【基于西門子PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)控制的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例5200字】

基于西門子PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)控制的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u80221系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 1146871.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 1174131.1.1PLC及其擴(kuò)展模塊的選型 299831.1.2變頻器的選型 235181.1.3水泵機(jī)組的選型 384881.1.4壓力變送器的選型 3276241.1.5液位變送器選型 3104631.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 4219541.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 4126591.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖 636512系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 790452.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 7123022.2PLC程序設(shè)計(jì) 8314342.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì) 1125112.3PID控制器參數(shù)整定 1423742.1.1PID控制及其控制算法 14222072.1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型 15221172.1.3PID參數(shù)整定 151系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖1.1所示：圖1.1系統(tǒng)的電氣控制總框圖從以上系統(tǒng)的電氣框圖可以看出，系統(tǒng)的主要硬件裝置必須包括（1）PLC及擴(kuò)展模塊、（2）轉(zhuǎn)換器、（3）泵單元、（4）壓力發(fā)射器、（5）液位發(fā)射器。主要設(shè)備選型如表1.1所示：表1.1本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號(hào)及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）SiemensCPU226模擬量擴(kuò)展模塊SiemensEM235變頻器SiemensMM440水泵機(jī)組SFL系列水泵3臺(tái)（上海熊貓機(jī)械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)1.1.1PLC及其擴(kuò)展模塊的選型PLC是恒常頻率變換控制系統(tǒng)的核心，需要采集所有輸入數(shù)字，控制所有生產(chǎn)單元，實(shí)現(xiàn)恒壓，完成外部數(shù)據(jù)的交換，因此選擇PLC時(shí)要考慮指令的執(zhí)行速度。由于自動(dòng)控制系統(tǒng)的恒壓供水量比較小，指令豐富，存儲(chǔ)空間大，通信接口和協(xié)議豐富。擴(kuò)展模塊容量大，編程軟件方便，PLC選擇西門子S7-200使用。S7-200結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，通信命令豐富，通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，與控制器連接，監(jiān)視自動(dòng)控制系統(tǒng)。PLC與上級(jí)機(jī)的通信采用PC電纜/PPI，采用支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口協(xié)議（PPI），PC電纜/PPI可簡(jiǎn)單地從PLC通信接口RS485轉(zhuǎn)換為RS232cc的通信接口。必須根據(jù)控制系統(tǒng)所需的實(shí)際端子數(shù)，考慮PLC端子數(shù)預(yù)先決定。PLCS7-200的主模塊是cpu226，其開關(guān)量為16點(diǎn)，輸出模塊是繼電器AC220V的輸出，cpu226的開關(guān)量輸入是24點(diǎn)，輸入模塊是輸入+24VDC。實(shí)際上需要模擬輸入點(diǎn)和模擬輸出點(diǎn)。EM235被選擇為具有四個(gè)模擬輸入（AIW）和模擬信號(hào)信道（aqw）的擴(kuò)展模塊。輸入信號(hào)和輸出信號(hào)連接到a口后，a/D轉(zhuǎn)換會(huì)自動(dòng)完成，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號(hào)。輸出信號(hào)連接到a口時(shí)，D/1轉(zhuǎn)換自動(dòng)完成，將16位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。EM235模塊可以使用基于多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的微開關(guān)來(lái)設(shè)置。1.1.2變頻器的選型逆變器是系統(tǒng)控制致動(dòng)器的硬件。變換頻率調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變水的輸出，頻率轉(zhuǎn)換器的選擇必須根據(jù)泵的電力和電流來(lái)決定，頻率轉(zhuǎn)換器還應(yīng)該具有通信功能。根據(jù)控制功能，一般的頻率轉(zhuǎn)換器分為三種類型。