【《基于S7-200PLC的恒压供水控制系统设计》8700字】

基于S7-200PLC的恒压供水控制系统设计摘要本设计介绍的对象是一栋15层高的民用住宅的供水系统，采用PLC来实现对高层稳定供水的控制，由离心泵、变频器、压力变送器、电接点压力表、液位传感器、S7-200等模块组成。主要的工作原理是当压力变送器检测到压力过低或液位传感器检测到水位过低时，将检测到的模拟量转换为标准值，然后将输出信号送给S7-200，S7-200将输出信号发送给变频器，用变频器调节离心泵的工作电源频率快慢，从而使进水趋于稳定；当压力变送器检测到压力过大或液位传感器检测到水位过高时，将信号送给S7-200，S7-200控制变频器调节离心泵工作电源频率，进而使出水趋于稳定，从而实现恒压供水控制。关键词：恒压供水；PLC控制；变频器；S7-200目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 VIAbstract VII第1章绪论 11.1PLC恒压供水的产生背景 11.2PLC恒压供水的研究现状 1第2章工艺流程及设计方案 22.1供水系统的工艺流程 22.2系统方案 2第3章控制方案设计 43.1参数计算 43.3系统运行过程 5第4章设备选型 74.1离心泵机组选型 74.2变频器的选型 94.3压力变送器和液位传感器的选型 114.4电接点压力表的选型 144.5PLC的选型 154.6PLC扩展模块EM235、EM223 15第5章恒压供水控制系统硬件及软件设计 195.1系统硬件电路的设计 195.2系统软件程序的设计 21第6章仿真模拟 24第1章绪论1.1PLC恒压供水的产生背景随着我国城乡建设的迅速发展和节约能源的号召，水电供应补给也成为人们关注的问题。例如，日常生活用水起伏较大，在传统的供水控制系统中，水泵的选型是最大值决定的，不但能耗高，而且效率低下，长期来看，不利于可持续发展。针对这一现象，这里介绍利用PLC和变频器联动控制的恒压供水系统。这既满足了人们的日常需要，又实时调节，节约能源。另外，PLC因其可靠性高，动作安全、编程简单且直观、灵活性高，扩展库涉及面广、系统模块化程度高等多种优点而被广泛应用。1.2PLC恒压供水的研究现状在早期，在国外生产出来的变频器，它们的功能由于技术的限制相对局限，主要在于频率控制、增减速率控制、正向反向旋转控制、启停控制、变压变频比控制以及其他各种保护功能[1]。为了满足公寓居民日常生活中用水量变化无常的需求，使测量到的管网实时压力值在一定范围内波动(基本保持恒定)，常用的解决方案是：将压力传感器以及压力控制器接到变频器的外面，这样就能形成一个实时的压力闭环控制，根据反馈进一步调整，使其基本稳定。在系统中，使用上述方案调节后，水泵机组的启动电流会缓缓增大到额定值，启动时间相对于没有这样调节的系统延长了，这样整个系统对所连接的电网的冲击也会相应变小，延长泵机组的寿命，使得系统能实现变频软启动。第2章工艺流程及设计方案2.1供水系统的工艺流程图2.1供水系统工艺原理图此次设计介绍的对象是15层民用住宅的供水系统，水压低时，高层居民用水困难，有时也会断水。当水压高时，居民实际用水量变化小，出水速度过高，造成水资源浪费，不利于可持续发展[2]。如图2.1所示，按照该民间住宅的大致供水流程，将输送来的水储存在蓄水池中，用泵向各层所需的居民加压。2.2系统方案如图2.2所示，变频控制系统主要由三台工频泵和一台备用泵组成的泵机组、负责改变泵组工作频率的变频器、负责测量和转换管网压力的压力变送器、PLC处理器组成[3]。为了今后的维护和手动调节供水量，在各泵的供水管上安装手动阀。