC，控制一台工频运行的泵自动退出。7变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压供水系统的结构框图如图2所示变频器变频运行工频运行PLC水压AOAIAIAOOPCPIDD/A变频器接触器水泵机组管道压力变送器A/D给定管网压力PLC图22变频恒压供水系统框图恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检测管网出水压力，并将其转换为420MA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。222工作流程自动运行方式系统处于自动运行方式时，根据变频器实际运行频率和当前实际供水压力来决定泵的运行方式。即初始上电时，先投入一个泵进行变频运行，调节供水压力，此时系统为第一台泵变频工作方式。若当前压力没达到给定值，而水泵运行频率已经达到最高值50HZ，则此时应将工作泵切换至工频运行，并将另一待用泵投入变频运行状态，此时系统为第一台泵工频，第二台泵变频的工作方式。若此时实际供水压力低于给定值，而变频泵运行频率已经达到50HZ，则说明“1工2变”运行已不能满足当前用水量，此时应将变频泵切换至工频，将第三台待用泵投入变频运行状态，此时系统工作于“1工2工3变”运行方式。若处于“1工2变”状态时，其实际供水压力高于给定值，而变频泵运行低于指定频率，则说明用水量变小，此时只需一台泵工作即可，系统转入“1变”运行状态。手动运行方式手动运行时，可以在触摸屏上随意启动任何一台泵。但要注意，手动时，不允许水泵直接工频启动，只能由变频器拖动水泵开始运行，只有当运行在50HZ时，才允许工频切换。然后，在必要时，再用变频器其他泵。由于不同时间（如白天或黑夜）、不同的季节（如冬季和夏季），用水量的变化是很大的，因此三台泵不同时供水，本着多用多开，少用少开的原则，既满足系统对恒压供水的需求，又可以节约能源。3控制系统的硬件配置31系统构成及主要设备选型根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图31所示图31系统的电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分1PLC及其扩展模块、2变频器、3水泵机组、4压力变送器、5液位变送器。主要设备选型如表31所示表31本系统主要硬件设备清单主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（PLC）SIEMENSCPU224XP工控机SIMATICIPC547DHMISMARTLINE700变频器SIEMENSMM420水泵机组3台丹麦格兰富水泵CR156压力变送器及显示仪表普通压力表Y100、JCJ800D通用型压力变送器液位变送器分体式液位变送器DS26淄博丹佛斯公司32控制系统主电路控制系统主电路如图32所示。QS1为整个电路的三相电源控制开关。QF1QF4分别为1号水泵3号水泵和变频器的三相电源控制开关。KM7为总电路的三相电源供电接触器，KM1、KM3、KM5为1号泵3号泵的工频电源工作时的接触器，FR1FR3为1号泵3号泵工频电源工作时的过载保护热继电器。KM2、KM4、KM6为1号泵3号泵变频工作时的接触器，来自变频器的输出端。图32控制系统主电路图33PLC的I/O表按照实际的需求，本系统的设计有以下要求（1）系统开始供水时，变频运行；（2）三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出；（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3小时，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”可避免某一台泵长时间工作；（4）三台泵启动时都有延时，减小电流过大时对其他用电设备的冲击；（5）有完善的报警功能；包括水位上下限报警、热继电器报警、变频器故障报警和压力高报警等。（6）对电机的操作要有手动和自动两种控制功能。根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表32所示。表32输入输出点代码及地址编号符号地址注释ALARM_LIGHTQ11报警指示灯M_A_LIGHTQ10自动/手动指示灯M3_BP_OUTQ073号水泵变频启动继电器M3_GP_OUTQ063号水泵工频启动继电器M2_BP_OUTQ052号水泵变频启动继电器M2_GP_OUTQ042号水泵工频启动继电器M1_BP_OUTQ031号水泵变频启动继电器M1_GP_OUTQ021号水泵工频启动继电器BPW_OUTQ01变频器输出POWERQ00电机及变频器电源继电器ALARM_RESETI15报警复位FR_M3I14M3热保护FR_M2I13M2热保护FR_M1I12M1热保护WATER_HIGHI11高水位WATER_LOWI10低水位BPQ_ERRORI07变频器故障