西门子S7-300在恒压供水系统中的应用.doc

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1、 目 录摘 要IIIABSTRACTIV第1章 绪 论11.1变频调速恒压供水的目的和意义11.2国内恒压供水系统的现状11.2.1国内恒压供水系统研究状况11.2.2各类供水系统的比较21.3本设计的总体方案31.3.1系统总体布局31.3.2设计总体方案31.3.3本设计优点4第2章 S7-300 PLC系统概述52.1 S7-300 PLC的基本组成及工作原理62.1.1 PLC的基本组成62.1.2 PLC的基本工作原理82.2 S7-300 PLC软件介绍112.2.1S7-300 PLC编程语言112.2.2 STEP 7 编程软件11第3章 系统硬件设计123.1 PLC控制系统

2、的设计原则、内容和步骤123.1.1 PLC控制系统设计的基本原则123.1.2 PLC控制系统的基本内容123.1.3 PLC控制系统设计的一般步骤133.2系统硬件的结构框图153.3系统模拟实验装置主要器件简介153.3.1系统模拟实验装置特点153.3.2实验装置简介163.4系统硬件的电气设计183.4.1强电驱动电路183.4.2电气控制电路203.4.3 PLC外部接线图21第4章 系统软件设计234.1梯形图的程序布局及编程规则234.1.1梯形图程序设置布局234.1.2输入LAD元素的规则234.2恒压供水系统I/O分配244.3系统程序的编程思想和流程图254.3.1系统

3、程序的编程思想254.3.2系统程序的流程图254.4系统程序的项目创建和程序编写254.4.1系统程序的项目创建254.4.2系统程序的编写284.5系统程序调试36第5章 系统调试模拟实验385.1系统调试模拟实验接线图385.2系统调试内容及结果395.2.1系统调试内容395.2.2系统调试结果42总 结43参考文献44致 谢45附 录46- 50 -西门子S7-300在恒压供水系统中的应用摘 要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺日益加剧，利用先进的自动化技术、控制技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。

4、本文首先简述了变频调速恒压供水的目的、社会意义、国内恒压供水状况以及本设计的总体方案；其次对S7-300 PLC系统做了简要介绍；然后详细叙述了以西门子S7-300 PLC为主控单元，以三菱变频器、压力变送器为辅助器件，运用PID控制算法实现变频恒压供水系统的具体设计内容；最后介绍了运用THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台进行系统调试模拟实验的内容及结果，并对在调试中出现的问题进行了分析总结。关键词：变频器，PLC，变频调速，自动控制Application of Siemens S7-300 in the Water Supply of Constant Pressure System

5、ABSTRACTWith the rapid development of social economy, it demands the better of water supplys quality and reliability of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, wit

6、h help of advanced technique of automation and control. At the same time this system can adapt different water supply fields.Firstly, this paper briefly explains the aim and social meanings of water supply of constant pressure with variable frequency and speed regulation, the domestic state of water

7、 supply of constant pressure and overall scheme of this design; Secondly, this paper introduces briefly about the system of S7-300. Then, it goes into particulars of the designs specific details of the water supply of constant pressure with variable frequency system which takes Siemens Programmable

8、Logic Controller of S7-300 as main control unit and Mitsubishi inverter and pressure transmitter as assistant devices, and uses PID control regulation. Finally, it introduces the contents and results of simulation experiment of system debugging by use of THSA-1 model experiment platform of process s

9、ynthetic automation control system and summarizes some problems in debugging.Key words: inverter, Programmable Logic Controller, frequency control of motor speed, automatic control 第1章 绪 论1.1变频调速恒压供水的目的和意义水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民

10、生活的生命线。随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人们对供水的质量和安全可靠性的要求不断提高。而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。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速

11、灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水领域，成为对供水企业新的要求。在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统，对于某些用水区提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，都具有较大的经济和社会意义。变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定，以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统的基本要求。在实际应用中如何充分利用变频器、PLC等先进设备，对合理设计

