1、哈尔滨理工大学学士学位论文- -微机监控的楼宇供水系统摘要随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。为了保证供水，本论文设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压自动控制供水系统。它是一种节能、投资小、系统安全可靠、维护和 方便的供水控制系统。变频调速恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器等构成。系统采用一台变频器拖动 3 台电动机的起动、运行与调速。实现楼宇供水的自动化控制。系统在节能方面是很明显的。在变频调速恒压供水系统中，通过不同的反馈压力值，调整水泵输出不同的水量，这既节省了
2、传统的采用调节阀门开度消耗在 上的能量，也节省恒速泵的频繁启停对管网系统的冲击能量 。关键词 PLC； 变频调速； 恒压供水The Floor Supplying Water System of PLC SupervisionAbstractAlong with social economy developing,the city develoments scale extends continuously,population increases and peoples life is horizonted, quantity,quality, of supplying water is r
3、eceived more and more request.For guaranteeing suppy water,the the thesis designs a set of converting frequency timing constant voltage outo-control suplly water system.Its a system with saving energy,small investing,sage stability system,maintenance and management convenience.The system contains pr
4、ogram able controller,frequency convertion ontroller,water pump elecetric converting frequency,which drags three engines stare,running and timing,achiering the auto-control of floor supply water.In saving energy aspect,the system is obvious.Within the system,through, different feedback pressure valu
5、e,adjusting the output different water quanting of water pump,it not only saves the tradition valve energy by adjusting valve opening consumption.But also saves the network impulsion power under pumps frequent start and ending. Keywords PLC；variable frepuency speed ；consant stress water-supply不要删除行尾
6、的分节符，此行不会被打印哈尔滨理工大学学士学位论文- I -目录摘要 IAbstract II第 1 章 绪论 11.1 变频恒压供水的背景和意义 11.2 目前高楼供水的模式 11.2.1 恒速泵供水 11.2.2 高位水箱供水 11.2.3 气压罐供水 21.2.4 变频恒压供水 21.3 本文的主要研究内容 2第 2 章 变频调速恒压供水理论分析 42.1 异步电动机变频调速原理 42.1.1 基本原理 42.1.2 变频调速恒压供水系统的控制特性分析 42.2 水泵理论 72.2.1 水泵的工作参数 72.2.2 水泵工况点的确定 82.3 调速控制节能分析 10第 3 章 变频调速恒
7、压供水系统设计 123.1 系统控制的工艺要求 123.2 供水系统工作原理 123.2.1 工作原理 123.2.2 泵组状态转移原理 123.2.3 泵组无主次切换原理 133.3 主要器件选择 143.3.1 可编程控制器（PLC） 143.3.2 SEIMENS S7-200 153.3.3 变频器 193.3.4 PID 调节器 193.4 供水系统电气控制 233.4.1 系统控制框图 233.4.2 PLC 的接线图 243.4.3 PLC 的 I/O 分配 253.4.4 变频器接线图 253.4.5 控制电路图 263.4.6 主回路图 283.4.7 泵机部分原理图 28哈