为了实现电动机调速、无波动稳定化的效果，在供水系统中，使用压力变送器检测管网实时压力值，将值传送给PLC做一系列运算后，将转化的信号传送给变频器，再通过变频器调节泵组的工作电压频率，从而实现变频软起动和变频调速的目的[4]。图2.2恒压供水控制系统原理图第3章控制方案设计3.1参数计算工艺要求为：居民住宅15层，层高约3米，居民户数1000-1200户，每户按3人计算[6]。水泵抽水时，预选水泵的总扬程可按下式计算: H＝Z+H1+H2(3.1) ＝(15+1)*3+0.05*15+0.05*15 ＝49.5(m)≈50(m)恒压供水所要保持的水管内压力： P＝ρ*g*H(3.2) ＝1000*10*50 ≈0.5(MPa)预选水泵的有效功率可按下式计算： Pe＝ρ*g*Q*H(3.3) ＝1000*10*0.04245*50 ＝21225(W) ≈22(KW)3.2系统中PID控制的实现在本方案中，系统采用PID控制,把提前设定好的标准值与实际值的差，送给PLC，将经过提前设定好的PID参数的运算后的值，传送到变频器输入端，作为调控变频器的输入信号，变频器根据输入信号指示，控制水泵机组的工作频率，从而控制进水量的多少以及进水的快慢，进而起到调节水压，使水压值趋于稳定的作用[7]。如图3.1所示供水系统的PID控制框图。图3.1供水系统的PID控制框图3.3系统运行过程在此供水系统中，系统顺序运行时，供水管的压力值由压力传感器检测，在变送器中将其转化为标准值，此值在电接点压力表上显示，如果超过限度，系统会报警，并将值传送给PLC，将得到的值经过PLC内置的PID调节程序处理后，实现数值的形式转换，将得到的数字信号转换为变频器所需的模拟信号形式输出，将PLC输出端接到变频器的模拟量反馈信号端，这样连接能使变频器成功检测到PLC传送过来的供水管的实时压力值；变频器通过PLC的输出信号，控制泵组的运行。系统实时监测压力值的变化，如有变动，依旧照此运行。系统切换到自动运行时，先控制一台水泵变频软启动，与此同时，系统检测供水管的实时压力值，当检测到的压力值小于设定值时，需要增大进水量，PLC控制变频器增大泵的频率，当频率到50Hz时，如果实时压力和之前情况相同时，工频启动（Y/Δ启动控制）第一台水泵。如若还是无法使压力值稳定，其他工频泵也按照这个逻辑启动，从而顺序实现工频泵的运行。如果压力变送器检测到的实时管网压力值大于预设值时，在PLC控制下，实现变频器减小变频泵工作频率的操作。当频率到达下限值（30Hz）时，如果供水管实时压力仍然大于预先设定的值，则在PLC控制下减少一台已经在运行的工频泵。如若依旧无法稳定，其他水泵用相同逻辑退出运行，顺序实现工频泵的停止运行。图3.2系统控制流程图第4章设备选型4.1离心泵机组选型4.1.1离心泵的工作原理离心泵在使用时，泵内带有的电机高速旋转，带动内置叶片旋转，产生的离心力，将水从出口甩出，产生真空再配合外界大气压将水压入泵内，如此反复而工作的。因此使用时，一定要提前在泵腔内注满水，以实现产生真空、正常工作的目的[5]。4.1.2离心泵的构造图4.1离心泵解剖图离心泵泵腔内部结构主要由泵体、泵轴装置、产生离心力的叶轮、密封装置、填充装置组成。4.1.2离心泵机组的选型离心泵机组的选型要求:在确保安全平稳运行的同时，离心泵应尽可能在最高效率范围内运行。为了达到这个目的，选择的模型必须与居民用水量的变化幅度一致。根根据问题提供的参数，计算离心泵系统中泵应满足的总流量范围和泵所需的最小杨程，再加上小部分的冗余量，大致确定本方案中为高层居民供水的供水压力值，由于日常生活中中居民用水量变化时间段较为集中，在短时间内使连续、小幅度的变化类型，因此确定采用3台伽利略星（深圳）进出口有限公司生产的CDLF系列主水泵机组和1台CDLF系列辅助水泵机组。