恒压供水课程设计

1、1引言2系统总体方案设计2.1 系统硬件配置及组成原理2.2 系统变量定义及地址分配 表 3 系统硬件设计 3.1 控制系统原理接线图设计3.2 系统可靠性设 计4 控制系统软件设计 4.1 控制程序设计思路4.2 PLC 控制程序设计5 上位机监控系统设计目录345585.1 监控系统具有的功能及方案 . 105.2 PLC与上位机监控软件的通讯方案及硬件连接方法5.3 上位机监控系统组态设 计5.4 实际达到的效果6 触摸屏监控系统设计.10. 11.5.8.10.146.1 触摸屏监控系统功能介绍6.2 触摸屏监控系统的总方案14.146.3PLC与触摸屏的通讯方案及硬件连接方法146.

2、4 触摸屏监控系统组态设计147系统调试及结果分析 .21结束语 .23附录 A .25附录 BB .321、 引言自动化系统集成是以大中型 plc 及其网络技术应用为主线，涵盖 plc 工控系统集成的相关技术，是以应用为目地，理论与应用紧密结合， 广 泛应用于工控领域的实用技术。在学习自动化系统集成相关专业课程 以 后，需要通过综合实践环节强化各科专业知识综合应用能力工程意识， 动手能力，创新能力。自动化系统集成专业方向的课程设计是通过指导设计一个小型自动 化系统集成的课题，完成满足控制要求的 plc 控制系统集成，控制系统 硬件设计， plc 控制程序设计，监控系统设计，运行调试，并撰写课

3、程 设计报告。使学生的理论基础和动手能力得到进一步巩固，使学生对自 动化系统集成的过程有一个全面的了解，提高专业知识的综合应用能力 和工程实践能力。11 要求达 到的目的：1 了解自动化系统集成的全过程；2 掌握控制系统电气系统图，原理图的设计； 能3 够根据设计的原理图完成电气接线； 能够根4 据控制要求完成该软件的设计及调试； 能够根5 据监控要求完成监控系统设计及调试； 能够完6 成控制系统综合调试。12 设计内容及目 标:1分析恒压供水控制系统的要求，根据使用环境、控制要求列出控 制系统需要的输入输出。选择可编程控制器的产品系列及型号（包括 CPU莫块和扩展模块）、变频器的型号以及触摸

4、屏的型号，完成控制系 统集成。2根据恒压供水控制系统的要求，设计并绘制控制系统组成图、电 气控制原理图（包括主电路、控制电路图及 PLC外部接线图）。3根据系统电气控制原理图完成电气接线，并检查硬件系统是否符 合控制要求和规范化要求。4根据恒压供水控制系统要求设计 PLC控制程序，在STEP7程软 件上完成系统组态，并编写控制程序，将控制程序下载到 PLC中进行调 试，运行、调试、修改、完善，直至控制程序满足控制要求。5用组态软件设计恒压供水系统的监控系统，在组态监控界面上显 示设备运行状态，并模拟显示设备的动作，调试，直至满足要求。6用威纶触摸屏设计现场监控系统，调试，直至满足要求。7通过对

5、被控对象系统的硬件设计、PLe控制程序设计、监控程序 设计及调试，使学生对工业自动化系统集成、复杂控制程序设计、与电 气控制系统结合、人机界面设计及监控实现等建立起整体印象，摸索并 积累编程的技巧及经验，在调试过程中发现问题，综合应用理论知识分 析问题、解决问题，强化工程意识，提高应用能力。1.3任务描述:设计一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统。如图1所示。用Fi列水申聘東卓 IIBI图1恒压供水工艺图市网来水用高低水位控制器 EQ来控制注水阀MBl它们自动把水 注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号也接送给PLe作为低水位报警用。为了保证供水的连续 性，

6、水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀 MB2处于失电状态， 关闭消防管网；三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行， 使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行；当有火灾发生时， 电磁阀MB2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据 用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。 火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。控制任务和要求：（1）生活供水时低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行；（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）如果一台泵连续运行时间超过3 h,则要切换到下一台泵, 即系统

