基于plc的油泵控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文(已修改)

　

【正文】 南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）基于PLC的油泵控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文目 錄前言 1 第一章 緒論 2 2 2 3 變頻恒壓供油的實現(xiàn) 3 S7300與MM440間DP通信 4 WINCC監(jiān)控系統(tǒng) 4 壓力傳感器 5 RTU通信協(xié)議 5 第二章 油泵的基本參數(shù)及其工作特性 7 油泵理論及油泵工況點分析 7 流體輸送設(shè)備 7 油泵的工作參數(shù) 7 油泵的基本特性曲線 8 油泵的工況點 9 變頻調(diào)速分析及供油系統(tǒng)的理論模型 9 變頻調(diào)速的原理 9 工況點調(diào)節(jié) 9 節(jié)能分析 10 恒壓供油系統(tǒng)的理論模型 11 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計 12 硬件選型 12 PLC選型 12 變頻器選型 13 S7300與STM32進行點對點通訊模塊選型 13 HMI 14 硬件接線圖 15 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 15 電源電路的設(shè)計 15 數(shù)字量接口設(shè)計 16 模擬量接口設(shè)計 17 CP340接口設(shè)計 17 第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 18 軟件設(shè)計簡介 18 PLC工作方式 18 S7300數(shù)據(jù)類型 18 S7300數(shù)據(jù)高位低位 20 地址重疊問題 21 IW和PIW的區(qū)別 21 功能模塊FB和FC的區(qū)別 21 背景數(shù)據(jù)塊和全局數(shù)據(jù)塊的區(qū)別 22 模擬量輸入及參數(shù)值整定 22 模擬量輸出及參數(shù)值整定 23 自動控制系統(tǒng)的性能要求 23 24 模塊化編程簡介 24 程序結(jié)構(gòu)圖 25 主要程序流程圖 25 關(guān)鍵程序設(shè)計 29 第五章 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 30 PLC與MM440通信測試 30 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通信簡介 30 Step 7硬件組態(tài) 30 報文介紹 31 變頻器參數(shù)設(shè)置 37 報文收發(fā)測試 37 S7300與STM32 Modbus—RTU通信 44 CP340編寫Modbus—RTU通信介紹 44 CP340的Modbus—RTU通信組態(tài) 45 Modbus—RTU的通信幀 46 CP340的Modbus—RTU通信測試 47 WinCC組態(tài)界面分析 50 HMI控制任務(wù) 50 工藝界面 51 手動操作界面 52 報警界面 52 趨勢界面 54 歷史數(shù)據(jù) 54 登錄與退出快捷鍵分配 57 水流動畫腳本介紹 57 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析 59 PID算法的實現(xiàn) 59 PID死區(qū) 59 PID參數(shù)整定 60 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析 61 故障分析 62 調(diào)用程序塊無能流通過 62 變頻器斷電啟動后報A0703伴隨著F0070，復(fù)位后，恢復(fù)正常。 62 WINCC背景變成紅色，連接狀態(tài)顯示為NO 63 LED燈故障診斷 63 壓力傳感器零點問題 64 PID曲線抖動嚴重 64 自吸泵吸不上油的原因 64 第六章 總結(jié) 65 致謝 66 參考文獻 67 附錄：程序 68 3 前言當(dāng)今，變頻調(diào)速已經(jīng)成為可靠，穩(wěn)定且應(yīng)用范圍廣的異步電機的調(diào)速方式，深受廣大用戶的喜愛，其在冶金行業(yè)、電力行業(yè)、機械制造業(yè)等得到了大量的應(yīng)用。