8、尔滨理工大学学士学位论文- II -3.5 系统总原理图 30第 4 章 系统程序设计 314.1 工作流程图 314.2 系统控制梯形图 33结论 40致谢 41参考文献 42附录 A 43附录 48千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域” ，然后“更新整个目录” 。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行哈尔滨理工大学学士学位论文- 0 -绪论变频恒压供水的背景和意义随着社会的高速发展，城市的高层建筑越来越多，高层建筑的供水愈加显得重要。供水系统一旦失控，必将给人们的工作和生活带来麻烦，甚至造成巨大损失，并且，随着城市建设的发展，由市政给水管网所
9、提供的水压一般满足不了高层建筑给水的要求。为此，设计一套安全、可靠、高质量的供水系统给高层建筑供水，己显得迫在眉睫。变频调速恒压供水系统是现今高楼供水的一个新兴的课题。恒压供水系统，能根据不同的季节，不同的供水时段，以及各种意外的情况作出反映，保证系统管网的恒压，减少供水欠压和过压两种不合理现象。改变了传统的恒速泵，或水塔、水箱供水方式的缺点;也避免了像水塔或水箱二次污染的可能，使系统平稳、可靠，同时节能显著。目前高楼供水的模式对于居住高层住宅楼的给水系统设计，供水方式一般采用：恒速泵直接供水;采用高位水箱供水;气压罐供水； 变频恒压供水。 4恒速泵供水此方式是一种传统的水系统供给方式，对于离
10、心式机泵，过去常采用手动或自动调节控制阀、调节阀的开度来改变和调节流量，即用人为增减阻力的办法来实现调节。当工艺需要小流量时，调小调节阀开度机泵的能量大量损失在阀门和调节阀上(一般阻力降为 0.020.5MPa)，浪费了许多能量。而往复式机泵常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动。但若备用机组频繁启停，可能会导致工况的振荡，同时也会影响设备寿命和电网电压。改变机泵的转速来调节流量是最经济的调节手段，因为转速降低后，流量成比例下降，而功耗的下降是大于该比例的。但是转速调节受驱动机的限制，采用直流电动机调速较为方便，但增加了整流装置，而且直流电动机价格昂贵。且两者都有运转经济性较差
11、、维修工作量大的缺点。恒速泵由于耗能不合理，控制方法的不足，适应性差将逐渐被淘汰。高位水箱供水采用楼顶设高位水箱供水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟。然而，在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题。例如，由于屋顶水箱的材质及表面防腐物质的有机成分不同，造成水质严重的二次污染;目前对水箱内存水的消毒问题并未得到较好的解决，水箱内经常还发现有死老鼠的情况;加之屋顶高位水箱的有效容积受建筑负荷限制。高位水箱的供水系统，虽实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。而管道的阻力特性却是变化的，当水的用户多时(也即打开阀门，放水的支路多时)，管道的阻力就相
12、应减少，反之则阻力增大，大大降低了生活供水质量。虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -二次污染等缺点。气压罐供水气压罐给水设备用于消防供水系统，在工程实践中已屡见不鲜。气压罐在消防工程中的用途不外乎:一、其调节水量可满足十分钟消防初期用水量，从而替代屋顶水箱;二、作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足 即满足大楼顶层消火栓处 7m 静水压要求;三、作为消防系统稳压用，启停稳压泵及启动消防泵并发出火警讯号用。上述三种用途有一共同点，即均需贮存满足规范要求的消防用水
13、量。气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来己在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。事实上要制造满足贮存调节水量为 18、12、6m 的气压水罐，在技术上是可以做得到的。但在实际工程中，由于受到建筑物内场地限制而很难实现。为此广大设计人员对气压水罐只用作增压及稳压设施。变频恒压供水变频调速恒压供水系统是由压力传感器将压力信号转变为一定的电流或电压信号，在某压力下，当用水量增大时，管路压力下降，产生偏差，该信号被送入控制器进行处理，控制器产生一定的电信号控制变频器升频，水泵转速升高，供水增加，压力
14、恢复。反之，用水量减少，工作机理同上所述。由于整个过程压力偏差较小，调节时间短，系统表现为恒压。此系统随着变频器与 PLC 应用技术的不断推广，已经成为一种新型的供水系统。它在节能、保持水质、水压平稳性及操作的方便性和稳定的可靠性等方面大大优于传统的供水方式。它已经成为现代高楼供水的主要方式。本文的主要研究内容本次研究的主要内容和目标是基于 PLC 的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水控制系统，该系统利用变频器实现水泵电机的软启动和调速同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。具体而言，论文包括以下内容：1. 对水泵电机的调控技术进行分析和比较。2. 介绍了基于 PLC 的变频调速
