基于PLC的泵站监控的设计方案.doc

基于PLC的泵站监控的设计方案1 绪论1.1 本课题的研究意义 泵站在国民经济建设的各个领域中发挥着重要的作用，随着经济的进一步发展，人们必将对泵站的运行提出更高的要求，研究泵站监控并实现其高效运行是很有现实意义的。 实现泵站控制系统的自动运行会带来很大的益处，对减少泵站运行管理人员的数量有很大帮助。为泵站建立一个控制系统并改善其各方面的控制功能，达到泵站运行自动化的目的。泵站的自动化运行还能够带来稳定性和安全性的提升。PLC对现场的控制又是专门为在工业环境下应用而设计的工业计算机，具有高可靠性，编程简单，安装简单，维护方便等优点。再结合组态软件可以很好的完成对泵站的监控。1.2 国内外泵站的发展现状 目前，国内中小型泵站机组的启动、运行和停车大多靠人工操作来完成，这种情况下不仅工作强度大，而且工作效率不高。近年来兴建的大型泵站中，大都设置了微机数据采集系统，但一般情况下还不能实现对运行过程的计算机控制。国内泵站的发展还存在以下问题: 缺乏统一的设计标准，系统扩展困难，随着计算机的普及，上世纪90年代以来，中国的许多行业开始采用计算机控制技术，泵站也不例外，但由于没有统一的标准，各设计院设计的泵站有很大的不同，缺乏统一的功能和技术规范使得系统扩展困难;不完善的系统设备，有些泵站使用的设备不完善，功能不全，就地控制单元和其他控制功能缺失;数据连接标准的缺乏，选择的元件和系统不匹配导致数据无法交换，没有通信接口或接口协议之间出现矛盾，当控制系统发出一个信号，如温度信号，以及其他的水位监测元件的信号，若出现问题不能顺利传输数据,导致无法及时解决问题;泵站运行人员和技术人员严重短缺，技术人才严重短缺已成为一个普遍现象，泵站操作人员大多没有正规的专业教育和足够的专业培训，文化素质不高,计算机水平很有限，当自动化设备出现故障，泵站运行人员不能解决，导致泵站继续运行从而很可能演变成一个更大的问题，造成更加严重的后果。当要求设备生产商服务时，却发现自动化设备制造商之间激烈的市场竞争导致许多厂商已经倒闭，用户很容易会遇到找不到厂商服务的情况。 国外像荷兰、美国等国家，它们的泵站发展速度很快，拥有非常先进的技术和更好的管理水平，有许多方面是我们可以学习和研究的。比如在泵的设计和安装方面，荷兰有世界著名的液压机械专家可以对泵站的各种装置的性能进行测试，包括水击计算，模型试验等。在机械方面，他们对计算和测量振动，监测泵的性能和噪声方面也很有研究。他们还广泛利用计算机，利用计算机辅助选择（CAS），计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM）等先进的技术；在泵的叶片方面，他们从液压，结构优化等方面进行设计，并对叶片的加工进行严格控制，在充分利用计算机这样一个在制造工艺上高度先进的设备的基础上进行设计工作。荷兰对研究的投资很高，研究实力很强，研究机构齐全，设施非常先进，对水泵和进出口管道有一个较为系统的研究。完美的设计和制造，对提高机组的性能和增加水泵运行的安全性和稳定性很有帮助。美国拥有世界最大流量和扬程的抽水站埃德蒙斯顿泵站。它位于加利福尼亚中部圣华金河谷地区的南部郊区的贝克斯菲尔德，加利福尼亚南部的南水北调工程上的22个大型泵站总的绵延长度达到864公里（加利福尼亚整个特哈查比山脉南运河的水运到加利福尼亚北部）。埃德蒙斯顿泵站有14台泵，每个泵具有9m3/ s的流量，必须提供587m的静扬程（不包括管道损失），效率为92.2%，速度为600r / m（带电机），配套电机功率为80000马力（近60000千瓦）。泵的总流量为125m3s，配套的总功率为112万马力，约600000万千瓦的年用电量。泵为立轴4级串联，高9.45m，转子直径4.88 m，重220吨。泵和电机直接相连,总高度近20米，重420吨。该项目于1951年提出方案，在1965年5月确定方案并于1971年9月正式施工,1984完成三个机组的最终安装，总投资约17500万美元。 国外在对泵站的管理方面有许多值得我们学习的地方： 1.国外泵站自动化程度高 国外水利工程在建设过程中对质量的要求非常严格。荷兰的泵站与业务管理之间的关系比我国更紧密，运营管理设计人员对泵站非常熟悉，他们与泵站管理单位在设计，生产，制造，测试，安装，调试，运行和维护等各个环节配合默契。国外泵站的状态都保养得很好，这不仅提高了泵站运行的效率而且能大大延长泵站的使用寿命，减少事故的发生。 国内泵站的质量不是很好。国内的泵站，结构简单，制造质量普遍较差，很多泵站在建设过程中没有严格的质量监管系统，这不仅降低了泵站的运行效率，而且留下了许多隐患。 