本次設(shè)計就是通過變頻器來控制油泵電機，對油泵電機實行無極調(diào)速，依據(jù)用油量及通過PLC檢測、運算，自動改變油泵轉(zhuǎn)速保持油壓恒定以滿足整個系統(tǒng)的供油要求，在當(dāng)前看來，也是一種合理的節(jié)能供油系統(tǒng)。供油泵是生產(chǎn)生活中重要的電力設(shè)備，能耗較大，在實際生活中，由于其長時間全壓工頻的運行方式，造成能源浪費，并加劇泵的磨損。通過引入變頻器，對供油泵控制系統(tǒng)進行設(shè)計改造，利用變頻器本身的軟啟動特性，大大降低了啟動時的供油泵的晃動沖擊，磨損和噪音，提高了供油泵的使用壽命。本次設(shè)計基于S7300 PLC控制器，采用PID控制算法，對系統(tǒng)采用變頻恒壓控制。有效解決了系統(tǒng)供油壓力不穩(wěn)，油量不足的問題。利用變頻特性有效改善了對電機的供油質(zhì)量，提高了功率因素，從而最大限度提高了電機的效率[1]。SIMATIC WinCC是上位機上用的組態(tài)軟件，其特點就是：可以使用VB和C腳本進行編程，其內(nèi)部集成了大量的函數(shù)庫，方便用戶調(diào)用；WinCC數(shù)據(jù)歸檔能力強，用戶可以隨時查詢以前的數(shù)據(jù)；，WinCC這種基于Window平臺監(jiān)控系統(tǒng)，超越了國際上大部分的組態(tài)軟件，憑借其優(yōu)秀的性能和強大的的戰(zhàn)略思想，已經(jīng)成為市場的領(lǐng)導(dǎo)者。本次設(shè)計就是通過WINCC監(jiān)控并操作整個系統(tǒng)，讓整個系統(tǒng)處于安全受控狀態(tài)。系統(tǒng)運行方式設(shè)計為“面板操作”和“HMI操作”，“面板操作”使操作人員操作電器有關(guān)元件實現(xiàn)。系統(tǒng)的HMI采用WinCC組態(tài)設(shè)計的，HMI顯示壓力，系統(tǒng)的工作狀態(tài)，發(fā)生故障時顯示報警信息并提示操作人員哪里發(fā)生了故障及如何處理故障，操作時進行操作提示，可實現(xiàn)人與機器更好的交流。兩種操作方式下又分為“手動”和“自動”兩種方式，在“手動”方式下，操作人員可自由的控制油泵。“自動”為PLC通過壓力的測量值，進行一些復(fù)雜的運算，自動給變頻輸出，實現(xiàn)最佳節(jié)能控制。第一章 緒論工業(yè)自動化技術(shù)，就是通過自動控制裝置自主地對生產(chǎn)過程、工藝參數(shù)、技術(shù)指標、產(chǎn)品要求等進行自動的調(diào)節(jié)與控制，使之達到預(yù)定的技術(shù)指標[2]。自動化的水平高低，將直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、成本等，正因為如此，人們將越來越重視自動化控制技術(shù)，其在先進制造技術(shù)中占有很大分量。而先進制造技術(shù)人才是我國當(dāng)前最緊缺的專業(yè)人才，就業(yè)前景良好。工業(yè)制動化技術(shù)包括電子與電氣設(shè)備、自動化生產(chǎn)線、可編程序控制器、計算機輔助設(shè)計和計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)。全集成自動化（TIA）——樹立行業(yè)新基準。 全集成自動化將所有的設(shè)備和系統(tǒng)都整合到一個自動控制系統(tǒng)的解決方案中，采用這種方法將解決現(xiàn)有系統(tǒng)所遇到的困難，并且優(yōu)化了整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)更為簡潔。 全集成自動化系統(tǒng)構(gòu)架圖近年來，機動車的不斷增加，導(dǎo)致用油量猛增，各處加售油點已經(jīng)成為生活中不可分割的一部分。機動車給我們提供了很多方便，擴大了我們活動范圍，加快了社會節(jié)奏，卻給供油系統(tǒng)增加了更大的壓力。晝夜、季節(jié)、上下班高峰期以及節(jié)假日的不同其用油量也有著較大的變化，在沒有變頻器的情況下，常常會出現(xiàn)油壓的劇烈波動。導(dǎo)致供油不穩(wěn)定，對產(chǎn)品和設(shè)備都會造成很大的傷害。通過引用變頻器和壓力傳感器，使其壓力可調(diào)，將能徹底的解決這個問題。如今，中國作為世界上第二大經(jīng)濟體，其石油進口量將超越美國，成為世界上最大的石油進口國，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，4月份中國石油的每日進口量為740萬桶，而美國的的日進口量則只有720萬桶[2]。