1、 PAGE32 / NUMPAGES38畢業設計任務書題目基于PLC的水儲罐恒壓系統設計學生學號班級專業電氣工程與其自動化承擔指導任務單位電氣工程系導師導師職稱一、主要容水儲罐保持恒定水壓的PLC控制。二、基本要求1保持恒定水壓，水以變化的速率不斷從水儲罐取出。2變速泵用于保持充足水壓的速率添加水到水儲罐。三、主要技術指標(或研究方法)1系統設定值等于水儲罐達到充滿75%水位的設置。2過程變量由浮點型測量器提供，它提供水儲罐充滿程度的一樣讀數，可以從0到100%變化，泵速的值為輸出值，允許泵從最大速度的0到100%運行。四、應收集的資料與參考文獻五、進度計劃1-3周 課題調研、收集、學習參考資

2、料，查閱外文資料4-5周 制定畢業設計方案，作開題報告69周 完成電路設計，編寫程序，中期答辯1011周 系統調試，撰寫論文12-13周 設計整體系統。1415周 整理并撰寫畢業設計論文，提交論文給指導老師16周 答辯教研室主任簽字時間年 月 日畢業設計開題報告題目基于PLC的水儲罐恒壓控制系統設計學生學號班級專業電氣工程與其自動化一、本課題的研究背景隨著國民經濟的飛速發展,水儲罐被廣泛應用于石油化工,鍋爐制造等行業, 它的普遍特點是常用于高溫, 高壓等惡劣工況下,因此對水儲罐的質量提出了更 高的要求。于是,壓力試驗成為水儲罐生產過程中必需的質量檢測環節,對水儲罐質量檢驗起著重要作用。 水壓控

3、制正是為檢驗水儲罐的耐壓能力而設計制造的.水壓實驗機是一種利用油水 平衡控制對水儲罐進行靜水壓試驗的機器.它一方面檢查水儲罐是否有滲漏現象,另一方面可以消除水儲罐在成型過程中產生的殘余應力。將水儲罐充滿高壓水后在一定壓力圍對其進行保壓,保證規定時間水儲罐全長圍均無泄漏,它是一個多方面為一體的復雜系統,是集機械、電氣、液壓、傳感和自動控制為一體的復雜的機、電、液一體化設備。水儲罐恒壓控制系統集變頻技術、電氣傳動技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控，同時可達到良好的節能性，提高供水效率。所以研究設計基于PLC的水儲罐恒壓控

4、制系統，對于提高企業效率以與人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現實意義。二、國外研究現狀隨著高級水儲罐市場的擴大,對高壓水儲罐水壓控制的需求也日益增大。以前,我國油套管,輸送管主要生產企業使用的高壓水壓控制主要依賴進口,直到1999年重型機械研究所設計研發出第一套高壓水儲罐水壓控制才改變了這種局面。在不到10年的時間里,重型機械研究所根據用戶需求,開發設計了十多套不同規格,不同試驗壓力的高壓水儲罐水壓控制。由于國產高壓水儲罐水壓控制的起步較晚,其發展過程存在一些問題。目前國外水儲罐水壓控制有很多種,但原理基本相似,國的水壓控制在部分規格和某些部分的工藝上不如國外的恒壓。國外水壓控制的

5、研究主要集中在原理與結構探討,設備改造,組態系統設計,控制系統和對水壓控制的整體運行狀態進行故障診斷以與預報潛在故障等方面,都取得了很大的進展。近年來,我國新開發了多種水壓控制,不僅滿足國際標準的新要求,而且價格低,很受用戶歡迎.三、研究方案水儲罐恒壓系統設計是一種利用PLC和變頻器對水儲罐進行恒壓控制的裝置。它主要有以下幾部分組成:水儲罐、PLC變頻器、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊和水位計。水儲罐負責儲水,水泵負責往水儲罐中注水，并且水壓足夠大 ,水位計負責監測水位的高低，模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊配合PLC和變頻器對水儲罐水位進行調節，組合起來的整個系統可以有效的進行工作。水壓控制的擬研

6、制控制系統由硬件系統,軟件系統組成。此設計系統以以變頻器、可編程序控制器作為系統控制的核心部件，以設定壓力為控制目標，以PID為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環控制系統。系統時刻跟蹤水儲罐的水壓與壓力設定值的偏差變化情況，經變頻器部進行PID運算，實現閉環自動調整恒壓供水。四、預期達到的結果本系統以一個水儲罐作為被控對象，研究基于PLC的恒壓供水系統的設計，使系統獲得較好的性能指標。設計水儲罐恒壓供水控制系統的硬件電路，并畫出詳細的原理圖；掌握PLC的編程與應用，畫出PLC控制功能圖，梯形圖。掌握變頻器的工作原理和使用方法，研究恒壓變頻供水的控制方法，擬定變頻器的各項參數，實現對系統的高性能控制

