城市供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目：城市恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作 者：杜善義 專業(yè)及班級(jí)：06級(jí)機(jī)械制造及自動(dòng)化 指導(dǎo)老師：劉耀元 準(zhǔn)考證號(hào)：014408500157 南昌理工學(xué)院光信息機(jī)電工程系2009年10月31摘 要 城市供水系統(tǒng)的主要在用水量不斷變化的情況下，維持管內(nèi)水壓在一定范圍內(nèi)，即滿足用戶用水的要求，又能夠最大程度節(jié)約能源、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。變頻供水的控制器經(jīng)歷了從繼電器-接觸器，到單片機(jī)，再到PLC。而變頻器也從多端速度控制、模擬量輸入控制，發(fā)展到專用變頻器。實(shí)現(xiàn)了城市供水系統(tǒng)簡(jiǎn)單、高效、低耗能的功能，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制過(guò)程，采用PLC作為核心控制是個(gè)較好的方案。 關(guān)鍵詞： 恒壓供水 PLC 變頻

2、器 程序設(shè)計(jì)主編：杜善義排版：徐振盼審核：翟亞軍Abstract Urban water supply system, mainly in the water changing circumstances, to maintain its water pressure within a certain range, that is, to meet the requirements of the user of water, but also to the greatest degree of energy conservation, to extend the service life. F

3、requency of water supply has gone from a controller relay - contactor, to the microcontroller, to the PLC. The inverter speed control from multiterminal analog input control, the development of the special inverter. Implementation of urban water supply system is simple, efficient, low-power features

4、, and achieve automated control process, using PLC as a core control is a better solution.Key words: constant pressure water supply inverter PLC program design.目 錄緒論 1 供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1 供水系統(tǒng)功能要求 1第一章.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 41.1 供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 41.2 供水系統(tǒng)的工作原理 5第二章 硬件系統(tǒng)配置 7 2.1 PLC選型7 2.2 PLC的I/O資源分配 8 2.3 其他資源配置 10第三章.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 143.1

5、總體流程設(shè)計(jì) 143.2 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì) 21第四章.系統(tǒng)設(shè)計(jì)中問(wèn)題及解決方法 294.1 硬件方面問(wèn)題 294.2 軟件方面問(wèn)題 30第5章 設(shè)計(jì)小結(jié) 30致謝 31參考資料 32緒 論一、供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介對(duì)于高層用戶來(lái)說(shuō)，在白天或用水高峰時(shí)候，供水系統(tǒng)的電機(jī)負(fù)荷最大，常常滿負(fù)荷或超負(fù)荷；而晚上或休閑時(shí)，所需水量減少，但是電機(jī)依然處于滿負(fù)荷運(yùn)行，這樣浪費(fèi)了大量資源，對(duì)電機(jī)損耗也很大，由于變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)用有效的解決了以上問(wèn)題，根據(jù)用水量的大小來(lái)控制水泵的轉(zhuǎn)速，即用水量大時(shí)，提高變頻，使水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水量。當(dāng)用水量減少時(shí)，降低變頻，使水泵轉(zhuǎn)速降低，或減少投入運(yùn)行水泵數(shù)量，減少供水量?，F(xiàn)在

6、由于電子技術(shù)的發(fā)展如SCAD系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)和PLC等系統(tǒng)逐漸應(yīng)用到工業(yè)控制中。SCADA系統(tǒng)是由一個(gè)主控站和若干個(gè)遠(yuǎn)程終端站組成，通過(guò)物理鏈路層或數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行通信聯(lián)系。該系統(tǒng)最初用于通信系統(tǒng)，但終端站的擴(kuò)展，也實(shí)現(xiàn)連續(xù)及順序控制，所以較多應(yīng)用于控制系統(tǒng)，但此類系統(tǒng)多側(cè)重于連續(xù)監(jiān)測(cè)的場(chǎng)所。DC系統(tǒng)稱為集散型控制系統(tǒng)，是由多臺(tái)計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)終端機(jī)組成的，共同完成分散控制和集中操作、管理的綜合控制系統(tǒng)，多側(cè)重于連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程管理。PLC時(shí)可編程控制器的簡(jiǎn)稱，它作為處理系統(tǒng)的控制器，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求，也可利用計(jì)算機(jī)作為其上位機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接PLC，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有編程方便、開發(fā)周期

