基于PLC的油泵控制系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）題 目： 基于plc的油泵控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 自動化（系統(tǒng)集成） 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要摘要：供油泵是生產(chǎn)生活中重要的電氣設(shè)備，由于其長時間全壓工頻的運行方式，能耗較大，造成能源浪費，并加劇油泵的磨損。本文主要研究plc與變頻器在加油站油泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過引入變頻器，對供油泵控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計改造，利用變頻器本身的軟啟動特性，大大降低了啟動時對供油泵的沖擊、磨損和噪音，提高了供油泵的使用壽命。本設(shè)計是基于西門子s7-300 plc控制器，運用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

2、。論文還研究了s7-300與mm440之間通過profibus-dp總線傳輸數(shù)據(jù)控制變頻器及單片機與s7-300通過cp340進(jìn)行modbus rtu通信問題；采用simatic wincc(windows control center)-視窗控制中心進(jìn)行電機的電壓、電流、頻率、速度、壓力和變頻器故障報警等的監(jiān)控。調(diào)試數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)運行過程中供油穩(wěn)定，最大限度提高了電機的效率，達(dá)到了節(jié)約能源的目的，且提高了供油質(zhì)量，設(shè)備運行的維護(hù)量也大大降低。關(guān)鍵詞：油泵 變頻器 wincc profibus-dp pid cp340 modbus rtu 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要title the

3、design of control system of oil pump based on plc abstractoil pump is important in life and production of electrical equipment, due to for a long time in the total pressure of the power frequency operation mode and large energy consumption, resulting in energy waste, and increased pump wear. this ar

4、ticle mainly research application of plc and inverter in the pump control system, through introducing the frequency converter, to design for oil pump control system transformation, soft start character of the use of frequency converter, greatly reduces the startup impact to supply pump, wear and noi

5、se, increased for the service life of pump.this design is based on siemens plc s7-300 controller, the use of pid control algorithm, the system uses constant frequency constant pressure control, and effectively solve the system supply pressure instability, the problem of insufficient oil. the s7

6、-300 plc and mm440 through profibus-dp bus data transmission control inverter and single chip microcomputer and s7-300 through cp340 modbus rtu communication problems, using simatic wincc (windows control center), windows control center for motor voltage, current, frequency, speed, pressure and fail

7、ure of frequency converter alarm monitoring. test data show that, in the running process of the system and stable oil supply, maximum improves the efficiency of the motor, to achieve the purpose of saving energy and improves the quality of the fuel supply, equipment maintenance is also greatly

8、reduced.keywords: oil pump inverter wincc profibus-dp pid cp340 modbus rtu iii南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）目 錄前言- 1 -第一章 緒論- 2 -1.1引言- 2 -1.2課題研究背景和研究意義- 2 -1.3課題主要研究內(nèi)容- 3 -1.3.1 變頻恒壓供油的實現(xiàn)- 3 -1.3.2 s7-300與mm440間dp通信- 4 -1.3.3 wincc監(jiān)控系統(tǒng)- 4 -1.3.4 壓力傳感器- 5 -1.3.5串行通信模板cp340的modbus rtu通信協(xié)議- 5 -第二章 油泵的基本參數(shù)及其工作

9、特性- 7 -2.1 油泵理論及油泵工況點分析- 7 -2.1.1 流體輸送設(shè)備- 7 -2.1.2 油泵的工作參數(shù)- 7 -2.1.3 油泵的基本特性曲線- 8 -2.1.4 油泵的工況點- 9 -2.2 變頻調(diào)速分析及供油系統(tǒng)的理論模型- 9 -2.2.1 變頻調(diào)速的原理- 9 -2.2.2 工況點調(diào)節(jié)- 9 -2.2.3 節(jié)能分析- 10 -2.2.4 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 -3.1 硬件選型- 12 -3.1.1 plc選型- 12 -3.1.2 變頻器選型- 13 -3.1.3 s7-300與stm32進(jìn)行點對點通訊模塊選型- 13 -3.1

10、.4 hmi- 14 -3.2 硬件接線圖- 15 -3.2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖- 15 -3.2.2 電源電路的設(shè)計- 15 -3.2.3 數(shù)字量接口設(shè)計- 16 -3.2.4 模擬量接口設(shè)計- 17 -3.2.5 cp340接口設(shè)計- 17 -第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計- 18 -4.1 軟件設(shè)計簡介- 18 -4.1.1 plc工作方式- 18 -4.1.2 s7-300數(shù)據(jù)類型- 18 -4.1.3 s7-300數(shù)據(jù)高位低位- 20 -4.1.4 地址重疊問題- 21 -4.1.5 iw和piw的區(qū)別- 21 -4.1.6 功能模塊fb和fc的區(qū)別- 21 -4.1.7 背景數(shù)據(jù)塊和全局

