变频器+触摸屏-PLC编程综合实训

PAGE78变频器+触摸屏-PLC编程综合实训项目实训指导书PLC＋变频器＋触摸屏综合实训（内部资料）吴尚庆 编广西工业职业技术学院电子与电气工程系过程自动化教研室2007.9目录前言………………………2模块一实训的目的、要求和参考题目…………3

一、实训的目的………………………3

二、实训的内容及要求………………3三、实训的工作量……………………4四、考核方法、考核内容及成绩评定………………4五、实训的参考题目…………………5模块二控制系统设计的一般过程………………9

一、系统设计原则……………………9

二、系统设计步骤………………………9模块三 控制方案确定………………14一、预备知识…………………………14二、确定控制方案……………………17模块四 电气原理图绘制…………19一、预备知识…………………………19二、绘制电气原理图…………………23三、选择低压电器……………………23模块五 控制程序编写………………28一、预备知识…………………………28二、编写控制程序……………………35三、调试控制程序……………………36模块六 控制柜安装…………………37一、安装低压电器……………………37二、控制柜接线………………………37模块七 系统调试……………………39一、检查线路…………………………39二、排除故障…………………………39三、通电调试…………………………39附录Ⅰ电气图常用图形符号……………………41附录Ⅱ常用低压电器技术数据…………………45前言PLC作为先进的、应用势头最强的工业控制器已风靡全球；变频器作为交流电动机的驱动器，广泛应用于现代的工业生产和民用生活中；而使用触摸屏进行监控操作是现代工业控制的常用手段。《PLC、变频器、触摸屏综合实训》体现了技术的综合性、现代性和现场性，对于在校学生的专业知识学习和专业技能的锻炼有极其重要的意义。PLC技术、变频技术、传感器技术、低压电气控制技术和组态控制技术是我校的机电专业、电气专业、电控专业和计控专业的专业核心课程。这些课程在我校已连续开课多届，已有广泛的应用基础，现在通过项目把多门专业课程有机的结合起来，培养学生专业能力和综合素质，效果是十分显著的。这在我校的多年实践中得到了证实。《PLC、变频器、触摸屏综合实训》以学生小组为单位进行，实训中能培养学生的交流、分工、合作、计划、组织、协调、检验和评价能力。在教学过程中，学生要通过阅读教材和相关技术资料来明确项目内容、项目要求和项目实施方法，需要在项目的总体实施计划下，确定操作步骤与操作方法。要先确定总控制方案并分工，然后绘制电气原理图，再安装控制箱，同时要设计PLC控制程序、设置变频器参数及触摸屏监控画面组态等。在具体的实训中又要进行工具、器材的准备，掌握工具使用和器材的安装与检测方法，而且还要进行安全操作、要进行问题分析并选择出解决方案等。在实训中，除了教师的指导外，更强调学生的自学、动手和以讨论的方式解决问题。本书适用于PLC、变频器、触摸屏的相关实训和实践课程，具体可根据教学需要进行选择或改动内容。模块一实训的目的、要求和参考题目一、实训的目的《PLC、变频器、触摸屏综合实训》是我校的机电专业、电气专业、电控专业和计控专业教学中最后一个实践性教学环节。是在学生学完技术基础课和专业课，特别是《PLC技术》和《变频技术》课程之后进行的。是培养学生理论联系实际、解决生产实际问题能力的重要步骤，它为后续的毕业设计作必要的准备。《PLC、变频器、触摸屏综合实训》是以PLC和变频器控制系统应用和设计为主线，通过对具体控制系统设计总体方案的拟定，控制系统硬件电路的设计、安装以及控制程序的编写，使学生综合运用PLC技术、变频技术、传感器技术、低压电气控制技术和组态控制技术等各方面知识，把多门专业课程有机的结合起来，进行一次全面的训练。从而培养学生综合技术能力和综合素质。二、实训的内容及要求实训要求学生在全面了解PLC、变频器、触摸屏的使用和控制系统设计过程的基础上，完成以下内容：1、控制系统设计①控制系统方案的确定及框图绘制。②PLC、变频器、触摸屏和低压电器元件的选型。③设计绘制控制系统电路原理图。④设计控制柜的元件布局。⑤编写PLC控制流程及控制程序。⑥设置变频器的控制参数。⑦设计触摸屏的控制组态。2、控制系统安装和调试①在控制柜进行安装及接线。②编写调试流程。③调试硬件电路和软件程序。三、实训的工作量1、图纸部分①控制系统电路原理图(A3或A4图纸一张)。②制柜的元件布局图(A3或A4图纸一张)。③控制流程(A3或A4图纸一张)。④调试流程(A3或A4图纸一张)。2、说明书部分说明书是实训的整个设计过程的叙述说明，应包括以下内容：①题目和控制要求。②控制系统总体方案的分析及控制框图。③硬件电路设计说明。④PLC控制程序、变频器参数和触摸屏组态设计说明。⑤系统调试说明。⑥总结。说明书应不少于2000字。四、考核方法、考核内容及成绩评定1、考核内容学生接到实训题目以后，首先必须仔细阅读本指导书的内容，以求对设计的内容和要求有一全面系统的了解，并收集相关资料，然后再按照指导书的步骤逐项进行，应避免在没有消化理解资料的情况下生搬硬抄。2、考核方法学生在完成实训的每一项之后，必须由指导教师审核。3、考核评定学生完成全部实训后，统一由指导教师对学生完成综合作业的情况，以及对下述考核内容掌握情况评定成绩。①控制柜中各电器元件的名称、功能及选用。②控制电路的互锁和自锁环节。③PLC与变频器的电路连接原理。④PLC程序的控制流程。⑤变频器功能设置的关键参数。⑥触摸屏与PLC的通信及变量的连接。⑦软件程序和硬件电路配合情况。⑧系统调试的要点。⑨控制柜的安装及接线情况。4、评分标准实训成绩分优秀、良好、中等、及格和不及格五级分制。各级评分标准如下：优秀：实训内容完整。按期完成任务。控制系统设计方案正确可行，论证充分。控制系统硬件线路设计合理，选用元器件完全正确。控制柜的安装接线美观可靠。设计说明书整齐通顺、有条理，图面整洁，质量高。考核时对各部分考核点理解深透，能正确全面地回答问题。