1、目录1 绪论 11.1 背景和意义 11.2 主要内容 2第二章 PLC 简介 42.1 PLC 的定义 42.2 PLC 的应用领域 42.3 PLC 的编程语言 5第三章系统的硬件设计 63.1 系统主要设备的选型 63.2 基础组成 12第四章系统主电路分析及其设计 143.3 系统控制电路分析及其设计 153.4 PLC 的 I/O 端口分配及外围接线图 164 系统的软件设计 204.1 系统软件设计分析 204.1.1 控制系统主程序设计 204.2.2 控制系统子程序设计 244.3 PID 控制器参数整定 284.3.1 PID 控制及其控制算法 28结束语 31程序请咨询31
2、65787171本设计是以小区供水系统为控制对象，采用 PLC 和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有 3 个贮水池，3 台水泵，采用部分流量调节方法，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC 根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行 PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水
3、管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。关键词：变频调速，恒压供水，PLC，,电机11 绪论1.1 背景和意义水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小
4、区物业管理水平的高低。传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗 2。基于 PLC 和变频技术的恒压供水系统集变频技术
5、、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。21.2 主要内容本设计是以小区供水系统为控制对象，采用 PLC 和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，本设计中有 3 个贮水池，3 台水泵，采用部
6、分流量调节方法，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC 根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行 PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC 选型，估算所需 I/O 点数，进行 I/O 模块选型，绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图、I/O 连接图，分配 I/O 点数，列出 I/O 分配表，熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改并设计监控系统。3第二章 PLC 简介
7、2.1 PLC 的定义PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2.2 PLC 的应用领域目前，PLC 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：（1）开关量的逻辑控制这是 PLC 最基本、最广泛的应用领域，它取代传
8、统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（2）模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的 A/D 转换及 D/A 转换。PLC 厂家都生产配套的 A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（3）运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量 I/O 模块连接位置传感器和
9、执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC 能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID 调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型 PLC 都有 PID 模块，目前许多小型 PLC 也具有此功能模块。PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应4用。（5）数据处理现代 PLC 具有数
10、学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（6）通信及联网PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的 PLC 都具有通信接口，
11、通信非常方便。2.3 PLC 的编程语言编程语言是 PLC 的重要组成部分，PLC 为用户提供了完整的编程语言，以适应用户编程的需要。利用编程语言，按照不同的控制要求编写不同的控制程序，这相当于设计和改变几点起的硬件接线线路，这就是所谓的4“可编程序” 。程序由编程器送到 PLC 内部的存储器中，它也能方便地读出、检查与修改。PLC 共有 5 种标准编程语言，其中有三种图形语言，即梯形图、功能块图，和顺序功能图，两种文本语言，即结构化文本和指令表。其中梯形图是最早使用的一种 PLC 语言，也是现在最常用的编程语言。它是从继电气控制系统原理图的基础上演变而来的，它继承了继电气控制系统中的基本工作
12、原理和电器逻辑关系的表达方法，梯形图预计电气控制系统梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别，所以在逻辑控制系统中得到了广泛的使用。它的最大特点就是直观、清晰。山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计5第三章系统的硬件设计3.1 系统主要设备的选型根据基于 PLC 的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图 3.1 所示：A / D 模块 可编程控制器 ( P L C ) 通讯模块压力变送器故障 、 状态等量输入报警 、 控制等量输出人机界面上位机 、组态等变频器水泵机组软启动 、 自耦变压器图 3.1 系统的电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主
13、要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC 及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表 3.1 所示：三菱 PLCFX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列。由于 FX2n 系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 型号 点数选择 报价FX2N-80MR-D输入点：40，40点继电器输出(直流供电) 7030FX2N-64MR-D输入点：32，32点继电器输出(直流供电)
