基于plc的油泵控制系统的设计毕业设计.doc

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1、南京工程学院 工 业 中 心 本科毕业设计说明书（论文）题 目： 基于PLC的油泵控制系统设计 专 业： 自动化（系统集成） 毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：供油泵是生产生活中重要的电气设备，由于其长时间全压工频的运行方式，能耗较大，造成能源浪费，并加剧油泵的磨损。本文主要研究PLC与变频器在加油站油泵控制系统中的应用，通过引入变频器，对供油泵控制系统进行设计改造，利用变频器本身的软启动特性，大大降低了启动时对供油泵的冲击、磨损和噪音，提高了供油泵的使用寿命。本设计是基于西门子S7-300 PLC控制器，运用PID控制算法，对系统采用变频恒压控制，有效解决了系统供油压力不稳，油量不足的问题

2、。论文还研究了S7-300与MM440之间通过PROFIBUS-DP总线传输数据控制变频器及单片机与S7-300通过CP340进行Modbus RTU通信问题；采用SIMATIC WinCC(Windows Control Center)-视窗控制中心进行电机的电压、电流、频率、速度、压力和变频器故障报警等的监控。调试数据表明，本系统运行过程中供油稳定，最大限度提高了电机的效率，达到了节约能源的目的，且提高了供油质量，设备运行的维护量也大大降低。关键词：油泵 变频器 WinCC PROFIBUS-DP PID CP340 MODBUS RTU 毕业设计说明书（论文）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 S7-300 P

6、LC 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 failure of

7、 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 reduced.Keyw

8、ords: Oil pump inverter WinCC PROFIBUS-DP PID CP340 MODBUS RTU II南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）目 录前言- 1 -第一章 绪论- 2 -1.1引言- 2 -1.2课题研究背景和研究意义- 2 -1.3课题主要研究内容- 3 -1.3.1 变频恒压供油的实现- 3 -1.3.2 S7-300与MM440间DP通信- 4 -1.3.3 WINCC监控系统- 4 -1.3.4 压力传感器- 5 -1.3.5串行通信模板CP340的MODBUS RTU通信协议- 5 -第二章 油泵的基本参数及其工作特性- 7 -2.1 油泵

9、理论及油泵工况点分析- 7 -2.1.1 流体输送设备- 7 -2.1.2 油泵的工作参数- 7 -2.1.3 油泵的基本特性曲线- 8 -2.1.4 油泵的工况点- 9 -2.2 变频调速分析及供油系统的理论模型- 9 -2.2.1 变频调速的原理- 9 -2.2.2 工况点调节- 9 -2.2.3 节能分析- 10 -2.2.4 恒压供油系统的理论模型- 11 -第三章 硬件系统设计- 12 -3.1 硬件选型- 12 -3.1.1 PLC选型- 12 -3.1.2 变频器选型- 13 -3.1.3 S7-300与STM32进行点对点通讯模块选型- 13 -3.1.4 HMI- 14 -3

10、.2 硬件接线图- 15 -3.2.1 系统网络结构示意图- 15 -3.2.2 电源电路的设计- 15 -3.2.3 数字量接口设计- 16 -3.2.4 模拟量接口设计- 17 -3.2.5 CP340接口设计- 17 -第四章 软件系统设计- 18 -4.1 软件设计简介- 18 -4.1.1 PLC工作方式- 18 -4.1.2 S7-300数据类型- 18 -4.1.3 S7-300数据高位低位- 20 -4.1.4 地址重叠问题- 21 -4.1.5 IW和PIW的区别- 21 -4.1.6 功能模块FB和FC的区别- 21 -4.1.7 背景数据块和全局数据块的区别- 22 -4

