【基于西門子PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)控制的硬件和軟件設(shè)計案例5200字】

基于西門子PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)控制的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u80221系統(tǒng)的硬件設(shè)計 1146871.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 1174131.1.1PLC及其擴(kuò)展模塊的選型 299831.1.2變頻器的選型 235181.1.3水泵機(jī)組的選型 384881.1.4壓力變送器的選型 3276241.1.5液位變送器選型 3104631.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計 4219541.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計 4126591.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖 636512系統(tǒng)的軟件設(shè)計 790452.1系統(tǒng)軟件設(shè)計分析 7123022.2PLC程序設(shè)計 8314342.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計 1125112.3PID控制器參數(shù)整定 1423742.1.1PID控制及其控制算法 14222072.1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型 15221172.1.3PID參數(shù)整定 151系統(tǒng)的硬件設(shè)計1.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖1.1所示：圖1.1系統(tǒng)的電氣控制總框圖從以上系統(tǒng)的電氣框圖可以看出，系統(tǒng)的主要硬件裝置必須包括（1）PLC及擴(kuò)展模塊、（2）轉(zhuǎn)換器、（3）泵單元、（4）壓力發(fā)射器、（5）液位發(fā)射器。主要設(shè)備選型如表1.1所示：表1.1本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）SiemensCPU226模擬量擴(kuò)展模塊SiemensEM235變頻器SiemensMM440水泵機(jī)組SFL系列水泵3臺（上海熊貓機(jī)械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)1.1.1PLC及其擴(kuò)展模塊的選型PLC是恒常頻率變換控制系統(tǒng)的核心，需要采集所有輸入數(shù)字，控制所有生產(chǎn)單元，實現(xiàn)恒壓，完成外部數(shù)據(jù)的交換，因此選擇PLC時要考慮指令的執(zhí)行速度。由于自動控制系統(tǒng)的恒壓供水量比較小，指令豐富，存儲空間大，通信接口和協(xié)議豐富。擴(kuò)展模塊容量大，編程軟件方便，PLC選擇西門子S7-200使用。S7-200結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，擴(kuò)展性強(qiáng)，通信命令豐富，通信協(xié)議簡單等優(yōu)點，與控制器連接，監(jiān)視自動控制系統(tǒng)。PLC與上級機(jī)的通信采用PC電纜/PPI，采用支持點對點接口協(xié)議（PPI），PC電纜/PPI可簡單地從PLC通信接口RS485轉(zhuǎn)換為RS232cc的通信接口。必須根據(jù)控制系統(tǒng)所需的實際端子數(shù)，考慮PLC端子數(shù)預(yù)先決定。PLCS7-200的主模塊是cpu226，其開關(guān)量為16點，輸出模塊是繼電器AC220V的輸出，cpu226的開關(guān)量輸入是24點，輸入模塊是輸入+24VDC。實際上需要模擬輸入點和模擬輸出點。EM235被選擇為具有四個模擬輸入（AIW）和模擬信號信道（aqw）的擴(kuò)展模塊。輸入信號和輸出信號連接到a口后，a/D轉(zhuǎn)換會自動完成，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號會轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號。輸出信號連接到a口時，D/1轉(zhuǎn)換自動完成，將16位數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。EM235模塊可以使用基于多個標(biāo)準(zhǔn)輸入信號的微開關(guān)來設(shè)置。1.1.2變頻器的選型逆變器是系統(tǒng)控制致動器的硬件。