15、恒压自动控制供水系统，该系统由于一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经 PID 处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调解，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件(变频器,PLC,及电机辅助器件等)设计,及这些器件选用的理论依据,系统的软件设计。3. 整个系统调速过程和节能的理论分析。变频调速恒压供水理论分析随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市供水哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市发展和人民生活的需要。自八
16、十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市的自来水公司。变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能源。据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约 20-50%，其节能效果相当可观。采用变频调速恒压供水系统和传统恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统、气压罐供水系统相比，具有水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少对水泵机组设备的冲击等优点。本章分析讨论变频调速恒压供水的调速原理、水泵理论等相关理论。异步电动机变频调速原理基本原理目前，水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速 n 为(2-1)1(60spf式中 n电机转速;f电
17、源频率；s转差率;p电机的极对数。当水泵电机选定后，P 为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高;反之，转速越低。变频调速就是根据这一原理，通过改变电源的频率值来实现水泵电机的无级调速。变频调速恒压供水系统的控制特性分析电动机稳定运行时实际输出转矩由负载的需要来决定，在不同的转速下，不同的负载需要的转矩也是不同的，调速方法和控制特性应适应负载的要求。水泵负载转矩特性水泵负载转矩 基本上与转速 n 的平方成正比，即lTT = (2-2)l2kn式中,k 为比例常数，两者的关系曲线如图 2-1 所示。2)变频调速时电动机的机械特性变频调速时，为了使电动机的运行性能好
18、，励磁电流和功率因数应基本保持不变，即希望气隙磁通 也保持不变，若 ( 为额定运行时的磁通)，将引N起电机磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低;若 H1高出的压力能量被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至n 2，曲线 5 和曲线 2 的交点 C 为水泵的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为 H1，出水流量为 Q ，水泵的输出功率正比于 H1 Q 2。从图中可见，阴影部分正比于浪费的功率输出。例如，当 Q1为 Q 2的 80%时，通过调速将 n 2调为n1的 80%，则水泵的输出功率 P 2为 P 的 51.2%。如不采用调速控制，48
19、.8%的能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观。变频调速恒压供水系统设计系统控制的工艺要求1、供水压力要求恒定，波动一定要小，尤其在换泵时；2、三台泵根据压力的设定，采用“先开先停”的原则；3、为了防止一台泵的长时间运行，需设定运行时间。当时间到时，自动切换到下一台泵，以防止长时间不用而锈死；Q11245QH1 30 Q22BCA哈尔滨理工大学学士学位论文- 9 -4、为了检修和应急要设有手动功能；5、需具有水池防抽空功能。供水系统工作原理工作原理该系统有手动和自动两种运行方式。手动方式时，按下按钮启动和停止水泵，可根据需要分别控制 1#3#泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检
20、修时使用。自动运行时，PLC 采集传感器检测到的管网出口压力，与给定压力相比较，如小于给定压力，通过变频调节 1#（上升符）泵，使 1#泵转速逐渐上升，若 1#泵已达到额定转速，管网出口压力还小于给定压力，将 1#泵接工频，2#泵接变频器，调节 2#泵，使 2#泵转速逐渐上升，若 2#泵已达到额定转速，管网压力仍然小于给定压力，将 2#泵接到工频，3#泵接变频器，调节 3#泵，使 3#泵转速逐渐上升，这就是顺序变频升速的调节过程。反之，若此时传感器检测到的管网压力大于给定压力，调节 3#泵，使 3#泵转速逐渐降低，若 3#泵达到最低转速，管网压力还大于给定压力 ，将 3#泵与变频器断开。将变频
