基于PLC的自動供水系統(tǒng)設計-空分機組、空壓站部分

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畢 業(yè) 設 計（論 文） 設計(論文)題目： 興澄特鋼動力站——空分機組、 空壓站部分自動供水系統(tǒng)設計 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 第1章 緒論 1 1.1自動供水系統(tǒng)的設計背景 1 1.2自動供水技術發(fā)展的現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢 1 1.3 本文的結構 1 第2章 自動供水系統(tǒng)的總體設計 3 2.1 自動供水系統(tǒng)設計要求 3 2.2 供水系統(tǒng)設計思想 3 2.3 系統(tǒng)方案設計 3 第3章 硬件的設計 6 3.1系統(tǒng)主要硬件設備的選型 6 3.1.1 PLC的選型 6 3.1.2 水泵機組的選型 7 3.1.3 閥門的選型 8 3.1.4 壓力變送器的選型 9 3.2系統(tǒng)電路分析及設計 10 3.2.1系統(tǒng)電源 10 3.2.2自動供水系統(tǒng)主電路分析與設計 10 3.3 可編程控制器I/O分配 12 3.4設備間通信 13 第4章 軟件的設計 16 4.1 STEP7編程軟件簡介與編程 16 4.1.1自動供水系統(tǒng)程序流程圖 18 4.1.2自動供水系統(tǒng)程序設計 19 4.2 WINCC軟件簡介與人機界面設計 24 第5章 調試 30 5.1程序調試 30 5.2 WINCC畫面調試 31 第6章 結論 33 參考文獻 35 附錄 36 附錄1：自動供水系統(tǒng)電氣圖 36 附錄1.1：低壓水泵主電路圖 36 附錄1.2：低壓水泵控制電路圖 37 附錄1.3：出口閥電機主電路圖 38 附錄1.4：出口閥電機控制電路圖 39 附錄1.5：PLC接線原理圖 40 附錄2：WINCC人機畫面 41 附錄3：實物圖 41 附錄4：自動供水程序 43 致謝 58 II 摘要 興澄特鋼動力站 ——空分機組、空壓站部分自動供水系統(tǒng)設計 摘 要 如今的科技正在飛速前進，人們對物品的要求不斷上升，物品要求的上升就使得廠家迫切希望產品的品質與生產效率能快速提升，這就導致各行各業(yè)對自動化控制越來越重視。而水壓恒定在興澄特鋼動力站的空壓機組供水方面是非常重要的。一旦總水管的水壓保持恒定，工廠在用水時就不會出現(xiàn)供水不足的情況，這樣不僅提高了生產的安全性，同時產品品質也會獲得極大的提升。 本次課題即為興澄特鋼動力站空壓機組的自動恒壓供水系統(tǒng)設計，此系統(tǒng)是基于西門子S7-300PLC的自動供水系統(tǒng)設計，將閥門及恒壓等控制均用西門子S7-300PLC進行自動化控制，其中包含硬件的選型、整體電路的設計、軟件的編寫，重點內容是基于西門子PLC的自動供水系統(tǒng)工作原理、整個系統(tǒng)設計、軟件編程以及WINCC人機界面的制作。 關鍵詞：自動供水；PLC；穩(wěn)定性 III Abstract Design of Automatic Water Supply System for Air Separation Unit and Air Station in Xingcheng Special Steel Power Station Abstract Nowadays’s technology is advancing rapidly, people’s demand for goods is rising, the increase in the demand of the goods makes manufacturers eager to improve the quality and productivity quickly, which lead to all walk of life pay more and more attention to the automatic control. The constant pressure is very important for air compressor and water supply of Xingcheng Special Steel Power Station. Once the water pressure of the main pipe remains constant, the water shortage will not occur when the factory is using the water, which not only improves the safety of production, but also greatly enhances the quality of products. This topic is designed for the automatic constant pressure water supply system of air compressor of Xingcheng Special Steel Power Station. This system is designed based on the SIEMENS S7-300PLC automatic water supply system. The valve, constant pressure and others all use SIEMENS S7-300PLC for automatic control, including the selection of hardware, the