7、具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；（3）要有完善的报警功能；（4）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时使用。（6）能通过触摸屏发控制命令和进行监测；（7）能在上位机上通过组态监控系统监视和控制水压及泵的运行。2、系 统总体方案设 计 ：2.1 系统硬件配置及组成原理根据控制要求和实际试验设备，本次课程设计的主要硬件配置为：PLC （西门子）：电源模块PS 307,5A; CPU模块CPU314C-2DP；触摸屏：威伦 MT6056i；变频器：西门子MM440 A型变频器；电气控制柜：断路器、接触器、热继电器、中间继电器、按钮、 开关、指示灯各若干；三相异步变频电机： YB

8、Z-55-80M-4开关、按钮及压力等输入信号送给 PLC PLC经过逻辑运算将结果送给各指示灯、警铃、中间继电器或变频器。中间继电器控制接触器，从而控制各泵的工 / 变频接通或断开。变频器控制变频电机转速。上位机和PLC通过USBa讯，实现监控功能。触摸屏和PLC通过MPl通讯，实现监控功能。整体系统框图如图 2 所示：图2系统框图2.2系统变量定义及地址分配表PLC输入点地址分配如表1所示：序号变量名称输入元件代号I/O地址分配1消防信号SF9I124.02水池水位上限BGHI124.13水池水位下限BGLI124.24消铃按钮SF10I124.35试灯按钮SF11I124.46自动方式K

9、F0I124.57启动按钮SF12I124.68停止按钮SF13I124.79变频器故障RL1-C,BI125.010变频器频率上限RL2-C,BI125.111变频器频率下限RL3-C,BI125.212压力信号PLC模拟量输入PIW752PLC输出点地址分配如表2所示:序号变量名称输出元件代号I/O地址分配11#泵工频运行KF1Q124.021#泵变频运行KF2Q124.132#泵工频运行KF3Q124.242#泵变频运行KF4Q124.353#泵工频运行KF5Q124.463#泵变频运行KF6Q124.57市网来水阀MB1Q124.68生活消防供水阀MB2Q124.79水池水位下降报警P

10、G8Q125.010变频器报警指示灯PG9Q125.111火灾报警指示灯PG10Q125.212报警电铃PB1Q125.313变频器故障复位变频器6端Q125.414变频器正向启动变频器5端Q125.515变频器频率来源变频器-3 , 4PQW7523系统硬件设计3.1控制系统原理接线图设计见附录A3.2元器件清单见表3表3兀器件清单名称厂家型号数量断路器ABBIEC60898GB109631FATOIEC60898-1GB10963.12FATOIEC60898GB109633接触器SHEKF4-D22(LAI-D22)3热继电器SCHNElDERA0128512中间继电器SFQHH54P7

11、三相变压器DENUOSG-7001单相变压器创联A-120-241电机中源电气G-80A1变频器SlEMENSMM4401触摸屏WElNVEWMT6056I13.3硬件实现方案本课设是设计一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统。三个泵根 据恒压的需要，在主电路的设计中需要七个断路器，五个三相的，两个 两相的。六个接触器分别对应 1,2,3号的工变频泵。三个热继电器的接 入起到过载保护的作用。主电路需要分出一路220v的电压，本来可以接出一相和地线相接，但本着安全稳定的原则，接入了隔离变压器，可 以解决高低压之间的信号隔离，提供安全电压。主电路中还需要引出一 路电压并把220v的交流电变成直流24

12、V电，于是又接入了变压器。在控制电路的设计中，因为电磁阀所能承受的电压是直流24v,而接 触器的线圈需要交流220v电压驱动，所以控制电路分为两部分。手动方式和自动方式的切换在本次实验中通过中间继电器KFO来控制。KFO常开触点吸合为自动方式，KFO常闭触点闭合为手动方式。手都方式下， QA1， QA3 QA5常开辅助触点起自锁作用，QA1-6常闭触点起互锁作用。因为PLC外部输出为24V电压，而接触器的线圈为220v电压驱动，所 以在控 制接触器时用中间继电器 KF1-6常开触点控制。在PLC外部接线图DI/DO模块中，需要24V电源驱动。消防信号，水池水位上下限，试灯按钮等开关接在输入端，