良好：实训内容完整，按期完成任务。控制系统设计方案可行，论证较好。硬件电路设计合理，选用元器件正确。控制柜的安装接线整齐可靠。说明书较通顺、整齐，图面整洁、质量较高。考核时对各部分考核点理解较好，回答问题比较正确全面。中等：实训内容完整，按期完成任务。控制系统设计方案基本正确，论证一般。硬件电路设计基本合理，选用元器件基本正确。控制柜的安装接线可靠，且较整齐。说明书和图面较整洁、质量尚好。考核时，对各部分考核点问题有一定的理解，经提示后能正确回答问题。及格：基本完成实训规定的内容。方案选择和硬件电路设计无原则性错误，控制柜的安装接线可靠。说明书和图面比较粗糙，质量一般，存在一些错误，但主要部分基本符合要求，对考核点列出的问题理解不够，经提示后只能回答部分主要问题。不及格：没有按期完成实训规定的内容，方案选择有原则性错误，硬件电路设计和图纸有重大错误。控制柜的安装接线不可靠。对考核点所列出的主要问题不能回答经提示后回答仍不正确。若发现有别人代作，取消参加考核的资格。五、实训的参考题目1、多泵切换恒压供水系统MM440PLCMM440PLC触摸屏①用转换开关实现手动、自动的切换。②手动时由按钮分别控制2台电机的启动、停止。③自动时，变频器一控二异步切换，先用变频器控制M1启动调速，当变频器达到50HZ时延时1分钟水压力还在下限，把M1切换到工频运行，而变频器控制M2启动调速；压力上升，当压力到达上限，延时30秒钟水压力还在上限，电机M1停机；当压力降至下限时，又使电机M2频率为50HZ，延时1分钟水压力还在下限，把M2切换到工频运行，而变频器控制M1启动调速。如此反复使水压恒定。停止时，M1和M2同时停机。④自动时，可用触摸屏来控制启动和停止，并能直接设置管道的压力值。2、储水器水位控制系统在锅炉及许多其他的工业设备中，常采用部分供水方式。即是：用水泵将水泵人一个位置较高位的储水器中(水塔、水箱等)，然后向低水位的用户供水。这时，须对储水器中的水位进行控制，如图所示。利用水的导电性能来取得信号的：当两根金属棒都在水中时，它们之间是“接通”的；当两根金属棒中只有一根在水中时，它们之间便是“断开”的。其中，1号棒用作为公共接点，2、3、4号棒分别用于控制不同的水位。现在控制要求如下：1）用转换开关实现手动、自动的切换。2）手动时由按钮分别控制电机的启动、停止。3）自动时，通过变频调适当降低书泵的转速以达到节能的目的。①在正常情况下，水泵以较低转速nL运行，水位被控制在3号棒LL1和4号棒LH之间。②如果在用水高峰期，水泵低速nL运行时的供水量不足以补充用水量，则水位将越过3号棒LL1后将继续下降。当水位抵于2号棒LL2时，上水泵的转速提高至nH，以增大供水量，阻止水位的继续下降。③当水位上升至3号棒LL1以上时，经适当延时后又可将转速恢复至低速nL运行。④当水位达到上限水位LH时，则关闭水泵，停止供水。4）自动时，可用触摸屏来控制启动和停止，并能直接显示水位情况和水泵的速度。3、中央空调控制系统下图是中央空调系统框图，控制要求如下：①启动过程：风机启动冷却泵启动冷冻泵启动压缩机启动。②停机过程：压缩机停止冷冻泵停止冷却泵停止风机停止。③四台电机分手动/自动控制。④自动时，冷冻泵采用变频调速，冷冻水出水温度为70℃，回水温度为120℃；当温控器检测出冷冻水回水温度大于120℃⑤自动时，可用触摸屏来控制启动和停止，并能直接显示水泵的速度。 模块二 控制系统设计的一般过程一、系统设计原则对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但系统设计的基本原则是一致的。①满足工艺要求。设计的控制系统所达到的性能指标不应低于生产工艺要求，但片面追求过高的性能指标而忽视设计成本和实现上的可能性也是不可取的。②可靠性要高。对工业控制的微机系统最基本的要求是可靠性高。首先要选用高性能的工业控制计算机。其次是设计可靠的控制方案，并具备各种安全保护措施，比如报警、事故预测、事故处理、不间断电源等。为了预防计算机故障，还须设计后备装置。③操作性要好。系统设计时要尽量考虑用户的方便使用，尤其是操作面板的设计，既要体现操作的先进性，又要兼顾原有的操作习惯，控制开关不能太多、太复杂，尽量降低对使用人员专业知识的要求，使他们能在较短时间内熟悉和掌握操作。其次维护容易，一旦发生故障，应易于查找和排除。④实时性要强。微机控制系统的实时性，表现在对内部和外部事件能及时地响应，并作出相应的处理，不丢失信息，不延误操作。⑤通用性要好。硬件设计方面，应采用标准总线结构，且各设计指标要留有一定余量，以便在需要时扩充。软件方面，应采用标准模块结构，尽量不进行二次开发。当设备和控制对象有所变更时或者再设计另外一个控制系统时，只需稍作更改或扩充就可适应。⑥经济效益要高。系统设计的性能价格比要尽可能地高，在满足设计要求的情况下，尽量采用物美廉价的元器件；投入产出比要尽可能地低，应该从提高生产的产品质量与产量、降低能耗、消除污染、改善劳动条件等方面进行综合评估。二、系统设计步骤控制系统的设计过程一般可分为3个阶段：准备阶段、设计阶段、仿真及调试阶段。1、准备阶段要认真阅读任务书，并逐条进行研究。搜集有关资料，查阅参考书籍。初步进行系统总体方案设计，并进行方案可行性论证，论证的主要内容是技术可行性，特别是项目的可测性和可控性。2、设计阶段在此阶段要先进行总体设计，再进行硬件和软件的设计。1）总体设计总体设计就是要了解控制对象、熟悉控制要求，确定总的技术性能指标，确定系统的构成方式及控制装置与现场设备的选择，以及控制规律算法和其他特殊功能要求。①确定系统任务与控制方案，根据系统要求，定采用开环还是闭环控制；闭环控制还需进一步确定是单闭环还是多闭环；进而还要确定出整个系统是采用直接数字控制(DDC)、计算机监督控制(SCC)、分散式控制(DCS)或是采用现场总线控制(FCS)。②确定系统的构成方式，即进行控制装置机型的选择。