overall circuit design and software programming. The emphasis is based on the SIEMENS PLC automatic water supply system’s working principle, the design of the whole system, software programming and the production of man-machine interface of WINCC. Key words: automatic water supply;PLC;stability IV 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1自動供水系統(tǒng)的設計背景 在生活中，水是必不可缺的，但隨著生活水平提高，大量工廠的建造，使得工業(yè)用水不斷上升。外加供水設施的局限性，使得供水不足的現(xiàn)象在工廠生產中頻頻出現(xiàn)。 最初的供水設備是在高樓的樓頂上放置水箱，以高樓上水箱的高度產生水壓，來達到供水的目的。 80年代后，高樓放水箱的方法已經不能滿足人們的需求，而此時出現(xiàn)了氣壓供水技術。但是氣壓供水依舊不是供水的一個好方法。原因在于氣壓供水需要亞容器，而亞容器的成本很高，而且非常容易浪費電力資源，還會加快水泵和一些相關設備的損壞。最重要的一點是，氣壓供水不能很好的保證恒壓供水，波動偏大。在工業(yè)領域不能保證恒壓供水就會導致產品的生產效率和品質下降，帶來不小的損失，對于將供水用于滅火時，供水不穩(wěn)或者不足會導致嚴重的生命財產損失。 1.2自動供水技術發(fā)展的現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢 PLC供水技術在如今已經處于飛速發(fā)展階段。而我國現(xiàn)在的大部分水廠已經運用了以PLC為主控制器、變頻器為執(zhí)行機構的自動供水系統(tǒng)，并且滿足了工業(yè)和居民的日常生產與生活用水需求。如今我國就有很多運用自動供水技術的例子，平高集團根據(jù)企業(yè)用水需求，將變頻調速供水系統(tǒng)改造以STD總線工控機為中心，以變頻器為核心部件，自動調節(jié)壓力使得整個供水系統(tǒng)保持恒壓狀態(tài)，以此來掌控水流量。由于城市土地資源的日益緊張，采用高性能、高節(jié)能和高環(huán)保的無負壓供水技術已成為給水管網(wǎng)設計中的主要環(huán)節(jié)。因此自動供水系統(tǒng)未來可能會朝著無負壓供水技術發(fā)展。新能源供水也將成為我國未來供水發(fā)展方向之一。 1.3 本文的結構 本次論文設計針對興澄特鋼動力站空壓站空分機組部分的自動供水設計，考慮到實際的情況以及本次設計所要實現(xiàn)的功能，最終決定使用西門子S7-300 PLC作為本次系統(tǒng)設計的核心，來對水泵、閥門進行自動控制。這樣不僅能實現(xiàn)設計的功能，還確保了運行中的穩(wěn)定性與安全性。本論文從硬件、軟件等多個方面對此次空壓機組自動供水系統(tǒng)設計進行說明。首先是對自動供水的背景發(fā)展進行研究探索，確定設計的大致方向，然后再對比設計所想的方案與設計原理，對PLC等設備硬件特性進行研究。軟件部分則是用STRP7編程軟件對整個設計的程序進行編輯，用WINCC對此次設計進行組態(tài)設計，運用EPLAN8軟件對電氣原理圖進行繪制。最后對設備連接，程序及人機界面進行調試并排除一些錯誤，最終實現(xiàn)本次空壓機組自動供水系統(tǒng)設計的功能。 以下為本論文各個章節(jié)的主要內容： 第1章 結合文獻簡要的對自動供水的背景、如今的發(fā)展和未來發(fā)展的趨勢進行了介紹，并寫出此次論文的大體結構。 第2章 闡述了本次自動供水系統(tǒng)的設計要求與主題思想，另外還介紹了本次系統(tǒng)方案的設計。 第3章 首先對硬件設備的選型進行說明，其次對本次自動供水系統(tǒng)的電路進行詳細的分析，最后介紹了此次系統(tǒng)的I/O分配以及設備間的通訊。 第4章 對STEP7編程軟件和WINCC進行簡單介紹，并詳細說明編寫的程序以及人機界面的設計。 第5章 將本次設計的電路設計以及軟件部分設計都進行調試，并展示調試的過程與結果。 第6章 對本次設計進行全面的分析與總結，提出值得改進的地方，并指出下一步的研究方向。 2 第2章 自動供水系統(tǒng)的總體設計 第2章 自動供水系統(tǒng)的總體設計 2.1 自動供水系統(tǒng)設計要求 工廠空壓站供水系統(tǒng)有3臺水泵，供水總管道安裝有壓力變送器，水泵兩端水管分別安裝有出口閥。其中控制有以下四點: (1)自動運行時，自動開啟1臺水泵及其出口閥進行供水工作，當供水總管中水壓出現(xiàn)偏低于設定值時，壓力變送器將4-20mA的信號傳輸給PLC，PLC處理后，要求未運行的1臺水泵及其進、出口閥自動啟動，以維持總管水壓穩(wěn)定。 (2)在三臺水泵運行的時候，從人機界面上可以看到水泵運行的情況。 (3)在手動運行的時時候，三臺水泵可以分別單獨操作啟動和停止，并且可以在必要時刻停下。 (4)在系統(tǒng)中設置有“現(xiàn)場手動”、“遠程自動”切換的開關。 (5)設計人機界面，并能從界面中監(jiān)控和操作水泵的運行。 2.2 供水系統(tǒng)設計思想 本次供水系統(tǒng)設計結合了西門子S7-300PLC、水泵、壓力變送器等設備?？偹芘c出口閥之間裝有壓力變送器，通過壓力變送器來檢測總水管中的水壓，而水泵有三臺，由西門子S7-300來操控整個自動供水的自動運行。