14、 6280FX2N-48MR-D输入点：24，24点继电器输出(直流供电) 5490山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计6FX2N-32MR-D输入点：16，16点继电器输出(直流供电) 5180FX2N-80MT-D输入点：40，40点晶体管输出(直流供电) 7180FX2N-64MT-D输入点：32，32点晶体管输出(直流供电) 6410FX2N-48MT-D输入点：24，24点晶体管输出(直流供电) 5600FX2N-32MT-D输入点：16，16点晶体管输出(直流供电) 5290三菱 plcFX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列。由于 FX2n 系列具备如下特点：
15、最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。 为大量实际应用而开发的特殊功能 开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要-模拟 I/O，高速计数器。定位控制达到 16 轴，脉冲串输出或为 J 和 K 型热电偶或 Pt 传感器开发了温度模块。对每一个 FX2n 主单元可配置总计达 8 个特殊功能模块。 连接到世界上最流行的开放式网络 CC-Link，Profibus Dp 和 DeviceNet 或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要。 其它功能 内置式 24V 直
16、流电源 24V、400mA 直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。快速断开端子块 因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。 时钟功能和小时表功能 在所有的 FX2NPLC 中都有实时时钟标准。时间设置和比较指令易于操作。小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。 持续扫描功能 为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。 山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计7输入滤波器调节功能 可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中 x000 到x017）。 注解记录功能 元件注解可以记录在程序寄存器中。 在线程序编辑 在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
17、 RUN/STOP 开关 面板上运行/停止开关易于操作。 远程维护 远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据 密码保护 使用一个八位数字密码保护您的程序。 交流电源、24V 直流输入类型 输入 输出模型 I/O总数 数目类型数目类型尺寸mm(英寸)(宽)*(厚)*(高)FX2N-16MR-001继电器 FX2N-16MT16 8 漏型 8 晶体管 130*87*90() FX2N-32MR-001继电器 FX2N-32MT32 16 漏型 16 晶体管 150*87*90(5.9*3.4*3.5) FX2N-48MR-001继电器 FX2N-48MT48 24 漏型 2
18、4晶体182*87*90(7.2*3.4*3.5)山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计8管 FX2N-64MR-001继电器 FX2N-64MT64 32 漏型 32 晶体管 220*87*90(8.7*3.0*3.5)FX2N-80MR-001继电器 FX2N-80MT80 40 漏型 40 晶体管 285*87*90(11.2*3.4*3.5) FX2N-128MR-001继电器 FX2N-128MT128 64 漏型 64 晶体管 350*87*90(13.8*3.4*3.5) FX2N 性能规格 项目 规格 备注运转控制方式 通过储存的程序周期运转 I/O 控制方法 批次处理方法(
19、当执行 END 指令时) I/O 指令可以刷新 运转处理时间 基本指令：0.8s/指令应用指令：1.52 至几百 s/指令 编程语言 逻辑梯形图和指令清单 使用步进梯形图能生成 SFC 类型程序 程式容量 8000 步内置 使用附加寄存盒可 扩展到 16000 步 指令数目 基本顺序指令：27 最大可用 298 条应山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计9步进梯形指令：2应用指令：128用指令 I/O 配置 最大硬体 I/O 配置点 256，依赖于用户的选择（最大软件可设定地址输入 256、输出 256） 一般 500 点 M0 至 M499锁定 2572 点 M500 至 M3071辅助继
20、电器（M 线圈） 特殊 256 点 M8000 至 M8255一般 490 点 S0 至 S499锁定 400 点 S500 至 S899初始 10 点 S0 至 S9状态继电器（S 线圈） 信号报警器 100 点 S900 至 S999100 毫秒 范围：0 至 3276.7 秒 200 点 T0 至 T19910 毫秒 范围：0 至 327.67 秒 46 点 T200 至 T2451 毫秒保持型 范围：0 至 32.767 秒 4 点 T246 至 T249定时器（T） 100 毫秒 范围：0 至 3276.7 秒 6 点 T250 至 T255一般 16位 范围：0 至 32767 数
21、 200 点 C0 至 C199类型：16 位上计数器 锁定 16位 100 点（子系统） C100 至 C199类型：16 位上计数器 一般 32位 15 点 C200 至 C219类型：16 位上/下计数器 计数器（C） 锁定 32 15 点 C220 至 C234山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计10位 类型：16 位上/下计数器 单相 C235 至 C240 6 点 单相c/w 起始停止输入 C241 至 C245 5 点 双相 C246 至 C250 5 点 高速计数器（C） A/B 相 范围：-2147483648 至+2147483647 数一般规则：选择组合计数频率不大于
