【恒压供水控制系统的设计7400字（论文）】

恒压供水控制系统的设计摘要本文针对目前恒压变频供水状况，总结出以PLC为基础的恒压供水系统的设计，本系统一共有四个水泵，这四个泵有两个可工、变频转换，一个休眠泵（夜间使用），一个消防泵（可以在任何情况下手动启停）。同时系统可设定压力值。分为自动模式和手动模式，手动模式主要是用于检测四个泵是否可以正常启停，在自动模式下两台泵交替运行，达到设定压力值。同时考虑夜间和日间用水状况的不同，在夜间设定压力值之后，休眠泵工频运行达到设定压力值停止。本课题还考虑了消防用水情况。系统的硬件组成部分主要包括西门子S7-200PLC控制器，水泵部件，变频器等部分。软件部分是利用Step编写梯形图，梯形图是在PLC系统开发应用过程中，最为广泛使用的编程语言，学习门槛低，资料丰富，被成为PLC第一图形编程语言。本文详细介绍了变频功能的恒压供水系统调研环境，硬件和软件的设计，给统计出系统的IO分配表，梯形图设计，PLC接线图，系统流程图，最后利用MCGS仿真软件完成系统组态仿真设计。在自动化设备迅速普及应用的今天，该系统具有广泛的实际应用价值，在后期逐渐完善功能后，通过进一步推广，能够带来可观的经济效益。关键字：PLC；恒压供水；水泵；变频器；梯形图目录TOC\o"1-3"\h\u253711前言 1197942系统方案论证与总体设计 1118832.1方案一：单片机控制 1105192.2方案二：PLC控制 2101402.3系统总体设计 2182083系统硬件设计 390373.1PLC机型的选择 3314333.1.1PLC的类型 370983.1.2输入输出模块的选择 3164903.1.3电源的选择 47003.1.4存储器的选择 455873.2控制系统的I/O点及地址分配 4196723.3CPU选型 570693.4水泵机组选择 6178603.5控制系统主电路图 7281924系统软件设计 85174.1梯形图介绍 8233174.2梯形图 1078335组态设计 122885.1MCGS组态软件 12181185.2建立MCGS新工程 134313总结 1431105参考文献 1625368附录梯形图 171前言伴随现代化社会的稳定性发展以及进步，市区内的高层建筑居民楼的用水等一系列问题也随之出现。不但对水的质量有高标准，不可以受到压力的影响从而出现用水障碍的现象；另外还必须要保证水的可靠性以及安全性，确保火灾来临时能及时用水。针对这两点相关要求，新的供水措施以及控制系统随之诞生，这就是所谓的用PLC控制的恒压无塔供水系统。恒压无塔供水系统分成两大类，日常生活用水的供应以及火灾时用水的供应，恒压供水有效的确保了供水的质量，以PLC作为主机的控制系统极大程度丰富了系统的控制功能，使系统的可靠性得以提高。本课题主要研究系统的硬件构成模块，梯形图软件设计，PLC的选型，同时了解系统的研究背景和意义，学习自动化设计的调试，软件编程，设计流程等知识。总之，通过对该系统的设计研究，了解PLC研发流程，初步积累项目开发经验。该系统的主要功能是通过PLC控制器，结合变频器，水泵等器件，完成系统设计，系统一共有四个水泵，这四个泵有两个可工、变频转换，一个休眠泵（夜间使用），一个消防泵（可以在任何情况下手动启停）。同时系统可设定压力值。分为自动和手动两种模式，手动模式的主要功效要是为了检测四个泵可否能正常启动或者停止，在处于自动模式下两台泵交替运行，达到设定压力值。同时考虑夜间和日间用水状况的不同，在夜间设定压力值之后，休眠泵工频运行达到设定压力值停止。此外本课题还考虑了消防用水情。软件部分是利用Step编写梯形图，梯形图是在PLC系统开发应用过程中，使用率最高的编程语言。本文详细介绍了变频恒压的研究背景，硬件组成，软件设计，给出了系统的IO分配表，梯形图设计，PLC接线图，系统流程图，最后利用MCGS仿真软件完成系统组态仿真设计。2系统方案论证与总体设计2.1方案一：单片机控制单片机的基本结构是由运算器以及控制器跟一些比较重要的寄存器结合而成，运算器主要作用是进行数据的算术运算和逻辑运算，而运算器的算术逻辑其核心功效是需要同时进行两个有关数据的算术运算，其中还有累加器以及一些数据寄存器，单片机的控制器主要进行程序的执行控制，是完成整个程序执行的关键器件，单片机中还有一些主要的寄存器比如累加器A，数据与指令的寄存器，还有地址寄存器等等，目前，单片机凭借其强大的功能，廉价的价格，在多种领域都得到了应用，比如，小型工业控制领域，通信领域，家用电器领域等。