【电气工程及其自动化】基于plc的恒压供水远程控制系统

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上位机控制软件设计）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2014年5月10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课题的提出212变频器及恒压供水系统的国内外研究现状3121变频调速技术的国内外发展与现状3122变频恒压供水系统的国内外研究与现状313变频恒压供水远程控制系统的实现514设计任务及要求52变频恒压供水系统结构及工艺流程621变频恒压供水系统的理论分析6211电动机的调速原理6212变频恒压供水远程控制系统的组成及原理722变频恒压供水系统的控制流程8221变频恒压供水系统控制流程8222水泵切换条件分析9223变频运行和工频运行的切换103系统的硬件设计1131系统的硬件选型1132系统主电路1233PLC以及远程控制分析13331PLC介绍13332系统功能分析13333PLCIO分配表14334PLC和HMI通讯变量分配14335PLC和上位机通讯变量分配1534S7200的网络通讯简介17341S7200网络通讯的概念17342S7200和HMI的通讯17343S7200和WINCC的通讯184人机界面的设计1941HMI以及其编辑软件的介绍19411什么是人机界面19412WINCCFLEXIBLE2008的介绍2042HMI画面组态20421登陆和用户管理20422系统运行画面21423系统状态及设定画面22424系统故障及报警画面235上位机软件设计2351WINCC简介2352工业组态软件设计的原则2453画面的组态24531用户登录及管理24532运行监控画面27533参数设置画面30534过程趋势及数据归档30535PID调节画面32536报警画面33537基于WINCCWEB的远程控制346结论36参考文献37基于PLC的恒压供水远程控制系统的上位机控制软件设计摘要该系统由西门子S7200PLC、变频器、水泵、水压传感器和工控机组成。该系统采用了一台变频器拖动三台水泵的恒压供水方式,在系统中配置了上位机组态运行系统，可以实现系统监控、数据保存、过程趋势显示、PID数据整定、用户管理和报警等功能。通过WINCC的WEB发布功能，可以实现远程监控，使系统数据更具实时性，出现报警或故障能及时发现并处理，系统维护更加方便。关键词变频调速，恒压供水，西门子PLC，组态软件，PID,人机界面THEREMOTECONTROLOFTHECONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYSYSTEMBASEDONPLCCONTROLSOFTWAREDESIGNABSTRACTTHESYSTEMCONSISTSOFTHESIEMENSS7200PLC,FREQUENCYINVERTERS,PUMPS,PRESSURESENSORSANDINDUSTRIALCOMPUTERTHESYSTEMUSESANINVERTERDRIVESTHREEPUMPSCONSTANTPRESSUREWATERSUPPLY,CONFIGURATIONOFTHECOMPUTERSYSTEMINTHESYSTEM,ANDTHENITCANREALIZESYSTEMMONITORING,DATASTORAGE,PROCESSTRENDDISPLAY,PIDTUNINGDATA,USERMANAGEMENTANDALARMBYTHEWINCCWEBPUBLISHINGFEATURE,THESYSTEMCANACHIEVEREMOTEMONITORING,ANDMAKETHEDATAMOREREALTIME,THESYSTEMCANDISCOVERANDPROCESSINGWHENTHEALARMORFAULTOCCURS,SYSTEMMAINTENANCEALSOBECOMESMORECONVENIENTKEYWORDSFREQUENCYCONTROL,WATERSUPPLY,SIEMENSPLC,CONFIGURATIONSOFTWARE,PID,HMI1绪论11课题的提出随着社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速。城市供水管道也不断延伸，城市供水系统面临越来越大的压力，供水系统的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。变频技术的日益发展使得变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、远程供水调度和整体规划要求的必然趋势。传统的小区供水方式有水塔高位水箱供水、恒速泵加压供水、气压罐供水、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系统等方式，其优、缺点如下1水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。2气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，水泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。