基于西门子S7200PLC的船闸控制系统设计
基于西门子S7200PLC的船闸控制系统设计[20200410141331]
摘要
本文介绍了用西门子S7-200控制的船闸系统的构成、主要功能、S7-200的I/O分配、PLC编程以及对船闸控制系统的程序设计等。通过对船闸控制系统的设计，实现了船闸在通航模式和防洪模式中的控制以及在通航模式下船闸的闸门开关、停止、水位测量、上下行通航、实时历史数据的采集和报警等功能。通过程序编译、硬件的连接以及船闸画面与西门子S7-200控制系统的联调，可以使船闸控制系统在船闸运行过程中直观的体现出来，实现了对船闸功能的控制。本次设计主要将PLC和组态王应用到船闸控制系统中去，模拟实际船闸运行的流程来完成PLC群控制系统的总体方案、组态王模拟图像、组成及模块化程序设计。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PLC船闸控制组态王
目 录
1.绪论 1
1.1论文的背景 1
1.2本设计的主要要求与内容 2
1.2.1下位机PLC部分主要设计要求 2
1.2.2上位机组态王部分主要设计要求 2
1.2.3 设计内容 2
2.硬件设计 3
2.1系统硬件 3
2.2 PLC的介绍 3
2.2.1 PLC简介和基本工作原理 3
2.2.2 PLC的工作方式 4
2.2.3 PLC的特点及主要功能 4
2.2.4 PLC的I/O 资源配置及选择 7
2.2.5 西门子各个模块的特性 9
2.3 变频器 10
2.3.1 变频调速 10
2.3.2变频器的工作原理 10
2.3.3变频器的主要功能 10
2.3.4变频器的类型和选择 11
2.4水位传感器的工作原理和选择 12
2.5闸门开度传感器 12
2.6系统硬件的安全保护措施 12
2.7 PLC外部接线图 12
3.软件设计 14
3.1 PLC编程语言的介绍 14
3.2 PLC程序设计 14
3.2.1系统工作原理介绍 14
3.2.2 系统功能实现分析与介绍 16
3.3 组态王程序设计 23
3.3.1 组态王的简介 23
3.3.2 PLC与组态王的通信 23
3.3.3 建立组态王中的数据词典 25
3.3.4 组态画面设计 27
4.程序的调试 33
4.1 调试前的准备工作 33
4.2 调试 33
4.2.1 模拟调试 33
4.2.2 联机调试 34
4.2.3 调试中出现的问题 34
参考文献 36
附 录 37
致谢 55
1.绪论
1.1论文的背景
从古至今，船闸一直是河流和运河上应用最广的一种交通设施。船闸为确保顺利通过导航结构的研究主要集中在高水通道。船闸可以建造在海，运河，河道中，船闸按照闸室的数量可以建造成单级的，双级的和多级的，其中单级的运用最广。船闸又可以按照建造的船闸数量可分成单，双和多线的，在一个枢纽中正常情况一般使用单线船闸比较多。过闸流量较大，可以安装双或多线船闸。
发展到目前为止，船闸的建造没有发生什么变化，它是由闸室、闸首、引航道三个基本建筑和相应的设备组合而成。船闸的运行原理很简单，就是船上行时，使闸室水位与下游水位一致时，开启下游的闸门，让船进入闸室，然后关闭下游闸门，使闸室内水位与上游水位一致时，开启上游的闸门，船驶出闸室，进入上游。船下行则相反。
中国是第一个在世界上开凿人工运河的，船闸已经建造了1000多座以上。但是与美国、英国、俄罗斯等世界上内河航运发达的国家相比，我国船闸的自动化水平参差不齐。早期的一些船闸，其中的船闸控制装置都是用继电器、接触器等组成。这些由继电器、接触器组成的船闸有很多缺点如功能弱、寿命短、故障多等。所以必须不断提高船闸控制的自动化水平，缩短船的通航时间。