13、和之前的地址分配对应， KF0-6线圈，各种报警指示灯接在输出端，地址同样对应。变频器故障， 频率上下限信号需要接入变频器，变频器故障复位，变频器正向启动作为输出端也接入变频器。在PLC外部接线图AI/AO模块中，不需要电源驱动，本次试验只有 一个模拟量输入，就是压力信号，我们用滑动变阻器来模拟压力的变化， 变频器1,2号端子给滑动变阻器提供10v电压，输出频率16,20端子接 变频器。由于实验条件的局限性，在实验装置前面板上，SF1为手动启动按钮1，SF2为手动停止按钮1.SF3为手动启动按钮2，SF4为手动停止按 钮2.SF5为消铃按钮，灯为水位下限指示灯， SF6为试灯按钮，灯为变 频器

14、报警指示灯，SF7为启动按钮，灯为火灾报警指示灯，SF8为停止按钮，灯为报警电铃。如图图3实验中需要保持信号的开关用中间面板上的开关来实现，其中SF12为自动手动切换开关，R1为压力传感器，SF16为消防按钮, 为水位上线按钮，SF2 O为水位下线按钮。如图SF17: ir7电子負監 -.图4实验主电路线，控制电路线，开关线接好后进行调试。程序输入后主电路电压高，不通电，控制电路上电，下载程序，测试实验结果。图54控制软件设计系统4.1控制程序设计思路由课程设计任务的工艺和控制要求来分析，各泵工/变频运行组合状态较多，适于用梯形图法来编程。其中明确各个控制对象的启动和关 断条件，是此次编程的核

15、心重点。由信号“自动方式”选择手动或自动 运行方式，“自动方式” =O时选择手动方式，此时无法接通。1、手动方式时： 每台泵由一个启动按钮和一个停止按钮控制其工频启 /停； 由两个拨码开关控制市网来水阀和消防水阀的开 /闭。2、自动方式时：未“自动启动”时，可实现： 水位下限报警、变频器故障报警、火灾报警；（指示灯和警铃） “试灯按钮”的试灯功能； “消铃按钮”的消铃功能。“自动启动”后，启动保持，完成自动控制逻辑：初始化变频泵号为1，工频泵数为0,即启动时初始状态时为1# 泵变频运行；在循环中断组织块 OB35中进行PID调节，调节结果控制 变频器频率变化； 故障时，复位变频器，关断当前变频

16、泵，故障结束后重新变频启 动该泵，恢复故障前的运行状态； 给定压力设置：由消防信号控制选择当前生活 /消防压力；变频器频率上限时增泵滤波，符合增泵条件时，工频泵数加1、增泵逻辑； 变频器频率下限时减泵滤波，符合减泵条件时，工频泵数减1、减泵逻辑； 单台泵连续变频运行3h时间到，产生倒泵信号； 增泵时，关断当前泵的变频运行，然后工频启动并将下一泵变频 启动； 倒泵时，关断当前泵的变频运行，然后将下一泵变频启动； 减泵时，根据“先开先停”的原则关断工频运行的泵； 市网来水阀的开/闭：由水位上限信号控制； 消防水阀的开/闭：由消防信号控制。按下“自动停止”，启动不再保持，所有的泵和阀全部断开。退出“

17、自动方式”，所有的指示灯和警铃断开。表4变频器参数设置参数号默认值设置值说明P001030恢复工厂默认值P07901启动参数复位P000311设置用户访问级为标准级P001001启动快速调试P010000功率用kW表示，频率为50HzP0304230按实际 电机铭 牌电动机额定电压（V）P03053.25电动机额定电流（A）P03070.75:电动机额定功率（kW）P031050:电动机额定频率（HZ）P03110电动机额定转速（rmi n）P070022命令源选择：数字量输入端子P100022频率设定值来源：模拟输入通道AIN1P108005电动机运行的最低频率（HZ）P1082050电动机