21、器升至50Hz，切断 2#泵工频，同时 2#泵接变频器，逐渐下调，若 2#泵达到最低转速，管网压力仍大于给定压力，将 2#泵与变频器断开，频率升至 50Hz，切断 1#泵工频，接变频器，逐渐向下调节，直至管网水压等于给定压力。这就是顺序变频降速的调节过程。泵组状态转移原理本系统有三套水泵电机组,分别为 1 # ,2 # 和 3 # ,考虑到便于维修,而又不影响系统正常供水,分别配置了三只选择开关对应三套泵组,开关状态决定相对应的泵组能否参与工作,泵组。在任何状态下任意投入或切出某一泵组,系统均能实现状态的平稳转移及泵组正常供水状态转移如下图所示。考虑 S 4 与 S 7 之间的转换过程,设 1
22、 # 与 2 # 均工作在工频上,若通过开关将 3 # 切出或由于故障( 如过热保护) 3 # 被自动切出,则泵组由 S 7 状态转为 S 4 状态,这时由于 1 # , 2 # 均工作在工频 ,系统自动将 1 # 泵改为变频工作方式。若 3 # 泵重新投入使用,则系统由 S 4 转为 S 7 状态。当水压正常时 ,仍维持 1 # 工作于变频,2 # 工作于工频;当 1 # 变频工作在额定转速而水压仍偏低时 ,则 1 # 切换成工频方式, 3 # 投入变频方式, 此时三套泵组共同供水。其余状态转换过程与此类同。哈尔滨理工大学学士学位论文- 10 -S 0S 1S 2S 3S 6S 5S 4S
23、71 #2 #3 #1 # , 2 #1 # , 3 #2 # , 3 #1 # , 2 # , 3 #允许0 套泵允许1 套泵允许2 套泵允许3 套泵图 3-1 泵组状态转移图泵组无主次切换原理当允许多泵组共同供水时, 考虑到避免出现某一泵组长期工作, 而另一泵组工作时间很短的现象,提高泵组使用寿命,控制系统采用泵组不分主次, 先投入者先切出,后投入者后切出的转换原则,使各泵组轮流工作且使用率均衡。如下图所示。系统上电投入运行时, 首先用变频器启动 1 # 泵组进行软起动, 随着转速的增加,水压逐渐升高, 若用水量大, 变频工作在额定转速而水压达不到设定值,则将 1 #转为工频,2 # 投入
24、变频方式。若此时用水量减少,则水压升高, 变频器相应降低转速,当变频器低于一定转速而水压仍高于设定值,则将 1 # 泵组从工频上切出。若此时用水量又上升,则 2 # 变频也相应提高转速,当升至额定转速水压仍小于设定值,则将 2 # 转为工频, 3 # 投入变频方式,余者类推。主要器件选择可编程控制器（PLC ）1、概述近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处理器为核心组成的可编程控制器得到了迅速发展，并广泛应用于各种领域中，以满足工业化大生产中的高效、大量的自动化要求。如电动机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等。可编程控制器（Programmable Cont
25、roller）又简称为 PC 或 PLC，是将逻辑运算、顺序控制、时序、计数以及算术运算等控制程序，用一串指令形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟、数字等输入输出部件，对生产设哈尔滨理工大学学士学位论文- 11 -备与生产过程进行控制的装置。它是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构、硬件组成、软件结构以及 I/O 通道、用户界面等诸多方面都有其特殊性。PC 机是一种工业控制用微机，与一般微机比较，具有在恶劣条件下和强电一起工作，易于实现机电一体化，加之其程序编制简单、应用设
26、计和调试简便周期短，运行可靠无故障时间长等显著优点，采用 PC 机控制的电梯产品投放市场后倍受广大用户欢迎。2、PLC 特点1、高可靠性2、丰富的 I/O 接口模块3、采用模块化结构4、编程简单易学 5、安装简单，维修方便3、PLC 的工作原理1） 基本原理可编程控制器要完成控制任务是在其硬件的支持下，通过完成反映用户要求的用户程序来完成的。这一点是和计算机的工作原理一致的，所以可编程控制器工作的基本原理是建立在计算机工作原理基础上的。从广义上讲，可编程控制器 PC 实质上也是一种计算机控制系统，只不过它具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适用于控制要求的编程语言。由于它是作为继电控
27、制盘的代替物，其核心为计算机芯片，因此与继电器控制器逻辑的工作原理有很大差别。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触点（包括常开触点和常闭触）不论在继电器线路的哪个位置上，都会立即动作。然而 PC 的 CPU 则采用顺序逐条地扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必须扫描到该触点时才会动作。为了消除两者之间的由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在 100ms 以上，而 PC 扫描用户程序的时间一般小于 100ms，因此，PC 采用了一种不同于一般微