7、短、維護(hù)容易、通用性強(qiáng)、使用方便、控制功能強(qiáng)、模塊化結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)。二、供水系統(tǒng)要求城市供水系統(tǒng)的主要在用水量不斷變化的情況下，維持管內(nèi)水壓在一定范圍內(nèi)，即滿足用戶用水的要求，又能夠最大程度節(jié)約能源、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。變頻供水的控制器經(jīng)歷了從繼電器-接觸器，到單片機(jī)，再到PLC。而變頻器也從多端速度控制、模擬量輸入控制，發(fā)展到專用變頻器。實(shí)現(xiàn)了城市供水系統(tǒng)簡(jiǎn)單、高效、低耗能的功能，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制過(guò)程，采用PLC作為核心控制是個(gè)較好的方案。PLC具有體積小，設(shè)計(jì)周期短、數(shù)據(jù)處理和通信方便、易于操作與維護(hù)、明顯降低成本等優(yōu)點(diǎn)，可滿足城市供水系統(tǒng)的要求。除此之外，PLC作為城市供水系統(tǒng)使設(shè)

8、計(jì)過(guò)程變的更加簡(jiǎn)單。可實(shí)現(xiàn)功能變的更多。由于PLC和CPU強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力，使城市供水系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與通信變得可能，并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用PLC作為控制器的城市供水系統(tǒng)主要涉及兩個(gè)方面：一是信號(hào)輸入；二是控制輸出信號(hào)。其一、信號(hào)輸入城市供水系統(tǒng)信號(hào)輸入檢測(cè)主要涉及三類信號(hào)的檢測(cè)，主要包括：按鈕的輸入檢測(cè)、液位高低的輸入檢測(cè)，以及管內(nèi)壓力的輸入檢測(cè)。1)、按鈕輸入檢測(cè)。大多數(shù)為人工方式控制的輸入檢測(cè)，主要有手動(dòng)按鈕、自動(dòng)按鈕、水泵工頻啟動(dòng)按鈕、水泵變頻啟動(dòng)按鈕，以及變頻加、減速按鈕等。2)、液位高低輸入檢測(cè)。檢測(cè)水池液位的高低，用來(lái)控制整個(gè)供水系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。3)、管內(nèi)壓力輸入檢測(cè)。按鈕輸入

9、和液位高低輸入檢測(cè)到為數(shù)字量輸入，管內(nèi)壓力輸入為模擬量輸入。通過(guò)將管內(nèi)的壓力傳感器安置于適當(dāng)位置上，將檢測(cè)值反饋到PLC中，通過(guò)運(yùn)算輸出控制水泵信號(hào)。當(dāng)壓力值偏低時(shí)，供水量不足，導(dǎo)致用戶無(wú)法正常用水，因此需要增加水泵的轉(zhuǎn)速以增加供水量；當(dāng)壓力值偏高時(shí)，導(dǎo)致管內(nèi)壓力值過(guò)大，用戶用水較多，容易對(duì)管道造成損害，因此減少水泵轉(zhuǎn)速減少供水量，最終使管內(nèi)的水壓力保持在一定范圍內(nèi)。其二、控制信號(hào)與輸出信號(hào)信號(hào)輸出部分主要包括兩個(gè)方面；一個(gè)是數(shù)字輸出，即各類設(shè)備的接觸器；另外一個(gè)是通信輸出，即通過(guò)RS-485來(lái)控制變頻器。1)、數(shù)字輸出?？刂聘黝愒O(shè)備的啟動(dòng)和停止，包括：所有水泵的工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行等接觸器，以

10、及進(jìn)水閥門的開啟與關(guān)閉。2)、通信輸出。通過(guò)PLC中PID運(yùn)算的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)值，該控制信號(hào)輸入到變頻器的通信端口上，改變變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，最后達(dá)到控制水管中壓力的要求。第一章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)一. 供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 城市供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：一方面是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；另一方面是PLC電氣控制方面設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)控制功能的前提；PLC電氣控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)控制功能的核心部分。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，電氣結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成比較固定。1、主要組成部分 城市供水系統(tǒng)的組成比較簡(jiǎn)單，主要是一些管道、水泵、變頻器等，以及其他的輔助設(shè)備構(gòu)成，電氣結(jié)構(gòu)主要組成部分的簡(jiǎn)單

11、示意圖。水壓變化水 泵調(diào)速器控制器如圖1-11)、水壓變化：作為系統(tǒng)的控制輸入量，能否采集信號(hào)根據(jù)控制系統(tǒng)的精度及可靠性。2)、控制器：是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)對(duì)外界輸入狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，輸出控制量；對(duì)外界輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理后，輸出相應(yīng)的控制量。例如單片機(jī)、可編程邏輯控制器、計(jì)算機(jī)等。3)、調(diào)速器：作為控制器的核心的后續(xù)控制單元，對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行控制，最終達(dá)到控制要求。例如多段調(diào)速、變頻調(diào)速等。4)、水泵：供水系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)速器控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后達(dá)到控制水泵流量大小的要求。2、電氣控制系統(tǒng)控制器、調(diào)速設(shè)備及其他輔助設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)操作面板圖12 系統(tǒng)電氣圖電氣控制系統(tǒng)主要包括操作面板