11、數(shù)據(jù)塊的區(qū)別- 22 -4.1.8 模擬量輸入及參數(shù)值整定- 22 -4.1.9 模擬量輸出及參數(shù)值整定- 23 -4.2 自動控制系統(tǒng)的性能要求- 23 -4.3程序流程圖設(shè)計- 24 -4.3.1 模塊化編程簡介- 24 -4.3.2 程序結(jié)構(gòu)圖- 25 -4.3.3主要程序流程圖- 25 -4.3.4 關(guān)鍵程序設(shè)計- 29 -第五章 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)- 30 -5.1 plc與mm440通信測試- 30 -5.1.1 profibus網(wǎng)絡(luò)通信簡介- 30 -5.1.2 step 7硬件組態(tài)- 30 -5.1.3 報文介紹- 31 -5.1.4 變頻器參數(shù)設(shè)置- 37 -5.1.5 報文收發(fā)測試-

12、 37 -5.2 s7-300與stm32 modbusrtu通信- 44 -5.2.1 cp340編寫modbusrtu通信介紹- 44 -5.2.2 cp340的modbusrtu通信組態(tài)- 45 -5.2.3 modbusrtu的通信幀- 46 -5.2.4 cp340的modbusrtu通信測試- 47 -5.3 wincc組態(tài)界面分析- 50 -5.3.1 hmi控制任務(wù)- 50 -5.3.2 工藝界面- 51 -5.3.3 手動操作界面- 52 -5.3.4 報警界面- 52 -5.3.5 趨勢界面- 54 -5.3.6 歷史數(shù)據(jù)- 54 -5.3.7 登錄與退出快捷鍵分配- 57

13、 -5.3.8 水流動畫腳本介紹- 57 -5.4 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析- 59 -5.4.1 pid算法的實現(xiàn)- 59 -5.4.2 pid死區(qū)- 59 -5.4.3 pid參數(shù)整定- 60 -5.4.4 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析- 61 -5.5 故障分析- 62 -5.5.1 調(diào)用程序塊無能流通過- 62 -5.5.2 變頻器斷電啟動后報a0703伴隨著f0070，復(fù)位后，恢復(fù)正常。- 62 -5.5.3 wincc背景變成紅色，連接狀態(tài)顯示為no- 63 -5.5.4 led燈故障診斷- 63 -5.5.5 壓力傳感器零點問題- 64 -5.5.6 pid曲線抖動嚴(yán)重- 64 -5.5.7 自吸泵吸不上油

14、的原因- 64 -第六章 總結(jié)- 65 -致謝- 66 -參考文獻(xiàn)- 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(jìn)行設(shè)

15、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s7-300 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(jìn)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

16、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(jìn)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(jìn)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1.1引言工業(yè)自

17、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(biāo)、產(chǎn)品要求等進(jìn)行自動的調(diào)節(jié)與控制，使之達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)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(jìn)制造技術(shù)中占有很大分量。而先進(jìn)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(zhǔn)。 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

18、簡潔。見圖1.1。圖1.1 全集成自動化系統(tǒng)構(gòu)架圖1.2課題研究背景和研究意義近年來，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(jì)體，其石油進(jìn)口量將超越美國，成為世界上最大的石油進(jìn)口國，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，4月份中國石油

19、的每日進(jìn)口量為740萬桶，而美國的的日進(jìn)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(jìn)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(rèn)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。1

20、.3課題主要研究內(nèi)容本文以plc為控制器對加油站油泵控制系統(tǒng)進(jìn)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s7-300、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：1.3.1 變頻恒壓供油的實現(xiàn)圖1.2 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420ma或010v），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。

21、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(dá)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。在圖1.2中，各數(shù)字量的的下標(biāo)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=spn-pvn。1.3.2 s7-300與mm440間dp通信西門子s7-300plc對mm440變頻器控制有端子排及profibus-dp通信控制。由于dp控制具有接線少、抗干擾能力強和控制

22、距離遠(yuǎn)的特點，所以工業(yè)現(xiàn)場廣泛采用profibus-dp控制。在現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送應(yīng)用profibusdp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)（0-27648）。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016384（p2009=1）來控制電機。1.3.3 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

