基于西门子PLCS7300变频的恒压供水系统设计

1、中山大学研究生学刊 ( 自然科学、医学版)第 34 卷第 2 期JOUNAL OF THE GADUATES VOL. 3422013 SUN YAT-SEN UNIVESITY ( NATUAL SCIENCES、MEDICINE)2013基于西门子PLCS7 300变频的*恒压供水系统设计旋，刘罗梅( 中山大学信息科学与技术学院，广州 510006)【内容提要】设计了一套由可编程逻辑控制器、变频器、三相异步交流电动机、压力传感器、计算机、各种通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供 水系统。该系统的主要功能是使供水过程运行在 PID 自动控制模式下进行。该系统有效地解决了传统供水方式中所存

2、在的人为控制问题，增强了系统的稳定性和可靠性。【关键词】S7 300PLC;变频调速;PID;恒压供水; 触摸屏1引言随着社会经济的迅速发展，水对人民生活和工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。水是现代城市生活和现代化生产中不可缺少 的因素，供水企业不但要获得经济效益，还肩负着非常重要的社会责任。在影响供水企 业的经济效益和社会效益的直接因素中，自动化技术是非常重要的。传统供水方式主要包括恒速泵直接供水方式、水箱 / 水塔供水方式、气压供水方式、 变频调速供水方式等。变频调速的方式在节能方面，效果是非常明显的。它能节约很多 电能，因为变频恒压供水只有在系统用水

3、量有变化 ( 压力下降或上升) 时，才发出精 确的控制信号，使水泵电动机实现无级转速，从而满足供水压力与系统所需水压大致相 等。同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。变频调速 供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，变频调速时的运行十分稳定可靠，没 有频繁的启动现象，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。此外，如果将此应用 于小区供水中，由于水泵加压后是直接送往用户的，能有效防止水质二次污染，保证了 饮用水水质的安全可靠1。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收稿日期:2013 06 07*作者简介: 罗旋，男，1988 年生

4、，中山大学信息科学与技术学院 2011 级通信与信息系统专业硕士研究生，主要研究方向为模式识别与图像处理;E-mail: xuanluo ieee. org基于西门子 PLCS7 300 变频的恒压供水系统设计合，结合现代控制技术、网络技术、通讯技术、信息技术的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得还不是足够深入。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实际生活和生产实践。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器 ( PLC) 、各种传感器等组成。技 术关键就是使用变频器的调速功能通过调节供水水泵的转速，以维持供水始端压力，并 使其保持相对恒定。此外，在传统恒压

5、供水系统的基础上将 PLC、变频器等应用到其 中，不断提高供水系统的自动化程度。2恒压供水系统硬件平台西门子 S7 300PLCS7 300PLC 的主要组成部分有导轨 ( ACK) 、电源模块2. 1( PS)中央处理单元模块( CPU) 、接口模块 ( IM) 、信号模块 ( SM) 、功能模块( FM)等。S7 300PLC 系统的CPU 模块均配置了一个 S485 电气特性的多点接口 ( MPI) ，支持 MPI 通讯协议，用于连接编程设备和其它计算机设备。S7 300PLC 拥有如下强大的功能2，3:高速指令处理 0. 6 0. 1 的指令处理时间在中等到较低性能要求范围内开辟了全

6、新的应用领域。浮点运算 此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算，方便用户的参数赋值。人机界面 方便的人机界面服务己经集成在 S7 300 操作系统内。人机对话编程要 求大大减少。SIMATIC 人机界面从 S7 300 中取得数据，S7 300 按用户指定的刷新速 度传送这些数据。S7 300 操作系统自动处理数据传输。诊断功能 CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特 殊系统事件。口令保护 多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许 的复制和修改。操作方式 选择开关 操作方式选择开关通过档相选择可以选择不改变操作方式， 这样可以防止非法删除或改写

7、用户程序。2. 2西门子 MM440 变频器MM440 变频器是用于控制三相异步交流电动机速度的变频器系列，它有微处理器控制，采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管具有很高的运行可靠性和功能的多样性。MM440 变频器的主要特性有4:( IGBT)作为功率输出器件。( 1)( 2) ( 3) ( 4) ( 5)易于安装，易于参数设置和调试，并具有牢固的 EMC 设计;对控制信号的响应是快速和可重复的; 参数设置的范围很广，确保变频器可对广泛的应用对象进行配置; 有六个带隔离的数字输入，并可切换为 NPN / PNP 接线; 有两个模拟输入: AIN10 10V，0 20mA 和 10 +

