基于S7-300实现的企业余热温度模拟控制系统设计

目 录 1 1 引言 1 1.1 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的背景及意义 1 1.2 设计相关技术的国内外现状 3 1.3 本课题研究内容 4 2 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的提出和论证 4 2.1 方案的提出 5 2.2 方案的论证及确定 5 2.3 方案说明 6 2.4 本章小结 7 3 变频调速恒温系统硬件设计 7 3.1 主电路的设计 14 3.2 控制电路的设计 23 3.3 本章小结 24 4 变频调速恒温系统软件部分的设计 24 4.1 PID算法简介 27 4.2 下位机PLC程序设计 30 4.3 上位机人机接口Wincc监控画面的设计 33 4.4 本章小结 34 5 变频调速恒温供水系统调试 34 5.1 调试步骤 34 5.2 本章小结 35 6 全文总结 36 参考文献 37 致谢 38 附录一 系统程序梯形图 53 附录二 系统硬件原理图 1 引言 1.1 设计的背景及意义 能源是国民经济发展的基础，深入开展节能工作，不仅是缓解能源矛盾和保障国家经济安全的重要措施，而且也是提高经济增长质量和效益的重要途径[1]。由于我国工业领域余能利用空间很大，工业冷却水、工业废水、地热尾水中蕴含着大量热能，利用热交换技术可将废水中的低品位余热转换成高品位热能，再把这些高品位热能利用到冬季供暖，即可实现能源再利用[2]。在冬季供暖系统中，供暖质量的高低取决于供暖系统的调节，供暖调节主要是根据室外温度的变化，调节供暖温度、循环水量等参数、保持室内温度恒定，防止供暖用户室内温度过高过低，造成能源的浪费或影响供暖单位信誉度。以往供暖单位主要通过调整锅炉的燃烧状态和运行时间来控制供水温度达到节省燃煤和锅炉用电的目的，但由于循环水的流量不变，循环水泵的耗电并未减少，因此，不符合国家的可持续发展战略，同时也增加了供暖单位的供暖成本。综上，本文设计了以PLC为控制核心的的变频调速恒温供水系统，基本上可以改进以上存在的问题。 PLC（可编程控制器）是近年来被广泛应用于电气自动化中的一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。 PLC不仅具有传统继电器控制系统的控制功能，而且能扩展输入输出模块，特别是可以扩展一些职能控制模块，构成不同的控制系统，将模拟量输入输出控制和现代控制方法融为一体，将智能控制、闭环控制等融为一体的综合控制[3]。现代PLC以集成度高、功能强、抗干扰能力强、工作稳定受到普遍欢迎，在传统工业的现代化改造中发挥越来越重要的作用。 以PLC控制的变频调速恒温供水系统可以替代布线复杂、维护困难、成本高的传统温度控制系统，它不仅具有传统温度控制系统的优点，满足供暖系统的需求，也克服了传统温度控制系统的耗电耗能的不足，在现实生活中具有重要的意义[4]。 1.2 设计相关技术的国内外现状 目前国内外对于温度控制的方法也有很多：如单片机控制、PLC控制、模拟PID调节器和数字PID调节器等等。 （一）利用单片机系统实现温度恒定的控制，其总体结构图如图1.1所示。系统主要包括现场温度采集、实时温度显示、加热控制参数设置、加热电路控制输出、与报警装置和系统核心AT89S52单片机作为微处理器。 图1.1 单片机系统实现温度恒定的控制 温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机。单片机结合现场温度与用户设定的目标温度，按照已经编程固化的模糊控制算法计算出实时控制量。以此控制量控制固态继电器开通和关断，决定加热电路的工作状态，使温度逐步稳定于用户设定的目标值。在温度到达设定的目标温度后，由于自然冷却而使其温度下降时，单片机通过采样回的温度与设置的目标温度比较，作出相应的控制，开启加热器。当用户需要比实时温度低的温度时，此电路可以利用风扇降温。系统运行过程中的各种状态参量均可由数码管实时显示。 （二）利用PLC实现恒温控制系统 利用PLC实现对温度恒定的控制，其控制系统的结构框图如图1.2所示：采用PLC控制实现电热丝加热全通、间断导通和全断加热的自动控制方式，来达到温度的恒定。智能型电偶温度表将置于被测对象中，热电偶的传感器信号与恒定温度的给定电压进行比较，构成闭环系统，生成温差电压Vt，PLC自适应恒温控制电路，根据Vt的大小计算出全通、间接导通和全断的自适应恒温控制电路，并将占空比可调的控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断，实现自适应的恒温控制。若温度升的过快，PLC也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号。 图1.2 利用PLC实现恒温控制系统 （三）利用模拟PID调节的恒温控制系统 基于模拟PID调节的恒温控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成，其控制系统的机构框图如图1.3所示。由按键设定某一温度，单片机对设定温度值进行查表计算后转换为对应的电压数字值，通过16位的数模转换器得到与之精确对应的电压信号，此电压值于热敏电阻实际测量的电压值进行比较产生一个误差信号，经过PID电路后，获得一个控制量给制冷元件构成实时闭环系统，同时实际测量的电压值并显示在液晶屏上。 图1.3 利用模拟PID调节的恒温控制系统 根据以上系统的优缺点本次设计了基于PLC的恒温控系统。 1.3 本课题研究内容 利用适当的PLC和变频器，应用PID控制算法，进行电动机工频和变频的切换及工作状态的转变，实现根据不同的需求条件来调节电动机的转速和锅炉工作状态的转变达到对用户的供水恒温控制。其主要技术要求如下： (1)系统共设有4个泵，分别为1号泵，2号泵，3号泵，4号泵； (2)系统采用自动及手动运行方式。自动运行方式中，能够根据变频实际运行频率和当前实际供水温度来决定泵的组合运行方式； (3)系统中，泵的组合运行方式共有3种状态，为3变，3工4变,全工。 (4)系统主电路采用一台变频器分别控制2台水泵，使2台水泵均为双主回路的驱动方式； (5)采用温度传感器测量室内外的温度，作为水泵投入和切换的控制信号。 2 方案的提出和论证 2.1 方案的提出 冬季供暖质量的高低取决于供暖系统的调节。供暖调节主要是根据室外温度的变化，调节供暖温度、循环水量等参数、保持室内温度恒定，防止供暖用户室内温度过高过低，造成能源的浪费或影响供暖单位信誉度。 供暖的方法直接影响了供暖的质量，供暖的调节的方式分为两种：第一种是质调，第二种是量调[5]。下图2-1为供暖系统的原理框图。 图2-1 总体方案的系统框图 该系统主要有几大部分组成：可编程控制器、变频器、PC机（Wincc监控界面）、检测电路、按钮电路、报警电路、供暖对象、循环水泵、锅炉等组成。 可编程控制器：系统的核心控制部分。对系统发出指令，达到控制的目的。 变频器：主要用于PLC通过控制变频器来控制电机的转速，从而控制循环水的流量。 Wincc监控界面：监控系统的运行状态。 检测电路：主要用于检测各种参数例如室外的温度、水的流量和温度等。 循环水泵：主要用于控制水的循环，可以使供热源的热量通过循环水传递到用户。循环水泵起到提供动力作用。 按钮电路：主要用于系统的启动和停止及一些参数的设定。 报警电路：主要用于提示人们系统出现的故障，及时处理故障避免发生危险和伤害。 锅炉：主要用于加热循环水。 2.2 方案的论证及确定 方案一：供暖的调节方式采用质调。目前普遍采用这种方法，质调是通过调整锅炉的燃烧状态和运行时间来控制供水温度达到节省燃煤和锅炉用电的目的，但由于循环水的流量不变，循环水泵的耗电并未减少。 方案二：供暖的调节方式采用量调，它是根据室外温度的变换来调节整个供暖系统水流量的方法改变供暖温度，当室外温度升高时，使水泵转速降低，水流量降低，水在系统中流动的时间加长，在相同的供水温度（t供）下，回水温度下降，供暖平均温度t平=（t供+t回）/2下降，从而起到温度调节的作用。流量调节可分为两种方法：一是通过控制循环水泵出水阀门和系统各支路阀门的开度大小来调节，这种方法由于水泵电机转速不变，只是人为调节系统阻力，电机功率变化不明显，起不到节电作用。另一种方法是加变频调速装置，自动调节水泵电机的转速，达到控制流量的目的。这种方法操作简单，节电效果明显，是控制温度较理想的方法。 