国外泵站的自动化程度很高，对泵站运行的各项指标进行长期跟踪，监控和记录，发现问题，随时可以解决。此外，自动化程度的增加会大大减少事故的发生，也减少了泵站管理人员。如美国，几十公里的水路，只有几个工作人员。而国内的大多数泵站由于建设时间较早，设备陈旧，自动化程度较低，往往采用经验主义管理并且缺乏定期的检修，导致运行成本的增加，带来不必要的经济损失。 2.国外泵站运行管理人员素质高，分工明确 国外泵站运行管理人员只相当于我国的1/10，而且泵站能够在良好的秩序中保持长期运行。以荷兰为例，我们知道泵是泵站装配和维护的核心部件，泵站管理人员只负责小规模的检查维护工作，而大规模的检修工作由专业的公司来完成。这些劳动分工与合作方面的成功经验，值得我们认真研究和借鉴。 国外泵站拥有经验丰富的管理人员，他们能够在泵站运行过程中，及时发现问题，正确处理各种突发事件。而国内许多泵站管理人员素质差，专业技能低，地方保护主义严重，不注重管理人员的培训，导致泵站的管理水平很落后。 3.国外十分重视工程的维护并拥有足够的运营和管理资金 国外泵站清洁工作做得很好，一般都配有清洗专用设备，这样可以确保泵站的安全运行，节能降耗，降低了泵的磨损，延长使用寿命。而国内的泵站，工作环境差，设施不齐全，许多都没有配备清洗设备，缺乏资金投入。 在运行和管理费用方面，国外泵站是国家资金的受益者，拥有足够的资金，所以有能力根据不同的要求进行翻新，维修和扩建。而在我国，很多泵站工程一次性投资完成后，缺少后期的投资，导致设施落后，使部分泵站不能达到应有的工作效率。此外，有些泵站在运行管理资金上的缺乏导致工人工资都得不到保障，就更不用说泵站的更新改造了。1.3泵站监控系统研究的发展趋势 实时监控系统在上个世纪90年代之前，是传统的，封闭的，它升级是非常困难的。近年来，随着计算机技术，图形化UI界面技术，网络技术，传感器技术的飞速发展，系统的升级和扩展的问题，已经得到解决。从技术层面和可靠性的角度考虑，采用PLC+IPC这种控制方式而不是常规的控制系统，是泵站监控系统发展的必然趋势。 在泵站控制软件方面，采用组态软件开发将成为必然的趋势。组态软件是一种监测系统开发工具，通过简单形象的组态配置工作，就能构造出监控系统的结构和功能,这对于监控系统的设计和开发具有十分重大的意义。泵站监控系统与故障诊断的结合会更加紧密。监控系统与故障诊断技术有着不可分割的关系。在泵站监控过程中，如果发现泵站出现故障，故障诊断系统会自动判断故障类型，并给出措施，即使故障排除。泵站监控系统会朝着更加智能化的方向发展。人们对控制系统性能的要求越来越高，而传统的控制系统已很难到达人们所要求的性能指标，而智能控制可以很好的完成这个任务。自动化是设计控制系统的核心目的，而智能控制是自动控制系统发展的高级阶段，如果把智能控制理论应用在泵站监控系统中，势必会带来让人惊喜的效果。1.4本课题的研究内容及方案 设计一套适合城市排水的基于PLC的泵站监控系统，以达到安全，高效的控制泵站运行的目的。具体包括：选择泵站监控系统所需要用到的各种传感器，以实现对流量、压力、液位等参数的测量；根据控制要求选择合适的PLC并进行硬件系统设计，包括PLC的选型、外电路的设计、不同控制方式的实现、plc编程等问题；结合MCGS组态软件，实现更加可视化的监控。 方案:根据设计要求和实际情况，采用基于PLC的监控系统并辅以上位机组态软件的分布式控制系统。 此方案主要优点有： 可靠性和可维护性高； 编程方便、开发周期较短； 设计和施工周期短，调试修改方便。2 监控系统要求及设计方案2.1泵站监控系统的设计要求 泵站监控系统是实现对各个泵站设备的监测和控制功能，实现监测泵站运行的状态和运行参数，接收故障报警信息，并能够通过计算机下达控制信号，实现实时数据的显示和历史数据的统计等功能。具体要求如下：运行方式：手动操作和自动运行相结合。实时监控：实时监测系统工作流程，动态显示流程画面、自动监控整个系统的各种变量，包括水位、泵的启停、流量、压力。用户界面：提供友好的监控界面。报警功能：实现系统的自动报警功能，并能够记录故障的时间等信息。数据显示：具有系统实时数据显示的功能。历史数据：能够实现对系统历史数据的统计和保存等功能。2.2泵站监控系统的总体设计方案 图2.1是泵站监控系统的系统构成图，此系统采用安装有MCGS的IPC作为上位机，PLC作为下位机。PLC与IPC通过PC/PPI电缆连接，采用PPI协议进行通讯。传感器通过现场电流、电压信号或RS-485数字通讯的方法来实现与PLC的连接。整个系统能够实现对泵站的监测和控制，能够满足监控系统的设计要求。