型号及参数参见下表。表4.1离心泵组的功能参数型号数量主要性能参数额定流量m3/h流量范围m3/h最大压力bar最高效率KW电机功率W温度范围℃泵机组CDLF150315080~180167311~75-15~120备用泵CDLF121127~1622631.5~11-15~120CDLF系列水泵相对于其他系列，它拥有相对更好的水力模型和比较先进的制造技术，同时秉着更安全、更优质的服务理念，内置的轴封采用了更好的材料，延长了泵的寿命，同时提高了水泵的性能。CDLF系列由于整体结构更紧凑，体积和重量更小，正常运行时噪音更低，节能效果更显着，因而得到广泛应用[9]。4.2变频器的选型4.2.1变频器的选型条件变频器是变频调速系统中控制执行器的硬件，通过改变频率来实现电机转速的调控[8]。变频器在使用的过程中，变频器会产生对补偿电容器影响很大的高次谐波，因此我们在选择变频器时，会更多的参考电机的各额定值，选择带电抗器的电容器或带高次谐波去除装置的电容器组。逆变器装置具有与其他系统装置的数据交流和信号通信能力，在更好地监视逆变器的同时，充分发挥各装置在系统中的潜力，从而实现系统整体性能互补、经济、动态运行的目的[9]。4.2.2变频器的主要优点本提案中，变频器主要有以下优点。(1)节能由于水泵的耗电量与转速的3次方成正比，当居民用户的平均用水流量变动较低时，节电率可达到20%~60%。(2)电动机在运行方面的优点变频器启动过程中，都是先从低速开始，启动时频率低，同时由于居民每日用总水量差不多，仪器所需启动电流小，可以高频率启停。当正常运行的泵机组需要减少台数时，变频器通过内部自带的制动回路进行制动，从而让工作泵组减少。另外，当条件满足且系统需要制动时，不用外加制动电路，变频器自身会对给泵组单元施加一个直流电压，进行制动[10]。4.2.3变频器的选型变频器的选择必须符合电机的各额定值。本系统使用的变频器为西门子公司的MM440系统。MM440系统在配置方面，模块化程度高、可扩展性广、涉及范围广泛，多种详细又直白简单的变频状态信息和信息功能，输入信号范围宽，参数设定自由度高，操作简单、直观，输入信号包含范围广，自主性能高。在性能方面，可以同时进行有针对性的矢量控制和复合制动，同时在PID控制等其他控制功能健全的保护方面，例如：过/欠电压保护、逆变器因负载过大导致的过热保护、短路保护、电动机超载导致的过热保护等许多其他保护，提高了系统的安全性，最大限度地提高了其他装置，从而被人们广泛使用。图4.2MM440内部功能图4.3压力变送器和液位传感器的选型4.3.1压力变送器的选型压力变送器主要由三部分组成：压力传感器、压力测量转换电路和工艺连接件。本提案中，系统正常工作时，该变送器可以将压力传感器测量得出的实时电压参数，经过内置的转换电路转换为4～20mADC的标准电信号[11]，在仪表上显示的同时向PLC发送信号，然后进入下一步骤。如果在运行中压力变送器发生故障，系统控制可能会混乱，引爆器和用户用水设备可能会被破坏，为了避免这种情况，请将电触点压力计的压力上限输出连接到PLC，如果不超过上限值，系统将正常运行。如果超过上限值，PLC控制系统会关闭所有泵并发出警报。基于以上分析，在本控制系统中使用北京星仪传感器技术有限公司CYYZ11系列压力变送器。CYYZ11系列的压力变送器主要由德国的赫斯曼插头、平行垫片、固定铜片、集成芯片、隔离环、A级硅片扩散硅片、阻尼、不锈钢外壳组成。主要特点:(1)采用膜片隔离技术(2)集成芯片、宽电压供给(3)结构紧凑，安装方便(4)截止设计、抗干扰、防雷措施(5)电流限制、电压限制、反向连接保护(仅电流输出)(6)精度高、响应速度快、稳定性好、(7)a级扩散硅(8)量程:-100kPa～0～100MPa(9)测量介质:气液通用(10)精度:0.1%FS、0.25%FS、0.5%FS、1%FS这里选择CYYZ11-X-12-A1-14-C-G型压力变送器。表4-2压力变送器主要性能参数应用范围工业过程控制系统中压力的测量测量介质与丁腈橡胶相兼容的各种介质量程(表压、绝压)0～1MPa过载2倍满量程精度等级0.1%FS工作温度范围介质温度：－40～85℃