本次系統(tǒng)以西門子S7-300PLC為核心，用先進設備自動供水代替了傳統(tǒng)的水箱供水及氣壓供水，從而使得工廠在設備管理及數(shù)據(jù)的分析等工作方面變得更為簡潔。以西門子S7-300PLC為主體的恒壓自動供水系統(tǒng)，具有簡單的操作、運行穩(wěn)定且安全、多方面的功能等特點，足以滿足大部分工廠供水的需求，還能提高產品品質與生產的效率，大大的降低了生產的成本。本次設計的電路主體是由水泵、閥門、電機等構成。供水的主要就是依靠三相異步電動機帶動水泵來抽動水，通過改變運行停止水泵，來保持總水管中的水壓恒定。 2.3 系統(tǒng)方案設計 本次設計是針對于西澄特鋼動力站空壓機組的自動供水系統(tǒng)設計，運用了“水泵機組+PLC+WINCC”的控制方式。使用西門子S7-300PLC控制三臺水泵的電機啟動停止，來掌控總水管中水壓的恒定。系統(tǒng)運行的框圖如圖2-1所示。 圖2-1系統(tǒng)運行框圖 本系統(tǒng)通過將蓄水池中的水用水泵抽往總水管進行供水。供水開始后，安裝在總水管上的壓力變送器將檢測到的壓力信號發(fā)送給西門子S7-300PLC，PLC再進行判斷若水壓低則對未啟動的水泵進行啟動控制，來控制供水時總水管的水壓穩(wěn)定。由于三臺水泵電機并不能直接與西門子S7-300PLC相連，所以在兩者之間用交流接觸器進行連接。 如圖2-1所示，整個動力站的供水系統(tǒng)中，三臺水泵出水管裝有閥門，三臺水泵能自由切換以保持總水管中的水壓恒定，而安裝在總水管上的壓力變送器則能向西門子S7-300發(fā)出4-20mA的信號。從系統(tǒng)原理圖中，我們能夠看出執(zhí)行機構、信號檢測、控制與管理系統(tǒng)、人機界面等組成了整個自動供水系統(tǒng): 1)執(zhí)行機構 這一部分是由三臺水泵構成，它們是供水的關鍵，用來抽動水，保持總水管的水壓。 2)信號檢測 整個自動供水系統(tǒng)的設計中，共有兩個信號需要檢測，一個是水壓信號，一個是報警信號。 水壓信號:它是通過壓力變送器檢測總水管水壓后發(fā)出的信號，檢測它可以隨時了解總水管中水壓的變化情況。 報警信號:它是通過西門子PLC進行判斷發(fā)現(xiàn)總水管水壓低于設定值所發(fā)出的信號。該信號為開關量信號。 3)控制與管理系統(tǒng) 這部分的系統(tǒng)一般都放在供水控制柜中，而其中包含西門子S7-300PLC和系統(tǒng)所用電控設備兩個部分。 西門子S7-300PLC:它是空壓站自動供水系統(tǒng)的核心。西門子S7-300PLC收集來自系統(tǒng)中各設備運行情況以及來自壓力變送器的壓力信號等，同時分析來自WINCC系統(tǒng)和通信接口的數(shù)據(jù)，綜合分析后進行控制，通過控制交流接觸器來控制水泵的啟停。 4)通訊接口 通訊接口如同一張網(wǎng)將系統(tǒng)中的所有設備都聯(lián)系在一起，系統(tǒng)可以隨時查看組態(tài)軟件或者其他監(jiān)控系統(tǒng)，并且與之進行數(shù)據(jù)交換。有了通訊接口，系統(tǒng)還能擁有一個先進的網(wǎng)絡，可以遠程操控該系統(tǒng)，十分方便。 59 第3章 硬件的設計 第3章 硬件的設計 3.1系統(tǒng)主要硬件設備的選型 3.1.1 PLC的選型 PLC是空壓站自動供水系統(tǒng)最為重要的一個環(huán)節(jié)，它掌管著所有輸入信號，控制著所有輸出設備，它是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)樞紐，所有的數(shù)據(jù)都將在這里進行記錄與交換。因而一個指令發(fā)送、執(zhí)行迅速，功能眾多，儲存空間足夠，并且?guī)в辛己玫耐ㄓ嵔涌谝约岸喾N擴展能力等優(yōu)秀性能的PLC是我們慎重考慮的對象。本系統(tǒng)采用的是西門子S7-300 CPU315-2的PLC。 圖3-1西門子S7-300 S7-300可編程控制器簡介： ①電源模塊 ②后備電池 ③24V DC連接器 ④模式開關 ⑤狀態(tài)和故障指示燈 ⑥存儲卡（CPU 313 以上） ⑦MPI多點接口 ⑧前連接器 ⑨前蓋 如圖3-1所示的PLC是德國西門子公司的S7-300PLC實物圖。 S7-300各項參數(shù)： 電源電壓：額定值 (DC) 24 V。 功耗： 典型值 4.5 W。 工作存儲器： 集成 256 KB，用于非易失性數(shù)據(jù)塊的非易失性存儲器的大小 128 KB。 CPU 處理時間：位操作時，典型值0.05 μs。 字操作時，典型值0.09 μs。 定點數(shù)運算時，典型值0.12 μs。 浮點數(shù)運算時，典型值0.45 μs。 數(shù)字輸入輸出模塊：DI/DO 32*DC。(本設計的I/O分配見3.3或附錄電路圖) 接口類型:集成RS485接口。 物理接口RS485。 S7-300特點： (1).循環(huán)周期短、處理速度高。 (2).指令集功能強大（包含350多條指令），可用于復雜功能。 (3).產品設計緊湊，可用于空間有限的場合。 (4).模塊化結構，設計更加靈活。 (5).有不同性能檔次的CPU模塊可供選用。 (6).功能模塊和I/O模塊可選擇。 (7).有可在露天惡劣條件下使用的模塊類型。 S7-300工作原理： 西門子S7-300的PLC系統(tǒng)運用方式是循環(huán)執(zhí)行用戶程序來操控整個供水系統(tǒng)。而其中能進行循環(huán)處理的主程序即為OB1組織塊。OB1在整個程序中起到一個中樞的作用，它能調用程序中的其它邏輯塊，當然OB1也能被中斷程序所中斷。一旦S7-300開始運行起來，程序中OB1就會被不斷的循環(huán)調用，而相應的其他邏輯塊比如FC，F(xiàn)B等就會被OB1所調用。