太原科技大学毕设PLC水塔控制系统终稿.docx
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太原科技大学毕设PLC水塔控制系统终稿
HUAKEINSTITUTEOFTAIYUANUNIVERSITYOF
SCIENCE&TECHNOLOGY
毕业设计(论文)
题目:
PLC水塔控制系统
学生姓名
学号
班级
所属院(系)
指导教师
2011年6月20日
目录
摘要I
第1章绪论1
1.1水塔供水的发展1
1.2自动控制技术在水工业中的应用和发展1
1.3水塔供水系统设计方案2
第2章设计要求及方案4
2.1设计要求4
2.2设计方案4
2.2.1水塔供水系统5
2.2.2蓄水池供水系统9
第3章系统硬件10
3.1可编程控制器10
3.2压力式液位传感器10
3.2.1工作原理10
3.2.2HDP601压力式液位传感器11
3.3模拟量扩展模块11
3.4软启动器13
3.4.1软启动器原理13
3.4.2西门子3RW30软启动器14
3.5硬件接线图15
3.5.1软启动器接线图15
3.5.2软启动器一拖三电路设计15
3.5.3系统硬件原理图16
3.5.4工作过程19
第四章系统软件20
4.1系统程序流程图20
4.2系统软件设计21
4.2.1初始化程序21
4.2.2条件判别电路22
4.2.3维修判断部分23
4.2.4定时器控制部分23
4.2.5水泵软启动与常压运行控制部分24
4.2.6电机检修部分25
4.2.7蓄水池控水位控制部分26
结论27
参考文献28
致谢29
附录30
摘要
本文的设计内容为一个由西门子S7-200PLC控制有塔供水控制系统。
本系统可以自动的将蓄水池中的水通过水泵抽到水塔中以提供用户供水。
系统具有低水位报警,高水位自动停止加水,根据水位控制加水方式等功能,做到了根据需求进行水位控制,相对于一般的水塔供水系统,具更先进的控制策略,提高控制的精确度。
系统的核心控制部件为S7-200PLC,通过对PLC编程实现一系列的功能。
水位的检测功能通过压力式液位传感器实现,通过EM235模块实现模拟量数据的输入。
水泵采用三相异步电动机,三台水泵共用一台软启动器实现了水泵的分时软启动。
本系统结构简单明了,各个部件的可靠性较高,具有很好的可实现性。
关键词:
S7-200PLC,软启动器,水塔,液位传感器
Abstract
ThecontentofthisarticleforawatertowercontrolsystemcontrolledbytheS7-200PLC.Thesystemcanautomaticallywaterinthereservoirthroughthepumppumpedthewatertowertoprovidetheuserwatersupply.Thesystemhasalowwaterlevelalarm,highwaterlevelautostop,addwater,addwaterwaysandotherfunctionsbasedonwaterlevelcontrol,toachievealevelcontrolbasedondemand,relativetogeneralwatertowerwatersupplysystem,withmoreadvancedcontrolstrategiesandimprovethecontrolaccuracy.SystemcontrolcomponentsoftheS7-200PLC,throughaseriesoffunctionsofPLCprogramming.Thewaterleveldetectionbythepressuretypeliquidlevelsensor,theanalogdatainputbytheEM235module.Pumpswiththree-phaseasynchronousmotor,threepumpsshareasoft-starttime-sharingsoftstartofthepump.Thesystemstructureissimple,thevariouscomponentsofhighreliability,withgood.