11、.1.8 模拟量输入及参数值整定- 22 -4.1.9 模拟量输出及参数值整定- 23 -4.2 自动控制系统的性能要求- 23 -4.3程序流程图设计- 24 -4.3.1 模块化编程简介- 24 -4.3.2 程序结构图- 25 -4.3.3主要程序流程图- 25 -4.3.4 关键程序设计- 29 -第五章 系统联调- 30 -5.1 PLC与MM440通信测试- 30 -5.1.1 PROFIBUS网络通信简介- 30 -5.1.2 Step 7硬件组态- 30 -5.1.3 报文介绍- 31 -5.1.4 变频器参数设置- 37 -5.1.5 报文收发测试- 37 -5.2 S7-3

12、00与STM32 ModbusRTU通信- 44 -5.2.1 CP340编写ModbusRTU通信介绍- 44 -5.2.2 CP340的ModbusRTU通信组态- 45 -5.2.3 ModbusRTU的通信帧- 46 -5.2.4 CP340的ModbusRTU通信测试- 47 -5.3 WinCC组态界面分析- 50 -5.3.1 HMI控制任务- 50 -5.3.2 工艺界面- 51 -5.3.3 手动操作界面- 52 -5.3.4 报警界面- 52 -5.3.5 趋势界面- 54 -5.3.6 历史数据- 54 -5.3.7 登录与退出快捷键分配- 57 -5.3.8 水流动画脚

13、本介绍- 57 -5.4 系统稳态分析- 59 -5.4.1 PID算法的实现- 59 -5.4.2 PID死区- 59 -5.4.3 PID参数整定- 60 -5.4.4 系统稳态分析- 61 -5.5 故障分析- 62 -5.5.1 调用程序块无能流通过- 62 -5.5.2 变频器断电启动后报A0703伴随着F0070，复位后，恢复正常。- 62 -5.5.3 WINCC背景变成红色，连接状态显示为NO- 63 -5.5.4 LED灯故障诊断- 63 -5.5.5 压力传感器零点问题- 64 -5.5.6 PID曲线抖动严重- 64 -5.5.7 自吸泵吸不上油的原因- 64 -第六章

14、总结- 65 -致谢- 66 -参考文献- 67 -附录：程序- 68 - 3 -前言当今，变频调速已经成为可靠，稳定且应用范围广的异步电机的调速方式，深受广大用户的喜爱，其在冶金行业、电力行业、机械制造业等得到了大量的应用。本次设计就是通过变频器来控制油泵电机，对油泵电机实行无极调速，依据用油量及通过PLC检测、运算，自动改变油泵转速保持油压恒定以满足整个系统的供油要求，在当前看来，也是一种合理的节能供油系统。供油泵是生产生活中重要的电力设备，能耗较大，在实际生活中，由于其长时间全压工频的运行方式，造成能源浪费，并加剧泵的磨损。通过引入变频器，对供油泵控制系统进行设计改造，利用变频器本身的软

15、启动特性，大大降低了启动时的供油泵的晃动冲击，磨损和噪音，提高了供油泵的使用寿命。本次设计基于S7-300 PLC控制器，采用PID控制算法，对系统采用变频恒压控制。有效解决了系统供油压力不稳，油量不足的问题。利用变频特性有效改善了对电机的供油质量，提高了功率因素，从而最大限度提高了电机的效率1。SIMATIC WinCC是上位机上用的组态软件，其特点就是：可以使用VB和C脚本进行编程，其内部集成了大量的函数库，方便用户调用；WinCC数据归档能力强，用户可以随时查询以前的数据；，WinCC这种基于Window平台监控系统，超越了国际上大部分的组态软件，凭借其优秀的性能和强大的的战略思想，已经

16、成为市场的领导者。本次设计就是通过WINCC监控并操作整个系统，让整个系统处于安全受控状态。系统运行方式设计为“面板操作”和“HMI操作”，“面板操作”使操作人员操作电器有关元件实现。系统的HMI采用WinCC组态设计的，HMI显示压力，系统的工作状态，发生故障时显示报警信息并提示操作人员哪里发生了故障及如何处理故障，操作时进行操作提示，可实现人与机器更好的交流。两种操作方式下又分为“手动”和“自动”两种方式，在“手动”方式下，操作人员可自由的控制油泵。“自动”为PLC通过压力的测量值，进行一些复杂的运算，自动给变频输出，实现最佳节能控制。第一章 绪论1.1引言工业自动化技术，就是通过自动控制

