排水系统PLC控制及组态设计说明书

1、排水控制系统PLC控制与组态摘 要本设计是煤矿排水控制系统PLC控制与组态，采用西门子公司的S7-200小型PLC为控制核心，外加组态软件MCGS为上位机，结合各种传感器（例如水位传感器，压力传感器，温度传感器，流量传感器等），通过三台水泵完成排水自动控制。首先分析控制要求，进行了总体设计，然后进行了硬件设计，选择了PLC，设计了主电路和控制电路，分配了PLC的输入和输出，设计了PLC的输入和输出接线图，然后进行了软件设计，编制了控制程序流程图，编写了梯形图和语句表程序，最后使用MCGS进行了组态设计，监控排水系统运行情况，进行报警处理、参数设定、报表处理、实时和历史曲线显示、实时和历史报表查

2、询等，做到有故障及时发现并尽早处理。关键词：排水；梯形图；组态软件目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc1193 摘 要 程序设计5.1编程软件STEP7-Micro/WIN概述STEP7-Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，由西门子公司专为s7-200系列可编程控制器设计开发，它功能强大，主要为用户开发控制程序使用，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。它是西门子s7-200用户不可缺少的开发工具。现在加上中文程序后，可在全中文的界面下进行操作，用户使用起来更加方便。操作主界面如图5-1所示。5.1.1 STEP7-Micro/WIN简单介绍

3、STEP7-Micro/WIN编程软件的基本功能是协助用户完成应用软件的开发，其主要实现以下功能。在脱机(离线)方式下创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序。在脱机方式时，计算机与PLC断开连接，此时能完成大部分的基本功能，如编程、编译、调试和系统组态等，但所有的程序和参数都只能存放在计算机的磁盘上。在联机(在线)方式下可以对与计算机建立通信关系的PLC直接进行各种操作，如上载、下载用户程序和组态数据等。在编辑程序的过程中进行语法检查，可以避免一些语法错误和数据类型方面的错误。经语法检查后，梯形图中错误处的下方自动加红色波浪线，语句表的错误行前自动画上红色叉，且在错误处加上红色波浪线。对用户程

4、序进行文档管理，加密处理等。以STEP7-Micro/WIN创建程序，为接通STEP 7-Micro/WIN，可双击STEP 7-Micro/WIN图标，或选择开始（Start） SIMATIC STEP 7 Micro/WIN 4.0菜单命令。如图4-1所示，STEP 7-Micro/WIN项目窗口将提供用于创建控制程序的便利工作空间。工具栏将提供快捷键按钮，用于经常使用的菜单命令，可显示或隐藏工具栏的任何按钮。浏览条给出了多组图标，用于访问STEP 7-Micro/WIN的不同编程特性。指令树将显示用于创建控制程序的所有项目对象和指令。可将单个的指令从指令树拖放到程序中，或双击某个指令，以

5、便将其插入到程序编辑器中光标的当前位置。程序编辑器包括程序逻辑和局部变量表，可在其中分配临时局部变量的符号名。子程序和中断程序在程序编辑器窗口的底部均按标签显示。单击标签可在子程序、中断程序和主程序之间来回变换。STEP 7-Micro/WIN提供了用于创建程序的三个编辑器：梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块图（FBD）。尽管有某些限制，在这些程序编辑器的任何一个中编写的程序均可用其它程序编辑器进行浏览和编辑。用的比较多的是梯形图（LAD）编程语言。下面详细介绍梯形图的特点。图5-1 编程软件STEP7-Micro/WIN主界面5.1.2 梯形图语言特点 梯形图是使用得最多的图形编程语

6、言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此，

7、由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。梯形图程序设计语言的特点是：（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（PowerFLow）不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待；（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。5.1.3 STEP7-Micro/WIN参数设置（通讯设置） 我的项目中PLC要与电脑正确通信，安装完STEP

