恒压供水系统plc控制系统的编程设计.docx
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恒压供水系统plc控制系统的编程设计
集团标准化工作小组[Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]
恒压供水系统plc控制系统的编程设计
摘要
恒压供水系统设计内容包含了硬件接线图的设计、可编程控制器S7-300的程序编写和WinCC与S7-300的通讯等。
S7-300程序完成了模拟量处理等功能，即把传感器输入的4-20mA的模拟信号转换成0-27648，再根据量程转换到实际工程中水位的实际量程值，系统实现了水箱水位的高低来控制水箱进水阀的开关以及水泵开关状态的控制。
系统还实现了两个水泵定时交替运行，运行时间可以更改。
WinCC编辑完成了系统流程图，报警图的绘画，变量实时曲线的记录以及报表记录功能。
在画面中可以实现电机的启动，而且当启动时电机会有闪烁效果；还可以更改系统内部参数，比如电压量程，电流量程，水位量程等。
水箱水位，管道压力，泵电压，泵电流等关键值会显示在工艺流程画面中；水位增加时，画面能直接显示水位的变动。
以上这些功能使操作人员能更加直观的观察到系统的工作状态，便于操作管理。
关键词：
恒压供水；可编程控制器；WINCC；S7_300
Abstract
ThisdesignistargetedbyPLConconstantpressurewatersupplysystemdesign,designcontentincludesthewiringdiagramofthehardwaremodifications,S7-300programming,WinCCandS7-300communication.
S7-300programcompletedtheanalogprocessingandotherfunctions,namelythesensorinput4-20mAanalogsignalisconvertedinto0-27648,thenaccordingtotherangeconversiontotheactualprojectlevelactualrangevalues,systemrealizesthewatertankwaterlevelcontrolofwatertankinletvalveswitchandawaterpumpswitchstatecontrol.Thesystemalsoachievedatwopumptimingalternatingoperation,operationtimecanchange.
WinCCeditingcompletedthesystemflowchart,alarmfigurepainting,variablereal-timecurverecordandreportfunction.Inthepicturecanachievethemotorstarting,andwhenactivatedmotorwillhaveaflashingeffect;canalsochangethesysteminternalparameters,suchasvoltagerange,therangeofcurrentwaterlevelrange,etc..Thewaterlevelofthewatertank,pipelinepressure,pumppumpvoltage,currentandotherkeyvaluesareshownintheprocessofthepicture;waterlevelsincrease,thepicturecandirectlydisplaythewaterlevelchange.Thesefunctionsenabletheoperatortomoreintuitivetoobservetheworkingstateofasystem,convenientforoperationandmanagement.
Keywords:
constantpressurewatersupply;Programmablecontroller;WINCC;S7_300
1绪论
课题研究的背景及意义
我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。
主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象;而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。
传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。
且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。
而恒压供水系统的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。
例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。
又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。
而且恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。
所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
国内外研究现状及发展趋势
恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显着的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本SAMC公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。
它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。
这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。
但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。
艾默生电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出恒压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。
同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。
目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。
目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC），的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。
因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践[1]。
可编程控制器的优点
PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。
1、功能更强大：
除了能做普通逻辑处理外，还具有浮点运算、定时、计数、模拟量控制等功能。