12、变频调速恒压供水系统，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。1.2国内恒压供水系统的现状1.2.1国内恒压供水系统研究状况目前,就国内而言，归结起来主要采用以下三种方法:(1) 水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点这种方式是集中供水。对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。恒压变频供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，

13、又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。(2) 水池水泵高位水箱用水点此方式也是集中供水。单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。(3) 单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点此方式已简化为单元总水表进水。单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位

14、时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。1.2.2各类供水系统的比较水池水泵（恒压变频或气压罐）管网系统用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统水泵有相同的运行时间，有效地防止了因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。水池水泵高位水箱用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。但是这种供水方式不可避免造成了二次污染，影响居民的身体健康。所以这种方案并不可取，终将淘

15、汰。单元水箱单元增压泵单元高位水箱各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。这些费用要在用户的水电费上来扣除，这对于居民来说是巨大的压力，所以也不可取。1.3本设计的总体方案1.3.1系统总体布局图1.1 系统总体布局1.3.2设计总体方案水池部分供水采用如图1.1所示的机械装置，该装置由控制阀、支点、调节旋钮、浮球组成。调节旋钮作用是调节浮球的设定位置，即水池水位设定值。当水池水位低于设定值时，浮球由于重力作用下降，另一端抬起，控制阀逐渐打开，水池开始进水。当水池水位上升到一定高度时，浮球也随着上升，

16、从而带动控制阀逐渐关闭，达到水位设定值后，浮球由于自身重力小于浮力，控制阀完全关闭停止进水，因此该装置是利用杠杆原理控制水阀的开启和关闭，从而控制水池水位保持恒定。该装置特点：设计简单，运行可靠，节约电能，免去了人工操作。用户部分供水采用2台水泵并联运行方式，把1#泵和变频器连接，实现变频运行，2#泵作为工频泵，实现工频运行。在自动控制过程中，压力变送器将主管网水压变换为标准420mA电流信号，经PLC模拟量输入模块输入CPU中，CPU根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的运行状态。当用水量较小时，变频泵在变频器的控制下恒压运行，当

17、用水量大到变频泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力变送器上传的信号将被PLC检测到，PLC自动将工频泵启动投入运行，以保持供水压力的上升，此时管网压力恒定依靠调节变频泵运行状态实现。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时实际压力值仍大于设定压力值，PLC将启动的工频泵停掉，以减少供水量，同时管网压力恒定依靠调节变频泵状态实现。在变频泵和工频泵之后，特别设计了两个电磁阀，其作用是防止水逆流回水池。这两个电磁阀的开启、关闭和两台水泵电机的开启、关闭分别是同步的，因而能很好的阻止水的回流。 同时，为了在系统故障期间仍能向用户应急供水，本设计还增设了手动供水模式，具体

18、内容见第三章。1.3.3本设计优点采用变频恒压供水控制后，首先，在设计、施工中彻底取代了高位水箱、水塔和气压罐供水等传统的供水方式，消除水质的二次污染，而且更具有节省能源、操作方便、自动化程度高等优点；其次，用S7-300 PLC承担PID功能，变频器只是固定地拖动一个水泵，单泵不作变频/工频的切换，当管网需补水时，系统可启动工频泵，再加上变频器的调压（调速）及时，因此系统运行时，管网压力更加稳定；再者，增加手动应急供水单元，为系统检修提供了时间，将系统故障给用户带来的用水不便降低到了最小程度。第2章 S7-300 PLC系统概述西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7系列PLC，性能价格

19、比越来越高。S7-300属中小型PLC，有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC。S7-300 PLC功能强、速度快、扩展灵活，它具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，其系统构成如图2.1所示。它的主要组成部分有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元CPU模块、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其他S7 PLC相连。图2.1 S7-300 PLC系统构成框图导轨是安装S7-300各类模块的机架，S7-300采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气