Keywords:
S7-200PLC,softstart,thewatertower,liquidlevelsensor
第1章绪论
1.1水塔供水的发展
“自来水”被人们称之为“城市的生命线”。
当建筑技术的发展让人们的住所平地而起,超高层大楼鳞次栉比耸立在现代城市里的时候,如何将水送到同样的高度并不是一件轻而易举的事情。
“自来水”来之不易,也绝非自来。
新中国成立六十年来,我国的建筑供水事业走过了一条从沿承旧路、不断摸索再到自主创新的发展之路。
中国人在解决水与高度这一命题的过程中,发挥了自己的智慧与创造,开辟了安全供水的新时代。
这种方式的自来水在地面建筑多为平房和低层楼房的时期无疑是完全可以满足的。
解放初期我国大多数城市大都是采取水塔供水的方式。
但是随着城市楼房的不断升高,供水压力的不足暴露无疑。
面对越来越多的高层楼房拔地而起,如何将自来水输送到高层楼房的顶层成为高层建筑供水技术的新命题。
1958年,以人民大会堂、北京饭店、民族饭店、华侨大厦等“十大建筑”的陆续竣工为标志,中国高层建筑的“楼顶水箱供水”技术开启了新的时代。
反观新中国成立六十年的供水技术史,伴随着技术的发展,高层建筑供水设计的理念也发生了很大的变化。
从保证有水到节能、环保,再到安全、节约、健康、舒适。
今天的供水技术,已经实现了从人力到自动、从低层到高层、从原始到专业的三大跨越,在给人们提供更加舒适便捷生活的同时,开辟了安全、健康供水的新时代。
1.2自动控制技术在水工业中的应用和发展
由水工业的社会性所决定,水工业的学科体系由多个互相关联的学科组成,包括:
水质与水处理技术、水工业工程技术、水处理基础科学、水社会科学、水工业设备制造技术等,它们共同支撑着水工业的工业体系。
而在这些学科中水质与水处理技术和水工业工程技术是水工业学科体系中的主导学科
近几十年来,自动控制技术迅猛发展,在工农业生产,交通运输,国防建设和航空,航天事业等领域中获得广泛的应用。
随着生产和科学技术的发展,自动控制技术至今已渗透到各种科学领域,成为促进当今生产和科学技术进步的重要因素。
比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机,自动售货机。
自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。
在工业方面主要分为两大类:
一类是气体、液体、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。
需要对温度、压力、物位、流量、成分、等参数进行控制。
另一类的、是对已成型材料的进一步加工或者对多种已成型材料的装配,主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。
控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。
经典控制理论最初称为自动调节原理,适用于叫简单系统定变量的调节。
随着后期现代控制理论的出现,故改称为经典控制理论。
经典控制理论以传递函数为数学工具研究单输入,单输出的自动控制系统的分析和设计方法。
主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。
现代控制理论的产生,随着科学技术的突飞猛进,特别是空间技术和各类高速飞行器的发展,使各受控对象要求高速等、高精度,而系统的结构更加复杂,要求控制理论解决动态耦合的多输入多输出、非线性以及时变系统设计问题。
此外,对控制性能的要求也在逐步提高,很多情况下要求系统的某种性能是最优秀的,而且对环境的变化要有一定适应能力等。
这些新的要求用经典理论是无法解决的,这同时也为先导控制理论的形成创造了条件,具有结构简单,使用寿命长,可靠性高,操作维修方便,经济实用的优点是用于各种高层液体储存的理想设备。
1.3水塔供水系统设计方案
现今社会,自动化装置无所不在,在控制技术需求的推动下,控制理论本身也取得了显著的进步。
水塔水位的监测和控制,再也不需要人工进行操作。
实践证明,自动化操作,具有不可替代的应用价值。
水塔水位自动控制器,具有适应各种液体液位的检测和控制的功能,是可以投入实际生产的产品。
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测首要环节以及自动控制的关键部分。
本文将采用液面传感器来检测液面的水位,以便控制水泵的工作状态,达到合理使用水资源的目的。
可编程控制器(PLC)因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。
本文针对目前比较流行的控制技术,利用PLC和传感器构成了水塔水位的控制系统。
改造后的水塔水位自控系统,实现水塔水位自动控制系统,无人监控,实现无人值守。
