基于PLC和组态软件的泵站监控系统设计Word文档格式.docx

1、郑 重 声 明本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业设计的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期：中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月

2、 日中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；写作的规范程度； 评阅教师签字：中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字：学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：摘 要泵站是城市排洪排涝系统的核心动力设备之一，其正常运行对保证城市防洪防涝安全具有重要意义。随着科学技术的发展，对泵站的要求也越来越高，建立现代化计算机监测系统和管理系统迫在眉睫。在对泵站的研究中

3、，对工业控制计算机可编程控制器及组态王监控软件基本性能特点进行充分分析和研究的基础上，本文以分析设计的方法，设计了基于PLC和组态软件的泵站监控系统，提出了以组态王为监控软件，可编程控制器（PLC）采用西门子S7-200系列作为下位机的泵站分布式控制系统方案。监测系统以WIN-XP操作系统为运行平台，组态王运用PPI协议与PLC连接，并且根据现场实际要求，提出了合理的CPU型号和扩展模块，运用组态王强大的功能使系统具有信号采集、趋势分析、预报报警分析、辅助功能、和帮助系统等功能、初步实现了泵站的自动动态采集信号、对监测数据进行趋势分析、趋势预报且能实施报警功能，对各种监测参数的报表也能自动生成

4、并且打印，基本能够满足监测要求，并且具有良好的重用性、可扩充性和可维护性。关键词：组态王系统； 泵站； PLC 论文类型：ABSTRACTFlood drainage pumping stations in urban core of the system of power equipment, the normal operation of flood control waterlogging in ensuring the safety of great science and technology development, demand more and more pumping sta

5、tions, the establishment of modern computer monitoring system and management system is imminent.Pumping station in the study, programmable controllers and industrial control computer monitoring software Kingview basic performance characteristics of a full analysis and research, based on the analysis

6、 and design method of this paper is designed based on PLC and configuration softwarePump Monitoring System, put forward a configuration king as monitoring software, programmable logic controller （PLC） Siemens S7-200 series as the next crew of the station distributed control system solutions.Monitori

7、ng system to WIN-XP operating system to run the platform, the use of PPI protocol Kingview connection with the PLC, and the actual requirements according to the site put forward a reasonable CPU model and expansion modules, the use of powerful Kingview the system has a signal acquisition, trend anal

8、ysis, forecasting alarm analysis, accessibility, and the help system and other functions, the initial realization of the automatic dynamic signal acquisition station, the monitoring data, trend analysis, trend forecasting and can implement the alarm function, reports of various monitoring parameters

9、can also automatically generate and print, can satisfy the monitoring requirements, and has good reusability, scalability and maintainability.Keywords: configuration king system; pumping station; PLC.Paper type:第一章 绪 论 本课题的研究意义泵站是水厂的重要组成部分，是生产调度SCADA系统的一个子系统，也是实现水厂自动化测控的核心站点。泵站的安全运行对水厂的生产起着举足轻重的作用，因

10、此，选择合适的监控软件对生产运行进行实时监控和管理是很必要的。组态软件是近年来在工控自动化领域兴起的一种新型软件开发技术，使用方便，开发周期短，通用性强，可靠性高，能很好的完成现场实时监视和控制目的。而PLC对现场的控制又是专为在工业环境下应用的而设计的工业计算机，两者结合起来可以很好的完成对水厂泵站的监控。由实际应用当中发挥起来的组态软件，体现了实际工业控制过程和软件强大功能的完美结合。本文以城市排水系统为研究对象，探讨组态软件和PLC在城市排水泵站监控系统设计中的应用。泵站的发展状况1.2.1我国泵站的发展现状 缺乏统一设计标准，系统扩展困难随着计算机的普及，上世纪90年代以来，我国很多行

11、业开始使用计算机控制技术，泵站也不例外，但由于没有统一的规范标准，各个设计院设计出来的泵站自动化设备千差万别，缺乏统一的功能和技术指标，系统扩展困难。2.系统设备不完善，功能不齐全有些把变电站的自动化当泵站自动化来用，系统设备不完善，功能不齐全，缺少现地LCU等控制功能。3.缺乏系统概念，信息不能共享缺乏系统概念，泵站自动化、办公自动化、调度通讯等不能互联，导致信息不能互通。4.元器件缺乏连接标准，数据无法传递自动化元件的选择与系统不匹配，有些没有通讯接口或接口协议矛盾，有些必要的信号送不到监控系统里面来，如温度巡检、水位监测等自动化元件，就出现过不能传递数据的问题。5.泵站运行人员技术力量严

