毕业设计（论文）-基于PLC的变频调速恒压供水系统的设计.doc

毕业设计基于PLC的变频调速恒压供水系统的设计三号楷学生姓名： 学号： 机械工程系系 部： 机械电子工程专 业： 指导教师： 二零一五 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 基于PLC的变频调速恒压供水系统的设计 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号： 1课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解PLC应用技术，设计变频恒压供水系统。为学生毕业后从事PLC技术工作打好基础。2主要任务（1）确定设计过程和控制要求，完成控制方案的设定，PLC型号选择，各元件的定义 。（2）绘制电气原理图，进行PLC编程。供水系统应满足将PID调节器和PLC等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，可直接控制多个内置的电磁接触器工作。（3）写出设计说明书一份，并完成软件程序设计和主要电气原理图。3主要参考资料1黄金波，郭丽春.可编程控制器在自动给水系统中的应用J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2002, (3): 338339.2赵相宾，刘国林.变频调速和软起动技术的现状和发展J.自动化博览.2000,(6): 16.3贺玲芳等.基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统J.西安科技学院学报，2000，(3): 243245.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1调查研究，收集资料，撰写毕业设计开题报告2015.01.10至2015.03.102总体设计，方案论证。2015.03.10至2015.04.013PLC选型，编写程序，绘制电气原理图。2015.04.01至2015.05.104编写设计说明书。指导教师审核资料，修改资料。2015.05.10至2015.06.105准备毕业设计答辩。2015.06.10至2015.06.20审核人： 年 月 日 基于PLC的变频调速恒压供水系统的设计摘 要：随着国民经济的发展，越来越多的人会去城市发展生活，这样就造成城市人口密度急剧上升，同时造成住房压力的增大，国家需要在有限的土地上解决所要面临的住房问题，就需要建立高层小区。在这些比较高的楼房往往会面临各种问题，其中供水就会出现不稳定的现象。所以本次论文设计的主要目的就是解决供水不稳定的情况。本次设计是基于PLC实现变频调速和恒压供水。该供水系统的组成部分主要有水泵机组、变频器、压力传感器、编程控制器等。该系统由三台水泵机组成变频循环运行机构，通过变频器来实现供水的恒压和变频调速。系统中出水口的压力情况首先会被压力传感器检测出来，并转换为电信号，然后通过PLC进行PID运算计算出与设定值的差值，实现变频器的不同电压与频率的输出。继而水泵机的转速随之发生变化，这时供水系统就可以提供始终保持在一定压力范围的供水量。关键词：变频调速恒压供水，PLC，PIDThe design of constant pressure water supply system based on PLC Abstract：With the development of the national economy, more and more people will go to urban to develop, thus causing urban population density rose sharply, and can cause the increasing of the pressure of house, the country needs to solve housing problems faced in the limited land, high-rise residential needs to be built. In these relatively high buildings will often face a variety of problems, which water will appear unstable phenomenon. So the main purpose of this paper is to solve the water supply instability.The design is based on PLC frequency converter and constant pressure water supply. The main components of the water supply system certain water pump unit, drives, pressure sensor and programming controller. The system consists of three variable frequency circulating water pump machine run institution composed by the drive to achieve a constant voltage and frequency control water supply. Outlet pressure will first pressure sensors to detect, and convert it into electrical signals, then through the PLC of PID arithmetic to calculate and set the difference in value, the drives to achieve different voltage and the frequency of output. Then the speed of the pump is changed, and the water supply system can provide the amount of water supply which is kept in a certain pressure range.Keywords: variable frequency constant pressure water supply, PLC, PID 目录1 绪论11.1 课题的提出11.2 变频调速恒压供水系统的国内外研究进展11.2.1 国外研究进展11.2.2 国内研究进展12 系统的理论分析及方案确定22.1 变频调速恒压供水系统的理论分析22.1.1 电动机的调速原理22.1.2变频调速恒压供水系统的原理22.2变频恒压供水系统组成及工作流程22.2.1变频恒压供水系统的组成及原理图22.2.2 水泵的切换条件43系统的硬件设计53.1系统的设备选型53.1.2 变频器的选型63.1.3 水泵机组的选型63.1.4 压力传感器及显示仪的选型63.1.5 液位变送器的选型73.2 系统主电路分析及其设计73.3 控制电路的设计及其分析83.4 PLC的I/O端口分配及外围接线图104 系统的软件设计124.1 系统软件的系统设计124.2 PLC程序设计134.2.1 控制程序的主程序设计134.2.2 控制系统子程序设计224.3 PID控制器参数整定254.3.1 PID控制器的算法254.3.2 变频恒压供水系统的近似数学模型264.3.3 PID参数整定27结 论29参考文献29致谢3132太原工业学院毕业设计1 绪论1.1 课题的提出 供水的可靠性、稳定性、经济性将会影响到人们的日常工作和生活，也会体现出人们生活水平的高低。