23、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)11.組態(tài)用戶自定義的activex對象12.使用編程接口3在嚴(yán)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，wi

24、ncc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(jìn)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(dá)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(yuǎn)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。1.3.4 壓力傳感器壓力傳感器輸出420ma的模擬量信號，送到s7-300的模擬量輸入模塊，plc對其進(jìn)行pid運算，現(xiàn)場調(diào)試過程中在

25、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。1.3.5串行通信模板cp340的modbus 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(jìn)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(jì)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

26、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(jìn)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2.1 油泵理論及油泵工況點分析2.1.1 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

27、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(jìn)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(hù)容易，使其越來越受廣大用戶的喜愛。2.1.2 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（68m），功率（335

28、w），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，那么流量q=，是流動速度，s為橫截面面積。流量的單位一般為l/s。揚程h：泵把單位液體提升的高度叫做泵的揚程，單位：m液柱。揚程的變化直接使泵的流量發(fā)生變化6。泵的揚程分為吸入揚程和排出揚程。把液體從容器中吸入到泵內(nèi)的揚程叫吸入揚程。吸入揚程包括吸入高度和吸入管路的阻力損失兩部分，公式為：h吸=h吸高+h吸損。把液體從泵排到另一個容器的揚程叫排出揚程。排出揚程包括排出高度和排出管路阻力損失

29、兩部分，公式為：h排=h排高+h排損。泵的揚程包括吸入揚程和排出揚程，公式為：h=h吸+h排= h吸高+h吸損+ h排高+h排損。自吸泵的揚程可用真空表檢測，排出揚程可用壓力表檢測。因此泵的實際揚程是：h=h+p表-p真g+v2排-v2吸2g (2-1)式2-1中p表泵排出口壓力表的讀數(shù)，pa；p真泵吸入口真空表的讀數(shù)，pa；u吸泵吸入口測量點的讀數(shù)，m/s；u排泵排出口測量點的流速，m/s；h泵吸入口和排出測量點的高差，m：-液體的密度，kg/m3；g-重力加速度，m/s2.在實際中，壓力表與真空表安裝高度差很小，可忽略不計h=0；泵的吸入管徑與排出管徑一般情況下相等或相差不大，則u吸=u排

30、，泵的揚程與壓力表和真空表讀數(shù)的關(guān)系可簡寫成下式7：h=p表-p真g (2-2)2.1.3 油泵的基本特性曲線油泵是生產(chǎn)生活中，不可或缺的電力設(shè)備，泵的選擇直接影響到生產(chǎn)成本和效率。因此，泵的性能研究變得格外重要，根據(jù)泵的特性曲線比較泵的揚程，功率和泵的總效率，作為選泵的依據(jù)。泵的特性曲線可用下列三個函數(shù)關(guān)系表示揚程與流量之間函數(shù)：h=f1（q）；軸功率與流量之間的函數(shù)：n=f2（q）；效率與流量之間的函數(shù)：h=f3(q) ；見圖2.1圖2.1 泵的特性曲線從曲線圖可以就看出，自吸泵的揚程在一定流量范圍內(nèi)是隨流量的增大而減少的，曲線比較陡峭表示適用于揚程變化范圍大而流量不能變化太大的場合；軸功

31、率隨著流量的增大而減少，顯然，流量為0時，軸功率為最大；流量和效率曲線類似拋物線，開口向下，該曲線的最高點，效率最高，該點為自吸泵的設(shè)計點，及最佳工況點。該曲線的作用是泵以一定的流量點，都可以在曲線上找出一組與其相對應(yīng)的揚程、軸功率、效率，這一組參數(shù)稱為工作狀態(tài)，簡稱工況或工況點，一般泵的額定參數(shù)就是與設(shè)計工況點相重合或相接近，設(shè)計工況點和最佳工況點相重合或很接近。在實際的選效率區(qū)間運行，既能保證泵的正常運轉(zhuǎn)，又可以節(jié)約電能。2.1.4 油泵的工況點泵的正常工況點和額定工況點在額定工況點下的效率相對較高，額定工況點是廠家設(shè)定的工況點，但是我們在設(shè)計使用中不一定達(dá)到，或者超過這個工況點都是有可能