12、重不足我国技术型人才严重不足已成为普遍现象泵站运行人员没有受过正规专业教育和足够的专业培训，文化素质和计算机水平较差，当自动化设备出现故障时，泵站运行人员无力解决，或者让泵站带病运行，直到演变成更大的问题，或者请生产厂家进行售后服务。然而自动化设备厂家多，市场竞争激烈，倒闭也快，很多设备用户使用一段时间后便找不到生产厂家了。1.2.2国外泵站的发展状况荷兰和美国等国家，他们的发展速度较快，技术更先进，管理更完善，有许多东西值得我们借鉴和学习。 在水泵设计及装置配套方面，荷兰有世界著名的水力机械专家，可对水泵装置进行性能测试、水锤计算、模型试验等；在机械方面，可进行振动计算和测量、性能和噪音的监

13、测等。他们还广泛利用计算机，从计算机辅助选型（CAS）、计算机辅助设计（CAD）到计算机辅助制造（CAM）；从水力、结构优化设计到叶片、导叶加工的严格控制，全程使用计算机，使产品在高度先进的设计和工艺基础上制造出来。荷兰比较注重科研的投入，科研力量很强，研究机构齐全，设施非常完善，对水泵及其进、出水流道均有比较系统的研究。完美的设计和制造，提高了机组的性能指标，增加了泵站运行的安全性和稳定性。 美国拥有世界上流量和扬程最大的泵站埃德蒙斯顿泵站。它位于美国加州中部圣华金河谷地区的贝克斯菲尔德市南郊，是全长864公里加州北水南调工程干渠上22座大型泵站之一（将水从加州北部干渠越过Tehachapi

14、山脉输送到加州南部）。埃德蒙斯顿泵站装有14台泵，每台泵的流量为9m3/s，需提供的静扬程为587m（不包括管路损失），效率为%，转速是600r/m（与电动机同），配套电动机功率为8万马力（近6万kW）。泵站总流量为125m3/s，配套总功率112万马力，年耗电量约60亿kW?h。水泵为立轴4级串联，高9.45m，转轮直径4.88m，重220吨。水泵与电动机直联，机组总高近20m，重420吨。该工程于1951年5月提出方案论证，1965年5月最终确定方案，1971年9月正式提出实施1984年完成最后3台机组的安装，工程总投资约亿美元。泵站研究的发展趋势国外在这一领域起步较早， 特别是荷兰、日本

15、和美国等国，由于灌排需要，泵站较多，规模较大，因而在该领域的理论研究和技术水平上总体保持国际领先。根据世界农业灌溉与供水保障技术的发展现状，现代灌溉泵站的发展趋势主要表现在以下几个方面：灌溉泵站的职能正在多元化，泵站型式不断丰富。过去灌溉泵站主要担负单一的农田灌溉供水任务，而随着流域规划的系统化， 灌溉泵站有时还需要担负排水功能， 特别是从河湖取水的低扬程灌溉泵站的变化更为明显。同时， 往往还需要负责农村引水、乡镇工业用水、农村生态保护用水等职责， 有的甚至与跨流域调水功能相结合。这样，许多泵站的进水流道经常被做成双向的，或者在泵站外围增加双向控制闸及附加流道。泵站装置系统节能是大趋势。发达国

16、家对能耗问题非常关心，从泵站耗能的每一个细节入手，解决能耗高的问题。首先，注意选用节能型水泵。其次，注重进水池和进出水流道设计，例如，在泵站设计过程中会提前进行大量的模型试验和数值模拟，控制进水池内的旋涡和二次流，想办法降低流道水力损失。再次，非常注意实际运行工作点的控制和调节。由于国外泵站的自动化程度较高，故一般总能通过变频或变角调节，使水泵的工作点处于最高效率区，从而适应不同水位和不同流量的变化要求，泵站装置效率一般在70%以上。注重泵站机组运行稳定性。这一点是我国泵站与国外泵站的主要区别之一。事实上，我国的大多数泵站特别是在较恶劣条件（如多泥沙水流条件）下工作时，往往3 个月就进入大修期

