TP177B在变频恒压供水监控系统中的应用.docx
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TP177B在变频恒压供水监控系统中的应用
TP177B在变频恒压供水监控系统中的应用
摘 要
本次设计通过TP177B触摸屏监控PLC和变频器实现的变频恒压供水系统。
本文介绍了变频恒压供水的基本原理和监控界面的设计以及系统的硬件和软件基础，该系统可根据管网压力变化反馈给PLC通过程序运算得到的控制量用于驱使变频器改变频率输出，调节水泵的转速，使出水管网出口端稳恒在给定的压力值，满足用户的用水需求，同时在触摸屏上显示整个系统的运行过程和状态。
经实验调试，基本实现了系统运行稳定，操作简便，实现了供水安全、快捷、可靠，保证了整个系统的运行状况能够得到有效的监测和控制，对实际生活用水和工业用水具有一定的使用价值。
关键字:
触摸屏；PLC；恒压供水
TP177Bapplicationinvariablefrequencyconstantpressurewatersupplycontrolsystem
ABSTRACT
ThisdesignthroughtheTP177BtouchscreenmonitorPLCandinverterfrequencyconver-sionconstantpressurewatersupplysystem.Thispaperintroducesthefrequencyofconstantpressurewatersupplybasicprincipleanddesignoftheinterfaceandmonitoringthehardwareandsoftwaresystemfoundation,thesystemcanaccordingtothepipepressurechangefeedbacktoPLCoperationprogram,driveinverterchangefrequencyoutput,adjustthespeedofthewaterpump,andthewaterpipenetworkoutlettoremaininagivensetpressurevalue,andmeettheuser'sflowdemand,atthesametimeofthewholesystemoperationprocessandstateinthetouchscreenthatget,sothattheentiresystemalwaysmaintainhighefficiencyandenergysim-savingbest.Aftertheexperimentaldebugging,realizethebasicoperationofthesystemstability,pleoperation,andrealizethewatersupplysecurity,fast,reliable,andtoensuretheoperationstatusofthewholesystemcangeteffectivemonitoringandcontrol,totheactuallifeinthewaterandindustrialwaterhaveverygoodusevalueandmeaning.
Keywords:
touchscreen；PLC；Constantpressurewatersupply
目 录
1 概述1
1.1 课题的背景及意义1
1.2 国内外发展现状1
1.3 主要内容及研究目标2
1.4 实验条件3
2 监控系统硬件结构介绍5
2.1 TP177B触摸屏5
2.2 MM440变频器6
2.3 PLC可编程逻辑控制器7
2.4 压力传感器8
3 系统软件环境介绍9
3.1 西门子s7-300编程软件STEP79
3.2 组态软件winccflexible10
3.3 PID控制及其算法11
3.4 MM440变频器的参数设置11
4 恒压供水监控系统的实现14
4.1 硬件组态设计14
4.2 控制程序开发15
4.3 监控界面的开发20
4.4 联机调试控制系统的实现23
总结27
参考文献28
致谢29
附录30
1 概述
1.1 课题的背景及意义
随着多媒体信息查询设备的与日俱增，人们越来越多的谈论到触摸屏，因其具有坚固耐用，反应速度快，节省空间，易于交流等优点。
越来越受到人们的喜爱与关注。
利用这种技术，我们只需要用手指轻轻地碰触计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作的控制，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备[1][2]。
触摸屏在20世纪70年代就已经问世了，它由美国人Samhurt在1971年发明出了这项技术。
由于当时各种技术原因，70年代后触摸屏技术发展比较缓慢。
其反应速度、可靠性、使用寿命、对恶劣环境的适应性等方面都不尽如意。
现在随着技术的发展这种情况已经得到了很大的改善，也正是由于改进技术的支持使得触摸屏的应用掀起了一股新浪潮。
触摸屏产品的研究和开发始于60年代的美国，而该技术的成熟和壮大主要应归功与日本的业者开发出适合量产化的触摸屏生产工艺，控制了全球80%以上的触摸屏生产能力，直到90年代，韩国和台湾的厂商先后在触摸屏的工艺攻关上有所突破，开始在触摸屏市场上有了一席之地，但他们的量产能力和技术水准和日本有较大的差距[3][10]。
随着国家的经济建设和人们的生活水平的逐步提高，高层建筑的楼层不断增高，城区的面积不断扩大，城市供水管线不断延伸，城市供水是系统面临着越来越大的压力，由于水压不足，严重影响了上述用户的正常工作和生活。