中斷程序或者事件能將整個循環(huán)中斷。 CPU315-2簡介： 在S7-300PLC中既能帶有大中型程序儲存器，又有PROFIBUS DP主從接口的CUP就是CPU315-2 DP了。CPU315-2 DP相對以前的CUP各版本進行了量化框架的優(yōu)化，使得西門子的工程工具在設計過程中更為的方便。 安裝在CPU315-2 DP中的部件有：微處理器、靈活的擴展能力、多達 32 個模塊、MPI多點接口、PROFIBUS DP接口。 3.1.2 水泵機組的選型 在整個自動供水的系統(tǒng)設計中，水泵也是不可或缺的一部分，擁有比較重要的地位，因此，水泵的選型也變得尤為重要。水泵要能夠保持平穩(wěn)的運行并且必須要能保持長期處于運行狀態(tài)，最大限度的節(jié)省能源，這些要求都是選型所必須要考慮的。 本論文以興澄特鋼空壓站自動供水系統(tǒng)設計進行水泵的選型，此次自動供水所要達到的大致要求為： 1.整個系統(tǒng)是由三個水泵進行抽水工作。 2.總水管的水管壓力要保持穩(wěn)定，切換水泵的時候水管水壓不能出現(xiàn)太大的壓力波動。 3.整個供水系統(tǒng)具有獨立自動運行的功能，并且若有特殊情況下允許人為操控系統(tǒng)的運行。 從以上三個空壓站供水系統(tǒng)要求中，我們確定運用3臺西門子貝得電機132kW 4P 臥式的水泵機組來擔當本次設計的水泵抽水工作。 基本參數(shù)： 品牌：Siemens/西門子 型號：1TL0001-3AB23-3AA5-Z W08；132 產品類型：三相異步電動機 極數(shù)：4極 額定功率：132kW 額定電壓：380/440/660（V） 額定轉速：1485（rpm） 產品認證：CCC 應用范圍：塑膠機械，密煉機械，電工機械等。 圖3-2西門子貝得電機 3.1.3 閥門的選型 本次設計選用了上海精藝閥門有限公司的TQTC智能型閥門。 TQTC智能型閥門具有優(yōu)秀的性能、良好的外觀、調試簡單、操作方便等特點。同時擁有超大規(guī)模的數(shù)字集成芯片，還是機電一體化的結構設計。應用于電廠、煉鋼廠、石油、化工等多個工業(yè)行業(yè)，是一款功能設計十分強大的智能閥門。 IQTC性能和機械數(shù)據(jù)： 系列號：ET11440202 執(zhí)行器型號：IQTC1000 法蘭：F12 法蘭連接：1 轉速范圍：30-120secs 最大扭矩：1000Nm 殼體等級：IP68 電機額定功率：0.45kW；S2-20% 執(zhí)行器電源：380-2-50 電流：120Amp 圖3-3IQTC智能型閥門 3.1.4 壓力變送器的選型 本次供水系統(tǒng)設計中壓力傳感器起到了傳輸總水管水壓信號的作用，是比較關鍵的一部分。西門子S7-300想要掌握水管中壓力變化情況都得接收壓力傳感器發(fā)送的信號，才能進行判斷是否需要啟動水泵或者停止水泵。假設壓力變送器沒有選好，或者出錯，那將會導致水管壓力過低，PLC處理不及時供水不足，更甚者水管壓力過高導致水管爆裂發(fā)生事故。因而選好選對壓力變送器也很關鍵。 根據(jù)供水系統(tǒng)的具體的要求，本次設計選用上海域豐傳感儀器有限公司生產的P140型壓力變送器。在多個供水工業(yè)領域中，都運用了P140型壓力變送器，而它也具有如下特點: 1.采用進口感壓芯片。 2.壓力變送器中擁有高精度和高穩(wěn)定性放大集成電路。 3.此款壓力變送器耐磨損度高、全封焊結構。 4.輸出信號包括電流型、電壓型等。 5.結構小巧，安裝方便。 壓力變送器的主要參數(shù)： 量程：0-100kPa..500kPa..1MPa..1.6MPa..2MPa..2.5MPa..3MPa..5MPa 輸出：4-20mA /0-10V / 0-5V /0.5-4.5V （選擇4-20mA） 供電范圍：9-32VDC 測量精度：≤0.5%FS 使用溫度：-40~125℃ 測量介質：非腐蝕性液體、氣體 安裝螺紋：G1/4(2分管）、G1/2(4分管）、M20*1.5(國標公制） 防護等級 : IP67 防爆等級 : CT6 類型 : 智能壓力變送器 產品結構圖： 圖3-4壓力變送器 3.2系統(tǒng)電路分析及設計 3.2.1系統(tǒng)電源 供水系統(tǒng)最為基本的條件之一就是要有一個穩(wěn)定可靠的供電系統(tǒng)，所以為PLC選好一個供電電源很重要，要從以下幾個方面去考慮: 供電電源的輸入電源一定要足夠穩(wěn)定，也就是能夠在允許范圍內波動。 當供電電源不提供供電的情況下，應該不影響整個PLC中的數(shù)據(jù)和程序。 電源的冗余也是供電的一個關鍵，尤其是整個系統(tǒng)在不允許短點的情況下。 PLC電源的供電應該是相對獨立的，即使外部設備電源斷開了，PLC的供電應該還是正常。 供電電源的抗干擾能力要強，以保證穩(wěn)定的供電狀態(tài)。 西門子S7-300電源模塊自帶集成DC24V電源。 3.2.2自動供水系統(tǒng)主電路分析與設計 興澄特鋼動力站空壓機組自動恒壓供水系統(tǒng)所需要的水泵有三臺，因此它的主電路與控制電路原理圖見附錄1.1、附錄1.2所示。下面具體分主電路和控制電路進行分析。 1.主電路原理說明 如附錄1.1所示為水泵機組的主電路原理圖。圖中三相電接入主電路中，用電動機M代替水泵，圖中8M-KM/9M-KM/10M-KM為交流接觸器觸電與線圈，8M-QM/9M-QM/10M-QM為低壓斷路器，8M/9M/10M為電機即水泵。 若由于外界原因導致水泵過載或者故障，則連接在主電路上的低壓斷路器QM主觸點斷開，致使整個主電路斷開，主電路處于不接通狀態(tài)，此時水泵應已停止運行，這樣就能及時保護水泵電機和主電路的安全?？紤]到有三臺水泵，因而三臺水泵的主電路上都裝有低壓斷路器，這樣當發(fā)生特殊情況的時候，三臺水泵都能自由斷開。