17、装置自主地对生产过程、工艺参数、技术指标、产品要求等进行自动的调节与控制，使之达到预定的技术指标2。自动化的水平高低，将直接影响到产品的质量、产量、成本等，正因为如此，人们将越来越重视自动化控制技术，其在先进制造技术中占有很大分量。而先进制造技术人才是我国当前最紧缺的专业人才，就业前景良好。工业制动化技术包括电子与电气设备、自动化生产线、可编程序控制器、计算机辅助设计和计算机监控管理系统。全集成自动化（TIA）树立行业新基准。 全集成自动化将所有的设备和系统都整合到一个自动控制系统的解决方案中，采用这种方法将解决现有系统所遇到的困难，并且优化了整个系统结构，使系统更为简洁。见图1.1。图1.1

18、 全集成自动化系统构架图1.2课题研究背景和研究意义近年来，机动车的不断增加，导致用油量猛增，各处加售油点已经成为生活中不可分割的一部分。机动车给我们提供了很多方便，扩大了我们活动范围，加快了社会节奏，却给供油系统增加了更大的压力。昼夜、季节、上下班高峰期以及节假日的不同其用油量也有着较大的变化，在没有变频器的情况下，常常会出现油压的剧烈波动。导致供油不稳定，对产品和设备都会造成很大的伤害。通过引用变频器和压力传感器，使其压力可调，将能彻底的解决这个问题。如今，中国作为世界上第二大经济体，其石油进口量将超越美国，成为世界上最大的石油进口国，相关数据表明，4月份中国石油的每日进口量为740万桶，

19、而美国的的日进口量则只有720万桶2。当然，由于克里米亚问题，美国制裁俄罗斯导致国际油价低迷，不排除我国因此加大石油战略储备缘故。但是，中国进口量持续增加将是必然趋势。如何高效的利用这些能源以及减少对国外的依赖，解决这个问题的方法，有现如今讨论最为激烈的新能源技术，以及如何产生可再生能源，我认为最为实际的方法便是减少浪费，提高能源利用率。供油泵不仅在加油站是主要设备，也是汽车变速器的核心设备，在电厂，机场等也存在大量应用供油泵的情况，利用PLC、变频器和压力传感器组成的闭环控制系统来调节油泵的转速，让管网的压力得到了保证，确保了系统的可靠性，供油稳定且节能效果明显。1.3课题主要研究内容本文以

20、PLC为控制器对加油站油泵控制系统进行设计。采用压力传感器检测油管中的油压，控制器实现对油泵的变频调速，来控制加油量。其控制系统由S7-300、WinCC、MM440以及现场总线网络通信构成,可实现高可靠性、高效率和高精度的控制。主要研究内容如下：1.3.1 变频恒压供油的实现图1.2 PLC模拟量闭环控制系统框图在此闭环系统中，被控量压力C(t)是连续变化数值，而PLC作为数字控制器不能过直接处理连续数据。因此在实际闭环控制系统中，被控量首先被传感器和变送器转换为模拟信号（一般是420mA或010V），PLC利用模拟量输入模块中的A/D转换器将其转换为数字量PVn。另外，控制这些物理量的执行

21、器多数接收的也是模拟量，所以PLC处理过的数据M(n)还必须数/模转换成连续的模拟信号M(t)来驱动执行器的操作，从而达到控制压力的目的11。在实际系统中，模拟量和数字量之间的相互转换和PID程序的执行都是周期性的操作，其间隔时间成为采样周期Ts。在图1.2中，各数字量的的下标表示该变量是第n次采样计算时的数字量。其中SPn是给定值，PVn是A/D转换后的反馈值，而误差信号en=SPn-PVn。1.3.2 S7-300与MM440间DP通信西门子S7-300PLC对MM440变频器控制有端子排及Profibus-DP通信控制。由于DP控制具有接线少、抗干扰能力强和控制距离远的特点，所以工业现场

