本科毕业论文基于wincc恒压变频供水系统生毕设论文.docx
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本科毕业论文基于wincc恒压变频供水系统生毕设论文
摘要：
水对国民生产和生活地位是独一无二的，并且随着人们生活水平的不断提高和科学技术的不断发展。
尤其是随着生产效率的不断提高。
人们对水的供应的要求不断提高。
尤其是最原始的水塔供应方式已经远远不能满足人们的需求。
高层供水的要求更加苛刻，采用水塔供水已经不可能实现或附加费用会更高。
并且传统供水系统以及一些不合理的供水方式也已经不再适应现在对降低能耗减少资源浪费的需求。
因此我们就需要不断的改进供水方式，达到节约的目的。
本设计中以WinCC监测为核心，监控系统和现场操作箱可以实现两地控制，可以进行手自动切换，本地与远程，变频与工频切换。
组态画面直观，可以显示官网水压及水泵的运行状态。
本设计中应用了WinCC监控软件，使用编程组态技术实现了基于PLC和变频器控制的恒压供水系统，具有高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的优点。
关键字：
WinCC；恒压供水；监控。
Abstract：
Wateronthenationalproductionandlifestatusisunique,andalongwiththecontinuousdevelopmentofscienceandtechnologyandthecontinuousimprovementofpeople'slivinglevel.Especiallywiththecontinuousimprovementofproductionefficiency.Thedemandforwatersupplyisimproving.Especiallytheoriginaltowersupplymodehasfarcannotsatisfypeople'sneeds.Highwaterrequirementsaremoredemanding,thewatertowerhasnotpossibleoradditionalcostswillbehigher.Andtraditionalwatersupplysystemandsomeunreasonablewaternolongerhastoadapttonowofdecreasingenergyconsumptionandreducingwasteofresources.Soweneedtoimprovethewatersupplywayconstantly,achievethepurposeofsaving.
ThisdesignbyWinCCmonitoringasthecore,themonitoringsystemandsiteoperationboxcanachievedualcontrol,cancarryouttheautomaticswitchoverofthehand,localandremote,frequencyconversionandpowerswitch.Theconfigurationpicturedirectly,candisplaytherunningstateandthehydraulicpump.
ThedesignoftheapplicationoftheWinCCmonitoringsoftware,programmedusingconfigurationtechnologytorealizetheconstantpressurewatersupplysystembasedonPLCandinvertercontrol,withhighefficiencyandenergysaving,automatic,reliable,easymaintenance,convenientmanagementadvantages.
Keywords:
WinCC;constantpressurewatersupply;monitoringandcontrolling.
目录
第1章绪论1
1.1选题的目的与意义1
1.2WinCC国内外的研究现状及发展趋势1
1.3课题主要研究内容2
第2章WinCC组态软件3
2.1组态软件介绍及选择3
2.2WinCC组态软件的功能和特点4
2.2.1WinCC组态软件的功能4
2.2.2WinCC组态软件的特点4
第3章变频恒压供水系统简述6
3.1恒压供水控制系统的选择6
3.2恒压供水控制系统的方案6
3.3系统控制过程分析8
3.4系统硬件构成及选择8
第4章恒压供水系统中WinCC的应用10
4.1恒压供水系统中WinCC界面的设计10
4.1.1工艺流程界面10
4.1.2设备控制界面13
4.1.3实时曲线以及历史曲线显示界面16
4.2WinCC的组态变量及通讯18
4.2.1WinCC的变量管理器18
4.2.2WinCC的通信设计22
4.2.3WinCC的消息系统22
4.3WinCC的报表系统23
4.4WinCC监控组态过程设计24
结束语32
致 谢33
参考文献34
第1章绪论
1.1选题的目的与意义
我国人口众多，每年所消耗的能量巨大。
近年来，能源紧张不时影响到工业生产及人民生活。
因此，节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施。
然而，长期以来，我国用水行业的技术水平相对比较落后，自动化程度低，由于用户用水的不稳定性，经常导致用水高峰期水压较低，供水量低于需求量，特别是高层用户经常出现水压太低而无法用水的状况。
传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。