通过以上的论证和分析，本文设计的系统采用方案二即采用量调结合变频调速的方法进行，满足需求且节能降耗。 2.3 方案说明 方案二中的室内温度在实际供暖系统中，一般与室外温度和供水温度有关，而我们设计的是一个模拟系统，因此，系统中室内温度的恒定主要是通过调节供水温度来维持的。该系统通过控制循环水的流动来控制供水温度，从而达到控制室内温度的目的。 变频恒温供水是使用变频器通过调节供水水泵的转速，以维持供水温度，并使其保持相对恒定，因此又简称恒温供水。 用变频器实现的闭环控制可以保证泵站的出口温度基本恒定。为了节省投资，一般只配备一台变频器，某一台电动机用变频器驱动，其他电动机仍然用工频电源驱动，以实现多泵并联变频恒温供水，达到理想的流量及温度调节效果。 PLC的主要作用是根据室内室外的温度和供水的温度，控制变频及工频电源供电的水泵台数，对泵站总的供水流量进行调节。 在控制系统中，温度变送器将泵站出口管道的温度和室内室外的温度转换为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 量程的电压或电流，这些反馈量直接送给EM模块的模数转换再送给PLC，PLC根据室外温度和室内温度和供水温度的偏差变化情况，经PLC内部的PID运算，调节变频器的输出频率，控制变频及工频电源供电的水泵台数。变频器的输出频率越高，泵站的出口流量就越高。选择最佳的输出频率，既能保证供水温度，又能防止温度过高，可以节约大量的能源。 PLC可以选择任意一台电动机作为变频运行，其余各台电动机由工频驱动。根据当前的供水量和泵站出口处的温度，控制工频运行的水泵台数，对供水量和流量进行粗调，用变频电动机进行细挑。假设各泵的电动机容量相同，当用水流量小于一台泵的流量时，由一台变频泵自动调速供水。随着用水流量的增大，由于闭环控制的作用，变频泵的转速自动升高，以维持恒温；如果变频泵的转速升高到工频转速时，管道出口温度仍未达到设定值，则启动一台工频泵。依此类推，直到出口温度达到设定值。 当用室外温度减少时，锅炉的加热状态也会降下来，变频泵的频率也将自动减小，降到某一设定值时，如果管道温度仍高于设定值，则切除一台工频泵，切除后如果管道温度仍然过高，再切除一台工频泵，直到管道温度等于设定值。 本文设计的系统中共有2台水泵，其中只有一台变频泵。当供水设备供电开始时，先启动变频泵，水温达到设定值时，变频器的输出频率稳定在某一数值上。而当用室外温度降低时，供水水温就会升高，传感器将这一信号送入PLC前端的EM模块，PLC送出一个温度升高信号，使锅炉的加热状态增加，也使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水温上升。如果室外温度和室内温度降了很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使水温达到设定值，则PLC就发出控制信号，再启动一台工频泵。反之，当用室外温度增加时，变频器的频率达到最小值时，PLC发出减少一台工频泵的信号和减小炉的加热状态。 系统处于自动运行方式，有2台工作水泵。系统初始上电时，先投入一个泵进行变频运行，调节供水温度，此时系统为第一台泵变频（简称“3变”）工作方式。若当前温度没有达到给定值，而水泵运行频率已经达到最高值50Hz，则此时应将工作泵切换至工频运行，并将另一待用泵投入变频运行状态，此时系统为第一台泵工频、第二台泵变频（简称“3工4变”）工作方式。若处于“3工4变”状态时，其实际供水温度低于给定值，而变频泵运行低于指定频率，则说明用室内温变大，此时只需1台泵工作即可，系统转入“3变”运行状态。 2.4 本章小结 本章主要确定变频调速恒温供水系统的设计方案，主要是针对实际要解决的问题选择用变频调速的方案来解决，在变频调速恒温供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水的流量，进而控制室内的温度。用PLC控制的变频恒温供水量调的方法取代调整锅炉的燃烧状态质调的方法，使室内温度达到相对稳定的状态，在室外温度变化剧烈时，系统自动切换到最佳状态运行，以进一步节能降耗，提高节能效果。 3 变频调速恒温系统硬件设计 该系统硬件主要有两大部分组成：主电路和控制电路。 主电路由电机、变频器、熔断器、交流接触器、热继电器等组成，完成电机的工频及变频的切换。 控制电路由PLC、检测电路、按钮电路、报警电路等组成，完成温度信号的检测以及对主电路电机的控制。 以下详细介绍变频调速恒温系统硬件构成及工作原理。 3.1 主电路的设计 图3-1 主电路电气原理图 电气控制系统主电路包括两台水泵电机、两台其他控制用电机，刀开关，交流接触器，电机过载保护用的热继电器、熔断器以及变频器。 3.1.1 水泵的选择 水泵型号和台数的选择，应根据当地的气温变化规律选择，即应满足当室外温度达到最寒冷使所有用户室内温度稳定在较理想温度[6]。还应考虑以下方面因素： (1)水泵扬程应大于实际供热高度。 (2)扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量。 (3)水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价。 (4)水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失。 (5)安装管理方便。 根据模拟系统的硬件设计，选用的水泵型号是管道离心泵IRG32-160，共4台。水泵参数如表3-1。 表3-1 水泵参数 材质 铸铁 驱动方式 电动 型号 IRG32-160 原理 离心泵 流量 4.5（m3/h） 电动功率 1.5（kw） 转速 2900 扬程 32（m） 3.1.2 电机的选择 电动机选择的主要内容包括：电动机的类型、额定功率、额定电压、额定转速等[7]。电动机选择的一般原则： （1）类型的选择 选择哪种类型的电动机，一方面要根据生产机械对电动机的机械特性、起动性能、调速性能、制动方法和过载能力等方面的要求，另一方面在满足上述要求的前提下，还要从节省初期投资，减少运行费用等经济方面进行综合分析，最后将电机的类型确定下来。 对起动、调速等性能没有特殊要求的情况下，优先选用三相笼型异步电动机。 （2）功率的选择 正确地选择电动机的额定功率非常重要，额定功率选择得过大，电动机长期在欠载状态下运行，不仅增加设备投资，还会降低其效率和功率因数（对异步电动机而言）等指标，增加运行费用；额定功率选择太小，电动机长期在过载状态下运行，会使电动机过热而降低使用寿命，甚至拖动不了生产机械，因此应使所选电动机的额定功率等于或稍大于生产机械所需要的功率。 （3）电压的选择 根据电动机的额定功率和供电电压的情况选择电动机的额定电压。例如，三相异步电动机电动机的额定电压主要有380V、3000V、6000V和10000V等几种，由于高压电器设备的初期投资和维护费用比低压电器设备贵得多，一般当电动机额定功率PN≤200KW时，往往选用380V电动机；PN≥200KW的电动机一般都是高压电动机，由于3KV电网的损失较大，而10KV电动机的价格有比较昂贵，除特大型电机外一般大中型电动机都选用6KV电压。 （4）转速的选择 根据生产机械的转速和传动方式，通过经济技术比较后确定电动机的额定转速。额定功率相同的电动机额定转速高，电动机的重量轻、体积小、价格低、效率和功率因数（对三相异步电动机而言）也较高。若生产机械的转速比较低，电动机的额定转速比较高，则传动机构复杂、传动效率降低，增加传动机构的成本和维修费用，因此，应综合分析电动机和生产机械二方面的各种因素最后确定电动机的额定转速。 （5）外形结构的选择 根据电动机的使用环境选择电动机的外型结构。电动机的外型结构有以下几种：开启式、防护式、封闭式、密封式、防爆式。 （6）安装形式的选择 根据电动机在生产机械中的安装方式来选择电动机的安装型式。我国目前生产的电动机的安装型式主要有B3（卧式，机座带底脚，端盖上无凸缘）、B5（卧式，机座不带底脚，端盖上有凸缘）、B35（卧式，机座带底脚，端盖上有凸缘）、V1（立式，机座不带底脚，端盖上有凸缘）。每种又分单轴（一端有转轴伸出）和双轴两种（两端都有转轴伸出）两种。 （7）工作制的选择 根据电动机的工作方式选择电动机的工作制。国产电动机按发热与冷却情况不同，分为九种工作制，如连续工作制、短时工作制、断续周期工作制等等。选择工作制与实际工作方式相当的电动机比较经济。 系统中根据前述各项的选择原则选择电动机的型号。 根据以上原则，选择本系统所需的电动机型号为y90s-2，其各参数如表3-2。 