7、；進行程序的模擬調試，并觀察運行結果，實現要求的現象。指導教師簽字時 間年月日摘要基于PLC水儲罐恒壓系統設計以西門子S7-200系列PLC作為控制器，采用模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。利用PID控制指令，配合變頻器和電機，同時用水位計來測試水儲罐的壓力，使水儲罐保持恒定的水壓，構成閉環調速系統。本文所研究的是水壓控制的PLC控制部分，有非常重要的意義。水儲罐恒壓供水系統是非常高效的。本系統的方案是用智能PID調節器實現水儲罐水壓的PID調節。PLC控制單元則是水泵管理的執行設備，同時還是變頻器的驅動控制，根據水儲罐水位的實際變化，自動調整輸出模擬量，進而控制變頻器。變頻恒壓供水控制系統通過

8、監測水儲罐的壓力，經PLC置PID調節器運算后,通過模擬輸出端傳送到變頻器，調節輸出頻率進而調節水泵變速入水，實現水儲罐的恒壓供水。從最終結果來看，本次設計成功把自動控制、水儲罐、PID控制結合起來，綜合實現了水儲罐恒壓供水，使其在實際運用中響應迅速，實現自動控制的效果，達到預期要求。關鍵詞:水壓控制系統 PLC 水儲罐AbstractPLC-based water storage tank constant pressure system designed to Siemens S7-200 series PLC as a controller, analog input modules a

9、nd analog output module. Using PID control instructions, with the inverter and the motor, while the water level gauge to test the pressure of the water storage tank, the water storage tank to maintain a constant water pressure, closed loop speed control system. It is an the complex multifaceted inte

10、grally system. Studied in this paper is part of the hydraulic pressure control PLC control.Water tank Water Supply System for its water-saving, high efficiency, adaptability, etc. are widely used in the field of industrial production. Intelligent PID controller in the system water tank water pressur

11、e PID regulator. PLC control unit is the pump manage the implementation of equipment, or inverter drive control, automatically adjust the output based on actual changes in water level of the water tank, analog, and then control the drive. Constant pressure water supply control system by monitoring t

12、he pressure of the water storage tank, built-in PID controller operation by PLC, transmitted through the analog outputs to the inverter, adjust the output frequency and then adjust the pump variable speed into the water, the water tank pressure water supply.From the final results, the design success

13、fully combine automatic control, water storage tanks, PID control, integrated water tank pressure water supply, making it quick response in the practical application, the effect of automatic control, to achieve the desired requirements.Keywords: Control system for hydrostatic testing machine PLC Wat

14、er tank目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358920134第1章緒論 PAGEREF _Toc358920134 h 1HYPERLINK l _Toc3589201351.1課題研究的目的意義 PAGEREF _Toc358920135 h 1HYPERLINK l _Toc3589201361.2國外研究現狀和發展趨勢 PAGEREF _Toc358920136 h 2HYPERLINK l _Toc3589201371.3論文研究容 PAGEREF _Toc358920137 h 4HYPERLINK l _Toc358920138第2章水儲罐

15、恒壓系統的要求與設計方案 PAGEREF _Toc358920138 h 5HYPERLINK l _Toc3589201392.1設計要求 PAGEREF _Toc358920139 h 5HYPERLINK l _Toc3589201402.2設計方案 PAGEREF _Toc358920140 h 5HYPERLINK l _Toc358920141第3章水儲罐恒壓系統的硬件設計 PAGEREF _Toc358920141 h 7HYPERLINK l _Toc3589201423.1PLC選型 PAGEREF _Toc358920142 h 7HYPERLINK l _Toc35892

16、01433.2S7-200PLC工作原理 PAGEREF _Toc358920143 h 7HYPERLINK l _Toc3589201443.3I/O分配 PAGEREF _Toc358920144 h 8HYPERLINK l _Toc3589201453.4模擬量模塊 PAGEREF _Toc358920145 h 8HYPERLINK l _Toc3589201463.4.1模擬量輸入模塊(A/D) PAGEREF _Toc358920146 h 8HYPERLINK l _Toc3589201473.4.2模擬量輸出模塊(D/A) PAGEREF _Toc358920147 h 9

17、HYPERLINK l _Toc3589201483.5CPU和接觸器的選型 PAGEREF _Toc358920148 h 9HYPERLINK l _Toc3589201493.6水位計的選型 PAGEREF _Toc358920149 h 9HYPERLINK l _Toc3589201503.7變頻器的選型 PAGEREF _Toc358920150 h 10HYPERLINK l _Toc3589201513.8系統接線圖 PAGEREF _Toc358920151 h 11HYPERLINK l _Toc3589201523.9水泵和熔斷器的選型 PAGEREF _Toc35892

18、0152 h 12HYPERLINK l _Toc358920153第4章水儲罐恒壓系統的軟件設計 PAGEREF _Toc358920153 h 14HYPERLINK l _Toc3589201544.1PLC程序流程圖 PAGEREF _Toc358920154 h 14HYPERLINK l _Toc3589201554.2PID控制器 PAGEREF _Toc358920155 h 15HYPERLINK l _Toc3589201564.3程序 PAGEREF _Toc358920156 h 16HYPERLINK l _Toc3589201574.4指令和注釋 PAGEREF _