然而这些办法或自动化程度低，能量损耗大，压力变化大，或因为维护工作量大，水质容易受污染而被逐步淘汰。
在实际生产过程中，由于用水点数量的不确定，经常导致管网水压不稳定，从而使得用水点的出水压力在用水高峰和低谷的压力过低或过高，对生产及其设备造成了很大的影响，严重情况下甚至会造成设备的损坏。
采用恒压供水方式供水，可以很好的解决传统供水方式的诸多弊端，由于变频调速技术的发展，PLC技术的广泛应用，工业控制技术的成熟及完善，可以很方便的组成恒压供水系统，这样不仅可以扩大水泵的高效运行，提高效率，节约能源，提高供水服务质量，还可为安全高效生产提供一定的保障。
上位机即是我们通常用的计算机，它也可以对系统进行监控，但是要在组态以后，才能对系统进行监控。
这是一个数据进行交换的过程，我们要利用组态软件的数据交换功能。
通过一根电缆，使它与PLC进行数据。
这样才能用组态软件进行监控系统,并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。
能够对系统运行进行操作，具用实时报警、报警记录和历史数据记录功能。
1.2WinCC国内外的研究现状及发展趋势
国内外的研究现状：
基于WinCC的变频恒压供水系统界面设计可动态反映水泵变频供水的工作状态，变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。
国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。
这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。
此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高近年来，随着变频调速系统的日益成熟，其显著的节能效果和可靠稳定的控制方式，在供水系统中得到广泛的应用。
变频恒压供水系统对水泵电机实行无级调速，依据用水量及水压变化通过微机检测、运算，自动改变水泵转速保持水压恒定以满足用水要求，是目前最先进，合理的节能供水系统。
与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有优势；基于WinCC的变频恒压供水系统界面设计的优势越来越明显，具体有：
（1）投入少，效率高。
（2）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
（3）操作简便，省时省力。
（4）界面越来越精简化、系统化、容易观察。
WinCC监控界面的发展趋势：
早期设备自动化监控系统通常采用集中采集控制系统的工作模式，即现场各处的参数通过统一的模拟信号，送往集中监控室。
操作人员可以坐在监控室内观察生产流程各处的状态，可以把各单元仪表的信号按需要组成复杂控制系统。
由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变换缓慢，抗干扰能力差，因此经常出现事故。
经过近些年国内科技的飞速发展，在监控系统这个领域也取得了优异的成绩。
现在监控系统应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统
在未来的工业领域，监控系统及其界面设计的地位必然会越来越重要，应用的领域将会更广，发展前景一片大好。
1.3课题主要研究内容
本设计采用变频调速恒压技术设计高层建筑的恒压供水装置并且实现对高层建筑的连续恒压供水。
采用电动机调速装置与可编程控制器构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力稳定在设定的压力值上。
从而实现实现对高层建筑供水系统连续供水；高层建筑的给水装置采用变频调速恒压技术；用PLC控制代替传统的继电器—接触器系统，对该系统进行电气控制。
第2章WinCC组态软件
2.1组态软件介绍及选择
组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。
其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。
当今国内外常见的组态软件主要有以下几种：
（1）InTouch组态软件
在20世纪80年代末初，基于window3.1的InTouch组态软件给工业自动化监控系统带来了升级，InTouch组态软件提供了丰富的图库，早期的InTouch组态软件采用动态数据交换方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。
（2）FIX组态软件
美国Intellution公司一FIX组态软件起家，1995年被爱默生集团收购，成为爱默生集团的全资子公司，Fix6.x软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序。
（3）Citech组态软件
Cit公司的Citech组态软件具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。
Citech的组态软件脚本语言并非是面向对象的，而是类似于C语言。
（4）WinCC组态软件
德国西门子的WinCC组态软件也是一套完备的组态开发环境，西门子公司提供类C语言的脚本，包括一个调试环境。
WinCC组态软件内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。
（5）组态王
组态王软件是国家第一家较有影响力的组态软件开发公司产品。
组态软件提供了资源管理器式的操作界面，并提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。
组态软件也提供多种硬件驱动程序。
组态软件的选择