17、， 叶轮寿命可能只有6 个月，而国外泵站的大修期往往在2 年以上，叶轮和蜗壳的寿命也在5 年以上。其主要原因，是国外非常注意水泵及流道内的水压力脉动的控制，从而降低由此引起的结构振动、噪声等问题。同时，对高扬程泵站的水锤防护也非常到位，且在运行过程中严格执行操作规程。高新技术的采用越来越多。基于三维激光测速系统（PIV）和激光多普勒测速仪（LDV）的实验手段，在大型泵站的模型试验中被广泛采纳，可保证所设计的前池、进水池、进水流道、出水池和出水流道的水力性能最优。三维计算流体动力学（CFD）工具在近几年也被引入到泵站的设计和流场分析过程中，可通过数值模拟的方法预判流道内哪里有旋涡、哪里有脱流，从

18、而通过优化手段改进流道设计。此外，有限元方法和流固耦合分析方法，正在改变着大型水泵装置系统的设计模式与工程应用水平。水泵的效率越来越高。水泵是泵站的心脏，它的质量决定着泵站总体水平。由于一些新的理论与技术，如三维反问题设计方法、计算流体动力学方法和激光快速成形系统等的应用，水泵的效率、高效区带宽、汽蚀余量、压力脉动指标等都得到了很大改善。例如，无论是轴流泵，还是离心泵，日本荏原公司美国ITT 公司和奥地利安德里兹公司等所生产的水泵的效率均高于90，且机组的大修周期和工作寿命显著高于国内。泵站的智能化程度逐渐提高，供水成本逐渐降低。泵站供水涉及上下游的流量、水位等多种技术指标，这些指标随着灌溉用

19、水量的变化而不同，特别是在梯级泵站与多机组并联情况下，同时运行几台机组、叶片角度或阀门开度设置成什么位置、转速如何调整，都需要精心设计，而且要实时作出反映。因此，发达国家的泵站都配备了先进的智能化远程控制与调度系统， 从硬件和软件两个方面保证泵站运行的安全、稳定和高效。泵站相关技术标准更加具体化。国外机电排灌比较发达的国家，如日本、美国、荷兰、澳大利亚、俄罗斯等，都制定了若干适合本国国情的泵站专业技术标准，其中代表性的有美国水力协会泵站进水设计标准和日本农林水产省的泵站工程设计规范等。从标准的内容和细节方面看，国外要大大超前于我国。例如，仅就泵站进水池而言，日本已颁布了6 套设计标准， 标准发

20、布机构和年份分别为JSME1984，MLIT1996，MAFF1997，本课题采用的研究手段和可行性分析（1）泵站监控系统的方案设计对该水厂送水泵站监控系统设计的整体思路为：采用PLCIPC形式，整个系统可分为监控管理层和现场测控层。上位机采用工业控制计算机用于监控和管理泵站运行，且采用双机热备冗余方案，计算机放在厂调办公室，实时监测各种数据及设备运行，并提供图形和文本形式的显示，对各种故障报警，进行数据库的建立、连接及数据的统计、报表制作、打印。系统软件开发平台采用北京亚控自动化软件公司开发的组态王软件。下位机采用西门子的PLCS7-200系列完成对生产现场数据的采集、处理工作,控制泵站设备

21、的运行，它通过Profibus-DP总线连接现场设备，还通过Profibus-S7网络与上位机实现数据交换，（2）可行性分析通过所学的一些关于组态软件和PLC方面的知识以及实践中所运用的一些技术可以达到本课题所达到的效果。论文基本结构本论文主要部分分为四章。第一章主要是课题的一些基本情况。第二章主要介绍控制系统要求及总体设计。第三章主要介绍硬件设计包括可编程逻辑控制器的基本情况、PLC泵站的硬件设计等。第四章主要是软件设计包括组态王软件在本课题的应用，主要包括组态王得一些基本情况和实际制作的控制界面。第二章 控制系统要求及总体设计泵站监控系统的设计要求泵站的监控系统是在泵站管理所内监控中心的控