19、Toc358920157 h 17HYPERLINK l _Toc3589201584.4.1主程序部分 PAGEREF _Toc358920158 h 17HYPERLINK l _Toc3589201594.4.2子程序部分 PAGEREF _Toc358920159 h 17HYPERLINK l _Toc3589201604.4.3中斷服務子程序部分 PAGEREF _Toc358920160 h 18HYPERLINK l _Toc3589201614.4.4中斷服務子程序 PAGEREF _Toc358920161 h 18HYPERLINK l _Toc358920162第5章結

20、論與展望 PAGEREF _Toc358920162 h 19HYPERLINK l _Toc3589201635.1結論 PAGEREF _Toc358920163 h 19HYPERLINK l _Toc3589201645.2展望 PAGEREF _Toc358920164 h 19HYPERLINK l _Toc358920165參考文獻 PAGEREF _Toc358920165 h 20HYPERLINK l _Toc358920166致 PAGEREF _Toc358920166 h 21HYPERLINK l _Toc358920167附錄 PAGEREF _Toc358920

21、167 h 22HYPERLINK l _Toc358920168附錄A外文資料翻譯 PAGEREF _Toc358920168 h 22HYPERLINK l _Toc358920169附錄B梯形圖 PAGEREF _Toc358920169 h 30第1章緒論1.課題研究的目的意義水儲罐恒壓控制系統設計在我們的日常生活中應用非常普遍，為了達到節水和提高供水效率等目的，此設計則非常重要。用PLC控制該系統則可以達到節省人工、方便實用的目的。水儲罐恒壓控制系統集變頻技術、電氣傳動技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控，同

22、時可達到良好的節能性，提高供水效率。所以研究設計基于PLC的水儲罐恒壓控制系統，對于提高企業效率以與人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現實意義1。隨著國民經濟的飛速發展,水儲罐被廣泛應用于石油化工,鍋爐制造等行業, 它的普遍特點是常用于高溫, 高壓等惡劣工況下,因此對水儲罐的質量提出了更 高的要求。于是,壓力試驗成為水儲罐生產過程中必需的質量檢測環節,對水儲罐質量檢驗起著重要作用。水壓控制正是為檢驗水儲罐的耐壓能力而設計制造的.水壓實驗機是一種利用油水平衡控制對水儲罐進行靜水壓試驗的機器。它一方面檢查水儲罐是否有滲漏現象,另一方面可以消除水儲罐在成型過程中產生的殘余應力。將水儲罐充滿

23、高壓水后在一定壓力圍對其進行保壓,保證規定時間水儲罐全長圍均無泄漏,它是一個多方面為一體的復雜系統,是集機械、電氣、液壓、傳感和自動控制為一體的復雜的機、電、液一體化設備。水儲罐用于恒壓供水有非常重要的意義，通過PLC控制水泵流速，使水儲罐保持一定的液位。既減少了人為操作帶來的麻煩，又有效的避免了水的浪費。水壓控制是水儲罐生產線上必不可少的設備,因而水壓控制的工作效率直接影響到產品的生產率,因此提高水壓控制的生產率,對提高設備的檢驗能力與產品質量具有重要意義,很好的研究水壓控制的系統更有利于逐步改進提高現有設備的控制系統,提高設備的自動化水平,進而提高生產力水平,創造更多的經濟效益。利用PLC

24、智能控制水儲罐中水的流速既可以減少傳統的人工控制時人工操作帶來的不便和準確性，又可以節水避免水資源浪費。以變頻器為核心結合PLC組成的水儲罐恒壓控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，水儲罐恒壓系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控;同時系統具有良好節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以與人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。近年來，有關液位控制的形式與方法越來越多，技術性能也越發先進，自動化程度也有較提高

25、。但就以各類型水罐、水池的液位控制來說，許多項目沒有達到自動化的程度，有的在設計上雖然設置有較為精密儀表和其它電氣設備，但是沒有達到充分的開發和合理的配置，自動化程序較低，有許多電氣與儀表裝置，在系統中只起到了液位顯示與報警功能，其液位控制全憑生產運行人員根據系統工藝流程，人為地手動或電動操作水罐或水池的進出口閥門來實現液位控制，使其液位保持在正常的生產狀態圍。由于受各工藝流程生產系統中的影響，液位的變化和穩定性也受到較大影響，為此生產運行人員在工作中要時時監測液位的變化，而不得有半點疏忽，這樣就較增加了生產運行人員的勞動強度。九十年代，計算機已滲透到工業、農業、國防、科研等部門與民用生活的各

26、個方面，而工業生產過程計算機控制則是計算機技術應用的一個重要而有發展遠景的領域。信息時代的今天，工控界正進行著一場新的革命，各種新型控制設備不斷出現，產品的性能和可靠性不斷提高，價格進一步下降。因此PLC也受到越來越多的工程技術人員的重視，正在向著產業化方向發展。1.2國外研究現狀和發展趨勢隨著高級水儲罐市場的擴大,對高壓水儲罐水壓控制的需求也日益增大。以前,我國油套管,輸送管主要生產企業使用的高壓水壓控制主要依賴進口,直到1999年重型機械研究所設計研發出第一套高壓水儲罐水壓控制才改變了這種局面。 在不到10年的時間里,重型機械研究所根據用戶需求,開發設計了十多套不同規格,不同試驗壓力的高壓

