恒压供水课程设计.docx
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恒压供水课程设计
1引言………………………………………………………………………1
2系统总体方案设计………………………………………………….....3
2.1系统硬件配置及组成原
理…………………………………………....3
2.2系统变量定义及地址分配
表………………………………………....4
3系统硬件设计………………………………………………………...53.1控制系统原理接线图设
计…………………………………………....5
3.2系统可靠性设
计……………………………………………………....5
4控制系统软件设计……………………………………………..……...84.1控制程序设计思
路…………………………………………………....8
4.2PLC控制程序设
计……………………………………………………9
5上位机监控系统设计……………………………………...…………105.1监控系统具有的功能及方
案…………………………………..……10
5.2ＰＬＣ与上位机监控软件的通讯方案及硬件连接方法………..…105.3上位机监控系统组态设
计…………………………………………..10
5.4实际达到的效
果…………………………………………………..…11
6触摸屏监控系统设计………………………………………………...146.1触摸屏监控系统功能介
绍……………………………………..……14
6.2触摸屏监控系统的总方
案…………………………………………..14
6.3PLC与触摸屏的通讯方案及硬件连接方
法…………………………14
6.4触摸屏监控系统组态设
计……………………………………..……14
7系统调试及结果分析………………………………………………...21
结束语……………………………………………………………………..23
附录A……………………………………………………………………...25
附录B……………………………………………………………………...32
1、引言
自动化系统集成是以大中型plc及其网络技术应用为主线，涵盖plc工控系统集成的相关技术，是以应用为目地，理论与应用紧密结合，广泛应用于工控领域的实用技术。
在学习自动化系统集成相关专业课程以后，需要通过综合实践环节强化各科专业知识综合应用能力工程意识，动手能力，创新能力。
自动化系统集成专业方向的课程设计是通过指导设计一个小型自动化系统集成的课题，完成满足控制要求的plc控制系统集成，控制系统硬件设计，plc控制程序设计，监控系统设计，运行调试，并撰写课程设计报告。
使学生的理论基础和动手能力得到进一步巩固，使学生对自动化系统集成的过程有一个全面的了解，提高专业知识的综合应用能力和工程实践能力。
1．1要求达到的目的：
1
2
3
4
5
6
了解自动化系统集成的全过程；
掌握控制系统电气系统图，原理图的设计；能够根据设计的原理图完成电气接线；能够根据控制要求完成该软件的设计及调试；能够根据监控要求完成监控系统设计及调试；能够完成控制系统综合调试。
1．2设计内容及目标:
1分析恒压供水控制系统的要求，根据使用环境、控制要求列出控制系统需要的输入输出。
选择可编程控制器的产品系列及型号（包括CPU模块和扩展模块）、变频器的型号以及触摸屏的型号，完成控制系统集成。
2根据恒压供水控制系统的要求，设计并绘制控制系统组成图、电气控制原理图（包括主电路、控制电路图及PLC外部接线图）。
3根据系统电气控制原理图完成电气接线，并检查硬件系统是否符合控制要求和规范化要求。
4根据恒压供水控制系统要求设计PLC控制程序，在STEP7编程软件上完成系统组态，并编写控制程序，将控制程序下载到PLC中进行调试，运行、调试、修改、完善，直至控制程序满足控制要求。
5用组态软件设计恒压供水系统的监控系统，在组态监控界面上显示设备运行状态，并模拟显示设备的动作，调试，直至满足要求。
6用威纶触摸屏设计现场监控系统，调试，直至满足要求。
1
7通过对被控对象系统的硬件设计、PLC控制程序设计、监控程序设计及调试，使学生对工业自动化系统集成、复杂控制程序设计、与电气控制系统结合、人机界面设计及监控实现等建立起整体印象，摸索并积累编程的技巧及经验，在调试过程中发现问题，综合应用理论知识分析问题、解决问题，强化工程意识，提高应用能力。
