毕业设计（论文）-基于PLC控制的双恒压供水水泵站系统设计.doc

南京理工大学紫金学院 毕业设计说明书(论文) 作作 者者: 学学 号：号： 系系：电子工程与光电技术系 专专 业业:电气工程及自动化 题题 目目:基于 PLC 控制的双恒压供水 水泵站系统的设计 指导者：指导者： (姓 名) (专业技术职务) 评阅者：评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2016 年 5 月 讲师 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计（论文）评语 学生姓名： 班级、学号： 题 目：基于 PLC 控制的双恒压供水水泵站系统设计 综合成绩： 指导者评语： 课题工作进度计划完成毕业设计的每一步工作。该同学掌握了双 恒压供水水泵系统的工作原理，利用 PLC 进行了软件的设计和调试， 最后运用组态王完成了双恒压供水水泵系的界面和动画设计，实现了 以组态王为上位机的实时监控运行状态的监控系统。该论文语句通顺， 书写和图表符合论文书写规范，完成了毕业设计任务书的要求，可以 提交答辩。 建议评定成绩：良好 指导者(签字)： 年 月 日 毕业设计（论文）评语 评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日 答辩委员会（小组）评语： 答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 本设计是以 PLC 为核心的由三台水泵组成的基于生活、消防的双恒压无水塔 供水水泵站控制系统。通过采集外部信号送入 PLC 中，并由 PLC 控制变频器，进 而控制水泵电机来实现水泵站的恒压控制。系统具有报警功能，当水位低于水位 下限时，水泵自动运行并发出欠水位报警。当水位高于水位上限时，过一段时间 后发出过水位警报；当水位低于水位上限时，一段时间后过水位警报取消。同时 利用组态软件设计了人机界面，实现了 PLC 与组态王的双向通信，可以实时监控 现场状态，及时处理现场情况。 关键词 PLC 组态王 变频调速 恒压供水 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要 TitleTitle Double constant pressure water supply pumping station system design based on PLC control AbstractAbstract The design is about a double constant pressure water pump station control system consists of three pumps with PLC as the core based on living and fire fighting without water towers supply. By sent the collected external signal to the PLC ,and the frequency converter is controlled by the PLC, and then control the Water pump motor to achieve constant pressure control of water pumping stations. The system has alarm function, when the water level below the water level lower limit, Water pump automatically run and low water level warning. When the water level is above the water level limit, it will arise the water level alarm over a period of time afterwards; When the water level below the water level limit, the water level alarm will be cancelled after a period of time. At the same time using the configuration software to design the man-machine interface, realized the two-way communication between PLC and the Kingview, can monitoring the scene at real-time, and timely processing the field. Keywords PLC KingView frequency control Constant pressure water supply 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 I 页 共页 目 次 1 绪论 .1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 国内外变频调速技术的发展与现状.2 1.