8、10V，79中山大学研究生学刊 ( 自然科学、医学版)二一三年第二期AIN20 10V，0 20mA;两个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个数字输入;有多种可选件供用户选用， 有 用 于 与 PC 通信的通信模块， 基 本 操 作 面 板( 6)( 7)( BOP) ，高级操作面板 ( AOP) ，用于进行现场总线通信的 POFIBUS 通信模块。通过变频器工作原理可知，现代的数字化变频器控制简单，调速范围广、调速精度 高、动态响应快、输出性能优良和使用的方便。MM440 变频器更是具有多点 U / f 控制，改善了动态响应和电动机的控制特性。此外 MM440 变频器通讯模块支持 Profi

9、Bus 现场 总线通讯5。2. 3 三相异步交流电动机2. 3. 1 基本结构三相异步电动机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部 分，在定子与转子之间有一定的气隙。定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环 上而组成; 线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。鼠笼 式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的6。2. 3. 2( 1)工作原理旋转磁场 定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁

10、场也不断地在空间旋转，如下图所示。旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。若定子每相绕组由 p 个线圈串联，绕组的始端之间互差 360° / p，将形成 p 对磁极的 旋转磁场。旋转磁场的转速 ( 同步转速) 可用下式表示:60f1n0 =( 2. 1)p定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由 “右手螺旋定则” 确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相 同，如图 2. 16所示。图 2. 1 感应电流方向80基于西门子 PLCS7 300 变频的恒压供水系统设计转子绕组感应电流在定子旋转磁场作

11、用下，产生电磁力，其方向由 “左手螺旋定则” 判断。该力对转轴形成转矩 ( 称电磁转矩) ，并 可 见，它的方向与定子旋转磁场 ( 即电流相序) 一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转， 且一定有转子转速。有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。 电动机长期稳定运行时，电磁转矩 T 和机械负载转矩 T2 相等，即 T = T2。( 2)转差率 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。描述转子转速与旋转磁场转速相差的程度。s = ( n0 n ) × 100%( 2 6)n0在正常运行范围内，异步电动机的转差率很

12、小，仅在 0. 010. 06 之间。正是由于异步电机这种简单的结构，所以其制造方便，价格便宜，运行方便; 也导致了其功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。变频器实现了对异步电机调速 控制，改良了异步电机，使其能够广泛的应用于工业控制领域7。2. 4带压力传感器和水泵的水槽液位装置该系统设计采用水槽液位装置以达到模拟现实中进行变频恒压供水的效果。当 PLC输出控制信号送至水泵，水泵则会按照控制值的大小向液位罐中抽水，随着液位罐中水位的不断升高，其压力传感器检测到的压力值也不断增大，而且两者之间必然是成线性 关系。即只要液位罐中的水位高度保持相对恒定，就能说明此时的压力值是保持相对恒 定的

13、3恒压供水系统软件平台对于 S7 300PLC 来说，系统的设计工作的实现，主要依靠 STEP7 软件来实现。该软件包提供一系列的应用程序。SIMATIC 管理器主要用于基本的组态和编程，具有组态 硬件网络、编写、编辑、调试程度等功能。符号编辑器可以管理所有的共享符号，有注 释过程信号、定义为存储、块设定以及定义符号名称等功能。硬件诊断能够为用户提供 可编程逻辑控制器状态的概况，可通过快速浏览 CPU 的数据和用户编写的程序在运行 中的故障原因显示8。4变频恒压供水系统方案设计4. 1控制要求PID 自动控制模式设计主要是由 PLC、变 频 器、三相异步交流电 动 机、压 力 传 感器、执行机

14、构、信号检测等部分构成。主要的控制要求则是利用压力传感器的反馈值，PLC 不断输出实时的控制信号，以达到自动调节压力设定值和当前压力值基本相等的稳 定状态。4. 2 系统结构及运行原理PID 自动控制模式结构框图如下图所示:81中山大学研究生学刊 ( 自然科学、医学版)二一三年第二期图 4. 1 PID 自动控制模式结构框图系统具体的工作原理为: 当系统选择 “自动 PID 控制恒压供水模式” 时，首先设定用户出水管的总压力值，PLC 通过检测到压力传感器的反馈电压值进行 PID 控制算 法，自动给出控制值给变频器，变频器通过 A / D 和 D / A 之后，输出相对应的频率值给 水泵电动机

