《基于PLC的花盆缺水浇水系统设计报告【8000字】》

基于PLC的花盆缺水浇水系统设计报告目录TOC\o"1-3"\h\u217621引言 引言花的生长需要合适的水分，如果水分过多，会妨碍花的生长，严重的可能还会淹坏花，如果水分过低，花得不到足够的水分，又会影响其生长，因此，如果设计出花生长需要的水分报警器系统，就可以很好的解决花生长所需水分的问题。本文主要是完成花盆缺水报警器系统设计，设计主要包含报警系统的总体设计、系统的硬件设计以及系统的软件设计，最后是系统的组态设计。通过本文的设计能够达到传感器检测水位，然后判断水位的高低，对于水位低的情况，系统报警器响，发出警报，然后这个时候可以给花盆浇水，从而达到花盆生长所需要的合适水位。2系统总体方案设计2.1总体方案设计本次花盆缺水报警器系统带PID回路调节的PLC控制方式，变频器在此模式下的作用是为电动机提供变频电源。实施电动机的无级调速，使管网中的水压连续变化。当使用带有开关输入和输出以及PID控制回路的可编程控制器时，其成本与带有模拟输入和输出的可编程控制器的成本相似。因此，在变频调速控制和恒压供水控制的控制中，PID控制信号的产生和输出已经成为降低供水系统成本的关键要素。图2.1系统总体设计方案2.2系统的构成图2.2系统构成图如图2.2所示，整个系统由三个水泵，一个变频器，一个PLC，一个压力传感器和几个辅助组件组成。从原理框图可以看出，花盆缺水报警系统由执行器、信号识别、控制系统、人机界面和报警装置组成。（1）执行机构执行器由一组水泵组成，这些水泵为花盆缺水系统供水。图2.3中的三个水泵分为两种类型：调速泵：它是由变频器控制的水泵，可以通过频率进行设置。用于根据用水量的变化来改变电动机的转速，以维持系统的水压。恒速泵：泵仅在工频状态下运行且速度恒定。当耗水量增加且调速泵的最大供水能力不足时，可用于定量补充供水。（2）信号检测系统控制器必须记录以下信号：自来水压力信号和警报信号：1）水压信号：它反映管道网络的水压值，是控制恒压供水的主要反馈信号。2）报警信号：指示系统是否正常运行，泵电机是否过载以及变频器是否异常。该信号是切换信号。（3）控制系统供水控制系统通常安装在供水控制柜中，该控制柜包括三个部分：供水控制器（PLC系统），变频器和电气控制装置。（4）人机界面人机界面是人与机器交换信息的地方。通过人机界面，用户可以更改设定压力并更改某些系统设置，以满足不同过程的需要。同时，用户可以通过人机界面了解系统的一些运行状况和设备的工作状态。人机界面还可以监视系统的进行过程并显示警报。（5）通讯接口通信接口是系统的重要组成部分。该系统可以通过该接口与组态软件和其他监控系统交换数据。同时，现代先进的网络技术可以通过通信接口应用于系统，例如系统的远程诊断和维护。（6）报警装置作为控制系统，警报是必不可少的重要组成部分。由于该系统主要是用来补给植物缺水所需的水分，因此为了确保系统安全，可靠和稳定地运行，请避免电动机过载，变频器警报，电网波动过大，供水源中断，出水压力过大，泵站溢流等。因此，系统需要监视各种警报，PLC将确定警报类别，显示操作控制并加以保护，以避免不必要的损失。2.3工作原理关闭空气开关，供水系统将开始运行。将手动和自动开关设置为自动，系统将进入全自动模式。PLC中的程序首先打开KM6，然后启动变频器。根据压力设定值和实际压力值，PID设定值的偏差并将频率信号输出到变频器。2.4主电路接线图电机有两种工作模式：工频运行和变频运行。KM1、KM3、KM5是控制接触器，它们在电动机M1、M2和M3以工频运行时接通。KM0、KM2和KM4是控制接触器，它们在电动机M1、M2和M3以可变频率运行时接通。热继电器（FR）是一种保护电路，它利用电的热效应原理工作。它用于电路中以防止电动机过载。保险丝（FU）是电路中的一种简单的短路保护装置。在使用中，超过允许值的电流产生的热量会使连接到主电路的熔体熔化并使电路断开，以防止电气设备发生短路和严重过载。图2.3主电路图3系统硬件设计3.1PLC的选型3.1.1简介PLC可编程控制器是在1960年代末期在继电器系统上开发的，简称为可编程逻辑控制器（PLC）。可编程控制器的生产和开发与继电器控制系统有着良好的关系。继电器是一种电磁开关，它使用弱电流信号来控制强电流信号。但是，在复杂的控制系统中，很难发现和纠正错误，并且不适用于过程要求发生变化的情况。图3.1PLC的硬件结构框图可编程逻辑控制器接管了计算机的设计思想，最初主要用于序列控制，并且只能执行逻辑运算。随着微电子技术，计算机技术和通信技术的发展以及对工业自动化控制的需求的不断增长，PLC在功能、速度、智能模块和网络通信方面已经有了显著改善。像所有设备一样，PLC本身也有其局限性：它无法向操作员显示动态的设备状态参数，并且不能存储和转换大量数据，尤其是在系统过程发生变化时，不方便快速更改相关参数和公式。因此，在当今更为复杂的控制系统中，PLC通常与工业控制计算机结合使用以实现完整的控制功能。