图2.1 泵站监控系统的系统构成图3 监控系统的硬件设计部分3.1PLC概述可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境设计。它采用了可编程程序的存储器，用来在其内部存储逻辑、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC的种类很多，但它的结构和工作原理基本上是相同的，主要由CPU（中央处理器）、记忆模块、输入/输出单元、供电部分、扩展接口、通讯接口、编程设备、其他组件等部分组成。1、PLC的工作原理（1）与继电器控制系统的区别继电器控制系统是一种硬件逻辑系统，当电源被接通时，继电器控制电路处于受控状态，该闭合的部分闭合，受到某种限制不能闭合的不闭合，它属于并行工作模式。而在PLC内部设备的各种循环扫描过程中，逻辑的，数字的输出结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出，因此它属于串行工作模式。在控制系统的可靠性和可维护性方面，继电器控制系统使用的机械触点很多，连接线也很多。容易出现电弧，机械磨损，寿命较短，因此，在可靠性和可维护性表现一般。而PLC采用微电子技术，无接触，体积小，寿命长，开关动作次数由半导体电路完成，可靠性相当高。在控制速度方面，继电器控制系统依靠机械动作控制触点，工作频率低，打开和关闭行动是以毫秒为单位计算。此外，在机械触点动作时会出现抖动;而PLC是通过半导体电路的程序指令来实现控制，属于非接触式控制，速度一般在微秒数量级，而且不会出现抖动。（2）PLC工作方式PLC的工作过程可以分为三个部分。第一部分是加电处理。PLC系统加电后，需要进行初始化操作，包括硬件初始化，I/O模块配备检查，配置系统的各种参数等其他的初始化过程。第二部分是扫描过程。PLC加电过程处理完成后进入扫描过程后。需要对输入信号和与其他设备之间的通信进行处理，然后再次更新和刷新时钟和特殊寄存器。当CPU处于停止状态时，转入执行自诊断检查。当CPU处于运行模式时，还需要执行用户程序并对输出过程进行处理，再转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如果CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。如果检查出异常，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU会被强制进入到停止模式，所有的扫描会被停止。PLC扫描周期长度和CPU的运算速度，I/O数量，用户应用程序的长度有关系。不同的指令的执行时间是不同的，范围从几微秒到几百微秒，所以不同的指令的扫描时间也是不同的。但是由于当今的CPU速度都非常快，通过对程序的费心思考去减小扫描周期时间不再是非常必要的了。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称为扫描周期,也叫工作周期。 在PLC上电后的正常运转时，它会不断重复扫描过程，并一直重复下去。分析扫描过程时，如果忽略远程I/O、特殊模块、更新时钟及其他通讯服务，这样扫描过程就只剩下输入采样，程序执行和输出刷新三个阶段。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，也是PLC工作原理的核心所在。 输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将每个输入状态存入对应的输入映像寄存器中，此时出入映像寄存器被刷新。接着系统进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个周期的输入采样阶段，才重新写入出入端的新内容。所以，一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，或者输入信号的频率不能太高，否则很可能造成信号的丢失。 程序执行阶段进入程序执行阶段之后，一般来说（因为还有子程序和中断程序的情况），PLC按从左到右、从上到下的步骤执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从原件映像寄存器“读入”对应原件（“软继电器”）的当前状态。然后进行相应的运算，最新的运算结果马上存入到相应的原件映像寄存器中。对原件映像寄存器来说，每一个原件（“软继电器”）的状态随着程序过程而刷新。 