基于PLC的水储罐恒压系统设计.docx

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基于PLC的水储罐恒压系统设计

设计任务书

题　目

基于PLC的水储罐恒压系统设计

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

承担指导任务单位

电气工程系

导师

姓名

导师

职称

一、主要内容

水储罐保持恒定水压的PLC控制。

二、基本要求

1．保持恒定水压，水以变化的速率不断从水储罐取出。

2．变速泵用于保持充足水压的速率添加水到水储罐。

三、主要技术指标（或研究方法）

1．系统设定值等于水储罐达到充满75%水位的设置。

2．过程变量由浮点型测量器提供，它提供水储罐充满程度的相同读数，可以从0到100%变化，泵速的值为输出值，允许泵从最大速度的0到100%运行。

四、应收集的资料及参考文献

五、进度计划

1-3周课题调研、收集、学习参考资料，查阅外文资料

4-5周制定毕业设计方案，作开题报告

6－9周完成电路设计，编写程序，中期答辩

10－11周系统调试，撰写论文

12-13周设计整体系统。

14－15周整理并撰写毕业设计论文，提交论文给指导老师

16周答辩

教研室主任签字

时　间

　　年　月日

毕业设计开题报告

题　目

基于PLC的水储罐恒压控制系统设计

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

一、本课题的研究背景

随着国民经济的飞速发展,水储罐被广泛应用于石油化工,锅炉制造等行业,它的普遍特点是常用于高温,高压等恶劣工况下,因此对水储罐的质量提出了更高的要求。

于是,压力试验成为水储罐生产过程中必需的质量检测环节,对水储罐质量检验起着重要作用。

水压控制正是为检验水储罐的耐压能力而设计制造的.水压实验机是一种利用油水平衡控制对水储罐进行静水压试验的机器.它一方面检查水储罐是否有渗漏现象,另一方面可以消除水储罐在成型过程中产生的残余内应力。

将水储罐充满高压水后在一定压力范围内对其进行保压,保证规定时间内水储罐全长范围内均无泄漏,它是一个多方面为一体的复杂系统,是集机械、电气、液压、传感和自动控制为一体的复杂的机、电、液一体化设备。

水储罐恒压控制系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时可达到良好的节能性，提高供水效率。

所以研究设计基于PLC的水储罐恒压控制系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

二、国内外研究现状

随着高级水储罐市场的扩大,对高压水储罐水压控制的需求也日益增大。

以前,我国油套管,输送管主要生产企业使用的高压水压控制主要依赖进口,直到1999年西安重型机械研究所设计研发出第一套高压水储罐水压控制才改变了这种局面。

在不到10年的时间里,西安重型机械研究所根据用户需求,开发设计了十多套不同规格,不同试验压力的高压水储罐水压控制。

由于国产高压水储罐水压控制的起步较晚,其发展过程中尚存在一些问题。

目前国内外水储罐水压控制有很多种,但原理基本相似,国内的水压控制在部分规格和某些部分的工艺上不如国外的恒压。

国内外水压控制的研究主要集中在原理与结构探讨,设备改造,组态系统设计,控制系统和对水压控制的整体运行状态进行故障诊断以及预报潜在故障等方面,都取得了很大的进展。

近年来,我国新开发了多种水压控制,不仅满足国际标准的新要求,而且价格低,很受用户欢迎.

三、研究方案

水储罐恒压系统设计是一种利用PLC和变频器对水储罐进行恒压控制的装置。

它主要有以下几部分组成:

水储罐、PLC﹑变频器、模拟输入模块、模拟输出模块和水位计。

水储罐负责储水,水泵负责往水储罐中注水，并且水压足够大,水位计负责监测水位的高低，模拟量输入模块和模拟量输出模块配合PLC和变频器对水储罐水位进行调节，组合起来的整个系统可以有效的进行工作。

水压控制的拟研制控制系统由硬件系统,软件系统组成。

此设计系统以以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。

系统时刻跟踪水储罐的水压与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，实现闭环自动调整恒压供水。

四、预期达到的结果

本系统以一个水储罐作为被控对象，研究基于PLC的恒压供水系统的设计，使系统获得较好的性能指标。

设计水储罐恒压供水控制系统的硬件电路，并画出详细的原理图；掌握PLC的编程及应用，画出PLC控制功能图，梯形图。

掌握变频器的工作原理和使用方法，研究恒压变频供水的控制方法，拟定变频器的各项参数，实现对系统的高性能控制；进行程序的模拟调试，并观察运行结果，实现要求的现象。

指导教师签字

时间

　　年　月日

摘　要

基于PLC水储罐恒压系统设计以西门子S7-200系列PLC作为控制器，采用模拟量输入模块和模拟量输出模块。

利用PID控制指令，配合变频器和电机，同时用水位计来测试水储罐的压力，使水储罐保持恒定的水压，构成闭环调速系统。

本文所研究的是水压控制的PLC控制部分，有非常重要的意义。

水储罐恒压供水系统是非常高效的。

本系统的方案是用智能PID调节器实现水储罐水压的PID调节。

PLC控制单元则是水泵管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据水储罐水位的实际变化，自动调整输出模拟量，进而控制变频器。