當(dāng)然，由于克里米亞問題，美國制裁俄羅斯導(dǎo)致國際油價低迷，不排除我國因此加大石油戰(zhàn)略儲備緣故。但是，中國進口量持續(xù)增加將是必然趨勢。如何高效的利用這些能源以及減少對國外的依賴，解決這個問題的方法，有現(xiàn)如今討論最為激烈的新能源技術(shù)，以及如何產(chǎn)生可再生能源，我認為最為實際的方法便是減少浪費，提高能源利用率。供油泵不僅在加油站是主要設(shè)備，也是汽車變速器的核心設(shè)備，在電廠，機場等也存在大量應(yīng)用供油泵的情況，利用PLC、變頻器和壓力傳感器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)油泵的轉(zhuǎn)速，讓管網(wǎng)的壓力得到了保證，確保了系統(tǒng)的可靠性，供油穩(wěn)定且節(jié)能效果明顯。本文以PLC為控制器對加油站油泵控制系統(tǒng)進行設(shè)計。采用壓力傳感器檢測油管中的油壓，控制器實現(xiàn)對油泵的變頻調(diào)速，來控制加油量。其控制系統(tǒng)由S7300、WinCC、MM440以及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)成,可實現(xiàn)高可靠性、高效率和高精度的控制。主要研究內(nèi)容如下： 變頻恒壓供油的實現(xiàn) PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖在此閉環(huán)系統(tǒng)中，被控量壓力C(t)是連續(xù)變化數(shù)值，而PLC作為數(shù)字控制器不能過直接處理連續(xù)數(shù)據(jù)。因此在實際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量首先被傳感器和變送器轉(zhuǎn)換為模擬信號（一般是4～20mA或0～10V），PLC利用模擬量輸入模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量PVn。另外，控制這些物理量的執(zhí)行器多數(shù)接收的也是模擬量，所以PLC處理過的數(shù)據(jù)M(n)還必須數(shù)/模轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬信號M(t)來驅(qū)動執(zhí)行器的操作，從而達到控制壓力的目的[11]。在實際系統(tǒng)中，模擬量和數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換和PID程序的執(zhí)行都是周期性的操作，其間隔時間成為采樣周期Ts。，各數(shù)字量的的下標表示該變量是第n次采樣計算時的數(shù)字量。其中SPn是給定值，PVn是A/D轉(zhuǎn)換后的反饋值，而誤差信號en=SPnPVn。 S7300與MM440間DP通信西門子S7300PLC對MM440變頻器控制有端子排及ProfibusDP通信控制。由于DP控制具有接線少、抗干擾能力強和控制距離遠的特點，所以工業(yè)現(xiàn)場廣泛采用ProfibusDP控制。在現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送應(yīng)用Profibus—DP總線，主站PLC周期性的讀取從站MM440的輸入信息，并周期性的向從站MM440發(fā)送輸出信息，總線循環(huán)的時間必須要比主站(PLC )程序循環(huán)時間短[3]。本次設(shè)計基于壓力傳感器檢測值輸入PLC模擬量模塊，該模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量——整形數(shù)（027648）。在PLC程序內(nèi)部將該信號轉(zhuǎn)換成實際壓力，經(jīng)FB41運算過后LMN輸出仍為實數(shù)，調(diào)用FC106轉(zhuǎn)換為電機的速度0—16384（P2009=1）來控制電機。 WINCC監(jiān)控系統(tǒng)HMI的用戶群和用戶領(lǐng)域是千變?nèi)f化的，為此，WinCC提供了針對網(wǎng)絡(luò)、冗余、瘦客戶、配方等的選件（Option）來靈活地擴展用戶的應(yīng)用 [4]。1. 下載生產(chǎn)配方文件到PLC2. 組態(tài)連接更多的客戶機3. 