32、的，因此一般規(guī)定一個范圍，稱為泵的高效區(qū)。此區(qū)通常為最高效率的92%左右，而這就是泵的正常工況點，本次設(shè)計符合75%105%,根據(jù)工藝工況，將有一個最合適的壓力、流量和揚程。實際運行的工況時油泵性能曲線圖，根據(jù)實際，設(shè)計揚程與流量，這個點就是正常工況點。油泵一般運行在一個正常的范圍內(nèi)，其實際運行還受到泵的安裝，管道的安裝及長度，管徑以及實際揚程等一系列因素的影響。2.2 變頻調(diào)速分析及供油系統(tǒng)的理論模型2.2.1 變頻調(diào)速的原理變頻器其原理便是先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機，即交-直-交的控制方式。從電機學(xué)可知，異步電機

33、的轉(zhuǎn)速公式：n=ns1-s=ns-n=60fsnp-n (2-3)式2-3中，np為電動機極對數(shù)；fs為電動機定子供電頻率；s=2fs為定子供電角頻率（角速度）；s=ns-nns=s-s=s1np為轉(zhuǎn)差率，其中，ns=60fsnp=60s2np為同步轉(zhuǎn)速，s1=s-為轉(zhuǎn)差角頻率，穩(wěn)態(tài)速降n=sns與負(fù)載有關(guān)8。由式可知,電機轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率fs，就可以平滑地調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)方便地改變運送介質(zhì)的流量。泵的轉(zhuǎn)速n、流量q、壓力p、以及軸功率h具有如下關(guān)系：qn, pn2、hn3，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過改變電動機的轉(zhuǎn)速就可

34、方便地改變泵的出水量，可以有效保證期望的工況，降低系統(tǒng)的電動損耗。2.2.2 工況點調(diào)節(jié)當(dāng)油泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，其流量特性曲線也會發(fā)生變化。圖2.2 流量特性及管路特性曲線圖2.2中，1、2、3為n1、n2、n3對應(yīng)的三條流量特性曲線，且n1>n2>n3。從曲線圖中可以分析出流量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，h越大。在管路特性曲線b的情況下，減少油泵轉(zhuǎn)速，則工作點c1將下移到c2或c3，流量也相應(yīng)的由q1減到q2或q3。這種方案從能耗的角度來說，是最為經(jīng)濟(jì)，機械效率最高的調(diào)速方式9。工況點調(diào)節(jié)也可以通過改變管路特性曲線的方法，即通過改變閥門開度的大小，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的大小。泵的壓頭和流量

35、有一定的對應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)速n1不變的情況下，將閥的開度加大，其管路特性曲線變成b2,工作點從c1移到c4，流量從q1移到q4。這種方案，控制閥一般安裝在泵的出口管線上，簡單可行，應(yīng)用范圍廣，但是這種方案，總的機械效率低，特別是在閥門開度較小時，閥門上的壓降較大，對于大功率泵，損耗的功耗相當(dāng)大，因此是不經(jīng)濟(jì)的。2.2.3 節(jié)能分析首先，先提一下與節(jié)能相關(guān)的詞利用率舉個例子，一個抽水泵工頻條件下運行一小時，去給一棟樓供水，但是這臺抽水泵功率太大了，抽出去的水這棟樓里用不了。實際的做法便是再抽水泵的出水口加上一個擋板，這個擋板擋住了水流，這棟樓需要多少水就把擋板開到多大，這樣一來，很多能量便浪費在擋板上

36、了。如果去掉這個擋板，給抽水泵加上個變頻器來調(diào)節(jié)抽水泵的速度，速度越低越省電，這樣能量就節(jié)省下來了，而不是白白浪費在擋板上，這樣就能達(dá)到節(jié)能的效果。供油泵是生產(chǎn)運行中能耗較大的電力設(shè)備，在正常應(yīng)用中，都是通過控制供油泵出口的循環(huán)閥門開度來調(diào)節(jié)供油的流量和壓力，不僅造成了大量的能源浪費在閥門上，而且油流量的增加致使管線油溫快速上升，天氣溫度較高時，還會造成很大安全隱患。變頻器對過壓、欠壓、過載、短路及電路失速都能可靠接地保護(hù)。油泵應(yīng)用變頻器，即可提高工效，又可節(jié)約用電，保護(hù)電機及設(shè)備。其應(yīng)用范圍將大大的增加。2.2.4 恒壓供油系統(tǒng)的理論模型圖2.3 恒壓控油控制原理框圖變頻恒壓供油將管網(wǎng)的油壓