27、水儲罐水壓控制。由于國產高壓水儲罐水壓控制的起步較晚,其發展過程存以下亟待解決的問題: (1)制管生產線生產率的提高對高壓水儲罐水壓控制提出了挑戰。目前, 單頭高壓水儲罐水壓控制的試壓最高頻次是90根/小時,而前道工序的生產率有時會更高,因此,開發高試壓頻次的高壓水儲罐水壓控制是今后的一個目標。 (2)開發新型的排氣端卡頭移動機構以滿足水儲罐長度變化時的試壓需要。 目前水壓控制排氣端卡頭移動用絲杠螺母機構,雖然定位準確,剛性好,但螺母磨損較嚴重,可以考慮用液壓伺服機構來解決這一問題。(3)開發新型的大口徑水儲罐密封結構。 隨著制管生產技術的提高,水儲罐外徑不斷增大,需要試壓的管徑也相應增大,現

28、在采用的徑向預壓緊組合密封是靠水儲罐外徑密封的,水儲罐外徑如果太大,此結構就太笨重,不利于更換卡頭,尋找一種新的密封方式是需要解決的問題。目前國外水儲罐水壓控制有很多種,但原理基本相似,國的水壓控制在部分規格和某些部分的工藝上不如國外的恒壓,例如目前我國無縫管軋制的規格僅到508mm,且較大規格(大于630mm)密封圈的制作工藝不過關,因此,我國還沒有直徑大于630mm,采用徑向密封的無縫水儲罐水壓控制。近二十年來,國外恒壓發展很快,技術先進,但系統復雜,制造和運行成本很高。為了適應產品高質量、高效率、降低能耗、減少公害、改善勞動條件,創建鍛造文明生產的要求,在70年代中期,不少恒壓己經實現通

29、過計算機,一人對壓機與操作機進行聯動控制。20世紀70年代以后,由于高性能大流量油泵與其液壓元器件、PLC、觸摸屏、工控機和各種先進的測控元件等進入工業領域, 恒壓得到了長足進步。從80年代初到現在其控制水平又有提高, 壓機機組自編程已完全進入工業性實用 階段,并且開始實現水儲罐檢測流程的網絡管理與自動控制。國外水壓控制的研究主要集中在原理與結構探討,設備改造,組態系統設計,控制系統和對水壓控制的整體運行狀態進行故障診斷以與預報潛在 故障等方面,都取得了很大的進展。例如采用絲堵和膠塞密封的石油油套管水壓控制,由于其密封壓力低,密封件使用壽命短,效率低,損傷螺紋等原因, 已不能滿足API標準的新

30、要求。以前進口的水壓控制,因試驗壓力低,使用受到限制。近年來,新開發了多種水壓控制,不僅滿足API標準的新要求,而且價格低,很受用戶歡迎。變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制與各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行

31、的情況，因而投資成本高。 1968年，丹麥的丹佛斯公司發明并首家生產變頻器(丹佛斯是傳動產品全球五大核心供應商之一)后，隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以與自動化程度高等方面的優點以與顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”和“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將PID調節器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多

32、個置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖然說是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統(如BA系統)和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其圍將會受到限制。隨著現代技術的發展，水儲罐恒壓系統會變得越來越人性化，越來越科學，經過一步一步的改善，此系統會更好的應用到生產生活實踐中，未來必定會帶來更大的社會效應和經濟效應1.3論文研究容水儲罐恒壓系統設計是一種利用PLC和變頻器對水儲罐進行恒壓控制的裝置。它主要有以下幾部分組成：水儲罐、PLC、變頻器、模擬輸入模塊、模擬輸出模

33、塊和水位計。水儲罐負責儲水,水泵負責往水儲罐中注水，并且水壓足夠大 ,水位計負責監測水位的高低，模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊配合PLC和變頻器對水儲罐水位進行調節，組合起來的整個系統可以有效的進行工作。水壓控制的擬研制控制系統由硬件系統,軟件系統組成。此設計系統以以變頻器、可編程序控制器作為系統控制的核心部件，以設定壓力為控制目標，以PID為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環控制系統。系統時刻跟蹤水儲罐的水壓與壓力設定值的偏差變化情況，經變頻器部進行PID運算，實現閉環自動調整恒壓供水。第2章 水儲罐恒壓系統的要求與設計方案2.1設計要求(1)保持恒定水壓，水以變化的速率不斷從水儲罐取出。(2)

34、變速泵用于保持充足水壓的速率添加水到水儲罐。(3)系統設定值等于水儲罐達到充滿75%水位的設置。(4)過程變量由浮點型測量器提供，它提供水儲罐充滿程度的一樣讀數，可以從0到100%變化，泵速的值為輸出值，允許泵從最大速度的0到100%運行。2.2設計方案本系統原理圖如下。用水水儲罐+水泵供水變頻器D/A轉換PID調節器水位給定+A/D轉換水位計圖2-1 系統原理框圖由于該設計的目的是保持水儲罐水位不變，而從水儲罐流出的水又是變化的速率，因此就要控制其入水的速率，即控制變速泵的速度。因此要用PLC來自動調節變速泵的泵速。該系統主要由水儲罐、水位計、PLC、變頻器和水泵等組成。系統主要的設計任務是