在自动配料控制系统中，一些小型的配料系统的主控芯片就是单片机。使用单片机控制变频恒压供水系统优点就是成本低，但是，可靠性差，编程复杂，因此放弃改方案。2.2方案二：PLC控制PLC又叫可编程逻辑控制器件，其内部的中央处理单元即CPU，主要是完成程序逻辑的控制以及程序的执行，在工作的时候，是有一定的工作周期，又叫做扫描周期，按照时间段不停的扫描输入口，把输入接口的数据储存到内部的寄存器中，然后进行每一步的程序的执行，一般的PLC器件的扫描时间为10ms，对于小型的PLC速度较慢，一般也有40ms左右。PLC的I/O点数也是衡量其性能的一个指标，其比单片机一个强大之处就在于，不仅仅可以进行数字量的输入，还能进行模拟量的输入输出，PLC在设计之初就是为了专门应用于复杂的工业环境，所以其抗干扰能力较强，而且，PLC的编程非常简单，是采用梯形图进行编程的。而且，最大的特点就是稳定性或者说是可靠性非常强，这是一般的微处理器所无法超越的，因为PLC最初就是为了应用在大型工业设备中，所以，稳定性、可靠性至关重要。由于单片机的编程比较复杂，所需硬件配套也比较复杂，最大的劣势就是可靠性不如PLC，而且，编程方式也不像PLC编写梯形图这样的简单，而且PLC的硬件结构简单，所以，本变频恒压供水系统设计选择PLC作为本设计的核心处理器。变频调速专业技术，利用它最明显的节能成效以及稳固性强的控制方形式，在风机和水泵以及空气压缩机等一系列能量高消耗的设备上大规模的应用。让变频相关技术和自动控制专业技术完美融合，可有效在中小型规模的供水企业中实现恒压供水的需求，不但可以达到较为显著的节能成效，与此同时还可以提升企业工作效率，人们的生活质量也得以提高，并且极大程度降低了能源的消耗。2.3系统总体设计本文章研发的PLC控制变频恒压供水系统由以下四样组成:第一，变频器，第二，可编程控制器，第三，压力变送器，第四现场的水泵机组，从而组成个完整性极强的闭环调节系统，该系统的控制步骤图如下图2-1所显示：图2-1变频恒压供水系统控制流程图3系统硬件设计3.1PLC机型的选择3.1.1PLC的类型可编程处理器有很多类型的，可以不同的分类依据来对其进划分，比如依据结构可以分为模块型和整体型，或者依据处理器字长将其分为1位，4微，16，一直到64位等。或者依据安装环情况而分为现场与控制室安装类型的，不论如何进行划分，其本质并没有明显的区别。根据实际对比情况可知，整体型可编程处理器的I/O点数是保持固定的，这样用户就没有多少选择，因而灵活性较差，这样就导致其应用领域有限，主要是用于小型控制领域；模块型PLC中包括了很多的通用模块，且还提供多种I/O卡件或插卡，这样可以方便的进行不同模块的连接，因此用户可根据自己的需要来设置相应的I/O点数，并进行功能扩展，因而这种类型的功能更丰富，可以满足不同类型用户的要求，因而其主要是用于大中型控制系统。3.1.2输入输出模块的选择此模块对控制器的性能也会产生较大的营销，因而在选择时需要考虑多方面因素。比如若选择输入模块，则主要的考虑因素为信号电平、信号供电方式和距离以及隔离方式和是否需要扩展等相关因素。输出模块的选择和前者类似，主要是考虑相应的模块类型和价格。通用型的输出模块，有很高的电压适应性，价格低、相应速度低，且使用寿命也较短；可控硅类型的则价格高，过载能力差，不过其使用寿命长，因而主要用于一些开关频繁的场合。为了较好的满足不同类型的输入输出要求，一般选择智能型输入输出模块，这样可以提高控制性能，且价格也在合适范围内。3.1.3电源的选择可编程控制器的电源也有多种类型，在选择时主要考虑的因素为，电源的通用性，购买产品时相关的说明书要求，电源的性能等。一般情况下可编程控制器的供电电源应选择220VAC电源，如果要求较高，则需要选择不间断电源。而若可编程控制器本身带有可使用电源时，则还应进行核对，也就是核对提供的电流和设备的供电要求是否一致，如果不一致则需要选择外接供电电源。在使用过程中，还应该对输入和输出信号进行隔离，以避免在误操作情况下，外部高压电源引入到可编程控制器中，可以根据需要选择相应的隔离模式，比如通过二极管或者熔丝管来进行隔离。3.1.4存储器的选择存储器会对可编程处理器的性能有很大影响，随着相关生产工艺技术的不断进步和集成芯片技术的发展，存储器的性能在显著提高，且由于大量生产而导致其成本不断降低。为确保相关应用性能要求，正常情况下可编程处理器的存储器容量，应该依据256个I/O点至少选8K存储器进行选择。如果对功能要求较高，比如需要复杂控制功能时，应适当的选择更大容量的，性能更高的存储器。