基于PLC的自动供水系统设计-空分机组、空压站部分

毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 兴澄特钢动力站空分机组、 空压站部分自动供水系统设计 学生姓名：二级学院：班级：提交日期： 目录目 录摘 要IIIAbstractIV第1章 绪论11.1自动供水系统的设计背景11.2自动供水技术发展的现状以及未来发展趋势11.3 本文的结构1第2章 自动供水系统的总体设计32.1 自动供水系统设计要求32.2 供水系统设计思想32.3 系统方案设计3第3章 硬件的设计63.1系统主要硬件设备的选型63.1.1 PLC的选型63.1.2 水泵机组的选型73.1.3 阀门的选型83.1.4 压力变送器的选型93.2系统电路分析及设计103.2.1系统电源103.2.2自动供水系统主电路分析与设计103.3 可编程控制器I/O分配123.4设备间通信13第4章 软件的设计164.1 STEP7编程软件简介与编程164.1.1自动供水系统程序流程图184.1.2自动供水系统程序设计194.2 WINCC软件简介与人机界面设计24第5章 调试305.1程序调试305.2 WINCC画面调试31第6章 结论33参考文献35附录36附录1：自动供水系统电气图36附录1.1：低压水泵主电路图36附录1.2：低压水泵控制电路图37附录1.3：出口阀电机主电路图38附录1.4：出口阀电机控制电路图39附录1.5：PLC接线原理图40附录2：WINCC人机画面41附录3：实物图41附录4：自动供水程序43致谢58II 摘要兴澄特钢动力站空分机组、空压站部分自动供水系统设计摘 要如今的科技正在飞速前进，人们对物品的要求不断上升，物品要求的上升就使得厂家迫切希望产品的品质与生产效率能快速提升，这就导致各行各业对自动化控制越来越重视。而水压恒定在兴澄特钢动力站的空压机组供水方面是非常重要的。一旦总水管的水压保持恒定，工厂在用水时就不会出现供水不足的情况，这样不仅提高了生产的安全性，同时产品品质也会获得极大的提升。本次课题即为兴澄特钢动力站空压机组的自动恒压供水系统设计，此系统是基于西门子S7-300PLC的自动供水系统设计，将阀门及恒压等控制均用西门子S7-300PLC进行自动化控制，其中包含硬件的选型、整体电路的设计、软件的编写，重点内容是基于西门子PLC的自动供水系统工作原理、整个系统设计、软件编程以及WINCC人机界面的制作。关键词：自动供水；PLC；稳定性III AbstractDesign of Automatic Water Supply System for Air Separation Unit and Air Station in Xingcheng Special Steel Power StationAbstractNowadayss technology is advancing rapidly, peoples 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 systems 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;stabilityIV 第1章 绪论第1章 绪论1.1自动供水系统的设计背景在生活中，水是必不可缺的，但随着生活水平提高，大量工厂的建造，使得工业用水不断上升。外加供水设施的局限性，使得供水不足的现象在工厂生产中频频出现。最初的供水设备是在高楼的楼顶上放置水箱，以高楼上水箱的高度产生水压，来达到供水的目的。80年代后，高楼放水箱的方法已经不能满足人们的需求，而此时出现了气压供水技术。但是气压供水依旧不是供水的一个好方法。原因在于气压供水需要亚容器，而亚容器的成本很高，而且非常容易浪费电力资源，还会加快水泵和一些相关设备的损坏。最重要的一点是，气压供水不能很好的保证恒压供水，波动偏大。在工业领域不能保证恒压供水就会导致产品的生产效率和品质下降，带来不小的损失，对于将供水用于灭火时，供水不稳或者不足会导致严重的生命财产损失。1.2自动供水技术发展的现状以及未来发展趋势PLC供水技术在如今已经处于飞速发展阶段。而我国现在的大部分水厂已经运用了以PLC为主控制器、变频器为执行机构的自动供水系统，并且满足了工业和居民的日常生产与生活用水需求。如今我国就有很多运用自动供水技术的例子，平高集团根据企业用水需求，将变频调速供水系统改造以STD总线工控机为中心，以变频器为核心部件，自动调节压力使得整个供水系统保持恒压状态，以此来掌控水流量。由于城市土地资源的日益紧张，采用高性能、高节能和高环保的无负压供水技术已成为给水管网设计中的主要环节。因此自动供水系统未来可能会朝着无负压供水技术发展。新能源供水也将成为我国未来供水发展方向之一。