35、使水儲罐水位保持在75%的位置。系統開機后手動控制水泵往水儲罐中加水，當水位上升到滿水位的75%時，系統轉換到PID自動調節。水儲罐的水位由水位檢測計提供，經過A/D轉換后送入PLC。控制信號由PLC執行PID指令以后，以單極性信號經D/A轉換后送出，從而驅動變頻器控制水泵電動機調速，以維持水儲罐的水位不變。水儲罐恒壓系統設計是一種利用PLC和變頻器對水儲罐進行恒壓控制的裝置。水儲罐負責儲水,水泵負責往水儲罐中注水，并且水壓足夠大 ,水位計負責監測水位的高低，模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊配合PLC和變頻器對水儲罐水位進行調節，組合起來的整個系統可以有效的進行工作。水壓控制的擬研制控制系統由硬

36、件系統,軟件系統組成。此設計系統以以變頻器、可編程序控制器作為系統控制的核心部件，以設定壓力為控制目標，以PID為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環控制系統。系統時刻跟蹤水儲罐的水壓與壓力設定值的偏差變化情況，經變頻器部進行PID運算，實現閉環自動調整恒壓供水。第3章 水儲罐恒壓系統的硬件設計3.1PLC選型PLC即可編程序控制器，是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統裝置，專為在工業現場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。它具有可靠性高、抗干擾能力強、

37、功能豐富等許多優勢，目前隨著計算機通訊技術和大規模集成電路技術的發展，PLC技術的應用變得越來越廣泛，同時在技術和功能上也變得越來越先進。 目前國使用的PLC種類很多，主要有德國西門子、日本三菱、歐姆龍等廠商的產品。按PLC的控制規模分類，PLC可分為小型機、中型機、大型機2。通常小型機的控制點數小于256點，用戶程序存儲器的容量小于8K字。小型機通常用于單機控制和小型控制場合。西門子公司的S7-200就屬于小型機。S7-200以其相對較低的成本使得他在激烈的小型PLC市場中具有非常大的競爭優勢。本設計比較屬于小型控制，因此我選擇的西門子S7-200PLC。3.2S7-200PLC工作原理S7

38、-200采用循環掃描方式，一個掃描周期一般包括五個階段:輸入處理、執行程序、處理通訊請求、執行CPU自診斷測試和寫輸出。輸入處理階段對個數字量輸入點的當前狀態進行輸入掃描，并將各掃描結果分別寫入對應的映像寄存器中。在執行程序階段，CPU從第一條指令開始順序取指令并執行，直到最后一條指令結束。執行指令時從映像寄存器中讀取各輸入點的狀態，每條指令的執行是對各數據進行算術或邏輯運算，然后將運算結果送到輸出映像寄存器中。在掃描周期的信息處理階段，CPU自動檢測并處理各通訊端口接收到的任何信息。即檢查是否有編程器、計算機等的通信請求，若有則進行相應處理，在這一階段完成數據通訊任務。CPU自診斷階段，CP

39、U檢測主機硬件，同時也檢查所有的輸入輸出模塊的狀態。如果發現異常，則停機并顯示出錯。若自診斷正常，繼續向下掃描。寫輸出階段，CPU用輸出映像寄存器中的數據幾乎同時集中對輸出點進行刷新，通過輸出部件轉換成被控設備所能接受的電壓或電流信號，以驅動被控設備。掃描周期執行的任務依賴于CPU的工作模式，S7-200CPU有兩種操作模式：STOP模式和RUN模式。對于掃描周期，STOP模式和RUN模式的主要差別是在RUN模式下運行用戶程序，而在STOP模式下不運行用戶程序3。3.3I/O分配表3-1 I/O分配表輸入I0.0I0.1自動轉換開關變頻器接入電源開關AIW0模擬量輸入AIW2模擬量輸入輸出AQ

40、W0模擬量輸出Q0.0變頻器3.4模擬量模塊工業設計中，有時需要用模擬量信號來進行控制。模擬量模塊有輸入模塊、模擬量輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊。本次設計中用到模擬量輸入模塊模擬量輸出模塊。3.4.1模擬量輸入模塊(A/D)模擬量信號是一種連續變化的物理量，如電流電壓溫度壓力位移速度等。工業設計中，要對這些模擬量進行采集并送給PLC的CPU，必須先對這些模擬量進行模/數(A/D)轉換。模擬量輸入模塊就是用來將模擬信號轉換成PLC所能接受的數字信號的。生產過程的模擬信號是多種多樣的，類型和參數大小也不一樣，它的滿量程輸入是020mA。所以，一般先用現場信號變送器把它們變換成統一的標準信號(如42

41、0mA的直流電信號)，然后再送入模擬量輸入模塊將模擬量信號轉換成數字量信號，以便PLC的CPU進行處理。模擬量輸入模塊(EM231)一般由濾波模/數(A/D)轉換，光耦合器等部分組成。光耦合器有效的防止了電磁干擾，對多通道的模擬量輸入單元，通常設置多路轉換開關進行通道的切換，且在輸出端設置信號寄存器。模擬量輸入模塊(EM231)設有電壓信號和電流信號輸入端。輸入信號經濾波放大模/數(A/D)轉換得到的數字量信號，再經光耦合器進入PLC部電路。3.4.2模擬量輸出模塊(D/A)在工業設計中。有些現場設備需要用模擬量信號控制，例如，電動閥門液壓電磁閥等執行機構需要用連續變化的模擬信號來控制或驅動。