目前已经生产出许多用于工业控制的微机装置可供选择，如可编程控制器、可编程调节器、总线式工控机、单片微型计算机和分散控制系统、现场总线控制系统等。在以模拟量为主的中小规模的过程控制环境下，一般应优先选择总线式工控机来构成系统的方式；在以数字量为主的中小规模的运动控制环境下，一般应优先选择PLC来构成系统的方式。工控机或PLC具有系列化、模块化、标准化和开放式系统结构，有利于系统设计者在系统设计时根据要求任意选择，像搭积木般地组建系统。这种方式可提高系统研制和开发速度，提高系统的技术水平和性能，增加可靠性。③选择现场设备。主要包含传感器、变送器和执行器的选择。测量各种参数的传感器，如温度、压力、流量、液位、成分、位移、重量、速度等，种类繁多，规格各异；而执行器也有模拟量执行器、数字量执行器以及电动、气动、液动等之分。④确定控制算法。当系统模型确定之后，即可确定控制算法。微机控制系统的主要任务就是按此控制算法进行控制。控制算法的正确与否，直接影响控制系统的调节品质。⑤硬、软件功能的划分。系统设计时，硬、软件功能的划分要综合考虑。用硬件来实现一些功能的好处是可以加快处理速度，减轻主机的负担；而软件实现可降低成本，增加灵活性，但要占用主机更多的时间。一般在满足指定功能的前提下，应尽量减少硬件器件，多用软件来完成相应的功能。如果软件实现很困难，而用硬件实现却比较简单，则用硬件实现功能比较妥当。⑥其他方面的考虑。还应考虑人机界面、系统的机柜或机箱的结构设计、抗干扰等方面的问题。2）硬件设计尽量选现成的总线式工控机系统或者PLC装置，以加快设计研制进程，使系统硬件设计的工作量减到最小。设计者都要根据系统要求选择合适的模板或模块。选择内容一般包括：①根据控制任务的复杂程度、控制精度以及实时性要求等选择主机板(包括总线类型、主机机型等)。②根据AI、AO点数、分辨率和精度，以及采集速度等选A／D、D／A板(包括通道数量、信号类别、量程范围等)。③根据DI、DO点数和其他要求，选择开关量输入输出板(包括通道数量、信号类别、交直流和功率大小等)。④根据人机联系方式选择相应的接口板或显示操作面板(包括参数设定、状态显示、手动自动切换和异常报警等)。⑤根据需要选择各种外设接口、通信板块等。⑥根据工艺流程选择测量装置(包括被测参数种类、量程大小、信号类别、型号规格等)。⑦根据工艺流程选择执行装置(包括能源类型、信号类别、型号规格等)。3）软件设计用工控机或PLC来组建微机控制系统不仅能减小系统硬性设计工作量，而且还能减小系统软件设计工作量。一般它们都配有实时操作系统或实时监控程序以及各种控制、运算软件和组态软件等，可使系统设计者在最短的周期内开发出应用软件。程序编制顺序应是先模块后整体。软件设计应考虑以下几个方面。①编程语言的选择。组态语言是一种针对控制系统而设计的面向问题的高级语言，它为用户提供了众多的功能模块。系统设计者只需根据控制要求，选择所需的模块就能十分方便地生成系统控制软件，因而软件设计工作量大为减小。②数据类型和数据结构规划。系统的各个模块之间要进行各种信息传递，也即各接口参数的数据结构和数据类型必须严格统一规定。数据可分为逻辑型和数值型。③资源分配。系统资源包括ROM、RAM、定时器／计数器、中断源、I／O地址等。④程序设计的方法。可采用模块化程序设计方法，即是把一个较长的程序按功能分成若干个小的程序模块，然后分别进行独立设计、编程、测试和查错之后，最后把各调试好的程序模块连成一个完整的程序。模块化程序设计的特点是单个小程序模块的编写和调试比较容易；一个模块可以被多个程序调用；检查错误容易，且修改时只需改正该模块即可，无须牵涉其他模块。但这种设计在对各个模块进行连接时有一定困难。再采用自顶向下程序设计方法，先从主程序进行设计，从属的程序或子程序用程序符号来代替。主程序编好后，再编写从属的程．最后完成整个系统的程序设计。3、仿真及调试阶段离线仿真及调试阶段一般在实验室进行。首先编写调试流程，再进行硬件调试与软件调试，然后进行硬件、软件统调，最后考机运行，为现场投运做好准备。1）硬件调试对于各种标准功能模板，应按照说明书检查主要功能。在调试A／D和D／A模板之前，必须准备好信号源、数字电压表、电流表等标准仪器。对这两种模板首先检查信号的零点和满量程，然后再分档检查，并且上行和下行来回调试，以便检查线性度是否合乎要求。利用开关量输入和输出程序来检查开关量输入(DI)和开关量输出(DO)模板。测试时可在输入端加开关量信号，检查读入状态的正确性；可在输出端用万用表检查输出状态的正确。硬件调试还包括现场仪表和执行器，这些仪表必须在安装之前按说明书要求校验完毕。如是DCS等通信网络系统，还要调试通信功能，验证数据传输的正确性。2）软件调试软件调试的顺序是子程序、功能模块和主程序。一般与过程输入输出通道无关的程序，如运算模块都可用开发装置或仿真器的调试程序进行调试，有时为了调试某些程序，可能还要编写临时性的辅助程序。一旦所有的子程序和功能模块调试完毕，就可以用主程序将它们连接在一起，进行整体调试。整体调试的方法是自底向上逐步扩大，首先按分支将模块组合起来，以形成模块子集，调试完各模块子集，再将部分模块子集连接起来进行局部调试，最后进行全局调试。这样经过子集、局部和全局三步调试，完成了整体调试工作。3）系统仿真在硬件和软件分别调试后，必须再进行全系统的硬件、软件统调，即所谓的系统仿真，也称为模拟调试。系统仿真尽量采用全物理或半物理仿真。试验条件或工作状态越接近真实，其效果也就越好。控制系统只能做离线半物理仿真，被控对象可用实验模型代替。4）考机在系统仿真的基础上，还要进行考机运行，即进行长时间的运行考验。控制系统的设计一般遵循上述过程，设计的步骤有先后，但内容没有明确之分。本书只从控制方案确定、电气原理图绘制、控制程序编写、控制柜安装和系统调试这几个方面进行举例说明。模块三 控制方案确定《PLC、变频器、触摸屏综合实训》这些课程在我校已连续开课多届，已有“多泵切换恒压供水”、“中央空调控制系统”等多个实训课题。本指导书将以最典型的“多泵切换恒压供水”为例进行讲述。