为了保障高层建筑和供水管线终端用户能正常用水[4]~[7]，触摸屏在恒压供水上的应用也更具有了实际价值，所以基于触摸屏的变频恒压供水监控系统的设计和开发也更有意义。
1.2 国内外发展现状
我国本地触摸屏制造业起步较之日本、韩国和台湾地区，显得偏晚。
最初的一些制造商主要分布在珠江三角地区，规模相对不大，所供应产品也大多集中在中，低端领域，他们大多以生产电阻式触摸屏为主，它是因为就消费性市场而言电阻式的复合增长远高于其他技术的增长，因此多家都涌入此领域生产和销售，其制造企业基本上是民营或台系企业。
但因为规模小，技术底蕴不深，生产环境和相关条件较简陋，所以在技术提升和品质管控方面离国际标准有较大差距，而且多数厂家还是集中在生产数字式触摸屏方面，对高端的模拟式触摸屏设计偏少。
由于其产能不大，质量稳定性差，大单吞吐能力不够，影响日本、韩国等同业大厂的代工合作。
这些不利因素终将限制其长远发展[8]。
在国内市场上，一开始触摸屏主要是应用在公共场所的信息查询系统上。
当初只是显示菜单选择的画面，让顾客逐个点按的简单系统，其软件处理速度和触摸屏耐久性等方面都存在的水平较低的问题。
近几年，随着国内触摸屏制造、开发能力的增强，计算机应用能力的提高和显示技术的进步，业界专家开发出了各种合适个性化用途且具备耐久性和可靠性的触摸屏。
现在触摸屏也被应用在现代工厂所使用的机器设备，作为一种操作面板。
除此之外，以POS系统为中心的销售处理系统、便携式信息终端和自动记录仪等方面通过采用触摸屏，其他工作的便利性得到了大大增强。
触摸屏作为一种特殊的计算机外设，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备[9]。
在国外方面。
不少人会抱怨触摸屏虽然方便好用，可手指在冷冰冰的玻璃表面摸来按去，总不如传统键盘的手感好，“力反馈触摸屏”解决的就是这个问题。
美国Immersion触摸反馈技术公司宣布，他们开发的这项技术可以给触摸屏添加震动功能，当手指接触屏幕时将受到一个反作用力的震动，感觉就像是按下了一个真实的按键一样。
触摸屏技术还不断被开发出新的用途，甚至不局限在图形界面领域。
日本电信电话（NTT）公司下属的一个研究所，已经研制成功一种触摸操纵装置，可以依据手指触摸的位置及力道，控制机器人手臂动作。
该装置是把触摸传感器装进一个铝制的圆柱内，就像一个操纵杆，只需用一根手指触摸操纵杆的任一部位，传感器就能分辨出手指移动的距离和压力强度，将其转化为机械手的运动。
要知道，以往的机械手运动，需要操纵者按动多个按钮，还要仔细输入移动轨迹的数据方可执行，并且不能斜向运动。
该研究所未来的研究目标是把操纵杆进一步改进成球形，以实现全方位多角度自由移动[10]。
1.3 主要内容及研究目标
主要内容：
通过对触摸屏进行参数设置，将算法通过编程输入PLC控制器，变频恒压供水系统原理图如图1-1所示。
图1-1 变频恒压供水系统原理图
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PLC控制器，经过运算将运算结果送入变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量使供水系统管网中的压力保持在给定压力上，当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
PLC将信息结果送往触摸屏，通过触摸屏实现变频器的启停，故障报警[11]。
在本系统中，共需要开发五个界面，包括系统运行主界面、液位控制、数据报表、监测过程、报警界面。
为了加强系统的安全性，系统还为不同的用户设置了相应的权限。
通过主菜单界面可以调用不同的界面，也可根据需要在系统运行主界面中改变压力给定值。
系统运行主监控界面实时显示了当前时间，设定的水压值和当前水压值，转速、运行频率，各设备的故障报警显示等[12]。
主监控界面如图1-2所示。
图1-2 主监控界面
研究目标：
通过对触摸屏和PLC进行参数设置，实现触摸屏对变频恒压供水系统的监控。
1.4 实验条件
（1）硬件条件
TP177B触摸屏、变频器MM4400.55KW、水泵机组mp-55RM-380、PLC控制器315-2DP、PC机、压力传感器KL-KP5KPA。
触摸屏设备通过过程总线直接与PLC连接，再将供水设备通过三相线连至总电源，此外，触摸屏设备通过以太网连接至计算机构成的具有集中功能的HMI系统。
（2）软件条件
Winccflexible组态软件、step7工业软件
Winccflexible是基于触摸屏的组态软件，用于组态用户界面以操作和监视机器与设备，提供了对面向解决方案概念的组态任务的支持。
Step7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制器的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。
（3）近似数学模型
由于变频恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。
水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程：
首先是水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程；其次是水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程；然而系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比可忽略不计，均可等效为比例环节。