随着科学技术的不断发展，中国在船闸控制理论的应用处于世界先进水平，特别是建造的三峡船闸，突破了许多技术难关，实现在世界船舶技术建造的一个大的飞跃，全面推进长江航运和沿海经济的同时，在船闸等方面，取得突破和创新技术，创造和积累了丰富的经验，三峡大坝中的船闸的建设极大的提升了世界船闸设计与技术。
接触器式继电器逻辑控制，传统的方式已经不能适应高可靠性，自动化程度高。继电器的控制功能仅局限于逻辑控制，定时，计数和简单的控制，一旦动作序列或生产过程中的变化，它必须从头开始设计，显然继电器已经无法满足经济发展的需要，所以开发了可编程序控制器即PLC。
可编程序控制器的控制功能是通过使用存储过程的实现，不仅实现了量的控制开关，也可用于模拟量控制，顺序控制。定时功能和技术比继电器控制系统是强大的，一般可以提供几十个甚至几百个定时器，计数器。PLC具有配置灵活，易于修改控制模式，动作准确、可靠，完全满足恶劣工业环境的优势。使用PLC控制技术的监控系统是一种必然趋势。这是因为，PLC的平均无故障时间能够达到100000小时以上，很适合于船闸的实际恶劣自然环境，用PLC控制船闸运行，操作者可以进行自动检测，操作优化控制和管理，因此可用于安全操作，从而可以安全的操作使用。随着技术的发展，广泛的应用，以及的研究具有重要的实用价值，确保河道畅通，和人们的生活是很重要的。
1.2本设计的主要要求与内容
1.2.1下位机PLC部分主要设计要求
（1）控制程序主要有以下的部分：
①通航模式下分为上行过程和下行过程。上行：当闸室和下游水位持平时，下游闸门的通航指示灯亮，开启下游闸门，船驶进闸室，当船全部进入闸室后，关上下游闸门，打开上游阀门，闸室处于充水状态，当闸室与上游水位持平时，上游的通航指示灯亮，开启上游闸门，关闭上游阀门，船离开闸室，当船全部离开闸室后，关闭上游闸门。下行：等到闸室和上游水位持平时，上游闸门的通航指示灯亮，开启上游闸门，船驶进闸室，当船全部驶进闸室后，关上游闸门，开启下游阀门，闸室处于放水状态，等闸室与下游水位持平时，下游闸门的通航指示灯亮，开启下游闸门，关闭下游阀门，船离开闸室，船舶全部离开闸室后，关闭下游闸门。
②防洪模式主要用于防洪泄洪，上游和下游的闸门单独控制互不干扰。
1.2.2上位机组态王部分主要设计要求
（1）设置主画面：在画面中设计进入系统和退出系统。
（2）设置监控画面：在画面中能看到船闸的运行状态。
（3）设置数据监测界面：分别监测实时和历史数据。
1.2.3 设计内容
（1）进行PLC选型及I/O分配；
（2）编写下位机PLC控制程序，并且进行调试；
（3）绘出组态王画面，并且进行调试。
2.硬件设计
2.1系统硬件
系统硬件主要有：（1）西门子PLC的控制器一台；(2)一根通信电缆；（3）装有组态王6.55的电脑；（4）西门子变频器两台；（5）5个传感器。元器件名称见表1-1。
表1-1元器件名称
序号 名称 数量
1 按钮 16
2 指示灯 12
3 装有组态王的电脑 1
4 西门子S7-200PLC 1
5 变频器 2
7 传感器 5
2.2 PLC的介绍
2.2.1 PLC简介和基本工作原理
可编程序控制器（简称PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专门为工业环境而设计，PLC采用了可编程序的存储器。它极度简易,容易操作，可以与工业系统连成一体。
尽管世界上有很多厂家生产的PLC模块各不相同，但是对于已经模块化结构的PLC来说，系统的配置原则和方法有许多相似之处。PLC中主要含有一个中央处理单元（CPU）、电源、存储器输入/输出接口电路这些结构。结构框图如图2-1。