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状.3 2 系统总体设计方案 .4 2.1 供水系统工作原理.5 2.2 双恒压供水水泵站系统的工作原理.6 3 系统硬件设计 .8 3.1 硬件的选型.8 3.2 PLC 的硬件接线设计 .12 3.3 电机的外部接线设计.13 3.4 变频器的外部接线图.14 4. 系统的软件设计 .15 4.1 PLC 软件简介及设计方法.15 4.2 系统的软件设计.15 5. 组态王监控基面的设计 .21 5.1 组态王软件简介.21 5.2 组态王界面设计.22 5.3 组态王与 PLC 的通信.29 5.4 组态王与 PLC 的联调.36 结论 .38 致 谢 .39 参考文献 .40 附录 A.41 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 1 页 共 48 页 1 1 绪论绪论 随着经济的不断发展，近年来国内很多高楼大厦林立的同时。城市高层建筑的 供水问题变成了一个备受关注的话题。双恒压无塔供水水泵站系统的提出，迅速成 为了这个话题的关注焦点，如何能建立一个完善的双恒压供水系统呢？这就是我们 研究的课题。 1.11.1 课题背景及意义课题背景及意义 我们都知道水在人类生活、生产中的重要意义。对于发展迅速的中国来说，如 何更好地进行高楼供水已经成为了时代的主题，一个高度自动化的供水系统的出现 更加迫切。特别是进入 21 世纪以来，随着各种经济迅速发展，住房小区多以高楼的 形式出现，小区的供水方式，成了人们关注的话题。如何设计一个的可靠、稳定、 经济的供水系统，成为了我们的工作重点。 近年来，通过对传统的小区供水方式的分析发现，传统的供水方式大概分为以 下几种：恒速泵加压供水、高位水塔供水、气压罐加压供水、液力耦合器和电池滑 差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下1： l、恒速泵加压供水方式不能对供水管压做出及时有效的反应，水泵的增减都需 要人工进行手工操作，自动化水平低下。而且为保证持续稳定供水，水泵机组常处 于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压 运行状态，损坏现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 2、高位水塔供水具有控制方式简单、运行经济合理、维修方便，快捷或在停电 情况下仍可继续供水等优点。但存在基础建设投资大，占地面积大，维护不方便， 水泵电机为硬起动，启动电流过大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用 于高层建筑。 3、气压罐加压供水有着简单，灵活，体积小等优点，但是这种方案可调节的用 水量很小、而且水泵要具有适应频繁硬启动的能力，对其他设备的要求也比较高， 而且维护工作不方便，浪费大量资源。不利于当前节能减排。 4、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低， 改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维 修方便。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 2 页 共 48 页 5、单片机变频调速供水系统也是目前常用的变频调速方案之一，自动化程度等 方面也都不错，但是系统开发周期比较长，而且不易于操作，必须专业人士才可以， 浪费人力，而且可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 上述传统的供水方式，在人力、物力，都有不同程度的浪费。而且经济效果不 好安全可靠性差；自动化程度低等缺点。对于目前节能减排的政策不相适应。但是， 这些缺点在应用上 PLC 以后就可以大量的避免了。生活用水的恒压供水系统中，通 过变频调速来控制水泵，维持恒压，节能效果很好，其优点主要体现在一下几个方 面：一节约大量能源；二是使用软启动，减少系统对电机和电网的破坏；三是安全 可靠，环保2。 PLC 变频恒压供水系统将变频技术、电气技术、现代控制技术有机的结合到一起。 该系统可以提高供水系统的稳定性、可靠性，同时系统具有良好的节能环保等性能， 在这个节能环保的大环境下，更有利于它的发展和应用。因此，研发改进此系统， 对于提高企业效率和改善人民的生活水平、提高人们生活质量。减小能耗等方面具 有的不可忽视的现实意义。 1.21.2 国内外变频调速技术的发展与现状国内外变频调速技术的发展与现状 变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控 制理论的发展。1964 年，最先提出把通信技术中的脉宽调制技术应用到交流传动中 的是德国人。20 世纪 80 年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。 