28、型计算机的运行方式扫描技术。这样，对于 I/O 响应要求不高的场合，PC 与继电器控制装置在 I/O 的处理结果上就没有什么差别了。2） 扫描原理在前面分析中，我们发现主要矛盾是对控制条件的满足时间与程序顺序执行的不协调。采用查寻方式以不能满足要求，因此，应采用对整个程序循环执行的工作方式，也称循环扫描，即执行用户程序不是执行一次就结束，而是一遍一遍不停的循环执行，直至停机。如果用户程序并不长，每一条指令执行时间足够快，则执行一次程序所占时间足够短，那么扫描一次程序所占的时间短到足以保证变量条件不变 ,即前次扫描为捕捉到的某一变量的状态，保证在下一次哈尔滨理工大学学士学位论文- 12 -扫描程
29、序时该状态变量条件依然存在。这样就可以解决程序顺序控制与被控对象控制条件之间存在的不协调的矛盾了。扫描周期的长短，首先与每条指令执行时间长短有关，其次与所用指令的类型及包含指令条数的多少有关。前者取决于机器的主频即时钟的快慢，机器选定以后，主频也就确定了；后者取决于被控系统的复杂程度及编程人员的水平。理论上希望扫描周期越短越好，但用户则希望扫描周期尽量长，这就形成一对矛盾，但必须达到统一。一般确定循环扫描周期的时间约为 100200 毫秒。用户在编程过程中，在指令的选择上，应尽量节约时间，以满足程序较长的要求。SEIMENS S7-200概述SIMATIC S7-200 系列 PLC 适用于各
30、行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200 系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此 S7-200 系列具有极高的性能 /价格比。S7-200 系列出色表现在以下几个方面： 极高的可靠性 极丰富的指令集 易于掌握 便捷的操作 丰富的内置集成功能 实时特性 强劲的通讯能力 丰富的扩展模块S7-200 系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如： 冲压机床 磨床
31、印刷机械 橡胶化工机械 中央空调 电梯控制 运动系统CPU 224：226 本机集成 14 输入/10 输出共 24 个数字量 I/O 点。可连接 7 个扩展模块，最大扩展至 168 路数字量 I/O 点或 35 路模拟量 I/O 点。16K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30kHz 高速计数器， 2 路独立的 20kHz 高速脉冲输出，具有 PID 控制器。1 个 RS485 通讯/编程口，具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。I/O 端子排可很容易地整体拆卸。是具有哈尔滨理工大学学士学位论文- 13 -较强控制能力的控制器。S7-200 的基本工作原理S7-2
32、00 的 CPU 基本单元主要有下述四个部分:1、输入部分：主要用于接受现场的控制信号。2、输出部分：主要用于向现场输出具有足够的驱动能力的控制信号。3、程序存储器：用于存放用户程序。4、处理器：它是 S7-200 系统中的核心，控制整个 S7-200 系统作有序的工作。处理器周期性地执行扫描程序：首先它读入所有输入端上个控制信号的状态，并把读入的状态存入过程输入映象区（PII） 。然后，处理器逐行扫描用户程序，并执行有关的运算或操作，最后处理器将处理所得到的结果（控制信号）写到过程输出映象区（PIQ）中，并在周期的末尾，将输出映象区中的信号同时输出到它们对应的输出端。如此周而复始，实现对现场
33、过程的控制。输入信号的读入： 在每个扫描周期的开始，总是首先读入连接着该 PLC 的各输入信号的当前值（状态） ，并把这些值依次写入输入映象区。程序的执行：PLC 在每个扫描周期中，都从主程序的第一条指令开始执行，直至主程序结束为止，其中子程序是由主程序中的“调用”指令来调用的，因此可看成是主程序的一部分。如果在主程序中开放（使能）了中断，则在执行主程序的任意时刻产生终端请求时，可随时得到响应。所以中断服务程序并非在每个扫描周期中都执行，但也可能在一个扫描周其中执行多次，所以它的执行与主程序是“异步”的。通讯处理：PLC 对通讯端口信号处理，是在每个扫描周期中定时执行的，一边处理数据的传输等事
34、务。如果系统没有设置通讯任务，则自动跳过这个步骤。输出信号的刷新：PLC 在执行用户程序的过程中，只把计算所得的输出信号存入输出映象区，而不直接送到输出节点（对象）上，只有在每个扫描周期的最后一个步骤，才统一将输出映象区中的输出信号同时送到输出节点（对象）上，这样有利于各控制对象动作之间的互锁和控制。S7-200 的三中工作模式：在 S7-200 型的 PLC 工作面板上有一个工作模式选择开关，用以选择 PLC 的工作方式。该开关具有三档：STOP，TERM 和 RUN。STOP（停止模式）：该模式是使 PLC 处于停止工作方式，在这种模式下可对PLC 作如下操作：1.利用变成设备向 PLC
35、装入程序。2.用编程设备检查部分用户存储器的内容。3.用编程设备改变 V 存储器的内容。用编程设备改变 PLC 的各种配置。RUN（运行模式）：在该模式下，PLC 按扫描周期循环执行用户程序，此时不能向 PLC 装入程序（ PLC 不予理睬程序的状入） 。TERM（暂态模式）：在该模式下，PLC 的工作模式（ STOP 和 RUN）可以由哈尔滨理工大学学士学位论文- 14 -编程设备通过通讯方式输入适当的命令来改变，这种模式多数用于联网的 PLC网络或用于编程设备来调试程序时使用。上电时 PLC 的状态：在给 PLC 上电时，若模式开关置于 RUN 位置，则 PLC 自动呈运行方式，若开关置于