1.3 本文的结构本次论文设计针对兴澄特钢动力站空压站空分机组部分的自动供水设计，考虑到实际的情况以及本次设计所要实现的功能，最终决定使用西门子S7-300 PLC作为本次系统设计的核心，来对水泵、阀门进行自动控制。这样不仅能实现设计的功能，还确保了运行中的稳定性与安全性。本论文从硬件、软件等多个方面对此次空压机组自动供水系统设计进行说明。首先是对自动供水的背景发展进行研究探索，确定设计的大致方向，然后再对比设计所想的方案与设计原理，对PLC等设备硬件特性进行研究。软件部分则是用STRP7编程软件对整个设计的程序进行编辑，用WINCC对此次设计进行组态设计，运用EPLAN8软件对电气原理图进行绘制。最后对设备连接，程序及人机界面进行调试并排除一些错误，最终实现本次空压机组自动供水系统设计的功能。以下为本论文各个章节的主要内容：第1章 结合文献简要的对自动供水的背景、如今的发展和未来发展的趋势进行了介绍，并写出此次论文的大体结构。第2章 阐述了本次自动供水系统的设计要求与主题思想，另外还介绍了本次系统方案的设计。第3章 首先对硬件设备的选型进行说明，其次对本次自动供水系统的电路进行详细的分析，最后介绍了此次系统的I/O分配以及设备间的通讯。第4章 对STEP7编程软件和WINCC进行简单介绍，并详细说明编写的程序以及人机界面的设计。第5章 将本次设计的电路设计以及软件部分设计都进行调试，并展示调试的过程与结果。第6章 对本次设计进行全面的分析与总结，提出值得改进的地方，并指出下一步的研究方向。2 第2章 自动供水系统的总体设计第2章 自动供水系统的总体设计2.1 自动供水系统设计要求 工厂空压站供水系统有3台水泵，供水总管道安装有压力变送器，水泵两端水管分别安装有出口阀。其中控制有以下四点:(1)自动运行时，自动开启1台水泵及其出口阀进行供水工作，当供水总管中水压出现偏低于设定值时，压力变送器将4-20mA的信号传输给PLC，PLC处理后，要求未运行的1台水泵及其进、出口阀自动启动，以维持总管水压稳定。(2)在三台水泵运行的时候，从人机界面上可以看到水泵运行的情况。(3)在手动运行的时时候，三台水泵可以分别单独操作启动和停止，并且可以在必要时刻停下。(4)在系统中设置有“现场手动”、“远程自动”切换的开关。(5)设计人机界面，并能从界面中监控和操作水泵的运行。2.2 供水系统设计思想本次供水系统设计结合了西门子S7-300PLC、水泵、压力变送器等设备。总水管与出口阀之间装有压力变送器，通过压力变送器来检测总水管中的水压，而水泵有三台，由西门子S7-300来操控整个自动供水的自动运行。本次系统以西门子S7-300PLC为核心，用先进设备自动供水代替了传统的水箱供水及气压供水，从而使得工厂在设备管理及数据的分析等工作方面变得更为简洁。以西门子S7-300PLC为主体的恒压自动供水系统，具有简单的操作、运行稳定且安全、多方面的功能等特点，足以满足大部分工厂供水的需求，还能提高产品品质与生产的效率，大大的降低了生产的成本。本次设计的电路主体是由水泵、阀门、电机等构成。供水的主要就是依靠三相异步电动机带动水泵来抽动水，通过改变运行停止水泵，来保持总水管中的水压恒定。2.3 系统方案设计 本次设计是针对于西澄特钢动力站空压机组的自动供水系统设计，运用了“水泵机组+PLC+WINCC”的控制方式。使用西门子S7-300PLC控制三台水泵的电机启动停止，来掌控总水管中水压的恒定。系统运行的框图如图2-1所示。图2-1系统运行框图本系统通过将蓄水池中的水用水泵抽往总水管进行供水。供水开始后，安装在总水管上的压力变送器将检测到的压力信号发送给西门子S7-300PLC，PLC再进行判断若水压低则对未启动的水泵进行启动控制，来控制供水时总水管的水压稳定。由于三台水泵电机并不能直接与西门子S7-300PLC相连，所以在两者之间用交流接触器进行连接。如图2-1所示，整个动力站的供水系统中，三台水泵出水管装有阀门，三台水泵能自由切换以保持总水管中的水压恒定，而安装在总水管上的压力变送器则能向西门子S7-300发出4-20mA的信号。从系统原理图中，我们能够看出执行机构、信号检测、控制与管理系统、人机界面等组成了整个自动供水系统:1)执行机构这一部分是由三台水泵构成，它们是供水的关键，用来抽动水，保持总水管的水压。2)信号检测整个自动供水系统的设计中，共有两个信号需要检测，一个是水压信号，一个是报警信号。水压信号:它是通过压力变送器检测总水管水压后发出的信号，检测它可以随时了解总水管中水压的变化情况。报警信号:它是通过西门子PLC进行判断发现总水管水压低于设定值所发出的信号。该信号为开关量信号。3)控制与管理系统这部分的系统一般都放在供水控制柜中，而其中包含西门子S7-300PLC和系统所用电控设备两个部分。西门子S7-300PLC:它是空压站自动供水系统的核心。