现在市场上一些功能强大的PLC已经能完成除以上常规外，还能做复杂运算，比如多维数据运算，矩阵相乘，向量运算等；
2、响应时间更短：
继电器控制是通过触点与触点间的机械动作来完成逻辑控制，而PLC集成电子逻辑，响应速度和控制精度是传统继电器无法比拟的；
3、故障点更少：
继电器控制通过机械式接触会因为触头的损坏或者老化等原因，寿命普遍抗不过PLC，PLC早已是工业界公认的无故障控制器；
4、通讯功能更强大：
现在的工业环境，早已不是单纯的单机控制，或者一条生产线的控制，而多涉及多机群控，和大型的流程自动化控制，这对于控制器本身的通讯要求极高，继电器根本不可能做的到，而如今的PLC不仅能完成与现场工作仪表、电气传动等执行层的通讯，也能PLC于PLC之间通讯，更能做到PLC与上位计算机，中央控制室的以太网通讯，组成一个庞大而复杂的控制网络[2]；
5、控制对象更多：
如今不管是单机设备，还是工厂控制，远不是简单的逻辑执行就能完成，比如许多设备实际上除了单纯的数字量输入输出外、还有更多4-20ma/0-10V模拟量输入输出的处理，其下位执行层更有变频、伺服系统等传动、甚至还有液压系统等等，而这些，客户当然希望只需要一个控制器来完成，即“通用的控制”概念，那么PLC就能做到。
不过值得一提的是：
针对液压控制，现主流方式还是用专用的液压控制器来完成，比如力士乐、阿托斯等，但在新兴的PLC市场上，已有好几个品牌的PLC能完成这个功能；
6、维护更方便：
如果用继电器组成一个较复杂的控制网络的话，一旦出现系统故障，将只能逐个排除故障，而PLC故障的话，一般能自动诊断到故障点产生报警，系统内能方便快捷的查看故障地方，故障原因等。
恒压供水系统
恒压供水系统介绍
供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。
传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。
变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。
由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。
恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：
1、维持水压恒定
2、控制系统可手动/自动运行
3、多台泵自动切换运行
4、系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒
5、在线调整PID参数
6、泵组及线路保护检测报警，信号显示等
将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。
反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。
系统的优点
变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显着的节能效果外，还有以下显而易见的优势：
1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。
2、由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。
3、水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。
彻底消除水锤现象。
4、实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力[3]。
恒压供水使用的领域
1、自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。
2、工业企业生活、生产供水系统及工厂其它需恒压控制领域（如空压机系统的恒压供气、恒压供风）。
各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环供水系统。
3、污水泵站、污水处理及污水提升系统。
4、农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。
5、宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。
2系统开发工具
AutoCAD软件简介
AutoCAD是由美国Autodesk欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。
AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。
它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。
在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率[3]。
AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。
1、AutoCAD软件的特点
AutoCAD软件具有如下特点：
（1）具有完善的图形绘制功能。
（2）有强大的图形编辑功能。
（3）可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。
（4）可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。
（5）支持多种硬件设备。
（6）支持多种操作平台。
（7）具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心（ADC）、多文档设计环境（MDE）、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善[4]。
2、AutoCAD软件的基本功能
（1）平面绘图：
能以多种方式创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。
（2）CAD基本功能：
绘图辅助工具。
AutoCAD提供了正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等绘图辅助工具。
正交功能使用户可以很方便地绘制水平、竖直直线，对象捕捉可帮助拾取几何对象上的特殊点，而追踪功能使画斜线及沿不同方向定位点变得更加容易。
（3）编辑图形：
AutoCAD具有强大的编辑功能，可以移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等。
1）标注尺寸。
可以创建多种类型尺寸，标注外观可以自行设定。
2）书写文字。
能轻易在图形的任何位置、沿任何方向书写文字，可设定文字字体、倾斜角度及宽度缩放比例等属性。
3）图层管理功能。
图形对象都位于某一图层上，可设定图层颜色、线型、线宽等特性。
（4）三维绘图：
可创建3D实体及表面模型，能对实体本身进行编辑。
1）网络功能。
可将图形在网络上发布，或是通过网络访问AutoCAD资源。
2）数据交换。
AutoCAD提供了多种图形图像数据交换格式及相应命令。
3、AutoCAD软件的应用领域
（1）工程制图：
建筑工程、装饰设计、、水电工程、土木施工等等。
（2）工业制图：
精密零件、、设备等。
（3）服装加工：
服装制版。
（4）电子工业：
印刷电路板设计。