输出M2_BP_GPI06M2工频/变频切换M2_STARTI05M2启停按钮M1_BP_GPI04M1工频/变频切换M1_STARTI03M1启停按钮SYSTERM_STOPI02系统急停AUTO_OR_MANUALI01系统自动/手动切换POWER_STARTI00电机及变频器电源启停BPQ_AQAQW0变频器频率输出PRESSSURE_AIAIW0水压输入34PLC和上位机的通讯变量分配根据本系统的设计要求，实现与上位机的连接各变量分配如下表所示表33上位机变量分配表35硬件总电路结合系统控制电路图32和PLC的I/O分配表，画出系统的硬件总电路如图33所示图33硬件总电路图4软件设计41编程软件的介绍STEP7MICRO/WIN32是西门子公司专为SIMATICS7200系列可编程序控制器研制开发的编程软件，它是基于WINDOWS的应用软件，功能强大，既可用于开发用户程序，又可实时监控用户程序的执行状态。下面将介绍该软件的安装、基本功能以及如何应用编程软件进行编程、调试和运行监控等内容。STEP7MICRO/WIN32编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能。1）在脱机（离线）方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。2）在联机（在线）方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。3）在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。4）对用户程序进行文档管理，加密处理等。5）设置PLC的工作方式、参数和运行监控等。142恒压供水系统的控制流程系统运行主程序首先要进行一系列的初始化工作，并使扩展模块、触摸屏、变频器等设备与PLC的数据传输正常。在系统运行过程中要及时进行故障检测，以防止设备损坏和意外发生；当故障出现时，要在触摸屏上及时显示并进行报警输出方便维修人员维修，有利于系统恢复正常工作，无故障情况下，在触摸屏上显示设定压力和实际压力，系统自动启动后，进行恒压控制。变频恒压供水系统控制方式分为手动控制、自动控制方式。在手动控制方式下，各类设备是根据PLC手动操作面板上的输入按钮输入来控制，没有逻辑限制，既不需要根据压力传感器的状态进行控制。在自动方式下，进行闭环控制，供水系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启动停止、调速控制，其工作过程如图41所示。自动手动图41系统总流程图43程序设计431手动自动设计1、手动模式在手动模式下，可对每个设备进行单独调试，使它们工频运行或变频运行。在此模式下，可通过按钮对三台水泵进行控制，而且可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变它的速度，以检测调速性能。手动操作模式工作流程图如图42所示。系统中各设备状态标志，送触摸屏供水管道出水压力检测自动手动比较变频器运行频率是否低于指定频率并置位相应标志位自动或手动手动控制3泵工频运行3泵变频运行1泵变频运行2泵变频运行2泵工频运行1泵工频运行开始PID运算图42手动模式工作流程图2、自动模式在自动模式时，系统上电后，启动自动按钮，确认后系统运行，并根据压力传感器反馈回的数据进行泵数的增减、工频/变频的切换以及变频状态下的频率变化。自动操作模式工作流程图如图43所示。主要工作过程包括以下几个方面（1）、系统上电后，按下自动启动按钮，检测水池水位。（2）、水位满足要求，变频启动1号水泵电机，同时检测用户管网内压力。（3）、管网内压力大于设定值，水泵变频调节；小于设定值，需启动2号水泵电机。（4）、网管内压力大于设定值，2号水泵电机变频调节；小于设定值，2号水泵电机工频运行，3号水泵电机变频启动。（5）、管网内压力大于设定值，3号水泵电机变频调节；小于设定值，3号水泵电机工频运行。（6）、管网内压力大于设定值，依次减少投入运行电机数量。NYNNYYNNYYNNYY图43自动操作模式工作流程图自动检测变频器启动1电机管内水压小于设定值变频器启动2电机，1电机工频运行管内水压小于设定值变频器启动3电机，1、2电机工频运行管内水压小于设定值1、2、3电机工频运行管内水压大于设定值管内水压大于设定值变频器启动2电机，1电机工频运行，3电机停止运行管内水压大于设定值管内水压大于设定值变频器启动2电机，1电机停止运行432PLC程序设计PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。1、系统运行主程序PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机启动程序、水泵电机工频/变频切换程序和报警程序等构成。系统运行主程序流程图如图44所示。图44故障检测子程序流程图2、1号水泵电机控制子程序1号水泵电机控制程序主要控制1号水泵电机的运行、停止和变频调速，其工作流程图如图45所示，其工作过程包括一下几个方面（1）、自动运行过程开始1号水泵电机变频运行，检测管网内水压力大小。