西门子S7-300PLC收集来自系统中各设备运行情况以及来自压力变送器的压力信号等，同时分析来自WINCC系统和通信接口的数据，综合分析后进行控制，通过控制交流接触器来控制水泵的启停。4)通讯接口通讯接口如同一张网将系统中的所有设备都联系在一起，系统可以随时查看组态软件或者其他监控系统，并且与之进行数据交换。有了通讯接口，系统还能拥有一个先进的网络，可以远程操控该系统，十分方便。59 第3章 硬件的设计第3章 硬件的设计3.1系统主要硬件设备的选型3.1.1 PLC的选型PLC是空压站自动供水系统最为重要的一个环节，它掌管着所有输入信号，控制着所有输出设备，它是整个系统的数据枢纽，所有的数据都将在这里进行记录与交换。因而一个指令发送、执行迅速，功能众多，储存空间足够，并且带有良好的通讯接口以及多种扩展能力等优秀性能的PLC是我们慎重考虑的对象。本系统采用的是西门子S7-300 CPU315-2的PLC。 图3-1西门子S7-300S7-300可编程控制器简介：电源模块 后备电池 24V DC连接器 模式开关 状态和故障指示灯 存储卡（CPU 313 以上） MPI多点接口前连接器 前盖 如图3-1所示的PLC是德国西门子公司的S7-300PLC实物图。S7-300各项参数：电源电压：额定值 (DC) 24 V。功耗： 典型值 4.5 W。工作存储器： 集成 256 KB，用于非易失性数据块的非易失性存储器的大小 128 KB。CPU 处理时间：位操作时，典型值0.05 s。 字操作时，典型值0.09 s。 定点数运算时，典型值0.12 s。 浮点数运算时，典型值0.45 s。数字输入输出模块：DI/DO 32*DC。(本设计的I/O分配见3.3或附录电路图)接口类型:集成RS485接口。 物理接口RS485。S7-300特点：(1).循环周期短、处理速度高。(2).指令集功能强大（包含350多条指令），可用于复杂功能。(3).产品设计紧凑，可用于空间有限的场合。(4).模块化结构，设计更加灵活。(5).有不同性能档次的CPU模块可供选用。(6).功能模块和I/O模块可选择。(7).有可在露天恶劣条件下使用的模块类型。S7-300工作原理：西门子S7-300的PLC系统运用方式是循环执行用户程序来操控整个供水系统。而其中能进行循环处理的主程序即为OB1组织块。OB1在整个程序中起到一个中枢的作用，它能调用程序中的其它逻辑块，当然OB1也能被中断程序所中断。一旦S7-300开始运行起来，程序中OB1就会被不断的循环调用，而相应的其他逻辑块比如FC，FB等就会被OB1所调用。中断程序或者事件能将整个循环中断。CPU315-2简介：在S7-300PLC中既能带有大中型程序储存器，又有PROFIBUS DP主从接口的CUP就是CPU315-2 DP了。CPU315-2 DP相对以前的CUP各版本进行了量化框架的优化，使得西门子的工程工具在设计过程中更为的方便。 安装在CPU315-2 DP中的部件有：微处理器、灵活的扩展能力、多达 32 个模块、MPI多点接口、PROFIBUS DP接口。3.1.2 水泵机组的选型在整个自动供水的系统设计中，水泵也是不可或缺的一部分，拥有比较重要的地位，因此，水泵的选型也变得尤为重要。水泵要能够保持平稳的运行并且必须要能保持长期处于运行状态，最大限度的节省能源，这些要求都是选型所必须要考虑的。本论文以兴澄特钢空压站自动供水系统设计进行水泵的选型，此次自动供水所要达到的大致要求为： 1.整个系统是由三个水泵进行抽水工作。2.总水管的水管压力要保持稳定，切换水泵的时候水管水压不能出现太大的压力波动。3.整个供水系统具有独立自动运行的功能，并且若有特殊情况下允许人为操控系统的运行。从以上三个空压站供水系统要求中，我们确定运用3台西门子贝得电机132kW 4P 卧式的水泵机组来担当本次设计的水泵抽水工作。基本参数： 品牌：Siemens/西门子型号：1TL0001-3AB23-3AA5-Z W08；132产品类型：三相异步电动机极数：4极额定功率：132kW额定电压：380/440/660（V）额定转速：1485（rpm）产品认证：CCC应用范围：塑胶机械，密炼机械，电工机械等。图3-2西门子贝得电机3.1.3 阀门的选型本次设计选用了上海精艺阀门有限公司的TQTC智能型阀门。TQTC智能型阀门具有优秀的性能、良好的外观、调试简单、操作方便等特点。同时拥有超大规模的数字集成芯片，还是机电一体化的结构设计。应用于电厂、炼钢厂、石油、化工等多个工业行业，是一款功能设计十分强大的智能阀门。IQTC性能和机械数据：系列号：ET11440202 执行器型号：IQTC1000法兰：F12 法兰连接：1转速范围：30-120secs最大扭矩：1000Nm壳体等级：IP68电机额定功率：0.45kW；S2-20%执行器电源：380-2-50电流：120Amp 图3-3IQTC智能型阀门3.1.4 压力变送器的选型本次供水系统设计中压力传感器起到了传输总水管水压信号的作用，是比较关键的一部分。