输出刷新阶段在用户程序执行完毕之后，原件映像寄存器中所有输出寄存器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段一起转存到输出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，从而输出端子的状态也不会改变。（3）PLC的主要功能 PLC的使用非常广泛，在工业自动化设备、工厂自动化系统、计算机集成制造系统中占有重要地位。今天的PLC的功能远远不是传统的继电器控制系统可以取代的。现在的PLC系统一般包括以下基本功能： 控制功能逻辑控制:PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。定时控制:它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定:接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。计数控制:用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。顺序控制:在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。 数据采集、存储与处理功能数学运算功能包括: 基本算术:加、减、乘、除 扩展算术:平方根、三角函数和浮点运算 比较:大于、小于和等于 数据处理:选择、组织、规格化、移动和先入先出 模拟数据处理:PID、积分和滤波 输入/输出接口处理功能 具有A/D与D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节精度，可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种电阻或电偶。 通信、联网功能现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，大都有RS-232或RS-485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。 人机界面功能提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息；允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。实现人机界面功能的手段:从基层的操作者屏幕文字显示，到单机的CRT显示与键盘操作和用通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机的分散和集中操作与监视系统。 编程、调试等使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。（4）PLC控制系统的优势 现代工业自动化系统中很大一部分是采用PLC的，而不是传统的继电器控制系统，这主要是因为PLC具有多种优势： 功能强，性能价格比高 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。 可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。 系统的设计、安装、调试工作量少 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。 编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。 维修工作量少，维修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的实时梯形图的状态迅速的查明故障的原因，用修改程序或更换模块的方法可以迅速地排除故障。 体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。 与时俱进，能实现网络通讯PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制集中管理。并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。而组态软件是一种成熟的软件产品，主要用于工业现场的检测，数据采集等优点是功能强大，易于二次组态开发，性能稳定。多以通过实践检能够很好的完成本文的要求。