3单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水资源和电力资源、效率低、可靠性差、自动化程度低等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗1。基于PLC和变频技术的恒压供水远程控制系统集变频技术、电气技术、现代控制、PC以及互联网技术于一体。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，同时系统具有良好的节能性，并加以直观操作的人机界面以及通过PC和WEB将系统运行信息发布到互联网上，让系统运行的信息更具有实时性，并且可以实现系统的远程控制以及管理，这在能源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、信息实时性、远程管理等方面具有重要的现实意义。12变频器及恒压供水系统的国内外研究现状121变频调速技术的国内外发展与现状变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果在各个领域得到广泛的应用，为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了重要手段。变频技术的核心部件是变频器，变频器全称交流变频调速器，用于交流电机，通过调整输出频率或者同时调整输出频率以及输出电压，从而改变电机转速，以达到交流电机调速的目的。变频器于20世纪60年代问世，到20世纪80年代在主要工业化国家的各个行业中均已得到广泛使用。在我国，60的发电量是通过电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。变频调速以其优异的调速和启制动性能,高效率、高功率因数和节能效果,广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式,是当今节能、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境,推动技术进步的一种主要手段3。122变频恒压供水系统的国内外研究与现状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。即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”，“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。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器PLC及相应的软件予以实现有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为现己更名为艾默生电气公司和成都希望集团（森兰牌变频器也推出了恒压供水专用变频器22KW30KW，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环月麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性EMC的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管市政来水管进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。变频调速是优于以往任何一种调速方式如调压调速、变极调速、串级调速等，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术它采用微机控制技术电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点4。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、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。13变频恒压供水远程控制系统的实现随着各大小区对变频恒压供水系统的需求量变大，同时也对供水系统的管理提出了更高的要求。目前的供水系统大多是以一栋建筑物为主的控制系统，大型小区的供水系统则为分散式的控制系统，需要投入大量的人力和物力去管理和维护。于是在这里提出了变频恒压供水远程控制系统的方案。该远程控制系统主要由多个完整的变频恒压供水系统、工业以太网、工控机组成。在每个完整的控制系统中增加以太网通讯模块，再通过工控机把多个系统整合，这样便能通过以太网访问每一个系统。WINCC提供了开放的界面、工业以太网通讯以及WEB服务器用于用户解决方案，这将使得WINCC参与复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。同时也使恒压供水系统的远程控制得以实现。本文采用了WINCC上位机组态软件的WEB发布功能，将供水系统发布到互联网上。操作员或者维护人员在获取了相应的权限登陆后，方可根据权限的高低对系统进行不同级别的操作。14设计任务及要求本论文研究的主要内容是基于PLC的变频恒压供水远程控制系统的软件设计。