8、7-Micro/WIN编程软件且设置好硬件后，可以按下列步骤进行通讯设置。 （1）在STEP7-Micro/WIN运行时单击通讯图标，或从“视图”菜单中选择选项“通信”，则会出现一个通信对话框（如图5-2所示）。 图5-2 通信参数设置（2）在对话框中双击PC/PPI电缆的图标，将出现PG/PC接口对话框或者直接单击“检视”栏中单击“设置PG/PC接口”也行。如图5-3所示。图5-3 PG/PC接口对话框（3）单击Properties按钮，将出现接口属性对话框，检查各参数的属性是否正确，其中通信波特率默认值为9.6kbps（如图5-4所示）。图5-4 通信参数设置5.2 控制流程图关于流程图图

9、示是否有国际间认同定义，似乎没有一致的定论。以目前微软产品应用最多，当然国际上也有专业的,国内也有些产品，因此我的做法是基础图示，如开始(六角菱型)、过程(四方型)、决策(菱型)、终止(隋园型)掌握著，其它也就自已和别人知道什么意义就可以，当然能自已在流程图面上说明图示定义那就更好，一般是表示原定的程序。不管什么符号，都需要给它定义，定义行为是由制定人予以完成的，要完成这项工作不应该先定义符号代表什么，而应该在做到组织结构或者作业流程心中有数后进行归类，根据归类采用不同的符号加以区分。国际通用的流程图形态和程序:开始(六角菱型)、过程(四方型)、决策(菱型)、终止(椭圆型)在作管理业务流程图时

10、国际通用的形态；方框是流程的描述；菱形是检查、审批、审核(一般要有回路的)；椭圆一般用作一个流程的终结；小圆是表示按顺序数据的流程；竖文件框式的一般是表示原定的程序；两边文件框式的一般是表示留下来的资料数据的存储等等。我制作的控制系统流程图如图5-5所示。大体流程为开机初始化，使用SM0.1开机运行一个扫描周期，进行参数设定，设定液位测量范围，预设0到100%。设定下限液位，预设5%；设定中限液位，预设50%；设定高限液位，预设80%。系统初始化后，进行超声波液位读取，将读取的0到32000的整数，转成液位测量范围的液位，用于控制泵启动和停止。选择自动手动操作模式，选择手动模式，则通过外部的按

11、钮单独启动和停止各个泵。选择自动模式，按启动按钮，启动系统，自动运行指示灯点亮。比较液位，液位低于下限液位，则停止所有泵运行。液位高于下限，高于中限液位，则泵1有故障，启动泵3，泵1无故障，启动泵1。泵1按星三角启动和运行，泵3直接启动。液位高于中限，高于上限液位，则假设泵1有故障，启动泵3，假设泵1无故障，启动泵1；假设泵2有故障，启动泵3，假设泵2无故障，启动泵2。泵1、泵2按星三角启动和运行，泵3直接启动。有故障则进行报警，有急停，则紧急停止系统，进行报警。按停止按钮，结束系统。（如图5-5 控制系统流程图）是启动初始化？否是设定参数超声液位读取转换，比较系统自动运行否开始否故障是是停止

12、否结束报警自动手动手动手动控制自动否水位=中限是否1号水泵排水水位=上限是否1水泵故障否是3号水泵排水1号水泵排水1泵故障否是3号泵排水2号水泵排水2泵故障否是3号泵排水 图5-5 控制系统流程图5.3 PLC梯形图程序1 ORGANIZATION_BLOCK (组织块）主程序:OB1（1）Network 1 开机初始化，调用子程序SBR0，进行参数设定。（2）Network 2 调用子程序SBR1，进行模拟量输入处理，将超声波液位转成工程单位。（3）Network 3 自动运行灯。按启动按钮SB1，I0.0常开触点闭合，Q0.7线圈得电，Q0.7常开触点闭合，进行自锁，启动系统，自动运行指示