一、预备知识1、变频器恒压供水系统在生产、生活的实际中，用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。图3-1 住宅区恒压供水示意图恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出水口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛的应用，利用内部包含用PID调节器、单片机、PLC等器件有机结合的供水专用变频器构成控制系统，调节水泵输出流量，以实现恒压供水。变频器恒压供水，如上图3-1所示。利用变频器内部的PID调节功能，如图3-2，目标信号SP是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。反馈信号PV是压力变送器PS反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。SP和PV两者是相减的，其合成信号MV＝（SP-PV)，经过PID调节处理后得到频率给定信号，决定变频器的输出频率f。当用水流量减小时，供水能力QG＞用水流量QU，则供水压力上升，PV↑，合成信号（SP-PV)↓，变频器输出频率f↓，电动机转速n↓，供水能力QG↓直至压力大小回复到目标值，供水能力与用水流量重新平衡（QG=QU)时为止；反之，当用水流量增加，使QG<QU时，则PV↓→MV＝（SP-PV)↑→f↑→n↑→QG↑→QG=QU，又达到新的平衡。图3-2变频器PID调节功能2、“一拖多”恒压供水实际应用中，单台水泵供水一般不能满足用水要求，常用多泵单变频恒压供水。即是“一拖多”控制方案，这种多台泵调速的方式，系统通过计算判定目前是否已达到设定压力，决定是否增加（投入）或减少（撤出）水泵。即当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将此台泵切换到工频运行，变频器将自动起动第二台水泵，控制其变频运行。此后，如压力仍然达不到要求，则将该泵又切换至工频，变频器起动第三台泵，直到满足设定压力要求为止（最多可控制6台水泵）。反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，使变频泵转速降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保持恒定。由于“一拖多”变频恒压供水系统需要涉及压力PID控制、工频和变频的逻辑切换、轮换控制、巡检控制等功能，所以需要由专门的程序控制来实现。目前流行的“一拖多”变频供水系统主要由以下3种方式：1）微机控制变频恒压供水系统此系统以多台水泵并联供水，系统设定一个恒定的压力值，当用水量变化而产生管网压力的变化时，通过远传压力表，将管网压力反馈给PI控制器，通过PI控制器调整变频器的输出频率，调节泵的转速以保持恒压供水；如不能满足供水要求时，则变频器将控制多台变频泵和工频泵的起停而达到恒压变量供水。微机控制变频恒压供水系统如图3-3所示。图3-3微机控制变频恒压供水系统2）PLC控制变频恒压供水系统PLC控制的恒压变频供水系统与微机控制器类似，所不同的是PLC除了完成供水控制外，还可以完成其他的特殊功能，具有更大的灵活性。3）供水专用变频器供水系统采用供水专用的变频器，不需另外配置供水系统的控制，就可完成对由2～6台水泵组成的供水系统的控制，使用相当方便；供水专用变频器=普通变频器+PLC，是集供水控制和供水管理一体化的系统，其内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统，传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可以使用变频器的键盘设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入；这些产品将PID调节器及简易的可编程序控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的供水专用变频器，由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程序控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。西门子的ＭＭ430变频器供水专用变频器框图如图3-4所示。图3-4ＭＭ430变频器供水框图二、确定控制方案由于我院实验室中的变频器为通用型，没有多泵切换功能，故我们采用PLC控制变频恒压供水系统。变频器采用MM440，PLC采用S7-200，实现“一拖二”方式。在加泵过程中,变频器驱动电动机达到额定转速时，变频器内部输出继电器动作，作为一个控制信号将电动机切换到工频电网直接供电运行，而变频器再去启动其他的电动机。以达到电动机软启动和节能的目的，切换过程由PLC控制实现。减泵时，则由PLC控制直接停止工频运行的电动机。采用“启先停”方式。 以电动机M1为例，首先将KM2闭合，M1由变频器恒流启动，当电动机到达50Hz同步转速时，变频器MM440内部输出继电器动作，送出一个开关信号给PLC，由PLC控制KM2断开，KM1吸合，电动机M1转由电网供电。以此类推。变频器继续启动其他电动机。如果某台电动机需要调速，则可安排到最后启动，不再切换至电网供电，而由变频器驱动调速。 在本系统的切换中，对变频器的保护是切换控制可靠运行的关键。系统中可采用硬件和软件的双重连锁保护。启动过程中，必须保证每台电动机由零功率开始升速。为减少电流冲击，必须在达到50Hz时才可切换至电网。KM2断开前，必须首先保证变频器没有输出，KM2断开后，才能闭合KM1，KM1和KM2不可同时闭合。PLC控制程序必须有软件连锁。MM440变频器有两个模拟输入端ADC1和ADC2，可让一个模拟输入端用作反馈信号输入，另一个模拟输入端用作给定PID的目标值，这样使得PID的目标值能平滑地随意设定，操作很方便。