西门子S7-300想要掌握水管中压力变化情况都得接收压力传感器发送的信号，才能进行判断是否需要启动水泵或者停止水泵。假设压力变送器没有选好，或者出错，那将会导致水管压力过低，PLC处理不及时供水不足，更甚者水管压力过高导致水管爆裂发生事故。因而选好选对压力变送器也很关键。根据供水系统的具体的要求，本次设计选用上海域丰传感仪器有限公司生产的P140型压力变送器。在多个供水工业领域中，都运用了P140型压力变送器，而它也具有如下特点:1.采用进口感压芯片。2.压力变送器中拥有高精度和高稳定性放大集成电路。3.此款压力变送器耐磨损度高、全封焊结构。4.输出信号包括电流型、电压型等。5.结构小巧，安装方便。压力变送器的主要参数：量程：0-100kPa.500kPa.1MPa.1.6MPa.2MPa.2.5MPa.3MPa.5MPa输出：4-20mA /0-10V / 0-5V /0.5-4.5V （选择4-20mA）供电范围：9-32VDC测量精度：0.5%FS使用温度：-40125测量介质：非腐蚀性液体、气体安装螺纹：G1/4(2分管）、G1/2(4分管）、M20*1.5(国标公制）防护等级 : IP67 防爆等级 : CT6 类型 : 智能压力变送器 产品结构图：图3-4压力变送器3.2系统电路分析及设计3.2.1系统电源供水系统最为基本的条件之一就是要有一个稳定可靠的供电系统，所以为PLC选好一个供电电源很重要，要从以下几个方面去考虑:供电电源的输入电源一定要足够稳定，也就是能够在允许范围内波动。当供电电源不提供供电的情况下，应该不影响整个PLC中的数据和程序。电源的冗余也是供电的一个关键，尤其是整个系统在不允许短点的情况下。PLC电源的供电应该是相对独立的，即使外部设备电源断开了，PLC的供电应该还是正常。供电电源的抗干扰能力要强，以保证稳定的供电状态。西门子S7-300电源模块自带集成DC24V电源。3.2.2自动供水系统主电路分析与设计 兴澄特钢动力站空压机组自动恒压供水系统所需要的水泵有三台，因此它的主电路与控制电路原理图见附录1.1、附录1.2所示。下面具体分主电路和控制电路进行分析。1.主电路原理说明 如附录1.1所示为水泵机组的主电路原理图。图中三相电接入主电路中，用电动机M代替水泵，图中8M-KM/9M-KM/10M-KM为交流接触器触电与线圈，8M-QM/9M-QM/10M-QM为低压断路器，8M/9M/10M为电机即水泵。若由于外界原因导致水泵过载或者故障，则连接在主电路上的低压断路器QM主触点断开，致使整个主电路断开，主电路处于不接通状态，此时水泵应已停止运行，这样就能及时保护水泵电机和主电路的安全。考虑到有三台水泵，因而三台水泵的主电路上都装有低压断路器，这样当发生特殊情况的时候，三台水泵都能自由断开。而主电路中的KM则是由PLC自动控制水泵开关，或者现场操作箱人工控制水泵开关。只有在QM、KM同时闭合时，整个主电路才算接通，此为双重保险。2. 控制电路原理说明如附录1.2所示图中8M/9M/10M-SEA为选择开关，当低压断路器QM1、QM其中之一未闭合，则整个电路处于断开状态；当选择开关SEA拨动到1、2通路时，则为手动运行模式；当选择开关SEA拨动到3、4通路时，则接通PLC自动运行模式；8M/9M/10M-SB1为手动控制水泵停止按钮，8M/9M/10M-SB2为手动控制水泵启动按钮；8M/9M/10M-HG1为水泵运行指示灯，8M/9M/10M-HR1为水泵停止指示灯。8M/9M/10M-KR为热继电器，用来保护电路。手动模式：按下8M-SB2按钮，8M-KM接通，水泵电机启动同时完成自锁，8M-HG1亮起；按下8M-SB1按钮，8M-KM断开，水泵电机停止，8M-HR1亮起。此为8号水泵手动过程，9、10号水泵同样。自动模式：通过PLC输出控制8M/9M/10M-KA即中间继电器的接通与断开，控制KM的通断，来控制水泵电机运行。 本次动力站空压机组自动恒压供水系统还需要用到三个出口阀，因此设计了出口阀的主电路和控制电路的原理图，见附录1.3、1.4所示。下面进行具体分析出口阀的主电路和控制电路。1.主电路原理说明附录1.3所示为出口阀门电机控制的主电路，其中电机为阀门自带电机8V/9V/10V，8V/9V/10V-KM1、8V/9V/10V-KM2都为交流接触器，8V/9V/10V-QM为低压断路器。若由于外界原因导致阀门过载或者故障，主电路上的低压断路器QM主触点断开，以保护电路。每个阀门都装有低压断路器以用来保证阀门故障时可以单独切断电源。而主电路中的KM1、KM2则是由PLC自动控制阀门开关，或者现场操作箱人工控制阀门开关。其中KM1为阀门正转以打开阀门，KM2为阀门反转以关闭阀门。2. 控制电路原理说明如附录1.4所示为阀门的控制回路。