从 20 世纪 80 年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于 VVVF 技术的通用 变频器已商品化并广泛应用。1980 年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取 得了进展，促进了矢量控制的实用化。1985 年，德国人提出了基于六边形乃至圆形 磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC)。1995 年，ABB 公司首先推出的直接转矩控制通 用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。 综上所述：国外在交流变频调速技术的发展方面特点主要包括以下几点：第一； 市场需求量大；第二，各硬件发展迅速，特别是功率器的发展；第三相应的理论也 发展迅速，主要是控制理论和微电子技术。 变频器的发展水平是由电力电子技术、电机控制方式以及自动化控制水平三个 方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专 家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；16 位、 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 3 页 共 48 页 32 位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，则 为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段3。 在我国，60的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技术 进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。我国电气 传动产业始于 1954 年。现在，我国约有 200 家左右的公司、工厂和研究所从事变频 调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比， 还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发 达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中 采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很 好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。 总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、 生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技 术产业状况表现如下4： 1)变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变 频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。 2)变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。 3)相关配套产业及行业落后。 4)产品可靠性及工艺水平低。 1.31.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水系统的国内外研究现状 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。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、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。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著 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 Samco 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，通过设置基于 PLC 的变频恒压供水系统的设计 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 4 页 共 48 页 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5。 就目前而言，国内很多公司在做变频恒压供水的项目，大多数公司采用国外的 变频器控制水泵的转速、水箱压力的形成的闭环调节系统。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、抗干扰性能等多方面的综合技术指标来说，还远远达不到所有 用户的需求。当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 不同的用水场合的供水需求的研究还远远不够。