该系统从变频器恒压供水的工作原理出发，在PLC以及各方面硬件的基础上，通过上位机和HMI实现远程控制。在HMI端主要实现以下功能（1）用户管理（2）系统监控（3）参数设置（4）故障报警在上位机端主要实现以下功能（1）用户管理（2）登入登出记录（3）操作员操作记录（4）系统手动、自动运行监控（5）过程趋势图（6）数据归档（7）系统参数设置（8）PID参数整定（9）故障报警（10）基于WINCCWEB的远程控制2变频恒压供水系统结构及工艺流程21变频恒压供水系统的理论分析211电动机的调速原理水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为1601FNSP式中F表示电源频率，P表示电动机极对数，S表示转差率。从上式可知，三相异步电动机的调速方法有L改变电源频率2改变电机极对数3改变转差率改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器13。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速N基本上与电源频率F成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛应用。212变频恒压供水远程控制系统的组成及原理PLC控制变频恒压供水远程控制系统主要有变频器、可编程控制器、HMI、工控机、压力变送器及相关输入和现场的水泵机组一起组成一个完整的PLC控制变频恒压供水远程控制系统，该系统的组成图如图1所示用户M压力变送器变频器PLC含PID液位变送器水池水泵机组管网压力信号报警信号水池水位信号图1变频恒压供水系统组成图从图中可看出，系统可分为执行机构、信号检测机构、控制机构、远程控制机构四大部分，具体为L执行机构执行机构由一个变频器和3组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中每个时间段只有一台水泵在变频运行，根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。当用水量增加后，需将水泵组切换至变频运行。2信号检测机构在系统控制过程中，需要检测的信号包括控制信号、管网水压信号、水池水位信号和报警信号。控制信号直接输入到可编程控制器中，是对系统运行、停止、模式切换、手动运行等功能进行操作。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，可以使用PLC自带的模拟量输入端进行AD转换。水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足，当水池水量不足时，需要当地的供水管理处提供。同时水位上下限限位有效时需要系统进行相对应的动作，此信号来自安装于水池中的液位传感器。报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常、水位高低等，这些信号为开关量信号。3控制机构电气控制柜中包含系统控制器、变频器及各种电气元器件等，是整个系统的控制机构，也是变频恒压供水控制系统的核心。控制机构直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频器和接触器对执行机构即水泵机组进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制12。22变频恒压供水系统的控制流程221变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下L系统通电，控制器初始化，将各数据的初始值以及通讯接口进行设置。当接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制ML的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间ML工作在调速运行状态。2当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。3当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50HZ时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件在下节有详细阐述时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2变速运行，同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50HZ时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。4当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3关掉。222水泵切换条件分析在上述的系统工作流程中，我们提到当变频泵已运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降到0HZ。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降5。