该设计采用西门子S7-200PLC控制电路实现水泵的工作状态与水塔水位变化同步,即通过安装在水塔内液位传感器将水位实时传送至PLC,PLC再根据水位变化来控制水泵的开启与关停,从而实现自动控制,达到节能的目的,提高了供水系统的质量。
该水塔水位控制系统具有低成本、高使用价值的优点。
第2章设计要求及方案
2.1设计要求
在自来水供水系统中,为解决高层建筑的供水问题,修建了水塔。
某水塔高31m,水塔内最高水位为5m,为保证水塔的正常水位,需要用水泵为其供水。
水泵房有3台泵用异步电动机。
正常运行时,2台电动机运转,1台电动机备用。
1.因电动机功率较大,因此需要减少启动电流。
2.正常工作时,最多只有2台电动机工作,1台作为备用。
定期检修电机时,可以手动切换备用电机。
3.每台电动机都有运行状态指示灯。
4.当水塔水位为2米时,两台水泵全开;当水塔水位为4m时,有且仅有一台水泵工作;当水位为1m时,报警;当水位为5米时,关闭所有水泵。
5.该系统应全面考虑可行性、经济性以及安全性。
2.2设计方案
图2.1水塔供水系统示意图
如图,该设计包括蓄水池、水塔、软启动器、水泵、液位检测部分(压力式液位传感器、电极式水位传感器)、控制部分(西门子S7-200PLC)、电磁阀等。
整个系统主要包括水塔供水系统和蓄水池供水系统。
2.2.1水塔供水系统
(1)水塔控制系统的控制单元为西门子s7-200PLC,执行单元为软启动器和水泵,被控对象为水塔,反馈单元为液位传感器。
在水塔控制系统的设计中,液位检测装置的选择以及软启动器控制电机启动为重点。
(2)液位检测装置选择
对于液位检测装置目前较为常见的控检测方式以及装置有一下几种:
1)电极式水位控制系统
使用多个电极线与水面接触,探测水位。
优点:
价格便宜。
缺点:
属于开关量控制,无法给出实际水位,探测电极容易腐蚀,安装不便,如有污物粘附在电极上,会使水位失控。
2)浮球水位控制器
分为管式浮球与缆浮球。
管式浮球适合清水及粘度不大的液体。
缆浮球适合污水。
优点:
价格适中,可以做出高、低、超高、超低四点控制。
缺点:
属于开关量控制,无法给出实际水位;浮球上易粘附污物,使浮球不能可靠动作,管式浮球容易卡滞,缆浮球容易缠绕,所有浮球都有触点接触不良现象,结果都是系统失控;调整控制点很不方便。
3)液位变送器+智能控制器方式
优点:
属于模拟量控制,可以实时显示水位数值,对于水位失控或设备故障可以提前预警。
集成了双泵智能控制,控制系统接线简单。
可设高、低、超高、超低四点控制,控制点在控制器上设定,极其方便。
智能控制器可与电脑联网,可以远程监视水位及设备运行情况。
缺点:
价格高。
4)超声波液位控制器
优点:
属于模拟量控制,可以实时显示水位数值,对于水位失控或设备故障可以提前预警。
集成了双泵智能控制,控制系统接线简单。
可设高、低、超高、超低四点控制,控制点在控制器上设定,极其方便。
智能控制器可与电脑联网,可以远程监视水位及设备运行情况。
探头不与待测物质接触,适合污水及有毒有害液体的液位控制。
缺点:
价格高。
不适合水面有大量气泡的场合。
5)压力式液位传感器
优点:
属于模拟量控制,可以实时显示水位数值,对于水位失控或设备故障可以提前预警。
集成了双泵智能控制,控制系统接线简单。
可设高、低、超高、超低四点控制,控制点在控制器上设定,极其方便。
智能控制器可与电脑联网,可以远程监视水位及设备运行情况。
缺点:
价格高。
通过以上对不同液位传感器性能的分析和设计要求,本设计中水塔选择压力式液位传感器组成液位自动控制系统。
其特点为,液位自动控制,不溢出,不缺水,实时性好,控制精度较高。
(3)电机启动方式选择:
三相异步电动机均有一个较大的起动电流I(起动)。
根据不同的电动机,该电流的变化范围大概在额定动作电流的3至15倍之间。
大于电动机额定电流7至8倍的电流可假定是一个典型的数值。
图2.2三相异步电动机典型的电流曲线
目前常用的低电流启动方式主要有:
星-三角启动方式、变频调速器以及软启动器。
1)星-三角起动器:
经过一定的转换时间以后,它会将电动机的绕组从星形连接转换成三角形连接。
如果在星形连接下起动,则电动机的电流大约仅占三角形起动电流的1/3,电动机的转矩大约也降低至三角形转矩的1/3。
缺点:
•电动机需要6根引线
•会产生转换振动
•不能根据电动机的情况进行适应的起动
•安装相对复杂并化时
•在控制柜中占具面积大
图2.3三相电机星-三角启动电流曲线图
2)变频调速器:
变频调速器当采用变频调速装置时,它会将交流线电压转换成直流电压,即能在任何频率下依次转换为某一电压。
下列曲线图显示了变频调速器的动作原理:
图2.4变频调速器的动作原理
缺点:
•一旦要符合无线电干扰规则就显得比较麻烦;时常缺少不掉滤波器。
•由于导线的电容量关系,电动机的导线长度就受到一定的限值;可能还需要使用扼流器正弦滤波器或者甚至需要du/dt滤波器。
•价格昂贵。
•由于控制参数多,调试比较困难且化时间。