22、广泛采用Profibus-DP控制。在现场层的高速数据传送应用ProfibusDP总线，主站PLC周期性的读取从站MM440的输入信息，并周期性的向从站MM440发送输出信息，总线循环的时间必须要比主站(PLC )程序循环时间短3。本次设计基于压力传感器检测值输入PLC模拟量模块，该模块将模拟量转换成数字量整形数（0-27648）。在PLC程序内部将该信号转换成实际压力，经FB41运算过后LMN输出仍为实数，调用FC106转换为电机的速度016384（P2009=1）来控制电机。1.3.3 WINCC监控系统HMI的用户群和用户领域是千变万化的，为此，WinCC提供了针对网络、冗余、瘦客户、配

23、方等的选件（Option）来灵活地扩展用户的应用 4。1. 下载生产配方文件到PLC2. 组态连接更多的客户机3. 通过网络浏览器监控WinCC项目4. 过程诊断5. 支持冗余6. 过程可视化和数据分析7. 访问WinCC报警和归档8. 连接数据库和IT系统9. 评估和压缩过程数据10. 管理机器数据11.组态用户自定义的ActiveX对象12.使用编程接口3在严酷的工业环境中，一旦设备和系统失效，宝贵的生产时间将被无情的浪费。WinCC提供了了大量快速定位故障的强有力的手段，从而确保停工时间最小化。本次设计中，充分考虑到这一点，其中确保与PLC正常通讯最为重要，WinCC具有强大的故障诊断能

24、力，本次连接状态的静态文本显示OK，表示与PLC连接正常，显示NO表示连接失败，在文本中，点击动态对话框进行组态，通过查看实际频率变量变量状态，而得之是否连接成功，在变量状态中没有连接的文本中输入NO即可，在表达式/公式的结果一栏中，其它输入OK，即可通过实际频率变量与PLC的连接状态来查看WinCC与PLC的连接状态。操作员还可这样处理故障：远程浏览运行WinCC的PC，读取PLC诊断缓存信息，浏览应用中的PLC程序，查询帮助手册。1.3.4 压力传感器压力传感器输出420mA的模拟量信号，送到S7-300的模拟量输入模块，PLC对其进行PID运算，现场调试过程中在线调整FB41中参数比例、

25、微分、积分值，以保证系统运行稳定，确保管路的油压稳定。1.3.5串行通信模板CP340的MODBUS RTU通信协议本次设计的售油机由8个子系统组成，也就是由8位同学共同设计完成，8个部分分别为：SCADA，主控制系统，机泵单元，看板单元，流量计单元，智能卡单元，门禁单元以及地磅单元，主控和机泵通过MODBUS RTU进行点对点传输数据来控制机泵的启停，以及读取油压和机泵的频率。分配给本人的任务为机泵单元，那么与主控之间通讯模块的选择，就变得尤为重要，西门子公司提供了多种点对点通讯模块，从经济和可靠性方面，本次数据传输选择CP340模块来完成，设计难点为利用CP340编写Modbus RTU通

26、讯协议。CP340通讯处理器允许通过一条点对点连接在自动化设备之间或计算机之间进行数据交换。CP340通讯处理器可以与各种 Siemens 模块和非 Siemens 产品点对点连接5。通过通讯模块CP340与单片机系统实现485通信，CP341虽功能强大，但由于CP340价格低廉，而受到广泛的应用。 8个人共同完成整个售油控制系统的设计，其中联合调试以及数据间的相互传输，是整个系统的设计难点与核心。整个系统的结构图为；第二章 油泵的基本参数及其工作特性2.1 油泵理论及油泵工况点分析2.1.1 流体输送设备流体的输送是一个动量传递过程，流体在管道内流动从泵或压缩机等输送设备获得能量，以克服流动