20、上连接起来。除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在CPU模块并固定在导轨上，然后依次将各模块装入。电源模块PS307输出24V DC，它与CPU模块和其它信号模块之间通过电缆连接，而不是通过背板总线连接。在实际应用中，电源模块也可用开关电源代替，但要注意其输出功率必须满足所有模块的需要。中央处理单元CPU有多种型号，如CPU 312 IFM，CPU 313，CPU 314，CPU 315，CPU 315-2DP等。CPU模块除完成执行用户程序的主要任务之外，还为S7-300背板总线提供5V的直流电源，并通过MPI多点接口与其它中央处理器或编程装置通信。S7-30

21、0的编程装置可以是西门子专用的编程器，如PG705，PG720，PG740，PG760等，也可以用通用微机，配以STEP 7软件包，并加MPI卡及编程电缆构成。信号模块SM使不同的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配，主要有数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块等。每个信号模块都配有自编码的螺紧型前连接器，外部过程信号可方便地连在信号模块的前连接器上。功能模块FM主要用于实时性强、存储计数量大的过程信号处理任务。通信处理器是一种智能模块，它用于PLC间或PLC与其它装置间连网实现数据共享。2.1 S7-300 PLC的基本组成及工作原理2.1.1 PLC的基本

22、组成由PLC构成的基本控制系统硬件简化框图如图2.2所示。其中，PLC的基本组成为线框内的四部分：中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）模块和电源等。图2.2 PLC控制系统结构简图1.中央处理单元（CPU）CPU是PLC的神经中枢，是系统的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务：1）接收并存储用户程序和数据；2）用扫描的方式接收现场输入设备的状态和数据；3）诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误；4）完成用户程序中规定的逻辑运算和算术运算任务；5）更新有关标志位的状态和输入状态寄存器的内容，实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。2.存储器对于

23、模块式PLC，通常存储区与CPU存在于同一个模块中，即中央处理单元（CPU）。存储器是PLC存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。它包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。随机存储器（RAM）在使用过程中随时可以读取和存储；而只读存储器（ROM）在使用过程中只能读取，不能存储。随机存储器（RAM）有静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种；只读存储器（ROM）按其编程方式不同，可分为掩膜只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）和电擦除可编程只读存储器（EEPROM）等。由于PLC的软件由系统软件和用户软件构成，因此PLC的存储

24、器可分为系统存储器和应用程序存储器。通常将存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。不同类型的PLC其存储容量各不相同，但根据工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：1）系统程序存储区 在系统程序存储区中，存放着相当于计算机操作系统的系统程序。它包括监视程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断程序等。由制造商将其固化在ROM中，用户不能直接存取。2）系统RAM存储区 系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备（如各种逻辑线圈、数据存储器、定时器、计数器、累加器、变址寄存器等）存储区。3）用户程序存储区 用户程序存储区存放用户编制的应用控制程序，不同类型的PLC，其存储容量各不相同

25、。有些PLC的存储容量可以根据用户的需要加以改变，如三菱公司的FX2系列PLC，其用户程序存储器除了主机单元已有2KB的RAM以外，用户还可以根据需要选用4KB或8KB的RAM、EPROM加以扩展。3.输入/输出（I/O）模块I/O模块是CPU与现场I/O设备或其他外部设备的桥梁。PLC提供了具有各种操作电平与输出驱动能力的I/O模块和各种用途的功能模块供用户选用。一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离。输入电平转换是用来将输入端不同电压或电流信号源转换成微处理器所能接受的低电平信号；输出电平转换是用来将微处理器的低电平控制信号转换为控制设备所需的电压或电流信号；电气隔离是在微处理器与I/O