西门子公司（Siemens）的工业组态软件WinCC（WindowsControlCenter）为开发适合现代化控制要求的系统提供了一个方便可靠、开放性好、功能强大的软件平台。
WinCC是采用了最新的32位技术的过程监控的软件，具有良好的开放性和灵活性。
无论是单用户系统，还是多用户系统，WinCC均是较好的选择。
WinCC监控软件提供了友好的操作界面，用户可根据需要形成操作画面、监控画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等，因而在各行各业得到广泛的应用。
基于WinCC的以上优点，本设计选择WinCC组态软件来完成。
2.2WinCC组态软件的功能和特点
2.2.1WinCC组态软件的功能
（1）丰富的功能模块
提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场要求。
利用各种功能模块，完成实时监控，产生功能报表，显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统。
（2）强大的界面显示组态功能
目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。
丰富的图形控件和工控图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。
提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。
（3）良好的开放性
社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，―异构‖是当今控制系统的主要特点之一。
开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。
开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。
组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。
（4）强大的数据库
配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。
（5）可编程的命令语言
有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面。
（6）周密的系统安全防范
对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。
2.2.2WinCC组态软件的特点
（1）延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级。
（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。
（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
第3章变频恒压供水系统简述
3.1恒压供水控制系统的选择
通过思考分析设计方案中供水系统主要由压力变送器、水位传感器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。
变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。
设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。
图3.1 变频恒压控制原理图
如图3.1所示。
在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。
该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。
如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。
同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
且系统采用PLC，由于其本身抗干扰能力强，系统可靠性高，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种要求和规格不同的控制系统。
由于PLC和上位机具有良好的通信功能，此系统方便与其他系统进行通信和数据交换。
当控制要求改变时，利用编程软件很容易进行程序的修改和下载。
因此，该系统能适用于不同控制要求的场合，与机组容量大小无关。
且由于良好的人机界面，使得操作更加简单，系统运行状态更直观。
3.2恒压供水控制系统的方案
系统中主要依靠低压控制系统采集到的传感器信号通过比较判断来控制水泵机组的使用的水泵个数以及通过变频器改变水泵转速从而改变供水流量进而使管网压力保持恒定。
本设计中控制系统主要由PLC（可编程控制器）、变频器组成，WinCC上位机监控系统，其中PID内置于变频器供水基板上，通过设置指令代码实现控制系统的功能。
系统原理框图如图3.2所示。
图3.2 系统原理框图
（1）水泵机组由2台水泵构成，正常运行情况下只有1台主泵运行。
（2）信号机构由水位传感器、压力变送器以及变频器的频率上下限报警，当正常工作情况下首先由水位传感器判断水池水位是否在警戒水位若在警戒水位则不启动或立即断开所有水泵，发出报警信号。
从而防止水泵空转造成危险。
压力变送器用来测量管网压力，它会将这个压力信号转换为一个在4～20mA的电流信号或者0～5V的电压信号然后传送给变频器，变频器内有一个设定值，它将变送器传给它的信号与设定值进行比较经PID算法改变输出电压的频率。
当变频器达到频率上限或下限时，变频器就会发出相应的信号给PLC，让PLC控制工作电机的台数实现恒压供水。