而主電路中的KM則是由PLC自動控制水泵開關，或者現(xiàn)場操作箱人工控制水泵開關。只有在QM、KM同時閉合時，整個主電路才算接通，此為雙重保險。 2. 控制電路原理說明 如附錄1.2所示圖中8M/9M/10M-SEA為選擇開關，當?shù)蛪簲嗦菲鱍M1、QM其中之一未閉合，則整個電路處于斷開狀態(tài)；當選擇開關SEA撥動到1、2通路時，則為手動運行模式；當選擇開關SEA撥動到3、4通路時，則接通PLC自動運行模式；8M/9M/10M-SB1為手動控制水泵停止按鈕，8M/9M/10M-SB2為手動控制水泵啟動按鈕；8M/9M/10M-HG1為水泵運行指示燈，8M/9M/10M-HR1為水泵停止指示燈。8M/9M/10M-KR為熱繼電器，用來保護電路。 手動模式：按下8M-SB2按鈕，8M-KM接通，水泵電機啟動同時完成自鎖，8M-HG1亮起；按下8M-SB1按鈕，8M-KM斷開，水泵電機停止，8M-HR1亮起。此為8號水泵手動過程，9、10號水泵同樣。 自動模式：通過PLC輸出控制8M/9M/10M-KA即中間繼電器的接通與斷開，控制KM的通斷，來控制水泵電機運行。 本次動力站空壓機組自動恒壓供水系統(tǒng)還需要用到三個出口閥，因此設計了出口閥的主電路和控制電路的原理圖，見附錄1.3、1.4所示。下面進行具體分析出口閥的主電路和控制電路。 1.主電路原理說明 附錄1.3所示為出口閥門電機控制的主電路，其中電機為閥門自帶電機8V/9V/10V，8V/9V/10V-KM1、8V/9V/10V-KM2都為交流接觸器，8V/9V/10V-QM為低壓斷路器。若由于外界原因導致閥門過載或者故障，主電路上的低壓斷路器QM主觸點斷開，以保護電路。每個閥門都裝有低壓斷路器以用來保證閥門故障時可以單獨切斷電源。而主電路中的KM1、KM2則是由PLC自動控制閥門開關，或者現(xiàn)場操作箱人工控制閥門開關。其中KM1為閥門正轉以打開閥門，KM2為閥門反轉以關閉閥門。 2. 控制電路原理說明 如附錄1.4所示為閥門的控制回路。當?shù)蛪簲嗦菲鱍M1、QM其中之一未閉合，則整個電路處于斷開狀態(tài)；當選擇開關SEA撥動到10、9通路時，則為手動正轉或反轉運行模式；當選擇開關SEA撥動到12、11通路時，則接通PLC自動運行模式；8V/9V/10V-SB1為手動控制閥門停止按鈕，8V/9V/10V-SF為手動控制閥門正轉啟動按鈕；8V/9V/10V-SR為手動控制閥門反轉啟動按鈕；8V/9V/10V-KA1為閥門開到位的中間繼電器，8V/9V/10V-KA2為閥門關到位的中間繼電器；8V/9V/10V-HG1為閥門打開指示燈，8V/9V/10V-HR1為閥門關閉指示燈。 手動模式：按下8V-SF按鈕，8V-KM1接通，閥門正轉開啟同時完成自鎖，反轉電路中8V-KM1觸電斷開，保證正轉時不會接通反轉電路，8V-KA1得電8V-HG1亮起；同理，按下8V-SR按鈕，8V-KM2接通，閥門反轉關閉同時自鎖，正轉電路中8V-KM2觸電斷開，保證反轉時正轉電路不會接通，8V-KA2得電8V-HR1亮起；按下8V-SB則手動停止閥門。以上為8號出口閥手動過程，9、10號出口閥同樣。 自動模式：通過PLC輸出來控制KA1/KA2的接通與斷開，控制KM1/KM2的通斷，從而控制閥門電機運行。 表3-1為供水控制電路圖中用到的元件表： 表3-1元件清單 元件名 作用 8M/9M/10M-SB1 手動模式水泵停止按鈕 8M/9M/10M-SB2 手動模式水泵啟動按鈕 8M/9M/10M-KR 熱繼電器 8M/9M/10M-HG1 水泵運行指示燈 8M/9M/10M-HR1 水泵停止指示燈 8V/9V/10V-SB1 手動模式閥門停止按鈕 8V/9V/10V-SF 手動模式閥門打開按鈕 8V/9V/10V-SR 手動模式閥門關閉按鈕 8V/9V/10V-KA1、8V/9V/10V-KA2 中間繼電器 8V/9V/10V-HG1 閥門打開指示燈 8V/9V/10V-HR1 閥門關閉指示燈 8V/9V/10V-SAE 轉換開關 3.3 可編程控制器I/O分配 (1) I/O分配表 表3-2 I/O分配 符號 PLC輸入 功能 符號 PLC輸出 功能 8M-QM/QM1 I0.0 8P低壓水泵正常信號 8M-KA1 Q0.0 8P水泵運行 8M-SEA I0.1 8P低壓水泵現(xiàn)場/遠程開關 8M-KA2 Q0.1 8P水泵停止 8M-KM I0.2 8P低壓水泵運行信號 9M-KA1 Q0.2 9P水泵運行 9M-QM/QM1 I0.3 9P低壓水泵正常信號 9M-KA2 Q0.3 9P水泵停止 9M-SEA I0.4 9P低壓水泵現(xiàn)場/遠程開關 10M-KA1 Q0.4 10P水泵運行 9M-KM I0.5 9P低壓水泵運行信號 10M-KA2 Q0.5 10P水泵停止 10M-QM/QM1 I0.6 10P低壓水泵正常信號 8V-KA1 Q1.2 8P出口閥打開 10M-SEA I0.7 10P低壓水泵現(xiàn)場/遠程開關 8V-KA2 Q1.3 8P出口閥關閉 10M-KM I1.0 10P低壓水泵正常信號 9V-KA1 Q1.6 9P出口閥打開 8V-KA1 I3.1 8P出口閥開到位 9V-KA2 Q1.7 9P出口閥關閉 8V-KA2 I3.2 8P出口閥關到位 10V-KA1 Q2.2 10P出口閥打開 9V-KA1 I5.1 9P出口閥開到位 10V-KA2 Q2.3 10P出口閥關閉 9V-KA2 I5.2 9P出口閥關到位 8V-HG1 Q3.0 8P出口閥打開指示燈 10V-KA1 I7.1 10P出口閥開到位 8V-HR1 Q3.1 8P出口閥關閉指示燈 10V-KA2 I7.2 10P出口閥關到位 9V-HG1 Q3.2 9P出口閥打開指示燈 8V-SF