（5）PLC通信方式 S7-200系列PLC主要有三种通信方式：一种是通过点对点（PPI）的方式，主要用于与SIEMENS公司的专门用于对PLC进行编程的设备进行通信，这种通讯协议是对外保密的。第二种为DP方式，PLC通过这种方式连接到过程现场总线从而可以扩大PLC的控制范围。第三种是FreePort通信即自由口通讯方式，自由即意味着通讯协议可由用户自己编写，这种方式比较开放。本系统中采用PPI通信方式，它是SIEMENS专门为S7-200系列PLC设计的专用通信协议。这种方式所需的投资很小，同时拥有很好的灵活性，适合小规模控制系统。大多数PC机的串口通讯标准为RS-232，SIEMENS公司提供的PC/PPI电缆带有RS-232/RS-485电平转换装置，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和PC机互联。3.2泵站监控系统各种参数的检测 泵站监控系统实现自动化的过程中，需要对系统运行的各种参数进行检测，本文将给出这几个参数的检测方法:水池液位、水泵流量、水泵压力。3.2.1水池液位的检测 本系统采用超声波液位传感器来实现对水池液位的检测。 超声波液位传感器是利用超声波对两种介质之间的边界反射特性。如果发射的超声波脉冲的开始，直到接收到的反射波的时间间隔是已知的，可以计算出分界面的具体位置，液位的测量可以使用此方法。据的发送和接收功能的换能器，传感器可分为单个换能器和双个换能器。单个换能器的传感器发射和接收超声波使用相同的换能器，和双换能器传感器的发送和接收使用两个换能器所不同。下面是单个换能器超声波传感器进的介绍。超声波的发射和接收换能器可以安装在液体表面上方，让超声波在空气中的传播，在图3.1中所示。图3.1 超声波液位计安装示意图 采用单个换能器时，发射的超声波从液面反射回到换能器所需到的时间为： （式3.1）那么 （式3.2） 式中：h为换能器到液面之间的高度，c为超声波在介质中的传播速度。 从上面的式子可以看出，只要测出时间间隔t，就可以求出液位高度h。 超声波液位传感器具有精度高，使用寿命长的特点，但如果有气泡在液体或液体表面的波动，会产生较大的误差。在一般使用条件下，其测量误差为，检测液位范围为m。 本文采用yjsonic系列的超声波液位计，在测量过程中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，反射的声波由同一传感器接收。通过超声波发送和接收的时间来计算要测试的对象距离传感器的距离。工作特点：先进的检测技术，丰富的软件功能，以适应各种复杂的环境；使用新的波形计算技术，提高仪器的测量精度；杂乱回波抑制功能，保证真实的测量数据；16位D/ A转换，并提高输出电流的精度和分辨率；传感器采用四氟乙烯材料，可用于各种腐蚀性环境；多种输出模式：可编程继电器输出，高精度4-20mA电流输出，RS-485数字通信输出等方法可以选择。图3.2 超声波液位计选型 设计中选用二线制输出型液位计，其参数如下： 电源：24VDC 输出：420mA二线制 防护等级：IP65 量程：03、5、8、10、15、20m 精度：0.25% 盲区：0.30.5m 温度：-20+553.2.2水泵压力的检测 本文采用应变式压力传感器来检测水泵的压力。应变式压力传感器，主要用于测量设备的进口和出口的气体或液体的压力，如动态或静态的压力，在发动机内部的压力，桶和筒的内部压力，内燃发动机管道压力等。应变式压力传感器大多采用膜片式或圆柱状的弹性元件。隔膜式压力传感器的应变片安装在膜片的内壁，在压力p的作用下，膜片产生的径向和切向应变表达式分别为： （式3.3） （式3.4）式中：p是膜片上压力，h和R分别为膜片的厚度和压力，x为到圆心的距离。 由以上公式可知，当膜片承受压力时，其应变变化曲线具有以下特点为：当x=0时，；当 x=R时，=0，=。 根据以上特点，在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在其边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成如图3.3的全桥电路。其中，且R1=R2=R3=R4，则：（式3.5）（式3.6）此时全桥差动电路不仅没有非线形误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。图3.3 全桥差动电路 本系统采用HS - 956系列薄膜压力传感器。 HS - 956系列高性能薄膜压力传感器和信号调理电路薄膜压力传感器。本系列产品具有独特的技术，性能优越，具有体积小，重量轻，安装方便，可以在恶劣的环境下长期稳定等特点，特别适用于频繁的冲击压力测量。