基于PLC的水电站橡胶坝监控系统的设计.docx

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基于PLC的水电站橡胶坝监控系统的设计

南京理工大学泰州科技学院

毕业设计说明书（论文）

作者:

陆晓蒙

学号：

070***01**

学院（系）:

电子电气工程学院

专业:

电气工程及其自动化

题目:

基于PLC的水电站橡胶坝监控

系统的设计

马老师

高级工程师

指导者：

评阅者：

2011年5月

毕业设计说明书（论文）中文摘要

水电站橡胶坝主要用于渠系上作为进水闸、分水闸、节制闸，能够方便地蓄水和调节水位和流量；用于沿海岸作防浪堤或挡潮闸，由于不受海水浸蚀和海生生物的影响，比金属闸门效果好；用于城区园林工程，采用彩色坝袋，造型优美，线条流畅，可为城市建设增添一道优美的风景。

本文介绍了采用S7—200型PLC作为系统的控制器，对水电站橡胶坝实现全自动控制的系统，组态王用于PLC控制系统的人机界面组态软件，在该软件平台上自行设计开发了橡胶坝控制系统中的动态监测组态画面，在计算机上监测整个系统的设备运行状况，同时进行参数设定和指令控制等功能。

关键词橡胶坝组态王PLC监控系统

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleTheDesignofRubberDamHydropower

Abstract

RubberDamHydropowerasacanalsystemismainlyusedforintake,sub-gate,sluice,waterstorageandtheabilitytoeasilyadjustthewaterlevelandflow;Usedasabreakwateralongthecoastortidalgates,duetoerosionfromwaterandmarineorganisms,betterthantheeffectofthemetalgate;

Fortheurbangardenproject,usingcolorbarbags,sleek,flowinglines,canaddabeautifulurbanlandscapeconstruction.

ThisarticledescribesthetypeofPLCwithS7-200controllerasasystem,

RubberDamforhydropowertoachieveautomaticcontrolsystem,KingviewPLCcontrolsystemforhuman-machineinterfaceconfigurationsoftware,

Thesoftwareplatformdesignedanddevelopedthecontrolsystemofrubberdaminthedynamicmonitoringoftheconfigurationscreen,Computerequipmenttomonitorthehealthofthewholesystem，whiletheparametersettingsandcommandstocontrolotherfunction

KeywordsRubberDamKingviewPLCMonitoringSystem

..

1绪论………………………………………………………………………………1

1.1可编程逻辑控制器的产生与发展………………………………………………1

1.2橡胶坝的背景及意义……………………………………………………………1

1.3传感器……………………………………………………………………………1

2水电站橡胶坝监控系统简介………………………………………………………3

2.1系统组成…………………………………………………………………………3

2.2系统工作原理……………………………………………………………………6

3设计方案的确定……………………………………………………………………6

3.1系统硬件的选择………………………………………………………………6

3.2监控软件的选择…………………………………………………………………6

3.3设计思路…………………………………………………………………………6

4硬件部分的设计……………………………………………………………8

4.1硬件的选型………………………………………………………………………8

4.2了解本课题所用传感器类型及工作……………………………………………8

4.3硬件电路接线图…………………………………………………………………10

5软件部分的设计…………………………………………………………………13

5.1程序的流程图…………………………………………………………………13

5.2I/O分配表及PLC梯形图……………………………………………………14

6组态软件对现场状态监控的实现…………………………………………15

6.1组态王6.53的简介……………………………………………………15

6.2S7-200系列PLC的网络通信协议…………………………………………16

6.3顺序功能图法………………………………………………………………………19

6.4组态软件与PLC通信的设置………………………………………………19

6.5变量与数据的定义……………………………………………………………25

6.6水电站橡胶坝系统监控程序…………………………………………………25

结束语……………………………………………………………………………28

致谢………………………………………………………………………………29

参考文献…………………………………………………………………………30

附录A………………………………………………………………………31

１　绪论

随着经济的迅猛发张和科技的快速进步，人们开始用橡胶坝来进行控制上游水位，这样既可以利用此橡胶坝来发电，也可以起到防洪的作用。

橡胶坝使用简单、方便，设计也比较简单，但它的作用非常大的。

所以橡胶坝越来越被人们所认识，不久后将被广泛的运用。

本设计通过充水和排水的设计，通过水位传感器感受到上游水位的上涨达到警戒水位时发出警报，然后通过水泵和阀门向橡胶坝内充水，当坝内水位达到最大时向下游排水通过冲击电机使电机转动产生电压。