环境温度：－40～85℃环境湿度：0%～95%RH补偿温度范围－40～80℃温度漂移±0.01%FS/℃稳定性能±0.01%FS/年输出4～20mADC供电电源12～36VDC电气接口M20×1.5外螺纹功耗＜1W外壳防护等级IP54重量≈270g抗震性能10g（20～2000HZ）4.3.2液位传感器的选型液面传感器是测量压力的传感器，将测量的值转换为4~20mA的标准电信号[11]。为了防止压力变送器的故障，如果不超过电触点压力计的上限，液面传感器和压力变送器的测量值必须一致。液位传感器选用北京星仪传感器技术有限公司CYW11系列。CYW11系列液位变送器产品，采用目前较为先进的工艺制作而出，其信号测量原件是不锈钢隔离膜片0EM压敏传感器，它具有一定范围能防干扰、温度漂移程度小、稳定性高的优点，由于此压敏传感器较以往系列精度更高，所以该变送器拥有更高精度的测量水准，是工业自动化领域理想的液位测量仪。主要特点:采用国外进口的扩散硅压力传感器的线缆连接，能够现场直接接通，避免反复测试，安装简单放大电路采用美国集成芯片，处理速度更快、更精准；同时设计师从产品工作环境的特殊性出发，该变送器通过宽电压供电，拥有防液体中杂质堵塞、防止液体腐蚀等诸多设计，使其抗干扰性能更强；该变送器还拥有防止误操作的接线保护、过电压保护和限流保护，使得变送器稳定性高，响应速度更快。这里选择CYW11-L50-B60-A1-S-G型液位传感器。表4-2压力变送器主要性能参数应用范围工业过程控制系统中液位的测量测量介质水或与丁腈橡胶、不锈钢相兼容的介质量程0～50m过载2倍满量程精度等级0.1%FS工作温度范围介质温度：－40～60℃

环境温度：－40～85℃补偿温度范围－10～60℃温度漂移±0.01%FS/℃稳定性能±0.01%FS/年输出4～20mADC供电电源12～36VDC功耗＜1W防护等级IP68重量探头≈290g线缆每米≈60g4.4电接点压力表的选型电接点压力表由测量、指示系统，触点、调节装置，外壳、接线盒包装等三部分组成。本系统中，在正式使用前，先分别将代表压力表的上限的设定销和代表下限的设定销调节到与提前计算好的压力值对应的点位。在使用过程中，表示实时检测出的压力的压力指针随着压力变送器的实时值，而转动变化，这一过程中，压力指针达到上限或下限的触点并接通，将开关量信号传递给PLC，达到限位警报的目的[11]。需要考虑本提案系统的工作环境，选择防腐蚀型电触点压力计。根据以上要求，我们选用由上海江月仪表厂生产的YXC100BF电接点压力表。表4-3接点电气主要参数公称直径100mm精度等级0.02级测量范围0～1.0MPa工作温度范围介质温度：－40～260℃