22、制台实现对各泵站设备的监测、控制功能，实现监视泵站运行状态和运行参数、接收故障报警信息、通过智能终端设备下达控制信号，并具有报表统计和打印功能等，具体要求如下：运行方式：自动运行和手动操作相结合，实现对泵站的自动检测与控制。用户界面：系统提供友好界面和方便地控制。实时监控：动态监测作业流程，动态显示流程画面、自动监测设备的开关、压力水位、流量。报警功能：系统自动报警功能，并能记录故障的时间、原因等信息。打印输出：系统能定时或打印故障信息、系统运行信息等。保存数据：系统具有自动保存数据和与其他应用程序交换数据的功能。泵站监测系统的总体方案目前，泵站计算机监测与管理系统主要有连续控制系统、集散控制

23、系统、分布式控制系统-IPC+PLC系统及总线式控制系统。根据设计要求和工业特点，采用分布式控制系统IPC+PLC系统。其主要优点是：可实现分级控制：可靠性高、组网方便编程方便、开发周期短、维护方便可灵活方便地实现系统内配置和调整能与现场信号直接连接易于实现“集中管理、分散控制”功能泵站监测系统的系统构成图如下图2-1是泵站监控系统的系统构成图，本系统运用组态王为上位机，PLC为控制器。实现对泵站的启停，液位监测，流量监测，压力监测等功能。图2-1泵站控制系统的系统构成图第三章 硬件设计部分概述3.1.1PLC的定义可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境设计。它采用了可编程程序

24、的存储器，用来在其内部存储逻辑、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器的工作原理1.与继电器控制系统的比较 众所周知，继电器控制系统是一种硬件逻辑系统，继电器控制系统采用的是一种并行的控制方式。而PLC是一种工业控制计算机。故它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，即通过执行反应控制要求的用户程序来实现。CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按顺序依次完成相应各项电器的动作，所以它属于串

25、行工作方式。的工作方式PLC的工作全过程可用下图3-1表示整个过程可分为三部分。第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配备检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理。第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其他完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如果CPU、电池电

26、压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。如果检查出异常，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU会被强制为STOP方式，所有的扫描会被停止。PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度、I/O点的情况、用户应用程序的长短及程序情况等有关。不同指令其执行时间是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描时间将不同。若用于高速系统要缩短扫描周期时可从软件上同时考虑。考虑到现在的CPU速度高，所以像过去编程那样从用户软件使用指令上来精打细算地节省扫描时间已显得不重要了。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环

27、扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称作扫描周期或工作周期。图3-1PLC运行图PLC工作过程的中心内容PLC是按图3-1所示运行框图进行工作的。当PLC上电后处于正常运行时，它将不断重复图中的扫描过程，并不断循环重复下去。分析上述扫描过程，如果对远程I/O、特殊模块、更新时钟和其他通信服务等枝叶的东西暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个段子。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，也是PLC工作原理的实质所在，理解透PLC工作过程的这三个阶段是学习好PLC的基础。下面对这三个阶段进行详细分析。1.输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子

28、，并将个输入状态存入个输入映像寄存器中，此时出入映像寄存器被刷新。接着系统进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个周期的输入采样阶段，才重新写入出入端的新内容。所以，一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，或者输入信号的频率不能太高，否则很可能造成信号的丢失。2.程序执行阶段进入程序执行阶段之后，一般来说（因为还有子程序和中断程序的情况），PLC按从左到右、从上到下的步骤执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从原件映像寄存器“读入”对应原件（“软继电器”）的当前

29、状态。然后进行相应的运算，最新的运算结果马上存入到相应的原件映像寄存器中。对原件映像寄存器来说，每一个原件（“软继电器”）的状态随着程序过程而刷新。3.输出刷新阶段在用户程序执行完毕之后，原件映像寄存器中所有输出寄存器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段一起转存到输出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，从而输出端子的状态也不会改变。PLC对输入/输出的处理原则根据上诉工作特点，可以归纳出PLC输入/输出处理方面必须遵守的一半原则：（1）输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。（

30、2）程序执行结果取决于用户程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。（3）输出映像寄存器的数据取决于输出指令的计算结果。（4）输出锁存器的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。（5）输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。3.1.3PLC的系统组成PLC的种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。其组要组成有:1.中央处理单元（CPU）2.存储器3.输入/输出单元4.电源部分5.扩展接口6.通信接口7.编程设备8.其他部件3.1.4PLC的发展状况： 上使用PLC非常普遍，取代了很大一部分传统继电器控制电路，这是因为PLC具有先天的综合优势，下面是我结合了近十年的经验来告诉大家十大优势： 1、功能强，性能价格比高一台小型内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。2、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