18、运行的最咼频率（HZ）P1120108连续运行的斜坡上升时间（S）P1121108连续运行的斜坡下降时间（S）P00100退出快速调试P00032设置用户访问级为扩展级P00047命令和数字I/OP070115 端口：正向 0N/OFF1P070296端口：故障复位P073152.3数字量输出1:变频器故障P073252.A数字量输出2:达到频率上限P073353.2:数字量输出3:达到频率下限:P0748.01数字量输出1逻辑反向4.2 PLC控制程序设计（见附录B）5上位机监控系统设计5.1监控系统具有的功能及方案本监控系统能够对该供水系统进行远程监视和控制。监控系统中的 控制信号能够送给

19、PLC实现现场硬件控制，现场的报警、水阀状态、电 机工/变频运行状态也都可以实时反映在监控画面上。在增加设备时，选择S7-300 MPI（ USB ,新建设备。在进行变量定义时，连接至上步新建设备。控制变量地址连接PLC程序中的软按钮开关（M寄存器），监视变量地址连接PLC中报警、水 阀状态、电机工/变频运行状态及压力参数的地址。绘制监控画面时，在画面中绘制按钮开关、指示灯等元件，动画连 接控制变量和监视变量。监控系统能够实现的核心关键就是变量的设备、地址和动画连接。5.2 PLC与上位机监控软件的通讯方案及硬件连接方法PLC与上位机监控软件的通讯有两方面的内容：软件设置和硬件连 接。软件设置

20、上，在新增设备时选择 S7-300 MPI（ USB ,新建设备。 硬件连接上，PLC与 PCaM MPI/USB电缆连接即可。225.3上位机监控系统组态设计图6静态画面设计Ifllr, Eli TM. UaLTj IIiElrI- FiHriAtIRjH* I? - wLJn41Ua MInUiidp.*lmC! MjHriW *, 1MiJ* r I f a Li H mJi*l,jWM-IlSI 4 JJ J 41 i i I 4 h- - 冉Jtwnfl 一KM需乂-:;X 一寫警科盂 I W.trrfi t-J1lrsQIB1悯K D4CL T= 哺 十 Sr B44WtMM .*

21、 W feu疋电fer43 / IHS.IiH I-9 二Mjfll toBZ3N 1l1图8 一泵变频图9增泵状态一图10增泵状态a看彳生活滞防双恒压无塔供水系统监控图11消防状态6 触摸 屏监控系统 设计6.1 触摸屏监 控系统功能介绍 触摸屏监控系统功能大致与上位机监控系统大致相同，但触摸屏只能在操作 间对设备状态监控。在本次模拟无塔双恒压供水系统的课程设计中，触摸屏监控 系统可实现对三台泵的工频 / 变频运行状态和三盏报警灯状态的显示。除对系统状 态显示功能之外，触摸屏还实现了对 PLC 程序的起停进行控制、水位上下限限位 开关的模拟和对报警的应急处理等功能。6.2 触摸屏监 控系统的

22、总方案1 触摸屏型号选择 MT6056i 2系统由快速选择、系统主画面、报警，工艺流程四个画面组成。 3快速选择画面实现系统各画面之间的切换功能。4 系统主画面实现对三台泵运行状态的显示；对PLC 程序的控制；水位上下限开关的模拟；消防 /变频器故障 /水位下限的报警灯和报警电铃状态的监控；压力 给定值、压力反馈值、调节后频率的数值显示。5报警画面在有报警信号时自动弹出，并能够显示报警的事件，时间和报警 恢复时间。6工艺流程画面主要向操作人员显示整个系统的主要控制对象。6.3 PLC 与触摸屏 的通讯 方案及硬件连接方法1 通讯方案：根据 MT6056i 型号的触摸屏所支持的 MPI 通讯，我