环境温度：－20～70℃电气接口M2.0×1.54.5PLC的选型4.5.1PLC在本系统设计应用中的优势PLC(可编程控制器)具有结构简单、操作界面直观，普通人也能上手安全操作、编程轻松，拥有独立的软件对其编写，更改更加方便、不论是安全还是处理结果，可靠性都很高等诸多优点，同时由于其扩展内容广，涉及内容丰富，灵活性高，同时工控领域技术的发展，带动PLC的进一步发展，从而广泛应用于工业工艺生产和自动控制。4.5.2PLC的选型S7-200是西门子公司制造的产品，它设计紧凑，占用体积小、指令丰富，相互搭配，可实现多种功能、可扩展性强、灵活程度高、价格低廉，可以满足众多自动控制需求。由于本控制系统的输入输出量较多，因此PLC需要的输入输出点也要很多。根据以上要求，选择西门子公司的S7-200型CPU为226的PLC。4.6PLC扩展模块EM235、EM2234.6.1EM235的功能特性EM235是模拟输入、模拟输出单元。有4路模拟输入通道，这些输入通道可以接收电流、电压等模拟量信号，也可以连接双线式变送器，实现其他功能。此外，还包括将电压、电流等模拟量信号输出的4路模拟输出通道。4.6.2EM223的功能特性EM223是数字量输入、数字量输出模块，使用时需要注意数模转换，如果将CPU与该模块输入端连接起来，那么CPU可以通过这个端口实时收集该模块与该模块连接的装置的交换信息。4.6.4EM235的主要参数表4-3EM235-0KD22-0XA0主要参数输入特性输出特性总线消耗电流30mA电压输出范围-10～+10VL+线消耗电流60mA电流输出范围0～20mA总功耗2W负载电阻电压输出最小5KΩ最大输入电压30V电流输出最大0.5KΩ最大输入电流32mV数据字格式电压输出-32000～+32000电流输入范围0～20mV电流输出0～32000分辨率12位基本误差满量程的±0.5%量程范围单极0～32000双极±32000尺寸（W×H×D）71.2×80×62mm模数转换时＜250us4.6.4EM223的技术规范EM223晶体管型8输入/8输出和EM223继电器型8输入/8输出技术参数：表4.4EM223输入/输出主要参数型号EM223晶体管型8位I/OEM223继电器型8位I/O总线消耗电流80mV总功耗3W输入特性额定电压、电流24VDC，4mA逻辑“0”电压范围0～5VDC逻辑“1”电压范围15～30VDC最大输入延时4.5ms输出特性输出类型晶体管继电器隔离光耦继电器额定电压24VDC24VDC/250VAC电压范围20.4～28.8VDC5～30VDC/20～250VAC额定电流0.75A2.0A尺寸（W×H×D）71.2×80×62mm由以上几点介绍，我们可以列出本设计所需要的主要设备清单如下：表4.5主要设备清单设备名称型号数量厂家离心泵机组CDLF150CDLF1231伽利略星（深圳）进出口有限公司变频器6SE64401上海正艺信息科技有限公司压力变送器CYYZ11-X-12-A1-14-C-G1北京星仪传感器技术有限公司液位传感器CYW11-L50-B60-A1-S-G1北京星仪传感器技术有限公司PLCSEIMENSS7-2001北京华冠特达科技有限公司PLC扩展模块EM235EM22311东菀艾莫迅自动化科技有限公司电接点压力表YXC100BF1上海江月仪表厂第5章恒压供水控制系统硬件及软件设计5.1系统硬件电路的设计5.1.1电气控制系统原理图3台电机分别为M1、M2、M3、M4是备用电机。接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制电动机M1、M2、M3的商用频率、变频器运行。FR1、FR2、FR3是泵机组过载保护用的热敏继电器。QF2、QF3、QF4是3台泵马达主回路的绝缘开关。电气控制系统的主电路图见附录1其中接触器选用CJX2接触器，其参数如下表：品牌上海民格名称交流接触器型号CJX2系列触点材质银合触点工作电压24V/110V/127V/220V/380V机械寿命1000万次产品特点体积小、重量轻、稳定性好、功耗小、寿命高表5.1CJX2接触器参数热继电器选用上海民格电气有限公司生产的JR36-2014A-22A型热过载三相电机保护继电器，该系列的继电器除了动作稳定可靠、使用年限长外，还具有断相保护、温度补偿自动与手动复位双重保护等保护，由于触点材质是银合点，因此能够更安全的动作，防止误动作的可能。