当低压断路器QM1、QM其中之一未闭合，则整个电路处于断开状态；当选择开关SEA拨动到10、9通路时，则为手动正转或反转运行模式；当选择开关SEA拨动到12、11通路时，则接通PLC自动运行模式；8V/9V/10V-SB1为手动控制阀门停止按钮，8V/9V/10V-SF为手动控制阀门正转启动按钮；8V/9V/10V-SR为手动控制阀门反转启动按钮；8V/9V/10V-KA1为阀门开到位的中间继电器，8V/9V/10V-KA2为阀门关到位的中间继电器；8V/9V/10V-HG1为阀门打开指示灯，8V/9V/10V-HR1为阀门关闭指示灯。手动模式：按下8V-SF按钮，8V-KM1接通，阀门正转开启同时完成自锁，反转电路中8V-KM1触电断开，保证正转时不会接通反转电路，8V-KA1得电8V-HG1亮起；同理，按下8V-SR按钮，8V-KM2接通，阀门反转关闭同时自锁，正转电路中8V-KM2触电断开，保证反转时正转电路不会接通，8V-KA2得电8V-HR1亮起；按下8V-SB则手动停止阀门。以上为8号出口阀手动过程，9、10号出口阀同样。自动模式：通过PLC输出来控制KA1/KA2的接通与断开，控制KM1/KM2的通断，从而控制阀门电机运行。表3-1为供水控制电路图中用到的元件表：表3-1元件清单元件名作用8M/9M/10M-SB1手动模式水泵停止按钮8M/9M/10M-SB2手动模式水泵启动按钮8M/9M/10M-KR热继电器8M/9M/10M-HG1水泵运行指示灯8M/9M/10M-HR1水泵停止指示灯8V/9V/10V-SB1手动模式阀门停止按钮8V/9V/10V-SF手动模式阀门打开按钮8V/9V/10V-SR手动模式阀门关闭按钮8V/9V/10V-KA1、8V/9V/10V-KA2中间继电器8V/9V/10V-HG1阀门打开指示灯8V/9V/10V-HR1阀门关闭指示灯8V/9V/10V-SAE转换开关3.3 可编程控制器I/O分配(1) I/O分配表表3-2 I/O分配符号PLC输入功能符号PLC输出功能8M-QM/QM1I0.08P低压水泵正常信号8M-KA1Q0.08P水泵运行8M-SEAI0.18P低压水泵现场/远程开关8M-KA2Q0.18P水泵停止8M-KMI0.28P低压水泵运行信号9M-KA1Q0.29P水泵运行9M-QM/QM1I0.39P低压水泵正常信号9M-KA2Q0.39P水泵停止9M-SEAI0.49P低压水泵现场/远程开关10M-KA1Q0.410P水泵运行9M-KMI0.59P低压水泵运行信号10M-KA2Q0.510P水泵停止10M-QM/QM1I0.610P低压水泵正常信号8V-KA1Q1.28P出口阀打开10M-SEAI0.710P低压水泵现场/远程开关8V-KA2Q1.38P出口阀关闭10M-KMI1.010P低压水泵正常信号9V-KA1Q1.69P出口阀打开8V-KA1I3.18P出口阀开到位9V-KA2Q1.79P出口阀关闭8V-KA2I3.28P出口阀关到位10V-KA1Q2.210P出口阀打开9V-KA1I5.19P出口阀开到位10V-KA2Q2.310P出口阀关闭9V-KA2I5.29P出口阀关到位8V-HG1Q3.08P出口阀打开指示灯10V-KA1I7.110P出口阀开到位8V-HR1Q3.18P出口阀关闭指示灯10V-KA2I7.210P出口阀关到位9V-HG1Q3.29P出口阀打开指示灯8V-SFI8.08P出口阀现场开阀9V-HR1Q3.39P出口阀关闭指示灯8V-SRI8.18P出口阀现场关阀10V-HG1Q3.410P出口阀打开指示灯8V-SBI8.28P出口阀现场停止10V-HR1Q3.510P出口阀关闭指示灯9V-SFI8.39P出口阀现场开阀9V-SRI8.49P出口阀现场关阀9V-SBI8.59P出口阀现场停止10V-SFI8.610P出口阀现场开阀10V-SRI8.710P出口阀现场关阀10V-SBI9.010P出口阀现场停止(2) I/O接线图（见附录1.5PLC接线原理图）3.4设备间通信PLC与现场设备由于现场硬件设备并不会自动启动与停止，此时就需要PLC对现场设备进行控制。将现场设备用交流接触器（即KM）连接至PLC输入输出端，这样PLC就能通过控制交流接触器来控制现场设备。 PLC与WINCC由于此次设计选用的是西门子S7-300的PLC，而如何将WINCC与S7-300联系起来是一个关键，本次设计采用了建立以太网来进行通讯。增添一个CP343模块在S7-300的硬件模块中，主要是为了设置IP地址以及建立以太网的通讯。在WINCC中增加SIMATICS7 PROTOCAL SUITE驱动程序，在该驱动程序下的TCP/IP驱动程序下新建个新的驱动连接。再次选中连接属性，打开连接属性的对话框选中属性，在弹出的窗口中写好相应的内容如IP地址等等。