23、们选择 COM1 口的 RS485 通讯协议2 硬件连接方案：软线连接触摸屏直流 24v 电源；九针型 RS485 通讯电缆与 PLC 通讯； USB 程序下载线用于下载触摸屏程序；6.4 触摸屏监 控系统组态设计1 快速选这画面设计 : 主画面定义快速选择按钮之后再快速选择画面定义功能按钮用来切换画面。曲注1 AiWPiL亡-S 祢:SrEMENS S7-3C MPI:.t : I 1Jl2主画面设计:图11快速选择画面图主画面中程序控制开关EB8000软件打开兀件 U 位状态开关将图拖到主画面相应位置。对读取地址进行设置Mtt开龙娄型貝归盤图12开关读取地址设置示意图状态灯报警灯显示二:元

24、件二；位状态指示灯二】对读取地址设置 将图拖到主画面相应位置。图13指示灯读取地址设置示意图数值的显示 二 元件数值显示读取地址的设置将图框拖到相应位置图14数值显示读取地址设置示意图图15系统主画面3报警画面设计：报警事件的定义 二 元件:报警报警事件显示添加报警事件。RJ*團riqy S=IPltt址ReI IOI X-*a,L UOHIlfHEIG SrTi-Mfl KaIlL39. 2LTTt IBLIOl51EIfIElE S7-3MJ 吃 0L35 1工輩* IlQl!=m: ft- jj Vl薛 D停用图16报警事件定义示意图图17报警事件登录地址设置示意图4工艺流程图则用画笔根

25、据实际的工艺将各个器件的大致形状进行绘制。6.5、实际运行时触摸屏监控效果图展示图18程序启动前EftW图19增泵后两工频一变频图20检泵后一工频一变频IMIJ)Irjr生 H.初图21消防状态监控画面C 4 19f Vent OFfet 1 EVentO3 OlnI32Ow5/13)OvI 5/7 3图22消防报警画面24图23恒压供水工艺流程展示图287 系统 调试及结果 分析1、在程序调试过程中，发现在程序段的监控中报警指示灯输出点 接通，但是实际PLC的输出点并未接通，监控效果与实际运行不符。查 找许久，不知原因。后在老师指点下，发现在另一程序段中也有此报警 指示灯的控制逻辑，而对于

26、PLC的工作时序和过程来说，每扫描执行一 次程序，更新输出时都以出现该信号的最后逻辑控制结果为准。所以在 进行PLC的程序编辑时，要将同一控制对象的控制条件写在一起，不能 多处控制同一个控制对象。按此原则修改程序后，问题得到解决。2、在S7-300 PLC的PID模块使用中，开始时对 PID模块的各输入/ 输出端功能不甚理解，对 PID 调节原理和工作机能不掌握。在编程和 调试过程中，通过查阅资料和实验现象，深刻理解了 PID 模块的 PV_IN 和PV_PER LMN和LMN_PEI的区别，以及PER_O功能端的控制作用。 PV_IN和LMN都是经过工程归一化的数据，反映的是百分比，若用此路

27、 输出/输入时，PER_0功能端的值应为FALSE PV_PERn LMN_PE是模 拟量输入 / 输出经过 A/D 和 D/A 转换出的数字量，可与模拟量输入 /输出 单元地址直接相连，若用此路输出/输入时，PER_0功能端的值应为 TRUE LMN_HLi和 LMN_LL为输出调节结果的上限、下限范围，是工程 归一量，反映的是百分比。我们设置变频器的最低和最高频率为5Hz和50Hz,所以LMN_HLi和 LMN_LLN的值应设置为100.0和10.0。在不 断 的调节和修改中，PID的调节功能最终正常。3、在变频器参数的调试中，上电后即出现变频器故障信号，泵无 法变频启动。在查阅资料检查过程中，发现变频器数字量输出功能的参 数定义P0731 （数字量输出1） =52.3 （变频器故障）时，变频器