变频恒压供水控制系统通过监测水储罐的压力，经PLC内置PID调节器运算后,通过模拟输出端传送到变频器，调节输出频率进而调节水泵变速入水，实现水储罐的恒压供水。

从最终结果来看，本次设计成功把自动控制、水储罐、PID控制结合起来，综合实现了水储罐恒压供水，使其在实际运用中响应迅速，实现自动控制的效果，达到预期要求。

关键词:

水压控制系统PLC水储罐

Abstract

PLC-basedwaterstoragetankconstantpressuresystemdesignedtoSiemensS7-200seriesPLCasacontroller,analoginputmodulesandanalogoutputmodule.UsingPIDcontrolinstructions,withtheinverterandthemotor,whilethewaterlevelgaugetotestthepressureofthewaterstoragetank,thewaterstoragetanktomaintainaconstantwaterpressure,closedloopspeedcontrolsystem.Itisanthecomplexmultifacetedintegrallysystem.StudiedinthispaperispartofthehydraulicpressurecontrolPLCcontrol.

WatertankWaterSupplySystemforitswater-saving,highefficiency,adaptability,etc.arewidelyusedinthefieldofindustrialproduction.IntelligentPIDcontrollerinthesystemwatertankwaterpressurePIDregulator.PLCcontrolunitisthepumpmanagetheimplementationofequipment,orinverterdrivecontrol,automaticallyadjusttheoutputbasedonactualchangesinwaterlevelofthewatertank,analog,andthencontrolthedrive.Constantpressurewatersupplycontrolsystembymonitoringthepressureofthewaterstoragetank,built-inPIDcontrolleroperationbyPLC,transmittedthroughtheanalogoutputstotheinverter,adjusttheoutputfrequencyandthenadjustthepumpvariablespeedintothewater,thewatertankpressurewatersupply.

Fromthefinalresults,thedesignsuccessfullycombineautomaticcontrol,waterstoragetanks,PIDcontrol,integratedwatertankpressurewatersupply,makingitquickresponseinthepracticalapplication,theeffectofautomaticcontrol,toachievethedesiredrequirements.

Keywords:

ControlsystemforhydrostatictestingmachinePLCWatertank

目　录

第1章　绪　论

1.１　课题研究的目的意义

水储罐恒压控制系统设计在我们的日常生活中应用非常普遍，为了达到节水和提高供水效率等目的，此设计则非常重要。

用PLC控制该系统则可以达到节省人工、方便实用的目的。

水储罐恒压控制系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时可达到良好的节能性，提高供水效率。

所以研究设计基于PLC的水储罐恒压控制系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义[1]。

随着国民经济的飞速发展,水储罐被广泛应用于石油化工,锅炉制造等行业,它的普遍特点是常用于高温,高压等恶劣工况下,因此对水储罐的质量提出了更高的要求。

于是,压力试验成为水储罐生产过程中必需的质量检测环节,对水储罐质量检验起着重要作用。

水压控制正是为检验水储罐的耐压能力而设计制造的.水压实验机是一种利用油水平衡控制对水储罐进行静水压试验的机器。

它一方面检查水储罐是否有渗漏现象,另一方面可以消除水储罐在成型过程中产生的残余内应力。

将水储罐充满高压水后在一定压力范围内对其进行保压,保证规定时间内水储罐全长范围内均无泄漏,它是一个多方面为一体的复杂系统,是集机械、电气、液压、传感和自动控制为一体的复杂的机、电、液一体化设备。

水储罐用于恒压供水有非常重要的意义，通过PLC控制水泵流速，使水储罐保持一定的液位。

既减少了人为操作带来的麻烦，又有效的避免了水的浪费。

水压控制是水储罐生产线上必不可少的设备,因而水压控制的工作效率直接影响到产品的生产率,因此提高水压控制的生产率,对提高设备的检验能力及产品质量具有重要意义,很好的研究水压控制的系统更有利于逐步改进提高现有设备的控制系统,提高设备的自动化水平,进而提高生产力水平,创造更多的经济效益。