表3-2 电动机的参数 电机名称： Y系列三相异步电机 型号： Y90S-2 额定功率kw： 1.5 转速r/min： 2840 电流： 3.4 效率： 78 功率因数： 0.85 堵转电流额定电流： 3.4 堵转转矩额定转矩： 2.2 最大转矩额定转矩： 2.3 重量： 21 噪音： 75 类别： Y系列 3.1.3 变频器的选择及确定 变频器的选择及确定应充分考虑到所应用场合使用工况条件的最恶劣情况，留有足够的设计裕度和必要的保护措施[8]。在选型时应对技术性能和经济指标进行综合考虑，以选择相应的变频器规格容量。 变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正常工作电流的1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，不但经济性好而且输出波型更好。 变频器的选择主要考虑以下因素： (1)电压等级与驱动电动机相符。 (2)额定电流为所驱动电动机额定电流的1.1～1.5倍。 (3)根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式。 由于电动机的额定功率为1.5KW，所以变频器的容量1.5KW即可。本设计采用西门子的变频器MM440系列型号为6SE6440-2UD21-5AA1。 MicroMaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。 变频器使用时，首先应该结合实际应用对其功能参数进行设置，因此，本次设计中选用的变频器参数设置如表3-3所示。 表3-3 变频器参数 功能代码 含义 设定值 作用 P0700 选择命令源 2 由端子排输入 P0701 数字输入1功能 1 正转/停车命令 P0725 PNP/NPN数字输入 0 NPN P0731 数字输出1功能 52.3 变频器故障信号 P0732 数字输出2功能 52.2 实际频率降至最低频率 P0733 数字输出3功能 52.A 实际频率等于50Hz P0756 ADC类型 0 0～10V P0771 DAC的功能 21 反映实际频率 P1330 变频器的控制方式 2 带抛物线特性的U/f曲线 P2200 运行PID投入 1 允许投入 P2253 PID设定值信号源 2250 已激活的PID设定值 P2264 PID反馈信号 755.0 AIN1 P2271 PID反馈形式 0 P2274 PID微分时间（D） 一般设为0（默认值），微分不起作用 P2280 PID比例系数（P） 实际调试确定，初始值可采用 P2285 PID积分时间（I） 3.1.4 热继电器的选择 热继电器的作用是对连续运行的电动机实施过载及断相保护，可防止因过热而损坏电动机的绝缘材料[9]。由于热继电器中发热元件有热惯性，在电路中不能作瞬时过载保护，更不能作短路保护。热继电器按相数来分有单项、二相和三项3种类型。三相式热继电器常用于三相交流电动机的过载保护，按功能不同可分为带断相保护和不带断相保护两种类型。 热继电器的工作原理是热继电器是由流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。 热继电器的选用应综合考虑电动机的形式、工作环境、起动情况、负荷情况等几方面因素。 （1）原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择。对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器（主要是发热元件的额定电流）为电动机的额定电流60%-80%。 （2）在不需要频繁起动的场合，要保证热继电器在电动机的起动过程中不产生误动作。通常，当电动机起动电流为其额定电流的6倍以及起动时间不超过6S时，若很少连续起动，则可以按电动机的额定电流选取热继电器。 （3）当电动机为重复短时工作时，首先要确定热继电器的允许操作频率。因为热继电器的操作频率是很有限的，如果用来保护操作频率较高的电动机，效果很不理想，有时甚至不起作用。 （4）对于正反转和通断频繁的特殊工作制电动机，不宜采用热继电器作为过载保护装置，而应使用温度继电器或热敏电阻来保护。 根据上述选型的原则，系统中选择热继电器型号为JR16-20/2.2 ~3.5。 3.1.5 交流接触器的选择 接触器是一种用来频繁地接通和断开（交、直流）负荷电流的电磁式自动切换电器，主要用于控制电动机、电焊机、电容器组等设备，具有低压释放的保护功能，适用于频繁操作和远距离操作，是电力拖动自动控制系统中使用最广泛的电气器件之一[10]。接触器按流过主触点电流性质的不同，可分交流接触器和直流接触器。 接触器选择遵守以下原则 （1）接触器的类型选择。根据接触器所控制负载的轻重和负载电流的类型，来选择交流接触器或直流接触器。 （2）额定电压的选择。接触器的额定电压应大于或等于负载回路电压。 （3）额定电流的选择。接触器的额定电流应大于或等于被控回路的额定电流。对于电动机负载可按下式计算： 式中 IC—流过接触器主触点的电流（A）； PN—电动机额定功率（KW）； UN电动机的额定电压（V）； K—经验系数，一般取1~1.4； 选择接触器的额定电流应大于等于IC。接触器如使用在电动机频繁起动、制动或正反转的场合，一般将接触器的额定电流降一个等级来使用。 （4）吸引线圈的额定电压选择。吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压相一致。对简单控制电路可直接选用交流380V、220V电压，对复杂、使用电器较多者，应选用110V或更低的控制电压。 （5）接触器的触点数量、种类选择。接触器的触点数量和种类应根据主电路和控制电路的要求选择。如辅助触点的数量不能满足要求时，可通过增加中间继电器的方法解决。 交流接触器的选用，是根据负荷的类型和工作参数合理选用的。 本次设计采用CJX2-1810. 其参数见表3-4。 表3-4CJX2-1810 参数 型号 CJX2-1810 是否提供加工定制 是 品牌 海康 额定电压 24/440（V） 机械寿命 100（万次） 电寿命 50（万次） 产品认证 CCC 适用范围 工控系统 CJX2-1810型的交流接触器的特点： CJX2-1810交流接触器主要用于交流50Hz或60Hz，额定工作电压至660V，在AC-3使用类别下额定工作电压为 380V额定工作电路中，供远距离接通与分断电路之用。CJX2-1810和CJX2-1810交流接触器并可与热继电器直接插接组成电磁起动器，以保护可能发生操作过负荷的电路。CJX2-1810交流接触器还可组装积木式辅助触头组、空气延时头、机械联锁机构等附件，组成延时接触器、可逆接触器、星三角起动器。 3.1.6 低压断路器的选择 低压断路器又称自动空气开关，可用来分配电能、不频繁地起动异步电动机、保护电动机及电源等，具有过载、短路、欠电压等保护功能[11]。 低压断路器的选择应遵守以下原则 （1）低压断路器的额定电流和额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。 （2）低压断路器的极限分断能力应大于或等于电路短路电流。 （3）过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流。 （4）欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。 低压断路器QF是保护消防电动机过电流，短路和欠压电压的保护设备，QF在电机主回路中，额定电压U应为AC380V，因电动机功率Pe为1.5KW，电机额定电流为3.4A。 系统中选用的是DZ47-60小型断路器，其适用于照明配电系统(C型)或电动机的配电系统(D型)。主要用于交流50Hz/60Hz，额定电压至400V，额定电流至60A的线路中起过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。 3.1.7 熔断器的选择 熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器[12]。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。 (1)熔断器类型的选择：选择熔断器的类型时，主要依据负载的保护特性和短路电流的大小。