一般的U/F控制逆變器功能，高性能U/F控制轉(zhuǎn)換器，扭矩控制功能和高矢量功能轉(zhuǎn)換器，供水系統(tǒng)泵負(fù)荷，低速時(shí)扭矩小?？梢赃x擇相對(duì)便宜的U/F控制逆變器。本項(xiàng)目的PLC選擇了西門子S7-200的機(jī)型，為了方便PLC和頻率轉(zhuǎn)換器之間的通信，使用西門子。由微處理器控制的三級(jí)交流引擎的轉(zhuǎn)速系列產(chǎn)品。采用分離門雙極晶體管作為能量功能，流量控制可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，高個(gè)子可以在低頻下輸出，微主440的逆變器的輸出為0.75~90kw。1.1.3水泵機(jī)組的選型（75kW發(fā)動(dòng)機(jī)功率）系列泵3臺(tái)。生活供水泵的低噪音SFL外殼，棒采用不銹鋼，主軸。本項(xiàng)目使用上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的3臺(tái)75kW發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力SFL系列泵。1.1.4壓力變送器的選型當(dāng)運(yùn)行中壓力傳感器和壓力發(fā)射器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可以打開所有泵。為了防止因爆炸管道和超高水壓而造成的室內(nèi)水設(shè)備（熱水器、廁所等）損傷，本表的供水系統(tǒng)采用PLC數(shù)字輸入等電極點(diǎn)壓力表的上部輸出，當(dāng)壓力超過(guò)上限時(shí)，停止所有泵應(yīng)該發(fā)出警報(bào)輸出[13]。通過(guò)以上分析，使用xml-170數(shù)字工具和普通y-100壓力計(jì)實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)、顯示和傳輸，壓力計(jì)的測(cè)量范圍為0~1MPa，精度為1.0。數(shù)字顯示工具產(chǎn)生發(fā)送到連接到cpu226的模擬模塊EM235的4到20mA的電流信道。1.1.5液位變送器選型（4~20mA信號(hào)電壓）需要插入窗口的比較器，利用比較器的高水位輸出成為罐的水位的警報(bào)信號(hào)，輸入到PLC。綜合以上因素：本項(xiàng)目使用淄博丹佛公司生產(chǎn)的ds26分體式液位轉(zhuǎn)換器，測(cè)定范圍為0m~200m，適合水箱、深井等液位的測(cè)量。零和全刻度應(yīng)該可以外部調(diào)整。食物：24VDC；輸出信號(hào)：2線制4~20mADC，精度等級(jí)：0.25級(jí)。1.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)為了不讓一臺(tái)泵的工作時(shí)間變長(zhǎng)，而具備了“裝泵功能”。只有一個(gè)泵可以同時(shí)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換工作，但是三個(gè)泵可以在不同的時(shí)間進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換工作。圖1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三保險(xiǎn)絲在連接電源的同時(shí)提供短路。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入頻率電路時(shí)，請(qǐng)先切斷反相器電路的接觸器。同樣，從頻率切換到頻率轉(zhuǎn)換器時(shí)，在連接反相器輸出開關(guān)之前，請(qǐng)切斷頻率開關(guān)。通過(guò)電流傳感器和發(fā)射器向上級(jí)機(jī)發(fā)送4～20mA的電流信號(hào)，顯示主電路的電流。電路電壓用與電壓表連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)顯示。相同電壓計(jì)通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)顯示不同相位之間的線路電壓。仔細(xì)觀察引擎的旋轉(zhuǎn)方向，使其符合要求。必須使用自動(dòng)變壓器啟動(dòng)或軟啟動(dòng)來(lái)減少電流。1.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)完成了以下功能。自動(dòng)控制3臺(tái)泵的投入運(yùn)行。需要顯示完整的警報(bào)功能和運(yùn)行狀態(tài)。圖1.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖電源泵發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止，按下SB1，KM1線圈即接通。通常閉合的km2觸點(diǎn)與電路連接，因此常開的KM1觸點(diǎn)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖定功能。M1發(fā)動(dòng)機(jī)在頻率以下穩(wěn)定運(yùn)行。只需按下SB2，電路就中斷，按Sb4和S6時(shí)，m2和M3發(fā)動(dòng)機(jī)將停止。（2）自動(dòng)控制：通常情況下，頻率轉(zhuǎn)換器恒壓供水系統(tǒng)自動(dòng)工作，當(dāng)兩個(gè)端子轉(zhuǎn)動(dòng)SPDT開關(guān)SA時(shí)，自動(dòng)控制模式啟動(dòng)，自動(dòng)控制的工業(yè)情況由PLC控制，Q0.0輸出1-655。頻率轉(zhuǎn)換泵運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)，Q0.1輸出1-655泵頻率轉(zhuǎn)換信號(hào)。當(dāng)q0.0結(jié)束1時(shí)，KML線圈激活，1-655HL1泵的工作頻率指示符打開，并且KML觸點(diǎn)總是斷開，從而形成KM1和km2的電互鎖。