再打开系统参数的窗口，从中选中单元，并编辑逻辑设备名称一栏，选中具体的以太网卡。具体步骤如下：想要创建一个新的以太网，首先先打开S7-300PLC的硬件组态，找到CP模板，然后对模板进行设置。在模板设置中找到General选项选择“Properties”，然后就会跳转到Properties-Ethernet interface，从中找到Parameters选项，点进去就能看到IP地址和子网掩码，在里面输入所需的地址和掩码即可。如图3-7所示。 图3-7Properties选项第二步就是在控制面板中找到设置PG/PC接口，然后选中它，在弹出的窗口中选中TCP/IP一栏，要注意的是填写的内容一定要和你所需要用的通讯网卡。图3-8设置PG/PC接口第三步，要在WINCC中进行设置。打开WINCC软件，在主页面上找到变量管理，并在其中传建一个信的驱动程序SIMATICS7 PROTOCOL SUITE，然后在这下方有一个TCP/IP的一栏，将所需内容填写进去。主要是两个方面的设置。第一方面，右击TCP/IP选项，弹出下拉菜单中选中系统参数，找到单元选项并单击，能看到逻辑设备名称一栏，将所需内容填写进去，具体如图3-9所示。图3-9系统参数第二方面，重新回到TCP/IP的选项窗口，右击TCP/IP弹出下拉菜单从中选择创建新驱动程序连接，创建的项目变量就是放在这里面。然后设置一下驱动程序，右击驱动程序，选择属性就会弹出一个“连接属性”的窗口，在点击属性，弹出连接参数的窗口，从中找到TCP/IP，然后对其进行设置。IP地址就是最初在S7程序中设置的CP的IP地址。CUP模板实际被放在哪个机架，就在机架号一栏中填写相应位置。插槽号是指你CPU在哪个槽上（通过S7硬件组态也可以看到）。第一个槽上是电源模块。如下图3-10所示。图3-10IP地址等设置到此，PLC与WINCC的以太网连接就完成了。 第4章 软件的设计第4章 软件的设计4.1 STEP7编程软件简介与编程由于本次系统使用了西门子S7-300的PLC，所以选用STEP 7编程软件作为编写程序的工具。STEP 7编程软件使用多款西门子的PLC，S7-300就是其中之一，它能让S7-300的系统功能变得更为方便轻松。图4-1 STEP7 主界面图4-2 STEP7编程画面在PLC控制的自动系统各部分应用中，就比如各设备变为参数化的设计，PLC与组态和设备之间如何通行，整个自动控制的程序编写，程序编写后的测试等，STEP7都能进行很好的处理。由于各种设计会出现各种不同的需求，执行自动化方案就需要不同的软件工具，STEP 7本身就具有多种不同的工具，比如:如果用户需要公用、有序的管理SIMATIC C7/S7/WinAC中的所有应用工具以及其中的包含的数据，SIMATIC Manager工具就能满足需求。符号编辑器：如果用户需要定义一些全局变量的属性，比如符号目的地等等，符号编辑器就能很好的处理这一方面的要求。硬件组态：如果用户想要设计自动系统的组态，并且还要参数化一些设定模块，那么STEP 7中的硬件组态就会提供很大的帮助。通讯:想要将PLC系统或者程序与组态进行通信，通讯功能就显得十分必要。信息功能：编程中难免会出现一些难以解决的漏洞或者问题，包括调试或者投入运行后出现的问题，如何快速的找出问题所在，这将为系统的设计带来很大的方便，而STEP 7中的信息功能就能快速扫描CUP和程序的执行，在极短的时间内找出问题所在。为了适应用户编程的多种需求，STEP 7本身包含以下几种编程语言：语句表（STL）梯形图（LAD）功能块图表 （FBD）4.1.1自动供水系统程序流程图图4-3自动供水系统程序流程图由上图4-3所示为此次空压机组自动供水系统的程序流程图。当选择开关旋钮拨到远程时，则进行左半部分的自动控制流程。首先对水泵是否拥有压力连锁进行判断，而压力连锁是在WINCC人机界面上进行选择，若人机界面上选择压力连锁，才可执行自动控制。判断完压力连锁后，再进行总水管的水压判断，若水压正常则重新进行判断；若水压偏低，则延时2秒，对水泵进行备用的选择，如果其中有水泵被选为第一备用，则会在2秒后自动启动，接着启动出口阀子程序，再次进行水压判断，直到水压正常。现场即手动为程序右半部分流程，此部分可有人工在现场操作箱对水泵进行手动启动停止。图4-4出口阀子程序流程图 上图4-4为出口阀子程序流程图。当自动供水程序需要启动出口阀时，子程序进行手自动判断。若为开阀，则再进行所对应的水泵电机是否已开启，开启则开阀，未开启则返回自动模式判断，若为关阀则直接关阀。右半部分流程为现场手动，即人为在现场操作箱进行控制。4.1.2自动供水系统程序设计1. 主程序部分设计图4-5主程序循环时间程序设计 如上图4-5所示为OB1模块中的循环程序设计的一部分。OB1在整个程序中起到一个中枢的作用，它能调用程序中的其它逻辑块，当然OB1也能被中断程序所中断。