3.2控制系统的I/O点及地址分配PLC要能够识别和接受描述现场设备的开关量，同时要能够发出控制信号控制一些执行设备，便于对现场设备采取控制的措施。PLC是运用I/O单元完成该项工作的。PLC跟外部设备互联的主要通道就是I/O单元，可以输入或者输出许多种类以及具备驱动能力的信号，其目的是为了实现被控设备和PLC的I/O接口两者之间的电气隔离以及串/并转换等多项功能。输入单元可以接受现场设备给PLC发出信号，涵盖人为因素控制的信号以及可以描绘出现场状况的开关量信号，譬如由继电器触点以及接近开关等供给的开关量。这些类别的信号运用输入电路开始光电隔离以及电平转换等有效处理后，转变成CPU可以接受以及进行处理的信号。而输出单元将运用CPU处理完成的弱电信号再使用光电隔离以及功率放大化等功效进行处理，最后再转变成外部设备迫切需要的强电信号，用来驱动各种类型的执行元器件，譬如电磁阀以及电磁铁等。控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如下表所示。水位上下限信号分别位I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。表3-1输入以及输出点两者的代码和地址编号输入：启动按钮I0.0停止按钮I0.1白天晚上切换I0.2手动自动切换I0.3手动泵1启停I0.4手动泵2启停I0.5休眠泵启停I0.6消防泵启停I0.7液位低传感器I1.0液位高传感器I1.1水压数据AIW0输出：泵1工频运行Q0.0泵1变频运行Q0.1泵2工频运行Q0.2泵2变频运行Q0.3休眠泵工频运行Q0.4消防泵工频运行Q0.5水池液位低报警Q0.6水池液位高报警Q0.7白天模式指示灯Q1.0夜晚模式指示灯Q1.1报警电铃Q1.2变频控制数据AQW03.3CPU选型以上内容解析看出，该系统是由六个开关量输入点和十二个开关量输出点组成；再加上模拟量输出点以及模拟量输入点各是一个。倘若选择CPU224PLC进行使用，任然需要扩张单元倘若选择CPU222PLC进行使用则价格不实惠，或许铺张浪费。借鉴S7–200的产品目和目前市场真实标价，挑选一台主机为CPU226进行使用，外加扩张模块EM226一起，再扩张一台模拟量模块EM235。以上形式的配置是最经济实惠的。整个完整的PLC系统配置图如下3-1所示：主机单元CUP226AC/DC继电器主机单元CUP226AC/DC继电器模拟量单元EM2354AI/1AO扩展单元EM2318点继电器图3-1PLC系统组成3.4水泵机组选择本系统的变频器和电机接线图如下所示。三相电源经低压熔断器、断路器接至变频器的L1、L2、L3端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的断路器及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和断路器。图3-2供水系统原理按照基于PLC的供水系统有关原理，电气控制总结构图如下面3-3所显示：图中3-3为系统电气控制总结构图从上面系统电气总结构图可得知，此系统的主要硬件设备主要涵盖下面几点：第一，PLC和它的扩张模块、第二变频器、第三水泵机组、第四压力变送器、第五液位变送器。主要设备选型如下表3-2所示.表格3-2主要设备选型根据本设计相关负荷的计算与变频器的选型，最终确定确定采用4台离心泵SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。SFL型低噪音使水泵在外观以及其轴上运用不锈钢为主要材质，叶轮以及导叶两者使用铸造件，通过静电的喷塑加工，其运营效率相比之前可以提升5%；运用低噪音电机，机械进行密封，机械的最前面配置有泄压保护的装置，在室外噪音在60分贝左右的情况下，相比外面其噪声会更低，并且磨损小，使用寿命更长；下轴承运用的是柔韧性强并且非常耐磨的轴承，它的特点是噪音低，并且使用寿命长。；有效运用低进低出的整体结构设计感，将水力模型进行先进，因为其性能相比之下更加可靠。3.5控制系统主电路图系统控制原理图主要涵盖主第一电路图，第二控制电路图，第三PLC外围接线图三样。譬如下面图中所显示，就是电控系统主电路图。其中四台电机是①M1、②M2、③M3、④M4。接触器由四项组成，①KM1、②KM3、③KM5、④KM7分别是用来控制M1～M4的共频运作；接触器为①KM2、②KM4、③KM6、④KM8，依次用来控制M1～M4的变频运作，其应用的变频器为MM440。