广泛应用于土木建筑、装饰装潢、城市规划、园林设计、电子电路、机械设计、服装鞋帽、航空航天、轻工化工等诸多领域。
本次课题的硬件设计图纸就是用AutoCAD软件制作的，应了解并掌握AutoCAD相关技术，理解并能设计修改西门子S7-200PLC模块接线图及相关工程图纸。
STEP7编程软件的介绍
在中，一个自动化应用方案的所有数据是以项目（project）的形式来组织和管理的。
一个项目包含了以下三类数据[5]：
1、硬件结构的组态数据及模块参数
2、通讯网络的组态数据
3、可编程模块的程序
上述数据以对象的形式存储，STEP7采用目录式的层次结构管理项目中的所有对象。
对象从上到下有如下的三个层次。
第一层：
项目。
第二层：
通讯子网，PLC站或者S7程序。
第三层：
第而层下面的具体对象，视第二层而定。
使用STEP7的基本步骤：
第一步：
要根据要求设计一个自动化解决方案；
第二步：
在STEP7中创建一个项目（project）；
第三步：
在项目中，可以选择先组态硬件在编写程序
（1），或者先编写程序再组态硬件
（2）；
第四步：
硬件组态和程序设计完成后，通过编程电缆将组态信息和程序下载到硬件设备中；
第五步：
进行在线调试并最终完成整个自动化项目。
在大多数情况下，建议先组态再编写程序，尤其是对于I/O点数比较多，结构复杂的项目（例如有多个PLC站的项目）来说，应该先组态硬件再编写程序。
这样做有以下优点：
1、STEP7在硬件组态窗口中会显示所有的硬件地址，硬件组态确定后，用户编写程序的时候就可以直接使用这些地址，从而可以减少出错的机会。
2、一个项目中包含多个PLC站点的时候，合理的做法是在每个站点下编写各自的程序，这样就要求先做好各站点的硬件组态，否则项目结构就显得混乱，而且下载时候也容易出错。
STEP7的编程环境如图所示：
图STEP7的编程环境
1、菜单栏
（1）FILE可完成如新建，打开，关闭，保存，打印，删除等操作。
（2）EDITINSERT可以剪切，复制，粘贴，全选，打开硬件组态，插入模块，等操作。
（3）PLC可以查看CPU信息，进行程序下载将程序保存到记忆卡等操作。
（4）VIEW可以进行视图的查看与编辑。
2、工具栏
可以对模块进行编程，下载程序，模拟仿真等操作
WinCC软件的介绍
简介
西门子视窗控制中心SIMATICWinCC（WindowsControlCenter）是HMI/SCADA软件中的后起之秀.1996年进人世界工控组态软件市场。
当年就被美国ControlEngineering杂志评为最佳HMI软件，以最短的时问发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统;而在欧洲，它无可争议地成为第一。
在设计思想上，SIMATICWinCC秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC开发者的追求。
WinCC是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合于世界上各主要制造商生产的控制系统，如A一B,ModinconGE等，并且通讯驱动程序的种类还在不断地增加。
通过OPC的方式，WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。
WinCC采用标准MicrosoftSQLServer2000（WinCC以前版本采用Sybase）数据库进行生产数据的归档，同时其有Web浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产，是工业企业中MES和ERP系统首选的生产实时数据平台软件。
作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保与SIMATICS5，S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。
此外，WinCC还有对SIMATICPLC进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便[6]。
性能特点
WinCC具有以下性能特点:
1、创新软件技术的使用。
WinCC是基于最新发展的软件技术。
西门子公司与Microsoft公司的密切合作保证了用户获得不断创新的技术。
2、包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统。
即使最基本的WinCC系统仍能够提供生成复杂可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器由最基本的WinCC系统组件建立。
3、可灵活裁剪，由简单任务扩展到复杂任务。
WinCC一个模块化的自动化组件，既可以灵活地进行扩展，从简单的工程到复杂的多用户应用，又可以应用到工业和机械制造工艺的多服务器分布式系统中。
4、众多的选件和附加件扩展了基本功能。
已开发的、应用范围广泛的、不同的WinCC选件和附加件，均基于开放式编程接口，覆盖了不同工业分支的需求，
5、使用MicrosoftSQLServer2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库，可以使用ODBC，DAO，OLE-DB，WinCCOLE-DB和ADO方便地访问归档数据。
6、强大的标准接口（如OLE，ActiveX和OPC）。
WinCC提供了OLE，DDE，ActiveX，OPC服务器和客户机等接口或控件，可以很方便地与其他应用程序交换数据。
7、使用方便的脚本语言。
WinCC可编写ANSI-C和visualBasic脚本程序。
8、开放API编程接口可以访问WinCC的模块。
所有的WinCC模块都有一个开放的C编程接口（C-API）。
这意味着可以在用户程序中集成WinCC的部分功能。
9、具有向导的简易（在线）组态。
WinCC提供了大量的向导来简化组态工作。
在调试阶段还可进行在线修改。
10、可选择语言的组态软件和在线语言切换。
WinCC软件是基于多语言设计的。
这意味着可以在英语、德语、法语以及其他众多的亚洲语言之间进行选择，也可以在系统运行时选择所需要的语言。
11、提供所有主要PLC系统的通讯通道。
作为标准，WinCC支持所有连接SIMATICS5/S7/505控制器的通讯通道，还包括PROFIBUSDP,DDE和OPC等非特定控制器的通讯通道。
此外，更广泛的通讯通道可以由选件和附加件提供。
12、与基于PC的控制器SIMATICWinAC紧密接口，软/插槽式PLC和操作、监控系统在一台PC机上相结合无疑是一个面向未来的概念。
在此前提下，WinCC和WinAC实现了西门子公司基于PC的、强大的自动化解决方案。
13、全集成自动化TIA（TotallyIntegratedAutomation）的部件。
TIA集成了西门子公司的各种产品包括WinCC。
WinCC是工程控制的窗口，是T1A的中心部件。
TIA意味着在组态、编程、数据存储和通讯等方面的一致性。
14、SIMATICPCS7过程控制系统中的SCADA部件，如SIMATICPC57是TIA中的过程控制系统；PCS7是结合了基于控制器的制造业自动化优点和基于PC的过程工业自动化优点的过程处理系统（PGS）。
基于控制器的PCS7对过程可视化使用标准的S1MATIC部件。
WinCC作为PCS7的操作员站。
15、符合FDA21CFRPar
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