12、、電氣控制柜等單元。由于該系統(tǒng)中需要檢測(cè)較多的數(shù)字輸入量，并且還要檢測(cè)模擬輸入，然后根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出控制信號(hào)，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時(shí)序就需要嚴(yán)格按照檢測(cè)信號(hào)的輸入進(jìn)行控制，其示意圖如圖12所示。二. 供水系統(tǒng)的工作原理圖1、控制系統(tǒng)總體框圖城市供水電氣控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1-3所示，PLC為核心控制器，通過(guò)檢測(cè)操作面板按鈕的輸入、各類傳感器輸入，以及相關(guān)模擬量的輸入，完成相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行、停止和調(diào)速按鈕。操作面板傳感器輸入模擬量輸入PLC變頻器水泵圖13 城市供水電氣控制系統(tǒng)總體框圖2、工作過(guò)程城市供水系統(tǒng)在手動(dòng)狀態(tài)下，各類設(shè)備的控制根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來(lái)控制，無(wú)邏輯限制，

13、即不根據(jù)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行控制。在自動(dòng)方式下進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到外部傳感器的狀態(tài)如下:1）首先，測(cè)量水位的高低；啟動(dòng)運(yùn)行測(cè)量壓力反饋值調(diào)節(jié)規(guī)律計(jì)算檢測(cè)變頻器輸出輸出控制驅(qū)動(dòng)器一個(gè)過(guò)程結(jié)束圖14 自動(dòng)工作過(guò)程2）其次，采集壓力傳感器反饋的信號(hào)，將該傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC可處理數(shù)字信號(hào)。3）再次，PLC根據(jù)壓力反饋值，以及變頻輸出，對(duì)模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。4）最后，在PLC中數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)的控制。這就完成了一個(gè)工作過(guò)程。第二章 硬件系統(tǒng)配置一. PLC選型根據(jù)工作原理和控制功能要求，因此設(shè)計(jì)出城市供水系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2-1所示，在此控制系統(tǒng)中的核心

14、處理器是PLC，其輸入和輸出主要為數(shù)字量，只有一組模擬量輸入?？删幊炭刂破鱌LC操作面板液位高度傳感器管內(nèi)壓力反饋值變頻器三個(gè)泵運(yùn)行顯示面板圖21 電氣控制系統(tǒng)框圖根據(jù)城市供水電氣控制系統(tǒng)的功能要求，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面來(lái)考慮，選擇西門子S7-200系列PLC作為城市供水電氣控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。由于城市供水電氣控制子系統(tǒng)的輸入/輸出端口較少，而其控制過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，因此采用 CPU224作為該控制系統(tǒng)的主機(jī)。在系統(tǒng)中，還需要采集模擬量的功能要求，因此需要再擴(kuò)展一個(gè)模擬量輸入/輸出擴(kuò)展模塊。西門子公司專門為S7-200系列PLC配置了模擬量輸入/輸出模塊EM235，該模塊具有較高的分辨率和較強(qiáng)的

15、輸出驅(qū)動(dòng)能力，可以滿足控制系統(tǒng)的功能要求EM23實(shí)例圖實(shí)例圖CPU224二. PLC的I/O資源配置 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，PLC的I/O進(jìn)行配置，具體分配如下所示。 1、數(shù)字量輸入部分在此控制系統(tǒng)中，所有的輸入量基本上屬于數(shù)字量，主要包括各種控制按鈕/旋鈕等數(shù)字輸入，共15個(gè)數(shù)字輸入量，如表2.1所示。 2-1 數(shù)字輸入量地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備I0.0急停I1.02#泵變頻啟動(dòng)I0.1手動(dòng)啟動(dòng)I1.13#泵工頻啟動(dòng)I0.2自動(dòng)啟動(dòng)I1.23#泵變頻啟動(dòng)I0.3水池高位I1.3電機(jī)加速I0.4水池低位I1.4電機(jī)減速I0.51#泵工頻啟動(dòng)I1.5水池進(jìn)水閥門I0.61#泵變頻啟

16、動(dòng)I1.6變頻復(fù)位I0.72#泵工頻啟動(dòng)2、數(shù)字量輸出部分在這個(gè)控制系統(tǒng)中，主要輸出控制的設(shè)備有，各種接觸器、閥門等，共7個(gè)輸出點(diǎn)，其具體分配如表2-2所示表2-2 數(shù)字輸出量地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備Q0.01#泵工頻接觸器Q0.43#泵工頻接觸器Q0.11#泵變頻接觸器Q0.53#泵變頻接觸器Q0.22#泵工頻接觸器Q0.6水池閥門Q0.32#泵變頻接觸器3、模擬量輸入部分由于需要采集一個(gè)壓力傳感器所反饋數(shù)據(jù)，因此擴(kuò)展了一個(gè)模擬量輸入/輸出模塊，具體I/O分配如表2-3。 表2-3 模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設(shè)備AIWO壓力傳感器根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求、如表2-1、2-2