摘要
本文介绍了用西门子S7-200控制的船闸系统的构成、主要功能、S7-200的I/O分配、PLC编程以及对船闸控制系统的程序设计等。通过对船闸控制系统的设计，实现了船闸在通航模式和防洪模式中的控制以及在通航模式下船闸的闸门开关、停止、水位测量、上下行通航、实时历史数据的采集和报警等功能。通过程序编译、硬件的连接以及船闸画面与西门子S7-200控制系统的联调，可以使船闸控制系统在船闸运行过程中直观的体现出来，实现了对船闸功能的控制。本次设计主要将PLC和组态王应用到船闸控制系统中去，模拟实际船闸运行的流程来完成PLC群控制系统的总体方案、组态王模拟图像、组成及模块化程序设计。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:PLC船闸控制组态王
目 录
1.绪论 1
1.1论文的背景 1
1.2本设计的主要要求与内容 2
1.2.1下位机PLC部分主要设计要求 2
1.2.2上位机组态王部分主要设计要求 2
1.2.3 设计内容 2
2.硬件设计 3
2.1系统硬件 3
2.2 PLC的介绍 3
2.2.1 PLC简介和基本工作原理 3
2.2.2 PLC的工作方式 4
2.2.3 PLC的特点及主要功能 4
2.2.4 PLC的I/O 资源配置及选择 7
2.2.5 西门子各个模块的特性 9
2.3 变频器 10
2.3.1 变频调速 10
2.3.2变频器的工作原理 10
2.3.3变频器的主要功能 10
2.3.4变频器的类型和选择 11
2.4水位传感器的工作原理和选择 12
2.5闸门开度传感器 12
2.6系统硬件的安全保护措施 12
2.7 PLC外部接线图 12
3.软件设计 14
3.1 PLC编程语言的介绍 14
3.2 PLC程序设计 14
3.2.1系统工作原理介绍 14
3.2.2 系统功能实现分析与介绍 16
3.3 组态王程序设计 23
3.3.1 组态王的简介 23
3.3.2 PLC与组态王的通信 23
3.3.3 建立组态王中的数据词典 25
3.3.4 组态画面设计 27
4.程序的调试 33
4.1 调试前的准备工作 33
4.2 调试 33
4.2.1 模拟调试 33
4.2.2 联机调试 34
4.2.3 调试中出现的问题 34
参考文献 36
附 录 37
致谢 55
1.绪论
1.1论文的背景
从古至今，船闸一直是河流和运河上应用最广的一种交通设施。船闸为确保顺利通过导航结构的研究主要集中在高水通道。船闸可以建造在海，运河，河道中，船闸按照闸室的数量可以建造成单级的，双级的和多级的，其中单级的运用最广。船闸又可以按照建造的船闸数量可分成单，双和多线的，在一个枢纽中正常情况一般使用单线船闸比较多。过闸流量较大，可以安装双或多线船闸。
发展到目前为止，船闸的建造没有发生什么变化，它是由闸室、闸首、引航道三个基本建筑和相应的设备组合而成。船闸的运行原理很简单，就是船上行时，使闸室水位与下游水位一致时，开启下游的闸门，让船进入闸室，然后关闭下游闸门，使闸室内水位与上游水位一致时，开启上游的闸门，船驶出闸室，进入上游。船下行则相反。
中国是第一个在世界上开凿人工运河的，船闸已经建造了1000多座以上。但是与美国、英国、俄罗斯等世界上内河航运发达的国家相比，我国船闸的自动化水平参差不齐。早期的一些船闸，其中的船闸控制装置都是用继电器、接触器等组成。这些由继电器、接触器组成的船闸有很多缺点如功能弱、寿命短、故障多等。所以必须不断提高船闸控制的自动化水平，缩短船的通航时间。