因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成[14]：
（1-4）
式中：
K为系统的总增益；
T为系统的惯性时间常数；
为系统滞后时间。
2 监控系统硬件结构介绍
2.1 TP177B触摸屏
实验室触摸屏为型号为SIMATICTP177BPN/DPcolor，如图2-1所示。
图2-1 TP177B触摸屏
基于WindowsCE操作系统，为SIMATICS7系列而设计具有处理简单程序的能力。
通用的色彩输入设备，满足PROFIBUSDP或ROFINET各种应用环境。
型号：
5.7英寸STN显示
256色色彩
分辨率320*240
触摸屏屏幕
WindowsCE认证
PROFIBUSDP和PROFINET接口
2MB用户存储器
坚固的塑料外壳
防护等级
前面板IP65，NEMA4x，NEMA12
后面板IP20
使用winccflexible或以上高效组态
前面板尺寸212*156mm（高*宽）
安装开孔尺寸198*142mm（宽*高）
安装深度45mm
突出的特点：
易于使用:
全图形化5.7"SIN蓝色：
4级灰度显示
丰富的图形功能：
位图，量图等
灵活性好：
报警系统的报警级别可任意定义
多达5种语言联机切换，全球通用（包括亚洲和西里尔语言）
使用winccflexible高效组态
2.2 MM440变频器
图2-2 MM440变频器
变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。
如图2-2所示，变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。
本系统中要实现监控，所以变频器还应具有通讯功能。
根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：
普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。
供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。
由于本设计中PLC选择的西门子S7-300型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。
它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。
它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。
快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。
MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。
另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。
2.3 PLC可编程逻辑控制器
西门子PLC如图2-3所示
图2-3 西门子PLC
S7-300由多种模块部件组成，包括导轨（Rack）、电源模块（PS）、CPU模块、接口模块（IM）、输出输入模块（SM）。
各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。
本课题用到的PLC及其扩展模块有：
电源模块（PS3075A）、CPU（315-2DP）、数字量输入模块（DI32xDC24V）、数字量输出模块（AI8x12Bit）、模拟量输出模块（AO2x12Bit）。
PS307；5A电源模块的属性：
输出电流为5A；输出电压为24VDC；短路和断路保护；与单相交流电源连接（额定输入电压120/230VAC，50/60Hz）；安全隔离符合EN60950；可用作负载电源。
电源模块的作用是为其它模块供电，是整个PLC正常运转的基础。
CPU是PLC系统的运算控制核心。
它根据系统程序的要求完成以下任务：
接收并存储用户程序和数据，接收线程输入设备的状态和数据，诊断PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误，完成用户程序规定的运算任务，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制或数据通信等功能。
CPU有四种操作模式：
STOP（停机）、STARTUP（启动）、RUN（运行）和HOLD（保持）。
在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。
1stop模式：
CPU模块通电后自动进入stop模式，在该模式不执行用户程序，可以接收全局数据和检查系统。
2startup模式：
可以用模式选择开关或变成软件启动CPU。
如果模式选择开关在run或run-p位置，通电时自动进入启动模式。
3run模式：
执行用户程序，刷新输入和输出，处理中断和故障信息服务。
4hold模式：
在startup和run模式执行程序时遇到调试用的断点，用户程序的执行被挂起（暂停），定时器被冻结。
CPU315-2DP是具有中到大容量程序存储器和PROFIBUS-DP主/从接口的CPU，它用于包括分布式及集中式I/O的任务中。
CPU315-2DP具有48KB/64KB，内置80/96KB，指令执行速度为300ns/二进制指令，最大可扩张1024/2048点数字量或128/256个模拟量通道。
信息模块（SM）也叫输入/输出模块，是CPU模块与现场输入输出元件和设备连接的桥梁，用户可根据现场输入/输出设备选择各种用途的I/O模块。