27、阻力。输送液体并提高其压头的设备是泵，输送气体并提高其压头的设备是压缩机。不需要再吸入管路内充满水就能自动的把水抽上来的是离心泵6。第一次使用自吸泵时，需要在泵内灌水，使泵内空气排走，是吸水管内的真空度不断增大，被输送的水便不断沿吸水管上升。待泵内完全充满水时，泵就进入正常工作状态，完成自吸过程。在这之后的使用过程中自吸泵启动都不需要加水，其自身的叶轮装置可以辅助其完成自吸过程。自吸泵的结构紧凑、维护容易，使其越来越受广大用户的喜爱。2.1.2 油泵的工作参数在油泵的接线盒上，其铭牌参数有最大流量（40L/min），最大扬程（35m），最高吸程（68m），功率（335W），转速（2800r/m

28、in）,电压（380V），频率（50HZ）等。流量、转速、扬程之中只要有一个发生变化，其他两个参数也会按照一定的规律变化。流量Q：指选定一个截面，在单位时间流过这个截面的流体的体积，那么流量Q=，是流动速度，S为横截面面积。流量的单位一般为L/s。扬程H：泵把单位液体提升的高度叫做泵的扬程，单位：m液柱。扬程的变化直接使泵的流量发生变化6。泵的扬程分为吸入扬程和排出扬程。把液体从容器中吸入到泵内的扬程叫吸入扬程。吸入扬程包括吸入高度和吸入管路的阻力损失两部分，公式为：H吸=H吸高+H吸损。把液体从泵排到另一个容器的扬程叫排出扬程。排出扬程包括排出高度和排出管路阻力损失两部分，公式为：H排=H排

29、高+H排损。泵的扬程包括吸入扬程和排出扬程，公式为：H=H吸+H排= H吸高+H吸损+ H排高+H排损。自吸泵的扬程可用真空表检测，排出扬程可用压力表检测。因此泵的实际扬程是： (2-1)式2-1中P表泵排出口压力表的读数，Pa；P真泵吸入口真空表的读数，Pa；U吸泵吸入口测量点的读数，m/s；U排泵排出口测量点的流速，m/s；h泵吸入口和排出测量点的高差，m：-液体的密度，kg/m3；-重力加速度，m/s2.在实际中，压力表与真空表安装高度差很小，可忽略不计h=0；泵的吸入管径与排出管径一般情况下相等或相差不大，则U吸=U排，泵的扬程与压力表和真空表读数的关系可简写成下式7： (2-2)2.

30、1.3 油泵的基本特性曲线油泵是生产生活中，不可或缺的电力设备，泵的选择直接影响到生产成本和效率。因此，泵的性能研究变得格外重要，根据泵的特性曲线比较泵的扬程，功率和泵的总效率，作为选泵的依据。泵的特性曲线可用下列三个函数关系表示扬程与流量之间函数：H=f1（Q）；轴功率与流量之间的函数：N=f2（Q）；效率与流量之间的函数：h=f3(Q) ；见图2.1图2.1 泵的特性曲线从曲线图可以就看出，自吸泵的扬程在一定流量范围内是随流量的增大而减少的，曲线比较陡峭表示适用于扬程变化范围大而流量不能变化太大的场合；轴功率随着流量的增大而减少，显然，流量为0时，轴功率为最大；流量和效率曲线类似抛物线，开