13、灯点亮。按停止按钮SB2，I0.1常闭触点断开，则Q0.7线圈失电，停止系统。或者，发生紧急情况，按下紧急停止按钮SB3，I0.2常闭触点断开，则Q0.7线圈失电，紧急停止系统。或者，选择手动模式，I0.3常闭触点断开，则Q0.7线圈失电，自动停止系统。（4）Network 4 故障指示灯。有急停，I0.2为ON；或者检测到水泵1电机故障，I1.2为ON；或者检测到水泵2电机故障，I1.3为ON；或者检测到水泵3电机故障，I1.4为ON；则Q1.0线圈得电，点亮故障指示灯。（5）Network 5 启动1泵。系统启动，Q0.7为ON，检测到超声波液位VD0大于或者等于设定的中限液位VD104，

14、则Q0.0线圈得电，Q0.0常开触点闭合，启动1号泵主接触器，并保持。直到液位低于下限VD100，VD0VD100条件不成立，则Q0.0线圈失电，停止泵1自动运行。或者检测到1号泵电机过载，I1.2常闭触点断开，则Q0.0线圈失电，停止1号泵。或者，检测到有急停，I0.2常闭触点断开，Q0.0线圈失电，停止1号泵自动运行。或者选择手动模式，I0.3常开触点闭合，按手动启动1号泵按钮，I0.4常开触点闭合，则Q0.0线圈得电，Q0.0常开触点闭合，进行自锁，启动1号泵。按下1号泵停止按钮，I0.5常闭触点断开，则Q0.0线圈失电，手动停止1号泵。或者检测到1号泵过载，I1.2常闭触点断开，或者有

15、急停I0.2常闭触点断开，Q0.0线圈失电，停止1号泵手动运行。（6）Network 6 启动2泵。系统启动，Q0.7常开触点闭合，检测到超声波液位VD0大于或者等于设定的上限液位VD108，则Q0.3线圈得电，Q0.3常开触点闭合，启动2号泵主接触器，并保持。直到液位低于中限液位设定VD104，VD0VD104条件不成立，则Q0.3线圈失电，停止2号泵自动运行。或者检测到2号泵电机发生过载故障，I1.3常闭触点断开，则Q0.3线圈失电，停止2号泵自动运行。或者，检测到发生了急停，I0.2常闭触点断开，Q0.3线圈失电，停止2号泵自动运行。或者选择手动模式，I0.3为ON，按手动启动21号泵按

16、钮，I0.6为ON，则Q0.3线圈得电，Q0.3常开触点闭合，进行自锁，启动2号泵手动运行。按下2号泵停止按钮，I0.7常闭触点断开，则Q0.3线圈失电，手动停止2号泵手动运行。或者检测到2号泵过载故障，I1.3常闭触点断开，或者发生急停故障，I0.2常闭触点断开，Q0.3线圈失电，停止2号泵手动运行。（7）Network 7 泵3使能条件，3号泵没有故障，I1.4常闭触点接通，同时没有急停，I0.2常闭触点接通，则M0.0线圈得电，M0.0常开触点闭合，这段程序是为了缩短泵3启动程序长度定义。（8）Network 8 启动3泵。系统自动运行，Q0.7为ON，VD0=VD104，超声波液位大于

17、或者等于设定的中限液位，检测到1号泵故障，I1.2为ON，则Q0.6线圈得电，Q0.6常开触点闭合，因为1号泵故障，启动备用3号泵。直到VD0VD100条件不成立，液位低于或者等于下限液位，则Q0.6线圈失电，停止泵3自动运行。或检测到3号泵电机过载，I1.4常闭触点断开，M0.0常开触点断开，则Q0.6线圈失电，停止3号泵自动运行。或者，检测到发生了急停，I0.2常闭触点断开，Q0.6线圈失电，停止3号泵自动运行。或者系统启动，Q0.7为ON，VD0=VD108，超声波液位大于或者等于设定的上限液位，检查到此时2号水泵电机故障，I1.3常开触点闭合，则Q0.6线圈得电，Q0.6常开触点闭合，