理想流体压力测量仪器。 HS - 956系列薄膜压力传感器特性： 1.高稳定性，优于+/ - 0.1的速度增长 2.测量误差小综合误差小于+/- 0.1 3.宽工作温度范围允许介质温度为 - 40125 4.小的温度漂移典型温漂加或减0.02/ 5.适应恶劣的环境，耐热，耐腐蚀，耐震动 此产品，适应性广，体积小，重量轻，无隔离膜片和调解液体;全不锈钢密封结构，没有移动部件，可以直接进行任何安装。因此，适应于各种工业测量场合和媒体。 主要技术指标： 1.介质: 液体，气体或蒸汽2.输出: 两线制4-20mA3.电源: 24V DC，无负载时，可工作于12V DC4.负载范围: 允许的最小负载为零，最大负载RL= 505.过压: 量程的1206.输出限制: 变送器过压时，内部限流器输出电流限制在25mA以下 7.温度范围: 敏感元件工作温度：-50125；电子部件工作温度：-40858.湿度范围: 0-99的相对湿度3.2.3水泵流量的检测本系统采用电磁流量计来实现对水泵流量的检测。电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感器组成的。电磁流量转换器是为电磁流量传感器提供电源，并将其测量的流量信号整定成为标准的4-20mA电流等其他形式的信号。电磁流量传感器是根据法拉第原理制成的一种流量计，用来测量导电液体的流量。其原理图如图3.4所示，它是由产生均匀磁场的系统、不导磁材料的管道以及在管道横截面上的导电电极组成。磁场方向、电极连线、管道轴线三者之间是相互垂直的。当被测导电液体流过管道时，切割磁力线，于是在和磁场及流动方向垂直的方向上产生感应电动势，其数值与液体的流速成正比。即 （式3.7）上式中:B为磁感应强度(T)； D为切割磁力线的导体液体的长度(为管道内径)(m)； v为导电液体在管道内的平均流速(m/s )。由式(3.7)得被测导电液体的体积流量为 （式3.8） 因此，液体的流量可以通过上述的电动势求出。图3.4 电磁流量传感器的工作机理理论上磁场强度B为常数，也就是说是直流磁场。但是，直流电势会使被测的液体电解化，使电极极化。正电极被负离子包围，负电极被一层正离子包围，加大了电极的电阻。破坏了原来的测量条件。同时内阻增加随被测液体成分的变化和工作时间长短而变化，因而使输出电势不固定，影响测量精度。而对被测量介质的流量测量采用交流电(频率为50Hz)励磁的交流磁场： （式3.9）感应电动势为 （式3.10）所以体积流量为 （式3.11）为了避免测量管路引起磁分流，故需要用非导磁材料做成。另外，由于测量管路处于较强的交流磁场中，管壁产生涡流，因而产生二次磁通。为了减少涡流，要求测量管路的材料具有高电阻率。且对于不同直径的电磁流量计，其电极、测量管路都采用不同的材料做成。电磁流量计的特点:1.测量管路内没有任何突出和可移动的部件，因此可用于有悬浮颗粒的浆液等流量的测量，且压力损失极小；2.感应电势与被测液体温度、压力、粘度等无关，因此其使用范围广泛；3.测量范围宽，；4.可以测量各种腐蚀性液体的流量；5.电磁流量计的惯性小，可以用来测量脉动流量；6.测量介质的电导率要大于0.005/米。3.3PLC泵站的系统设计 本系统采用西门子S7-200系列的PLC实现对泵站的硬件系统设计。主要根据水位的变化实现对水泵的启停。3.3.1泵站工艺流程下面是排水系统的工艺流程。如图3.5所示，当水位低于BGL时系统报警，当高于BGc但不高于BGB时1#泵启动，当水位高于BGB但不高于BGA时2#泵也启动，当水位高于BGA但不高于BGH时3#也启动，当水位高于BGH时系统报警同时4#泵也启动。图3.5 泵站工艺流程图3.3.2系统的控制要求本系统对泵站控制的基本要求是： 1.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.根据水位的变化实现各泵的启停； 3.水泵在启动时要有软启动功能； 4.要有完善的报警功能。3.3.3控制系统的I/O点及地址分配控制系统的输入/输出信号的名称、代码、及地址编号如下表所列。在水池的H、L、A、B、C五个位置装上小型浮球开关，当水位达到或超过这些位置时，对于的浮球开关处于闭合状态。