37、傳遞給s7-300，s7-300根據(jù)設(shè)定的壓力值讓實際壓力跟隨其變化，以達(dá)到恒壓供油的目的。當(dāng)壓力偏離平衡狀態(tài)而上升時，將壓力的變化轉(zhuǎn)換為膜片裝置的形變程度，壓力變送器將其轉(zhuǎn)化為電流變化量的上升，作為測量值z送給pid調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器將z與給定值r進(jìn)行比較，由于r保持不變，z上升，則r-z=e，e將下降，由pid的性質(zhì)，此時lmn值將下降；頻率f和轉(zhuǎn)速n也將隨著其下降，很顯然，轉(zhuǎn)速n下降將使出口壓力p也下降。如此使p回歸給定值，如果pid參數(shù)設(shè)置恰當(dāng)，可獲得比較滿意的調(diào)節(jié)的效果，這個調(diào)節(jié)過程可用符號簡潔地表達(dá)為：相反，當(dāng)干擾使出口壓力p下降時有：很明顯，這是一個閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，如果把方塊圖中

38、z信號旁的“-”變成“+，”e就等于p+z，系統(tǒng)變成了正反饋，就不能克服干擾，此時，可見，在正反饋控制系統(tǒng)中，反饋值上升，系統(tǒng)將越來越偏離給定值。第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1 硬件選型3.1.1 plc選型西門子s7-200、300、400最大的區(qū)別是應(yīng)用規(guī)模上的不同。在實際工程應(yīng)用中200控制點數(shù)一般不會超過64個；300的系統(tǒng)一般不超過512個；400則基本上就是大型系統(tǒng)了上千點都不足為奇。當(dāng)然系統(tǒng)的控制點數(shù)是受限于cpu的尋址能力、存儲器容量和授權(quán)點數(shù)以及設(shè)計思想的。這些參數(shù)可以查詢相關(guān)的手冊。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和客戶的技術(shù)要求對控制系統(tǒng)i/o點數(shù)進(jìn)行估算。分析被控對象的工藝過程，統(tǒng)計系統(tǒng)的i/

39、o點數(shù)和i/o類型。留有10%20%的備用量即可。估算公式如下：dido=ki=1ni+bi+c (3-1)式3-1中，di/do要估算的輸入和輸出點數(shù)量；k可取1.11.2之間； i單個系統(tǒng)類型參數(shù)； bi單個系統(tǒng)點數(shù)； c其他點數(shù) n單個系統(tǒng)的總數(shù)7。sinatic s7-300是西門子公司為滿足中、小型規(guī)模的控制要求而設(shè)計的，幾乎可以滿足自動化控制過程的各種要求，在生產(chǎn)制造過程中體現(xiàn)的尤為突出。s7-300對于不同的控制功能分為各種控制模塊，如果用戶需要增加控制任務(wù)時，只要增加相應(yīng)的功能模塊即可，這種配置方案，為當(dāng)今最為流行的控制方案。如圖3.1所示。3.1 s7-300系統(tǒng)模塊示意圖本

40、次選擇simatic s7-300cpu型號為cpu 315f-2 pn/dp 訂貨號為6es7 315-2fh13-0ab0數(shù)字量模塊di16/do16*24v/0.5a 訂貨號為 6es7 323-1bl00-0aa0模擬量模塊ai4/ao2x8/8bit 訂貨號為 6es7 334-0ce01-0aa03.1.2 變頻器選型驅(qū)動裝置按照拖動的電動機類型可以分為直流與交流傳動兩類，按照電動機的電壓等級和容量也分成很多類型。按照電動機的電壓等級和容量也分為很多類型。其中常見的有標(biāo)準(zhǔn)變頻傳動裝置micromaster系列、高性能驅(qū)動裝置simovert masterdrive系列，以及新產(chǎn)品s

41、inamics系列等。不同的產(chǎn)品系列其性能、功能不同。標(biāo)準(zhǔn)變頻傳動裝置micromaster系列分為mm410/mm420/mm430/mm440四個系列，mm440是一種簡單問題的傳統(tǒng)解決方案，功率范圍?。籱m420的io數(shù)量少，不支持矢量控制，無自由功能塊可使用，功率范圍?。籱m430專為風(fēng)機水泵設(shè)計，不支持矢量控制，功率范圍大，在恒壓供水場合有很實用的功能；mm440是矢量控制變頻器，有控制單元，有自由功能塊，功能相對強大8。因為油泵電機是變頻器直接拖動的，所以變頻器的選型變得尤為重要，首先，要考慮的便是變頻器的容量，太小，拖不動電機，會造成油泵經(jīng)常性的停機；太大，雖可以拖動電機，但從經(jīng)