36、其它二个位置（STOP 或 TERM）时，PLC 都自动呈 STOP（停止）状态。S7-200 定时器介绍概述S7-200 定时器由一个单独的使能端(IN)来控制,由于定时器都是可使能的，因此，能够保留过去了的时间值。定时器还有一个预置时间值（PT） ，当前值更新时，它与当前值比较，定时器（T 位）置位/复位（set/reset）就取决于当前值与预置值的比较结果。若当前值大于或等于预置时间值，定时器位接通（ON） ；否则，定时器位断开（OFF） 。当前值达到最大值时，计时停止。当定时器复位时，它的当前值置 0，且定时器位断开。定时器在 Reset 复位指令作用下才复位（这是 TONR 定时起复
37、位的唯一途径） 。将定时器的当前值写入0，并不能对定时器复位；同理，对定时器位写入 0，也不能是当前值复位。两种类型的定时器(TON 和 TONR)对使能输入的响应不同。当使能输入有效时,它们开始计时,无效时,都断开;但当使能输入无效时， TON 定时器会自动复位而TONR 则不复位。因此，TON 定时器适用于单个间隔的计时，而 TONR 适用于对一些定时间隔的累加。TON 和 TONR 定时器都可在 1msec，10msec ，100msec 三种精度下工作，最大值分别为 32.767 秒,327.67 秒和 3276.07 秒。精度根据定时器编号来决定。二、1ms 精度的 TON/TONR
38、 定时器为了保证 1ms 定时器的精度，保持系统中断程序每毫秒对它更新一次，通过增加 1 来更新当前值，除非它已在最大位置。保持 1ms 系统时间基准的系统中断程序独立于使能和使不能定时器。于是在当前 1ms 间隔内的某一点上，一个给定的 1ms 定时器将被使能，所以，时间间隔能短于 1ms。为此，用户应当预设一个时间值，该值比要求的最小时间间隔达1。例如，用一个 1ms 定时器保证至少 56ms 的时间间隔，预设时间值应该设为57。由于一个激活的 1ms 定时器的当前值是在系统程序中被更新的，而且更新是自动的。一旦使能，执行 1ms 定时器 TON/TONR 控制指令就可控制定时器的开 /关
39、状态。系统为了保证紧急中断程序的执行时间不受影响，只支持叫小数目的 1ms 定时器。因为 1ms 定时器。因为 1ms 定时器在一个中断程序内更新，所以这些定时器的当前值和定时器位（T 位）可能在扫描间隔的任何地方被更新，如果扫描时间超过 1ms 的话，那每次扫描将被更新多次。因此，通过用户主程序的执行，这些值不能保持常数。一旦 1ms 定时器使能为复位，则将关断它，并把当前值置为 0 且清除 T 位。三、10ms 精度的 TON/TONR 定时器哈尔滨理工大学学士学位论文- 15 -为了保证更多的 10ms 定时器的精度,所有使能 10ms 定时器在每次扫描的开始更新，并在当前值上加 10m
40、s 累加值。这个累加值也在扫描开始时决定，并且由10ms 间隔组成，该数自从最后一次更新（上次扫描的开始）就被确定,这个累加值用在所有使能 10ms 定时器。10ms 间隔累加的处理独立于使能和使不能定时器，于是，在当前 10ms 间隔内的某一点上，一个给定的 10ms 定时器将被使能，所以，时间间隔能短于10ms。为此，用户应当预设一个时间值，该值比要求的最小时间间隔大 1。由于一个激活的 10ms 定时器的当前值是在扫描开始被更新的，而且更新是自动的，一旦使能，执行 10ms 定时器 TON/TONR 的控制指令就可控制定时器的开 /关状态。与 1ms 定时器不一样，10ms 定时器的当前
41、值每次扫描只被更新一次，通过用户主程序的执行，这些值将保持不变。一旦 10ms 定时器使能为复位，则将关断它，并把当前值置为 0 且清除 T 位。四、100ms 精度的 100msTON/TONR 定时器100ms 定时器数目是最多的，相应的它们的精度也最低。当执行使能定时器指令，通过把 100ms 累加值加到当前值来更新所有使能 100ms 定时器。这些累加值与 10ms 累加值一样，也在扫描开始时决定，并且由 100ms 间隔数组成，该数自从最后一次更新（上次扫描的开始）就被确定。这个累加值用在所有使100ms 定时器上，使它们更新。100ms 间隔累加的处理独立于使能和使不能定时器，于是
42、，在当前 100ms 间隔内的某一点上，一个给定的 100ms 定时器将被使能，所以，时间间隔能短于100ms。为此用户应当预设一个时间值，该值比要求的最小时间间隔大 1。例如，用一个 100ms 定时器保证一个至少 2100ms 的时间间隔，预设时间值应当设为22。100ms 定时器的更新不是自动的，只有当定时器指令执行时，当前值才更新。因此，如果一个 100ms 定时器使能，但每次扫描不执行定时器指令，则该定时器当前值不能更新且它会丢失时间值。同样，在一次扫描中，如果相同的100ms 指令执行很多次，100ms 累加值将被多次加到定时器当前值上，于是，它就多得到时间值。因此，100ms 定