一旦S7-300开始运行起来，程序中OB1就会被不断的循环调用，而相应的其他逻辑块比如FC，FB等就会被OB1所调用。中断程序或者事件能将整个循环中断。其中定时器能对OB1的运行时间进行控制，而STEP 7的最大扫描时间一般设置为150ms，这个设定时间可以进行更改。整个系统程序的运行都是由于OB1的循环执行之下，如果OB1需要调用则用户程序就会被执行。OB1块的调用程序图如图4-6。图4-6 OB1可调用用户程序2. 各子程序部分设计(1).手自动程序图4-7手自动程序 如上图4-7所示，当选择自动时SR触发器的输入端置“1”，则输出端也置“1”，此时模式为自动模式；而若不选择自动，则SR触发器输入端默认“0”，则输出端也为“0”，此时则为手动模式。(2) .8P阀门水泵自动控制程序设计图4-8 8P低压水泵自动启动部分程序上图4-8为8P水泵的自动启动部分程序，即当满足压力连锁开启，实际水压低于模拟量，处于自动模式并且已选择第一备用或第二备用，满足所有条件时，8P低压水泵才可自动启动；若未进行压力连锁如程序最后一段，可按下WINCC操作画面上的压力连锁按钮进行操作。图4-9模拟量低报警如上图4-9所示，当总水管实际水压与模拟量设定值进行比较，而实际水压低于模拟量设定值时，通过延时定时器延时2秒后发出水压低报警，并在WINCC上显示。下图4-10为模拟量低报警以及模拟量设定值。模拟量设定值可在WINCC中更改。图4-10模拟量图4-11 备用选择如上图4-11所示，若在WIMCC上选择8号水泵为第一备用则SR触发器置一，即选为第一备用，若其余两台中有选择第一备用，或者8号水泵已选择为第二备用则SR触发器置零，即不选为第一备用。图4-12 8P低压水泵运行程序如上图4-12所示，最上方一条程序为当WINCC上选择自动时，则由PLC自行判断运行条件若满足则发出运行指令，并自锁；若WINCC上选择手动，则可通过画面按下启动按钮，再由PLC判断条件，满足则发出运行指令。图4-13 8P水泵出口阀开阀部分程序 如图4-13所示，当满足条件处于自动模式下，8P水泵已开始运行，经过延迟脉冲定时器延迟2S后，发出开阀指令。若为现场手动，也可通过现场操作向上的按钮进行启动。图4-14 8P水泵关闭部分程序 由上图4-14可看出，8P水泵关闭指令中与8P水泵运行指令有互锁条件，以此来防止运行指令与关闭指令产生混乱，以致PLC无法发出正确的指令。4.2 WINCC软件简介与人机界面设计图4-11 WINCC主界面 WINCC是一款功能强大及广泛的组态软件，它不仅能设计生产自动化，还能设计过程自动化，并且两者相互整合，这就使得WINCC现如今已成为各大工业领域中的“宠儿”，在各行各业中随处可见，比如:化工领域、印刷领域、机械制造领域、食品制造领域、工业供水领域等等。 WINCC拥有多种既实用又齐全的功能:在工业领域中，由于种类众多，需求也是各种各样，这就导致很大一部分的组态软件由于功能等限制不能被广泛的运用到大部分的工业领域中。而WINCC却拥有通用的应用程序，这就适合绝大部分工业领域的需求。此外，WINCC软件本身就拥有多种国家的语言，这就使得WINCC在国际上都能得到很大的认可，工业领域通常对效率和品质的要求都非常高，而WINCC强大的操作和管理功能使得整个系统的组态设计更加简单有效。本次自动供水的设计运用了西门子S7-300的PLC，还用了STEP7的编程软件，这两样都是德国西门子公司的产品，而WINCC同样也是，这就导致它在设计时就装有西门子S7-300的驱动软件，这样在与PLC进行通信的时候就不必在进行驱动的安装，使得设计更为方便;其次，WINCC强大的功能在如今的体现已经非常明显，用其作为本次设计的组态软件是十分合适的选择。人机界面设计：首先新建一个项目如图4-12。图4-12项目创建项目新建完成后就会出现WINCC主界面（如图），选中计算机属性，将属性改为与用户计算机一样的名称，如图4-13：图4-13计算机属性添加一个通讯驱动程序用于与自动化系统（PLC）进行互通，如图4-14：图4-14添加驱动程序 在变量管理一栏中可新增多个变量用以在设计的界面中进行链接，如图4-15：图4-15添加变量其中变量的属性在创建时可以进行设置，地址可与STEP7中地址相对应，如下图4-16：图4-16变量属性选中图形编辑器，在新建画面以用来编辑和设计WINCC人机界面，如下图4-17：图4-17图形编辑双击进入新建画面，可以利用软件所提供的工具进行画面设计，如下图4-18：图4-18画面设计 而画面中的按钮等可以进行链接变量或者调用变量，如图4-19：图4-19图中变量连接编辑完成的人机界面：图4-20 低压水泵流程界面图4-21低压水泵报警画面图4-22低压水泵排除压力趋势图4-23模拟量设定图4-24各设备状态显示 第5章 调试第5章 