18、启动3号泵自动运行，并保持。直到VD0VD104条件不成立，液位低于或者等于中限液位设定，则Q0.6线圈失电，停止3号泵自动运行。或检测到3号泵电机过载故障，I1.4常闭触点断开，M0.0常开触点断开，则Q0.6线圈失电，停止3号泵自动运行。或检测到发生急停，I0.2常闭触点断开，Q0.6线圈失电，停止3号泵自动运行或者选择手动模式，I0.3为ON，按手动启动3号泵按钮，I1.0常开触点闭合，则Q0.6线圈得电，Q0.6常开触点闭合，进行自锁，启动3号泵手动运行。按下3号泵停止按钮，I1.1常闭触点断开，则Q0.6线圈失电，手动停止3号泵手动运行。或者检测到3号泵发生过载，I1.4常闭触点断开

19、，或者有急停故障，I0.2常闭触点断开，Q0.6线圈失电，停止3号泵手动运行。（9）Network 9 泵1星启动，三角运行，自动运行指示灯。泵1主接触器启动，Q0.0常开触点闭合，启动定时器T37，定时VW120设定时间，定时不到，T37常闭触点闭合，则Q0.1线圈得电，执行1号泵星启动。定时到，则T37常闭触点断开，T37常开触点闭合，则Q0.1线圈失电，停止1号泵星启动，Q0.2线圈得电，执行1号泵三角运行，同时Q1.1线圈得电，点亮1号泵运行指示灯。（10）Network 10 泵2星启动，三角运行，自动运行指示灯。泵1主接触器启动，Q0.3为ON，启动2号泵星启动定时器T38，定时V

20、W120设定时间，T38定时不到，T38常闭触点闭合，则Q0.4线圈得电，执行2号泵星启动。T38定时到，则T38常闭触点断开，T38常开触点闭合，则Q0.4线圈失电，停止2号泵星启动，Q0.5线圈得电，执行2号泵三角运行，同时Q1.2线圈得电，点亮2号泵运行指示灯。（11）Network 11 泵3自动运行指示灯。3号泵启动，Q0.6常开触点闭合，则Q1.3线圈得电，点亮3号泵运行指示灯。（12）Network 12 泵1故障指示灯。检查到1号泵过载故障，I1.2常开触点闭合，则Q1.4线圈得电，点亮1号泵故障指示灯。（13）Network 13 泵2故障指示灯。检查到2号泵发生过载故障，I

21、1.3常开触点闭合，则Q1.5线圈得电，点亮2号泵故障指示灯。（14）Network 14 泵3故障指示灯。检查到3号泵发生过载故障，I1.4常开触点闭合，则Q1.6线圈得电，点亮3号泵故障指示灯。2 SUBROUTINE_BLOCK（子程序） 参数设定:SBR0（1）Network 1 开机初始化，设定水位下限，中限，上限值。比较VD100是否等于0，等于0表示没设定过参数，使用预设的5.0%，不等于0表示设定过参数，不需要进行预设。同样的，设定VD104=50%，设定VD108=80%。（2）Network 2 开机初始化，设定水位测量范围下限，预设0%，设定水位测量范围上限，预设100%

22、。（3）Network 3 开机初始化，设定星启动定时，预设5秒3 SUBROUTINE_BLOCK（子程序） 模拟量读取:SBR1Network 1 水位读取，先将正数转成双整数，然后双整数转成浮点数，然后除以32000，乘以量程，加下限，得水位6 组态设计6.1 通讯定义MCGS组态软件里，打开设备窗口，从设备工具箱中添加通用串口父设备，然后在父设备0下添加西门子_S7200PPI设备。图6-1 添加通用串口父设备0和S7200PPI设备0双击添加的通用串口父设备0，打开通用串口设备属性编辑窗口，点基本属性页面，进行参数设定。设定初始工作状态为1启动，设定最小采集周期设定1000ms，设定