當(dāng)q0.1退出1時(shí)，km2線圈打開，1655泵的頻率轉(zhuǎn)換燈HL2點(diǎn)亮，總是切斷km2觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)km2和KML電的聯(lián)動(dòng)，相同2655和3-655；泵的控制原理相同，q1.1退出1時(shí)，池水位的上下限HL7警報(bào)燈亮。q1.2退出1后，逆變器警報(bào)燈亮燈。退出1點(diǎn)，HL9天的供水指示燈亮燈。q1.4結(jié)束后，響鈴。當(dāng)q1.5退出1時(shí)，KA中間繼電器線圈開關(guān)，并且KA觸點(diǎn)總是閉合，并且逆變器頻率復(fù)位。在自動(dòng)控制狀態(tài)下，hl10電源燈始終處于活動(dòng)狀態(tài)。1.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的頻率轉(zhuǎn)換恒壓供水系統(tǒng)的基本要求如下：。（1）由于晝夜用水量差異明顯，本項(xiàng)目采用晝夜兩種供水方式，兩種供表1.2輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)供水模式信號(hào)(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號(hào)SLHLI0.1變頻器報(bào)警信號(hào)SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q1.2白天模式運(yùn)行指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號(hào)UfAQW0圖1.4PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖超過(guò)上限和下限時(shí)，窗口與高級(jí)別1相比發(fā)送給i0.1。逆變器故障輸出的目的是連接PLC的i0.2，作為逆變器故障警報(bào)信號(hào)。2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析說(shuō)明一下。為了評(píng)價(jià)頻率變換器的頻率是否達(dá)到上限，需要對(duì)頻率變動(dòng)導(dǎo)致的頻率達(dá)到上限時(shí)進(jìn)行濾波。（2）多泵站泵單元管理規(guī)范頻率轉(zhuǎn)換泵確認(rèn)了各啟動(dòng)的引擎容易啟動(dòng)，各泵交替使用，所以多泵組的泵，泵組的運(yùn)轉(zhuǎn)需要管理基準(zhǔn)。有要求泵的頻率不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。具體操作是，逆變器的電流操作從頻率變換器與頻率操作連接，頻率變換器被復(fù)位，將頻率轉(zhuǎn)換泵的總臺(tái)數(shù)和泵的臺(tái)數(shù)組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換泵的旋轉(zhuǎn)。（3）方案的結(jié)構(gòu)和方案功能的執(zhí)行情況主程序中泵開關(guān)信號(hào)的產(chǎn)生、輸出、輸出等大部分功能是泵接觸器的邏輯控制信號(hào)的合成和警報(bào)處理。白天和晚上的模式所給予的壓力值是不同的。兩個(gè)定壓值直接用數(shù)字設(shè)定為程序。白天模式的系統(tǒng)設(shè)定值為90%的比例，夜間模式的系統(tǒng)設(shè)定值為70%的比例。程序中使用的PLC元件及其功能如表2.1所示。表2.1程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制VD104壓力給定值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD108PID計(jì)算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD112比例系數(shù)KcM0.1水泵變頻啟動(dòng)脈沖(增泵)VD116采樣時(shí)間TsM0.2水泵變頻啟動(dòng)脈沖(減泵)VD120積分時(shí)間TiM0.3倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD124微分時(shí)間TdM0.4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖VD204變頻運(yùn)行頻率下限值M0.5當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖VD208變頻運(yùn)行頻率上限值M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VD250PID調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元M2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號(hào)M2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB301工頻運(yùn)行泵的總臺(tái)數(shù)M2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD310變頻運(yùn)行時(shí)間存儲(chǔ)器M1.0故障信號(hào)匯總T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M1.1水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制2.2PLC程序設(shè)計(jì)PLC控制程序由西門子提供的phase7-microwin-v40編程軟件開發(fā)，SIMPATIC軟件指令組包括三種語(yǔ)言，即聲明列表語(yǔ)言（STL），比例圖（LAD）包括語(yǔ)言，功能框圖（FWD）包括語(yǔ)言[14]。