31、口向下，该曲线的最高点，效率最高，该点为自吸泵的设计点，及最佳工况点。该曲线的作用是泵以一定的流量点，都可以在曲线上找出一组与其相对应的扬程、轴功率、效率，这一组参数称为工作状态，简称工况或工况点，一般泵的额定参数就是与设计工况点相重合或相接近，设计工况点和最佳工况点相重合或很接近。在实际的选效率区间运行，既能保证泵的正常运转，又可以节约电能。2.1.4 油泵的工况点泵的正常工况点和额定工况点在额定工况点下的效率相对较高，额定工况点是厂家设定的工况点，但是我们在设计使用中不一定达到，或者超过这个工况点都是有可能的，因此一般规定一个范围，称为泵的高效区。此区通常为最高效率的92%左右，而这就是泵

32、的正常工况点，本次设计符合75%105%,根据工艺工况，将有一个最合适的压力、流量和扬程。实际运行的工况时油泵性能曲线图，根据实际，设计扬程与流量，这个点就是正常工况点。油泵一般运行在一个正常的范围内，其实际运行还受到泵的安装，管道的安装及长度，管径以及实际扬程等一系列因素的影响。2.2 变频调速分析及供油系统的理论模型2.2.1 变频调速的原理变频器其原理便是先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机，即交-直-交的控制方式。从电机学可知，异步电机的转速公式： (2-3)式2-3中，为电动机极对数；为电动机定子供电频率；为定子供电

33、角频率（角速度）；为转差率，其中，为同步转速，为转差角频率，稳态速降与负载有关8。由式可知,电机转速与频率近似成正比，改变频率，就可以平滑地调节电机的转速，从而可以连续方便地改变运送介质的流量。泵的转速n、流量Q、压力P、以及轴功率H具有如下关系：,、，即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。通过改变电动机的转速就可方便地改变泵的出水量，可以有效保证期望的工况，降低系统的电动损耗。2.2.2 工况点调节当油泵的转速发生变化时，其流量特性曲线也会发生变化。图2.2 流量特性及管路特性曲线图2.2中，1、2、3为n1、n2、n3对应的三条流量特性曲线，且n1n2n3。

34、从曲线图中可以分析出流量一定的情况下，转速越高，H越大。在管路特性曲线B的情况下，减少油泵转速，则工作点C1将下移到C2或C3，流量也相应的由Q1减到Q2或Q3。这种方案从能耗的角度来说，是最为经济，机械效率最高的调速方式9。工况点调节也可以通过改变管路特性曲线的方法，即通过改变阀门开度的大小，来实现调节流量的大小。泵的压头和流量有一定的对应关系，转速n1不变的情况下，将阀的开度加大，其管路特性曲线变成B2,工作点从C1移到C4，流量从Q1移到Q4。这种方案，控制阀一般安装在泵的出口管线上，简单可行，应用范围广，但是这种方案，总的机械效率低，特别是在阀门开度较小时，阀门上的压降较大，对于大功率

35、泵，损耗的功耗相当大，因此是不经济的。2.2.3 节能分析首先，先提一下与节能相关的词利用率举个例子，一个抽水泵工频条件下运行一小时，去给一栋楼供水，但是这台抽水泵功率太大了，抽出去的水这栋楼里用不了。实际的做法便是再抽水泵的出水口加上一个挡板，这个挡板挡住了水流，这栋楼需要多少水就把挡板开到多大，这样一来，很多能量便浪费在挡板上了。如果去掉这个挡板，给抽水泵加上个变频器来调节抽水泵的速度，速度越低越省电，这样能量就节省下来了，而不是白白浪费在挡板上，这样就能达到节能的效果。供油泵是生产运行中能耗较大的电力设备，在正常应用中，都是通过控制供油泵出口的循环阀门开度来调节供油的流量和压力，不仅造成