變換頻率調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以改變水的輸出，頻率轉(zhuǎn)換器的選擇必須根據(jù)泵的電力和電流來決定，頻率轉(zhuǎn)換器還應(yīng)該具有通信功能。根據(jù)控制功能，一般的頻率轉(zhuǎn)換器分為三種類型。一般的U/F控制逆變器功能，高性能U/F控制轉(zhuǎn)換器，扭矩控制功能和高矢量功能轉(zhuǎn)換器，供水系統(tǒng)泵負(fù)荷，低速時扭矩小?？梢赃x擇相對便宜的U/F控制逆變器。本項目的PLC選擇了西門子S7-200的機(jī)型，為了方便PLC和頻率轉(zhuǎn)換器之間的通信，使用西門子。由微處理器控制的三級交流引擎的轉(zhuǎn)速系列產(chǎn)品。采用分離門雙極晶體管作為能量功能，流量控制可以提高動態(tài)響應(yīng)特性，高個子可以在低頻下輸出，微主440的逆變器的輸出為0.75~90kw。1.1.3水泵機(jī)組的選型（75kW發(fā)動機(jī)功率）系列泵3臺。生活供水泵的低噪音SFL外殼，棒采用不銹鋼，主軸。本項目使用上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的3臺75kW發(fā)動機(jī)動力SFL系列泵。1.1.4壓力變送器的選型當(dāng)運行中壓力傳感器和壓力發(fā)射器發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以打開所有泵。為了防止因爆炸管道和超高水壓而造成的室內(nèi)水設(shè)備（熱水器、廁所等）損傷，本表的供水系統(tǒng)采用PLC數(shù)字輸入等電極點壓力表的上部輸出，當(dāng)壓力超過上限時，停止所有泵應(yīng)該發(fā)出警報輸出[13]。通過以上分析，使用xml-170數(shù)字工具和普通y-100壓力計實現(xiàn)壓力檢測、顯示和傳輸，壓力計的測量范圍為0~1MPa，精度為1.0。數(shù)字顯示工具產(chǎn)生發(fā)送到連接到cpu226的模擬模塊EM235的4到20mA的電流信道。1.1.5液位變送器選型（4~20mA信號電壓）需要插入窗口的比較器，利用比較器的高水位輸出成為罐的水位的警報信號，輸入到PLC。綜合以上因素：本項目使用淄博丹佛公司生產(chǎn)的ds26分體式液位轉(zhuǎn)換器，測定范圍為0m~200m，適合水箱、深井等液位的測量。零和全刻度應(yīng)該可以外部調(diào)整。食物：24VDC；輸出信號：2線制4~20mADC，精度等級：0.25級。1.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計系統(tǒng)為了不讓一臺泵的工作時間變長，而具備了“裝泵功能”。只有一個泵可以同時進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換工作，但是三個泵可以在不同的時間進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換工作。圖1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三保險絲在連接電源的同時提供短路。當(dāng)發(fā)動機(jī)進(jìn)入頻率電路時，請先切斷反相器電路的接觸器。同樣，從頻率切換到頻率轉(zhuǎn)換器時，在連接反相器輸出開關(guān)之前，請切斷頻率開關(guān)。通過電流傳感器和發(fā)射器向上級機(jī)發(fā)送4～20mA的電流信號，顯示主電路的電流。電路電壓用與電壓表連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)顯示。相同電壓計通過轉(zhuǎn)換開關(guān)顯示不同相位之間的線路電壓。仔細(xì)觀察引擎的旋轉(zhuǎn)方向，使其符合要求。必須使用自動變壓器啟動或軟啟動來減少電流。1.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計完成了以下功能。自動控制3臺泵的投入運行。需要顯示完整的警報功能和運行狀態(tài)。圖1.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖電源泵發(fā)動機(jī)的運轉(zhuǎn)和停止，按下SB1，KM1線圈即接通。通常閉合的km2觸點與電路連接，因此常開的KM1觸點關(guān)閉，實現(xiàn)自動鎖定功能。M1發(fā)動機(jī)在頻率以下穩(wěn)定運行。只需按下SB2，電路就中斷，按Sb4和S6時，m2和M3發(fā)動機(jī)將停止。（2）自動控制：通常情況下，頻率轉(zhuǎn)換器恒壓供水系統(tǒng)自動工作，當(dāng)兩個端子轉(zhuǎn)動SPDT開關(guān)SA時，自動控制模式啟動，自動控制的工業(yè)情況由PLC控制，Q0.0輸出1-655。頻率轉(zhuǎn)換泵運轉(zhuǎn)信號，Q0.1輸出1-655泵頻率轉(zhuǎn)換信號。