1、沈阳理工大学学士学位论文 I 摘 要 恒压供水系统设计内容包含了硬件接线图的设计、可编程控制器 S7-300 的程序编写和 WinCC 与 S7-300 的通讯等。 S7-300 程序完成了模拟量处理等功能，即把传感器输入的 4-20mA 的模拟信号转换成 0-27648，再根据量程转换到实际工程中水位的实际量程值，系统实现了水箱水位的高低来控制水箱进水阀的开关以及水泵开关状态的控制。系统还实现了两个水泵定时交替运行，运行时间可以更改。 WinCC 编辑完成了系统流程图，报警图的绘画，变量实时曲线的记录以及报表记录功能。在画面中可以实现电机的启动，而且当启动 时电机会有闪烁效果；还可以更改系统
2、内部参数，比如电压量程，电流量程，水位量程等。水箱水位，管道压力，泵电压，泵电流等关键值会显示在工艺流程画面中；水位增加时，画面能直接显示水位的变动。以上这些功能使操作人员能更加直观的观察到系统的工作状态，便于操作管理。 关键词 ： 恒压供水；可编程控制器； WINCC； S7_300 沈阳理工大学学士学位论文 II Abstract This design is targeted by PLC on constant pressure water supply system design, design content includes the wiring diagram of the h
3、ardware modifications, S7-300 programming, WinCC and S7-300 communication. S7-300 program completed the analog processing and other functions, namely the sensor input4-20mA analog signal is converted into0-27648, then according to the range conversion to the actual project level actual range values,
4、 system realizes the water tank water level control of water tank inlet valve switch and a water pump switch state control. The system also achieved a two pump timing alternating operation, operation time can change. WinCC editing completed the system flow chart, alarm figure painting, variable real
5、-time curve record and report function. In the picture can achieve the motor starting, and when activated motor will have a flashing effect; can also change the system internal parameters, such as voltage range, the range of current water level range, etc. The water level of the water tank, pipeline
6、 pressure, pump pump voltage, current and other key values are shown in the process of the picture; water levels increase, the picture can directly display the water level change. These functions enable the operator to more intuitive to observe the working state of a system, convenient for operation
7、 and management. Keywords: constant pressure water supply; Programmable controller; WINCC; S7_300 沈阳理工大学学士学位论文 III 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 1 1.3 可编程控制器 的优点 . 3 1.4 恒压供水系统 . 4 1.4.1 恒压供水系统介绍 . 4 1.4.2 系统的优点 . 4 1.4.3 恒压供水使 用的领域 . 5 2 系统开发工具 . 6 2.1 AutoCAD 软件简介 . 6 2.2 STEP
8、7 编程软件的介绍 . 7 2.3 WinCC 软件的介绍 . 9 2.3.1 简介 . 9 2.3.2 性能特点 . 10 3 恒压供水系统 PLC 控制系统的编程设计 . 12 3.1 硬件配置 . 12 3.1.1 系统主电路图和控制电路图 . 12 3.1.2 S7-300 CPU 314 简介 . 14 3.1.3 PLC 机型的选择 . 14 3.1.4 恒压供水系统的 PLC 硬件组态 . 14 3.2 恒压供水系统的 PLC 程序编译 . 16 3.2.1 恒压供水系统的 PLC 符号表编辑 . 16 3.2.2 蒸汽 锅炉自动控制 PLC 程序的编译 . 17 4 恒压供水系
9、统 PLC 控制系统的 WinCC 程序设计 . 22 4.1 建立项目 . 22 4.1.1 启动 WinCC . 22 沈阳理工大学学士学位论文 IV 4.1.2 建立一个新项目 . 22 4.2 组态项目 . 23 4.2.1 组态系统 . 23 4.2.2 创建过程画面 . 28 4.2.3 指定 WinCC 运行系统的属性 . 32 4.3 过程值归档 . 33 4.3.1 过程值归档简介 . 33 4.3.2 组态过程值归档 . 35 4.3.3 实时曲线 . 38 4.3.4 实时报表 . 41 4.4 报警界面的设计 . 45 5 WinCC 与 S7-300 之间的通讯 .