36、了大量的能源浪费在阀门上，而且油流量的增加致使管线油温快速上升，天气温度较高时，还会造成很大安全隐患。变频器对过压、欠压、过载、短路及电路失速都能可靠接地保护。油泵应用变频器，即可提高工效，又可节约用电，保护电机及设备。其应用范围将大大的增加。2.2.4 恒压供油系统的理论模型图2.3 恒压控油控制原理框图变频恒压供油将管网的油压传递给S7-300，S7-300根据设定的压力值让实际压力跟随其变化，以达到恒压供油的目的。当压力偏离平衡状态而上升时，将压力的变化转换为膜片装置的形变程度，压力变送器将其转化为电流变化量的上升，作为测量值Z送给PID调节器；调节器将Z与给定值R进行比较，由于R保持不

37、变，Z上升，则R-Z=E，E将下降，由PID的性质，此时LMN值将下降；频率f和转速n也将随着其下降，很显然，转速n下降将使出口压力P也下降。如此使P回归给定值，如果PID参数设置恰当，可获得比较满意的调节的效果，这个调节过程可用符号简洁地表达为：相反，当干扰使出口压力P下降时有：很明显，这是一个闭环负反馈控制系统，如果把方块图中Z信号旁的“-”变成“+，”E就等于P+Z，系统变成了正反馈，就不能克服干扰，此时，可见，在正反馈控制系统中，反馈值上升，系统将越来越偏离给定值。第三章 硬件系统设计3.1 硬件选型3.1.1 PLC选型西门子S7-200、300、400最大的区别是应用规模上的不同。

38、在实际工程应用中200控制点数一般不会超过64个；300的系统一般不超过512个；400则基本上就是大型系统了上千点都不足为奇。当然系统的控制点数是受限于CPU的寻址能力、存储器容量和授权点数以及设计思想的。这些参数可以查询相关的手册。根据系统规模和客户的技术要求对控制系统I/O点数进行估算。分析被控对象的工艺过程，统计系统的I/O点数和I/O类型。留有10%20%的备用量即可。估算公式如下： (3-1)式3-1中，DI/DO要估算的输入和输出点数量；K可取1.11.2之间； 单个系统类型参数；单个系统点数； C其他点数 N单个系统的总数7。SINATIC S7-300是西门子公司为满足中、小

39、型规模的控制要求而设计的，几乎可以满足自动化控制过程的各种要求，在生产制造过程中体现的尤为突出。S7-300对于不同的控制功能分为各种控制模块，如果用户需要增加控制任务时，只要增加相应的功能模块即可，这种配置方案，为当今最为流行的控制方案。如图3.1所示。3.1 S7-300系统模块示意图本次选择SIMATIC S7-300CPU型号为CPU 315F-2 PN/DP 订货号为6ES7 315-2FH13-0AB0数字量模块DI16/DO16*24V/0.5A 订货号为 6ES7 323-1BL00-0AA0模拟量模块AI4/AO2x8/8Bit 订货号为 6ES7 334-0CE01-0AA

40、03.1.2 变频器选型驱动装置按照拖动的电动机类型可以分为直流与交流传动两类，按照电动机的电压等级和容量也分成很多类型。按照电动机的电压等级和容量也分为很多类型。其中常见的有标准变频传动装置MicroMaster系列、高性能驱动装置SIMOVERT MasterDrive系列，以及新产品SINAMICS系列等。不同的产品系列其性能、功能不同。标准变频传动装置MicroMaster系列分为MM410/MM420/MM430/MM440四个系列，MM440是一种简单问题的传统解决方案，功率范围小；MM420的IO数量少，不支持矢量控制，无自由功能块可使用，功率范围小；MM430专为风机水泵设计，

41、不支持矢量控制，功率范围大，在恒压供水场合有很实用的功能；MM440是矢量控制变频器，有控制单元，有自由功能块，功能相对强大8。因为油泵电机是变频器直接拖动的，所以变频器的选型变得尤为重要，首先，要考虑的便是变频器的容量，太小，拖不动电机，会造成油泵经常性的停机；太大，虽可以拖动电机，但从经济上考虑显然是不合适的，一般情况下，变频器的选型满足以下条件即可：I. 变频器的电压等级要与油泵电机相符II. 变频器的额定电流为油泵电机额定电流的1.11.5倍。综上所述：本次设计选择MM440变频器 订货号为6SE6440-2UC17-5AA13.1.3 S7-300与STM32进行点对点通讯模块选型C