因此，还需要进一步研究改进变频 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6。 2 2 系统总体设计方案系统总体设计方案 根据设计要求，对整个系统的功能和性能进行了详细分析。对基于 PLC 的双恒 压无塔供水水泵站系统涉及到水压和水泵的控制，做了总体的规划。根据安全性原 则，设计了具有报警功能和动态实时监控的功能。系统整体功能模块图如图 2.1 所 示。 PLC 西门子S7-200 人机监控 界面 报警信号 输出 水泵机组 图 2.1 系统总模块图 从以上功能模块图可以看出根据整体规划，恒压控制系统以 PLC 为核心，对 水压、水泵进行控制和对系统故障进行监测。整个系统最顶层设计就如图 1.1 所 示，根据任务要求，水泵组的开环控制系统中涉及到对水压力的测量、水压的实 时显示和对水压的控制；人机监控模块主要功能就是对运行的水泵，和水压持续 有效的动态监测，能及时准确的将信息传达到 PLC，以便 PLC 对相关处理。警报系 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 5 页 共 48 页 统模块主要功能：当系统发生故障时，的将系统故障显示出来，便于工作人员发 现并及时的维护，将损失最小化。系统最顶层的设计完成后，下面依据顶层设计 中每个模块的具体功能对其再进行更细致的分层设计。 2.12.1 供水系统工作原理供水系统工作原理 如图 2.2 所示，小区用高低水位控制器 EQ 控制水网总开关 YV1，当水位低于水 箱下限时，自动向水箱注水。若水箱的水位高于上限水位时 ，经一段时间延时后， 关闭总开关 YV1，直到水位低于水位上限一段时间后，才打开总开关 YV1 继续注水。 低于水位下限和超过水位上限时，系统都会发出报警。为了保证供水时水压的稳定， 将水位上传感器和下限传感器之间的距离设计的很小。此供水系统由三台水泵组成， 生活用水管道接通，消防管道关闭。三台水泵用低恒压状态为生活用水供给，按照 一定的逻辑顺序供水。如果突然发生火灾，消防用水管道接通，并且三台水泵供水 同时运行供水。此时为高恒压状态，此时生活用水的减压阀控制开始工作。提高消 防用水的水压，减小生活用水的水压。火灾结束后，三台水泵继续为生活供水。如 表 2.1 图 2.2 所示。 表 2.1 开关功能表 符号功能 YV1 总供水开关 YV2 生活供水开关 YV3 消防供水开关 STH 高压供水 STL 低压供水 E Q 市网来水 YV1 STH STL 水池 消防用水 YV3 生活用水 YV2 减压阀 1# 3# 2# 图 2.2 供水管道图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 6 页 共 48 页 2.22.2 双恒压供水水泵站系统的工作原理双恒压供水水泵站系统的工作原理 恒压原理综述：本设计研究的双恒压供水水泵站系统，通过传感器，测出水压 值，即将压力信号转化为电信号。然后经过 A/D 转化， 传输到 PLC,经过处理后，发 出命令到变频器，通过对频率的改变而改变电机的转速，维持恒压。另外系统设有 报警器，如果压力超出一定范围，或出现故障，进行报警提示。还有组态王对系统 的状态进行动态的实时监控。 2.2.1 变频恒压供水系统原理 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为 前提，表明水泵在某一转速下扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线(Q)，如图 2.3所示。 可以看出，流量 Q 越大，扬程越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下， 流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程 H 与用水 流量 Q)间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下， 扬程日与流量 Q 之间的关系日可(Q)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的 水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下， 扬程越大，流量 Q 也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下， 供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量 Q 之间的 关系日可(Q)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图 2.3中 A 点。在这一点，用户的用水流量 Q 和供水系统的供水流量 Q 处于平衡状态， 供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行7。 图 2.3 供水的基本曲线特性 在系统内，恒压通过控制频率，进而控制水泵输出的水流量维持在设定的供水 压力。从图 2.4 中可以看出，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。