本设计主要有硬件和软件两大部分组成。

1.1可编程逻辑控制器的产生和发展

随着制造业和过程工业的发展，越来越多的现场监控和处理工作，将需要自动化程度更高的控制系统来进行完成。

1969年美国数字设备公司（DEC）研制出第一台控制器，创造性的引入了程序控制功能，使其控制系统较继电-接触器控制系统更精确、可靠与稳定。

如今，许多大中型控制系统都采取PLC控制系统与硬件系统相结合的方法应用在工业生产上。

本设计采用PLC控制水电站橡胶坝运行过程，因其有高可靠性、应付突发事件；编程简单，操作方便；体易控制，能耗低等优点，使得水电站橡胶坝运气起来更快、更好，从而提高机充、自排、机排及发电的效率。

1.2橡胶坝背景及意义

可编程控制器（PLC或PC）是一种具有极高可靠性的新型的通用工业自动化控制装置，具有配置灵活、可靠性高等优点。

运用PLC对水电站橡胶坝进行控制，控制其自排、机排、机充等运行动作。

本设计利用水位传感器检测上游水位的高度以及坝袋内的水位高度从而保证了水电站橡胶坝的安全运行其动作。

通过组态王演示，从而实现运行稳定可靠、操作简单、控制方便、提高运行的效果。

1.3传感器

在当今信息时代发展的过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器或只能传感器，已经成为各个应用领域中不可缺少的重要技术工具。

例如：

在设备的自动控制中都有用到传感器来进行速度、压力等的检测和控制。

毫无疑问，传感器促进了现代科技的进步。

本课题在控制系统实现中多次出现水位上涨的现象，与此对应应该选用水位传感器来进行监控。

2水电站橡胶坝监控系统简介

2.1系统的组成

本系统由水泵A（水泵B备用）、（A、B、C、D、E）阀、止回阀A（止回阀B备用）、橡胶坝袋、发电机和4个水位传感器组成。

2.2系统的工作原理

该系统主要通过PLC来进行监控。

当上游水位在上涨时，开启A阀、C阀、止回阀A，通过水泵A向橡胶坝袋内充水，此时坝袋内水位在不断地上涨，当达到坝内警戒水位时水位传感器感受到信号，然后把信号传送给系统，通过系统开启E阀，当E阀开启后有大量的水排出冲击发电机，使发电机产生三相交流电压。

如果遇到暴雨，上游水位在持续上涨时当达到警戒水位时警报灯亮，此时通过系统打开A阀、B阀、C阀、D阀、E阀、止回阀A和水泵A。

当不需要排水时，通过系统关闭所有阀门以及水泵。

这样就能达到水电站橡胶坝水位监控的目的。

2.2.1系统的控制要求

（1）按下运行按钮，此时系统处于工作状态。

（2）上游水位传感器检测到水位是否达到3m，若是，开启A阀、水泵A、止回阀A、和C阀。

（3）橡胶坝袋内的水位传感器检测到水位是否达到设定值，若是，开启E阀，水冲击发电机，发电机产生电压。

（4）上游水位传感器达到警戒水位时，开启开启A阀、水泵A、止回阀A、和C阀、D阀和B阀。

（5）按下停止按钮，系统全部停止。

2.2.2系统的运行过程

橡胶坝的坝体由水充胀橡胶坝袋构成，跨于河道两岸之上。

由两台电动机拖动水泵充进行充、排水。

水泵、阀门和坝体平面示意图如图2.1系统运行图所示。

图2.1系统运行图

橡胶坝运行中的常用术语和工况：

（1）机充：

开启A阀、C阀和水泵A（B备用），向坝袋内充水。

（2）自排：

开启C阀、D阀或单独开启E阀，利用坝袋自身的压力将水排出。

（3）机排：

开启B阀、D阀和水泵A（B备用），将坝袋中的水抽出。

（4）溢流：

上游水位高于坝袋高度，水从坝袋顶部流过。

根据水电站的发电情

和橡胶坝自身特点。

规定如下原则：

（a）正常情况下坝袋和上游水位（即水库水位）都维持在一定的高度。

（b）当上游水位持续升高时，应当自排，自排过程中水位没有显著下降则用机排

（c）上游水位在短时间内显著升高，或机排。

（d）自排或者机排之后，上游水位下降到正常范围内，或者机排完毕，则机充至正常运行高度。

（5）橡胶坝在正常运行中还会出现以下情况：

（a）坝顶的少量溢流有时能够引起谐振，使坝袋与坝体的水泥基础之间摩擦加剧，从而导致坝袋破损，应当自排少量坝袋中的水。

（b）由于种种原因（自排、泄漏、热胀冷缩等），坝袋内部和外部的压力之比会超出橡胶坝技术规范所规定的数值，或者因坝袋高度不够，使溢流增大影响发电落差，此时应自排或机充。