图3-4控制系统主电路4系统软件设计4.1梯形图介绍梯形图语言的本质就是图形，它的出现主要是受继电器控制电路图的影响，在电路图中，只需要用到物种基本图形就能够形成各种各样的控制线路。(1)常开按钮。此按钮在正常情况下触点是保持断开的，但是在按动之后就会关闭，这时就处于连通状态，当取消按压时就处于断开状态。(2)常闭按钮。此按钮正常情况下触点保持连接，手动按压时触点就会断开，停止按压触点又会保持连通。具体的断开和连通情况如下：图4-1按钮和按钮的触点(3)常开触点。在正常情况下，此触点会维持在断开的状况，但当继电器线圈有电时，触点就会变化成闭合的状态，只有在断电后该触点才会继续维持断开状态。(4)常闭触点。此触点正常情况下保持连接，正常情况下该触点会一直维持连接状态，但是当继电器线圈有电时又会改变成断开的状态，没有电的情况下，触点又会继续维持连接状态。(5)继电器线圈。继电器只有在确保和它相连的触点全部都处在闭合的情况下，再把线圈进行通电，电磁铁才能够相互吸引闭合，常开触点也会闭合，常闭触点则正好相反。详情如下图4-2所示。(a)为中间继的电器显示图(b)为中间继电器具体图形的有关符号图中4-2表示中间的继电器以及触点和线圈以上面的基本图形为基础就可以做出简单的继电器控制电路，也可以称之为自保持电路，这种电路在电气控制中经常使用，电路图如下。图4-3一个简单的继电器控制电路梯形图编程前需要先有所准备，主要需要准备的有以下几点。(1)熟悉PLC指令。画梯形图和做程序的性质是一样的，所以必须要了解PLC的各种指令。(2)存储器地址安排与分配。对PLC的说明书要有深入的理解，要了解一些特殊地质所具有的效用，并且能够对地址进行合理分配。(3)清楚输入输出设备的工作原理。对接线以及PLC连接输入输出设备的原理构造有详细的了解。只有了解其构造原理后才能对存储单元进行合理分配。(4)为输入和输出设备分配存储器地址。在PLC的存储器中将输入和输出设备的存储地址设置好。(5)为PLC梯形图中需要的中间量分配地址。不仅输入输出设备需要合适的地址，梯形图中间量也需要相应的地址。(6)清楚控制原理，确认输出量、中间量和指令的得电条件和失电条件。在了解控制原理之后，要明白输出量、指令等需要在什么情况下执行最合适，这也是梯形图编写的前提。4.2梯形图根据设计要求运用STEP7-Micro/WIN32编程软件编写PLC程序，如下图4-4所显示，具体是变频恒压供水系统PLC程序的梯形结构图。图4-4变频恒压供水系统PLC程序梯形图5组态设计5.1MCGS组态软件此课题研发的的变频恒压供水系统有效作用MCGS组态软件采取仿真的措施。MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem)的运行基础是必须具有Windows平台，从而才能在短时间内建立完善的监控体系，它能够在许多操作系统中使用，例如在Windows95、2000等等中都能够流畅的运行。MCGS的功能全面且强大，用户可以利用其处理许多工程问题，而且它在数据收集整理方面也较为实用，用户可以用它完善监控安全体系，对整个流程进行全面的控制，因此MCGS的功能十分多样。MCGS的使用条件并不苛刻，用户不需要特别的了解计算机编程理念也可以使用，用户只需要经过简单的教学就可以对计算机监控系统进行开发改善。MCGS操作起来十分简单，易上手，并且综合性能相对较强，稳定性较好，所以在我国的许多行业中都有所应用，例如石油业、钢铁业、交通、能源等等，在这些行业中或多或少都应用了此软件的功能，并且经过长时间的应用改善，现在系统整体的稳定性较之以前已经有了大幅度的提升。5.2建立MCGS新工程把MCGS组态软件安装到计算机上以后，在桌面上会出现组态环境以及运行环境两个图标，需要点击组态环境的图标，打开组态环境。图5-1组态新建界面然后找到文件选项，在文件选项中找到新建工程，通常MCGS安装在D盘中，然后其新建工程就会在D：\MCGS\WORK\中，工程名为X.MCG。具体步骤如下：图5-2新建界面步骤在MCGS组态平台中，点击用户窗口，然后找到新建窗口并打开，这是会出现新的窗口0，详情如下图5-3。图5-3设置组态各个界面然后选中窗口0后进入窗口属性选项，，找到窗口设置，然后将窗口名称调整为系统控制，窗口标题改成同样名称，将窗口位置调整为最大化，其他方面则无需做出改变，然后进行确认保存。组态界面如图5-4所示。图5-4组态完成界面总结在变频恒压供水系统设计时，本人对于西门子PLC编程语言了解并不多，尤其是编程方面，我只在上课中了解了些PLC的基本理念和指令，除此之外对于应用等方面完全不懂