增压泵站控制系统设计
增压泵站控制系统设计[20200410140756]
摘 要
水在人们在平时的生活和工作中属于不可缺少的重要资源，为了保证供水，需在自来水进入城区时建立增压泵站，使供水压力和供水量满足需要。
本设计选用工控机作为监控主机，选用PLC作为控制器，构建了增压泵站监测控制系统。在本设计中对泵站的工作过程和控制要求进行了分析，总结了增压泵站系统控制要求和流程。对于PLC设备进行了合理选型，根据系统的控制要求设计了PLC硬件接线图和增压泵站电气控制电路图，编写了PLC的控制程序，实现了各项控制功能。参照实际泵站的结构与组成，上位机采用MCGS软件设计操作监控画面，使得模拟监控系统可以对被控制量进行控制并同时采集和记录各组数据，主界面设计
有报警和报表窗口，管道液位流动等方面采用了动画连接的效果，对于液位进行安全报警和越限报警指示灯的设定，经调试所设计的系统能稳定工作和符合要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:增压泵站；S7-200；MCGS；变频器
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内的研究发展情况及应用现状 1
2 增压泵站控制系统方案设计 4
2.1 增压泵站工艺过程分析 4
2.2 增压泵站系统控制原理概述 5
3 控制系统硬件设计 7
3.1 PLC的工作原理 7
3.1.1 PLC概述 7
3.1.2 PLC的特点 7
3.1.3 PLC结构 7
3.1.4 PLC功能和应用 7
3.2 增压泵电气控制系统设计要求及器件选型 8
3.3 PLC的I/O资源配置及外部接线图 11
3.3.1 EM231模拟量输入模块 13
3.3.2 EM232模拟量输出模块 13
3.4 电气部分硬件接线图 14
4 PLC程序设计 15
4.1 总体流程设计 15
4.2 初始化与启动程序设计 16
4.3 PID控制程序设计 16
4.4 压力设定值归一化程序 17
4.5 管道压力采集程序 18
4.6 调用PID函数 19
4.7 PID运算值输出标度变换 20
4.8 电动调节阀控制程序设计 21
5 上位机人机界面设计及系统的调试运行 25
5.1 组态软件及MCGS的概述 25
5.2 组态软件的设计步骤 25
5.3 PLC程序和MCGS组态联合调试 32
6 总结 36
参考文献 37
附录1 PLC控制程序 38
致谢 55
1 绪论
1.1 课题背景
随着工业技术的发展，环境对水资源的污染越来越严重，人们不得不从离城市比较远的地方取水建立自来水厂，这样，自来水从水厂到城市需要经过比较远的管道传输，导致自来水压力的下降和供水的不稳定，影响人们生活和工业用水的正常需要。为此，需在自来水进入城区时建立增压泵站，以使供水水压和供水量满足需要。
本课题中某城市是以拥有者秀丽风景和便捷的水利交通而为众所知。近些年来，该市工业迅速发展，城市的建设速度迅捷，对于水路等基础设施日渐完善，现代化的设备和控制技术规模不断加大。但由于技术上的落后，老式的泵站控制系统已经不能满足迅猛发展的水资源需求量，再加上资源匮乏，无法对现行的泵站控制系统进行更新换代，设计新型的增压泵站控制系统是势在必行的。
现代工业控制领域中，可编程控制器占据有非常多的比重，在各行各业都有着普遍的应用。本课题运用西门子S7-200PLC，结合自来水增压泵站控制系统的具体要求，运用国产工控组态软件MCGS编制上位机监控程序、画面，构建“上位机监测，下位机控制”的控制系统。
1.2 国内的研究发展情况及应用现状