最接近中繼控制系統(tǒng)的電控制原理圖。與。（1）系統(tǒng)初始化程序系統(tǒng)開始動(dòng)作時(shí)，需要初始化整個(gè)系統(tǒng)。即系統(tǒng)開始動(dòng)作時(shí)，首先檢測(cè)系統(tǒng)各部分的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。如果發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)發(fā)生警報(bào)。然后，設(shè)定頻率轉(zhuǎn)換器的頻率轉(zhuǎn)換功能的上下限和PID控制參數(shù)，給出一定的初始值，在初始化子例程的末尾切斷連接，系統(tǒng)的初始化通過(guò)調(diào)用主程序的子例程來(lái)進(jìn)行初始化后需要設(shè)定規(guī)定的水壓值，設(shè)定2個(gè)日/夜的供水方式的頻率轉(zhuǎn)換泵頻率和頻率泵數(shù)。（2）決定泵增減及操作規(guī)程如果PID調(diào)節(jié)結(jié)果大于頻率轉(zhuǎn)換操作的上限頻率（或低于下變頻操作的下限頻率），則如果泵永久操作，則計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)5min（除去水壓波動(dòng)的干擾），然后將頻率泵的個(gè)數(shù)加（或減），生成對(duì)應(yīng)的頻率泵脈沖信號(hào)。（3）泵的軟啟動(dòng)方案增加或減少泵，或反轉(zhuǎn)泵，為了準(zhǔn)備穩(wěn)定的啟動(dòng)，將變頻器復(fù)位。同時(shí)，頻率轉(zhuǎn)換泵的編號(hào)加1，產(chǎn)生當(dāng)前的泵點(diǎn)火頻率的（4）各泵的頻率轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯控制程序各泵的頻率轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)的控制邏輯基本上相同。現(xiàn)在只以一臺(tái)泵為例進(jìn)行說(shuō)明。發(fā)生泵1啟動(dòng)脈沖信號(hào)的故障取消信號(hào)或頻率轉(zhuǎn)換信號(hào)，系統(tǒng)無(wú)故障，無(wú)復(fù)位，泵1頻率轉(zhuǎn)換信號(hào)和泵1不工作。q0.1設(shè)置為1，始終閉合k2觸點(diǎn)，將頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為泵頻率。km2即使經(jīng)常打開接點(diǎn)也可以自動(dòng)鎖定。頻率在0或3’35；由于泵處于頻率變換狀態(tài)，頻率功率泵的個(gè)數(shù)大于1，所以q0.0設(shè)定為1，KML線圈通電，始終限制開啟觸點(diǎn)。泵的頻率起作用，KML1接點(diǎn)是常閉接觸點(diǎn)，防止k2活性化，頻率變換和頻率之間可以得到良好的電聯(lián)鎖。KM1常開觸點(diǎn)也可達(dá)到自動(dòng)鎖定功能。（6）警報(bào)和問(wèn)題解決步驟系統(tǒng)包含水位限制警報(bào)燈、頻率變換器的錯(cuò)誤警報(bào)燈、白天模式運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈和警報(bào)鈴，發(fā)生故障信號(hào)時(shí)相應(yīng)的燈熄滅。一按照明測(cè)試按鈕，指示燈就一直亮著。發(fā)生故障后，頻率轉(zhuǎn)換泵頻率和頻率泵頻率復(fù)位，故障后會(huì)發(fā)生故障停止信號(hào)。恒頻供水系統(tǒng)的主要轉(zhuǎn)換程序比比例圖復(fù)雜，對(duì)所有繪制都不方便。這里只描繪了控制過(guò)程的流程圖。主程序的詳細(xì)比例圖請(qǐng)參照附錄C。（2）泵的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)必須根據(jù)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況增減。（3）頻率轉(zhuǎn)換泵的數(shù)量必須通過(guò)泵的增加和泵的反轉(zhuǎn)來(lái)確定。（4）每臺(tái)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)由頻率轉(zhuǎn)換泵的臺(tái)數(shù)和頻率轉(zhuǎn)換泵的臺(tái)數(shù)來(lái)控制。（5）警告和故障問(wèn)題處理。圖2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖圖2.22#泵變頻運(yùn)行控制流程圖圖2.32#泵工頻運(yùn)行控制流程圖2.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)圖2.4初始化子程序SBR_0梯形圖(2)PID控制中斷子程序圖2.5PID控制中斷子程序INT_0梯形圖2.3PID控制器參數(shù)整定2.1.1PID控制及其控制算法PID控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)[15]：（2.1）圖2.6PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為：（2.2）（2.3）控制PID控制器的各連接的功能和規(guī)則（2.4）式中：T為采樣周期；n為采樣序號(hào)；e(n)為第n時(shí)刻的偏差信號(hào)；e(nl)為第n1時(shí)刻的偏差信號(hào)。實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為：（2.5）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。2.1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成[16]：