2.2.3橡胶坝系统中，主要技术指标：

（1）给定值（为正常坝高，可设定为8m）。

（2）达到自排的上游水位（可设定为6m）。

（3）达到机排的上游水位（可设定为9m）。

（4）达到充水的上游水位（3m）。

3设计方案的确定

3.1系统硬件的选择

由于本课题研究的是水电站橡胶坝监控系统，对分拣的准确性和安全性的要求很高，同时为了操作方便，程序的调试和修改方便，所以采用了PLC控制为具体方案。

利用PLC实现水位控制和发电，根据上游水位和坝袋内水位高低进行控制，系统由机排、机充、自排和电气控制等四部分组成。

机排由A阀、C阀、水泵A、和止回阀A来控制，机充和自排都是由阀门和水泵来控制的。

电气控制由西门子的可编程控制器、传感器和电源等部件组成。

通过传感器采集信号，由PLC控制，实现对水泵、阀门进行复杂的控制，程序中加入警报器，水位一旦达到警戒水位就会报警，然后通过传感器传送给控制系统，最后实施相应的动作。

这样使得系统更加系统化，直观化。

3.2监控软件的选择

组态王开发监控软件是一种新型的工业自动控制系统，同时具有经济、易于扩展、开发周期短、开放性好、适应性强等优点。

一般情况下把该系统划分为三个层次：

管理层、监控层和控制层，组态开发要考虑到数据、画面、动画和编程，这几方面问题。

本研究课题采用组态王6.53，利用组态王软件和PLC进行通信，使用KingView组态软件在上位机上完成水电站橡胶坝工作过程动态仿真，将水电站橡胶坝控制系统的控制器的各种数据采集到上位机，现场操作人员根据数据然后实施相应的操作。

这样操作人员不需要深入生产现场，就可以获得实时数据进行操作，则既优化了控制现场作业，又提高了运行效率。

所以在设计水电站橡胶坝监控系统时，为了能实行动态仿真以及对系统进行监控。

我选用组态王6.53。

3.3设计思路

硬件部分可以详细地分为：

控制部分、电动部分、、传感器部分和电源部分。

控制部分采用S7―200型PLC进行控制；电动部分主要有阀门、位开关和水泵；传感器主要由水位传感器组成；；电源部分电动机采用220伏电源，PLC控制采用24伏直流稳压电源。

软件部分的设计主要用V4.0STEP7MicroWINsp3编程软件完成，通过设计PLC梯形图完成控制求，程序设计分为6个部分：

系统启动和停止、调用程序、阀门开启与关闭、传感器动作和停止、发电机发电、水泵以运行与停止。

4硬件部分的设计

4.1硬件的选型

PLC：

在满足本课题的要求和学校的条件允许的情况下，本系统选用西门子PLCS7-200系列，其主机型号为CPU224XP，由14输入/10输出共24个数字量I/O点，2输入/1输出共3个模拟量I/O点组成，可连接成7个扩展模块，其最大扩展值至168路数字量I/O点或38路模拟量I/O点。

程序和数据存储空间是20K字节，它有6个独立的高速计数器（100KHz），2个100KHz的高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

应用领域极为广泛，覆盖所有关于检测方面的，自动化控制涉及工厂及农业方面的，包括各种数控机床、机械、电气设施、民用设施、环境保护设备等。

4.2了解本课题所用的传感器的类型及工作原理

通过对水电站的橡胶坝监控系统的了解。

本课题采用运用PLC开发小型水电站橡胶坝的自动控制系统和组态王软件对橡胶坝的拦水工作状态进行实时监控。

水位传感器主要用于监测水位，主要工作原理就是当水位上升时传感器检测到该信号时进行转换成可接受的的信息，然后通过传感器将信号传送给监控系统。

坝袋内的所承受的压力是有压力传感器来检查的，但在本课题中运用水位传感器来代替压力传感器来检测水位，这样方便、迅速。

压力传感器是将水位（压力）作用于单晶硅膜片上（扩散有应变片），由于硅压阻应变片感受到坝袋内水压的变化，就会输出与水位成线性关系的标准的直流电压的水位传感器。

它所选用的传感器是压阻式传感器来检测。

压阻式水位传感器的信号处理电路原理如图4.2所示。

恒流源提供给应变电桥一个问定直流电流，电桥输出的直流电压信号与水压相关，其微小电压量通过输出放大环节后，由电压/电流转换电路转化为标准直流输出信号（4mA~20mA），由于该电流信号与后续处理电路的接口十分简单，而且当长线传输时导线的电阻是不会造成测量误差的，它的抗干扰能力也变得更强。