17、和2-3所示的I/O分配情況，以及圖2-6所示的城市供水系統(tǒng)的硬件連線圖，設(shè)計(jì)出城市供水系統(tǒng)的硬件連線圖，如圖2-6所示，此圖控制面板的手動(dòng)控制部分主要在調(diào)試系統(tǒng)時(shí)使用，調(diào)試完成后基本處于閑置狀態(tài)。3#泵變頻啟動(dòng)急停手動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)啟動(dòng)水池高位水池低位1#泵工頻啟動(dòng)1#泵變頻3#啟動(dòng) 2#泵工頻啟動(dòng)2#泵變頻啟動(dòng)3#泵工頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)加速電動(dòng)機(jī)減速水池進(jìn)水閥門變頻器復(fù)位1#泵工頻接觸器1#泵變頻接觸器2#工頻接觸器2#泵變頻接觸器3#泵工頻接觸器3#泵變頻接觸器水池閥門AIWO EM235圖2-6 系統(tǒng)硬件連線圖壓力傳感器PLC···數(shù)據(jù)線三. 其他資源配置要完成系統(tǒng)的

18、控制除了要PLC主機(jī)及擴(kuò)展模塊之外，還需要各種開關(guān)、接觸器和變頻器等儀器設(shè)備 1、接觸器 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，其中所有設(shè)備的運(yùn)行不是連續(xù)的，而是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或根據(jù)傳感器的反饋值進(jìn)行的，因此需要PLC根據(jù)當(dāng)前的工作情況，以及按鈕的情況來(lái)控制所有設(shè)備的啟停，共6個(gè)接觸器：1#泵工頻接觸器、2#泵工頻接觸器、3#泵工頻接觸器、1#泵變頻接觸器、2#泵變頻接觸器、3#泵變頻接觸器。 （1）1#泵工頻接觸器,1#泵工頻接觸器是連接1#到工頻電網(wǎng)的接觸器，通過(guò)PLC輸出的指令控制泵的工頻運(yùn)行或停止。（2）2#泵工頻接觸器,2#泵工頻接觸器是連接2#泵到工頻電網(wǎng)的接觸器，通過(guò)PLC輸出的指令控

19、制泵的工頻運(yùn)行或停止。（3）3#泵工頻接觸器，3#泵工頻接觸器是連接3#泵到工頻電網(wǎng)的接觸器，通過(guò)PLC輸出的指令控制泵的工頻運(yùn)行或停止。（4）1#泵變頻接觸器，1#泵變頻接觸器是連接1#泵到變頻器的接觸器，通過(guò)PLC輸出的指令控制泵的變頻運(yùn)行或停止。(5）2#泵變頻接觸器，2#泵變頻接觸器是連接2#泵到變頻器的接觸器，通過(guò)PLC輸出的指令控制泵的變頻運(yùn)行或停止。（6）3#泵變頻接觸器，3#泵變頻接觸器是連接3#泵到變頻器的接觸器，通過(guò)PLC輸出的指令控制泵的變頻運(yùn)行或停止。2、變頻器MM430變頻器一種風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載專用變頻器，能使用于各種變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，尤其使用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機(jī)，主要優(yōu)點(diǎn)

20、有以下幾個(gè)方面。1).體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。2).采用模塊化結(jié)構(gòu)，組織靈活。3).具有完善的電機(jī)和變頻保護(hù)功能。 4).具有較高的輸出轉(zhuǎn)矩。5).具有旁路功能，可安全的將電機(jī)直接切換為電源供電。6).具有節(jié)能功能，可最大限度節(jié)約能源。7).如果對(duì)水泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)可以無(wú)載空轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。8)組驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，可使變頻器在3組驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)下工作。9).復(fù)合制動(dòng)功能可實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。10).可設(shè)置跳轉(zhuǎn)頻率，可在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)諧振時(shí)將機(jī)械所受壓力降到最低。 11).再啟功能，可使變頻器與正在轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)連接時(shí)所受沖擊力最小。 12).變頻器根據(jù)PTC/KTY的輸入信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)高溫檢測(cè)，保護(hù)電機(jī)。13).可接入網(wǎng)絡(luò)中使

21、用。14).集成的EMC濾波器能有效降低對(duì)安裝工作的要求。3、各類按鈕在這個(gè)控制系統(tǒng)的自動(dòng)操作中，采用三種機(jī)械按鈕，控制供水系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行，手動(dòng)/自動(dòng)按鈕使用按鈕，即旋到一邊接通，旋到另一邊關(guān)閉；自動(dòng)啟動(dòng)按鈕采用觸點(diǎn)觸發(fā)式按鈕；急停按鈕使用旋轉(zhuǎn)復(fù)位按鈕，按下后系統(tǒng)停止，旋轉(zhuǎn)后自動(dòng)彈起。在手動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，對(duì)每個(gè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)一個(gè)按鈕，采用觸點(diǎn)觸發(fā)式按鈕，即按下接通，松開復(fù)位。4、人機(jī)界面該系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)采用西門子公司的TD200文本顯示器，該顯示器可適用所有S7-200系列的PLC，采用TD200主要完成以下功能：顯示信息；設(shè)定及修改控制系統(tǒng)的參數(shù)；8個(gè)可由用戶定義的功能鍵，可代替普通按鈕；提供強(qiáng)