I8.0 8P出口閥現(xiàn)場開閥 9V-HR1 Q3.3 9P出口閥關閉指示燈 8V-SR I8.1 8P出口閥現(xiàn)場關閥 10V-HG1 Q3.4 10P出口閥打開指示燈 8V-SB I8.2 8P出口閥現(xiàn)場停止 10V-HR1 Q3.5 10P出口閥關閉指示燈 9V-SF I8.3 9P出口閥現(xiàn)場開閥 9V-SR I8.4 9P出口閥現(xiàn)場關閥 9V-SB I8.5 9P出口閥現(xiàn)場停止 10V-SF I8.6 10P出口閥現(xiàn)場開閥 10V-SR I8.7 10P出口閥現(xiàn)場關閥 10V-SB I9.0 10P出口閥現(xiàn)場停止 (2) I/O接線圖（見附錄1.5PLC接線原理圖） 3.4設備間通信 PLC與現(xiàn)場設備 由于現(xiàn)場硬件設備并不會自動啟動與停止，此時就需要PLC對現(xiàn)場設備進行控制。將現(xiàn)場設備用交流接觸器（即KM）連接至PLC輸入輸出端，這樣PLC就能通過控制交流接觸器來控制現(xiàn)場設備。 PLC與WINCC 由于此次設計選用的是西門子S7-300的PLC，而如何將WINCC與S7-300聯(lián)系起來是一個關鍵，本次設計采用了建立以太網(wǎng)來進行通訊。 增添一個CP343模塊在S7-300的硬件模塊中，主要是為了設置IP地址以及建立以太網(wǎng)的通訊。 在WINCC中增加SIMATICS7 PROTOCAL SUITE驅動程序，在該驅動程序下的TCP/IP驅動程序下新建個新的驅動連接。再次選中連接屬性，打開連接屬性的對話框選中屬性，在彈出的窗口中寫好相應的內容如IP地址等等。再打開系統(tǒng)參數(shù)的窗口，從中選中單元，并編輯邏輯設備名稱一欄，選中具體的以太網(wǎng)卡。 具體步驟如下： 想要創(chuàng)建一個新的以太網(wǎng)，首先先打開S7-300PLC的硬件組態(tài)，找到CP模板，然后對模板進行設置。在模板設置中找到General選項選擇“Properties”，然后就會跳轉到Properties--Ethernet interface，從中找到Parameters選項，點進去就能看到IP地址和子網(wǎng)掩碼，在里面輸入所需的地址和掩碼即可。如圖3-7所示。 圖3-7Properties選項 第二步就是在控制面板中找到設置PG/PC接口，然后選中它，在彈出的窗口中選中TCP/IP一欄，要注意的是填寫的內容一定要和你所需要用的通訊網(wǎng)卡。 圖3-8設置PG/PC接口 第三步，要在WINCC中進行設置。打開WINCC軟件，在主頁面上找到變量管理，并在其中傳建一個信的驅動程序SIMATICS7 PROTOCOL SUITE，然后在這下方有一個TCP/IP的一欄，將所需內容填寫進去。主要是兩個方面的設置。 第一方面，右擊TCP/IP選項，彈出下拉菜單中選中系統(tǒng)參數(shù)，找到單元選項并單擊，能看到邏輯設備名稱一欄，將所需內容填寫進去，具體如圖3-9所示。 圖3-9系統(tǒng)參數(shù) 第二方面，重新回到TCP/IP的選項窗口，右擊TCP/IP彈出下拉菜單從中選擇創(chuàng)建新驅動程序連接，創(chuàng)建的項目變量就是放在這里面。然后設置一下驅動程序，右擊驅動程序，選擇屬性就會彈出一個“連接屬性”的窗口，在點擊屬性，彈出連接參數(shù)的窗口，從中找到TCP/IP，然后對其進行設置。 IP地址就是最初在S7程序中設置的CP的IP地址。 CUP模板實際被放在哪個機架，就在機架號一欄中填寫相應位置。 插槽號是指你CPU在哪個槽上（通過S7硬件組態(tài)也可以看到）。第一個槽上是電源模塊。如下圖3-10所示。 圖3-10IP地址等設置 到此，PLC與WINCC的以太網(wǎng)連接就完成了。 第4章 軟件的設計 第4章 軟件的設計 4.1 STEP7編程軟件簡介與編程 由于本次系統(tǒng)使用了西門子S7-300的PLC，所以選用STEP 7編程軟件作為編寫程序的工具。STEP 7編程軟件使用多款西門子的PLC，S7-300就是其中之一，它能讓S7-300的系統(tǒng)功能變得更為方便輕松。 圖4-1 STEP7 主界面 圖4-2 STEP7編程畫面 在PLC控制的自動系統(tǒng)各部分應用中，就比如各設備變?yōu)閰?shù)化的設計，PLC與組態(tài)和設備之間如何通行，整個自動控制的程序編寫，程序編寫后的測試等，STEP7都能進行很好的處理。 由于各種設計會出現(xiàn)各種不同的需求，執(zhí)行自動化方案就需要不同的軟件工具，STEP 7本身就具有多種不同的工具，比如: 如果用戶需要公用、有序的管理SIMATIC C7/S7/WinAC中的所有應用工具以及其中的包含的數(shù)據(jù)，SIMATIC Manager工具就能滿足需求。 符號編輯器： 如果用戶需要定義一些全局變量的屬性，比如符號目的地等等，符號編輯器就能很好的處理這一方面的要求。 硬件組態(tài)： 如果用戶想要設計自動系統(tǒng)的組態(tài)，并且還要參數(shù)化一些設定模塊，那么STEP 7中的硬件組態(tài)就會提供很大的幫助。 通訊: 想要將PLC系統(tǒng)或者程序與組態(tài)進行通信，通訊功能就顯得十分必要。 信息功能： 編程中難免會出現(xiàn)一些難以解決的漏洞或者問題，包括調試或者投入運行后出現(xiàn)的問題，如何快速的找出問題所在，這將為系統(tǒng)的設計帶來很大的方便，而STEP 7中的信息功能就能快速掃描CUP和程序的執(zhí)行，在極短的時間內找出問題所在。 