表1 输入/输出点代码和地址编号名称代码地址编号输入信号L水位信号（水位下限）BGLI0.0H水位信号（水位上限）BGHI0.1A水位信号BGAI0.2B水位信号BGBI0.3C水位信号BGCI0.4变频器报警信号KFUI0.5消铃按钮SF9I0.6试灯按钮SF10I0.7压力传感器的电压值UPAIW0流量传感器的电压值ULAIW2输出信号1号泵工频工作时接触器和指示灯QA1，PG1Q0.01号泵变频工作时接触器和指示灯QA2，PG2Q0.12号泵工频工作时接触器和指示灯QA3，PG3Q0.22号泵变频工作时接触器和指示灯QA4，PG4Q0.33号泵工频工作时接触器和指示灯QA5，PG5Q0.43号泵变频工作时接触器和指示灯QA6，PG6Q0.54号泵工频工作时接触器和指示灯QA7，PG7Q1.04号泵变频工作时接触器和指示灯QA8，PG8Q1.1L水位(水池下限)报警灯PG9Q1.2H水位(水池上限)报警灯PG10Q1.3变频器故障报警灯PG11Q1.4报警电铃PBQ1.5变频器频率复位控制KF(EMG)Q1.6控制变频器频率电压信号VfAQW03.3.4PLC系统选型根据上面表格的分析可以知道：系统共有开关量输入点8个，开关量输出点13个；模拟量输入点2个，模拟量输出点1个。参照西门子S7-200系列PLC产品说明书发现采用CPU 222的PLC最多只能扩展两个模块，无法满足后续扩展要求，选用CPU226的PLC可以满足控制要求，但是花销很大,浪费较大，故选用主机为CPU224（14入/10出）一台，加上一台扩展模块EM222,再扩展一个模拟量模块EM235(4AI/1AO) ,这样的配置是最经济的。整个PLC系统的配置如图3.6所示。图3.6 PLC系统组成 本监控系统需要实现水泵的软启动功能，考虑到系统的可扩展性，选择变频器来实现此功能。变频器选择西门子MM440变频器，这种变频器集多种功能于一体，并提供多个型号供用户选择，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120W-200kW,可变转矩控制方式的额定功率可达250kW,完全能够满足本监控系统的需求。本文中MM440与S7-200PLC配合使用，实现水泵电机在软启动过程中的变频控制。PLC与变频器连接时，把EM235的模拟量输出通道连接到MM440频率输入端即可。本文中水泵电机型号选择JW7114，变频器在连接电机时双方都得设置参数，以使电动机与变频器相配。电动机参数如表2所示。电动机参数设置完成后，设置P0010为0，使变频器处于准备状态。然后设置变频器控制端口开关操作操作控制参数，如表3所示。表2 设置电动机参数表参数表出厂值设置值说明P000311用户访问级为标准级P001001快速调试P010000功率单位为kW，频率为50HzP0304230380电动机额定电压（V）P03053.251.05电动机额定电流（A）P03070.750.37电动机额定功率（kW）P03105050电动机额定频率（Hz）P031101400电动机额定转速（r/min）表3 控制端口开关操作控制参数参数号出厂值设置值说明P000311用户访问等级为标准级P000407命令和数字I/OP070022命令源选择“由端子排输入”P000312用户访问等级为扩展级P000407命令和数字I/O*P070111数字输入端1接通正转，断开停止*P070212数字输入端2接通反转，断开停止P000311用户访问等级为标准级P0004010设置值通道和斜坡函数发生器P100022频率设定值选择为“模拟输入”P108000电动机运行最低频率（Hz）P10825050电动机运行最高频率（Hz）*P1120105斜坡上升时间（s）*P1121105斜坡下降时间（s）3.3.5控制系统的电气原理图控制系统的电气原理图包括主电路图，控制电路图和PLC的外部接线电路图。1. 主电路图如图3.7所示为控制水泵电机的主电路图。四台水泵电动机分别为MA1，MA2，MA3和MA4。QA1，QA3，QA5和QA7为接触器，分别用来实现对MA1，MA2，MA3和MA4的工频工作控制，QA2，QA4，QA6，QA8为接触器,分别用来实现对MA1，MA2，MA3，MA4的变频工作控制，BB1,BB2,BB3,BB4分别为安装在四台水泵电动机上的热继电器；QA10，QA20，QA30，QA40，QA50为隔离开关，分别安装在相应的变频器及电机上；QA0实现对总电源的开闭，VVVF为变频器。图3.7控制系统主电路图 2.控制电路图如图3.8所示为控制系统的控制电路图。SF为手动运行和自动运行两种运行模式的转换开关，SF拨到1时，系统处于手动控制状态；当拨到2时，系统处于PLC控制的状态下。手动控制时可以用按钮SF1到SF8控制4台水泵的启停。PG12的作用是当系统处于PLC控制运行时做出指示。KF是一个中间继电器，用来实现对变频器的复位操作。