随着科学技术的不断发展，中国在船闸控制理论的应用处于世界先进水平，特别是建造的三峡船闸，突破了许多技术难关，实现在世界船舶技术建造的一个大的飞跃，全面推进长江航运和沿海经济的同时，在船闸等方面，取得突破和创新技术，创造和积累了丰富的经验，三峡大坝中的船闸的建设极大的提升了世界船闸设计与技术。
接触器式继电器逻辑控制，传统的方式已经不能适应高可靠性，自动化程度高。继电器的控制功能仅局限于逻辑控制，定时，计数和简单的控制，一旦动作序列或生产过程中的变化，它必须从头开始设计，显然继电器已经无法满足经济发展的需要，所以开发了可编程序控制器即PLC。
可编程序控制器的控制功能是通过使用存储过程的实现，不仅实现了量的控制开关，也可用于模拟量控制，顺序控制。定时功能和技术比继电器控制系统是强大的，一般可以提供几十个甚至几百个定时器，计数器。PLC具有配置灵活，易于修改控制模式，动作准确、可靠，完全满足恶劣工业环境的优势。使用PLC控制技术的监控系统是一种必然趋势。这是因为，PLC的平均无故障时间能够达到100000小时以上，很适合于船闸的实际恶劣自然环境，用PLC控制船闸运行，操作者可以进行自动检测，操作优化控制和管理，因此可用于安全操作，从而可以安全的操作使用。随着技术的发展，广泛的应用，以及的研究具有重要的实用价值，确保河道畅通，和人们的生活是很重要的。
1.2本设计的主要要求与内容
1.2.1下位机PLC部分主要设计要求
（1）控制程序主要有以下的部分：
①通航模式下分为上行过程和下行过程。上行：当闸室和下游水位持平时，下游闸门的通航指示灯亮，开启下游闸门，船驶进闸室，当船全部进入闸室后，关上下游闸门，打开上游阀门，闸室处于充水状态，当闸室与上游水位持平时，上游的通航指示灯亮，开启上游闸门，关闭上游阀门，船离开闸室，当船全部离开闸室后，关闭上游闸门。下行：等到闸室和上游水位持平时，上游闸门的通航指示灯亮，开启上游闸门，船驶进闸室，当船全部驶进闸室后，关上游闸门，开启下游阀门，闸室处于放水状态，等闸室与下游水位持平时，下游闸门的通航指示灯亮，开启下游闸门，关闭下游阀门，船离开闸室，船舶全部离开闸室后，关闭下游闸门。
②防洪模式主要用于防洪泄洪，上游和下游的闸门单独控制互不干扰。
1.2.2上位机组态王部分主要设计要求
（1）设置主画面：在画面中设计进入系统和退出系统。
（2）设置监控画面：在画面中能看到船闸的运行状态。
（3）设置数据监测界面：分别监测实时和历史数据。
1.2.3 设计内容
（1）进行PLC选型及I/O分配；
（2）编写下位机PLC控制程序，并且进行调试；
（3）绘出组态王画面，并且进行调试。
2.硬件设计
2.1系统硬件
系统硬件主要有：（1）西门子PLC的控制器一台；(2)一根通信电缆；（3）装有组态王6.55的电脑；（4）西门子变频器两台；（5）5个传感器。元器件名称见表1-1。
表1-1元器件名称
序号 名称 数量
1 按钮 16
2 指示灯 12
3 装有组态王的电脑 1
4 西门子S7-200PLC 1
5 变频器 2
7 传感器 5
2.2 PLC的介绍
2.2.1 PLC简介和基本工作原理
可编程序控制器（简称PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专门为工业环境而设计，PLC采用了可编程序的存储器。它极度简易,容易操作，可以与工业系统连成一体。
尽管世界上有很多厂家生产的PLC模块各不相同，但是对于已经模块化结构的PLC来说，系统的配置原则和方法有许多相似之处。PLC中主要含有一个中央处理单元（CPU）、电源、存储器输入/输出接口电路这些结构。结构框图如图2-1。
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