15、，频率的改变必然导致水泵电动机转速的改变，从而改变出水管压力的大 小。不论总出水管的压力与压力给定值 SP 是否偏差，系统都会进行自动平缓调节，直 到系统保持相对稳定的状态。4. 3电路连接设计图 4. 2PID 自动控制模式电气连接图4. 4PID 控制算法在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律的 PID 控制系统原理如图 4. 3 所示，整个系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。PID 控制是一种线性控制，它根据给定值 r差为:82( t)( t)与实际输出值 c计算出控制偏基于西门子 PLCS7 300 变频的恒压供水系统设计e( t) = r( t) c( t) ( 4. 1)图

16、 4. 3 PID 控制系统原理图将偏差的比例 ( P) 、积分 ( I) 、微分( D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。其控制规律为:= Kp e( t)Td de( t) 11T1 0u( t)( 4. 2)+ e( t) dt +dt4. 5 程序设计( 1) 装载初始值程序 如图 4. 4 所示，系统在运行主程序块之前，先扫描 OB100 组 织块，将系统设计中已经确定好的压力设定值、比例积分微分常数分别用 MOVE 指令传 送至 PLC 中的 MW 存储区，这样就避免了每次运行系统程序之前手动输入各种固定的 参数值。由 于 S7 300PLC 中没有

17、特殊寄存 器， 所 以 在 OB100 中加入了位寄存器 M100. 1，用来达到 S7 200PLC 中 SM0. 0 寄存器的功能始终接通位。83中山大学研究生学刊 ( 自然科学、医学版)二一三年第二期图 4. 4 在 OB100 组织块中编写的装载初值程序( 2)选择系统运行模式程序 如图 4. 5 所示，当选择 PID 自动控制模式时，有工作模式指示输出。同时，在程序中串联加入了另外的工作模式的指示输出，使得系统在停止该供水模式之前，系统不能进行其他供水模式，避免了系统运行的内部冲突。84基于西门子 PLCS7 300 变频的恒压供水系统设计图 4. 5 选择系统运行模式程序( 3)

18、PID 控制算法程序 本恒压变频系统采用的算法是位置式 PID 算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续 PID 控 制算法中积分和微分项不能直接使用，需要采用离散化方法的方法来进行。图 4. 6 显示 了进行此算法的具体流程。图 4. 6本系统采用的位置式 PID 控制算法流程图85中山大学研究生学刊 ( 自然科学、医学版)二一三年第二期5结束语本文对基于西门子 PLCS7 300 变频的恒压供水系统进行了硬件和软件的设计。本设计实现了在 PID 自动控制模式下进行恒压供水的功能，实验证明了该系统运行的稳定 性与可靠性。此外，本论文还研究了变频技术

19、在恒压供水系统中的功能要求和主要设计 参数，并对恒压供水系统的具体研究现状进行了总结，从而为后续改进的恒压供水系统 设计的学习打下了坚实的理论基础。参考文献:1 胡建 西门子 S7 300PLC 应用教程 M 机械工业出版社，2007: 1632 王伟平 西门子 SIMATIC S7 300 可编程控制器安装手册 S 清华大学出版社，20023 廖晓钟，刘向东 控制系统分析与设计 M 清华大学出版社，20084 王蕊，宋正强 PLC 梯形图程序设计的方法 J 机床电器，2006 ( 6) : 12 145 马宁，孔红 S7 300PLC 和 MM440 变频器的原理和应用 M 机械工业出版社，2006: 215 217，288 2946 朱玉堂 变频恒压供水系统的研究开发及应用 D 浙江大学硕士学位论文，2005:10 117 丁莉 变频恒压供水控制系统研究 D 天津大学在职硕士学位论文，2007: 40 418 关玉明，程琪，肖艳春，姜云峰 触摸屏变频器与 PLC 在调速系统中的设计 J 2009 ( 3) : 16 21Design of Water Supply Control System under Constant Pres