•需要屏蔽连接线。
优点:
•电动机的速度可以变换并可精确调整。
•电压/频率比值几乎保持不变,这样在相当小的电流下也能达到高的转矩。
3)软启动器启动电机:
就软起动器来讲,它能在一个起动时间内,通过相位控制把起动电压调节至电动机的额定电压从而来提高电动机的电压。
由于电动机的与电动机的电压成正比,故起动电流可降低至整定的起动电压的对应值。
图2.5三相电机软启动器启动电流示意图
优点:
•在控制柜中所占面积小
•如需符合无线电干扰规则(A级;在连接回路中,控制电压为24V的类型也属B级),则无须接线(例如,滤波器)。
•组装简便
•调试方便
•与星-三角起动器相比仅需三根电动机连接引线。
•可按系统需求来选择起动方案。
缺点:
•速度不能持续设定
•电压低时转矩也较低
综上所述,考虑到经济性、安全、节能等方面,该设计采用软启动器启动电机。
2.2.2蓄水池供水系统
蓄水池作为水塔的水源保障,这就要求蓄水池的储水量保持在合理的、可接受的范围内。
但同时,蓄水池也是一种设计粗犷、控制精度、灵敏度要求并不高的巨大容器,因此,结合前面所介绍的几种水位检测办法,从减少成本出发,蓄水池中的水位检测装置选用电极式水位控制器。
蓄水池供水控制装置采用电磁阀就可满足控制需求。
第3章系统硬件
3.1可编程控制器
PLC称为可编程控制器,是以微处理器为基础,综合了计算机技术、半导体集成技术、自控技术和数字控制技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。
PLC的种类繁多比如西门子、三菱、台达等等。
西门子S7-200系列出色表现在以下几个方面:
极高的可靠性,极丰富的指令集,易于掌握,便捷的操作,丰富的内置集成功能,实时特性,强劲的通讯能力,丰富的扩展模块。
S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。
CPU224集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出。
1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
还需要考虑到一些别的因素:
机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等。
要满足功能要求及保证可靠、维护方便在这样的前提下,力争最佳的性价比。
因此,本设计采用CPU224。
3.2压力式液位传感器
3.2.1工作原理
压力式液位计采用静压测量原理,当液位变送器投入到被测液体中某一深度时,传感器迎液面受到的压力的同时,通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔,再将液面上的大气压Po与传感器的负压腔相连,以抵消传感器背面的Po,使传感器测得压力为:
ρ.g.H,通过测取压力P,可以得到液位深度。
其公式为:
Ρ=ρ.g.H+Po
式中:
P:
变送器迎液面所受压力
ρ:
被测液体密度
g:
当地重力加速度
Po:
液面上大气压
H:
变送器投入液体的深度
3.2.2HDP601压力式液位传感器
本设计采用广东贺迪电子有限公司生产的HDP601压力式液位传感器。
产品介绍如下:
产品特性:
采用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体,316全不锈钢结构,主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。
别名:
投入式液位传感器、投入式液位变送器、液位传感器、液位变送器、地下水位传感器、地下水位变送器。
主要技术参数:
量程:
100mmH2O~100mH2O、500mmH2O~500mH2O(水位高/深度)
综合精度:
0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS
输出信号:
4~20mA(二线制)、0~5V、1~5V、0~10V(三线制)
供电电压:
24DCV(9~36DCV)
介质温度:
0~85℃
环境温度:
常温(-20~85℃)
零点温漂移:
≤±0.05%FS℃
量程温度漂移:
≤±0.05%FS℃
安全过载:
150%FS
极限过载:
200%FS
响应时间:
5mS(上升到90%FS)
负载电阻:
电流输出型:
最大800Ω;电压输出型:
大于5KΩ
绝缘电阻:
大于2000MΩ(100VDC)
长期稳定性能:
0.1%FS/年
3.3模拟量扩展模块
EM235是最常用的模拟量扩展模块,它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。
下图为EM235为例讲解模拟量扩展模块接线图。
图3.1EM235接线图