图4.1压阻式水位传感器测量电路原理

压阻式水位传感器输出电流信号与所测的水位的关系为：

该式中，H为实际检测水位高度；Ho为基准值，如果传感器安装位置的水位的初始高度：

K为传感器的比例系数；Io为没有坝袋内水压作用时，传感器输出电流的初始值，该值一般为4mA左右；Ii为水位传感器对应不同水位时的电流输出值，它的变化范围为4mA~20mA。

当进行水位测量时，对应不同的水位高度，传感器输出不同的电流，对该电流进行检测后，由上式进行转换和计算即可以获得实际水位高度值。

4.2.1上游水位传感器1

首先该水位传感器用来检测上游水位的高度。

先把参数设置好的传感器固定在上游3m处。

当上游水位上涨到3m高时，传感器接受到信号，通过采用最直接的数字的方法，也就是数字化的采样方法，运用数字电路采集感应点的信号，通过这种方法可以直接将水位高度变成与之相对应的水位数字量，它的最大的特点就是可以避免外界的环境因素的干扰，而且所采集的精度视其为等精度，即使测量的精度不随着传感器的量程的变化而变化。

然后智能信息处理的一部分可以对采集信号负责处理，之后对采集到的水位信号进行有效的分析，比较，当在软件的识别的计算中，它的最重要的部分是干扰识别部分，在保证数据采集正确的前提下，其水位传感器的信息处理的算法可以去发现采集部分的器件是否损坏，当在一些特定的环境干扰下，可以最大限度的对所受干扰的信息可以进行恢复，大大提高了传感器的可靠性，可用性及可维护性。

4.2.2上游水位传感器2

先把该水位传感器固定在上游水位9m处，当上游水位持续上涨时，此时水位传感器感受到信号，然后通过水位传感器工作原理对其信号进行采集、转换，经过处理后将得到监控系统能识别的新信号，最后传送给监控系统，通过监控系统操作执行相应的运行动作。

其详细过程是：

通过采用最直接的数字的方法，也就是数字化的采样方法，运用数字电路采集感应点的信号，通过这种方法可以直接将水位高度变成与之相对应的水位数字量，它的最大的特点就是可以避免外界的环境因素的干扰，而且所采集的精度视其为等精度，即使测量的精度不随着传感器的量程的变化而变化。

然后智能信息处理的一部分可以对采集信号负责处理，之后对采集到的水位信号进行有效的分析，比较，当在软件的识别的计算中，它的最重要的部分是干扰识别部分，在保证数据采集正确的前提下，其水位传感器的信息处理的算法可以去发现采集部分的器件是否损坏，当在一些特定的环境干扰下，可以最大限度的对所受干扰的信息可以进行恢复，大大提高了传感器的可靠性，可用性及可维护性。

4.2.3坝袋内水位传感器1

该水位传感器是用来检测坝袋内的水位的，当坝袋内水位上涨的时候坝袋内所承受的压力是越来越大此时，可以用压力传感器来进行检测，可是由于压力传感器把所采集的信号进行转换时比较复杂，所以选择水位传感器比较简单，该水位传感器通过把感受到的信号传送到控制器里然后把水位信号与设定的信号进行比较，最后把得出的信号传送给监控系统，其监控系统执行相应的动作。

4.2.4坝袋内水位传感器2

该水位传感器是用来检测坝袋内的水位的，当坝袋内水位上涨的时候坝袋内所承受的压力是越来越大此时，可以用压力传感器来进行检测，可是由于压力传感器把所采集的信号进行转换时比较复杂，所以选择水位传感器比较简单，该水位传感器通过把感受到的信号传送到控制器里然后把水位信号与设定的信号进行比较，最后把得出的信号传送给监控系统，其监控系统执行相应的动作。