模拟输入端ADC2接入反馈信号0～10V，同时也把反馈信号送给S7-200的模拟输入端；给定的PID目标值由ADC1端通过S7-200的模拟输出输给定。因此，这里PLC采用S7-200CPU224RLY+EM231+EM232。触摸屏采用TP170B，直接与S7-200进行点对点连接，通过触摸屏能直接给PLC启/停控制名令以及给M440变频器提供PID的目标值，同时能直接显示网管的压力值。模块四 电气原理图绘制一、预备知识电路图是采用国家规定的图形符号和文字符号并按工作顺序排列，详细表示电路、设备或成套装置的全部基本组成和连接关系，而不考虑其实际位置的一种简图。电气控制电路图通常由主电路和辅助电路两部分组成。主电路(也称动力电路)是通过强电流的电路。它包括电源电路、受电的动力装置及其控制、保护电器支路等，是由电源开关、电动机、熔断器、接触器主触头、热继电器热元件等组成。辅助电路是通过弱电流的电路。一般生产机械设备的辅助电路，包括控制电路、照明电路和信号电路等，是由各类接触器、继电器的线圈及其辅助触点，接钮、限位开关的触点及照明信号灯等组成。在电路图上，主电路、控制电路、照明电路和信号电路应按功能分开绘制。一般将主电路画在图纸的左侧，控制电路、照明电路和信号电路画在图纸的右侧。主电路的电源电路画成水平线，相序L1、L2、L3自上而下排列，中性线N和保护地PE依次画在相线下面。主电路，即每个受电的负载(即动力装置，如电动机)及控制电器(如接触器主触头)、保护电路支路(如熔断器，热继电器热元件)等，应垂直电源电路画出。控制电路和信号电路应垂直画在一条水平电源线和水平中性线N之间、两条或几条水平电源线之间。电器的线圈、信号灯等耗能元件直接连接在下方水平电源线上或N水平线上，而控制触点连接在上方水平电源线与耗电元件之间。电气控制电路图绘制的一般规则1）元件和连接线在电路图中的表示电气装置主要由电气元件和连接线构成，因此，无论是说明电气工作的原理电路图，表示供电关系的电气系统图，还是表明安装位置和接线关系的平面图和接线图等，都是以电气元件和连接线作为描述的主要内容。对元件和连接线表示方法的不同，便构成了电气图的多样性。①连接线在电路图中的三种描述方法：多线表示法、单线表示法和混合表示法。每根连接线或导线各用一条图线表示的方法，称为多线表示法；两根或两根以上的连接线只用一条图线表示的方法，称为单线表示法；在同一图中，单线和多线同时使用的方法称为混合表示法。多线表示法，描述电路工作原理比较清楚，但图线太多；单线表示法，图面简单，但对某些部分描述得不够详细；混合表示法，兼有二者的优点，在许多情况下被采用。②表示连接线去向的两种方法：在接线图中，以及某些电路图中，通常要表示出连接线的去向，即连接线的两端各引向何处。表示连接线去向一般有连续线表示法和中断线表示法。表示两接线端子(或连接点)之间连接线或导线的线条是连续的方法，称为连续线表示法；表示两接线端子或连接点之间连接线或导线的线条是中断的方法，称为中断线表示法。③电路图中，对有直接电联系的交叉导线连接点，要用小黑圆点表示，无直接电联系的交叉导线连接点则不画小黑圆点。④电气元件在电路图中的三种表示方法：集中表示法、半集中表示法、分开表示法。集中表示法是把一个元件各组成部分的图形符号绘制成一起的方法。例如，交流接触器线圈的主触头和辅助触点，热继电器的热元件和触点集中绘制在一起。分开表示法是把一个元件的各组成部分分开布置，例如，接触器KM的驱动线圈、主触头、辅助触点，热继电器K的热元件、触点，分别画在不同电路中，用同一个符号KM或FR将各部分联系起来。半集中表示法是介于集中表示法和分开表示法的一种表示法。其特点是把某些电气元件的某些部分的图形符号分开绘制在电路上，并用机械连接符号即虚线来表示它们之间的关系。这样表示可减少电路连线的往返和交叉，便于识图，画面清晰美观。 2）图幅分区和元件在图上位置的表示方法为了确定图上内容(如图形等)的位置及其用途，以便于检修和方便阅读原理图，一些幅面较大、内容复杂的电气图进行分区。图幅分区的方法是将图纸相互垂直的两边各自加以等分。分区数为偶数。每一分区的长度为25～75mm。每个分区内竖边方向用大写拉丁字母编号，横边方向用阿拉伯数字编号。图幅分区后，相当于建立了一个坐标，分区代号用该区域的字母和数字表示，如B3、C4，也可用行(如A、B)或列(如1、2)表示。3）注释当含义不便于用图示形式表达清楚时，可在图上采用注释。注释可采用两种方式：一是直接放在所要说明的对象附近；二是加标记，将注释放在图面上的其他适当位置。当图中出现多个注释时，应把这些注释按编号顺序放在图纸边框附近。如果是多张图纸，一般性注释放在第一张图上，其他注释则放在其内容相关的图上。注释可采用文字、图形、表格等可以对其对象附加说明清楚的各种可能的形式。4）技术数据的表示方法当需要在电气工程图上表示出元件的技术数据时，通常采用的方法有，标注在图形符号旁、标注在图形符号内、以表格的形式给出。5）电原理图中元、器件状态的规定①继电器、接触器在非激励的状态，即其线圈未通电的状态。②断路器、隔离开关等在断开位置。③带零位的手动控制开关在零位位置，而不考虑电路的实际工作状态。④机械操作开关在非工作状态的位置，例如终端开关没有达到极限行程前的位置。6）电原理图中的电源表示方法表4-1电气线路和三相电气设备端的表记代号项目名称标记代号备注交流电源交流系统电源第1相L1交流系统电源第2相L2交流系统电源第3相L3中线（中性线）N直流电源直流电源正极L+,+直流电源负极L-,-中间线M（续）项目名称标记代号备注三相电气设备端交流系统设备端第1相U交流系统设备端第2相V交流系统设备端第3相W保护接地保护接地PE保护和中性共同线PEN接地E无噪声接地T不接地保护PU机壳或机架MM等电位CC交流电AC直流电DC7）电原理图中各栏目的含义①图纸上方的1、2……13是图区编号，是为了便于检索电气线路、方便阅读电原理图而设置的。