例如，用于保护照明和电动机的断路器，一般是考虑他们的过载保护，这时，希望熔断器熔断系数适当小些，所以容量较小的照明线路和电动机宜采用熔体为铅锌合金的RC1M系列的断路器，而大容量的照明线路和电动机，除过载保护外，还应考虑短路时的分断短路电流的能力，若短路电流较小时，可采用熔体为锡质的RC1A系列或熔体为锌质的RM10系列的熔断器。用于车间低压供电线路的保护熔断器，一般是考虑短路时候的分断能力，当短路电流较大时，宜采用具有较高分断能力的RL1系列熔断器，当短路电流相当大时，宜采用有限流作用的RT0及RT12系列熔断器。 (2)熔体额定电流的选择：用于保护照明或电热设备的熔断器，因为负载电流比较稳定，所以，熔体的额定电流应等于或稍微大于负载的额定电流，即 式中 —熔体的额定电流； —负载的额定电流。 用于保护单台长期工作电动机(即供电支线)的熔断器，考虑电动机起动时不应熔断，即 式中： —熔体的额定电流； —电动机的额定电流。 轻载起动或起动时间比较短时，系数可取近1.5，带重载起动或起动时间比较长时，系数可取近2.5。 用于保护频繁起动的电动机(即供电支线)的熔断器，考虑频繁起动时的发热，熔断器也不应熔断，即 式中： —熔体的额定电流； —电动机的额定电流。 用于保护多台电动机（即供电支线）的熔断器，在出现尖蜂电流时也不应熔断。通常，将其中容量最大的一台电动机起动，而其余电动机正常运行时出现的电流作为其尖蜂电流，为此，熔体的额定电流应满足下述关系。即 式中： —多台电动机中容量最大的一台电动机额定电流； —其余电动机的额定电流之和。 (3)熔断器之间的配合：为了防止发生超级熔断，上、下级（即供电干、支线）。 (4)熔断器额定电压的选择：熔断器的额定电压应等于或者大于所在电路的额定电压。 根据上述选择原则，系统中选择RT14-30型的熔断器。 3.2 控制电路的设计 3.2.1 可编程控制器的选择及确定 本次设计可编程控制器的选择及确定主要根据了工艺过程的特点、控制要求，控制任务和范围，所需的操作和动作。根据控制要求，估算了输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。 从控制要求来看需要从以下几方面来选则控制器的型号[13]。 1、输入输出(I/O)点数 I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%-20%的可扩展余量后，作为输人输出点数估算数据。本次设计大约使用20个I/O点数根据要求需要24个I/O点数。 2、存储器容量 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。经程序调试之后，得知程序容量为1M需要1M的存储器容量。 3、控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 （1）运算功能 简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。我们需要PID运算，即需要选择中型PLC作为此次设计的控制器。 （2）控制功能 控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输人输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。 （3）通信功能 大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议(如TCP/IP),需要时应能与工厂管理网(TCP/IP)相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。 PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口(RS-232C/422A/423/485),RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等;大中型PLC通信总线(含接口设备和电缆)应1:1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。 （4）编程功能 PLC的编程有离线编程和在线编程两种。5种标准化编程语言:顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。一般的可编程控制器都能满足以上要求。 （5）诊断功能 PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。根据工艺要求有必要选择大中型PLC作为控制器。 （6）处理速度 PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。 处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2-0.4 /As，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期(处理器扫描周期)应满足:小型PLC的扫描时间不大于0. 5 ms/K;大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K. 根据工艺要求一般的PLC都能满足要求。 输人输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。 从经济性的考虑，同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选用中型PLC作为控制器，CPU的型号为314C-2 DP， 输入I/O点数为24点， 输出点数为16点。 3.2.2 step-300硬件介绍 SIMATIC S7-300系列PLC是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。它的主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。它通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7 PLC相连。 一、SIMATIC S7-300主要功能： (1) 高速的指令处理。0.1～0.6 us的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 (2) 人机界面(HMI)。方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。 (3) 诊断功能。CPU的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件。 (4) 口令保护。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。 二、CPU模块 S7-300 的CPU 模块（简称为CPU）都有一个编程用的RS-485接口，有的有PROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口,可以建立一个MPI（多点接口）网络或DP 网络。西门子模块共有8种不同的中央处理单元可供选择。CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。CPU以梯形图LAD、功能块FBD或语句表STL进行编程。根据本系统的要求最后选择了CPU314C-2DP系统的CPU。 CPU 314C-2 DP 是一个用于分布式结构的紧凑型CPU。通过其扩展的工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。内置数字量和模拟量I/O可以连接到过程信号，PROFIBUS DP 主站/从站接口可以连接到单独的I/O单元[14]。因此，314C-2 DP CPU 可以用作局部单元进行快速预处理，也可以用作带从属现场总线系统的一个高级控制。此外，可以使用于过程处理相关的功能：计数、频率测量、PID 控制。 (1) CPU 314C-2 DP 安装有： ①微处理器：处理器处理每个二进制指令的时间达到 100 - 200 ns． ②扩展存储器：96 KB 高速 RAM (相当于大约 32 K 的指令) 用于执行相关的程序部分，为用户程序提供充分的空间；微存储卡（最大8 MB）作为程序的装载存储器，也允许在 CPU 中保存项目（包括完整符号和注解）。 ③灵活的扩展能力：多达 31 个模块，（4排结构） ④多点接口 MPI：内置 MPI 接口可以最多同时建立 12 个与 S7-300/400 或与 PG、PC、OP 的连接。在这些连接中，始终分别为 PG 和 OP 各保留一个连接。通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。 ⑤PROFIBUS DP 接口：带有 PROFIBUS DP 主/从接口的 CPU 314C-2 DP 可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。 对用户来说,分布式I/O单元可作为一个集中式单元来处理(相同的组态、编址和编程). ⑥内置输入/输出：24个数字量输入(所有输入都可用作中断处理)和16个数字量输出，以及4个模拟量输入和2个模拟量输出，使得CPU 314C-2 DP是一款完美的PLC。 表3-5和表3-6分别为数字量输入输出和模拟量输入输出的特性[15]。 表3-5 数字量输入输出特性 数字量输入 数字量输出 数字量输入点数 24 数字量输出点数 16 其中可用于技术功能的输入 16 其中高速输出 4 输入电压 输出电压 额定值(DC) 24 V "1"信号, 最小 L+ (-0.8 V) "0"信号 -3 至 5 V 输出电流 "1"信号 15 至 30 V "1"信号,额定值 500 mA 输入电流 "1"信号允许范围, 最小 5 mA "1"信号, 典型值 9 mA "1"信号允许范围, 最大 0.6 A 从"0"到"1", 最大 8 μs "1" 最小负载电流 5 mA "0"信号残余电流, 最大 0.5 mA 阻性负载,最大 100 Hz 感性负载,最大 0.5 Hz 表3-6 数字量输入输出特性 模拟量输入 模拟量输出 用于电压/电流测量的模拟量输入点数 4 模拟量输出点数 2 电压输出，最大短路电流 55 mA 用于电阻/温度测量的模拟量输入点数 1 电流输出,空载,最大 17 V 电压输出范围 0 至 10 V 电压输入时允许的输入电压（破坏极限），最大 30 V；恒压 -10 至 +10 V 电流输出范围 0 - 20 mA 用于电流输入的允许输入频率(破坏极限),最大 2.5 V；恒压 -20 至 20 mA 4 - 20 mA 用于电压输入的允许输入电流(破坏极限),最大 0.5 mA；恒流 输入阻抗(在额定输出范围内) 电压输出时，最小 1 kΩ 电流输入时允许的输入电流（破坏极限），最大 50 mA; 长期 电压输出时，最大容性负载 0.1 μF 电流输出时，最大 300 Ω 输入范围(额定值)，电压 0 至 +10 V 电流输出时，最大感性负载 0.1 mH -10 V 至 +10 V 输入范围(额定值)，电流 0 - 20 mA -20 至 20 mA 4 - 20 mA (2)集成功能： ①计数器：4个计数器(最高60kHz)，具有独立方向的比较器，可直接连接到24V增量编码器。 ②4通道频率测量：允许进行频率测量（高达 60 kHz），例如，测量轴速或吞吐量（每个测量周期内的件数） ③脉宽调制：4个输出可直接连接控制阀、执行器、开关设备、加热装置等，例如采样频率为 2.5 kHz。 可设置周期长度并可在运行时修改占空比。 ④定位控制：集成在操作系统中的SFB可通过2个数字量输出或1个模拟量输出对1个轴进行定位控制。 ⑤中断输入（所有数字量输入）：中断输入可以检测过程事件，并在最时间内对响应进行触发。 三、电源模块 PS307是西门子公司为S7-300专配的24 V DC电源。PS307系列模块除输出额定电流不同外(有2 A、5 A、10 A三种)，其工作原理和各种参数都相同。PS307可安装在S7-300的专用导轨上，除了给S7-300 CPU供电外，也可给I/O模块提供负载电源。 本次设计我选用的电源型号是PS307-5A。其具有以下显著特性： ①输出电流5A； ②输出电压24VDC；防短路和开路保护； ③连接单相交流系统 (输入电压120/230 VAC，50/60Hz)； ④可靠的隔离特性，符合EN 60 950； ⑤可用作负载电源。 PS307-5A的技术特性如表3-7所示。 表3-7技术特性 输入额定值 输出额定值 输入电压 120/230VAC 输出电压 允许误差 上升时间 24VDC 24V± 5％，空载状态 最大2.5s 系统频率 容许误差 50Hz—60Hz 47Hz—63Hz 输入电流 230V时 120V时 0.5A 0.8A 输出电流 5A，不能以并联方式连接 短路保护 电子式，非锁定， 1.1—1.3×IN 起动电流（25℃时） 20A 残余纹波 最大150mVss I2t（在起动电流时） 1A2s 3.2.3 传感器和变送器的选择及确定 温度传感器主要从输出信号上分为数字式温度传感器和模拟式温度传感器。数字式温度传感器和模拟式温度传感器各有优缺点。 数字式传感器与模拟式传感器相比，由于采取高集成度设计和数字化处理，在可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，但受半导体本身限制，数字式传感器还存在以下不够理想的地方： 1、数字式传感器测量的是其自身管芯的温度，并且管芯温度接近于引线的温度，所以每个传感器必须安置在与被监视环境有良好热耦合的位置。实际应用时会出现传感器所测温度值要小于环境温度，需要加修正值； 2、数字式传感器对温度转换为数字量的时间都较长； 3、测温范围不宽（均在-55 ~ 125摄氏度）； 4、数字式传感器的传递函数存在有一定的非线性，可有软件校正，不过，数字式传感器最好在常温下使用，超过常温范围它的误差较大。所以数字式传感器目前还不适合于对温度变化敏感、环境恶劣的行业； 5、数字式传感器的价格比模拟式传感器的高，做大范围应用时有一定的难度。 基于以上原因本次设计采用模拟式温度传感器。本次设计温度传感器的测量范围为0-100℃，所以采用pt100温度传感器即可，型号为WZP-230温度传感器。 表3-8 WZP-230温度传感器参数 型号 WZP-230 分度号 Pt100 温度范围 -200～500 螺纹 27*2 管粗 16 长度 300 温度传感器和变送器的原理是PT100阻值跟温度的变化成正比。PT100的阻值与温度变化关系为：当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。表 3-9为PT各温度下对应的阻值。 表 3-9 PT各温度下对应的阻值 -50度 80.31欧姆 -40度 84.27欧姆 -30度 88.2欧姆 -20度 92.16欧姆 -10度 96.09欧姆 0度 100.0欧姆 10度 103.90欧姆 20度 107.79欧姆 30度 111.67欧姆 40度 115.54欧姆 50度 119.40欧姆 60度 123.24欧姆 70度 127.08欧姆 80度 130.90欧姆 90度 134.71欧姆 100度 138.51欧姆 110度 142.29欧姆 120度 146.07欧姆 130度 149.83欧姆 140度 153.58欧姆 150度 157.33欧姆 160度 161.05欧姆 170度 164.77欧姆 180度 168.46欧姆 190度 172.17欧姆 200度 175.86欧姆 通过把PT100传感器接到模拟量模块，通过总线连接，以便PLC根据温度的高低做出决策。 3.2.3 继电器的选择及确定 继电器是一种根据某种输入信号的变化来接通或断开控制电路，实现自动控制和保护的电器。其输入量可以是电压、电流等电气量，也可以是温度、时间、速度、压力等非电量。 继电器种类很多，常用的有电压继电器、电流继电器、功率继电器、时间继电器、速度继电器、温度继电器等。 本次设计所用的PLC输出形式为晶体管输出。允许负载电压一般为DC5V～30V，允许负载电流为0.2A～0.5A，不能直接驱动交流接触器，需要通过控制中间继电器控制交流接触器。 继电器的选择及确定是根据控制回路的控制电压和主电路电压和电流确定的，系统使用的PLC可以提供直流输出电源+24V，所以选用的电压继电器的直流控制侧的电压也应为+24V。此次设计选用HH54P系列的继电器。表3-10为HH54P(MY4)小型电磁继电器参数。 