水资源是人们在平日的生活和工作中不可缺少的重要资源。评判供水质量中非常重要标准之一是供水压力是否平衡，在过去的旧式泵站供水系统和本设计中的增压泵站系统相比较后，旧式系统比较落后，其集中反映在供水压力稳定这一环节上，供水地区用户用水多而实际泵站供水少，则供水压力过低；供水地区用户用水少而实际泵站供水多，则供水压力过大。此时将会造成能源的浪费，同时有可能导致输水管道破裂和供水设备的损坏。根据实际情况来进行增压供水，可以使泵站供水和供水地区用水之间保持需求平衡，不仅提高了增压泵站供水的效率和质量，同时保证了供水系统运行的安全性以及电机运行的可靠性。在增压供水系统被设出以前，已经有过许多的不同的供水方式。下面举一个旧式泵站供水的例子进行比较。
工频泵直接供水系统
这种供水方式，水泵泵组直接从水库中抽水加压送往供水地区的用户管道，有些水泵站甚至连水库也没有，直接从城市公共供水水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定和城市用水压力的平衡。通过该供水模式，泵组在不停运转一天，有些时候还有可能在晚间用水低峰时间段停止工作。这种系统不仅构造简陋、成本低廉，而且造成严重的能源消耗，水压不稳定，供水质量极差。
增压变频调速供水方式
这种系统的实际运行原理亦或者工作原理是通过安装在泵站系统中水源地输入管管道和增压变频输出管管道中的压力传感器将实际输出管道中的压力反馈信号与上位机监控设定压力作比较，同时通过PLC运算控制调节水泵泵组的变频器的模拟量输出，从而调节水泵泵组的转速，使系统水压无论是输入管道压力（流量）如何变化，始终稳定在一定的可控制范围内。
图1-1传统工频供水方式 图1-2增压变频供水方式
增压泵站的管理和控制人员在远端的控制中心对于泵站的实时数据进行远端监控，可监测和可控的数据包括，蓄水池水位，增压泵组的工作情况，泵站的出水量和压力等，亦可以进行远端的泵组设备的手动自动控制切换，基本可以实现无人值班。同时操作人员可在远端控制中心下发控制任务，主要涵盖了，水泵的启动停止，出水进水压力的显示，压力过高过低的报警，主泵组的启停交替时间，变频器的交替时间。
但是，国内的泵组工作站的系统应用功能发展并不是平衡，除了一些先进的水泵泵站远端管理系统之外，各大型的控制泵站都纷纷增加研发资金来开发新型的水泵控制管理系统。整个控制系统环境发展十分的迅速，都朝着无人的自动化控制方向前进，如何降低运营成本和设备的精细化管理，这是未来发展必要的参考方向。
1.3 研究内容
本课题主要设计的内容是增压泵站监控系统的组成和PLC控制系统设计，内容的组成部分为结合城市供水泵站的控制的具体要求，合理使用PLC模拟量输入输出指令，调试编写PID控制程序在调试的同时，结合实际与模拟操作的要求在MCGS（昆仑通态）上位机上绘制组态监控程序，画面，从而能反应泵站的实际进水出水压力，蓄水池液位以及报警和液位报表等，本设计主要由以下内容组成：
第一章介绍了泵站系统控制研究的背景和历史，简单介绍了泵站的控制方式和工作原理，从而与本设计中的增压泵站进行比较，得出增压泵站较为优异的结论。
第二章对于增压泵站控制系统工作流程进行了的分析和对其工艺流程分析，从而得出的整体方案设计。
第三章介绍PLC的结构和工作原理与组成部分，同时对增压泵控制系统的硬件部分设计进行选型，对于I/O资源配置与电气部分接线图与PLC硬件接线进行分配和绘图设计。
第四章在分析了系统总体流程设计后对于PLC下位机程序进行设计并对设计好的程序进行分析和介绍。
第五章介绍了利用MCGS软件设计的增压泵上位机监控界面以及系统的调试运行，并介绍如何绘制出上位机界面的主要步骤和调试方法。
2 增压泵站控制系统方案设计
2.1增压泵站工艺过程分析
增压泵站工艺过程分析大约如下：整个供水来源由一条水源地进水管道和信号采集变送器组成，其中包括水源地进水管道压力传感器和进水阀，当水源地的自来水经进水管进入泵站后在水源地水压充足（即理想条件下）分成两部分，蓄水池进水电动调节阀在进水水压大的条件下，开度打开，一部分水源地水储存进蓄水池，同时蓄水池液位变送器对蓄水池液位进行监测，同时另一部分水源地入水，通过两路泵房，经过增压变频输出至供水地区，同时通过流量变送器和输出管道压力变送器对输出管道压力流量数据进行监测，增压泵工艺结构图如图2-1
摘 要