22、20KHz 的计数器组合注意所有的计数器锁定 C251 至 C255 5 点 一般 200 点 D0 至 D199类型：32 位元件的 16 位数据存储寄存器对 锁定 7800 点 D200 至 D7999类型：32 位元件的 16 位数据存储寄存器对 文件寄存器 7000 点 D1000 至 D7999 通过 14 块 500 程式步的参数设置类型：16 位数据存储寄存器 特殊 256 点 从 D8000 至 D8255类型：16 位数据存储寄存器 数据寄存器（D） 变址 16 点 V0 至 V7 以及 Z0至 Z7类型：16 位数据存储寄存器 指标（P） 用于CALL 128 点 P0 至
23、 P127山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计11用于中断 6 输入点、3 定时器、6 计数器 100*至 150*和 16*至 18*(上升触发*=1，下降触发*=0，*=时间(单位：毫秒)嵌套层次 用于 MC 和 MRC 时 8 点 N0 至 N7十进位K16 位：-32768 至+3276832 位：-2147483648 至+2147483647 十六进位 H16 位：0000 至 FFFF32 位：00000000 至 FFFFFFFF常数 浮点 32 位：1.175*10-38，3.403*10-38（不能直接输入） 3.2 基础组成系列 FX2N-32MR 基础部分包括：1、
24、基板基板是 PLC 系统的基础，因为所有的别的配置模板都要安装在机架基板上。作为一个基本的小单元，每个系统都至少有一个基板，它通常包含CPU（在某些场合，也被称作“CPU 底板” ） 。多数系统都要求有更多的配置模板安装在同一个基板上，同时有些也需要本地扩展和远程基板同主机架连接在一起，所以基板大致可分为三种不同类型的：CPU 基板，扩展基板和远程基板，这些基板按照可见尺寸分为 5 槽和 10 槽的，命名原则即是基板上可安装的模板数量。(1) 电源模板每一个机架，无论是 CPU 基板，扩展机架基板或是远程机架基板，也无论是 5 槽还是 10 槽大小的基板，都必须要有自己的供电电源模块。供电电源
25、模块总是安装在机架基板的最左端的槽中，各种不同型号的电源模板可适应于各种不同的需求。(2) CPUCPU 是PLC 的管理者，每个 PLC 系统都需要有CPU. ，一个 CPU 使用它的固件和应用程序直接对PLC 进行操作并且进行系统监控以确认系统中山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计12没有故障。一些系列90-30 CPU 集成在基板上，但大多数都是通过插槽同底板连接的。在某些情况下，CPU 装于个人电脑中使用个人电脑接口连接卡同90-30 系列的输入，输出和可选模板进行连接。4、I/O 模块这类模板是使PLC 同现场设备的输入和输出相接口，例如开关，传感器，继电器和电磁阀。可供使用的包
26、括开关量和模拟量类型模板。5、电缆这些电缆是使 PLC 各相关组成部分连接在一起或 PLC 同别的系统的连接。许多标准需求用到的电缆均可以从 FX2N-32MR 产品列表中选出，它们主要用于：(1)基板间的相互连接(2)编程人员连接到 CPU 或别的可选模块(3)可选模板同现场设备或别的控制系统的连接.第四章 系统主电路分析及其设计基于 PLC 的变频恒压供水系统主电路图如图 4.2 所示：三台电机分别山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计13为 M1、M2 、M3 ，它们分别带动水泵 1#、2#、3#。接触器KM1、KM3 、KM5 分别控制 M1、M2 、M3 的工频运行；接触器KM2、
27、KM4 、KM6 分别控制 M1、M2 、M3 的变频运行；FR1、FR2 、FR3 分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；km1、km2、km3、km 4 分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU 为主电路的熔断器。本系统采用三泵循环变频运行方式，即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过 3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能” ，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。图 3.2 变频恒压供水系统主电路图三相电
28、源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的 R、S、T 端，变频器的输出端 U、V、W 通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器 FR 实现。变频和工频两个回路不允许同时接通。而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以 KM1 和 KM2、KM3 和 KM4、KM5和
29、KM6 绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将420mA 电流信号送至上位机来显示。同时可以通过通过转换开关接电压山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计14表显示线电压。并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开)，而必须通过变频器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软
30、启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。3.3 系统控制电路分析及其设计系统实现恒压供水的主体控制设备是 PLC，控制电路的合理性，程序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用三菱 FX2N-64MR，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。PLC 主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要完成以下功能：自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用；系统要有完善的报警功能并能显示运行状况。如图 3.3 为电控系统控制电路图。图中 SA 为手动/自动转换开关，SA打
31、在 1 的位置为手动控制状态；打在 2 的状态为自动控制状态。手动运行时，可用按钮 SB1SB6 控制三台水泵的启 /停；自动运行时，系统在 PLC程序控制下运行。图中的 HL10 为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器 KA 的触点对变频器进行复频控制。图中的 Q0.0Q0.5 及 Q1.1Q1.5 为 PLC 的输出继电器触点，他们旁边的 4、6、8 等数字为接线编号，可结合下节中图 3.4 一起读图。山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计153.4 PLC 的 I/O 端口分配及外围接线图基于 PLC 的变频恒压供水系统设计的基