22、制I/O檢測(cè)功能。TD200的連接很簡(jiǎn)單，只需在所提供的連接電纜接到S7-200系列PLC的PPI接口上即可，在距離不超過(guò)其規(guī)定范圍時(shí)，由PLC對(duì)其進(jìn)行供電。在編程時(shí)，可利用西門子公司提供的編程軟件STEP 7-Micro/WIN32，由于在CPU中已經(jīng)保留了一個(gè)專門的區(qū)域用于與TD200進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以只需要將顯示及修改的中間繼電器、寄存器等與文本顯示器相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行連接即可。5、傳感器傳感器的作用是將壓力、溫度等非電量的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)后，傳送到PLC主機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后,再通過(guò)通信傳給變頻器控制電機(jī)。第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用西門子公司為S7-200系列PLC開發(fā)的STEP

23、7-Micro/WIN32作為編程軟件，就可以開始軟件部分的設(shè)計(jì)，根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求和硬件部分的設(shè)計(jì)情況以及PLC控制系統(tǒng)I/O的分配情況，進(jìn)行軟件編程的設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中，首先按照需要實(shí)現(xiàn)的功能的要求做出流程框圖，也便于調(diào)試。開始自動(dòng)控制手動(dòng)控制圖3-1 模式選擇流程圖 自動(dòng)？一. 總體流程設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過(guò)程可分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制功能。在手動(dòng)控制模式下，每個(gè)設(shè)備可單獨(dú)運(yùn)行，以測(cè)試設(shè)備的性能，模式選擇流程圖如圖3-1。1、手動(dòng)模式下在手動(dòng)模式下可單獨(dú)調(diào)試每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，手動(dòng)操作模式工作流程圖如圖3-2。手動(dòng)控制1#泵工頻運(yùn)行1#泵變頻控制2#泵工頻運(yùn)行2#泵變頻控制3#泵工

24、頻運(yùn)行3#泵變頻控制圖3-2 手動(dòng)操作模式工作流程圖 2、自動(dòng)模式處于自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)，確認(rèn)后系統(tǒng)開始工作，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。（1）系統(tǒng)上電后，按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，檢測(cè)水池水位。（2）水位滿足，變頻啟動(dòng)1#泵，同時(shí)檢測(cè)管內(nèi)壓力。（3）管內(nèi)壓力大于設(shè)定值，水泵變頻調(diào)節(jié)；小于設(shè)定值，啟動(dòng)2#水泵。（4）管內(nèi)壓力大于設(shè)定值，維持現(xiàn)狀不變；小于設(shè)定值，2#水泵工頻啟動(dòng)，3#水泵變頻運(yùn)行。（5）管內(nèi)壓力大于設(shè)定值，維持現(xiàn)狀不變；小于設(shè)定值，3#水泵工頻運(yùn)行。（6）管內(nèi)壓力大于設(shè)定值，以次減少投入運(yùn)行水泵的數(shù)量。自動(dòng)操作工作模式流程圖3-3所示。在自動(dòng)控制工作流程圖中，調(diào)用了各

25、個(gè)控制系統(tǒng)的程序，主要包括水池水位檢測(cè)程序、1#泵控制程序、2#泵控制程序、3#泵控制程序，水池水位檢測(cè)程序主要控制進(jìn)水閥門的運(yùn)行和停止，其中工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。（1） 自動(dòng)過(guò)程開始啟動(dòng)進(jìn)水閥門，監(jiān)測(cè)水位高低。（2） 水位高于高位傳感器，啟動(dòng)定時(shí)3s。（3） 定時(shí)到，仍高于高位傳感器，停止進(jìn)水閥門運(yùn)行。（4） 水位處于高位和低位傳感器之間，進(jìn)水閥門正常運(yùn)行。（5） 水位低于低位傳感器，啟動(dòng)定時(shí)1s。（6） 定時(shí)到，啟動(dòng)進(jìn)水閥門，監(jiān)測(cè)水位高低。（7） 進(jìn)水閥門啟動(dòng)后，啟動(dòng)定時(shí)2s.（8） 定時(shí)到，水位仍低于低位傳感器，輸出故障標(biāo)志。自動(dòng)控制變頻啟動(dòng)1#水泵管內(nèi)水壓小于設(shè)定值？管內(nèi)水壓小于設(shè)