1.3任务描述：
设计一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统。
如图1所示。
图1恒压供水工艺图
市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀MB1，它们自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
水池的高/低水位信号也接送给PLC，作为低水位报警用。
为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。
生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀MB2处于失电状态，关闭消防管网；三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀MB2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。
火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。
控制任务和要求：
（1）生活供水时低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行；
（2）三台泵根据恒压的需要采取“先开先停”的原则接入和退出；
（3）如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；
（3）要有完善的报警功能；
（4）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时使用。
2
（6）能通过触摸屏发控制命令和进行监测；
（7）能在上位机上通过组态监控系统监视和控制水压及泵的运行。
2、系统总体方案设计：
2.1系统硬件配置及组成原理
根据控制要求和实际试验设备，本次课程设计的主要硬件配置为：
PLC（西门子）：
电源模块PS307,5A；CPU模块CPU314C-2DP；
触摸屏：
威伦MT6056i；
变频器：
西门子MM440A型变频器；
电气控制柜：
断路器、接触器、热继电器、中间继电器、按钮、开关、指示灯各若干；
三相异步变频电机：
YBZ-55-80M-4
开关、按钮及压力等输入信号送给PLC，PLC经过逻辑运算将结果送给各指示灯、警铃、中间继电器或变频器。
中间继电器控制接触器，从而控制各泵的工/变频接通或断开。
变频器控制变频电机转速。
上位机和PLC通过USB通讯，实现监控功能。
触摸屏和PLC通过MPI通讯，实现监控功能。
整体系统框图如图2所示：
3
图2系统框图
2.2系统变量定义及地址分配表
PLC输入点地址分配如表1所示：
表1
序号
变量名称
输入元件代号
I/O地址分配
1
消防信号
SF9
I124.0
2
水池水位上限
BGH
I124.1
3
水池水位下限
BGL
I124.2
4
消铃按钮
SF10
I124.3
5
试灯按钮
SF11
I124.4
6
自动方式
KF0
I124.5
7
启动按钮
SF12
I124.6
8
停止按钮
SF13
I124.7
9
变频器故障
RL1-C,B
I125.0
10
变频器频率上限
RL2-C,B
I125.1
11
变频器频率下限
RL3-C,B
I125.2
12
压力信号
PLC模拟量输入
PIW752
PLC输出点地址分配如表2所示：
表2
4
序号
变量名称
输出元件代号
I/O地址分配
1
1#泵工频运行
KF1
Q124.0
2
1#泵变频运行
KF2
Q124.1
3
2#泵工频运行
KF3
Q124.2
4
2#泵变频运行
KF4
Q124.3
5
3#泵工频运行
KF5
Q124.4
6
3#泵变频运行
KF6
Q124.5
7
市网来水阀
MB1
Q124.6
8
生活消防供水阀
MB2
Q124.7
9
水池水位下降报警
PG8
Q125.0
10
变频器报警指示灯
PG9
Q125.1
11
火灾报警指示灯
PG10
Q125.2
12
报警电铃
PB1
Q125.3
13
变频器故障复位
变频器6端
Q125.4
14
变频器正向启动
变频器5端
Q125.5
15
变频器频率来源
变频器-3，4