42、P340自身通过串行接口处理与通信伙伴的数据传输。为此，CP340配有三种不同的驱动程序。l 单项数据通信-打印机驱动程序l 双向数据通信-ASCII driver-3964R 程序在工业控制领域中，中低端产品S7-300应用的较为广泛，基于S7-300的Modbus RTU协议通信数据采集一般采用CP341模块配置Dongle的模式实现，系统构建成本较高，也避免了采用第三方模块的兼容性差的问题，是一种非常好的解决方案，所以采用CP340模块，通过适当编程，使用ASCII码通讯协议来实现Modbus RTU协议，其运行稳定，可靠，在S7-300系统中得到了广泛的应用10。综上所述：本次设计选择

43、 CP340型号为 CP340-RS422/485 订货号为340-1CH02-0AE03.1.4 HMISIMATIC WinCC和SIMATIC WinCC Flexible无论从功能还是应用范围上，都被认为是两款不同的软件。WinCC设计上高瞻远瞩，因此刚一发布，就成为HMI领域的领导者，支持覆盖全球的多种语言，对于复杂的监控系统来说，WinCC是个不错的选择。西门子公司还提供的了技术论坛，很多工程师们遇到的问题，都将出现在里面，西门子公司的技术人员也会提供在线解答，方便大家的学习。SIMATIC WinCC Flexible简而言之是触摸屏的组态软件，相比WinCC，WinCC fle

44、xible组态画面较为简单，功能弱；西门子有将WinCC的功能融合到WinCC flexible中的构思，且已经实现，即西门子博途TIA集成软件。WinCC系统组件建立的各种编辑器可以生成工艺画面、设置画面、监控画面、脚本、报警、趋势曲线和打印报表，功能强大，操作者可以根据设计要求进行目的性的选择。WinCC还集成了以下系统 11 ,如图3.2所示。u 与自动化系统的无缝集成u 与自动化网络系统的集成u 与MES系统的集成u 与相应的软硬件系统一起，实现系统级的诊断。3.2 WinCC体系机构图WinCC的可扩展性是WinCC Flexible达不到的。综上所诉：本次选择WinCC组态监控整个

45、系统3.2 硬件接线图3.2.1 系统网络结构示意图 图3.3 系统硬件结构图PC机与S7-300和WinCC与S7-300通过以太网经交换机X208进行通讯,各IP地址已在图3.3中标出，X208的IP地址为192.168.0.60，S7-300的IP地址为192.168.0.1，Wincc flexible的IP地址为192.168.0.2，MM440的从站地址为4（P0918）。S7-300与MM440通过PROFIBUS-DP通讯控制油泵S7-300经通讯模块CP340与STM32进行MODBUS-RTU通信压力传感器信号经模拟量采集模块SM334转换为数字量027648,送入PLC进

46、行PID运算。3.2.2 电源电路的设计图3.4 电源接线图3.2.3 数字量接口设计图3.5 数字量接线图3.2.4 模拟量接口设计图3.6 2线制420mA接线图3.2.5 CP340接口设计下图说明了RS485模式下CP340和通讯伙伴连接时的接线图（两线制模式）。图3.7 CP340接线图（两线制）如果电缆长度超过50m，则必须在接收器上焊接一个约为330W终端电阻，以确保数据传输畅通无阻。第四章 软件系统设计4.1 软件设计简介4.1.1 PLC工作方式在编写程序时，有必要了解一下PLC的工作过程。PLC循环扫描工作过程如图4.1所示。4.1 PLC循环扫描过程PLC的扫描工作方式会引起输入/输出时间滞后，程序编制的不合理也会引起输入/输出的时间滞后，最长可达两个多扫描周期。4.1.2 S7-30