水在人们在平时的生活和工作中属于不可缺少的重要资源，为了保证供水，需在自来水进入城区时建立增压泵站，使供水压力和供水量满足需要。
本设计选用工控机作为监控主机，选用PLC作为控制器，构建了增压泵站监测控制系统。在本设计中对泵站的工作过程和控制要求进行了分析，总结了增压泵站系统控制要求和流程。对于PLC设备进行了合理选型，根据系统的控制要求设计了PLC硬件接线图和增压泵站电气控制电路图，编写了PLC的控制程序，实现了各项控制功能。参照实际泵站的结构与组成，上位机采用MCGS软件设计操作监控画面，使得模拟监控系统可以对被控制量进行控制并同时采集和记录各组数据，主界面设计
有报警和报表窗口，管道液位流动等方面采用了动画连接的效果，对于液位进行安全报警和越限报警指示灯的设定，经调试所设计的系统能稳定工作和符合要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:增压泵站；S7-200；MCGS；变频器
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内的研究发展情况及应用现状 1
2 增压泵站控制系统方案设计 4
2.1 增压泵站工艺过程分析 4
2.2 增压泵站系统控制原理概述 5
3 控制系统硬件设计 7
3.1 PLC的工作原理 7
3.1.1 PLC概述 7
3.1.2 PLC的特点 7
3.1.3 PLC结构 7
3.1.4 PLC功能和应用 7
3.2 增压泵电气控制系统设计要求及器件选型 8
3.3 PLC的I/O资源配置及外部接线图 11
3.3.1 EM231模拟量输入模块 13
3.3.2 EM232模拟量输出模块 13
3.4 电气部分硬件接线图 14
4 PLC程序设计 15
4.1 总体流程设计 15
4.2 初始化与启动程序设计 16
4.3 PID控制程序设计 16
4.4 压力设定值归一化程序 17
4.5 管道压力采集程序 18
4.6 调用PID函数 19
4.7 PID运算值输出标度变换 20
4.8 电动调节阀控制程序设计 21
5 上位机人机界面设计及系统的调试运行 25
5.1 组态软件及MCGS的概述 25
5.2 组态软件的设计步骤 25
5.3 PLC程序和MCGS组态联合调试 32
6 总结 36
参考文献 37
附录1 PLC控制程序 38
致谢 55
1 绪论
1.1 课题背景
随着工业技术的发展，环境对水资源的污染越来越严重，人们不得不从离城市比较远的地方取水建立自来水厂，这样，自来水从水厂到城市需要经过比较远的管道传输，导致自来水压力的下降和供水的不稳定，影响人们生活和工业用水的正常需要。为此，需在自来水进入城区时建立增压泵站，以使供水水压和供水量满足需要。
本课题中某城市是以拥有者秀丽风景和便捷的水利交通而为众所知。近些年来，该市工业迅速发展，城市的建设速度迅捷，对于水路等基础设施日渐完善，现代化的设备和控制技术规模不断加大。但由于技术上的落后，老式的泵站控制系统已经不能满足迅猛发展的水资源需求量，再加上资源匮乏，无法对现行的泵站控制系统进行更新换代，设计新型的增压泵站控制系统是势在必行的。
现代工业控制领域中，可编程控制器占据有非常多的比重，在各行各业都有着普遍的应用。本课题运用西门子S7-200PLC，结合自来水增压泵站控制系统的具体要求，运用国产工控组态软件MCGS编制上位机监控程序、画面，构建“上位机监测，下位机控制”的控制系统。
1.2 国内的研究发展情况及应用现状
水资源是人们在平日的生活和工作中不可缺少的重要资源。评判供水质量中非常重要标准之一是供水压力是否平衡，在过去的旧式泵站供水系统和本设计中的增压泵站系统相比较后，旧式系统比较落后，其集中反映在供水压力稳定这一环节上，供水地区用户用水多而实际泵站供水少，则供水压力过低；供水地区用户用水少而实际泵站供水多，则供水压力过大。此时将会造成能源的浪费，同时有可能导致输水管道破裂和供水设备的损坏。根据实际情况来进行增压供水，可以使泵站供水和供水地区用水之间保持需求平衡，不仅提高了增压泵站供水的效率和质量，同时保证了供水系统运行的安全性以及电机运行的可靠性。在增压供水系统被设出以前，已经有过许多的不同的供水方式。下面举一个旧式泵站供水的例子进行比较。