32、本要求如下：(1) 由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。(2) 在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过 3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能” ，避免某一台水泵工作时间过长。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。(3) 考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。(4) 三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。(5) 系统要有完善的报警功能。根
33、据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表 3.2 所示。表 3.2 输入输出点代码及地址编号名 称 代 码 地址编号供水模式信号(1-白天，0-夜间) SA1 I0.0水池水位上下限信号 SLHL I0.1变频器报警信号 SU I0.2试灯按钮 SB7 I0.3输入信号压力变送器输出模拟量电压值 Up AIW01#泵工频运行接触器及指示灯 KM1、HL1 Q0.0输 1#泵变频运行接触器及指示灯 KM2、HL2 Q0.1山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计162#泵工频运行接触器及指示灯 KM3、HL3 Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯 KM4、HL4 Q0.
34、33#泵工频运行接触器及指示灯 KM5、HL5 Q0.4出信号3#泵变频运行接触器及指示灯 KM6、HL6 Q0.5水池水位上下限报警指示灯 HL7 Q1.1变频器故障报警指示灯 HL8 Q1.2白天模式运行指示灯 HL9 Q1.3报警电铃 HA Q1.4变频器频率复位控制 KA Q1.5输出信号变频器输入电压信号 Uf AQW0结合系统控制电路图 3.3 和 PLC 的 I/O 端口分配表 3.2，画出 PLC 及扩展模块外围接线图，如图 3.4 所示：图 3.4 PLC 及扩展模块外围接线图本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括 4 个数字量和 1 个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输
35、入 PLC 的扩展模块 EM235 的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关 SA1 用来控制白天/ 夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入 I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平 1，送入 I0.1；变频器的故障输出端与 PLC 的 I0.2 相连，作为变频器故障报警信号；开关 SB7 与 I0.3 相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。本变频恒压供水系统有 11 个数字量输出信号和 1 个模拟量输出信号。Q0.0Q0.5 分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号； Q1.1
36、输出水位超限报警信号；Q1.2 输出变频器故障报警信号；Q1.3 输出白天模式运行信号；Q1.4 输出报警电铃信号；Q1.5 输出变频器复位控制信号；AQW0 输山东科技大学学士学位论文 系统的硬件设计17出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。图 3.4 只是简单的表明 PLC 及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。它忽略了以下因素：(1) 直流电源的容量；(2) 电源方面的抗干扰措施；(3) 输出方面的保护措施； (4) 系统的保护措施等。山东科技大学学士学位论文 结束语18第四章 系统的软件设计4.1 系统软件设计分析硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结
37、合泵站的控制要求，对泵站软件设计分析如下：(1) 由“恒压 ”要求出发的工作泵组数量管理为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。判断需启动新水泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中应考虑采取时间滤波。(2) 程序的结构及程序功能的实现由于模拟量单元及 PID 调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定
38、时器中断功能实现PID 控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多，如泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。白天、夜间模式的给定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。白天模式系统设定值为满量程的 90%，夜间模式系统设定值为满量程的 70%。4.1.1 控制系统主程序设计PLC 主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率 )比较计算程序和报警程序等构成。山东科技大学学士学位论文 结束语19(3) 系统初始化程序在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，
39、先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变频器变频运行的上下限频率、PID 控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台数。(4) 增、减泵判断和相应操作程序当 PID 调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时 5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。(3) 水泵的软启动程序增减泵或倒泵时复位