26、定值？管內(nèi)水壓小于設(shè)定值？管內(nèi)水壓小于設(shè)定值？管內(nèi)水壓小于設(shè)定值？管內(nèi)水壓小于設(shè)定值？變頻器啟動(dòng)2水泵1#、水泵工頻運(yùn)行變頻器啟動(dòng)3#泵1#、2#水泵工頻運(yùn)行1#、2#、3#水泵工頻運(yùn)行管內(nèi)水壓小于設(shè)定值？變頻啟動(dòng)2#水泵1#水泵停止運(yùn)行變頻器啟動(dòng)2#水泵1#水泵共工頻運(yùn)行3#水泵停止運(yùn)行NYNNYYYNNYYNN圖3-3 自動(dòng)操作模式工作流程圖 水池水位監(jiān)測(cè)工作流程如圖3-4所示。水池水位監(jiān)測(cè)水位高于高位傳感器？水池低于低位傳感器？進(jìn)水閥門運(yùn)行啟動(dòng)定時(shí)1s定時(shí)到？啟動(dòng)進(jìn)水閥門啟動(dòng)定時(shí)2s定時(shí)到？水位低于低于傳感器？進(jìn)水閥故障啟動(dòng)定時(shí)3s定時(shí)到？停止進(jìn)水閥門NYYYNNYYNNY圖3-4 水池

27、水位檢測(cè)工作流程圖 1#泵控制程序主要控制1#泵的運(yùn)行、停止和變頻調(diào)速，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面:（1） 自動(dòng)過(guò)程開始啟動(dòng)1#泵變頻運(yùn)行，監(jiān)測(cè)管內(nèi)壓力大小。（2） 反饋值小于設(shè)定值，啟動(dòng)定時(shí)5S。（3） 定時(shí)到，仍小于設(shè)定值，監(jiān)測(cè)變頻器的輸出頻率。（4） 變頻器輸出頻率為50Hz，切換1#泵工頻運(yùn)行，啟動(dòng)2#泵控制程序。1#泵控制程序如圖3-5。圖3-10水池水位監(jiān)測(cè)工作流程圖自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程1#電動(dòng)機(jī)變頻啟動(dòng).1#泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制起動(dòng)PID運(yùn)算反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值定時(shí)5s啟動(dòng)？延時(shí)到？反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值?變頻器輸出超過(guò)50Hz1#電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行2#電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制N Y N Y N N Y 圖3-5

28、1#泵控制流程圖2#控制程序主要控制2#泵的運(yùn)行、停止和變頻調(diào)速，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。(1).起動(dòng)2#泵變頻運(yùn)行，檢測(cè)管內(nèi)壓力大小。(2).反饋值小于設(shè)定值，啟動(dòng)定時(shí)5s。(3).定時(shí)到，仍小于設(shè)定值，檢測(cè)變頻器的輸出頻率。(4).變頻器輸出頻率大于50Hz。切換2#泵工頻運(yùn)行，起動(dòng)3#控制程序。(5).管內(nèi)壓力反饋值大于設(shè)定值，切除1#泵工頻運(yùn)行，維持2#泵變頻調(diào)速運(yùn)行。2#泵控制流程圖如圖3-6所示2#電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制2#變頻運(yùn)行啟動(dòng)PID運(yùn)算定時(shí)5s啟動(dòng)延時(shí)到？切除運(yùn)行于工頻的1#電動(dòng)機(jī)反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值變頻器輸出超過(guò)50Hz2#電動(dòng)機(jī)供品運(yùn)行3#電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制N Y Y N Y N

29、 Y 3-6 2#控制流程圖反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值3#電動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制3#變頻運(yùn)行啟動(dòng)PID運(yùn)算反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值?起動(dòng)定時(shí)5s延時(shí)？到？切除運(yùn)行于工頻的電動(dòng)機(jī)程序反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值變頻器輸出超過(guò)50Hz3#電動(dòng)機(jī)供品運(yùn)行Y N N Y N Y N Y 圖3-7 3#泵控制流程切除工頻運(yùn)行程序主要控制3個(gè)泵在工頻狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)，根據(jù)管內(nèi)壓力的反饋值，依次停止，其工作過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。（1） 切除1#泵工頻運(yùn)行，檢測(cè)管內(nèi)壓力大小。（2） 反饋值小于設(shè)定值，啟動(dòng)定時(shí)5s。（3） 定時(shí)到，仍小于設(shè)定值，啟動(dòng)2#泵控制程序。（4） 若大于設(shè)定值，切除2#泵工頻運(yùn)行，檢測(cè)管內(nèi)壓力大小。（5） 管內(nèi)壓力反饋值大于