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20HZ左右。所以选择50HZ和20HZ作为水泵机组切换的上下限频率。当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。若出现时就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超SFP过了设定压力。在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入切出再投入再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中，实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命11。另外，实际供水压力超调的影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰，这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。所以，在实际应用中，相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。实际的机组切换判别条件如下加泵条件且延时判别成立2UPF2DFSP减泵条件且延时判别成立3LOWFS式中上限频率下限频率UPFLOWF设定压力反馈压力SFP223变频运行和工频运行的切换当用水量增大时,“一号泵”已经达到上限频率而水压偏低时，经短暂延迟，确认需要加泵时，此时需要将“一号泵”切换至工频运行，同时变频器频率迅速降为0，然后将“2号泵”接至变频器，开始变频运行。从系统主电路上看，切换时必须先把变频运行接触器断开，才能将工频运行接触器闭合，防止变频器输出端直接接入3相电源，这是不允许的。所以要求设计者在系统设计时必须在机械上和程序上有相应的互锁功能。考虑到切换时需先将变频运行断开，电机从变频电源上断开后处于自由制动过度过程，且频率和速度是有负载的工况决定的。如果在切换时电机的转速已经十分低下，则切换到工频时的电流相当于直接启动的电流，这对大容量电动机来说，这是不允许的。自由制动的时间长短和拖动系统的惯性大小有关。水泵由于水的位能具有阻止水泵继续旋转的作用，故电动机的惯性将很快被克服，停机往往十分迅速。所以在切换的过程中电动机的转速不低于额定转速的70为宜。因此切换时的延时时间应尽量地短一点，必须避免在切换过程中产生过大的冲击电流，干扰电网6。同时，电动机在变频器电源下运行时不需要热保护继电器，因为变频器有相应的过载、过压、过流、断相等保护。但当电动机切换到工频运行时，无法由变频器提供过载保护的功能，所以需要设计者在系统的电气设计环节增加热保护继电器。3系统的硬件设计31系统的硬件选型根据PLC变频恒压供水远程控制系统组成及原理，如图2系统总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分PLC及其扩展模块、变频器、水泵机组、压力变送器、液位变送器、工控机、HMI、接触器、断路器、熔断器若干。图2系统总框图主要设备选型如表1所示。表1主要设备选型表主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（PLC）SIEMENSCPU224CN模拟量扩展模块SIEMENSEM235工控机SIMATICIPC547DHMISMARTLINE70032系统主电路基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3所示三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1、2、3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1为系统的主开关；FU1为主电路的熔断器；KM7为主电路的控制接触器（由控制柜的启停按钮控制）；QF1、QF2、QF3、QF4均为断路器，分别控制M1、M2、M3和变频器电源的接通和断开。为防止电机绝缘损坏后导致设备带电，电机外壳需要进行接地保护。图3变频恒压供水系统主电路图变频器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压力表Y100、JCJ800D压力变送器液位变送器分体式液位变送器DS2633PLC以及远程控制分析331PLC介绍系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司S7200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。332系统功能分析PLC主要用于实现变频恒压供水系统的自动控制，PLC程序要实现以下功能自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下1由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。2考虑节能和水泵寿命的因素，系统对每个水泵的运行时间进行统计，各水泵切换按累计的运行时间长短来决定切换的顺序。