②图区编号下面的“电源开关……照明及信号”一栏，表明它对应的下方元件或电路的功能。③原理图中的接触器、继电器的线圈与受其控制的主触头或辅助触点的从属关系应按下述方法标志：在每个接触器线圈的文字符号KM的下面画两条竖直线，分成左、中、右三栏，把受其控制而动作的主触头及辅助触点所处的图区号数字，按下表2-2左半部分规定的内容填上。对备而未用的触头及触点，在相应的栏中用记号“X”标出。在每个继电器线圈的文字符号(如KT)下面画一条竖直线，分成左、右两栏，把受其控制而动作的触点所处的图区号数字，按下表右半部分规定的内容填上。同样，对备而未用的触点在相应的栏中用记号“X”标出。原理图中每个触头的文字符号下面的数字表示使其动作的线圈所处的图区号。表4-2接触器线圈、继电器线圈符号下的数字标志接触器线圈符号下的数字标志继电器线圈符号下的数字标志左栏中栏右栏左栏右栏主触头所处的图区号辅助常开（动合）触点所处的图区号辅助常闭（动断）触点所处的图区号常开（动合）触点所处的图区号常闭（动断）触点所处的图区号二、绘制电气原理图绘制电气原理图前，要根据任务要求确定I/O的点数，然后选择适当的PLC模块，再进行分配I/O口。本例中手动功能不使用PLC和变频器，直接由按钮控制水泵的起动和停止，不占用PLC的I/O口；在自动状态下，起动和停止控制系统需占用2个PLC的输入点，变频器增加、减少和故障信号输入占用3个PLC的输入点，还有远传压力表的反馈信号输入占用1个模拟量输入点。输出端，KM1～KM4占用4个PLC的输出点，同时变频器的启动命令占用1个PLC的输出点，还有变频器PID的给定目标值输入占用1模拟量输出点。PLC分配I/O口分配如下：表4-3PLC的I/O分配表输入位序号位功能1I0.1接SB5,自动时起动2I0.2接SB6,自动时停止3I0.3接变频器RL1继电器,变频器故障切换信号4I0.4接变频器RL2继电器,增加泵信号5I0.5接变频器RL3继电器,减少泵信号6A+接远传压力表送来的反馈信号输出位7Q0.1接KM1,泵1工频运行8Q0.2接KM2,泵1变频起动9Q0.3接KM3,泵2变频起动10Q0.4接KM4,泵1工频运行11Q0.5接KA,变频器起动12V0接变频器ADC1端，PID的给定目标值根据分配好的I/O口，再按照电路图的绘制原则接可直接设计出电气原理图。要注意KM1与KM2、KM3与KM4须进行机械互锁。三、选择低压电器低压电器通常是指工作在交流1000V以下与直流1200V以下电路中的电器，它可以按在电气线路中的地位，作用和动作方式分类．按在电气线路中的地位和作用分类：①低压配电电器。如刀开关、熔断器，转换开关和自动开关等，主要用于低压配电系统和动力设备中。②低压控制电器。如接触器，控制继电器、起动器，控制器，主令电器，电阻器，变阻器和电磁铁等，主要用于电力拖动和自动控制系统中，按动作方式分类：①非自动切换电器。如刀开关，转换开关和主令电器等，它们是依靠外力来进行切换的。②自动切换电器。如自动开关，接触器和控制继电器等，它们是依靠本身参数的变化或外来信号自动地进行切换的。低压电器产品分刀开关和转换开关，熔断器、自动开关、控制器、接触器，起动器，控制继电器，主令电器，电阻器，变阻器，调整器，电磁铁等十二大类，它们的型号与规格较多，其文字和图形符号见附录Ⅰ。为了保证电力拖动或自动控制系统良好，可靠地工作，必须根据控制线路的技术要求正确选择和使用低压控制电器．若选择或使用不当，将导致各种故障，严重时甚至损坏电气设备。为此，要求注意低压控制电器的选择原则和使用方法，1）刀开关的选择①闸刀开关。用于照明电路时可选择额定电压为220V，额定电流等于或大于电路最大工作电流的两极开关；用于电动机直接起动时，可选择额定电压为380V，额定电流等于或大于电动机额定电流3倍的三极开关。②组合开关。根据电源种类、电压等级、所需触点数、接线方式进行选择。直接控制电动机起动、停止是，开关的额定电流一般选取电动机额定电流的1.5～2.5倍。2）断路器的选择①断路器的额定工作电压≥线路额定电压。②断路器的额定电流≥线路计算负载电流。③断路器的额定短路通断能力≥线路中可能出现的最大短路电流(—般按有效值计算)。④作导线保护的断路器。长延时整定值小于等于线路计算负载电流，瞬时动作整定值等于(6～20)倍线路计算负载电流。⑤作电动机保护的断路器。长延时电流整定值等于电动机额定电流；对保护笼型电动机的断路器，瞬时整定电流等于(8～15)倍电动机额定电流，对于保护绕线转子电动机的断路器，瞬时整定电流等于(3～6)倍电动机额定电流。⑥作配电变压器低压侧总开关时断路器，其分断能力应大于变压器低压侧的短路电流值，脱扣器的额定电流不应小于变压器的额定电流，短路保护的整定电流一般为变压器额定电流的6～10倍；过载保护的整定电流等于变压器的额定电流。3）熔断器的选择①应根据使用环境和负载性质选择适当类型的熔断器。②熔断器额定电压必须大于或等于电路的额定电压。③熔断器的额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流。④熔断器的分断能力应大于或等于电路可能出现的最大短路电流。⑤熔断器在电路中上、下两级的配合应有利于实现选择性保护。⑥对于电阻性负载的短路电流保护，熔体额定电流应等于或略大干电路的工作电流。⑦对于电动机负载，应按下式计算：单台电动机IRN≥(1.5～2.5)IN式中，IN为电动机的额定电流。多台电动机IRN≥(1.5～2.5)INmax+∑IN式中，INmax为容量最大的一台电动机的额定电流；∑IN为其余电动机额定电流的总和。4)主令电器的选择控制按钮主要根据使用场合、触头数和所需颜色选择。行程开关根据动作要求和触头的数量选择。万能转换开关根据用途、所需触头档数和额定电流选择。主令控制器根据额定电流和所需控制电路数选择。5）接触器的选择①接触器的类型。可根据被控制的电动机或负载电流类型来选择，交流负载应使用交流接触器，直流负载应使用直流接触器。如果整个控制系统中主要是交流负载，而直流负载的容量较小时，也可全部使用交流接触器，但触头的额定电流应适当选大些。