30、設(shè)定值，啟動(dòng)3#泵控制程序。（6） 小于設(shè)定值，啟動(dòng)定時(shí)5s。（7） 定時(shí)到。仍小于設(shè)定值，啟動(dòng)1#泵控制程序。（8） 大于設(shè)定值，全部停機(jī)。切除工頻運(yùn)行泵工作流程如圖3-8所示。切除運(yùn)行于工頻的子程序切除運(yùn)行于工頻的1#電動(dòng)機(jī)其他狀態(tài)不變PID運(yùn)算反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值？定時(shí)5s啟動(dòng)定時(shí)到？反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值2#電動(dòng)機(jī)控制程序切除運(yùn)行于工頻的2#電動(dòng)機(jī)其他狀態(tài)不變PID運(yùn)算反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值？定時(shí)啟動(dòng)5s定時(shí)到？反饋值小于標(biāo)準(zhǔn)值啟動(dòng)1#電動(dòng)機(jī)控制程序3#電動(dòng)機(jī)控制程序全部停機(jī)定時(shí)到？NYNYNYYYYNN圖3-8二. 各個(gè)模塊梯形圖設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)程序過(guò)程中，會(huì)使用到許多寄存器、中間繼電器、定時(shí)器等軟件，為

31、了便于編程及修改，在各個(gè)程序編寫前列出了可能用到的軟元件如表3-5。表39 元件設(shè)置元件意義內(nèi)容備注M0.0系統(tǒng)停止標(biāo)志On有效M0.1手動(dòng)控制標(biāo)志On有效M0.2自動(dòng)控制啟動(dòng)標(biāo)志On有效M0.3進(jìn)水閥開啟標(biāo)志On有效M0.4水池故障標(biāo)志On有效M0.51#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志On有效M0.62#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志On有效M0.73#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志On有效M1.01#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志On有效M1.12#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志On有效M1.23#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志On有效M1.31#泵變頻到工頻切換標(biāo)志On有效M1.42#泵變頻到工頻切換標(biāo)志On有效M1.53#泵變頻到工頻切換標(biāo)志On有效M2.0斷開1#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志

32、On有效M2.1斷開2#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志On有效M2.2斷開3#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志On有效M3.0USSINIT指令完成標(biāo)志On有效M3.1確認(rèn)變頻的響應(yīng)標(biāo)志On有效M3.2指示變頻的運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志On為運(yùn)行，off為停止M3.3指示變頻的運(yùn)行方位的標(biāo)志On為逆時(shí)針，off為順時(shí)針M3.4指示變頻上的禁止位狀態(tài)標(biāo)志On為被禁止，off為不禁止M3.5指示變頻器故障位狀態(tài)標(biāo)志On位故障，off位無(wú)故障T37水池水位高于高位傳感器定時(shí)30030sT38水池水位低于低位傳感器定時(shí)10010sT39進(jìn)水閥啟動(dòng)后定時(shí)20020sT40管內(nèi)測(cè)量防波動(dòng)定時(shí)505sT41管內(nèi)測(cè)量防波動(dòng)定時(shí)505sT42管內(nèi)測(cè)量防波

33、動(dòng)定時(shí)505sVD10手動(dòng)變頻器速度寄存器VD20自動(dòng)1#泵速度寄存器VD30自動(dòng)2#泵速度寄存器VD40自動(dòng)3#泵速度寄存器VD50自動(dòng)變頻器速度寄存器VD100壓力傳感器標(biāo)準(zhǔn)值寄存器VD102壓力傳感器反饋值寄存器VD104變頻器50Hz標(biāo)準(zhǔn)值寄存器VD200USSINIT指令執(zhí)行結(jié)果VD202USSCTRL錯(cuò)誤狀態(tài)字節(jié)VD204變頻器返回的狀態(tài)字原始值VD206全速百分值的變頻速度-200%200%LD I0.1 手動(dòng)按鈕O M0.1 AN M0.0 停止標(biāo)志AN M0.4 水池故障標(biāo)志= M0.1 手動(dòng)控制標(biāo)志LD M0.1LPSLD I0.5 1#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志O M0.5ALD A

34、N I0.6 1#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志= M0.5 1#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志LDR LD I0.6 1#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志O M1.0 ALD AN I0.5= M1.0 1#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志LRD LD I0.7 2#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志O M0.6ALD AN I1.0 2#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志= M0.6 2#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志LRD LD I1.0 2#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志O M1.1ALDAN I0.7 2#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志= M1.1 2#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志LRDLD I1.1 3#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志O M0.7ALDA SM0.5 EU+R 5.0,VD10 變頻器輸出速度增加5%LPPA I1.4 電動(dòng)機(jī)減速按鈕A SM0.5