為了適應用戶編程的多種需求，STEP 7本身包含以下幾種編程語言： 語句表（STL） 梯形圖（LAD） 功能塊圖表 （FBD） 4.1.1自動供水系統(tǒng)程序流程圖 圖4-3自動供水系統(tǒng)程序流程圖 由上圖4-3所示為此次空壓機組自動供水系統(tǒng)的程序流程圖。當選擇開關旋鈕撥到遠程時，則進行左半部分的自動控制流程。首先對水泵是否擁有壓力連鎖進行判斷，而壓力連鎖是在WINCC人機界面上進行選擇，若人機界面上選擇壓力連鎖，才可執(zhí)行自動控制。判斷完壓力連鎖后，再進行總水管的水壓判斷，若水壓正常則重新進行判斷；若水壓偏低，則延時2秒，對水泵進行備用的選擇，如果其中有水泵被選為第一備用，則會在2秒后自動啟動，接著啟動出口閥子程序，再次進行水壓判斷，直到水壓正?！，F(xiàn)場即手動為程序右半部分流程，此部分可有人工在現(xiàn)場操作箱對水泵進行手動啟動停止。 圖4-4出口閥子程序流程圖 上圖4-4為出口閥子程序流程圖。當自動供水程序需要啟動出口閥時，子程序進行手自動判斷。若為開閥，則再進行所對應的水泵電機是否已開啟，開啟則開閥，未開啟則返回自動模式判斷，若為關閥則直接關閥。右半部分流程為現(xiàn)場手動，即人為在現(xiàn)場操作箱進行控制。 4.1.2自動供水系統(tǒng)程序設計 1. 主程序部分設計 圖4-5主程序循環(huán)時間程序設計 如上圖4-5所示為OB1模塊中的循環(huán)程序設計的一部分。OB1在整個程序中起到一個中樞的作用，它能調用程序中的其它邏輯塊，當然OB1也能被中斷程序所中斷。一旦S7-300開始運行起來，程序中OB1就會被不斷的循環(huán)調用，而相應的其他邏輯塊比如FC，F(xiàn)B等就會被OB1所調用。中斷程序或者事件能將整個循環(huán)中斷。其中定時器能對OB1的運行時間進行控制，而STEP 7的最大掃描時間一般設置為150ms，這個設定時間可以進行更改。整個系統(tǒng)程序的運行都是由于OB1的循環(huán)執(zhí)行之下，如果OB1需要調用則用戶程序就會被執(zhí)行。OB1塊的調用程序圖如圖4-6。 圖4-6 OB1可調用用戶程序 2. 各子程序部分設計 (1).手自動程序 圖4-7手自動程序 如上圖4-7所示，當選擇自動時SR觸發(fā)器的輸入端置“1”，則輸出端也置“1”，此時模式為自動模式；而若不選擇自動，則SR觸發(fā)器輸入端默認“0”，則輸出端也為“0”，此時則為手動模式。 (2) .8P閥門水泵自動控制程序設計 圖4-8 8P低壓水泵自動啟動部分程序 上圖4-8為8P水泵的自動啟動部分程序，即當滿足壓力連鎖開啟，實際水壓低于模擬量，處于自動模式并且已選擇第一備用或第二備用，滿足所有條件時，8P低壓水泵才可自動啟動；若未進行壓力連鎖如程序最后一段，可按下WINCC操作畫面上的壓力連鎖按鈕進行操作。 圖4-9模擬量低報警 如上圖4-9所示，當總水管實際水壓與模擬量設定值進行比較，而實際水壓低于模擬量設定值時，通過延時定時器延時2秒后發(fā)出水壓低報警，并在WINCC上顯示。下圖4-10為模擬量低報警以及模擬量設定值。模擬量設定值可在WINCC中更改。 圖4-10模擬量 圖4-11 備用選擇 如上圖4-11所示，若在WIMCC上選擇8號水泵為第一備用則SR觸發(fā)器置一，即選為第一備用，若其余兩臺中有選擇第一備用，或者8號水泵已選擇為第二備用則SR觸發(fā)器置零，即不選為第一備用。 圖4-12 8P低壓水泵運行程序 如上圖4-12所示，最上方一條程序為當WINCC上選擇自動時，則由PLC自行判斷運行條件若滿足則發(fā)出運行指令，并自鎖；若WINCC上選擇手動，則可通過畫面按下啟動按鈕，再由PLC判斷條件，滿足則發(fā)出運行指令。 圖4-13 8P水泵出口閥開閥部分程序 如圖4-13所示，當滿足條件處于自動模式下，8P水泵已開始運行，經過延遲脈沖定時器延遲2S后，發(fā)出開閥指令。若為現(xiàn)場手動，也可通過現(xiàn)場操作向上的按鈕進行啟動。 圖4-14 8P水泵關閉部分程序 由上圖4-14可看出，8P水泵關閉指令中與8P水泵運行指令有互鎖條件，以此來防止運行指令與關閉指令產生混亂，以致PLC無法發(fā)出正確的指令。 4.2 WINCC軟件簡介與人機界面設計 圖4-11 WINCC主界面 WINCC是一款功能強大及廣泛的組態(tài)軟件，它不僅能設計生產自動化，還能設計過程自動化，并且兩者相互整合，這就使得WINCC現(xiàn)如今已成為各大工業(yè)領域中的“寵兒”，在各行各業(yè)中隨處可見，比如:化工領域、印刷領域、機械制造領域、食品制造領域、工業(yè)供水領域等等。 WINCC擁有多種既實用又齊全的功能:在工業(yè)領域中，由于種類眾多，需求也是各種各樣，這就導致很大一部分的組態(tài)軟件由于功能等限制不能被廣泛的運用到大部分的工業(yè)領域中。而WINCC卻擁有通用的應用程序，這就適合絕大部分工業(yè)領域的需求。此外，WINCC軟件本身就擁有多種國家的語言，這就使得WINCC在國際上都能得到很大的認可，工業(yè)領域通常對效率和品質的要求都非常高，而WINCC強大的操作和管理功能使得整個系統(tǒng)的組態(tài)設計更加簡單有效。 本次自動供水的設計運用了西門子S7-300的PLC，還用了STEP7的編程軟件，這兩樣都是德國西門子公司的產品，而WINCC同樣也是，這就導致它在設計時就裝有西門子S7-300的驅動軟件，這樣在與PLC進行通信的時候就不必在進行驅動的安裝，使得設計更為方便;其次，WINCC強大的功能在如今的體現(xiàn)已經非常明顯，用其作為本次設計的組態(tài)軟件是十分合適的選擇。 人機界面設計： 首先新建一個項目如圖4-12。 