3.1.2PLC的特点现代可编程控制器不仅可以实现对开关量的逻辑控制，而且还具有诸如数学运算、数学处理、运动控制、模拟PID控制和通信网络之类的功能。在发达国家，可编程控制器已广泛应用于所有行业，其应用已扩展到包括楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。总之，可编程控制器具有以下优点：（1）编程方法简单易学；（2）功能强大，性价比高；（3）硬件齐全，易于使用且适应性强；（4）无接触，无接线，可靠性高，抗干扰能力强；（5）减少系统设计，安装和调试的劳动力；（6）维护成本低，维护方便；（7）体积小，功耗低。3.1.3PLC的工作过程图3.2PLC的扫描工作过程在系统软件的控制和命令下，PLC接管循环顺序扫描的工作模式，工作过程就是程序的执行过程。它分为三个阶段：输入扫描，程序执行和输出更新，如图3.2所示。PLC在I/O处理方面必须遵循的规则如下：（1）映像寄存器中的数据输入取决于最后更新时间输入连接器板的状态；（2）如何执行程序取决于用户创建的程序以及存储在输入图像寄存器和组件图像寄存器中的所需软组件的状态；（3）输出映射寄存器（包含在组件映射寄存器中）的状态由输出指令的执行结果决定；（4）输出锁存器中的数据由最后更新时输出图像寄存器的状态决定；（5）输出端子的输出状态由输出锁存器中的状态决定。3.1.4PLC的选型水泵M1、M2、M3可以变频或工频运行，需要6个PLC输出点。PLC的1个输出点用于变频器的运行和关闭，并且需要1个输出来控制变频器使电动机正转，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。本次PLC选型为三菱FX-232。3.1.5PLC的接线图3.3PLC的接线图Y0连接到KM0以控制M1的变频运行，Y1连接到KM1以控制M1的工频运行，Y2连接到KM2以控制M2的变频运行，Y3连接到KM3至M2的控制工频运行，Y4连接到KM4以控制M3的变频运行，而Y5的连接到KM5控制M3的线路频率运行。3.2变频器选型3.2.1变频器的构成通常，变频器的主电路（IGBT，BJT或GTO作为变频器组件）为异步电动机提供电压和频率电源。该电源输出的电压或电流和频率由控制回路的控制命令控制。控制命令是根据外部操作命令计算的。图3.4变频器的构成（1）主电路为异步电动机提供电压和频率电源的功率转换部分称为主电路。图3.5显示了典型电压变频器的例子，其主电路由三部分组成。将工频电源转换为直流电的“整流器”，在整流和逆变期间会产生电压脉动“平波回路”和“变频器”将直流电转换为交流电。当需要制动异步电动机时，有时会添加“制动回路”。图3.5典型的电压型变频器一例（2）控制电路将控制信号提供给异步电动机主电路（电压和频率可调）的电路称为控制电路。如图3.5所示，控制电路包括以下电路：频率和电压“计算电路”，主电路“电压/电流检测电路”，电动机“速度检测电路”，用于放大计算电路“驱动电路”和“保护电路”的变频器和电动机控制信号。在图3.5中的虚线中，如果仅使用控制电路A构成控制电路，则没有速度检测电路，这是一个开环控制。速度检测电路添加到控制电路的B部分，即添加了速度命令，可以更精确地控制异步电动机的速度。3.2.2变频器的特点变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路、失速等自动保护功能。能实现电机软起动，减小电气和机械冲击噪音，延长设备使用寿命。花盆缺水报警系统主要有以下几个特点：（1）节能：变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%-60%，这一特点已被广大用户所认识。（2）占地面积小，投人少，效率高：设备结构紧凑、占地面积少、维护方便、维护费用低、投资省、安装快。（3）配置灵活，功能齐全，自动化程度高。（4）通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力。3.2.2变频器的选型根据设计的要求，本系统选用FR-A540系列变频器，如下图所示：图3.6FR-A540的管脚说明3.2.3变频器的接线STF引脚连接到PLC的Y7引脚，以控制电动机的正向旋转。X2连接到变频器的变频器接口，X3连接到变频器的OL接口。当PLC增加泵和减少泵控制信号时，频率检测上/下限信号通过OL和FU输出到PLC的X2和X3输入端子。图3.7变频器接线图3.3PID调节器选型仅通过P动作控制不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，通常使用I效果增强的PI控制。通过使用PI控制，可以消除因更改目标值而引起的偏差以及频繁的外部干扰。但是，如果I动作过强，则对快速变化偏差的反应会变慢。P动作控制只能用于带有集成元件的负载系统。通过I动作消除偏差，D动作抑制振动与P动作并用，构成PID控制，在本系统中使用该方法。