基于plc油泵控制系统设计

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1、南京工程学院 工工 业业 中中 心心 本科毕业设计说明书（论文）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） 班 级： D 自集成 111 学 号： 233110138 学生姓名： 吴弟 指导教师： 吴京秋(副教授) 起讫日期： 2015.3.2-2015.6.5 设计地点： 基础实验楼 C315 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要 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

2、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。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

3、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 毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要 TitleTitle The design of control system of oil pump based on PLC Abstract Oil pump is important in life and production of electrical equipment, due to for

4、 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 article mainly research application of PLC and inverter in the pump control system, through introducing the frequency converter, to design f

5、or oil pump control system transformation, soft start character of the use of frequency converter, greatly reduces the startup impact to supply pump, wear and noise, increased for the service life of pump. This design is based on SIEMENS PLC S7-300 controller, the use of PID control algorithm, the s

6、ystem uses constant frequency constant pressure control, and effectively solve the system supply pressure instability, the problem of insufficient oil. The S7-300 PLC and MM440 through PROFIBUS-DP bus data transmission control inverter and single chip microcomputer and S7-300 through CP340 Modbus RT

7、U communication problems, using SIMATIC WinCC (Windows Control Center), Windows Control Center for motor voltage, current, frequency, speed, pressure and failure of frequency converter alarm monitoring. Test data show that, in the running process of the system and stable oil supply, maximum improves

8、 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. Keywords: Oil pump inverter WinCC PROFIBUS-DP PID CP340 MODBUS RTU 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

9、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

10、- 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 - 3.2 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 -

11、 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 - 4.1.8 模拟量输入及参数值整定 .- 22 - 4.1.9 模拟量输出

12、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

13、 - 5.2 S7-300 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

14、.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

15、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 总结 .- 65 - 致谢 - 66 - 参考文献 - 67 - 附录：程序 - 68 - 前言前言 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

16、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