PQW752
3系统硬件设计
3.1控制系统原理接线图设计见附录A
3.2元器件清单
见表3
表3元器件清单
名称
厂家
型号
数量
断路器
ABB
IEC60898
GB10963
1
FATO
IEC60898-1
GB10963.1
2
FATO
IEC60898
GB10963
3
接触器
SHEK
F4-D22
（LA1-D22）
3
热继电器
SCHNEIDER
A012851
2
5
中间继电器
SFQ
HH54P
7
三相变压器
DENUO
SG-700
1
单相变压器
创联
A-120-24
1
电机
中源电气
G-80A
1
变频器
SIEMENS
MM440
1
触摸屏
WEINVEW
MT6056I
1
3.3硬件实现方案
本课设是设计一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统。
三个泵根据恒压的需要，在主电路的设计中需要七个断路器，五个三相的，两个两相的。
六个接触器分别对应1,2,3号的工变频泵。
三个热继电器的接入起到过载保护的作用。
主电路需要分出一路220v的电压，本来可以接出一相和地线相接，但本着安全稳定的原则，接入了隔离变压器，可以解决高低压之间的信号隔离，提供安全电压。
主电路中还需要引出一路电压并把220v的交流电变成直流24V电，于是又接入了变压器。
在控制电路的设计中，因为电磁阀所能承受的电压是直流24v,而接触器的线圈需要交流220v电压驱动，所以控制电路分为两部分。
手动方式和自动方式的切换在本次实验中通过中间继电器KFO来控制。
KF0常开触点吸合为自动方式，KF0常闭触点闭合为手动方式。
手都方式下，QA1，QA3，QA5常开辅助触点起自锁作用，QA1-6常闭触点起互锁作用。
因为PLC外部输出为24V电压，而接触器的线圈为220v电压驱动，所以在控制接触器时用中间继电器KF1-6常开触点控制。
在PLC外部接线图DI/DO模块中，需要24V电源驱动。
消防信号，水池水位上下限，试灯按钮等开关接在输入端，和之前的地址分配对应，KF0-6线圈，各种报警指示灯接在输出端，地址同样对应。
变频器故障，频率上下限信号需要接入变频器，变频器故障复位，变频器正向启动作为输出端也接入变频器。
在PLC外部接线图AI/AO模块中，不需要电源驱动，本次试验只有一个模拟量输入，就是压力信号，我们用滑动变阻器来模拟压力的变化，变频器1,2号端子给滑动变阻器提供10v电压，输出频率16,20端子接变频器。
由于实验条件的局限性，在实验装置前面板上，SF1为手动启动按钮1，SF2为手动停止按钮1.SF3为手动启动按钮2，SF4为手动停止按钮2.SF5为消铃按钮，灯为水位下限指示灯，SF6为试灯按钮，灯为变频器报警指示灯，SF7为启动按钮，灯为火灾报警指示灯，SF8为停止
6
按钮，灯为报警电铃。
如图
图3
实验中需要保持信号的开关用中间面板上的开关来实现，其中SF12为自动手动切换开关，R1为压力传感器，SF16为消防按钮，SF17为水位上线按钮，SF20为水位下线按钮。
如图
图4
实验主电路线，控制电路线，开关线接好后进行调试。
程序输入后
7
主电路电压高，不通电，控制电路上电，下载程序，测试实验结果。
图5
4控制软件设计系统
4.1控制程序设计思路
由课程设计任务的工艺和控制要求来分析，各泵工/变频运行组合状态较多，适于用梯形图法来编程。
其中明确各个控制对象的启动和关断条件，是此次编程的核心重点。
由信号“自动方式”选择手动或自动运行方式，“自动方式”=0时选择手动方式，此时无法接通。
1、手动方式时：
①每台泵由一个启动按钮和一个停止按钮控制其工频启/停；②由两个拨码开关控制市网来水阀和消防水阀的开/闭。
2、自动方式时：
⑴未“自动启动”时，可实现：
①水位下限报警、变频器故障报警、火灾报警；（指示灯和警铃）②“试灯按钮”的试灯功能；
③“消铃按钮”的消铃功能。
⑵“自动启动”后，启动保持，完成自动控制逻辑：
①初始化变频泵号为1，工频泵数为0，即启动时初始状态时为1#泵变频运行；在循环中断组织块OB35中进行PID调节，调节结果控制变频器频率变化；
8
按实际
电机铭
牌
2故障时，复位变频器，关断当前变频泵，故障结束后重新变频启动该泵，恢复故障前的运行状态；
3给定压力设置：
由消防信号控制选择当前生活/消防压力；④变频器频率上限时增泵滤波，符合增泵条件时，工频泵数加1、