35、EU-R 5.0,VD10 變頻器輸出速度減少5%AN I1.1 3#泵工頻運(yùn)行按鈕= M1.2 3#泵變頻運(yùn)行標(biāo)志LD M0.1LD M1.0O M1.1O M1.2 ALDLPSA I1.3 電動(dòng)機(jī)加速按鈕圖39 手動(dòng)控制梯形圖程序1.手動(dòng)控制程序在系統(tǒng)上電后，控制方式選擇手動(dòng)方式時(shí)，可通過(guò)面板上的按鈕控制每個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。手動(dòng)控制系統(tǒng)主要是便于在系統(tǒng)完成后，進(jìn)行調(diào)試，檢測(cè)各個(gè)設(shè)備是否正常運(yùn)行，手動(dòng)控制梯形圖程序如圖3-15與圖3-15所示的梯形圖程序?qū)?yīng)的語(yǔ)句表程序如圖示。手動(dòng)模式的設(shè)置主要是為了方便系統(tǒng)的調(diào)試和維修工作，在調(diào)試時(shí)，可以對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，最后整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。在維修時(shí)，

36、如果系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，也可采用手動(dòng)方式進(jìn)行檢查，便于維修。2、自動(dòng)控制程序在生產(chǎn)中，大多采用自動(dòng)過(guò)程進(jìn)行控制，系統(tǒng)通過(guò)傳感器的反饋信號(hào)來(lái)控制設(shè)備的啟動(dòng)和停止，以及調(diào)速控制，如圖3-10。與圖3-10所示的梯形圖程序?qū)?yīng)的語(yǔ)句表程序如下：圖310 自動(dòng)控制梯形圖程序LD I0.2 自動(dòng)控制標(biāo)志O M0.2 AN M0.0 停止標(biāo)志AN 0.4 水池故障標(biāo)志= M0.2 自動(dòng)控制標(biāo)志LD I0.0 停止按鈕= M0.01、功能程序A T38O M0.3 開啟進(jìn)水閥門AN T37AN M0.0AN M0.4= M0.3TON T39,200 進(jìn)水閥門開啟后，定時(shí)2sLD M0.3A T39A

37、N I0.4= M0.4 定時(shí)到，輸出故障標(biāo)志水位檢測(cè)程序，完成對(duì)水池中水位的檢測(cè)，控制系統(tǒng)的運(yùn)行與停止，如圖3-17。LD SM0.1O M0.3AN T37AN M0.0AN M0.4= M0.3LD SM0.0A I0.3 水池高位TON T37,300 超過(guò)高位定時(shí)LD SM0.0AN I0.4 水池低位TON T38,100 低于低位定時(shí)LD SM0.0圖3-17水位檢測(cè)梯形圖程序圖311 自動(dòng)控制梯形圖程序1#泵控制程序，完成對(duì)1#的控制，其控制梯形圖如圖3-18，與圖3-18所示的梯形圖程序?qū)?yīng)的語(yǔ)句表程序如下： LD M0.2EU O M1.0CALL SBR0 調(diào)用PID回路

38、子程序CALL SBR1 調(diào)用產(chǎn)生中斷子程序AN M0.0AN M0.4AN M1.3 1#泵變頻到工頻切換標(biāo)志= M1.0 1#運(yùn)行標(biāo)志LD M0.2A M1.0AR< VD102,VD100 管內(nèi)壓力小于設(shè)定值A(chǔ)R= VD20,VD104 變頻器速度達(dá)到100%TON T40,50 定時(shí)器啟動(dòng)LD M0.2A M0.1AR< VD102,VD100AR= VD20, VD104A T40 = M1.3 定時(shí)到，輸出1#泵切換至工頻運(yùn)行LD M0.2A M1.3O M0.5AN M0.0AN M0.4AN M0.2= M0.5 1#工頻運(yùn)行標(biāo)志圖3-18 1#泵控制梯形圖程序圖3

39、-18 1#泵控制梯形圖程序2#泵控制程序，完成對(duì)2#的控制，其控制梯形圖如圖3-19，與圖3-19所示的梯形圖程序所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句表程序如下LD M0.2A M0.5EUO M1.1AN M0.0AN M0.4AN M1.4= M1.1 2#變頻器運(yùn)行標(biāo)志LD M0.2A M1.1AR< VD102.VD100 管內(nèi)壓力小于設(shè)定值A(chǔ)R= VD30,VD104 變頻器速度達(dá)到100%TON T41,50 定時(shí)器啟動(dòng)LD M0.2A T41AR< VD102,VD100 AR= VD30,VD104 A T41 = M1.4 2#泵切換工頻運(yùn)行標(biāo)志LD M0.2AM 1.4O M0.6AN M0.0AN M0.4AN M2.1= M0.6 2#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志LD M0.2A M1.1A M0.5AR> VD102,VD100= M2.0圖3-19 2#泵控制梯形圖程序3#泵控制程序，完成對(duì)3#泵的控制，如圖3-20所示。圖3-20 3#泵控制梯形圖程序與圖3-20所示的梯形圖程序所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)句表程序如下：AN M0.0AN M0.4AN M2.2= M0.7 3#泵工頻運(yùn)行標(biāo)志LD M0.2 A M1.2A M0.6AR> VD102,VD100 管內(nèi)壓力大于設(shè)定值= M2.1 切