23、串口端口号为0-COM1，设定通讯波特率为6-9600。设定数据位位数为1-8位，设定停止位位数为0-1位，设定数据校验方式为2-偶校验，设定数据采集方式为0-同步采集。图6-2 设定串口父设备0基本属性双击设备0，西门子S7-200 PPI设备，打开设备属性设置窗口，点基本属性页面，进行参数基本设定。设定初始工作状态为1-启动，设定最小采集周期1000ms，设定设备地址为2，设定通讯等待时间500，设定快速采集次数0，设定采集方式0-分块采集。图6-3 设定PPI设备基本参数6.2 变量连接组态中变量的数据类型与一般程序设计语言中的变量比较类似，主要有以下几种:实型变量类似一般程序设计语言中

24、的浮点型变量，用于表示浮点型数据，取值范围10E-3810E+38，有效值7位。离散变量类似一般程序设计语言中的布尔变量，只有0，1两种取值，用于表示一些开关量。字符串型变量类似一般程序设计语言中的字符串变量,可用于记录一些有特定含义的字符串，如名称，密码等，该类型变量可以进行比较运算和赋值运算。字符串长度最大值为128个字符。整数变量(LONG)类似一般程序设计语言中的有符号长整数型变量(32位)，用于表示带符号的整型数据。变量连接在设备0，西门子S7-200 PPI设备属性设置里，点基本属性页面，点设置设备内部属性，打开西门子_S7200 PPI通道属性设置，点增加通道按钮，添加数据通道，

25、添加I输入，属性只读；添加内存M，属性读写；添加Q输出，属性读写；添加V内存数据，属性读写。图6-4增加通道添加完数据通道，点确定按钮，添加通道完成。然后打开设备属性设置，点通道连接页面，进行变量地址跟名称进行连接。图6-5 变量连接通道变量名称连接完成后，点确定按钮，添加变量到实时数据库，完成后的实时数据库如下。图6-6 实时数据库6.3 组态画面建立监控画面，建立排水模型，插入插入水泵电机1、2、3、，插入水泵1、2、3，插入各阀门，插入管道。建立启动按钮，停止按钮，自动手动选择开关，急停开关。建立自动运行指示灯，故障指示灯。建立各泵手动启动，停止按钮，建立各泵电机主接触器运行指示灯，星启

26、动指示灯，三角运行指示灯，故障指示灯等。建立液位测量范围上下限设定输入框，建立液位高、中、低设定输入框，建立液位显示。建立画面切换按钮，用于切换画面。建立连接变量，建立动画。图6-7 连接PLC监控画面建立报警画面，插入报警控件，顶部建立报警测试按钮。图6-8 报警画面建立实时曲线画面，插入实时曲线控件，用于显示液位实时曲线。图6-9 实时曲线画面建立历史曲线画面，插入历史曲线控件，用于显示液位历史曲线。图6-10 历史曲线画面7 系统测试和仿真仿真系统可以使用S7200 SMART仿真软件设计，进行测试，在没有PLC的情况下，使用仿真软件进行基本的功能测试，检查程序，及时修改错误，并且可以缩

27、短调试时间。编程完成，进行编译，编译无错误无报警，导出AWL程序。打开仿真软件，点程序菜单，载入程序，选择导出的AWL程序。双击PLC选择CPU226，然后双击扩展模块0，选择EM231，完成后如下图。开始系统停止，STOP红色指示灯点亮。图7-1 仿真软件初始画面点顶部的绿色启动按钮启动PLC，PLC启动，观察到红色STOP灯熄灭，绿色RUN灯点亮。进行初始化，设定参数。图7-2 启动PLC点启动按钮SB1，I0.0为ON，观察到Q0.7点亮，监控程序Q0.7线圈得电，自动运行指示灯点亮，启动系统。图7-3 启动系统模拟水位上升，拖动模拟量AI0，变成4.51V，观察到Q0.0点亮，Q0.1