當(dāng)q0.0結(jié)束1時，KML線圈激活，1-655HL1泵的工作頻率指示符打開，并且KML觸點總是斷開，從而形成KM1和km2的電互鎖。當(dāng)q0.1退出1時，km2線圈打開，1655泵的頻率轉(zhuǎn)換燈HL2點亮，總是切斷km2觸點，實現(xiàn)km2和KML電的聯(lián)動，相同2655和3-655；泵的控制原理相同，q1.1退出1時，池水位的上下限HL7警報燈亮。q1.2退出1后，逆變器警報燈亮燈。退出1點，HL9天的供水指示燈亮燈。q1.4結(jié)束后，響鈴。當(dāng)q1.5退出1時，KA中間繼電器線圈開關(guān)，并且KA觸點總是閉合，并且逆變器頻率復(fù)位。在自動控制狀態(tài)下，hl10電源燈始終處于活動狀態(tài)。1.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的頻率轉(zhuǎn)換恒壓供水系統(tǒng)的基本要求如下：。（1）由于晝夜用水量差異明顯，本項目采用晝夜兩種供水方式，兩種供表1.2輸入輸出點代碼及地址編號名稱代碼地址編號輸入信號供水模式信號(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號SLHLI0.1變頻器報警信號SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號水池水位上下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1.2白天模式運行指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號UfAQW0圖1.4PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖超過上限和下限時，窗口與高級別1相比發(fā)送給i0.1。逆變器故障輸出的目的是連接PLC的i0.2，作為逆變器故障警報信號。2系統(tǒng)的軟件設(shè)計2.1系統(tǒng)軟件設(shè)計分析說明一下。為了評價頻率變換器的頻率是否達(dá)到上限，需要對頻率變動導(dǎo)致的頻率達(dá)到上限時進(jìn)行濾波。（2）多泵站泵單元管理規(guī)范頻率轉(zhuǎn)換泵確認(rèn)了各啟動的引擎容易啟動，各泵交替使用，所以多泵組的泵，泵組的運轉(zhuǎn)需要管理基準(zhǔn)。有要求泵的頻率不能連續(xù)運轉(zhuǎn)。具體操作是，逆變器的電流操作從頻率變換器與頻率操作連接，頻率變換器被復(fù)位，將頻率轉(zhuǎn)換泵的總臺數(shù)和泵的臺數(shù)組合起來，實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換泵的旋轉(zhuǎn)。（3）方案的結(jié)構(gòu)和方案功能的執(zhí)行情況主程序中泵開關(guān)信號的產(chǎn)生、輸出、輸出等大部分功能是泵接觸器的邏輯控制信號的合成和警報處理。白天和晚上的模式所給予的壓力值是不同的。兩個定壓值直接用數(shù)字設(shè)定為程序。白天模式的系統(tǒng)設(shè)定值為90%的比例，夜間模式的系統(tǒng)設(shè)定值為70%的比例。程序中使用的PLC元件及其功能如表2.1所示。表2.1程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T37工頻泵增泵濾波時間控制VD104壓力給定值T38工頻泵減泵濾波時間控制VD108PID計算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號VD112比例系數(shù)KcM0.1水泵變頻啟動脈沖(增泵)VD116采樣時間TsM0.2水泵變頻啟動脈沖(減泵)VD120積分時間TiM0.3倒泵變頻啟動脈沖VD124微分時間TdM0.4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運行脈沖VD204變頻運行頻率下限值M0.5當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖VD208變頻運行頻率上限值M0.6新泵變頻啟動脈沖VD250PID調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元M2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號M2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB301工頻運行泵的總臺數(shù)M2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD310變頻運行時間存儲器M1.0故障信號匯總T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M1.1水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制2.2PLC程序設(shè)計PLC控制程序由西門子提供的phase7-microwin-v40編程軟件開發(fā)，SIMPATIC軟件指令組包括三種語言，即聲明列表語言（STL），比例圖（LAD）包括語言，功能框圖（FWD）包括語言[14]。