3在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3H，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下，且水泵切换以其累计运行时间的长短来决定10。4三台水泵在工频运行时设有热保护继电器的过载保护，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用，手动的工频运行需要变频器的辅助运行。5系统要有完善的报警功能。333PLCIO分配表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2所示。表2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334PLC和HMI通讯变量分配结合系统控制电路图3和PLC的I/O端口分配表2，为HMI中所需要的变量等数据分配地址。具体分配如图4所示。图4HMI中变量分配表335PLC和上位机通讯变量分配结合系统控制电路图3和PLC的I/O端口分配表2，为上位机中所需要的变量等数据分配地址。具体分配如图5、6所示。图5上位机中变量分配表1图6上位机中变量分配表234S7200的网络通讯简介341S7200网络通讯的概念S7200可以支持各种类型的通讯网络。在SETPG/PCINERFACE属性对话框中进行网络设置。一个选定的网络将被作为一个接口来使用。能够访问这些通讯网络的各类接口包括多主站PPI电缆、CP通讯卡、以太网通讯卡等。S7200PLC支持PPI通讯协议（点对点接口）、MPI协议（多点接口）、PROFIBUS（总线式）、TCP/IP协议、OPC协议等多种协议7。342S7200和HMI的通讯S7200PLC和HMI的通讯一般选用最常见的PPI通讯协议。PPI协议是S7200CPU最基本的通讯方式，通过原来自身的端口（PORT0或PORT1）就可以实现通讯，是S7200CPU默认的通讯方式。PPI是一种主从协议通讯，主从站在一个令牌环网中。在CPU内用户网络读写指令即可，也就是说网络读写指令是运行在PPI协议上的。HMI和PLC通讯关系图如图7所示。图7HMI和PLC通讯关系图343S7200和WINCC的通讯WINCCWINDOWSCONTROLCENTER是西门子开发的在WINDOWS环境下解决生产和过程自动化、可视化信息、显示和实现控制策略，即实现SCADA系统人机接口HMIHUMANMACHINEINTERFACE的组态软件。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的各种功能模板，能实现高性能的过程耦合、快速的画面更新和可靠的资料处理，具有较高的实用性。在WINCC编辑器中，不支持PPI通讯协议的驱动，所以在和S7200PLC之间的通讯需要通过OPC服务器来建立18。西门子推出的PCACCESS软件是专门用于S7200PLC的OPC服务器（SERVER软件，可以与任何标准的OPC客户端（CLIENT通信并提供数据信息。PCACCESS软件自带OPC客户机测试端，用户可以方便的检测其项目的通信质量及配置的正确性。PCACCESS可以用于连接西门子,或者第三方的支持0PC技术的上位软件,例如WINCC。WINCC和PLC通讯关系如图8所示。图8WINCC和PLC通讯关系图这就需要S7200系列的PLC需要先通过PPI通讯协议和PCACCESS（OPCSERVER）软件已经建立好的OPC服务器建立连接，把需要的变量数据进行同步。然后WINCC在通讯驱动建立环节选用OPC通讯的驱动，然后在变量添加环节找到先前建立好的OPC服务器，把需要同步的变量数据进行同步，就可以实现S7200和WINCC的通讯。4人机界面的设计41HMI以及其编辑软件的介绍411什么是人机界面HMI是HUMANMACHINEINTERFACE的缩写，“人机接口”，也叫人机界面。人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面8。人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机WINDOWS操作系统下的画面组态软件（如JBHMI画面组态软件）。使用者都必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。图9为人机界面的构成。图9人机界面构成412WINCCFLEXIBLE2008的介绍WINCCFLEXIBLE，德国西门子（SIEMENS）公司工业全集成自动化（TIA）的子产品，是一款面向机器的自动化概念的HMI软件。WINCCFLEXIBLE用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。WINCCFLEXIBLE确保了最高的组态效率带有现成对象的库、可重用面板、智能工具，以及多语言项目下的自动文本翻译。根据价格和性能的不同，提供有多种版本的WINCCFLEXIBLE。各版本相互依赖，经过精心设计可满足各类操作面板。较大的软件包中通常还包含用于组态小软件包的选项9。现有项目也可轻松重复使用。通过功能块技术将组态成本降至最低可重复使用的对象以结构化形式集中存储在库中。WINCCFLEXIBLE包含大量可升级、可动态变化的对象，用于创建面板。对面板进行的任何更改仅需在一个集中位置执行即可。