表3-10 HH54P(MY4)小型电磁继电器参数 外形尺寸 27.5×21×35.3mm 触点形式 4Z(C);4H(A) 触点容量 3A 250VAC、3A 28VDC 线圈电压 DC(V): 24V 线圈功率 DC(W):≤0.9 吸合电压 ≤80%(V) 释放电压 DC:≥10%(V) 接触电阻 ≤50(mΩ) 绝缘电阻 ≤100(mΩ) 环境温度 -25℃～55℃ 介质耐压 开路触点间：1000V AC 寿 命 电气(次)：1×105次 线圈触点间：1500V AC 机械(次)：1×107次 引出端形式 插座式、插针式 3.2.4 其他器件的选择和确定 1、按钮的选择 按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开“控制电路”（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。 按钮也称为按键，是一种电闸(或称开关），用来控制机械或程式的某些功能。一般而言，红色按钮是用来使某一功能停止，而绿色按钮，则通常可开始某一项功能。按钮的形状通常是圆形或方形。 系统选择的按钮型号是LA38系列，电压为380V，电流为10A。 2、转换开关 转换开关又称组合开关，与刀开关的操作不同，它是左右旋转的平面操作。转换开关具有多触点、多位置、体积小、性能可靠、操作方便、安装灵活等优点，多用于机床电气控制线路中电源的引入开关，起着隔离电源作用，还可作为直接控制小容量异步电动机不频繁起动和停止的控制开关。转换开关同样也有单极、双极和三极。 系统选用的转换开关型号为LA38/。其适用于交流50Hz（或60Hz），电压380V及以下，直流电压220V及以下的电磁起动器、接触器、继电器及其它电气线路中作遥远控制之用；其中带灯式按钮（LED发光）还适用于需要灯光信号指示的场合 3.2.5控制电路原理图 图3-2为控制电路原理图，主要由PLC、中间继电器、模拟量模块、按钮、空气开关等组成。器件的具体型号在上文中已选出。 图3-2 控制电路原理图 3.3 本章小结 本章主要对系统的硬件部分进行了设计，并对系统的主电路和控制电路的硬件进行了选型。在此过程中，我查阅了很多资料，从中获得了很多的新知识。选型的过程中不仅要从理论出发还要考虑现场的实际经验。综合理论和经验选出更优的器件。由于大学的课程里主要涉及的是欧姆龙系列的PLC学习，开始接触西门子系列的PLC还有些不适应。经过一段时间的学习，发现虽然是是不同系列的PLC但他们有很多相似的地方。由于平时实验过程使用的都是欧姆龙系列的PLC，但是这次是涉及到实际工程的调节，在很多细节上都要注意，西门子系列的PLC的操作方法上和其他系列的PLC都有所不同，所以必须查阅很多资料才开始操作。此次设计中变频器性能的好坏直接影响着整个系统的性能指标，本系统最终选择的是西门子M440变频器，学习过程中使用的是欧姆龙的变频器，对于西门子的模拟量输入输出都是陌生的，这是得设计过程中发生了很多常识性的错误，以后需要改正。最后就是在了解了系统的硬件组成后，在下一章的软件设计上又是一个新的领域，需要积极查阅资料避免发生错误。 4 变频调速恒温系统软件部分的设计 本设计的软件部分包含2个部分，分别为上位机人机接口设计和下位机PLC程序设计。上位机人机接口监控界面由Wincc6.0设计，下位机PLC程序由step7编程软件设计，采用PID控制算法实现对温度的采集及控制。 首先对PID算法进行介绍，然后介绍下位机的PLC程序，最后介绍上位机的Wincc监控界面。 4.1 PID算法简介 自动化控制系统的核心是控制器。控制器的任务是按照一定的控制规律，产生满足工艺要求的控制信号，以输出驱动执行器，达到自动控制的目的。在控制器中控制规律的选择影响着整个系统的控制效率，在温度控制系统中最常用的控制规律是PID控制规律[15]。 在变频调速恒温供水的闭环控制过程中，将温度传感器检测到的用户管网中的水温信号经PLC的扩展模块转换为数字信号，与用户预设定的信号进行比较处理后，通过PID计算得到频率控制信号传送给变频器，变频器按照信号调整输出电压，以控制水泵的转速和泵水量，从而调节供水量，使管网出口处的温度误差保持在一定范围内。 一、模拟PID调节器 PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制[16]。图4.1为PID控制系统原理框图。 图4.1PID控制系统框图 1、PID调节器的微分方程 式（4-1） 式中 2、PID调节器的传输函数 式（4-2） 二、数字PID控制器的差分方程 式（4-3） 式中：比例项： 式（4-4） 积分项： 式（4-5） 微分项： 式（4-6） 三、常用的控制方式 1、P控制 式（4-7） 2、PI控制 式（4-8） 3、PD控制 式（4-9） 4、PID控制 式（4-10） 比例控制规律：能较快克服扰动影响，使系统稳定下来，但有余差。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许一定范围内有余差的场合[17]。 比例积分控制规律：积分能消除余差。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。 比例微分控制规律：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分控制规律对于系统的动态性能指标具有显著效果。它适用于控制的时间常数或容量滞后较大的场合。为了提高系统的稳定性减少动态偏差等可选用比例微分控制规律。对于纯滞后较大、测量信号有噪声或周期性扰动系统不宜采用微分控制。 比例积分微分控制规律：是一种比较理想的控制规律。在比例的基础上引入积分可以消除误差再加入微分作用又能提高系统的稳定性。他适用于控制通道的时间常数或容量滞后较大，控制要求较高的场合。 根据以上原则，系统中采用PID算法完成对温度的控制。 四、PID算法的两种类型 1、位置型控制：在K时刻，给定值S(n),采样值C(n),偏差值Ｅ(n)，输出值U(n)存在式（4-11）关系，U(n)是全量输出，直接决定了执行机构的位置，故称位置式算法。 式（4-11） 2、增量型控制：每次只计算ΔU(k), U(k)= U(k-1)+ ΔU(k) 　式（4-12） 系统中采用位置型PI算法完成对温度的控制。 五、PID参数的整定 数字控制器与模拟控制器相比除了需要整定PID参数，即比例系数KP、积分时间Ti和微分时间Td外，还有一个重要参数—采样周期T。 1.采样周期T的确定 从控制系统方面考虑，影响采样周期T选择的因素主要包括对象的动态特性、扰动的特性、控制算法、执行机构的速度、跟踪性能的要求。 由于生产过程千变万化，非常复杂，上面的仅是一些粗略的设计原则，实际的采样周期需要经过现场调试后确定。表4-1列出了采样周期T的一组经验数据。 表4-1 采样周期T的经验数据 被测参数 采样周期/s 备注 流量 1～5 优先选用1s ～2s 压力 3～10 优先选用6～8s 液位 6～8 优先选用7s 温度 15～20 取纯滞后时间 成分 15～20 优先选用18s PID参数的整定的方法有扩充临界比例带法、扩充响应曲线法、凑试法、仿真寻优法。 六、PID参数控制表 运用STEP 7编程软件通过梯形图设定PID控制参数，如表4-2所示。 表4-2 PID参数控制表 标号 变量地址 变量名 参数设定值 注释 1 VD100 uI(n) 测量值 调节量，即被控对象的输出量 2 VD104 up(n) 0.75 给定量，即被控制对象的给定输出 3 VD108 u(n) 输出值 控制量，用于输出到被控对象 4 VD112 KP 0.25 增益，即比例常数，可正可负 5 VD116 T 0.1 采样时间(S)，必须为正数 6 VD120 TI 30 积分时间常数(min)，必须为正数 7 VD124 TD 0.0 微分时间常数(min)，必须为正数 4.2 下位机PLC程序设计 下位机PLC程序设计由Step7-300软件采用模块化结构设计。 4.2.1 Step7-300软件的特点 Step7编程软件由符号编辑器、SIMATIC管理器、网络与通信配置、硬件组态、多语言的用户程序编、硬件诊断6部分功能组件组成。 （1）SIMATIC管理器 在step7中，用于项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。 （2）符号编辑器 使用符号编辑器可以管理所有的共享符号（全局符号）。 （3）多语言的用户程序编 用于s7-300的编程语言顺序功能图(SFC)、梯形图(LAD)、功能模块图(FBD)，是step7软件的一个组成部分。 