圖4-12項目創(chuàng)建 項目新建完成后就會出現(xiàn)WINCC主界面（如圖），選中計算機屬性，將屬性改為與用戶計算機一樣的名稱，如圖4-13： 圖4-13計算機屬性 添加一個通訊驅動程序用于與自動化系統(tǒng)（PLC）進行互通，如圖4-14： 圖4-14添加驅動程序 在變量管理一欄中可新增多個變量用以在設計的界面中進行鏈接，如圖4-15： 圖4-15添加變量 其中變量的屬性在創(chuàng)建時可以進行設置，地址可與STEP7中地址相對應，如下圖4-16： 圖4-16變量屬性 選中圖形編輯器，在新建畫面以用來編輯和設計WINCC人機界面，如下圖4-17： 圖4-17圖形編輯 雙擊進入新建畫面，可以利用軟件所提供的工具進行畫面設計，如下圖4-18： 圖4-18畫面設計 而畫面中的按鈕等可以進行鏈接變量或者調用變量，如圖4-19： 圖4-19圖中變量連接 編輯完成的人機界面： 圖4-20 低壓水泵流程界面 圖4-21低壓水泵報警畫面 圖4-22低壓水泵排除壓力趨勢 圖4-23模擬量設定 圖4-24各設備狀態(tài)顯示 第5章 調試 第5章 調試 5.1程序調試 打開STEP7編程軟件，打開所要運行的程序，在菜單欄中找到調試點擊監(jiān)控進行程序調試，具體如下列各圖所示： 圖5-1水泵運行指令程序監(jiān)控與調試畫面 圖5-2 水泵關閉指令程序監(jiān)控與調試畫面 圖5-3閥門開閥程序監(jiān)控與調試 5.2 WINCC畫面調試 打開WINCC軟件，在主界面的菜單欄下，點擊打開文件下拉菜單，選中激活，則進入WINCC調試狀態(tài)，具體如下列各圖所示： 圖5-6WINCC調試 圖5-7調試中的低壓水泵流程畫面 圖5-6調試中的低壓水泵報警畫面 圖5-7模擬量的設定調試 圖5-8 狀態(tài)顯示調試 第6章 結論 第6章 結論 21世紀之后，人類的科技處于一個飛速發(fā)展的階段，這就導致人們的生活質量正在逐步的提升，與此同時，工業(yè)領域的發(fā)展也是急速上升。這就導致各個行業(yè)對生產的效率與品質的提升有了更高的要求，間接地對生產設備的提升也產生了不小的要求。 就說關于這次設計的供水問題，傳統(tǒng)的高樓水箱以及氣壓供水的方法已經完全不能適應如今科技的飛速發(fā)展和人們的物質需求，那怎么辦呢？這時候，自動供水的發(fā)展就開始體現(xiàn)出了它的價值。整個系統(tǒng)的運行、停止，設備的啟停，壓力的穩(wěn)定等等都能通過PLC來解決，整個過程可監(jiān)控，操作簡單，穩(wěn)定可靠，這不正是如今各工業(yè)行業(yè)所需要的么？ 因此，自動化的發(fā)展已經不可避免，自動供水的應用就是一個很好的例子。 本次論文設計針對興澄特鋼動力站空壓站空分機組部分的自動供水設計，此設計是基于PLC的一套供水系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要有壓力變送器、西門子S7-300的PLC、水泵機組、智能閥門以及低壓電器組成。根據(jù)系統(tǒng)設計的要求，系統(tǒng)的主要設計任務是利用西門子PLC對一臺或多臺水泵進行循環(huán)控制，實現(xiàn)總水管水壓的恒定和水泵電機的啟動，如當兩臺水泵開啟供水時，總水管水壓偏低于設定水壓值，WINCC畫面會進行水壓低報警，同時PLC會發(fā)出指令，自動啟動一臺備用水泵，以達到穩(wěn)定總水管水壓的目的。該系統(tǒng)不僅使空壓站供水系統(tǒng)總水管壓力穩(wěn)定得到了有效的保證，而且是全自動控制，操作簡單，節(jié)能效果顯著。 本次設計主要內容如下： 第一部分緒論，我通過去圖書館查看有關自動供水的書籍，以及利用網(wǎng)絡上的各種關于自動供水的介紹與發(fā)展，將各類書籍資料與我自己查完資料后的理解，對此次自動供水設計研究背景進行了簡單的敘述，簡單的說明自動供水在如今的重要性。并對自動供水以往的供水方式的發(fā)展，如今在我國自動供水系統(tǒng)的應用與發(fā)展情況，未來自動供水的發(fā)展趨勢進行了簡單介紹。 第二部分闡述了本次自動供水系統(tǒng)的設計要求與主題思想，另外還介紹了本次設計系統(tǒng)的運行原理。通過去興澄特鋼動力站做此次畢業(yè)設計大概一個多月，我了解了此次自動供水系統(tǒng)的總體工藝流程，也對其進行了研究并與那邊的工作人員進行探討總結，才得出了本次自動供水系統(tǒng)的總體設計思想與原理。 第三、四部分是本次系統(tǒng)設計的重點內容，分別從硬件方面的選型、電氣圖原理、主要設計內容以及軟件部分的程序設計、人機界面設計等來對本次供水系統(tǒng)進行了詳細說明。其中硬件的選型和電氣圖原理是我在工廠的時候與工作人員探討才得以寫出。然后對STEP7的程序以及WINCC的組態(tài)人機界面進行學習并初步掌握之后發(fā)現(xiàn)，有一些部分的程序等等是我所不需要的，經過與工作人員的討論，對程序以及組態(tài)畫面進行了一些改進。 此次的興澄特鋼自動供水系統(tǒng)設計中，雖然我已了解整個設計的原理、程序、組態(tài)等相關知識，并且對這個設計進行了一些改進，但是人無完人，我還是有很多做的不好的地方，就比方說，原本這次設計中我還加入了進口閥的電氣圖等等，但是進口閥實際情況與我想的并非一樣，實際的進口閥用的是更為先進的閥門，本身就具有繼電器，操作更為方便，接線也更簡單，但是奈何我搞不清其中的原理，所以最后我還是不得不在本次設計中放棄了進口閥的設計。除此之外，還有水泵的電流檢測等等我也并未了解太多。因此，本次設計做下來，我發(fā)現(xiàn)還有許多的問題等待我去探索，我會進一步努力充實自己，提高技能。 參考文獻 參考文獻 [1] 宋晗.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究與設計[D].山東:山東大學，2014. 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