42、濟(jì)上考慮顯然是不合適的，一般情況下，變頻器的選型滿足以下條件即可：i. 變頻器的電壓等級要與油泵電機相符ii. 變頻器的額定電流為油泵電機額定電流的1.11.5倍。綜上所述：本次設(shè)計選擇mm440變頻器 訂貨號為6se6440-2uc17-5aa13.1.3 s7-300與stm32進(jìn)行點對點通訊模塊選型cp340自身通過串行接口處理與通信伙伴的數(shù)據(jù)傳輸。為此，cp340配有三種不同的驅(qū)動程序。l 單項數(shù)據(jù)通信-打印機驅(qū)動程序l 雙向數(shù)據(jù)通信-ascii driver-3964r 程序在工業(yè)控制領(lǐng)域中，中低端產(chǎn)品s7-300應(yīng)用的較為廣泛，基于s7-300的modbus rtu協(xié)議通信數(shù)據(jù)采集

43、一般采用cp341模塊配置dongle的模式實現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)建成本較高，也避免了采用第三方模塊的兼容性差的問題，是一種非常好的解決方案，所以采用cp340模塊，通過適當(dāng)編程，使用ascii碼通訊協(xié)議來實現(xiàn)modbus rtu協(xié)議，其運行穩(wěn)定，可靠，在s7-300系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用10。綜上所述：本次設(shè)計選擇 cp340型號為 cp340-rs422/485 訂貨號為340-1ch02-0ae03.1.4 hmisimatic wincc和simatic wincc flexible無論從功能還是應(yīng)用范圍上，都被認(rèn)為是兩款不同的軟件。wincc設(shè)計上高瞻遠(yuǎn)矚，因此剛一發(fā)布，就成為hmi領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)

44、者，支持覆蓋全球的多種語言，對于復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)來說，wincc是個不錯的選擇。西門子公司還提供的了技術(shù)論壇，很多工程師們遇到的問題，都將出現(xiàn)在里面，西門子公司的技術(shù)人員也會提供在線解答，方便大家的學(xué)習(xí)。simatic wincc flexible簡而言之是觸摸屏的組態(tài)軟件，相比wincc，wincc flexible組態(tài)畫面較為簡單，功能弱；西門子有將wincc的功能融合到wincc flexible中的構(gòu)思，且已經(jīng)實現(xiàn)，即西門子博途tia集成軟件。wincc系統(tǒng)組件建立的各種編輯器可以生成工藝畫面、設(shè)置畫面、監(jiān)控畫面、腳本、報警、趨勢曲線和打印報表，功能強大，操作者可以根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行目的性

45、的選擇。wincc還集成了以下系統(tǒng) 11 ,如圖3.2所示。u 與自動化系統(tǒng)的無縫集成u 與自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成u 與mes系統(tǒng)的集成u 與相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)一起，實現(xiàn)系統(tǒng)級的診斷。3.2 wincc體系機構(gòu)圖wincc的可擴展性是wincc flexible達(dá)不到的。綜上所訴：本次選擇wincc組態(tài)監(jiān)控整個系統(tǒng)3.2 硬件接線圖3.2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 圖3.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖pc機與s7-300和wincc與s7-300通過以太網(wǎng)經(jīng)交換機x208進(jìn)行通訊,各ip地址已在圖3.3中標(biāo)出，x208的ip地址為192.168.0.60，s7-300的ip地址為192.168.0.1，winc

46、c flexible的ip地址為192.168.0.2，mm440的從站地址為4（p0918）。s7-300與mm440通過profibus-dp通訊控制油泵s7-300經(jīng)通訊模塊cp340與stm32進(jìn)行modbus-rtu通信壓力傳感器信號經(jīng)模擬量采集模塊sm334轉(zhuǎn)換為數(shù)字量027648,送入plc進(jìn)行pid運算。3.2.2 電源電路的設(shè)計圖3.4 電源接線圖3.2.3 數(shù)字量接口設(shè)計圖3.5 數(shù)字量接線圖3.2.4 模擬量接口設(shè)計圖3.6 2線制420ma接線圖3.2.5 cp340接口設(shè)計下圖說明了rs485模式下cp340和通訊伙伴連接時的接線圖（兩線制模式）。圖3.7 cp340