通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器監(jiān)控WinCC項目4. 過程診斷5. 支持冗余6. 過程可視化和數(shù)據(jù)分析7. 訪問WinCC報警和歸檔8. 連接數(shù)據(jù)庫和IT系統(tǒng)9. 評估和壓縮過程數(shù)據(jù)10. 管理機器數(shù)據(jù)[3]在嚴酷的工業(yè)環(huán)境中，一旦設(shè)備和系統(tǒng)失效，寶貴的生產(chǎn)時間將被無情的浪費。WinCC提供了了大量快速定位故障的強有力的手段，從而確保停工時間最小化。本次設(shè)計中，充分考慮到這一點，其中確保與PLC正常通訊最為重要，WinCC具有強大的故障診斷能力，本次連接狀態(tài)的靜態(tài)文本顯示OK，表示與PLC連接正常，顯示NO表示連接失敗，在文本中，點擊動態(tài)對話框進行組態(tài)，通過查看實際頻率變量變量狀態(tài)，而得之是否連接成功，在變量狀態(tài)中沒有連接的文本中輸入NO即可，在表達式/公式的結(jié)果一欄中，其它輸入OK，即可通過實際頻率變量與PLC的連接狀態(tài)來查看WinCC與PLC的連接狀態(tài)。操作員還可這樣處理故障：遠程瀏覽運行WinCC的PC，讀取PLC診斷緩存信息，瀏覽應(yīng)用中的PLC程序，查詢幫助手冊。 壓力傳感器壓力傳感器輸出4～20mA的模擬量信號，送到S7300的模擬量輸入模塊，PLC對其進行PID運算，現(xiàn)場調(diào)試過程中在線調(diào)整FB41中參數(shù)比例、微分、積分值，以保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定，確保管路的油壓穩(wěn)定。 RTU通信協(xié)議本次設(shè)計的售油機由8個子系統(tǒng)組成，也就是由8位同學(xué)共同設(shè)計完成，8個部分分別為：SCADA，主控制系統(tǒng)，機泵單元，看板單元，流量計單元，智能卡單元，門禁單元以及地磅單元，主控和機泵通過MODBUS RTU進行點對點傳輸數(shù)據(jù)來控制機泵的啟停，以及讀取油壓和機泵的頻率。分配給本人的任務(wù)為機泵單元，那么與主控之間通訊模塊的選擇，就變得尤為重要，西門子公司提供了多種點對點通訊模塊，從經(jīng)濟和可靠性方面，本次數(shù)據(jù)傳輸選擇CP340模塊來完成，設(shè)計難點為利用CP340編寫Modbus RTU通訊協(xié)議。CP340通訊處理器允許通過一條點對點連接在自動化設(shè)備之間或計算機之間進行數(shù)據(jù)交換。CP340通訊處理器可以與各種 Siemens 模塊和非 Siemens 產(chǎn)品點對點連接[5]。通過通訊模塊CP340與單片機系統(tǒng)實現(xiàn)485通信，CP341雖功能強大，但由于CP340價格低廉，而受到廣泛的應(yīng)用。 8個人共同完成整個售油控制系統(tǒng)的設(shè)計，其中聯(lián)合調(diào)試以及數(shù)據(jù)間的相互傳輸，是整個系統(tǒng)的設(shè)計難點與核心。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖為；第二章 油泵的基本參數(shù)及其工作特性 油泵理論及油泵工況點分析 流體輸送設(shè)備流體的輸送是一個動量傳遞過程，流體在管道內(nèi)流動從泵或壓縮機等輸送設(shè)備獲得能量，以克服流動阻力。輸送液體并提高其壓頭的設(shè)備是泵，輸送氣體并提高其壓頭的設(shè)備是壓縮機。不需要再吸入管路內(nèi)充滿水就能自動的把水抽上來的是離心泵[6]。第一次使用自吸泵時，需要在泵內(nèi)灌水，使泵內(nèi)空氣排走，是吸水管內(nèi)的真空度不斷增大，被輸送的水便不斷沿吸水管上升。待泵內(nèi)完全充滿水時，泵就進入正常工作狀態(tài)，完成自吸過程。在這之后的使用過程中自吸泵啟動都不需要加水，其自身的葉輪裝置可以輔助其完成自吸過程。自吸泵的結(jié)構(gòu)緊湊、維護容易，使其越來越受廣大用戶的喜愛。 油泵的工作參數(shù)在油泵的接線盒上，其銘牌參數(shù)有最大流量（40L/min），最大揚程（35m），最高吸程（6～8m），功率（335W），轉(zhuǎn)速（2800r/min）,電壓（380V），頻率（50HZ）等。流量、轉(zhuǎn)速、揚程之中只要有一個發(fā)生變化，其他兩個參數(shù)也會按照一定的規(guī)律變化。流量Q：指選定一個截面，在單位時間流過這個截面的流體的體積，那