42、這就要求把PLC輸出的數字量變換成模擬量，以滿足這些設備的要求。模擬量輸出模塊(EM232)的作用就是把PLC輸出的數字量信號轉換成相應的模擬量信號，以適應模擬量控制的要求。模擬量輸出模塊一般由光耦合器數/模(D/A)轉換器和信號驅動等環節組成，光耦合器可有效地防止電磁干擾。PLC輸出的若干位數字量信號由部電路送至光耦合器的輸入端，經光耦合后的數字信號，再進入數/模(D/A)轉換器，轉換后的直流模擬量信號經運算放大器放大后驅動輸出。通常模擬量輸出模塊提供電壓輸出和電流輸出4。3.5CPU和接觸器的選型CPU選擇的原則是在滿足功能要求的前提下保證系統可靠性，使用維護方便以與最優的經濟效益。應當滿

43、足性能與任務相適應、指令滿足系統的功能要求、估算的輸入輸出點數有余量等幾個要求。根據I/O分配表中的容，我選擇CPU222系列，它可以連接2個擴展模塊，即模擬量輸入和模擬量輸出模塊。CPU222置了8個數字量輸入點和6個數字量輸出點，可以滿足此系統的數字量信號的需要。另外它還具有足夠大的程序和數據存儲空間，因此我選用CPU222作為整個系統的控制核心5。接觸器選擇的是CJ20-10型號的交流接觸器。3.6水位計的選型本次設計中需要檢測水儲罐的液位，因此用到水位計來實現這一要求。在此選用DDZ-型儀表水位計對其進行測量變送，以實現對水位的檢測和監控。此水位計具有結構簡單、檢測功能齊全、讀數直觀、

44、醒目、測量圍大等優點。尤其對在大量程、強腐蝕性、易燃、易爆等場合更為適用。該儀表輸出420mA信號。其具體工作原理是：當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力公式為：P=gh+P0式中：P變送器迎液面所受壓力被測液體密度g當地重力加速度P0液面上大氣壓h變送器投入液體的深度同時，通過導氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓P0與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的P0，使傳感器測得壓力為：gh，顯然,通過測取壓力P可以得到液位深度。控制器在自動控制系統中的地位和作用是十分重要的。當干擾作用于被控過程時，其被控參數發生變化，使相應的測量值偏離給定值而

45、產生偏差。控制器則根據偏差大小，按照一定的規律使其輸出變化，并通過執行器改變控制參數，使被控參數回到給定值，從而抵消干擾對被控參數的影響。所以控制器具有把在干擾作用下偏離給定值的被控參數重新拉回到給定值上的功能。DDZ-型控制器的作用是輸出420mA DC信號，然后通過執行器，實現對過程參數的自動控制。一臺DDZ-型工業控制器除能實現PID運算外，還具有如下功能，以適應生產過程自動控制的需要。(1)獲得偏差并顯示其大小(2)顯示控制器的輸出(3)提供給定信號并能進行外給定選擇(4)進行正反/作用選擇(5)進行手動操作 ，并具有良好的手動/自動雙向切換性能3.7變頻器的選型通常把電壓和頻率固定不

46、變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作變頻器，該設備首先要把三相或單相交流電變換為直流電。然后再把直流電變換為三相或單相交流電。變頻器同時改變輸出頻率與電壓，也就是改變了電機運行曲線上的N0，使電機運行曲線平行下移。因此變頻器可以使電機以較小的啟動電流，獲得較大的啟動轉矩，即變頻器可以啟動重載負荷。變頻器的工作原理是通過控制電路來控制主電路，主電路中的整流器將交流電轉變為直流電，直流中間電路將直流電進行平滑濾波，逆變器最后將直流電再轉換為所需頻率和電壓的交流電，部分變頻器還會在電路加入CPU等部件，來進行必要的轉矩運算。變頻器的誕生源于交流電機對無級調速的需求，隨著晶閘管、靜電感應晶

47、體管、耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管等部件的出現，電氣技術有了日新月異的變化，變頻器調速技術也隨之發展，特別脈寬調制變壓變頻調速技術更是讓變頻器登上了新的臺階。變頻器的工頻電源一般是50Hz或60Hz，無論是在家用領域或生產領域，工頻電源的頻率和電壓都是恒定不變的。以工頻電源工作的電機在調速時可能會造成功率的下降，而通過變頻器的調整，電機在調速時就可以減少功率損失。變頻器的種類繁多，按照變頻器的用途不同可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等；按照變頻器工作原理分類可分為V/f控制變頻器、轉差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等。變頻器具有調壓、調頻、穩壓、調速等基本功