工频泵直接供水系统
这种供水方式，水泵泵组直接从水库中抽水加压送往供水地区的用户管道，有些水泵站甚至连水库也没有，直接从城市公共供水水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定和城市用水压力的平衡。通过该供水模式，泵组在不停运转一天，有些时候还有可能在晚间用水低峰时间段停止工作。这种系统不仅构造简陋、成本低廉，而且造成严重的能源消耗，水压不稳定，供水质量极差。
增压变频调速供水方式
这种系统的实际运行原理亦或者工作原理是通过安装在泵站系统中水源地输入管管道和增压变频输出管管道中的压力传感器将实际输出管道中的压力反馈信号与上位机监控设定压力作比较，同时通过PLC运算控制调节水泵泵组的变频器的模拟量输出，从而调节水泵泵组的转速，使系统水压无论是输入管道压力（流量）如何变化，始终稳定在一定的可控制范围内。
图1-1传统工频供水方式 图1-2增压变频供水方式
增压泵站的管理和控制人员在远端的控制中心对于泵站的实时数据进行远端监控，可监测和可控的数据包括，蓄水池水位，增压泵组的工作情况，泵站的出水量和压力等，亦可以进行远端的泵组设备的手动自动控制切换，基本可以实现无人值班。同时操作人员可在远端控制中心下发控制任务，主要涵盖了，水泵的启动停止，出水进水压力的显示，压力过高过低的报警，主泵组的启停交替时间，变频器的交替时间。
但是，国内的泵组工作站的系统应用功能发展并不是平衡，除了一些先进的水泵泵站远端管理系统之外，各大型的控制泵站都纷纷增加研发资金来开发新型的水泵控制管理系统。整个控制系统环境发展十分的迅速，都朝着无人的自动化控制方向前进，如何降低运营成本和设备的精细化管理，这是未来发展必要的参考方向。
1.3 研究内容
本课题主要设计的内容是增压泵站监控系统的组成和PLC控制系统设计，内容的组成部分为结合城市供水泵站的控制的具体要求，合理使用PLC模拟量输入输出指令，调试编写PID控制程序在调试的同时，结合实际与模拟操作的要求在MCGS（昆仑通态）上位机上绘制组态监控程序，画面，从而能反应泵站的实际进水出水压力，蓄水池液位以及报警和液位报表等，本设计主要由以下内容组成：
第一章介绍了泵站系统控制研究的背景和历史，简单介绍了泵站的控制方式和工作原理，从而与本设计中的增压泵站进行比较，得出增压泵站较为优异的结论。
第二章对于增压泵站控制系统工作流程进行了的分析和对其工艺流程分析，从而得出的整体方案设计。
第三章介绍PLC的结构和工作原理与组成部分，同时对增压泵控制系统的硬件部分设计进行选型，对于I/O资源配置与电气部分接线图与PLC硬件接线进行分配和绘图设计。
第四章在分析了系统总体流程设计后对于PLC下位机程序进行设计并对设计好的程序进行分析和介绍。
第五章介绍了利用MCGS软件设计的增压泵上位机监控界面以及系统的调试运行，并介绍如何绘制出上位机界面的主要步骤和调试方法。
2 增压泵站控制系统方案设计
2.1增压泵站工艺过程分析
增压泵站工艺过程分析大约如下：整个供水来源由一条水源地进水管道和信号采集变送器组成，其中包括水源地进水管道压力传感器和进水阀，当水源地的自来水经进水管进入泵站后在水源地水压充足（即理想条件下）分成两部分，蓄水池进水电动调节阀在进水水压大的条件下，开度打开，一部分水源地水储存进蓄水池，同时蓄水池液位变送器对蓄水池液位进行监测，同时另一部分水源地入水，通过两路泵房，经过增压变频输出至供水地区，同时通过流量变送器和输出管道压力变送器对输出管道压力流量数据进行监测，增压泵工艺结构图如图2-1
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