28、点亮，Q1.1点亮，泵1主接触器启动，泵1星三角接触器启动，泵1运行指示灯点亮。启动泵1星启动。图7-4 泵1星启动监控程序，Q0.0线圈得电，Q0.0常开触点闭合，进行自锁，启动泵1，并保持运行。图7-5 启动泵1监控程序，观察到泵1启动，Q0.0常开触点闭合，启动定时器T37，定时VW120设定时间，设定5秒（就是50），当前定时为26（就是2.6秒）定时不到，T37常闭触点闭合，Q0.1线圈得电，执行泵1星启动。图7-6 泵1星启动泵1星启动定时到，T37常开触点闭合，常闭触点断开，Q0.1线圈失电，Q0.2线圈得电，执行泵1三角运行。图7-7 泵1三角运行模拟水位继续增加，拖动AI0，

29、变成7.54V，观察到Q0.0点亮，Q0.2点亮，Q1.1点亮，泵1保持三角运行；Q0.3点亮，Q0.4点亮，Q1.2点亮，启动泵2星启动。图7-8 泵2星启动监控程序，观察到启动定时器T38，定时到27（2.7秒），不到设定VW120的（5秒），T38常闭触点闭合，Q0.4线圈得电，启动泵2星启动。图7-9 泵1运行泵2星启动T38定时时间到，T38常闭触点断开，T38常开触点闭合，Q0.5线圈得电，启动泵2三角运行。图7-10 泵1泵2运行模拟泵2故障，点I1.3为ON，观察到Q0.3，Q0.5，Q1.2熄灭，泵2停止，Q0.6点亮，启动泵3，Q1.3点亮，泵3自动运行指示灯点亮，Q1.5

30、点亮，泵2故障指示灯点亮。图7-11 泵2故障启动泵3模拟水位降低，拖动AI0，例如变成3.54V，观察到Q0.6熄灭，停止泵3，Q1.3熄灭，泵3自动运行指示灯熄灭。只Q0.0点亮，Q0.2点亮，泵1保持运行。图7-12 水位降低执行泵1运行模拟水位继续降低，拖动AI0，例如为0.38V，则Q0.0熄灭，Q0.2熄灭，Q1.2熄灭，停止泵1。图7-13 水位降低泵1停止其他动作仿真也是类似，不再累述。结 论在刘爱萍老师和同学们的帮助下，我终于完成了基于PLC的煤矿排水系统的设计，本设计采用西门子的S7-200 小型可编程控制器，外加EM231模拟量输入扩展模块，使用三台水泵进行排水，其中二台

31、工作，一台备用。通过超声波液位传感器检测液位，根据实时监测的液位，比较设定的液位下限，中限，和上限，控制水泵启动和启动台数。虽然对这次的设计认真对待，但仍存在很多的不足，例如液位传感器可以采用2套不同的传感器，例如增加投入式液位传感器，进行备份，仿真超时液位传感器故障，导致不能使用系统。另外为了简化系统，没有考虑轮询启动，有可能导致1号泵运行时间过长。另外为了简化系统，也没有考虑峰平谷用电问题，用电成本较高。另外可以考虑增加上位机或者触摸屏显示，方便操作，直观灵活，可随时查询历史数据和实时数据，历史报警和实时报警，进行上位机控制。通过这次设计我也发现自己的很多不足之处。在设计过程中我发现自己考

32、虑问题很不全面，自己的专业知识掌握的很不牢固，所掌握的计算机应用软件还不够多，我希望自己的这些不足之处能在今后的工作和学习中得到改善。而且，通过这次设计，我懂得了学习的重要性，学会了坚持和努力，这将为以后的工作、学习做出了最好的榜样！ 参考文献郑晟、巩建平、张学.现代可编程序控制器原理与应用.科学出版社，2017.顾永辉、范廷瓒.煤矿电工手册修订版.煤炭工业出版社，2018.庄宗元.AutoCAD使用教程.徐州：中国矿业大学出版社，2018.郁有文、常健、程继红.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社，2017侯友夫、张景松.流体力学与流体机械.中国矿业大学出版社，2019.孙尚勇.流体力学与流体机械.煤炭工业出版社，2018.齐允平.矿山流体机械.煤炭工业出版社，2017.张广龙、史丽萍. 矿井中