PID控制优于其他组合控制效果，基本上可以实现无偏差，高精度和系统稳定的控制过程。此控制方法用于从偏差到响应需要一定时间的负载系统（即实时要求不高，工业过程控制系统通常是此类系统，并且该系统也更适合PID调节）。图3.8PID控制框图控制变量（反馈变量）由受控对象的传感器记录，并与目标值（温度，流量，压力等设定值）进行比较。PID控制的两种主要控制形式通常用于恒压供水中：（1）硬件类型：它是通用PID控制器，使用时只需连接电路并设置P、I、D参数和每日默认值即可。（2）软件类型：使用离散PID控制算法将PID控制器设置为可编程控制器。这次使用基于硬件的控制表单。根据设计要求，该系统的PID控制器内置在变频器中。图3.9PID控制接线图3.4压力传感器的接线图压力传感器使用绝对压力传感器CY-YZ-1001。传感器采用压阻硅效应原理，以实现压力测量的力-电转换。该传感器由一个敏感芯和一个信号调节电路组成。向传感器施加压力时，敏感磁芯中硅芯片上的惠斯通电桥的输出电压会发生变化。信号调节电路放大输出电压信号并执行同时处理。由于温度补偿和非线性补偿，传感器的电气性能符合技术指标的要求。该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3V（DC）。图3.10压力传感器的接线图4系统软件设计4.1PLC控制PLC在系统中的作用是控制交流接触器组在工频—变频转换之间进行切换，并调节泵的数量。工作流程如图4.1所示。图4.1PLC程序流程图启动系统后，检查它是处于自动还是手动操作模式。如果是手动操作模式，则执行手动操作。用户根据他们的需要来操作适当的键，并且系统根据这些键来执行适当的键。当处于自动操作模式时，系统根据程序和相关的输入信号执行适当的操作。手动模式主要用于解决系统故障或设备问题。在自动运行模式下，当PLC接收到上限频率信号时，它将运行泵增加程序以增加泵的数量。当PLC接收到下限频率信号时，它将运行泵减少程序以减少泵的数量。保持当前的运行状态而不接收信号。4.1.1手动运行为了在电网频率电压的反冲从频率切换到电网频率时保护逆变器，使用时间继电器来延迟转换。如果压力太高，则可以手动按SBn（n=2，4，6）按钮以运行频率的频率关闭电动机，并同时启动电动机频率转换过程。根据需要按住不同引擎的启动和停止按钮。可以手动启动三个泵，一个接一个地手动停止。此方法仅适用于自动故障情况。4.1.2自动运行PLC控制特定电动机的电源频率和变频继电器。设置条件后，泵增加而压力降低。4.2编程及介绍4.2.1总程序的顺序功能图系统分为自动运行和手动运行两部分。图4.2总程序的顺序功能图4.2.2自动运行顺序功能图按下SB8按钮，系统切换到自动运行模式，顺序功能图如图4.3所示。图4.3自动运行顺序功能图4.2.3手动模式顺序功能图按下SB9按钮时，系统将更改为手动操作模式。系统的每个步骤都必须具有相应的操作。流程功能图如图4.4所示。图4.4自动运行顺序功能图4.2.4程序说明（1）自动运行部分。起动1#泵按下起动按钮，系统检测采用那种运行模式。如果按钮SB7没按，则使用自动运行模式。变频起动1#水泵。起动1#，2#泵：接收到变频器上限信号，PLC通过这个上限信号后将1#水泵由变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。起动1#，2#，3#泵：再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。起动1#泵：接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。起动1#，2#泵：输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启KM3，2#水泵变频起动。起动1#泵：接到下限信号关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。（2）手动运行部分按下手动起动按钮SB10，手动起动变频器。按下SB2，断开KM0的连接，并在经过10次计数后启动M1以使用变频电源。按下SB4，断开KM2的连接，并在经过10次计数后重新启动M2以在变频电源上运行。按下SB6，断开KM4，在10个计数后启动M3，然后以变频电源驱动。按SB1，断开KM1，在经过10次计数后重新启动M1，以工频电源运行。按下SB3，断开KM3的连接，并在经过10次计数后重新启动M2以工频电源运行。按下SB5，断开KM5，在10个计数后启动M3，并以工频电源驱动。（3）公用部分当热继电器断开系统报警。电机只能在一种频率下运行，当电机工频/变频同时打开时将发出警报且电机停止运行。辅助继电器M1，M2，M3，…M9依次控制输出继电器Y0，Y1，Y2，…Y10按下停止按钮，所有泵停止运行。