26、回路之间采用的防干扰措施。I/O模块既可以与CPU放置在一起，也可远程放置。一般I/O模块具有I/O状态显示和接线端子排。另外，有些PLC还具有一些其他功能的I/O模块，如串/并行转换、数据传送、A/D或D/A转换及其他功能控制等。4.电源PLC一般使用220V的交流电源或24V的直流电源。开关式稳压电源模块为PLC内部的各模块提供5V、12V、24V等不同电压等级的直流电源。5.编程器PLC的编程器有两种:一种是手持编程器，它由键盘、显示器和工作方式选择开关等组成，主要用于调试简单程序、现场修改参数及监视PLC自身的工作情况；另一种是安装有专业编程软件的上位计算机，主要用于编写大型的程序，并

27、能灵活地修改、下载安装、在线调试和监控程序，它的应用较第一种更为广泛。2.1.2 PLC的基本工作原理1.PLC的工作方式PLC采用循环扫描的工作方式，整个扫描过程可分为输入采样、内部处理、用户程序执行、输出刷新四个阶段。PLC周而复始地循环执行这四个阶段，这种工作方式称为扫描工作方式。PLC每重复一次这四个阶段所使用的时间称为一个扫描周期（或称循环周期、工作周期）。内部处理阶段实际上就是运行PLC内部系统的管理程序，它由下面四个过程组成：1）系统自监测 PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器（看门狗），如果超时则停止中央处理器工作，以及完成一些其他检测。2）与编程器交换信息 这

28、在使用编程器输入和调试程序时才执行。3）与数据处理器交换信息 这只有在PLC中配置有专用数字处理器时才执行。4）外部通信 当PLC配置有通信接口或模块时，与外部通信对象（如磁带机、其他PLC或计算机等）进行数据交换。内部处理阶段是运行PLC内部系统的管理程序，该程序是厂家在PLC出厂时就已经固化好了的，与用户的控制程序无关，一般比较固定，其运行时间与用户程序运行时间相比，要短得多。因此，为了理解上的方便，通常忽略内部处理阶段，而认为PLC的工作过程为三个阶段：输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段，并近似地认为每重复一次这三个阶段所使用的时间为一个扫描周期。2.PLC的工作过程由于PLC

29、具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适应于控制要求的编程语言，因此，PLC可视为一种特殊的工业控制计算机。但由于有特殊的接口器件及监控软件，其外形不像计算机，编程语言、工作原理与计算机相比也有一定的差别。另一方面，它作为继电气控制线路的替代物，由于其核心为计算机芯片，因而与继电气控制逻辑的工作过程也有很大的差别。PLC工作过程的三个阶段：输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段，如图2.3所示。图2.3 PLC的工作过程图（1）输入采样阶段PLC以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存器输入状态的输入映像寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内，这个采样结果的内容不会改变

30、，而且这个采样结果将在PLC执行程序时被使用。（2）程序执行阶段PLC按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器、内部元件寄存器（内部继电器、定时器、计数器等）和输出映像寄存器中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。但这个结果在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。这就是说，反映各输出元件状态的输出元件映像存储器中所存储的内容，会随着程序执行的进程而变化，当所有程序全都执行完毕后，输出元件映像存储器的内容最后才固定下来。这里要充分注意，当执行控制程序时，如果程序要求某个输出继电器动作，此时这个动作要求并

31、没有直接实时地传送到该继电器中，而只是将输出映像存储器中代替该继电器的对应位置“1”，等待所有程序段都执行完毕后，才将全部程序执行后产生的输出结果（输出映像存储器的内容）一次送到输出锁存器。PLC的这种工作方式同一般单纯用硬件组成的控制电路或由控制计算机组成的控制电路是不同的。（3）输出刷新阶段在执行完所有用户所有程序后，PLC将映像寄存器中的内容送入到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间即为一个扫描周期，用符号T表示。PLC在一个扫描周期中，输入扫描和输出刷新的时间一般为4ms左右，而程序执行时间可因程序的长度不同而不同。