4.2.2 PLC内存资源分配 表4-3 内存资源分配表 Wincc变量 PLC 变量类型 Wincc变量 PLC 变量类型 1#泵电机工频手动启/停 I 124.5 BOOL SCALE FC 105 FC 105 1#泵电机工频手动启/停WCC M 6.0 BOOL SW UDT 5 UDT 5 1#泵电机启动KM5 Q 124.4 BOOL sw_vat VAT 3 2#泵电机工频手动启/停 I 124.4 BOOL VAT_1 VAT 1 2#泵电机工频手动启/停WCC M 6.1 BOOL 变频器故障标志 M 6.7 BOOL 2#泵电机启动KM6 Q 124.5 BOOL 变频器故障复位 M 3.2 BOOL 3#泵电机工频手动启/停 I 124.7 BOOL 变频器故障信号 I 124.0 BOOL 3#泵电机工频手动启/停WCC M 6.2 BOOL 变频器启动 Q 124.7 BOOL 3#变频KM1 Q 124.0 BOOL 变频器正常标志 M 3.0 BOOL 3#变频标志 M 1.1 BOOL 风扇KM0启动 Q 124.6 BOOL 3#电机停机标志 M 4.0 BOOL 风扇启动/停止 I 124.3 BOOL 3#工频KM2 Q 124.1 BOOL 风扇启动/停止WCC M 6.4 BOOL 3变吸合后5s启动变频器 T 40 TIMER 故障报警 Q 125.0 BOOL Wincc变量 PLC 变量类型 Wincc变量 PLC 变量类型 3变吸合后5秒启动变频器 T 37 TIMER 频率为50HZ I 124.2 BOOL 3工3s后切M0.6 T 45 TIMER 手动/自动转换 I 125.0 BOOL 3工4变标志 M 1.3 BOOL 手动/自动转换WCC M 6.5 BOOL 3工4变温度超且低频标志 M 0.6 BOOL 显示泵3是否运行 M 5.0 BOOL 3工4变运行标志 M 0.3 BOOL 显示泵4是否运行 M 5.1 BOOL 4#泵电机工频手动启/停 I 124.6 BOOL 温度超且低频用于断开3工 M 0.5 BOOL 4#泵电机工频手动启/停WCC M 6.3 BOOL 温度偏低标志 M 0.1 BOOL 4#变频KM3 Q 124.2 BOOL 温度偏高标志 M 0.2 BOOL 4#电机停机标志 M 4.1 BOOL 延时1S T 46 TIMER 4#工频KM4 Q 124.3 BOOL 延时1S切m1.0 T 53 TIMER 4变后3s启动4工 T 43 TIMER 延时1S切M1.3 T 51 TIMER 4变吸合后5s启动变频器 T 42 TIMER 延时3s,3变切3工 T 41 TIMER CW UDT 6 UDT 6 延时3s使3变无效 T 49 TIMER cw_vart VAT 4 运行频率降至最低启动频率 I 124.1 BOOL db_mm440 DB 1 DB 1 重新启动系统 M 1.0 BOOL DPRD_DAT SFC 14 SFC 14 最低频率上限标志 M 4.7 BOOL DPWR_DAT SFC 15 SFC 15 最低频率下限标志 M 4.6 BOOL 4.2.3 系统流程图的设计 系统工作过程：启动系统之后系统中各个设备的状态标志正常，判断水温是否超限，如果超限置位相应的标志位。选择自动调节还是手动调节，如果是手动，工作人员可以手动操作泵的启停。如果是自动系统按照预定的程序自动完成调节。手动和自动通过转换开关来实现。图4-2所示为系统自动时的总流程。自动时的温度测算流程、频率测算流程分别如图4-3和图4-4所示。 图4-2系统自动时的总流程的工作过程：给系统上电，系统中的各设备状态标志正常，程序读取实时温度并判断出实时温度是否超限，如果超限置位相应的标志位，把旋转开关选到自动档。这样就能执行预先设定好的程序了。 图4-2 系统自动时总流程图 图4-3温度测算流程图工作工程：通过模拟量模块将采集的电压信号送到PLC相应的内存中，通过相应的程序算出当前的温度，并置位相应的标志位。 图4-3 温度测算流程图 图4-4频率测算流程图的工作过程：将采集到的频率信号送入PLC内存中，并判断是否超限，如果频率低于下限值使M4.6得点并送入上位机显示，频率高于于上限值使M4.7得点并送入上位机显示.并使Q0.0得电，变频器工作。 图4-3 频率测算流程图 4.3 上位机人机接口Wincc监控画面的设计 上位机人机接口监控画面的设计采用Wincc6.0完成。西门子公司的WINCC是Windows Control Center（视窗控制中心）的简称。它集成了SCADA组态、脚本(Script）语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。Wincc继承西门子公司的全集成自动化（TIA）产品的技术先进和无缝集成的特点。WINCC基本系统由变量管理器、图形编辑器、报警记录、变量归档、报表编辑器、全局脚本、文本库、用户管理器、交叉引用表九部分构成。 对于本监控系统来说, 利用WINCC软件制作本系统的主界面，其组成主要包含以下几个部分:恒温供水系统初始画面、管理和监控画面、工艺流程图、电气接线图、工作状态及手动方式画面。 图4-4为恒温供水系统初始画面能选择整个供水系统的运行方式即手动和自动方式。图4-5为恒温供水系统自动控制主画面，在初始画面中点击“欢迎进入自动主画面”进入恒温供水系统自动控制主画面，点击相应的按钮可进入相应的画面，可进入供水系统工艺流程图画面、供水系统电气接线图画面、供水系统工作状态显示画面。通过画面的切换可以看到系统的工艺流程图（图4-6）和工作状态（图4-8），这样方便在监控过程中及时发现状况，可以及时准确的通知现场值班人员进行其他操作。 电气接线图把系统的成套装置、设备或装置的链接关系都显示在操作人员的面前，方便接线和检查电路，恒温供水系统的电气接线图见图4-7。 图4-9为手动控制画面，可以直观的反应电机的运行状态。 图4-4 恒温供水系统运行主画面 图4-5 恒温供水系统自动控制主画面 图4-6 供水系统工艺流程图 图4-7 供水系统电气接线图 图4-8 供水系统工作状态显示画面 图4-9 系统手动控制主画面 4.4 本章小结 本章从程序设计理论着手，画出了程序功能图和系统自动控制过程列表，并对程序设计作了具体说明，根据以上理论，设计出了程序梯形图，并做出了wincc上位机组态画面。程序根据变频器频率信号是否到达上限或下限来确定是否进衍加泵或减泵，如变频器频率信号到达下限就进行加泵，如变频器频率信号到达上限就进行减泵，程序根据是否在同一状态持续运行一定时间来确定换泵运行。系统遵循“先启先停、后启后停”的原则切换泵来保持管网温度恒定，还保持每台泵运行时间相当，不致于某一泵长时间不运行而锈死。对于水压控制环节而言，PID控制是一种简单有效的控制方法。本章结合供水系统的运行特征总结了PID参数对PID算法的影响，分析了德国SIMENS公司的s7-300系列CPU314C-2DP中的PID算法的离散化实现方法，并运用该方法设计了一个用于温度控制环节的PD控制器。本文结合对西门子S7300系列PLC的PID模块，对模拟PID公式进行离散化处理，阐明了数字PID控制器的设计过程。运用PLC配套的STEP 7-Micro／Win编程软件设计了一个用于供水系统温度控制的PID控制器。 5 变频调速恒温供水系统调试 本次设计用到的软件是step7编程软件和wincc监控软件。 5.1 调试步骤 系统的调试主要包括PLC、WINCC和变频器等设备的调试。 (1)给PLC送电，编写简单的程序，调试接触器，使得所有接触器通断正常； (2)给变频器送电，并设定其参数。 (3)在PLC与变频器工作正常的条件下，编写简单的程序，采集变频器的输出信号，并调试令其正常； (4)在PLC工作的条件下，采集温度信号，并调试使其处于正常工作范围； (5)在温度信号正常的条件下，将其送入变频器内部，设置PID工作方式，调试PID并令其正常； (6)令系统所有硬件正常工作，变频器参数正常设计，PID工作方式正常，写入完整的PLC程序，看系统是否正常工作，若有偏差，给予调试，直到正常； (7)系统在PLC工作正常的条件下，令上位机工作，在温度给定的条件下，看系统采集上来的数据是否正常，界面工作是否正常，若不正常，给予调试，直到正常。 5.2 本章小结 系统调试是系统投入运行中一个重要环节，主要包括PLC程序调试与运行，变频器参数的设置，PID参数调整运行等。试验表明系统稳定可靠而且经济性强。 6 全文总结 在这次设计中首先确定了变频调速恒温供水系统的设计方案，主要是针对实际要解决的问题选择用变频调速的方案来解决，在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的，在深白天温度较高的情况下，系统自动切换到小容量的辅助泵运行，以进一步节能降耗，提高节能效果。 