随后在使用该面板的任何地方，这些更改都会起作用。这样不仅节省时间，而且还可确保数据的一致性。42HMI画面组态421登陆和用户管理在HMI的组态软件WINCCFLEXIBLE中，提供了用户管理和权限管理功能，管理员在组态时按需为操作员添加用户名及登陆密码，同时为用户组设定操作、管理或者监视等权限。权限管理如图10所示。图10用户管理用户在进入操作系统前需要通过登陆页面，通过身份认证和权限认证后，方可根据权限对系统进行不同程度的操作，或管理、监控、操作。用户在离开时需要先注销系统，为防止非操作人员或管理人员进行误操作。用户登陆注销如图11所示。图11用户登陆和注销422系统运行画面在系统运行画面中，HMI用形象直观的动画显示水泵的运行状态和运行数据，且带有自动、手动、急停、工频切换、变频切换等按钮供用户操作和控制。系统运行画面如图12所示。图12系统运行画面423系统状态及设定画面系统状态及设定画面主要用于显示系统中水泵、变频器、水位等是否工作正常。这个画面通常作为管理员调试和维护系统用的。系统状态及设定画面主如图13所示。图13系统状态画面424系统故障及报警画面系统故障及报警画面主要显示及保存故障信息并报警，通过HMI的蜂鸣器，提示用户或管理员尽快处理故障。故障信息包括变频器错误、123水泵过载、水压高、水压低、水位高、水位低等。系统故障及报警画面如图14所示。图14系统报警画面5上位机软件设计51WINCC简介西门子公司的WINCC是WLNDOWSCONTROICONTER视窗控制中心的简称。WINCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线、数据归档和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。这使得将WINCC参与复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能19。52工业组态软件设计的原则一个完整的、高效率的WINCC监控组态的设计原则有以下几点171先进性原则控制方案功能强、技术先进、合理。釆用先进的体系结构，选用先进成熟的技术和设备及软硬件平台，营造高起点的系统开发与应用环境，使系统能随着科学技术的发展而不断平滑升级。2安全性、可靠性原则设备运行可靠、性能稳定。方案中所选择的每个元件设备的参数必须满足系统运行要求；设备应具有自检、自诊断功能；系统应能及早发现设备故障，避免发生事故，局部故障不造成错误输出，并能自动报警；系统应具有必要的冗余配置，以便系统扩展；信总采集及控制输出，要考虑多重软件硬件闭锁和互锁。3实用性原则应充分考虑利用资源，能使用户更方便地实现各种功能。实现供水泵运行优化合理调度充分考虑用户的使用频率、操作习惯和应用程度，设置系统控制流程、合理设计数据存储体系，使操作、维护简单方便。4经济性原则釆用最合理的方案，最大程度的保护原有的投资使设备运行经济节能、运行维护费用低；达到最优的性能/价格比。5开放性原则系统设计釆用开放技术、开放结构、开放系统组件和开放用户接口，以方便通过网络的远程维护、扩展升级以及与外界信号的沟通，易于扩展，以降低二次投资。6灵活性原则釆用积木式模块组合和结构化设计，使系统配置灵活，满足系统逐步到位的建网原则，使网络具有强大的可增长性和强壮性。53画面的组态531用户登录及管理WINCC作为一个完整的运行系统，建立了完善的安全机制和用户管理的功能，使得运行系统更具安全性和可靠性。本系统针对以下几点进行讲述（1）用户登录和注销在工控机正常启动后，便自动进入WINCC和PLC的变频恒压供水运行系统。在用户进入监控画面之前需要进行用户登录，在确认过身份信息后方可根据权限大小对系统进行不同程度的操作，防止非操作员进行乱操作而导致系统出错，甚至系统故障，致使小区供水瘫痪，扰乱用户正常生活。在操作员离开时，需要及时注销运行并保存相应数据，防止误操作，注销时，系统会弹出窗口提醒操作员及时保存数据，确认后即可注销系统。注销后，系统正常运行，只有当操作员需要操作或者维护时可凭权限登录并进行操作。登陆和注销画面分别如图15、16所示。图15登录画面图16注销画面图（2）用户管理“用户管理器”编辑器用于设置用户管理系统。编辑器用于对允许用户访问组态系统单个编辑器的授权进行分配和检查，以及在运行系统中对功能进行访问。在“用户管理器”中将对WINCC功能的访问权限（即授权）进行分配。这些授权，既可以分配给单个用户，也可以分配给用户组20。还可以在运行系统中分配授权。当用户登录到系统时，用户管理器将检查该用户是否已注册。如果用户没有注册，将不会为其赋予任何授权。也就是说，用户既不能调用或查看数据，也不能执行控制操作。如果已注册的用户调用一个受访问权限保护的功能，则用户管理器将检查用户是否具有允许其如此操作的相应权限。如果此用户没有相应权限，用户管理器将拒绝用户访问所期望的功能。用户管理器还将提供用于“变量登录”功能的组态功能，使用该功能，用户可通过诸如使用功能键切换所设置的变量值登录工作站。一段时间之后自动注销用户也将在“用户管理器”中进行组态。管理员以最高权限为其他用户组的人授权变量输入、过程控制、画面编辑、确认报警等操作权限。权限画面如图17所示。图17用户管理画面（3）用户登入登出记录以及操作记录在系统的用户管理机制下，利用报表功能和数据归档功能的结合，组态了用户登入登出记录画面。