5MCGS组态软件5.1MCGS组态软件MCGS（监控生成系统）通过收集和处理现场数据，动画显示，警报处理，过程控制和报告输出，为用户提供针对实际技术问题的解决方案。它具有广泛的自动化功能，广泛应用于应用领域，功能齐全，便于项目设计。MCGS提供了多种解决技术监视问题的方法。从设备的控制（数据采集）到数据处理，报警处理，过程控制，动画显示，报告输出，趋势显示和其他链接，快速提供了广泛的功能组件。关闭监视程序的设计和操作以进行最简单的工程设计项目。5.1.1MCGS组态软件的整体结构MCGS配置软件（以下简称MCGS）由两个系统组成：“MCGS配置环境”和“MCGS操作环境”。这两个部分是独立且密切相关的。图5.1MCGS组态软件的整体结构MCGS配置环境是用于生成由可执行程序McgsSet.exe支持的用户应用程序系统的工作环境，该可执行程序McgsSet.exe存储在MCGS目录的Program子目录中。用户完成MCGS配置环境中的所有配置工作后，例如：动画设计、设备连接、写入控制流、创建项目打印报告等，该项目文件的扩展名为.mcg，也称为配置结果数据库，并且与MCGS关联。操作环境共同构成了用户应用程序系统，统称为“工程”。5.1.2MCGS工程的五大部分图5.2MCGS的工程组成5.2建立界面5.2.1建立窗口（1）在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。（2）选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。（3）将窗口名称改为：花盆缺水报警系统；窗口标题改为：花盆缺水报警系统；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。（4）在“用户窗口”中，选中“花盆缺水报警系统”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。5.2.2定义数据对象实时数据库是MCGS项目的数据交换和数据处理中心。数据对象是构成实时数据库的基本单元，而建立实时数据库的过程则是定义数据对象的过程。定义数据对象的内容主要包括：指定数据变量的名称，类型，初始值和值的范围以及确定与数据变量的存储有关的参数，例如保存周期，保存时间范围和保存期限。以数据对象“水泵”为例，介绍定义数据对象的步骤：（1）在工作台中，单击“实时数据库”窗口名称以打开实时数据库的窗口。（2）单击“新建对象”按钮，并将新的数据对象添加到窗口中的数据对象列表中。系统定义的默认名称为“Data1”，“Data2”，“Data3”等。（3）选择对象，然后单击“对象属性”按钮或双击所选对象以打开“数据对象属性设置”窗口。（4）将对象名称更改为：水泵1；选择对象类型：开关类型；在输入字段中输入有关对象内容的注释的以下内容：“控制泵启动和停止的变量”，然后单击“确定”。5.3编辑界面5.3.1编辑画面选中“花盆缺水报警系统”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。图5.3编辑界面5.3.2对象元件的选择单击绘图工具箱中的（插入元件）图标，弹出对象元件库管理对话框，如图5.4所示：图5.4对象元件库管理如上所示，在元件库中找到所需的元件组成下图5.5所示的画面。图5.5监控界面5.4MCGS与PLC之间的连接MCGS通过主机上的串行端口设备和PLC中的通信单元（编程端口）建立串行通信链接，以达到操作PLC设备的目的。PLC的标准设置是仅支持RS232通讯。因此，如果要使用RS485通讯协议，则需要事先与RS232（即PLC的编程端口）进行通讯，并设置PLC寄存器D8120。本次设计，MCGS通过监视计算机的串行RS-232接口读取PLC存储区中的数据，并与PLC建立连接。MCGS的结构使其成为“独立于设备”的系统。对于不同的硬件设备，需要做的就是自定义适当的设备组件，将它们放置在设备窗口中并设置相关属性，系统可以在不更改整个系统结构的情况下执行和运行。5.4.1添加PLC设备FX-232设备必须连接到串行接口的上级设备，并且串行接口的上级设备位于常规设备组件中。串行接口的上级设备用于设置通信参数和通信端口。通信参数必须与PLC设置匹配。否则将无法进行通讯。（1）在“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。（2）点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱”。（3）单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮，弹出如图5.6所示窗口：图5.6设备管理窗口（4）在可选设备列表中双击“常规设备”。（5）双击“用于串行通讯的父设备”。上级串行通信设备的图标如下所示。（6）双击串行通信父设备图标，将串行通信父设备添加到右侧的所选设备列表中。（7