43、时器只能用在一次扫描只执行一次的情况下。一旦 100ms 定时器使能位复位，则将关断它，并把当前值置为 0 且清除 T 位。变频器 1989 年日本安川电机公司通过对由矢量控制的变频器产品化并应用数字技术等，开发出全面采用高速开关元件 IGBT 的第三代低噪声 VS-616G5 型变频器。本次设计采用的就是这种型号的变频器。VS-616G5 变频器不仅考虑了 V/f 控制，而且还实现了矢量控制。通过其本身的自动调谐功能与无速度传感器电流矢量控制，很容易得到高起动转矩与较宽的调速范围。其结构原理图见论文后的有关图纸。VS-616G5 变频器的特点：（1）包括电流矢量控制在内的三种控制方式均实现了
44、标准化。哈尔滨理工大学学士学位论文- 16 -（2）丰富的内藏与选择功能。（3）由于采用了最新式的硬件，因此功能全、体积小。（4）保护功能完善、维修性能好。（5）通过编程器操作装置，可提高操作性能。PID 调节器PID 控制及其调节规律在生产过程自动控制的发展历程中，PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪 40 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。PID 控制具有很多优点：算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现;适应性强，可以广泛的应用于各种行业;鲁棒性强，它的控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。由于其有这些优点，PID 控制直
45、到现仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。PID 控制是一种负反馈控制，它所组成的控制系统由 PID 控制器和被控对象组成，具有一般闭环反馈控制系统的结构，通过负反馈作用使被控系统趋于稳定。常规 PID 控制系统原理框图如图 3-2 所示。PID 控制器综合了关于系统过去(I)、现在(P)和未来(D) 三方面的信息，对动态过程无需太多的预先知识，控制效果能够满足要求。r ( t )e ( t )-比例 （ P ）积分 （ I ）微分 （ D ）+u （ t ）被控对象y （ t ）图 3-2 PID 控制系统原理PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 y(r)构成的控
46、制偏差e(r)=y(r)-r(t) （3-1）将偏差 e(t)的比例(Proportion)、积分(Integral) 和微分 (Differential)，通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。其理想的控制规律为)()(1)()(dteTtetKtuip（3-2）对上式作拉氏变换可得: )()()()( sEsEsUDip（3-3）PID 控制器的传递函数形式描述。即哈尔滨理工大学学士学位论文- 17 -sKsTKsEUGDipDip )1()(（3-4）式中 Kp称为比例系数;Ki= iT称为积分系数; KD=D称为微分系数;Ti为积分时间常数;TD为微分时间常
47、数。PID 控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下1、比例增益部分(P)用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。2、积分部分(I)表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti,Ti 越
48、大，积分作用越弱，反之则越强。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。3、微分部分(D) 可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特特性。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。PID 的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器
49、快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如 PI 控制算法， PD 控制算法和 PID 控制算法。PID 调节器为获得更满意的控制效果，本系统不采用 SEIMENS 的内置 PID 控制器，而采用具有模拟量输入输出和显示功能的 PID 调节器 SWP-D905PID 自整定控制仪。SWP 系列 PID 是用于需要进行高精度测量控制的系统，可对测量值及控制目标进行数字量显示(双 LED 数码显示), 并同时对测量值及控制目标值进行相对模拟量显示(双光柱显示) ，显示方式为双 LED 数码显示+双光柱模拟量显示，是测量值的现实更为清晰直观。SWP 系列 PID 参数自整定控制仪可分别带有一路模拟量控制输出(或开关量控制输出，继电器正转，反转控制)及一路模拟量变送输出，哈尔滨理工大学学士学位论文- 18 -可适用于各种测量控制场合。其输入信号类型设定，测量值零点与量程范围设定，输出方式设定，手动状态下能修改参数。主要技术参数：输入信号 模拟量输入： 电阻- 各种规格热电阻,如 Pt100,Cu100,Cu50 等或远 传压力电阻。电偶-各种规格热电偶,如 B.S.K.E.J.T.Wre