利用PLC智能控制水储罐中水的流速既可以减少传统的人工控制时人工操作带来的不便和准确性，又可以节水避免水资源浪费。

以变频器为核心结合PLC组成的水储罐恒压控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，水储罐恒压系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。

采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

近年来，有关液位控制的形式及方法越来越多，技术性能也越发先进，自动化程度也有较大地提高。

但就以各类型水罐、水池的液位控制来说，许多项目没有达到自动化的程度，有的在设计上虽然设置有较为精密仪表和其它电气设备，但是没有达到充分的开发和合理的配置，自动化程序较低，有许多电气及仪表装置，在系统中只起到了液位显示及报警功能，其液位控制全凭生产运行人员根据系统工艺流程，人为地手动或电动操作水罐或水池的进出口阀门来实现液位控制，使其液位保持在正常的生产状态范围内。

由于受各工艺流程生产系统中的影响，液位的变化和稳定性也受到较大影响，为此生产运行人员在工作中要时时监测液位的变化，而不得有半点疏忽，这样就较大地增加了生产运行人员的劳动强度。

九十年代，计算机已渗透到工业、农业、国防、科研等部门及民用生活的各个方面，而工业生产过程计算机控制则是计算机技术应用的一个重要而有发展远景的领域。

信息时代的今天，工控界正进行着一场新的革命，各种新型控制设备不断出现，产品的性能和可靠性不断提高，价格进一步下降。

因此PLC也受到越来越多的工程技术人员的重视，正在向着产业化方向发展。

1.2　国内外研究现状和发展趋势

随着高级水储罐市场的扩大,对高压水储罐水压控制的需求也日益增大。

以前,我国油套管,输送管主要生产企业使用的高压水压控制主要依赖进口,直到1999年西安重型机械研究所设计研发出第一套高压水储罐水压控制才改变了这种局面。

在不到10年的时间里,西安重型机械研究所根据用户需求,开发设计了十多套不同规格,不同试验压力的高压水储罐水压控制。

由于国产高压水储罐水压控制的起步较晚,其发展过程中尚存以下亟待解决的问题:

（1）制管生产线生产率的提高对高压水储罐水压控制提出了挑战。

目前,单头高压水储罐水压控制的试压最高频次是90根/小时,而前道工序的生产率有时会更高,因此,开发高试压频次的高压水储罐水压控制是今后的一个目标。

（2）开发新型的排气端卡头移动机构以满足水储罐长度变化时的试压需要。

目前水压控制排气端卡头移动用丝杠螺母机构,虽然定位准确,刚性好,但螺母磨损较严重,可以考虑用液压伺服机构来解决这一问题。

（3）开发新型的大口径水储罐密封结构。

随着制管生产技术的提高,水储罐外径不断增大,需要试压的管径也相应增大,现在采用的径向预压紧组合密封是靠水储罐外径密封的,水储罐外径如果太大,此结构就太笨重,不利于更换卡头,寻找一种新的密封方式是需要解决的问题。

目前国内外水储罐水压控制有很多种,但原理基本相似,国内的水压控制在部分规格和某些部分的工艺上不如国外的恒压,例如目前我国无缝管轧制的规格仅到508mm,且较大规格（大于630mm）密封圈的制作工艺不过关,因此,我国还没有直径大于630mm,采用径向密封的无缝水储罐水压控制。

近二十年来,国外恒压发展很快,技术先进,但系统复杂,制造和运行成本很高。

为了适应产品高质量、高效率、降低能耗、减少公害、改善劳动条件,创建锻造文明生产的要求,在70年代中期,不少恒压己经实现通过计算机,一人对压机与操作机进行联动控制。

20世纪70年代以后,由于高性能大流量油泵及其液压元器件、PLC、触摸屏、工控机和各种先进的测控元件等进入工业领域,恒压得到了长足进步。

从80年代初到现在其控制水平又有提高,压机机组自编程已完全进入工业性实用阶段,并且开始实现水储罐检测流程的网络管理及自动控制。

国内外水压控制的研究主要集中在原理与结构探讨,设备改造,组态系统设计,控制系统和对水压控制的整体运行状态进行故障诊断以及预报潜在故障等方面,都取得了很大的进展。

例如采用丝堵和胶塞密封的石油油套管水压控制,由于其密封压力低,密封件使用寿命短,效率低,损伤螺纹等原因,已不能满足API标准的新要求。

以前进口的水压控制,因试验压力低,使用受到限制。

近年来,新开发了多种水压控制,不仅满足API标准的新要求,而且价格低,很受用户欢迎。

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。

在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。

应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。

从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。

1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器（丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一）后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”和“变频泵循坏方式”两种模式。