32、PLC的一个扫描周期一般在40100ms之间。PLC的扫描工作是重复进行的，因此，其输入和输出存储器不断被刷新（I/O刷新）。一个扫描周期内输入刷新之前，若外部输入信号状态没有变化，则此次的输入刷新就没有变化，经运算处理后，相应的输出刷新也无变化，输出的控制信号也没有变化，只是重新被刷新一次。若一个扫描周期内，在输入刷新之前，输入的外部输入信号状态发生了变化，则此次输入刷新就有了变化，经运算处理后，其输出刷新也可能有变化，输出的控制信号亦可能有变化。不管输出控制信号有无变化，在一个扫描周期内对所有输出只刷新一次，即前一次和后一次输出状态的变化，至少要经历一个扫描周期的时间。PLC工作的主要特点

33、是输入信号集中批处理，执行过程集中批处理和输出控制也集中批处理。PLC的这种“串行”工作方式，可以避免继电器、接触器控制系统中触电竞争和时序失配的问题，并增强系统抗干扰能力。由于干扰常常是脉冲式的、短时的，只要PLC不是正好工作在输入刷新阶段，就不会受到干扰的影响。因此，瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少，从而增加了系统的抗干扰能力。这是PLC可靠性高的原因之一，但是这种工作方式又导致输出对输入在时间上的滞后，对于要求快速响应的控制系统，这也便成为PLC的缺点之一。还需要指出一点，在PLC中常采用一种称之为“看门狗”（Watchdog）的监视定时器来监视PLC的实际工作周期是否超出预定时间，以

34、避免PLC在执行程序过程中进入死循环，或“跑飞”（PLC执行非预定的程序）而造成系统瘫痪。2.2 S7-300 PLC软件介绍2.2.1S7-300 PLC编程语言S7系列PLC的编程语言非常丰富，有LAD（梯形图）、STL（语句表）、SCL（标准控制语言）、GRAPH（顺序控制）、HiGraph（状态图）、CFC（连续功能图）、C for S7（C语言）等，用户可以选择一种语言编程，如果需要，也可以混合使用几种语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的编程工作大大简化，对用户来说，开发、输入、调试和修改程序极为方便。S7继承了S5语言结构化程序设计的优点，用文件块的形式管理用户编写

35、的程序及程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，可以通过调用语句，将它们组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。通常用户程序由组织块（OB）、功能块（FB，FC）、数据块（DB）构成。其中，OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。OB1是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。功能块（FB，FC）实际上是用户子程序，分为带“记忆”的功能块FB和不带“记忆”的功能块FC，前者有一个背景数据块附属于该功能块，并随功能块的调用而打开，随功能块的结束而关闭。数据块（DB）是用户定义的用于存取数据的存储区，也可以被打开或关闭。2.2

36、.2 STEP 7 编程软件STEP 7是支持用户开发应用程序的软件包。Step7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达方式符合EN61131-3或IEC1131-3标准。Step7包含以下应用工具：SIMATIC管理器：管理属于一个自动化项目的所有数据，编辑数据所需要的工具由SIMATIC管理器自行启动。符号编辑器：使用符号编辑器可以管理所有的共享符号。诊断硬件：能够提供PLC状态的一个概况。这个概况将提供CPU及模块是否正常及其它一些硬件的附加信息。编程语言：提供梯形逻辑(LAD)、语句表(STL)和功能块图(FBD)三种编程语言。硬件组态：为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。网络组态

37、：为项目网络进行时间驱动循环数据传送组态和事件驱动数据传送组态。第3章 系统硬件设计3.1 PLC控制系统的设计原则、内容和步骤3.1.1 PLC控制系统设计的基本原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象（生产设备或生产过程）的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1) 最大限度地满足被控对象和用户的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。2) 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。3) 保证控制系统的安全、可靠

38、。4) 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。3.1.2 PLC控制系统的基本内容PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：1) PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。2) 系统运行方式与控制方式的择定。3) 选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。4) PLC的选择。PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技