演示了模拟量扩展模块的接线方法,对于电压信号,按正、负极直接接入X+和X-;对于电流信号,将RX和X+短接后接入电流输入信号的“+”端;未连接传感器的通道要将X+和X-短接。
对于某一模块,只能将输入端同时设置为一种量程和格式,即相同的输入量程和分辨率。
下表说明如何用DIP开关设置EM235扩展模块,开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。
表3.1EM235DIP开关说明
由上表可知,DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性,当SW6为ON时,模拟量输入为单极性输入,SW6为OFF时,模拟量输入为双极性输入。
SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择,而SW1,SW2,SW3共同决定了模拟量的衰减选择。
6个DIP开关决定了所有的输入设置。
根据设计要求,本设计的6个DIP开关选择依次为ON、OFF、OFF、OFF、OFF、ON,即输入量程0到20mA,分辨率为5μA。
模拟量值和A/D转换值的转换:
假设模拟量的标准电信号是A0—Am(如:
4—20mA),A/D转换后数值为D0—Dm(如:
6400—32000),设模拟量的标准电信号是A,A/D转换后的相应数值为D,由于是线性关系,函数关系A=f(D)可以表示为数学方程:
A=(D-D0)×(Am-A0)/(Dm-D0)+A0。
根据该方程式,可以方便地根据D值计算出A值。
将该方程式逆变换,得出函数关系D=f(A)可以表示为数学方程:
D=(A-A0)×(Dm-D0)/(Am-A0)+D0。
本次设计采用的压力式液位计输出信号为4—20mA,根据以上公式,经A/D转换后,我们得到的数值是6400—32000,即A0=4,Am=20,D0=6400,Dm=32000,代入公式,得出:
A=(D-6400)×(20-4)/(32000-6400)+4
即当水位为0m时,压力液位计输出电流4mA,对应的数字量为6400;当水位为1m时,压力液位计输出电流7.2mA,对应的数字量为11520;当水位为2m时,压力液位计输出电流10.4mA,对应的数字量为16640;当水位为3m时,压力液位计输出电流13.6mA,对应的数字量为21760;当水位为4m时,压力液位计输出电流16.8mA,对应的数字量为26880;当水位为5m时,压力液位计输出电流20mA,对应的数字量为32000。
3.4软启动器
3.4.1软启动器原理
软启动器(软起动器)一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置,国外称为Soft Starter。
软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器,将其接入电源和电动机定子之间。
这种电路如三相全控桥式整流电路,主电路图见图1。
使用软启动器启动电动机时,晶闸管的输出电压逐渐增加,电动机逐渐加速,直到晶闸管全导通,电动机工作在额定电压的机械特性上,实现平滑启动,降低启动电流,避免启动过流跳闸。
待电机达到额定转数时,启动过程结束,软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管,为电动机正常运转提供额定电压,以降低晶闸管的热损耗,延长软启动器的使用寿命,提高其工作效率,又使电网避免了谐波污染。
软启动器同时还提供软停车功能,软停车与软启动过程相反,电压逐渐降低,转数逐渐下降到零,避免自由停车引起的转矩冲击。
3.4.2西门子3RW30软启动器
SIRIUS3RW30软启动器适用于功率范围在1.5kW到55kW(400V时)。
SIRIUS3RW30软启动器通过相角控制来降低电机端电压,平滑地将电压从起动电压软起动升到到电源电压。
启动时,软启动器可以限制电机转矩及电流,减轻机械冲击。
从而能够减轻电网压降,降低对所连设备造成的应力,减少磨损,从而减少维护时间。
由于启动值可以选择,也就意味着可以根据具体应用来调整软启动器,而不象星三角启动器那样,仅限于两段式起动,而且起动电压固定。
紧凑型SIRIUS3RW30软启动器的空间要求仅为具有同等功率星-三角接触器的三分之一。
这不仅节省了在控制柜中的安装空间,同时还完全省去了星-三角启动器所需的布线。
而且,启动器与电机之间的电缆数量也从六根减少到了三根。
结构紧凑、调试时间短、布线简便、调试快速,使得该产品具有明显的成本优势。
SIRIUS3RW30软启动器有S00、S0、S2和S3四种规格。
S00的功率范围是1.1kW-4kW,电流范围是6A-9A;S0的功率范围是5.5kW-11kW,电流范围是12.5A-25A;S2的功率范围是15kW-22kW,电流范围是3
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