每当用户登录或注销时系统都会保存用户登录的时间和登录者的相关信息，以便对运行系统的操作人员进行有效管理。除了用户登入登出的管理外，系统还增加了操作员以及管理员的操作记录。具有操作权限运行系统的用户，其每一次对变量的输入、过程的控制、确认报警的操作都进行记录，使系统的运行、管理及维护更加完善。用户登入登出记录和操作员操作记录画面如图18、19所示。图18用户登入登出记录图19操作员操作记录532运行监控画面基于PLC的变频恒压供水系统监控面是所有图形界面屮显示相关参数和工艺的画面，主要显示的参数有管网的水压、水泵运行状态、变频器运行的频率、报警的状态、数据的过程趋势以及数据归档。它们也是本课题中最关键的界面，在画面中使用了便捷的菜单栏和工具栏，方便用户进行画面的切换以及查看数据。运行监控画面主要分为自动运行监控和手动运行监控。自动运行监控中，当系统进入自动运行后，该画面则会显示管网的水压、各水泵的运行状态以及变频器运行频率。当维护或者特殊情况，需要进入手动运行时，则进入手动运行监控画面，该画面在显示管网水压、水泵运行状态、变频器运行频率等参数外，还提供了启停和工变频切换的软按钮，同时可以通过直观的类似于电气控制的动画来显示系统的运行状态。变频恒压供水示意画面、自动运行画面、手动运行画面分别如图20、21、22所示。图20变频恒压供水示意画面图21自动运行画面图22手动运行画面533参数设置画面在系统运行过程中，往往需要更改一些系统参数如目标的水压、变频器频率、系统运行模式、变频器参数、通讯等。在可编程控制器的程序编程和调试过程中，这些参数是可变的，但在程序下载进去后，参数就固定了，但当参数需要更改时，便需要专业为维护人员来更改并重新调试。在WINCC组态的运行画面中，只需要在可编程控制器中设置相应的变量，即可在运行系统的参数设置画面中对水压、运行频率、变频器的参数设置、系统运行模式等进行更改，方便了用户和维护人员。系统参数设置如图23所示。图23参数设置画面534过程趋势及数据归档在系统运行的过程中有很多数据，我们比较关注的是管网的水压和变频器的输出频率。WINCC中提供了多种方便用户查看的数据样式，下面介绍过程趋势以及数据的归档。过程趋势主要针对一些数字量或模拟量的数据，过程趋势将可编程控制器中的模拟量输入或输出的进行采集，然后根据时间和数值的变化在过时间轴和数值轴组成的平面上进行描绘，我们便可以看到直观的趋势图。通直观过程趋势图，我们可以实时了解管网水压和变频器输出频率的运行情况，从而对供水的水压和供水量进行调整，使系统水压控制更加精确，为用户提供更好的供水质量。数据归档同样可以对数字量和模拟量进行归档，将过程趋势的数据以表格的形式，保存在存储器中，方便用户以后调用、查看、或报表打印。同样，用户可以根据这些数值进行对比和分析，然后对系统参数进行相应的调整。数据归档以可变的时间段为周期，低至100MS，高至1年，然后每个周期保存一次数据。用户可以利用不同时间周期的数据归档值，对数据进行每天、每月、每年的分析，并对整个系统的参数进行预设，便能实现智能化的运行系统。压力趋势画面、频率趋势画面以及数据归档画面分别如图24、25、26所示。图24压力过程趋势曲线画面图25频率过程趋势曲线画面图26过程数据归档画面535PID调节画面在恒压供水系统中，最重要也是最难的一部分便是PID闭环控制。虽然西门子S7200系列的PLC自带了PID算法以及编程软件支持PID向导而且有便捷PID调节面板，但是对于运行过程值变化较大的系统，PID算法的参数调节非常难整定。在本系统中，利用WINCC和PLC的通讯关系，将PID参数的整定组态成一个画面，方便用户调节或维护。PID控制面板上，我们要设置P、TI和TD这三项参数为输入，通过对P、TI、TD这三项参数的调整，可以减少超调量，使测量值尽快稳定在期望值左右。通过面板我们可以直观的看到管网水压的变化以及变频器输出频率的变化，通过修改变量输入控件的值，来改变PID整定的值，使管网水压跟接近我们的期望值。管理员或者维护人员获得参数设置的权限后，在参数改动并确定输入时，系统会提示用户确认参数，确认后参数才会下载到控制器中，PID运算程序将以新的参数运行。PID参数设置画面如图27所示。图27PID参数整定画面536报警画面在WINCC中，报警记录编辑器负责消息的釆集和归档，包括过程、预加工、表达式、确认及归档等消总的采集功能。报警消息系统给操作完提供了关于操作状态和过程故障状态的信息。报警消息的事件可以是设置自动化系统中的某个开关的状态，也可以是过程值超出预先定义的限制值。系统可用画而和声音的形式报告记录消息事件，还可用电子和书面的形式存档16。报警可以通知操作员在生产过程中，发生的故障和错误消息，用于及时提醒操作员处理故障，避免停机或缩短停机时间。实时报警画面和历史报警画面如图28、29所示。图28实时报警画面图29历史报警画面537基于WINCCWEB的远程控制（1）客户端与服务器的通讯。对于上层通讯WINCCWEBNAVIGATOR提供了两个网络服务程序WINCCWEBNAVIGATORCLIENT和WINCCWEBNAVIGATORSERVER，分别用于完成客户端和服务器端的网络通讯功能。在一个支持TCP/IP协议的网络中，无论是局域网或广域网，任意客户机只要安装WINCCWEBNAVIGATORCLIENT，均可以与远程实验服务器进行通讯15。（2）控制网络与上位机的通讯。控制网络