（2）、若反馈值小于设定值，启动定时5S。（3）、定时到，管内压力仍小于设定值，检测变频器输出的频率。开始有无水检测变频器故障检测水泵故障检测压力变送器故障检测压力表信号检测触摸屏显示检测结果报警输出返回（4）、变频器输出频率为上限值50HZ，切换1号水泵电机工频运行，启动2号水泵电机控制程序。NYNYNYNY图451号水泵电机控制流程图3、2号水泵电机控制子程序2号水泵电机控制程序主要控制2号水泵电机的运行、停止和变频调速，其工作流程图如图46所示，其工作过程包括一下几个方面（1）、启动2号水泵电机变频运行，检测管网内水压力大小。（2）、若反馈值小于设定值，启动定时5S。（3）、定时到，管内压力仍小于设定值，检测变频器输出的频率。（4）、变频器输出频率为上限值50HZ，切换2号水泵电机工频运行，启动3号水泵电机控制程序。（5）、管内压力反馈值大于设定值，切除1号水泵电机工频运行，维持2号水泵电机变频调速运行程序。自动调节过程1电机运行控制1电机变频运行调用控制程序反馈值小于标准值定时5S启动延时到反馈值小于标准值变频器输出超过50HZ1电机工频运行2电机运行控制NYNYNYNY图462号水泵电机控制流程图4、3号水泵电机控制由于3号水泵电机的控制与2号水泵电机的控制原理相同，在此略去。44PID控制模块441PID控制及其控制算法在供水系统的设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。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。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值RT和实际输出值YT之间的偏差ET15（41）ETYRT2水泵电机运行控制2水泵电机变频运行调用控制程序反馈值小于标准值定时5S启动延时到切除运行于工频的1水泵电机反馈值小于标准值变频输出超过50HZ2水泵电机工频运行3水泵电机运行控制经比例P、积分I和微分D运算后通过线性组合构成控制量UT，对被控对象进行控制，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如图47所示，图中UT为PID调节器输出的调节量。RTET比例积分UT水泵管网YT实际压力给定压力频率转速压力变送器微分图47PID控制原理框图PID控制规律为（42）1PDIETYTKETTT式中KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。相应的传递函数形式（43）1PDIUSGKTSEPID控制器各环节的作用及调节规律如下1比例环节成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差ET一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，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。只要偏差存在，控制就要发生改变，直到系统偏差为零。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TI，TI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。8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42离散化来实现的。以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式（44）01NDPJITUNKEENE式中T为采样周期；N为采样序号；EN为第N时刻的偏差信号；ENL为第N1时刻的偏差信号。实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为（45）1122PIDUNUNKENKE式中为调节器输出的控制增量；。IPITDPKT442PID参数整定本系统是一个单闭环系统，结构框图如图48所示。WCSWVSWOSWMS图48恒压供水系统结构框图由于本设计对压力控制的要求较高，故选择PI控制器，其传递函数为（46）1CISTS本系统可近似为带纯滞后的一阶惯性环节，假设其过程传递函数为；变频器可近似为一个比例环节，即；反馈回路传3021SOWSE50VWS递函数为。由于本系统具有自衡能力，与公式47、48可求的PIDM控制器各参数。当时，0215T4708126T48I计算的，3240ITPID控制器的传递函数为1240137CSWSPID控制流程如下图所示图49PID控制流程图根据本系统的设计要求，PID变量分配如表41所示。4表41变量分配表符号地址注释PID0_MODEV5820PID0_WSVB582PID0_D_COUNTERVW580PID0_D_TIMEVD524微