在确定方案后，我对系统的硬件部分进行了设计，并对系统的主电路和控制电路的硬件进行了选型。其中，主电路中包括水泵、电动机、热继电器、交流接触器、低压断路器、熔断器和变频器的选型；控制电路中包括可编程控制器、按钮、转换开关和温度变送器的选型。 在软件设计方面，我首先确定了本次设计中算选用了PID算法。再从程序设计理论着手，画出了系统流程图，并对程序设计作了具体说明，根据以上理论，运用STEP7-300软件设计出了程序梯形图，并做出了WINCC上位机组态画面。程序根据变频器频率信号是否到达上限或下限来确定是否进行加泵或减泵，如变频器频率信号到达下限就进行加泵，如变频器频率信号到达上限就进行减泵，程序根据是否在同一状态持续运行一定时间来确定换泵运行。保持每台泵运行时间相当，防止某一泵长时间不运行而锈死。 在完成了硬件和软件的设计之后，我对系统进行了调试，这是系统投入运行中一个重要环节，主要包括PLC程序调试与运行，变频器参数的设置，PID参数调整运行等。试验表明系统稳定可靠而且经济性强。 变频调速恒温供水系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水温恒定以满足用水要求。随着新型软件的开发，自动恒温供水系统具有的标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。系统的控制装置采用PLC控制器，可实现泵组的逻辑控制、系统的数字PID调节功能，并可对系统中的各种运行参数实现实时监控，但本文对系统远程监控工作未作详细讲解，这是下一步研究的重点。变频调速恒温供水控制系统的应用，为人民生活带来极大方便，也为企业带来巨大经济效益，并同时得到了科技工作者与广大民众的认可。将来的趋势必定是变频调速恒温供水全面取代传统的供水方式，成为供水方式的主流。 参考文献 [1]蔡建军,孔鹏,陈维荣.基于PLC和变频调速的锅炉供暖系统的设计[J].2004.02. [2]方子风.废热锅炉设计[M].上海科学技术出版社.1989. [3]段平平.用PLC控制变频调速系统的研究[J].河南科技学院学报,2008.9. [4] 姚厚伟.变频器供水系统中的应用与节能[M].节能技术,1999. [5]戴建国,左正华.变频调速在循环水泵的应用[J]. [6]王春堂,孙玉霞.水泵与水泵站[M].黄河水利出版社,2011. [7] 王丁.电机与拖动基础.机械工业出版社[M],2011. [8] 张燕宾.变频器应用教程.机械工业出版社[M],2011. [9]韩顺杰.吕树清北京大学出版社[M],2006. [10]王平,鲁英.PLC应用教程.中国水利水电出版社[M],2011. [11] 陈洁.PLC入门与应用案例.中国电力出版社[M],2011. [12] 韩兵.PLC与工控系统安全自动化技术及应用.中国电力出版社[M],2011. [13] 张政.PLC编程技术与工程应用.机械工业出版社[M],2011. [14] 廖常初.可编程程序控制应用技术[M].重庆出版社. [15].SIMATIC S7-300 系统 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 . [16] 刘美俊.PLC控制系统可靠性的软件设计方法[M],2001. [17]林敏.计算机控制技术及工程应用.国防工业出版社,2010.6. 致谢 本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 从选题到完成，每一步都是在导师刘老师的指导下完成的，倾注了刘老师大量的心血，刘老师严谨的治学态度和求实的工作作风使我终身受益，由于本次设计我选用的软件是以前没有用过的，等于是从零开始，是刘老师的耐心教导、并给予我关心和支持，才使我的论文得以顺利完成，在此向刘老师表示崇高的敬意和衷心的感谢，也为我的大学四年画上了圆满的句号。还要感谢在这四年中教过我的每一位老师，没有你们认真的教诲，我也学不到那么多的知识，做不出来今天的设计。在这里我也不能忘记那些给我很多帮助的同学，对我设计指出的不足之处，以及教我如何使用画图软件，完成设计最重要的部分，没有你们我也不会做出这么完整的设计，对你们每个人表示深深的感谢，另外，在课题的研究中，参阅了大量的文献资料，作者们开拓性的劳动是我工作的基础，在此向他们表示深深的谢意!向审阅、评议及参加答辩的专家和老师致敬! 附录一 系统程序梯形图 附录二 系统硬件原理图 � EMBED Visio.Drawing.11 \* MERGEFORMAT ��� � EMBED Visio.Drawing.11 \* MERGEFORMAT ��� _1234567899.unknown _1234567903.unknown _1234567907.unknown _1234567909.unknown _1234567911.unknown _1234567912.unknown _1401546125.vsd � � � � � AC� � � � M1� KM1 M3� M2� M4� QS L1 L2 L3 AOUT1 AOUT2 AIN1- AIN1+ RL1-B RL1-C MM440 RL2-B RL2-C RL3-B RL3-C U V W FU1 FR1 KM2 FU2 FR2 KM3 FU3 FR3 KM4 FU4 FR4 FU5 KM5 KM6 KM7 FU0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 N L3 L2 L1 AC 220V� KM2 KM1 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KM6 KM7 KM3 KM4 KM7 KM6 KM5 K6 K7 K1 K2 K3 K4 K5 L1 N +24V RA A+ A- RB B+ B- RC C+ C- RD D+ D- M L+ 配 置 1L 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 N L1 1M 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 M L+ +24V 温度传感器输入 变频器输出频率 模拟用水点温度 变频器故障信号 变频器运行频率降至最低 运行频率为50HZ 无水保护 系统急停 _1234567910.vsd � 积分 比例 微分 + + + u （t） 被控制对象 （t） c （t） e （t） r _1234567908.unknown _1234567905.unknown _1234567906.unknown _1234567904.unknown _1234567901.unknown _1234567902.unknown _1234567900.unknown _1234567895.unknown _1234567897.unknown _1234567898.unknown _1234567896.unknown _1234567893.vsd � PLC 循环 水泵 EM 锅炉 Wincc 循环水 检测电路 变频器 按钮电路 报警电路 _1234567894.vsd � � � � � � � � � � � AC� M2� M1� M3� FU1 KM2 KM3 KM1 FU2 FU3 FR1 FR2 FR3 M4� KM4 FU4 FR4 FU5 KM5 KM6 KM7 L1 L2 L3 AOUT1 AOUT2 AIN1- AIN1+ RL1-B RL1-C MM440 RL2-B RL2-C RL3-B RL3-C U V W QS FU0 N L3 L2 L1 _1234567891.vsd ������������ ������� SZ-4 PLC� ���� ���� ����� �� �� ��� �� ��� ������� ������� Vt� ��������� ������� _1234567892.vsd 液晶显示 复位 E2PROM 单 片 机 DA AD 键盘 PID电路 热敏电阻及反 馈电路 功放 制冷 元件 _1234567890.vsd ����������������� ������� ������� �� �� ��� ����� ��������� �����