最接近中繼控制系統(tǒng)的電控制原理圖。與。（1）系統(tǒng)初始化程序系統(tǒng)開始動作時，需要初始化整個系統(tǒng)。即系統(tǒng)開始動作時，首先檢測系統(tǒng)各部分的當(dāng)前運行狀態(tài)。如果發(fā)生錯誤，會發(fā)生警報。然后，設(shè)定頻率轉(zhuǎn)換器的頻率轉(zhuǎn)換功能的上下限和PID控制參數(shù)，給出一定的初始值，在初始化子例程的末尾切斷連接，系統(tǒng)的初始化通過調(diào)用主程序的子例程來進(jìn)行初始化后需要設(shè)定規(guī)定的水壓值，設(shè)定2個日/夜的供水方式的頻率轉(zhuǎn)換泵頻率和頻率泵數(shù)。（2）決定泵增減及操作規(guī)程如果PID調(diào)節(jié)結(jié)果大于頻率轉(zhuǎn)換操作的上限頻率（或低于下變頻操作的下限頻率），則如果泵永久操作，則計時器計數(shù)5min（除去水壓波動的干擾），然后將頻率泵的個數(shù)加（或減），生成對應(yīng)的頻率泵脈沖信號。（3）泵的軟啟動方案增加或減少泵，或反轉(zhuǎn)泵，為了準(zhǔn)備穩(wěn)定的啟動，將變頻器復(fù)位。同時，頻率轉(zhuǎn)換泵的編號加1，產(chǎn)生當(dāng)前的泵點火頻率的（4）各泵的頻率轉(zhuǎn)換運轉(zhuǎn)邏輯控制程序各泵的頻率轉(zhuǎn)換運轉(zhuǎn)的控制邏輯基本上相同?，F(xiàn)在只以一臺泵為例進(jìn)行說明。發(fā)生泵1啟動脈沖信號的故障取消信號或頻率轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)無故障，無復(fù)位，泵1頻率轉(zhuǎn)換信號和泵1不工作。q0.1設(shè)置為1，始終閉合k2觸點，將頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為泵頻率。km2即使經(jīng)常打開接點也可以自動鎖定。頻率在0或3’35；由于泵處于頻率變換狀態(tài)，頻率功率泵的個數(shù)大于1，所以q0.0設(shè)定為1，KML線圈通電，始終限制開啟觸點。泵的頻率起作用，KML1接點是常閉接觸點，防止k2活性化，頻率變換和頻率之間可以得到良好的電聯(lián)鎖。KM1常開觸點也可達(dá)到自動鎖定功能。（6）警報和問題解決步驟系統(tǒng)包含水位限制警報燈、頻率變換器的錯誤警報燈、白天模式運轉(zhuǎn)指示燈和警報鈴，發(fā)生故障信號時相應(yīng)的燈熄滅。一按照明測試按鈕，指示燈就一直亮著。發(fā)生故障后，頻率轉(zhuǎn)換泵頻率和頻率泵頻率復(fù)位，故障后會發(fā)生故障停止信號。恒頻供水系統(tǒng)的主要轉(zhuǎn)換程序比比例圖復(fù)雜，對所有繪制都不方便。這里只描繪了控制過程的流程圖。主程序的詳細(xì)比例圖請參照附錄C。（2）泵的運轉(zhuǎn)臺數(shù)必須根據(jù)泵的運轉(zhuǎn)狀況增減。（3）頻率轉(zhuǎn)換泵的數(shù)量必須通過泵的增加和泵的反轉(zhuǎn)來確定。（4）每臺泵的運轉(zhuǎn)由頻率轉(zhuǎn)換泵的臺數(shù)和頻率轉(zhuǎn)換泵的臺數(shù)來控制。（5）警告和故障問題處理。圖2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖圖2.22#泵變頻運行控制流程圖圖2.32#泵工頻運行控制流程圖2.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計圖2.4初始化子程序SBR_0梯形圖(2)PID控制中斷子程序圖2.5PID控制中斷子程序INT_0梯形圖2.3PID控制器參數(shù)整定2.1.1PID控制及其控制算法PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t)[15]：（2.1）圖2.6PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為：（2.2）（2.3）控制PID控制器的各連接的功能和規(guī)則（2.4）式中：T為采樣周期；n為采樣序號；e(n)為第n時刻的偏差信號；e(nl)為第n1時刻的偏差信號。實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為：（2.5）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。2.1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成[16]：