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 7 页 共 48 页 压力传感器 变频器水泵管网 频率 转速 管网压力 反馈参数 图 2.4 恒压供水闭环系统 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8。 2.2.22.2.2 PLCPLC 的工作原理的工作原理 PLC 是设计的一个核心，我们可以通过其接线图和它的硬件接线去了解它的原理 和工作的特性。 PLC 的工作原理： PLC 的基本结构和通用计算机相同，此外两者在指令执行原 理方面也并无差异。但是，两者在工作方式上却存在着很大的不同之处。不同点主 要体现在 PLC 的 CPU 采用循环扫描的工作方式，通常是集中进行输入采样以及集中 输出刷新。 PLC 的扫描工作原理：PLC 采用循环扫描的工作方式，这个工作过程通常包括五 个阶段：内部处理、与编程器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理。 PLC 依次执行的五个阶段，统称为一个扫描周期。PLC 完成一个扫描周期之后， 又重新开始执行上述过程，从而开始下一轮新的扫描，周而复始地循环进行9。下 一轮扫描过程必需经历输入采样、程序执行以及输出刷新这三个阶段。此时，一般 不会经历前两个阶段。 PLC 的输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC 的 CPU 将有顺序地进行各个输入端 的扫描。依次对每一个输入端的状态按顺序进行读取，并将其存入输入映像区单元 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 8 页 共 48 页 中。此时，刷新输入映像寄存器后关闭输入端口，进入程序执行阶段。在程序执行 阶段或者输出阶段，输入映像寄存器内容不会随外部输入信号变化而改变。直到下 个扫描周期的输入采样阶段10，才会重新给输入端写入新内容。因此，输入脉宽必 须大于一个扫描周期，才能使得正确读入输入状态得到保证。 PLC 的程序执行阶段：在程序执行阶段，PLC 的 CPU 将从用户程序的第 0 步开始， 按照先上后下、先左后右的顺序，逐条扫描用户所编写的梯形图程序。经相应的运 算和处理之后，其结果会再写入输出状态寄存器中。改变程序的执行，所有输出状 态寄存器中的内容也会随着变化。在程序执行阶段，只有输入端存放于 I/O 映像区 内的输入采样值不会发生变化，但是其他各组软件及输入点在 I/O 映像区内的状态 和数据都很有可能随着程序的执行而发生变化。在程序执行的过程中，下层逻辑行 中的接点状态会随着上层逻辑行中线圈状态的改变而产生作用。反之，直到下个扫 描周期，才能实现上层逻辑行中的接点状态由于下层逻辑行中线圈状态的改变而产 生作用。当完成所有指令扫描处理后，便会转入输出刷新阶段。 PLC 的输出刷新阶段：在输出刷新阶段，PLC 的 CPU 会集中将元件映像寄存器中 的各个输出元件（即输出继电器）的状态（此状态存放于对应的输出映像寄存器中） 转存至输出锁存器中。对其内容进行刷新，改变输出端子上对应的状态，然后通过 一定的方式（继电器等）输出，完成对相应输出设备的驱动准备，实现正常工作。 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 硬件的选型硬件的选型 3.1.1 PLC 选型 根据系统设计要求，进行了 I/O 口的分配，需要 10 输入端口，12 个输出端口， 选用西门子 CPU226 型 PLC 作为控制器,符合设计要求。 3.1.2 水泵机组的选型 水泵机组的选型基本原则，一是要确保安全平稳的运行；二是使水泵长期在高 效区运行，三是具有快速回复功能。并且选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度 相匹配。本文以徐州某小区的实际生活用水的数据进行选型，该小区生活用水具体 要求如下： 1) 系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能，各主泵均能可 靠地循环使用，每台水泵单独工作不超过两小时； 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 9 页 共 48 页 2) 具有完善的保护和报警功能，系统要求较高的经济运行性能； 3)要求具有生活用水的恒压压力和消防用水的恒压。 根据系统的总流量范围、扬程大小，进出口径，确定供水系统压力(水泵扬程)，考 虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用 3 台上海熊猫机械(集团)有限公 司生产的 SFL 系列主水泵机组。型号及参数见表 3.1 所示。 