47、接線圖（兩線制）如果電纜長度超過50m，則必須在接收器上焊接一個約為330w終端電阻，以確保數(shù)據(jù)傳輸暢通無阻。第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1 軟件設(shè)計簡介4.1.1 plc工作方式在編寫程序時，有必要了解一下plc的工作過程。plc循環(huán)掃描工作過程如圖4.1所示。4.1 plc循環(huán)掃描過程plc的掃描工作方式會引起輸入/輸出時間滯后，程序編制的不合理也會引起輸入/輸出的時間滯后，最長可達(dá)兩個多掃描周期。4.1.2 s7-300數(shù)據(jù)類型s7-300的數(shù)據(jù)類型分為以下三種：基本數(shù)據(jù)類型、復(fù)合數(shù)據(jù)類型和參數(shù)類型。1.基本數(shù)據(jù)類型一、位（bit）常稱為boo了（布爾型），只有兩個值：0或1.如：i0.0，

48、i0.1，m0.0，等。二、字節(jié)（byte）一個字節(jié)由8個bit組成。如：ib0（包括i0.0i0.7位），qb0（包括q0.0q0.7位），mb0，vb0等。范圍：00ff（十進(jìn)制0255）。三、字（word）相鄰的兩字節(jié)（byte）組成一個字（word），來表示一個無符號數(shù)，字的范圍為065536,如果用到mw0，則mb0和mb1則要謹(jǐn)慎的使用，字和整形一般取2的倍數(shù)。防止地址重疊，造成沒有必要的錯誤。 四、雙字（double word）相鄰的兩個字（word）組成一個雙字，來表示一個無符號數(shù)。因此，雙字為32位。比如md4由mw4和mw6組成，由上可知，mw4和mw6又可分為mb4、mb

49、5、mb6、mb7，在寫程序時要特別注意，如果用到了md4，一般mb4、mb5、mb6、mb7，一般就不要用了。以上的字節(jié)、字和雙字?jǐn)?shù)據(jù)類型均為無符號數(shù)，即只有正數(shù)，沒有負(fù)數(shù)。五、16位整數(shù)（int，integer）整數(shù)范圍為3276832767。六、32位整數(shù)（dint，double integer）32位整數(shù)和16位整數(shù)一樣，為有符號數(shù)。范圍為21474836482147483647。  七、浮點數(shù)（real）浮點數(shù)為32位，可以用來表示小數(shù)12。2.復(fù)合數(shù)據(jù)類型一、數(shù)組（array）二、結(jié)構(gòu)（string）三、字符串（string）四、日期和時間（data-and-t

50、ime）占用8個字節(jié)，bcd編碼。星期天代碼為1，星期一星期六代碼分別是27。五、用戶定義的數(shù)據(jù)定型工程師將基本數(shù)據(jù)類型和復(fù)合數(shù)據(jù)類型組成一起的數(shù)據(jù)類型。3.參數(shù)類型主要包括以下幾種數(shù)據(jù)類型：一、timer（定時器類型）、counter（計數(shù)器類型）在函數(shù)或者函數(shù)塊中定義定時器和計數(shù)器，只有程序塊調(diào)用時才執(zhí)行。二、pointer（6字節(jié)指針類型）6字節(jié)指針類型指向地址，若將pointer定義為形參時，則對應(yīng)的實參必須為一個地址，可以是一個簡單的地址也可以是指針格式指向地址的開始。三、any（10字節(jié)指針類型）在本次程序調(diào)試中，讀dp從站數(shù)據(jù)和寫dp從站數(shù)據(jù)用到sfc14和sfc15，參數(shù)rec

51、ord引腳的數(shù)據(jù)類型就是any類型，s7-300 cpu的record參數(shù)總是需要完整的指定db參數(shù)（例如：控制電機啟停是pzd報文p#db1.dbx20.0 byte 4）,表示db1塊中20.0開始的四個字，前兩個字為電機的控制字，后兩個字則為狀態(tài)字。如果忽略db編號對于s7-300 cpu是不允許的，這將會導(dǎo)致在用戶程序上生成錯誤信息。4.1.3 s7-300數(shù)據(jù)高位低位編寫程序前，我們要了解s7-300的數(shù)據(jù)類型，一個雙字高字節(jié)為mb0低字節(jié)為mb3，這個順序和其他的plc或計算機的編程語言剛好相反，例如：圖4.2所示md0由字節(jié)mb0mb3組成，mb0為最高字節(jié)，mb3為最低字節(jié)。在