40、变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过 3h则自动倒泵变频运行。(4) 各水泵变频运行控制逻辑程序各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以 1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生 1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位 1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1 置 1，KM2 常开触点闭合接通变频器，使 1#水泵变频运行，同时KM2 常闭触点打开防止 KM1 线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM
41、2 的常开触点还可实现自锁功能。山东科技大学学士学位论文 结束语20(5) 各水泵工频运行控制逻辑程序水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以 1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前 2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于 0，或者当前 3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于 1，则Q0.0 置 1，KM1 线圈得电，使得 KM1 常开触点闭合，1#水泵工频运行，同时 KM1 常闭触点打开防止 KM2 线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1 的常开触点还可实现自锁功能。(6) 报警及故障处
42、理程序本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂，不方便全部画出，在此仅画出其控制过程的流程图。详细的主程序梯形图请参考附录 C。主程序流程图如图 4.1 所示。由于在图 4.1 中并未对各台水泵的变频和工频运行控制做详细介绍，因此图 4.2 和图 4.3 对其作了完整的补充。其中图 4.2 是以 2#泵为例的变频运行控制流程图，
43、图 4.3 是以 2#泵为例的工频运行控制流程图。1#、3#泵的运行控制情况与 2#泵相似，在此就不再重复。图 4.1 变频恒压供水系统主程序流程图山东科技大学学士学位论文 结束语214.2.2 控制系统子程序设计(1) 初始化子程序 SBR_0首先初始化变频运行的上下限频率，在第二章水泵切换分析中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为 50HZ 和 20HZ。假设所选变频器的输出频率范围为 0100HZ，则上下限给定值分别为 16000 和 6400。在初始化 PID 控制的各参数（Kc 、Ts、Ti、Td） ，各参数的取值将在下一节中详细介绍。最后再设置定时中断和中断连接。具体程序梯形图如图
44、 4.4 所示。图 4.4 初始化子程序 SBR_0 梯形图(2) PID 控制中断子程序首先将由 AIW0 输入的采样数据进行标准化转换，经过 PID 运算后，再将标准值转化成输出值，由 AQW0 输出模拟信号。具体程序梯形图如图 4.5 所示。4.3 PID 控制器参数整定4.3.1 PID 控制及其控制算法在供水系统的设计中，选用了含 PID 调节的 PLC 来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。在连续控制系统中，常采用 Proportional(比例)、Integral(积分) 、Derivative(微分)控制方式，称之为 PID 控制。PID 控制是连续控制系统中技术最成熟、应用
45、最广泛的控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。PID 控制器是一种线性控制器，它是对给定值 r(t)和实际输出值 y(t)之间的偏差 e(t)15：山东科技大学学士学位论文 结束语22（4.1）()()etyrt经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量 u(t)，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图 4.6 所示，图中 u(t)为 PID 调节器输出的调节量。图r ( t )e ( t )比例积分+u ( t )水泵 管网y ( t )实际压力给定压力频率转速压力变
46、送器微分4.6 PID 控制原理框图PID 控制规律为：（4.2）1()()()()pdi etytKettT式中：Kp 为比例系数；Ti 为积分时间常数；Td 为微分时间常数。相应的传递函数形式：（4.3）()1)PdiUsGKTsEPID 控制器各环节的作用及调节规律如下：(1)比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差 e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数 Kp 的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。(2) 积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。只要偏差山东科技大学学士学位论文 结束语23存在，控制就要发
47、生改变，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti，Ti 越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3) 微分环节：对偏差信号的变化趋势做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID 控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字 PID 控制算法是通过对式(4.2)离散化来实现的。以一阶后向差分近似代
48、替连续系统的微分，得到PID 位置控制算法表达式：（4.4）0()()()()1)ndPjiTunKeene式中：T 为采样周期；n 为采样序号；e(n) 为第 n 时刻的偏差信号；e(n l)为第 n 1 时刻的偏差信号。实际控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表达式为：（4.5）()(1)()1)22PIDunuKenKe式中： 为调节器输出的控制增量； ； 。() IPITDPKT山东科技大学学士学位论文 结束语24结束语本文针对城市小区供水的特点，设计开发了一套基于 PLC 的变频恒压供水自动控制系统。该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自耦降压起动装置，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。压力变送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节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管