表 3.1 水泵组水泵参数 3.1.3 变频器的选型 要对系统所用的变频器进行选型，首先得确定变频器的容量，方法是依据所 配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机 连续运转时，变频器容量(kVA)应同时满足下列三式： cos() （3.1） 3 10 3() （3.2） () （3.3） 式中： 一负载需要的电动机的输出功率； 一电动机的效率(大于 0.85)； 一电动机的功率因数(大于 O.8)； cos 一电动机的电压(V)； 一电动机工频电源时的电流(A)； 一变频器的额定容量； () 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 10 页 共 48 页 一电流波形的修正系数，对 PWM 方式，取 1.0-1.05； 一变频器的额定电流。 () 这三个公式是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其 变频器电流是一个较关键的量。根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型： 普通功能型 Uf 控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型 Uf 控制变频器以及 矢量控制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价 格相对便宜的 Uf 控制变频器12。 根据上述要求，我们以实验室现有的变频器 MM440 来进行研究。 MM440 变频器简介13：MM440 变频器以微处理器为核心，采用先进的科学技术与 现代绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为装置相结合。具有可靠性高和功能多样的特 点。其脉冲宽度调制的开关频率是可调节的，可以减少马达运行时的噪音。 MM440 变频器的主要特点是：易于安装、调试，控制信号的响应速度快和可通过 不同参数设置，实现其强大而多样的功能，而且电缆连接简单，采用模块化设计， 配置灵活，利用高频脉宽调制，工作噪音小等优点。 该驱动器具有多个继电器输出和多个模拟输出（020mA）的，多个隔离的数字 输入，并可切换为 NPN / PNP 两种接线方式，两个模拟输入（AIN1 为 010V，020mA 或 - 10+ 10V 可被切换; AIN2 为 010V 和 020mA 的可切换） ， 2 个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个数字输入。 MM440 可以不用 RS485 串行接口， 方便系统增加了远程监控功能。 下表 3.2 显示的 MM440 变频器的引脚分配表： 表 3.2 MM440 变频器引脚分配 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 11 页 共 48 页 通过简单理解原理，可以让我们更灵活的运用变频器，其原理结构图如下图 3.2 所示。 图 3.2 MM440 变频器电路结构图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 12 页 共 48 页 3.1.4 压力传感器的选型 压力传感器的功能是将压力信号转化成电信号。本设计是通过测量水箱中的压 力，转化成电信号。常见的压力传感器有电阻应变片压力传感器，陶瓷压力传感器， 压电压力传感器等。 各传感器的优缺点比较： 应变片压力传感器：阻值小的，驱动电流大，易受外界环境影响，调零电路复 杂。 阻值大的，受外界电磁干扰影响比较大。但是其设计灵活，如果根据具体情况设计 符合相应性质的传感器比较合适。 陶瓷压力传感器：具有高弹性，抗腐蚀，抗磨损，抗冲击和振动的特点。所以 其稳定性好，工作温度范围大，精度高，绝缘性好。 压电压力传感器：测量范围大，精度低，灵敏度高，易于操作，而且耐腐蚀， 抗磨损。线性度好。价格低廉。 根据以上要求选取陶瓷压力传感器。 3.23.2 PLCPLC 的硬件接线设计的硬件接线设计 根据系统设计要求，设计出 PLC 的 I/O 分配表如表 3.3，外部接线图如图 3.3 所 示。 表 3.3 I/O 分配表 输入信号输出信号 名称地址注释名称地址注释 SB1I0.0 系统启动开关 HL1Q0.0 系统运行 SB2I0.1 系统停止开关 HL2Q0.1 高压供水运行指示灯 SAI0.2 手自动切换开关 HL3Q0.2 低压供水运行指示灯 SLI0.3 水池水位下限 HL4Q0.3YV1 SHI0.4 水池水位上限 HL5Q0.4YV2 SB3I0.5 水泵 1 启停开关 HL6Q0.5YV3 SB4I0.6 水泵 2 启停开关 HL7Q0.6 减压阀工作 SB5I0.7 水泵 3 启停开关 HL8Q0.7 欠水位警报 XFI1.4 消防开关 HL9Q1.0 过水位警报 JYCI1.5 减压阀传感器 KM1Q1.1 继电器线圈 1 KM2Q1.2 继电器线圈 2 KM3Q1.3 继电器线圈 3 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 13 页 共 48 页 图 3.3 外部接线图 3.33.3 电机的外部接线设计电机的外部接线设计 电机控制电气原理图 A,B,C 三相电源经过断路器，变频器和热继电器连接三台 并联的水泵，开关闭合后，电机由 PLC 控制控制线圈的得失电，从而控制开关，进 而控制电机。如图 3.4 所示。 