②接触器触头的额定电压。通常选择接触器触头的额定电压大于或等于负载回路的额定电压。③接触器主触头的额定电流。接触器主触头的额定电流应大于或等于电动机或负载的额定电流。由手电动机的额定电流与其额定功率有关，因此也可根据电动机的额定功率进行选择。当接触器使用在频繁起动、制动和正反转的场合时，一般将接触器主触头的额定电流降低一个等级或按可控制电动机的最大功率减半选用。④接触器线圈的电压。一般应使接触器线圈的电压与控制回路的电压等级相符。⑤接触器的辅助触头。接触器辅助触头的额定电流、数量和种类应能满足控制线路的要求，如不能满足时，可选用中间继电器。6)热继电器的选择①热继电器的类型。一般都选用两相结构的热继电器，当三相电源严重不平衡，工作环境恶劣或遇较少有人照管的电动机时，可选用三相结构的热继电器，对于三角形接线的重要电动机，可选用带断相保护装置的热继电器。②热继电器的额定电流。应根据电动机或负载的额定电流选择热继电器和热元件的额定电流，一般热元件的额定电流应等于或稍大于电动机的额定电流．③热继电器的整定电流。热继电器和热元件的整定电流应与电动机的额定电流相等，但当电动机拖动的是冲击性负载、电动机起动时间较长或电动机拖动的设备不允许停电时，热元件的整定电流可比电动机的额定电流高1.1～1.15倍。④对于三角形联结电动机的保护，应采用三相带断相保护的热继电器。7）时间继电器的选择 ①时间继电器的类型。对延时要求不高的场合，一般选用价格较低的JS7-A系列空气阻尼式时间继电器，对延时要求较高的场合，则应选JS11系列电动式时间继电器。②延时方式。应根据控制线路的要求选择延时方式。③线圈电压。应根据控制线路的电压选择吸引线圈的电压。8)速度继电器的选择速度继电器的类型主要根据电动机的额定转速选择。当额定转速在300～3000r／min时，可选用JY1系列或JFZ0系列速度继电器，当额定转速低于300r／min时，则必须选用JY1系列速度继电器。9)中间继电器的选择中间继电器主要根据控制线路的电压等级，所需触头的数量和种类、容量等要求选择。10)电流和电压继电器的选择选用过电流继电器保护中小容量直流电动机和绕线型转子异步电动机时，其线圈的额定电流一般可按电动机的额定电流选择，对于频繁起动的电动机，考虑起动电流在继电器中的发热效应，其线圈的额定电流可选大一级。过电流继电器的整定值一般为电动机额定电流的1.7～2倍，频繁起动场合可取2.25～2.5倍。欠电压继电器应根据电源电压、控制线路所需触头的种类和数量选择。按上述原则和任务要求选择适当的电器，并填写下面电器元件明细表。表4-4电器元件明细表符号名称型号规格件数作用模块五 控制程序编写一、预备知识1）S7—200PLC使用西门子S7—200系列PLC可通过PC/PPI电缆连接到计算机，利用计算机可直接把LAD(梯形图)或STL（语句表）传送到PLC的CPU中。如图5-1所示。图5-1 利用PC/PPI电缆连接计算机和CPU的示意图 S7—200PLC的控制程序可直接STEP7—Micr／WIN32编程软件中编写。STEP7—Micro／WIN32提供梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能块图(FBD)三种编辑器来创建程序，用任何一种程序编辑器编写的程序都可以用另外一种程序编辑器来浏览和编辑，但必须遵循一些输入规则。编程一般步骤：①新建项目 “文件→新建”②设置PLC型号 “PLC→类型”③选择编程语言 “工具→选项→常规”④在程序编辑器中输入梯形图程序⑤编译程序 “PLC→编译”⑥程序下载 “文件→下载”⑦状态监控 “调试→程序状态”2）MM440变频器使用MM440变频器具有默认的工厂设置参数，具有全面而完善的控制功能。如果工厂的缺省设置值不适合实际设备情况，可以利用基本操作板（BOP）修改参数，使之匹配起来。基本操作面板（BOP）如图5-2所示。BOP具有五位数字的七段显示，可以显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及设定值和实际值。BOP不能存储参数的信息。图5-2基本操作面板（BOP）表5-1表示采用基本操作面板（BOP）操作时，变频器的工厂缺省设置值。表5-1用BOP操作时的缺省设置值参数说明缺省值，欧洲（或北美）地区P0100运行方式，欧洲/北美50Hz，kW（60Hz，hp）P0307功率（电动机额定值）量纲kW（Hp），取决于P0100的设定值P0310电动机的额定频率50Hz（60Hz）P0311电动机的额定速度1395（1680）r/min(决定于变量)P1082最大电动机频率50Hz（60Hz）在缺省设置时，用BOP控制电动机的功能是被禁止的。如果要用BOP进行控制，参数P0700应设置为1，参数P1000也应设置为1。变频器加上电源时，也可以把BOP装到变频器上，或从变频器上将BOP拆卸下来。如果BOP已经设置为I/O控制（P0700=1），在拆卸BOP时，变频器驱动装置将自动停车。基本操作面板（BOP）上的按键及其功能说明如表5-2所示。用基本操作面板(BOP)可以修改任何一个参数。修改参数的数值时，BOP有时会显示“busy”，表明变频器正忙于处理优先级更高的任务。表5-2基本操作面板BOP上的按键显示、按钮功能功能的说明状态显示LCD显示变频器当前的设定值。起动电动机按此键起动变频器。缺省值运行时此键是被封锁的。为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。停止电动机OFF1：按此键，变频器将按选定的斜坡下降速率减速停车；缺省值运行时此键被封锁；为了允许此键操作，应设定P0700=1。OFF2：按此键两次（或一次，但时间较长）电动机将在惯性作用下自由停车。此功能总是“使能”的。改变电动机的转动方向按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号“－”表示或用闪烁的小数点表示。