S7-300的输入/输出模块外部连线接在插入式的前连接器的段子上，前两节插在前盖后面的凹槽内。
不需断开前连接器上的外部连线，就可以迅速的更换模块。
2.4 压力传感器
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。
它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。
压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。
压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。
也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。
它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
本次设计提供的压力变送器、水箱、水泵组图如图2-4所示，其中压力变送器用于检测出水管网中的水压，压力变送器是将水管中的水压变化转化为4～20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块的输入，经过PLC载入程序的运算，将结果输出给变频器从而改变水泵运转的速率，调节进水量，使水箱内水压保持在设定值。
3 系统软件环境介绍
3.1 西门子s7-300编程软件STEP7
SIMATICS7-300PLCS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。
各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6～0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。
SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。
S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：
超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。
具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。
S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。
编程界面如图3-1所示。
图3-1
在此界面创建项目、建立SIMATIC300站点、组态硬件、编写程序、仿真模拟，保存并编辑无误后将站下载到PLC里进行实物控制。
3.2 组态软件winccflexible
Winccflexible操作界面如图3-2所示。
图3-2 winccflexible操作界面
Winccflexible用于组态用户界面，建立的组态数据包括：
（1）过程画面：
用于显示过程。
（2）变量：
用于运行时在PLC和HMI设备之间传送数据。
（3）报警：
运行中发生故障时显示报警状态。
（4）记录：
用于保存过程值。
Winccflexible工程系统是用于处理组态任务的软件，winccflexible采用模块化设计开发，为各种不同的HMI设备量身定做了不同价格和性能档次的版本：
微型版（winccflexiblemicro）、压缩版（winccflexiblecompact）、标准版（winccflexiblestandard）、高级版（winccflexibleadvanced）。
随着版本的功能得到扩展，可以通过powerpack程序包将软件升级到更高版本中。
在本系统中，共需要开发5个界面，包括系统运行主界面、液位控制、数据报表、监控过程、报警界面。
为了加强系统的安全性。
通过主菜单界面可以调用不同的界面，也可根据需要在系统运行主界面中改变压力给定值。
系统运行主监控界面，主界面实时显示了当前时间，设定的水压值和当前水压值，转速、运行频率，各设备的故障报警显示等。
3.3 PID控制及其算法
本系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如错误！
未找到引用源。
所示，图中u（t）为PID调节器输出的调节量。
图3-3 PID调节原理框图
PID控制器各环节的作用及调节规律如下：
•比例环节：
成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e（t）一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。
•积分环节：
表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。
只要偏差存在，控制就要发生改变，直到系统偏差为零。
积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。
•微分环节：
对偏差信号的变化趋势做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。
3.4 MM440变频器的参数设置
通常一台MM440变频器需要经过如下三个步骤进行调试如图3-4所示：
图3-4 变频器调节步骤
参数复位具体设置如表3-1：
表3-1 变频器参数复位
参数号
设置值
参数设置含义说明
P0003
1
定义访问级为标准级
P0010
30
进入复位准备状态
P0970
1
将参数复位到出厂值
升级会员 