5.1.2控制系统的I/O点及地址分配根据本控制系统中的控制要求，统计出所需要的输入及输出信号的名字、缩写代码、输入/输出编号，如表5-1所示。水位下、上限信号分别为I0.1和I0.2，被淹没时为0，没有被淹没时为1。表5-1输入输出点代码及编号名称代码地址编号输入信号自动消防和生活用水信号SA1I0.0水池水位下限信号SLLI0.1水池水位上限信号SLHI0.2变频器报警信号SUI0.3报警消除按钮SB9I0.4测试按钮SB10I0.5远程压力表电压模拟量UpAIW0输出信号1#泵工频运行及指示灯KM1,HL1Q0.01#泵变频运行及指示灯KM2,HL2Q0.12#泵工频运行及指示灯KM3,HL3Q0.22#泵变频运行及指示灯KM4,HL4Q0.33#泵工频运行及指示灯KM5,HL5Q0.43#泵变频运行及指示灯KM6,HL6Q0.5生活/消防供水转换电磁阀YV2Q1.0水池水位下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2火灾报警指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5控制变频器频率信号UfAQW05.1.3电气控制回路接线图电气控制回路接线图见附录2:附录2中SA可以控制系统切换为手动运行或者自动运行的开关，SA拨到第1列的位置为自动运行状态，系统在PLC内已经设定好的程序控制下工作，自动运行时，HL10会亮起来，表示系统目前处于自动状态。开关SA拨到第3列的位置，系统将处于手动控制状态，工作人员可以通过按钮SB1～SB8控制泵组的启停，也能控制电磁阀YV2的通断[12]。PLC的外部接线图见附录3。5.2系统软件程序的设计结合上述泵站的要求，泵站软件程序的设计分析如下。水压变化时，水泵组的运行和摘除设计为了使水压恒定，假设水压一直小于设定值，则应该增加进水量，此时变频启动第一台工频泵，为增加进水量，应加大变频器的输出频率，但当变频运行的工频泵达到最大频率时，若依旧无法满足恒压的要求，则变频运行的工频泵转入市电运行，如果此时水压仍旧小于设定值，按照此逻辑，第二台工频泵变频启动，加入运行……当水压一直大于设定值时，则与之前相反，第三台水泵逐渐停止市电运行，转为变频状态运行，变频泵工作频率根据实时电压值逐渐降低，当达到最小频率时，第三台水泵停止工作，根据实时监测的压力值，如果依旧不恒定，则继续使第二台变频泵退出市电运行，转为变频运行状态，频率逐渐降低至最小，第二台水泵逐渐停止工作……为了判断逆变器的动作频率达到上限值的可靠性，同时对系统中偶尔发生的频率变动所引起的频率达到上限的情况进行滤除，在程序中会加入延时程序进行滤波。(2)功能实现及程序逻辑本系统自动运行时，由变频器控制的水泵启动为软启动，因此不能长时间连续工作，本控制中，设计为3小时换一次工作泵组。泵组的切换根据存储值K而切换，由于本系统中，只有三台泵，所以K最大值为3，当需要升频时，即需要增加运行水泵时，则第K+1台水泵加入运行；当需要减少运行泵时，K值也会相应减少。本控制系统中，分为消防供水和生活供水，设定切换为生活供水时的设定值为水泵满扬程的百分之七十，而消防时为百分之九十[13]。为防止系统中的偶尔波动，引起的误差，我们采用延时处理，过滤错误检测，为加以区分，大于设定值时，延时2分钟；小于设定值时，延时3分钟。图5-1PLC控制流程图表5-2程序中使用的PLC元件及其功能表器件地址功能器件地址功