4.3硬件电路接线图

根据实际PLC模块，I/O分配表和I/O接线图，连接PLC各模块，并通过PC机联机，实现程序控制要求。

4.3.1电气控制系统接线图

该图是通过把编好的程序与组态王界面相连接，进行动画的仿真。

在连接时首先要在实验室把线接好其接线的原理要根据图4.2电气控制接线图来进行的。

最后接好线后，操作一下看接线是否有问题。

没有就可以进行运行了。

图4.2电气控制接线图

4.3.2I/O接线图

PLC输入输出接口接线图，如图4.3输入输出接口接线图所示。

在实验室中使用的是PLC224模块，此模块的I/O总数为24点，其中输入点14点，输出点10点；可带7个扩展模块；用户程序的存储器容量位8KB；内置高速计数器，具有PID控制器的功能；有2个高速脉冲输出端和1个RS-485通信口；具有PPI通信协议、MPI通信协议和自由口协议的通信能力；运行速度快、功能强，适用于要求较高的中小型控制系统。

在接线图中，按下按钮I0.1，系统运行，按钮I0.2是停止按钮；当上游水位达到3m时I0.3闭合开始机充向坝内注水，此时当坝高达到3m时I0.4闭合开始自排，当上游水位继续上涨机充后水达到9m时I0.5闭合开始机充，此时坝高达到6m后闭合I0.6开始机排，机排结束后可以向坝袋内注水此时闭合I0.0开始机充。

系统接线图4.3如下。

图4.3输入输出接口接线图

5软件部分的设计

5.1程序的流程图

程序主要根据水电站橡胶坝装置控制系统的要求进行编制。

具体如流程图5.1。

图5.1橡胶坝的运行流程图

5.2I/O分配表

根据控制要求与设计方案，列出I/O分配表，如表5.1所示。

表5.1I/O分配表

输　　入

输　　出

运行开关

上游水位传感器1

上游水位传感器2

坝内水位传感器3

坝内水位传感器4

结束开关

排水结束后机充

I0.1

I0.3

I0.4

I0.5

I0.6

I0.2

I0.0

A阀

B阀

C阀

D阀

E阀

水泵A

止回阀A

水泵B

止回阀B

上游指示灯

上游危险警报灯

发电指示灯

水坝危险警报灯

发电机

Q0.1

Q0.2

Q0.3

Q0.4

Q0.5

Q0.6

Q0.7

Q1.0

Q1.1

Q1.2

Q1.3

Q1.4

Q1.5

Q1.6

控制系统的PLC控制程序梯形图（见附录1）

6组态软件对现场状态监控的实现

6.1组态王6.53的简介

产品概述：

Kingview是亚控公司推出的第一款针对中小型项目推出的用于监视与控制自动化设备和过程的SCADA产品。

也是亚控公司的第一款产品。

自Kingview问世以来，以其易学易用、功能齐全、物美价廉的产品优势使其畅销不衰，年均销售量超过1万套，累计销量10万余套。

在中国及亚洲其为最著名的组态软件产品。

S7-200PLC支持多种通信协议,如点对点接口（PPI）、多点接口（MPI）和PROFIBUS。

它们都是基于字符的异步通信协议，带有起始位、8位数据、偶校检和1个停止位。

通信帧由起始和结束字符、源和目的站地址、帧长度和数据完整性校验和组成。

只要波特率相同，三个协议可以在网络中同时运行，不会相互影响。

在水电站橡胶坝控制系统中，控制器S7-200PLC将利用点对点PPI（Point-to-Point）协议与安装在上位计算机中的工业控制组态软件进行通信。

网络上的S7-200CPU224PLC作为从站，组态软件组态王6.53作为主站。

在PLC控制程序中，将水电站橡胶坝控制系统运行现场的各项参数放入用户数据存储区的指定区域中，通过组态王6.53中的I/O变量采集或刷新这些存放在PLC用户数据存储区中的数据。

这样，PLC就可以与上位计算机利用通信进行数据的交换，为实现上位计算机对水电站橡胶坝控制系统现场数据的监控创造了条件。

组态王软件的设计思想：

（1）构造出基本的控制画面：

对画面中的每一个对象进行属性的定义，比如：

颜色、高度、移动等。

在设置中可以进行静态和动态的设置，动态的对象是要根据后台的命令语言来运行。

组态中还具有报警、报表组态及历史曲线等功能，可以使现在演示的效果更加的逼真，能够更好的实现现场的控制。

（2）构造数据库系统：

数据库是实现组态动画演示的重要组成部分，对于画面中每个元素的组成都要在其中对应，对于组