增泵逻辑；
5变频器频率下限时减泵滤波，符合减泵条件时，工频泵数减1、减泵逻辑；
6单台泵连续变频运行3h时间到，产生倒泵信号；
7增泵时，关断当前泵的变频运行，然后工频启动并将下一泵变频启动；
8倒泵时，关断当前泵的变频运行，然后将下一泵变频启动；⑨减泵时，根据“先开先停”的原则关断工频运行的泵；
⑩市网来水阀的开/闭：
由水位上限信号控制；
消防水阀的开/闭：
由消防信号控制。
⑶按下“自动停止”，启动不再保持，所有的泵和阀全部断开。
⑷退出“自动方式”，所有的指示灯和警铃断开。
表4变频器参数设置
参数号
默认值
设置值
说明
P0010
30
恢复工厂默认值
P0790
1
启动参数复位
P0003
1
1
设置用户访问级为标准级
P0010
0
1
启动快速调试
P0100
0
0
功率用kW表示，频率为50Hz
P0304
230
电动机额定电压（V）
P0305
3.25
电动机额定电流（A）
P0307
0.75
电动机额定功率（kW）
P0310
50
电动机额定频率（Hz）
P0311
0
电动机额定转速（r/min）
P0700
2
2
命令源选择:
数字量输入端子
P1000
2
2
频率设定值来源:
模拟输入通道AIN1
P1080
0
5
电动机运行的最低频率（Hz）
9
P1082
0
50
电动机运行的最高频率（Hz）
P1120
10
8
连续运行的斜坡上升时间（S）
P1121
10
8
连续运行的斜坡下降时间（S）
P0010
0
退出快速调试
P0003
2
设置用户访问级为扩展级
P0004
7
命令和数字I/O
P0701
1
5端口：
正向0N/OFF1
P0702
9
6端口：
故障复位
P0731
52.3
数字量输出1：
变频器故障
P0732
52.A
数字量输出2：
达到频率上限
P0733
53.2
数字量输出3：
达到频率下限
P0748.0
1
数字量输出1逻辑反向
4.2PLC控制程序设计（见附录B）
5上位机监控系统设计
5.1监控系统具有的功能及方案
本监控系统能够对该供水系统进行远程监视和控制。
监控系统中的控制信号能够送给PLC实现现场硬件控制，现场的报警、水阀状态、电机工/变频运行状态也都可以实时反映在监控画面上。
在增加设备时，选择S7-300MPI（USB），新建设备。
在进行变量定义时，连接至上步新建设备。
控制变量地址连接PLC程序中的软按钮开关（M寄存器），监视变量地址连接PLC中报警、水阀状态、电机工/变频运行状态及压力参数的地址。
绘制监控画面时，在画面中绘制按钮开关、指示灯等元件，动画连接控制变量和监视变量。
监控系统能够实现的核心关键就是变量的设备、地址和动画连接。
5.2PLC与上位机监控软件的通讯方案及硬件连接方法
PLC与上位机监控软件的通讯有两方面的内容：
软件设置和硬件连接。
软件设置上，在新增设备时选择S7-300MPI（USB），新建设备。
硬件连接上，PLC与PC通过MPI/USB电缆连接即可。
10
5.3上位机监控系统组态设计
图6静态画面设计
图7变量定义表
5.4实际达到的效果
11
图8一泵变频
图9增泵状态一
12
图10增泵状态二
图11消防状态
13
6触摸屏监控系统设计
6.1触摸屏监控系统功能介绍
触摸屏监控系统功能大致与上位机监控系统大致相同，但触摸屏只能在操作间对设备状态监控。
在本次模拟无塔双恒压供水系统的课程设计中，触摸屏监控系统可实现对三台泵的工频/变频运行状态和三盏报警灯状态的显示。
除对系统状态显示功能之外，触摸屏还实现了对PLC程序的起停进行控制、水位上下限限位开关的模拟和对报警的应急处理等功能。
6.2触摸屏监控系统的总方案
1触摸屏型号选择MT6056i
2系统由快速选择、系统主画面、报警，工艺流程四个画面组成。
3快速选择画面实现系统各画面之间的切换功能。
4系统主画面实现对三台泵运行状态的显示；对PLC程序的控制；水位上下限开关的模拟；消防/变频器故障/水位下限的报警灯和报警电铃状态的监控；压力给定值、压力反馈值、调节后频率的数值显示。
5报警画面在有报警信号时自动弹出，并能够显示报警的事件，时间和报警恢复时间。
6工艺流程画面主要向操作人员显示整个系统的主要控制对象。
6.3PLC与触摸屏的通讯方案及硬件连接方法
1通讯方案：
根据MT6056i型号的触摸屏所支持的MPI通讯，我们选择COM1口的RS485通讯协议