缺省值运行时此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定P0700=1。电动机点动在变频器无输出的情况下按此键，将使电动机起动，并按预设定的点动频率运行。释放此键时，变频器停车。如果变频器和电动机正在运行，按此键将不起作用。功能此键用于浏览辅助信息。变频器运行过程中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示以下参数值（在变频器运行中，从任何一个参数开始）：1、直流回路电压（用d表示，单位：V）2、输出电流（A）3、输出频率（Hz）4、输出电压（用O表示，单位：V）。5、由P0005选定的数值（如果P0005选择显示上述参数中的任何一个（3、4或5），这里将不再显示）。连续多次按下此键，将轮流显示以上参数。在显示任何一个参数（rXXXX或PXXXX）时短时间按下此键，将立即跳转到r0000,如果需要的话，您可以接着修改其它的参数。跳转到r0000后，按此键将返回原来的显示点。在出现故障或报警的情况下，按此键可以将操作面板上显示的故障或报警信息复位访问参数按此键即可访问参数。增加数值按此键即可增加面板上显示的参数数值。减少数值按此键即可减少面板上显示的参数数值.用基本操作面板(BOP)进行操作调试，前提条件必须是机械和电气安装已经完成。调试步骤流程图如图5-3所示。设置电动机的频率DIP设置电动机的频率DIP开关2：Off=50Hz/ON=60Hz快速调试快速调试P0010=1设置电动机参数P0304～P0311准备运行准备运行P0010=0通过P0004和P0003进行参数过滤设置控制参数图5-3调试步骤流程图3）触摸屏TP170B使用TP170B和S7-200PLC的连接使用MPI电缆或DP电缆，一头接OP的IF1B接口，另一头可接S7-200PLC的0口、1口或连接在EM277上（本例连接到端口0）。PPIPPI①在Step7-Micro/WIN32中的通讯设置首先使用SystemBlock对S7-200PLC进行设置。端口0中，PLC站地址选为2,波特率设为187.5kbps。如图5-4所示。图5-4S7-200PLC的SystemBlock设置②Protool的设置首先选择使用的TP/OP类型,这里选择TP170BMONO，如下图5-5所示。图5-5选择使用的TP/OP类型单击下一步，选择连接PLC的类型，这里选择为“SIMATICS7-200”。如图5-6所示。图5-6选择使用的PLC类型点击键“Parameters”组态连接属性如下图5-7所示。图5-7“Parameters”组态连接属在OP参数中接口选择IF1B,OP站地址缺省设置为1，在通讯同级参数（即设置为S7－200PLC的实际站地址）中设为2。（注意：在一个网络中，各站站地址必须是唯一的）网络参数中的波特率的选择必须和PLC的波特率一致。配置文件有五种通讯协议备选（PPI、MPI、DP、Standard和Universal）。PAGEPAGE112OP/TP连接S7-200时,可以选择其中任意一种协议而PLC不需要再做任何设置，即S7-200PLC能自动选择协议来和OP使用的协议保持一致。点击键“OK”，确定通讯参数设置。点击键“Finish”，结束“项目向导”。进行其他组态，然后存盘，准备下载。③Protool的下载使用串口下载。使用标准串口线（2,3交叉；4,6交叉；7,8交叉；5接5）一端接在PC的串口上，另一端接在OP的IF2（RS232）端口上。设置下载参数。在ProTool上设置下载端口为串口，选择PC所使用的串口及其波特率。如下图5-8所示。图5-8ProTool下载设置在OP控制面板的Transfer工具中，使能串口，然后将OP打到transfer状态，等待与PC连接。波特率无需设置，OP会自动选择与PC相应的波特率。设置完毕。从ProTool中执行下载。如图5-9所示。图5-9ProTool中执行下载注意：使用PPI协议时，一个OP/TP只能连接一个S7-200PLC。使用其他四种协议时，一个TP170B最多能连接4个PLC。TP170A最多只能连接1个，而MP370最多能连接8个。最多连接个数与OP/TP的型号有关。*关于PPI协议使用PPI协议时，虽然ProToolV5.x最多可以为某些面板(如TP270等)加入8个S7-200PLC的连接，而在ProToolV6.0中无论什么型号的面板,只能连接1个S7-200。二、编写控制程序1）编写PLC控制程序编写PLC控制程序前须编写控制工艺流程，要注意变频器的缺相检测功能，即起动变频器时须先接上电动机，而切除变频器输出端的电动机时须先停止变频器。要注意KM1与KM2、KM3与KM4动作互锁。然后根据PLC的I/O分配表，可以直接编写出梯形图。编写梯形图时要注意基本原则和技巧：①继电器、定时器、计数器等器件的触点（动合和动断）可多次重复使用，次数不受限制。②梯形图的每一行都是从左边的母线开始，线圈接在最右边，触点不能放在线圈的右边。③线圈应避免直接与母线相连。④同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，应避免使用。⑤梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左至右，从上至下地执行。⑥两个或两个以上的线圈可以并联输出。⑦串联触点较多的电路放在梯形图的上方，并联触点较多地电路放在梯形图地左方。⑧编写主程序和子程序时要注意参数的传递，尽量不要使用公共变量。2）变频器参数设置要注意MM440变频器的模拟输入端ADC2接入反馈信号0～10V，ADC1作为给定的PID目标值通过S7-200的模拟输出输给定。要注意参数设置的操作步骤。①参数复位，变频器停车状态下,设P0010=30,P0970=1，再按下变频器操作面板上键，变频器开始复位（显示busy），复位过程大约为3min。