图3.8控制电路图3.3.6PLC外围接线电路图 如图3.9所示为PLC及其扩展模块的外围接线电路图。图3.9 PLC及扩展模块外围接线图 3.3.7PLC程序设计根据上述的控制要求，PLC程序设计如下：Network 1LD I0.4= M2.0Network 2 / 复位变频器频率，为软启动做准备LD M2.0TON T33, 1EU= Q1.6Network 3 / 产生1#泵工频启动脉冲信号LD T33EU= M0.1Network 4 LD I0.3= M2.1Network 5 LD M2.1TON T34, 1Network 6 / 产生2#泵工频启动脉冲信号LD T34EU= M0.2Network 7 LD I0.2= M2.2Network 8 LD M2.2TON T35, 1Network 9 / 产生3#泵工频启动脉冲信号LD T35EU= M0.3Network 10 LD I0.1= M2.3Network 11 LD M2.3TON T36, 1Network 12 / 产生4#泵工频启动脉冲信号LD T36EU= M0.4Network 13 / 1#泵变频运行控制逻辑LD M2.0ON Q0.1AN M3.0AN Q0.0= Q0.1Network 14 / 2#泵变频运行控制逻辑LD M2.1O Q0.3AN M3.0AN Q0.2= Q0.3Network 15 / 3#泵变频运行控制逻辑LD M2.2O Q0.5AN M3.0AN Q0.4= Q0.5Network 16 / 4#泵变频运行控制逻辑LD M2.3O Q1.1AN M3.0AN Q1.0= Q1.1Network 17 / 1#泵工频运行控制逻辑LD M0.1O Q0.0AN Q0.1= Q0.0Network 18 / 2#泵工频运行控制逻辑LD M0.2O Q0.2AN Q0.3= Q0.2Network 19 / 3#泵工频运行控制逻辑LD M0.3O Q0.4AN Q0.5= Q0.4Network 20 / 4#泵工频运行控制逻辑LD M0.4O Q1.0AN Q1.1= Q1.0Network 21 / 水池水位下限信号处理LDN I0.0O M3.1= M3.1Network 22 / 水池水位下限信号灯LD M3.2A M3.1O I0.7= Q1.2Network 23 / 水池水位上限信号处理LD I0.1O M3.3= M3.3Network 24 / 水池水位上限信号灯LD M3.4A M3.3O I0.7= Q1.3Network 25 / 变频器故障信号灯LD M3.5A I0.5O I0.7= Q1.4Network 26 / 水池水位下限故障消铃逻辑LD I0.6O M3.2A M3.1= M3.2Network 27 / 水池水位上限故障消铃逻辑LD I0.6O M3.4A M3.3= M3.4Network 28 / 变频器故障消铃逻辑LD I0.6O M3.5A I0.5= M3.5Network 29 / 报警电铃LD M3.1AN M3.2LD M3.3AN M3.4OLDLD I0.5AN M3.5OLD= Q1.5Network 30 / 故障信号LD I0.5O M3.1= M3.04 监控系统的上位机软件设计 对于一个具有实际运用意义的基于PLC的控制系统来讲，除了硬件设计部分之外，还需要有易于用户操作的UI,即人机界面。用户可以方便的通过人机界面观察、了解并掌握整个控制系统的运行状态。 上位机人机界面是介于用户和硬件控制系统之间的一个显示界面，用户可以通过人机界面与PLC控制系统进行数据、信息的交流和处理。故上位机监控软件在整个系统的设计当中是不可或缺的一部分。 目前的上位机监控软件中，用于制作监控人机界面的方法有多种，比如利用VB、VC等可视化的编程工具制作出的控制界面，调用MSCOMM控件或利用Windows API函数进行上下位机串行口通讯；或者直接利用工业组态软件（MCGS）来制作上位机程序。本文选用后者，即选用MCGS(工业组态软件)来开发用户界面，并选用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司所开发的MCGS组态软件。4.1MCGS概述4.1.1MCGS组态软件的概念 MCGS是基于Windows平台的软件系统，用于快速构建和生成计算机监控系统，它可以运行在微软Windows95/98/ME/NT/2000操作系统为基础的计算机上。 MCGS提供了一个完整的计划和开发平台，用以解决工程实际问题，可以完成数据采集，