2硬件连接方案：
软线连接触摸屏直流24v电源；九针型RS485通讯电缆与PLC通讯；USB程序下载线用于下载触摸屏程序；
6.4触摸屏监控系统组态设计
1快速选这画面设计:
主画面定义快速选择按钮之后再快速选择画面定义功能按钮用来切换画面。
14
图11快速选择画面图
2主画面设计：
主画面中程序控制开关
EB8000软件打开
元件
位状态开关
对读取地址进行设置
将图拖到主画面相应位置。
图12开关读取地址设置示意图
状态灯报警灯显示
元件
位状态指示灯
对读取地址设置
将图拖到主画面相应位置。
图13指示灯读取地址设置示意图
15
数值的显示
元件
数值显示
读取地址的设置
将图框拖
到相应位置
图14数值显示读取地址设置示意图
图15系统主画面
3报警画面设计:
报警事件的定义
元件
报警
报警事件显示
添加报警
事件。
16
图16报警事件定义示意图
图17报警事件登录地址设置示意图
4工艺流程图则用画笔根据实际的工艺将各个器件的大致形状进行绘制。
6.5、实际运行时触摸屏监控效果图展示
图18程序启动前
17
图19增泵后两工频一变频
图20检泵后一工频一变频
18
图21消防状态监控画面
图22消防报警画面
19
图23恒压供水工艺流程展示图
20
7系统调试及结果分析
1、在程序调试过程中，发现在程序段的监控中报警指示灯输出点接通，但是实际PLC的输出点并未接通，监控效果与实际运行不符。
查找许久，不知原因。
后在老师指点下，发现在另一程序段中也有此报警指示灯的控制逻辑，而对于PLC的工作时序和过程来说，每扫描执行一次程序，更新输出时都以出现该信号的最后逻辑控制结果为准。
所以在进行PLC的程序编辑时，要将同一控制对象的控制条件写在一起，不能多处控制同一个控制对象。
按此原则修改程序后，问题得到解决。
2、在S7-300PLC的PID模块使用中，开始时对PID模块的各输入/输出端功能不甚理解，对PID调节原理和工作机能不掌握。
在编程和调试过程中，通过查阅资料和实验现象，深刻理解了PID模块的PV_IN和PV_PER、LMN和LMN_PER的区别，以及PER_ON功能端的控制作用。
PV_IN和LMN都是经过工程归一化的数据，反映的是百分比，若用此路输出/输入时，PER_ON功能端的值应为FALSE。
PV_PER和LMN_PER是模拟量输入/输出经过A/D和D/A转换出的数字量，可与模拟量输入/输出单元地址直接相连，若用此路输出/输入时，PER_ON功能端的值应为TRUE。
LMN_HLM和LMN_LLM为输出调节结果的上限、下限范围，是工程归一量，反映的是百分比。
我们设置变频器的最低和最高频率为5Hz和50Hz，所以LMN_HLM和LMN_LLM的值应设置为100.0和10.0。
在不断的调节和修改中，PID的调节功能最终正常。
3、在变频器参数的调试中，上电后即出现变频器故障信号，泵无法变频启动。
在查阅资料检查过程中，发现变频器数字量输出功能的参数定义P0731（数字量输出1）=52.3（变频器故障）时，变频器故障52.3为反逻辑，0是1否，所以要设置数字量输出1反逻辑输出，即设置P0748.0=1。
在变频器频率达到上限时，不能产生频率上限信号，后经观察变频器频率显示，发现最高频率只能达到49.98Hz并且闪烁不稳定，分析是电网频率达不到，所以一直无法产生频率上限信号。
将变频器最高运行频率P1082修改为49.9Hz，之后变频器工作正常。
变频器频率达到上限时，输出上限信号（I125.1），但此时频率下限信号（I125.2）也亮了，这是不正确的。
经过分析，认为应该是变频器的继电器输出组的各端子连接位置不正确。
后经翻阅资料并经过实验，最终正确连接变频器的继电器输出组的各端子，信号输出符合实际和功能要求。
接上电机之后，变频器一直闪烁显示A0922，经在网上查阅，此错误代码的意思是电机接线未正确连接，在重新检查接线后，问题解决。
21
4、在组态王监控画面的监控调试中，发现只能实现监视功能不能实现控制功能，后在老师的帮助下，发现是因为在建立数据词典时，定义按钮、开关等控制信号的变量的读写模式为“只读”，这样的话，这些信号就不能写给PLC实现控制功能。
在修改过变量的读写模式为“读写”后，此问题得到解决。
5、在硬件调试过程
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