39、术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。5) 分配I/O点，绘制I/O连接图。6) 设计控制程序。控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统正常、安全、可靠的关键。因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。7) 必要时还需设计控制台（柜）。8) 编制控制系统的技术文件，包括说明书、电气原理图及电器元件明细表、I/O连接图、I/O地址分配表和控制软件。3.1.3 PLC控制系统设计的一般步骤设计PLC控制系统的一般步骤如图3.1所示。1) 根据生产的工艺过程分析控制要求 如需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须的保护和连锁等）

40、、操作方式（手动、自动、连续、单周期、单步等）。2) 确定I/O设备 根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。3) 选择合适的PLC类型 根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。4) 分配I/O点 分配PLC的输入/输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。接着就可以进行PLC程序设计，同时也可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。5

41、) 设计应用系统程序 根据工作功能块图或状态流程图等进行编程。这一步是整个应用系统设计中最核心的工作，也是比较困难的一步。要设计好程序，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。6) 将程序输入PLC 当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中。7) 进行软件测试 程序输入PLC后，应先进行测试工作。由于在程序设计过程中，难免会有疏漏，因此在将PLC连接到现场设备上之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。8) 应用系统整体调试 在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就

42、可以进行整个系统的联机调试。如果控制系统是由几个部分组成的，则应先做局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。图3.1 PLC控制系统设计的一般步骤9) 编制技术文件 系统技术文件包括功能说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC程序等。功能说明书是在自动化过程分解的基础上对过程的各部分进行分析，把各部分必须具备的功能、实现的方法和所要求的输入条件及输出结果，以书面形式描述出来。10) 交付使用。总而言之，PLC应用系统的设计包括硬件设计和应用控制软件设计两大部分。其中硬件设计主要是选型设

43、计和外围电路的常规设计；应用软件设计则是依据控制要求和PLC指令系统来进行的。3.2系统硬件的结构框图图3.2 系统硬件结构框图图3.2为本设计的系统硬件结构框图，主控单元为西门子生产的S7-300 PLC及其扩展模块，这是整个系统的核心。它接收来自压力变送器传回的模拟压力信号、手动按钮触发的启动、停止信号和热继电器反馈回的电机故障信号。其中，模拟压力信号是由PLC的模拟量输入模块经过A/D转换后，输入到CPU中。启动、停止信号和故障信号是由数字量输入模块输入到CPU中。这些信号经过CPU处理运算后，由模拟量输出模块输出标准420mA电流信号给变频器，进而控制变频泵的运行状态。同时，由数字量输

44、出模块输出开关量去控制继电器、电磁阀、指示灯等电气单元，进而控制工频泵，同时显示系统的运行状态。3.3系统模拟实验装置主要器件简介3.3.1系统模拟实验装置特点本设计模拟实验验证采用自动化实验室已有的“THSA-1型过控综合自动化控制系统实验平台”，其特点如下：1) 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。2) 被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。3) 具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用国际标准IEC信号。4) 具有控制参数和控制方案的多样化。通过不同被控参数、动力源、控制器、执行器及工艺管路的组合可构成几十种过程控

45、制系统实验项目。5) 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。实验数据及图表在上位机软件系统中很容易存储及调用，以便实验者进行实验后的比较和分析。6) 多种控制方式：可采用AI智能仪表控制、DCS分布式控制、S7-200或S7-300PLC可编程控制、DDC远程数据采集控制等多种控制方式。7) 充分考虑了各大高校自动化专业的大纲要求，完全能满足教学实验、课程设计、毕业设计的需要，同时学生可自行设计实验方案，进行综合性、创造性过程控制系统实验的设计、调试、分析，培养学生的独立操作、独立分析问题和解决问题的能力。实验对象总貌图如图3.3所示。本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大

46、部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。3.3.2实验装置简介1.水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经

47、过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。2.管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储图3.3 实验对象总貌图水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀

48、打开将水直接排出。3.压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为05KP，精度为0.5级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：420mADC。4.水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。5.SA-11交流变频控制挂件：采用日本三菱公司的FR-S520S