48、能。本設計選用T.VERTER 變頻器，它是三相380V變頻器。使用正弦波PWM控制方式，頻率控制圍是0.1400HZ，可以滿足要求。3.8系統接線圖圖3-1 系統接線圖3.9水泵和熔斷器的選型由于恒壓供水是要靠水泵抽水來實現的，所以選擇水泵是非常重要的。水泵選型依據應從五個方面加以考慮，既液體輸送量、裝置揚程、液體性質、管路布置以與操作運轉條件等。根據泵選型原則和選型基本條件，具體操作如下：(1)根據裝置的布置、地形條件、水位條件、運轉條件，確定選擇臥式、立式和其它型式(管道式、潛水式、液下式、無堵塞式、自吸式、齒輪式等)的泵。(2)根據液體介質性質，確定清水泵，熱水泵還是油泵、化工泵或耐腐

49、蝕泵或雜質泵，或者采用無堵塞泵。安裝在爆炸區域的泵，應根據爆炸區域等級，采用相應的防爆電動機。(3)根據流量大小，確定選單吸泵還是雙吸泵；根據揚程高低，選單級泵還是多級泵，高轉速泵還是低轉速泵(空調泵)、多級泵效率比單級泵低，如選單級泵和多級泵同樣都能用時，首先選用單級泵。(4)確定泵的具體型號。確定選用什么系列的泵后，就可按最大流量，(在沒有最大流量時，通常可取正常流量的1.1倍作為最大流量)，取放大5%10%余量后的揚程這兩個性能的主要參數，在型譜圖或者系列特性曲線上確定具體型號。操作如下：利用泵特性曲線，在橫坐標上找到所需流量值，在縱坐標上找到所需揚程值，從兩值分別向上和向右引垂線或水平

50、線，兩線交點正好落在特性曲線上，則該泵就是要選的泵，但是這種理想情況一般很少，通常會碰上下列兩種情況：第一種：交點在特性曲線上方，這說明流量滿足要求，但揚程不夠，此時，若揚程相差不多，或相差5%左右，仍可選用，若揚程相差很多，則選揚程較大的泵。或設法減小管路阻力損失。第二種：交點在特性曲線下方，在泵特性曲線扇狀梯形圍，就初步定下此型號，然后根據揚程相差多少，來決定是否切割葉輪直徑，若揚程相差很小，就不切割，若揚程相差很大，就按所需Q、H，根據其ns和切割公式，切割葉輪直徑，若交點不落在扇狀梯形圍，應選揚程較小的泵。選泵時，有時須考慮生產工藝要求，選用不同形狀Q-H特性曲線。(5)泵型號確定后，

51、對水泵或輸送介質的物理化學介質近似水的泵，需再到有關產品目錄或樣本上，根據該型號性能表或性能曲線進行校改，看正常工作點是否落在該泵優先工作區。(6)對于輸送粘度大于20mm2/s的液體泵(或密度大于1000kg/m3)，一定要把以水實驗泵特性曲線換算成該粘度(或者該密度下)的性能曲線，特別要對吸入性能和輸入功率進行認真計算或較核。(7)確定泵的臺數和備用率：對正常運轉的泵，一般只用一臺，因為一臺大泵與并聯工作的兩臺小泵相當(指揚程、流量一樣)，大泵效率高于小泵，故從節能角度講寧可選一臺大泵，而不用兩臺小泵，但遇有下列情況時，可考慮兩臺泵并聯合作：流量很大，一臺泵達不到此流量；對于需要有50%的

52、備用率大型泵，可改兩臺較小的泵工作，兩臺備用(共三臺)；對某些大型泵，可選用70%流量要求的泵并聯操作，不用備用泵，在一臺泵檢修時，另一臺泵仍然承擔生產上70%的輸送。我選擇的是10Sh-9A型水泵，該水泵進口直徑是250毫米，這臺水泵的葉輪是“雙面”都進水的，比轉數是90。它的流量可以在一個相當大的圍變化流量變化時，揚程也就跟著變化，這臺水泵的各項系數可以滿足本設計的要求。熔斷器選擇的型號是RC1A30。第4章 水儲罐恒壓系統的軟件設計4.1PLC程序流程圖開始如圖41所示。手動運行模式，根據要求，手動進行相應操作是否自動運行否初始化子程序與PID參數的初始化 是運行PLCPID指令與算法控

53、制控制量的輸出75%水壓計算變頻器改變頻率變速泵變速控制注水速度壓力值周期采樣與數值處理圖 4-1 程序流程圖4.2PID控制器PLC的模擬量輸入/輸出的本質是進行A/D與D/A轉換，這一功能除了用來對速度、壓力、流量等模擬量進行測量顯示與轉換外，其更重要的作用是用來實現模擬量控制系統的閉環自動控制。為此，S7-200PLC集成有專門的PID(比例、積分、微分)軟件，可用于閉環控制的工業設計中6。在工業控制中，常常需要用閉環控制方式實現壓力、溫度、流量等連續變化的模擬量的控制。無論使用模擬控制器的模擬控制系統，還是使用計算機(包括PLC)的數字控制系統，PID控制系統都得到了極為廣泛的使用。過