调试5.1程序调试打开STEP7编程软件，打开所要运行的程序，在菜单栏中找到调试点击监控进行程序调试，具体如下列各图所示：图5-1水泵运行指令程序监控与调试画面图5-2 水泵关闭指令程序监控与调试画面图5-3阀门开阀程序监控与调试5.2 WINCC画面调试打开WINCC软件，在主界面的菜单栏下，点击打开文件下拉菜单，选中激活，则进入WINCC调试状态，具体如下列各图所示：图5-6WINCC调试图5-7调试中的低压水泵流程画面图5-6调试中的低压水泵报警画面图5-7模拟量的设定调试图5-8 状态显示调试 第6章 结论第6章 结论21世纪之后，人类的科技处于一个飞速发展的阶段，这就导致人们的生活质量正在逐步的提升，与此同时，工业领域的发展也是急速上升。这就导致各个行业对生产的效率与品质的提升有了更高的要求，间接地对生产设备的提升也产生了不小的要求。就说关于这次设计的供水问题，传统的高楼水箱以及气压供水的方法已经完全不能适应如今科技的飞速发展和人们的物质需求，那怎么办呢？这时候，自动供水的发展就开始体现出了它的价值。整个系统的运行、停止，设备的启停，压力的稳定等等都能通过PLC来解决，整个过程可监控，操作简单，稳定可靠，这不正是如今各工业行业所需要的么？因此，自动化的发展已经不可避免，自动供水的应用就是一个很好的例子。本次论文设计针对兴澄特钢动力站空压站空分机组部分的自动供水设计，此设计是基于PLC的一套供水系统。此系统主要有压力变送器、西门子S7-300的PLC、水泵机组、智能阀门以及低压电器组成。根据系统设计的要求，系统的主要设计任务是利用西门子PLC对一台或多台水泵进行循环控制，实现总水管水压的恒定和水泵电机的启动，如当两台水泵开启供水时，总水管水压偏低于设定水压值，WINCC画面会进行水压低报警，同时PLC会发出指令，自动启动一台备用水泵，以达到稳定总水管水压的目的。该系统不仅使空压站供水系统总水管压力稳定得到了有效的保证，而且是全自动控制，操作简单，节能效果显著。本次设计主要内容如下： 第一部分绪论，我通过去图书馆查看有关自动供水的书籍，以及利用网络上的各种关于自动供水的介绍与发展，将各类书籍资料与我自己查完资料后的理解，对此次自动供水设计研究背景进行了简单的叙述，简单的说明自动供水在如今的重要性。并对自动供水以往的供水方式的发展，如今在我国自动供水系统的应用与发展情况，未来自动供水的发展趋势进行了简单介绍。 第二部分阐述了本次自动供水系统的设计要求与主题思想，另外还介绍了本次设计系统的运行原理。通过去兴澄特钢动力站做此次毕业设计大概一个多月，我了解了此次自动供水系统的总体工艺流程，也对其进行了研究并与那边的工作人员进行探讨总结，才得出了本次自动供水系统的总体设计思想与原理。 第三、四部分是本次系统设计的重点内容，分别从硬件方面的选型、电气图原理、主要设计内容以及软件部分的程序设计、人机界面设计等来对本次供水系统进行了详细说明。其中硬件的选型和电气图原理是我在工厂的时候与工作人员探讨才得以写出。然后对STEP7的程序以及WINCC的组态人机界面进行学习并初步掌握之后发现，有一些部分的程序等等是我所不需要的，经过与工作人员的讨论，对程序以及组态画面进行了一些改进。此次的兴澄特钢自动供水系统设计中，虽然我已了解整个设计的原理、程序、组态等相关知识，并且对这个设计进行了一些改进，但是人无完人，我还是有很多做的不好的地方，就比方说，原本这次设计中我还加入了进口阀的电气图等等，但是进口阀实际情况与我想的并非一样，实际的进口阀用的是更为先进的阀门，本身就具有继电器，操作更为方便，接线也更简单，但是奈何我搞不清其中的原理，所以最后我还是不得不在本次设计中放弃了进口阀的设计。除此之外，还有水泵的电流检测等等我也并未了解太多。因此，本次设计做下来，我发现还有许多的问题等待我去探索，我会进一步努力充实自己，提高技能。 参考文献参考文献1 宋晗.基于PLC的变频恒压供水系统的研究与设计D.山东:山东大学，2014.2 叶德武.PLC变频恒压供水技术在水厂的应用J.中国新技术新产品，2012(20). 3 刘立华，郭忠杰.水厂供水系统的自动化控制分析J.城市建设理论研究：电子版，2016(6).4 皮朗.水厂自动化供水系统的优化设计D.江苏:电子科技大学，2014.5 乔立强.论水厂PLC变频恒压供水技术的应用J.城市建设理论研究：电子版，2016，(12).6 张海波.微机控制自动变频恒压供水技术之我见J.大观周刊，2012(36).7 赵华军，钟波.基于PLC和变频器控制的恒压供水系统设计J.自动化与信息工程， 2006，27(3).8 宋蕾.探讨无负压供水技术在市政给水管网设计中的应用J.科技致富向导，2012(19).9 史晶，宋云艳.基于PLC的恒压供水系统硬件设计J.科技创新导报， 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