（3）控制部分主要由PLC、变频器和电气元件设备构成。
①PLC是整个供水控制系统的核心，功能主要包括供水系统中主要信号的采集，通过编程实现对主电路和控制电路的控制。
②变频器的主要功能是实现对水泵机组的控制。
内置PID可以实时的根据压力变送器所给信号改变输出频率调节控制水泵转速。
变频器有两种工作状态：
循环式工作状态和固定式工作状态。
循环式工作状态：
变频器连接其中一台大的水泵，当此水泵工作在工频，供水量仍无法满足用户用水要求时，系统将该水泵维持在50Hz固定，并将变频器切换到另一台水泵。
固定式工作状态：
变频器连接其中一台大的水泵，当此水泵工作在工频，供水量仍无法满足用户用水要求时，系统将直接启动另一台水泵工频运行，变频器将不做切换。
在控制过程中由于直接启动另一台水泵工频运行，会造成水压上升过大，一般在运行过程中多工作在第一种工作状态。
（4）电气元件设备主要由接触器、继电器、开关、指示灯、喇叭等构成。
主要功能是起保护和水泵切换功能。
指示灯的主要是为了显示电机的实时工作情况；喇叭的主要功能是配合指示灯对报警信号进行报警从而及时的对故障进行排除以防造成危险和更大的故障损失。
3.3系统控制过程分析
（1）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵M1，通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制M1的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1工作在调速运行状态。
（2）当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，在变频循环式的控制方式下，系统将电机M1切换至工频电网供电后，M1恒速运行，同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。
（4）当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的基于PLC的变频恒压供水系统的设计实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将上次转换成工频运行的水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。
当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，直到剩下一台变频泵运行为止。
（5）当系统中只有1台调速泵在工作，而调速泵的运行频率已降至下限频率时，且满足关泵条件，此时关闭调速泵。
在这种情况下，若实际压力低于设定压力，则延时后开启再开启调速泵进行控制，工作过程同2、3、4步。
3.4系统硬件构成及选择
前面已经简述了恒压供水系统框图，根据系统框图可得知本系统所需硬件框图如图3.3
图3.3系统硬件框图
从图可知，系统所需的硬件有：
（1）三菱FX2NPLC；
（2）液位传感器、管网压力表；
（3）变频器；
（4）水泵机组；
（5）监视、控制上位机。
第4章恒压供水系统中WinCC的应用
4.1恒压供水系统中WinCC界面的设计
本课题最主要的就是对恒压供水系统中WinCC组态软件界面的设计。
用户界面的设计是本课题中最重要的一部分，作为上位机组态软件系统与用户交互窗口，用户界面的好坏，在一定程度上决定着软件受欢迎的程度。
所以必须在满足过程实时监控的基础上，配以灵活、多样、友好的人机界面。
在上位机操作界面中分为工艺流程、设备控制、实时数据显示、历史数据及曲线、故障报警和报表输出等部分。
4.1.1工艺流程界面
恒压供水系统的工艺流程在WinCC组态软件界面设计中是最为重要的，因为下面的变量参数、控制电机、历史曲线等众多界面设计和需要监控的变量都是根据工艺流程图设计的。
在工艺流程界面（图4.2）中，可以直观的显示水处理整个工艺，每个电机设备有远控、运行、故障三个状态，用户可在监控室了解当前设备运行状态。
在发生故障时，用户可以快速的根据工艺图了解到故障发生地点以便快速排除故障。
WinCC图形编辑器是用于创造过程画面，并通过图形编辑器组态画面使其动态化。
也就是说WinCC图形编辑器是设计恒压供水系统的工艺流流图、设备控制界面、参数设置界面等。
而对于恒压供水系统的工艺流程界面的设计是最为复杂，工程量也是最大的一项。
首先要在草稿纸上画出工艺流程图的大致布局，然后再在组态软件上画图。
关于工艺流程界面的设计：
运行WinCC组态软件，打开图形编辑器，初始图形文件名以“NewPdl”开始排序，可鼠标右键重新命名。
而一般的新建的图形编辑器的低纹都是黑色网格状的。
在对象调色板（图4.1）窗口选择“智能对象”，左击加号，然后左击里面的“画面窗口”就可以在图形编辑器中画出所需要的范围。
图4.1对象调色板
设置画面的名称的时候，画面的扩展名不用改变。
在标准工具栏中又有一个属性，用来设置画面的基本属性；画面的基本属性有几何、颜色、样式、背景画面、效果等。
先设置好画面的属性，一般画面的背景色为灰色而网格颜色为黑色；接下来就是画工艺流程图。
（1）在标准工具栏中选择显示库，然后左击全局库中的SiemensHMISymbolLibrary-1.4.1。
图4.2标准工具栏中的显示库
图4.3库中的罐
打开“罐”的文件夹，然后再右边的显示区中找到“罐1”，用鼠标将“罐1”拖到图形编辑器中就会出现酸碱池、沉淀池等众多池子的大概式样。
如图4.7所示。
根据图形上的黑色小方框可以调节罐的尺寸，两个罐子就可以做成一个池子，其中的一个罐子是用来做池子的底部。
将两个部件合在一起就完成
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