它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机（泵）的供水系统。

这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。

随着现代技术的发展，水储罐恒压系统会变得越来越人性化，越来越科学，经过一步一步的改善，此系统会更好的应用到生产生活实践中，未来必定会带来更大的社会效应和经济效应

1.3　论文研究内容

水储罐恒压系统设计是一种利用PLC和变频器对水储罐进行恒压控制的装置。

它主要有以下几部分组成：

水储罐、PLC、变频器、模拟输入模块、模拟输出模块和水位计。

水储罐负责储水,水泵负责往水储罐中注水，并且水压足够大,水位计负责监测水位的高低，模拟量输入模块和模拟量输出模块配合PLC和变频器对水储罐水位进行调节，组合起来的整个系统可以有效的进行工作。

水压控制的拟研制控制系统由硬件系统,软件系统组成。

此设计系统以以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。

系统时刻跟踪水储罐的水压与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，实现闭环自动调整恒压供水。

第2章水储罐恒压系统的要求及设计方案

2.1　设计要求

（1）保持恒定水压，水以变化的速率不断从水储罐取出。

（2）变速泵用于保持充足水压的速率添加水到水储罐。

（3）系统设定值等于水储罐达到充满75%水位的设置。

（4）过程变量由浮点型测量器提供，它提供水储罐充满程度的相同读数，可以从0到100%变化，泵速的值为输出值，允许泵从最大速度的0到100%运行。

2.2　设计方案

本系统原理图如下。

—

+

—

+

图2-1系统原理框图

由于该设计的目的是保持水储罐水位不变，而从水储罐流出的水又是变化的速率，因此就要控制其入水的速率，即控制变速泵的速度。

因此要用PLC来自动调节变速泵的泵速。

该系统主要由水储罐、水位计、PLC、变频器和水泵等组成。

系统主要的设计任务是使水储罐水位保持在75%的位置。

系统开机后手动控制水泵往水储罐中加水，当水位上升到满水位的75%时，系统转换到PID自动调节。

水储罐的水位由水位检测计提供，经过A/D转换后送入PLC。

控制信号由PLC执行PID指令以后，以单极性信号经D/A转换后送出，从而驱动变频器控制水泵电动机调速，以维持水储罐的水位不变。

水储罐恒压系统设计是一种利用PLC和变频器对水储罐进行恒压控制的装置。

水储罐负责储水,水泵负责往水储罐中注水，并且水压足够大,水位计负责监测水位的高低，模拟量输入模块和模拟量输出模块配合PLC和变频器对水储罐水位进行调节，组合起来的整个系统可以有效的进行工作。

水压控制的拟研制控制系统由硬件系统,软件系统组成。

此设计系统以以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。

系统时刻跟踪水储罐的水压与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，实现闭环自动调整恒压供水。

第3章水储罐恒压系统的硬件设计

3.1　PLC选型

PLC即可编程序控制器，是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

它具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等许多优势，目前随着计算机通讯技术和大规模集成电路技术的发展，PLC技术的应用变得越来越广泛，同时在技术和功能上也变得越来越先进。

目前国内使用的PLC种类很多，主要有德国西门子、日本三菱、欧姆龙等厂商的产品。

按PLC的控制规模分类，PLC可分为小型机、中型机、大型机[2]。

通常小型机的控制点数小于256点，用户程序存储器的容量小于8K字。

小型机通常用于单机控制和小型控制场合。

西门子公司的S7-200就属于小型机。

S7-200以其相对较低的成本使得他在激烈的小型PLC市场中具有非常大的竞争优势。

本设计比较属于小型控制，因此我选择的西门子S7-200PLC。

3.2　S7-200PLC工作原理

S7-200采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:

输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。

输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。

在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。

执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。

在扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。

即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。

CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。

如果发现异常，则停机并显示出错。

若自诊断正常，继续向下扫描。

写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。

扫描周期执行的任务依赖于CPU的工作模式，S7-200CPU有两种操作模式：

STOP模式和RUN模式。

对于扫描周期，STOP模式和RUN模式的主要差别是在RUN模式下运行用户程序，而在STOP模式下不运行用户程序[3]。

3.3　I/O分配

表3-1I/O分配表

输入

I0.0

I0.1

自动转换开关

变频器接入电源开关

AIW0

模拟量输入

AIW2

模拟量输入

输出

AQW0

模拟量输出

Q0.0

变频器

3.4　模拟量模块

工业设计中，有时需要用模拟量信号来进行