图 3.4 电机外部电气接线图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 14 页 共 48 页 3.43.4 变频器的外部接线图变频器的外部接线图 EM235 模块原理图如图 3.5 所示，有 4 个输入口和一个输出口，与变频器的连接 图如图 3.6 所示。 图 3.5 变频器接线图 图 3.6 变频器与 EM235 的连接 4.4. 系统的软件设计系统的软件设计 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 15 页 共 48 页 4.14.1 PLCPLC 软件简介及设计方法软件简介及设计方法 软件的设计主要是在了解 PLC 的原理的基础上，利用梯形图的编写方法和原则， 用最简洁的程序完成系统的功能。 PLC 的软件可分为系统软件和用户程序两大部分10： 1)系统软件：也称之为常驻的操作系统软件。它又包括基本控制软件和编程软 件两部分。基本控制单元软件的主要功能为：是用于 PLC 的自身的管理和监督(循环 解释运行用户程序；集中进行输入信号的扫描和输出控制的更新编程器软件用来支 持用户程序的输入，也可以用来监控用户程序的执行过程。考虑到 PLC 内部结构的 复杂性，系统软件应有专业技术人员进行设计，一般不允许用户使用。 2)用户程序：这是用户应用 PLC 进行控制所需要编制的程序。目前，在 PLC 中 普遍使用梯形图编程方法。这种编程方法是在传统继电器梯形图基础上进行一定演 变而形成的，突出了各编程原件之间的逻辑关系。与硬接线的梯形图不同，PLC 梯形 图逻辑是由软件实现的，因此形象直观便于编写，又易于扩展和修改功能。 基本的设计方法，是自上而下，从顶层到底层，从整体到局部的法式。此系统 就是采用的从整体到局部的方法。 4.24.2 系统的软件设计系统的软件设计 系统通过压力传感器和开关量来采集信号，先进行系统的初始化，然后判断是 否手动，如果进入手动模式，就由水泵开关控制水泵的启停。如果进入自动模式先 判断水位。依次判断欠水位和过水位，如果满足则进入相应的模块进行处理。然后 检测变频器和水泵的是否故障，并进入相应的模块进行处理。若无故障，则由传感 器采集的信号，经过 PLC 的处理，传到变频器，进而控制电机的转速，控制水量。 其流程图如图 4.1 所示。进行水泵自动运行供水，当到达水位上限是设置了一个欲 度，当水位高于上限并且大于 5s 时，水泵停止运行；当水泵低于水位上限 5s 时， 水泵开始工作。水泵工作前先进行变频器故障和水泵故障的检测，如果变频器故障 水泵将以工频运行。如果水泵出现故障，将由其他水泵代替其运行 。为了防止水泵 工作时间过长使水泵损坏，因此设成循环模式，每个水泵运行两小时，依次运性， 从而延长水泵的寿命。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 16 页 共 48 页 开开始始 初初始始化化 水水泵泵1 1启启动动 水水泵泵1 1工工频频运运 行行 Y Y N N 水水泵泵2 2启启动动 水水泵泵3 3启启动动 水水泵泵2 2工工频频运运 行行 水水泵泵3 3工工频频运运 行行 Y Y N N Y Y N N 水水泵泵1 1停停止止水水泵泵1 1停停止止 Y Y N N 水水泵泵2 2停停止止 水水泵泵3 3停停止止 水水泵泵2 2停停止止 水水泵泵3 3停停止止 Y Y N N Y Y N N 结结束束 图 4.1 系统软件总流程图 此流程图是程序的总流程图，其中恒压是通过，传感器得到电压经过 PLC 的处 理，将信息传到变频器，通过变频器来改变电机的转速，从而使出来的水压和要求 的水压一致。 4.2.1 手动模块 手动模块水泵直接受手动开关的控制，三个开关控制三个水泵，主要用于维修 时。和处理紧急情况的时候，通过手动供水，停止其他部分来进行维修。手动模块 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 17 页 共 48 页 的水泵的警报系统没有单独的设置，直接通过水泵是否运行的警报来体现。流程图 如图 4.2 所示。 开开始始 初初始始化化 水水泵泵1 1启启动动 水水泵泵1 1工工频频运运 行行 Y Y N N 水水泵泵2 2启启动动 水水泵泵3 3启启动动 水水泵泵2 2工工频频运运 行行 水水泵泵3 3工工频频运运 行行 Y Y N N Y Y N N 水水泵泵1 1停停止止水水泵泵1 1停停止止 Y Y N N 水水泵泵2 2停停止止 水水泵泵3 3停停止止 水水泵泵2 2停停止止 水水泵泵3 3停停止止 Y Y N N Y Y N N 结结束束 图 4.2 手动模块水泵供水流程图 4.2.2 欠水位模块 欠水位是指的水箱下限水位，过水位是指水箱上限的水位。当开启水泵时，水 泵是欠水位的情况时，水泵将自动开始供水，直到上升到过水位时，过 5s 后才停止。 流程图如图 4.3 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 18 页 共 48 页 开开始始 初初始始化化 欠欠水水位位 水水泵泵组组自自动动 运运行行 Y Y N N 结结束束 图 4.3 欠水位模块流程图 4.2.3 过水位模块 当水位高于水位上限时，延长 5s 后，发出上限警报。当水位低于上限水位时， 延迟 5s 后，水泵继续低压运行。