10、50 5.1 WinCC 与 PLC 之间的通讯结构 . 50 5.2 建立 WinCC 与 PLC 通讯的步骤 . 51 5.3 WinCC 与 S7-300 通讯的实现 . 51 5.3.1 WinCC 与 S7-300 通讯协议的选择 . 51 5.3.2 变量的编辑 . 51 5.3.3 WinCC 与 S7-300 的变量连接 . 53 结论 . 55 致谢 . 56 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附录 A 英文 原文 . 58 附录 B 汉语翻译 . 66 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环
11、供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象 ;而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启 /停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命 ;后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证 供水质的安全与可靠性。而恒压供水系统的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲
12、击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。 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，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。 而且恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的 优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。 所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和 社会意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 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
13、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、压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。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沈阳理工大学学士学位论文 2 重视
14、并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本 SAMC公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”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 7台电机 (泵 )的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，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。 目前国内有
15、不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器 (PLC)及相应的软件予以实现 ;有的采用单片机 及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团 (森兰变频器 )也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接 PLC和 PID调节器，可完成最多 4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方
16、便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。 变频供水系统目前正在向集成化、维护 操作简单化方向发展 ,在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了 PLC 或 PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合 PLC 或 PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。目前在国内外变频调速恒压供水控
17、制系统的研究设计中，对于能适 应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性 (EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践 1。 沈阳理工大学学士学位论文 3 1.3 可编程控制器的优点 PLC 用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。 1、 功能更强大：除了能做普通逻辑处理外，还具有浮点运算、定时、计数、模拟量控制等功能。现在市场上一些功能强大的 PLC 已经能完成除以上常规外，还能做复杂运算，比如多 维数据运算，矩阵相乘
18、，向量运算等； 2、 响应时间更短：继电器控制是通过触点与触点间的机械动作来完成逻辑控制，而 PLC 集成电子逻辑，响应速度和控制精度是传统继电器无法比拟的； 3、 故障点更少：继电器控制通过机械式接触会因为触头的损坏或者老化等原因，寿命普遍抗不过 PLC， PLC 早已是工业界公认的无故障控制器； 4、 通讯功能更强大：现在的工业环境，早已不是单纯的单机控制，或者一条生产线的控制，而多涉及多机群控，和大型的流程自动化控制，这对于控制器本身的通讯要求极高，继电器根本不可能做的到，而如今的 PLC 不仅能完成 与现场工作仪表、电气传动等执行层的通讯，也能 PLC 于 PLC 之间通讯，更能做到
19、PLC 与上位计算机，中央控制室的以太网通讯，组成一个庞大而复杂的控制网络 2； 5、 控制对象更多：如今不管是单机设备，还是工厂控制，远不是简单的逻辑执行就能完成，比如许多设备实际上除了单纯的数字量输入输出外、还有更多 4-20ma/0-10V模拟量输入输出的处理，其下位执行层更有变频、伺服系统等传动、甚至还有液压系统等等，而这些，客户当然希望只需要一个控制器来完成，即 “通用的控制 ”概念，那么 PLC就能做到。不过值得一提的是：针对液压 控制，现主流方式还是用专用的液压控制器来完成，比如力士乐、阿托斯等，但在新兴的 PLC 市场上，已有好几个品牌的 PLC 能完成这个功能； 6、 维护更
20、方便：如果用继电器组成一个较复杂的控制网络的话，一旦出现系统故障，将只能逐个排除故障，而 PLC 故障的话，一般能自动诊断到故障点产生报警，系统内能方便快捷的查看故障地方，故障原因等 。 沈阳理工大学学士学位论文 4 1.4 恒压供水系统 1.4.1 恒压供水系统介绍 供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致 部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的
21、要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： 1、维持水压恒定 2、控制系统可手动 /自动运行 3、多台泵自动切换运行 4、系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒 5、在线调 整 PID 参数 6、泵组及线路保护检测报警，信号显示等 将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。 1.4.2 系统的优点 变频恒压供水系
22、统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势： 1、 恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失 的效能。 2、 由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。 沈阳理工大学学士学位论文 5 3、 水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。 4、 实现恒压自动控制，不需
23、要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力 3。 1.4.3 恒压供水使用的领域 1、 自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。 2、 工业企业生活 、生产供水系统及工厂其它需恒压控制领域（如空压机系统的恒压供气、恒压供风）。各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环供水系统。 3、 污水泵站、污水处理及污水提升系统。 4、 农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。 5、 宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。 沈阳理工大学学士学位论文 6 2 系统开发工具 2.1 AutoCAD 软件简介 AutoCAD是由美国 Autodesk 欧特克公司于二十世纪八十年代
24、初为微机上应用 CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 AutoCAD 具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率 3。 AutoCAD 具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由 320200 到 20481024 的各种图形显示设备 40 多种，以及数字仪和鼠标器 30 多种，绘图仪和打印机数十种，这就为 AutoCAD 的普及创造了条件。 1、 Au
25、toCAD 软件的特点 AutoCAD 软件具有如下特点： (1) 具有完善的图形绘制功能。 (2) 有强大的图形编辑功能。 (3) 可以采用多种方式进行二次开发或用户定制。 (4) 可以进行多种图形格式的转换，具有较强的数据交换能力。 (5) 支持多种硬件设备。 (6) 支持多种操作平台 。 (7) 具有通用性、易用性，适用于各类用户此外，从 AutoCAD2000 开始，该系统又增添了许多强大的功能，如 AutoCAD 设计中心（ ADC）、多文档设计环境（ MDE）、 Internet驱动、新的对象捕捉功能、 增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD 系统更加完善 4。 2、 AutoCAD 软件的基本功能 (1) 平面绘图 ： 能以多种方式创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。 (2) CAD 基本功能 ： 绘图辅助工具。 AutoCAD 提供了正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等绘图辅助工具。正交功能使用户可以很方便地绘制水平、竖直直线，对象捕捉可 帮助拾取几何对象上的特殊点，而追踪功能使画斜线及沿不同方向定位点变得更加容