54、程控制系統在對模擬量進行采樣的基礎上，一般還對采樣值進行PID(比例+積分+微分)運算，并根據運算結果，形成對模擬量的控制作用。PID運算中的積分作用可以消除系統的靜態誤差，提高對系統參數變化的適應能力；微分作用可以克服慣性滯后，提高抗干擾能力和系統的穩定性，改變系統動態響應速度；比例作用可對系統偏大做出與時響應。因此，對于快過程和慢過程，PID都有良好的實際效果。如果可以將這三種的強度做適當的配合，可以使PID回路快速、平穩、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。PID控制器的輸出量=比例項+積分項+微分項+輸出的初始值，即(4-1)數字計算機要處理這個函數函數關系式，必須將連續函數離散化，對

55、偏差周期采樣后，計算輸出值得到 (4-2)式中，積分項是包括從第1個采樣周期到當前采樣周期的所有誤差的積累值。計算中，沒有必要保留所有采樣周期的誤差項。只需保留積分項前值MX即可 (4-3)式中MX積分項前值(在第n-1采樣時刻的積分項)；MPn第n采樣時刻的比例項；MIn第n采樣時刻的積分項；MDn第n采樣時刻的微分項。比例項是是增益Kc和偏差e的乘積。增益Kc決定輸出對偏差的靈敏度。增益為正的回路為正作用回路，反之為反作用回路。選擇正、反作用的目的是使系統處于負反饋控制。 (4-4)式中SPn為第n采樣時刻的給定值；PVn為第n采樣時刻的過程變量值。積分項MIn與偏差的和成正比 (4-5)

56、式中Ts為采樣周期；Ti為積分時間常數積分項前值MX是第n采樣周期前所有積分之和。在每次計算出Min之后，都要用Min去更新MX。第一次計算時MX的初值被設置為Minitial(初值)。采樣周期Ts是重新計算輸出的時間間隔，而積分時間常數Ti控制積分項在整個輸出結果中影響的程度。本次設計中用的是PI控制，因此關閉微分作用，即微分時間為0。根據題意，PID回路參數表如下：表4-1 PID回路參數表地址參數數值VD100過程變量當前值PVn水位檢測計提供的模擬量經A/D轉化后的標準化數值VD104給定值SPn0.75VD108輸出值MnPID回路的輸出值(標準化數值)VD112增益KC0.25VD

57、116采樣時間TS0.1VD120積分時間TI30VD124微分時間TD0VD128上一次積分值MX根據PID運算結果更新VD132上一次過程變量PVn-1最近一次的PID的變量值4.3程序給定值為滿水量的75%，被控水位值由液位計檢測后經A/D轉換送入PLC,用于控制電動機轉速的控制量信號由PLC執行PID指令后以單極性信號經D/A轉換后送出。采用PI控制，其增益、采樣周期和積分時間分別為：Kc=0.25，T=0.1s，Ti=30min。通過首次掃描調用子程序的方式，初始化PID參數并為PID運算設置時間間隔(定時中斷)。PID參數表的首地址為VD100，定時中斷時間為I0，子程序編號為0。

58、通過定時中斷每隔100ms調用一次中斷服務程序。在中斷服務程序中，采樣被控制量的水位值并進行標準化處理后送入PID參數表若系統處于手動工作狀態，則將手動時水泵轉速的給定值經標準化處理后送PID參數表作為輸出值與積分和，將手動時水位值標準化后送PID參數表作為反饋量前值；若系統為自動工作狀態，則執行PID運算，并將運算結果轉換成工程量后送模擬量輸出寄存器，通過D/A轉換以控制水泵的轉速，實現水位恒定的控制要求。該系統的控制程序由主程序、子程序和中斷程序3部分組成。采用定時中斷來定時采樣，設置定時時間為100ms，并寫入SMB34，標準化采用單極性(取值圍為0-32000)。4.4指令和注釋4.4

59、.1主程序部分LD SM0.1 CALL SBR0 首次掃描調用初始化子程序0 ID I0.1 = Q0.0 I0.1得電，將變頻器接入電源 4.4.2子程序部分LD SM0.0 MOVR 0.75，VD104 填寫PID參數表，設置給定水位值75% MOVR 0.25，VD112 設置增益值為0.25 MOVR 0.1，VD116 設置采樣周期為0.1s MOVR 0.3，VD120 設置積分時間為30min MOVR 0.0，VD124 設置微分時間常數為0，即關閉微分作用 MOVB 100，SMB34 設定定時中斷的時間間隔為100ms ATCH INT0，10 每次定時時間到調用中斷程

60、序0 ENI 全局開中斷4.4.3中斷服務子程序部分LD SM0.0 XORD AC0，AC0 清累加器 MOVW AIW0，AC0 讀入(采集)連接在模擬量通道0上的水位值 DTR AC0，AC0 將采集到的水位值轉換為實數(即浮點數) /R 32000.0，AC0 MOVR AC0，AC0 對單極性的實數水位值進行標準化 MOVR AC0，VD100 將水位值的標準化結果填入PID回路表 LD I0.0 PID VB100，0 若為自動方式，則調用PID功能，取環路編號0 MOVR VD108，AC0 *R 32000.0，ACO 取PID運算結果的控制量，進行逆標準化(即轉換為工程量)