52、mb0中，m0.7最高位，接著為m0.6····m0.0最低位。md0中各位的排列順序如下，m0.7為最高位，m3.0為最低位。m0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.0，m1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0m2.7、2.6、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0，m3.7、3.6、3.5、3.4、3.3、3.2、3.1、3.0圖4.2 變量表用變量表可以說明此結(jié)論，我們輸入十進(jìn)制數(shù)87654321，顯示二進(jìn)制為1000_0111_0110_0101_0100_0011_0010_0001,從圖中

53、可明顯看出mb0為高位，mb3為地位，在此次程序編寫過程中，有一個速度設(shè)置按鈕，將設(shè)置的速度存儲到mw36中，在進(jìn)行換算是，將其先轉(zhuǎn)換為雙精度整形，然后利用雙精度整數(shù)函數(shù)，經(jīng)過一定的線性轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換成泵的額定轉(zhuǎn)速，保存在md60中，那么問題出現(xiàn)了，怎樣從md60中取出速度參數(shù)（速度保存在mw中，數(shù)值一般為02800r/min），很顯然，我們?nèi)〉匚籱w62即可，注：由于數(shù)值較小，我們可以忽略數(shù)據(jù)溢出的情況。見變量表4.3 所示圖4.3 變量表從圖4.3變量表中就可以看出，md90的數(shù)據(jù)，我們只要取mw92地位即可實現(xiàn)。4.1.4 地址重疊問題如果修改了一個數(shù)據(jù)，另一個數(shù)據(jù)也發(fā)生了變化，最大的可能

54、就是地址發(fā)生了重疊。m0.0m0.7=mb0 8個bit組成一個字節(jié)mb0+mb1=mw0 兩個字節(jié)組成一個字mw0+mw1=mb0+mb1+mb2+mb3=md0 兩個字組成一個雙字由上面可以看出，選取地址時候，為了防止重疊，mw以2的整數(shù)倍選?。ㄈ鏼w2，mw4），md以4的整數(shù)倍選取（如md8，md12）。如果我們選用md4，則選用以下地址的時候就要慎重了，mw4、mw6、mb4、mb5、mb6、mb7、m4.0m4.7、m5.0m5.7、m6.0m6.7、m7.0m7.7。4.1.5 iw和piw的區(qū)別iw和piw，我可以用一個比喻來說明此問題。比方說，我們從別人的電腦上下載一部電影保

55、存在優(yōu)盤上，把優(yōu)盤插到自己的電腦上進(jìn)行觀看，但有時候，我不想這樣，我就要在別人的電腦上直接觀看。piw和iw讀取的就是這部電影，piw表示的是別人電腦上的電影，iw表示優(yōu)盤里的電影。要特別注意了，別人電腦上的電影，會“實時些”，優(yōu)盤上的電影，過幾天看可能就會過時了。從本質(zhì)上說，piw顯示的是實時的數(shù)據(jù)，iw則是取映象存儲器中的數(shù)據(jù)，輸出也是這樣。模擬量輸入輸出口的地址可以從hw config中查到，本次使用的cpu 315f-2 pn/dp的模擬量輸入地址為272279，輸出地址為272275,本次使用的模擬量輸入模塊為4通道輸入，2通道輸出，如果使用1通道電流輸入，則輸入可寫成piw272，使用1通道電流輸出，則輸出可寫成pqw272，以此類推。4.1.6 功能模塊fb和fc的區(qū)別如果控制功能不需要保存它自己的數(shù)據(jù)，可以用功能fc來編程。fb可以用來保存數(shù)據(jù)，它有單獨背景數(shù)據(jù)塊，當(dāng)調(diào)用fc時，會需要找全局地址進(jìn)行保存，這樣做不但麻煩而且會造成前面所說的地址重疊。在一些復(fù)雜的工程應(yīng)用中，我們完全可以用fb塊來代替fc塊?？梢灾苯釉L問保存在db塊中的數(shù)據(jù)，訪問時可以使用絕對地址也可以使用符號地址，復(fù)雜的數(shù)據(jù)可以通過結(jié)構(gòu)化的形式存儲。例如db51.dbx3.0，db51是數(shù)據(jù)塊的名稱，dbx3.0是數(shù)據(jù)塊內(nèi)第三個字節(jié)的第零位。如果打開了數(shù)據(jù)塊db50，則可以省略第一個小數(shù)點前面的數(shù)