这样设置一个欲度可以防止水位再上限来回波动， 使警报灯的频繁报警。流程图如图 4.4 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 19 页 共 48 页 开始 初始化 是否超过 上限 Y N 是否超上 限 N 是否低于 上限 是否低于 上限 延迟5s Y Y Y N 延迟5s N 发出警报， 水泵组停止 运行 发出警报， 水泵组运行 图 4.4 过水位流程图 4.2.4 水泵组运行模块 工频运行指的是国内水泵以 50HZ 的频率运行（国外的 60HZ） ，然后三台水泵循 环运行。每台水泵运行两小时。流程图如图 4.5 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 20 页 共 48 页 开始 初始化 水泵1运行 水泵2运行 水泵3运行 水泵1运行时 间大于等于2 小时 水泵2运行时 间大于等于2 小时 水泵3运行时 间大于等于2 小时 Y N Y Y N N Y 图 4.5 水泵运行模块 4.2.5 水泵故障运行模块 如果检测三个水泵中有水泵发生故障的，则由其他水泵先行运行，并且发出警 报，让工作人员尽快维修。保证系统的正常运行。流程图如图 4.6 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 21 页 共 48 页 开始 初始化 水泵1 水泵2运行 发出警报 Y N 水泵2 水泵3 水泵3运行 发出警报 水泵1运行 发出警报 Y N 正常运行 Y N 结束 图 4.6 水泵故障模块流程图 上述经过对整个的系统进行了细致的分析，和对设计思路的完整展示。详细的 梯形图程序在附录 A 中给出。本程序经过仿真的验证，是可行的，而且，也考虑了 很多的实际情况和问题，并给以解决方案。但是还是略有不足，比如变频器的检测 数据，水泵的检测指标等等，通过不断地改进才能使之更加完善。很多因素我们只 能暂时忽略。抓住主要问题去解决。 5.5. 组态王监控基面的设计组态王监控基面的设计 5.15.1 组态王软件简介组态王软件简介 Configuration 又称组态，其功能就是将系统画面应用软件中的工具、方法，生 动形象的展现出来。用组态王软件（Kingview6.55）的模拟控制功能与 PLC 电路通 信之后可以实现工厂控制与办公室控制相结合的操作方式。组态王 6.55 软件的开发 与利用大大减少了工程实践的时间，增加了程序测试的可行性与便利性，利用组态 王可以实现双向控制，并能实时监控 PLC 硬件模块的运行情况，及时发现设备的异 常状况，阻止或减少设备和人员的危害程度。这类系统的特点是能快速精确地进行 图形维护和数据采集。组态软件提供了丰富的工具，我们能用它来进行方便的应用 设计。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 22 页 共 48 页 （1）方便的工程管理器：打开组态王 6.55 软件我们就可以看到一排工具栏。 它是个独立的可执行的管理器，用来管理所有的组态工程，包括搜索（可以搜索电 脑或者移动硬盘里面的工程） 、新建（用来新建一个工程） 、删除（需要注意的是这 里删除之后也同时会把电脑里面的工程删除而且此操作不可恢复，需要谨慎。如果 仅想删除列表里面的工程，只需右击删除就可以了） 、备份（将工程备份到电脑） 、 恢复（将电脑里面的备份恢复到组态王） 、导入与导出、开发（用于工程的设计与修 改） 、运行（设计好的工程可以在这里进行模拟运行，方便修改完善）等功能。 （2）集成的开发环境：打开或新建工程以后就可以进入工程浏览器界面，组态 王 6.55 软件为我们提供了完善的功能，我们在这里可以找到系统（包括文件、数据 库、设备、系统配置、SQL 访问管理器、Web） 、变量（变量组：用于定义变量） 、站 点、画面（工程界面）等，它能够完成系统大部分配置。 （3）合适的组态界面：打开一个工程之后，我们就可以看到有一个弹窗工具栏， 工具栏里面有很多可以用于建立组态的元素，包括开关、按钮，传感器、电子元件 报警灯等。现在的工程开发越来越复杂，各种情况都有可能发生，为了满足各类用 户的需求，并且在不增加软件大小的情况下。组态王 6.55 软件允许用户在网上下载 图片，直接添加到组态界面。这些强大的功能能适用于各种组态界面的开发与设计， 让组态王越来越手欢迎。 （4）丰富的动画成果：为了真实模拟实践中的效果，组态王 6.55 软件可以实 现动画效果。在组态王界面添加一个元素以后，双击元素就打开一个设置界面，在 设置界面，我们可以设置元素的变量名、水平移动或者垂直移动（以及移动速度， 移动距离等） 、隐藏、流动（这个效果是以前版本所没有的，也是 6.55 版一个特点： 可以有水管模拟传送带等的运行效果） 。例如旋转衔接，设计者只有给出旋转的偏转 角度和对应的工程参数的数值即可。定义的全过程都反映在一个简略的对话框中。 5.25.2 组态王界面设计组态王界面设计 5.2.1 创建工程 1）打开组态王软件，点击新建建立新工程如图 5.1 所示。 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文） 第 23 页 共 48 页 图 5.1 工程建设向导 2）创建工程，点击“下一步”如图 5