小区内普遍应用的供水方式不同程度的存在浪费资源或者存在供水不足的现象，影响了居民的日常生活。现在的供水系统朝着节能稳定的方向发展，变频调速恒压在此方面表现的尤为突出，优越性主要表现在：节约资源，并且能在任何时刻保证出水压力稳定，从而保证居民的生活稳定。基于PLC的变频调速恒压供水系统可以使供水更加稳定、可靠、节能，这在人们生活节奏越来越快的今天表现的尤为重要。同时研究这套供水系统可以大大减少国家的资源浪费。1.2 变频调速恒压供水系统的国内外研究进展1.2.1 国外研究进展 目前国外的变频调速恒压供水技术比较成熟，他们采用的是一台变频器带动一台水泵的运行方式。这种运行方式的优点如下：安全可靠，变压方式灵活；但也存在许多缺点，因为是一台变频器带动一台水泵，所以就会需要较多的变频器，这样就会造成占地面积大，投资成本过高的现象。1.2.2 国内研究进展 目前国内大部分是采用PLC及其软件实现或单片机及其软件实现的。但是效果不好，远远没有达到人们的要求，因为他们生产的供水系统稳定性、动态性能、抗干扰性都比较差。所以国内有必要在供水系统方面做出进一步研究，使其能真正满足人们日常生的活需求。2 系统的理论分析及方案确定2.1 变频调速恒压供水系统的理论分析2.1.1 电动机的调速原理三相异步电动机的转速公式： （2-1）从上面的公式可得出，调节三相异步电动机的方法有： (1)改变电源频率f (2)改变转差率s (3)改变电机极对数p其中控制最简单，节能效果最显著的为改变电机极对数p，但是需要特定的变极对数电机，所以只适合特定的场合使用。改变转差率s调速的方法可以大大回收转差功率，但是同时也会增加电能的损耗，导致其成本过高。所以最终决定选用通过改变电源频率f来控制电动机的转速1。2.1.2变频调速恒压供水系统的原理 变频调速恒压供水系统的工作过程实质是通过改变变频器的频率来改变电动机转速，最终实现变频调速恒压供水1。2.2变频恒压供水系统组成及工作流程2.2.1变频恒压供水系统的组成及原理图变频调速恒压供水系统是一个可自动调节的闭环调节系统。是由压力变送器，可编程控制器，变频器，水泵组等组成2。系统控制流程图如图2.1所示：图2.1 变频调速恒压供水系统控制流程图（1）水泵机组 通过考察最终决定本设计中水泵机组由三台水泵组成，包括两台工频泵和一台变频泵。工频泵只运行启停两种状态，变频泵由系统发出的信号来调整频率。总而言之就是通过三台水泵的协调来保持管网压力维持在一定的范围内。（2）信号检测机构 在本系统运行过程中需要随时检测管网压力，然后进行A/D转换，进而输入到PLC程序中与设定的管网压力进行比较运算，最后控制水泵机组。（3）控制机构 本供水系统是否能达到预期的恒压供水效果主要与控制机构有关，控制机构及包含硬件设备变频器和电控设备，还包含软件程序PLC程序。变频器的工作方式主要有固定式和循环式两种。本设计系统选用其中的一台水泵作为变频水泵，由变频器对其调节，当其达到最高频率但水泵的出水不能满足小区居民的需求时，系统就会继续启动下一台水泵，这样就能使供水系统随时满足小区居民的需求。由于本控制系统为闭环系统，所以报警系统是必不可少的。则本报警系统必须对各种量进行检测控制，以免造成不必要的经济损失。变频调速恒压供水系统能否实现稳定的给小区居民供水的主要参考对象就是管网的压力。供水系统不断的测量出水口的管网压力，再将其转换为能在系统进行传送的电信号。由于输出的电信号是模拟信号，所以必须经过模/数转换才能与设定的参考值进行比较然后才能进行PID运算，最后再过数/模转换器转换成模拟信号才能被变频器识别，这样就能实现通过变频器调节水泵组使供水压力稳定的效果。变频调速恒压供水系统的结构框图如图2.2所示：图2.2 变频调速恒压供水系统结构框图2.2.2 水泵的切换条件从实际情况出发可知，频率调节的上限为50Hz，下限为0Hz。在实际应用过程中，由于水管中的水会发推水泵，所以在频率降到某一个值时，水管已经不会出水了。此时的频率就是水泵机组的下限频率。结合实际考虑，选取水泵的上限频率为50HZ，下限频率为20HZ。在实际生活当中，水泵组的加泵减泵条件如下：加泵条件： 延时判别成立减泵条件： 延时判别成立 ：上限频率 ：下限频率 ：设定压力 ：反馈压力3系统的硬件设计3.1系统的设备选型根据供水系统的设计要求，系统的电气控制框图如图3.1所示：图3.1 系统的电气控制框图硬件设施是供水系统能否稳定实现要求的前提。从上图可以清楚的看出本供水系统的硬件包括：1.变频器2.水泵机组3.压力传感器4.PLC及其扩展模块5.液位变送器设备清单如表3.1所示：表3.1 设备清单主要设备设备的型号变频器Siemens MM440水泵机组SFL系列水泵三台 压力传感器及显示仪器普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪PLCSiemens CPU226模拟量及扩展模块Siemens EM235液位变送器分体式液位变送器DS26 PLC的选择直接影响到变频调速恒压供水系统能否完成任务。经过各方面的考虑最终选用德国SIEMEMS公司的S7-200型PLC。该型PLC体积比较小，并且性价比比较高，功能完全可以完成此任务。根据操作系统实际所需的端口数目与端子数目的预留量，最后决定S7200型PLC的主模块选用CPU226。该模块开关输出量为16点，输入量为24点，输出形式为+24V直流输出，输入形式为220V交流输入。而实际当中模拟输入点和模拟输出点各需一个，所以需要扩展。决定选用的扩展模块为EM235。3.1.2 变频器的选型变频器的选择应该根据电动机的功率和电网的频率来选取。由于该系统是闭环系统，所以应该有监控系统，则变频器还应具有通讯功能。本系统工作时，所需要的转矩不大，所以选用普通型号的U/f控制变频器即可。从上文可知PLC选用的是S7-200型号，为了使PLC跟变频器之间能很好的连接通信，最终决定选用Micromaster440变频器。3.1.3 水泵机组的选型由于本供水系统处于城市小区运行，所以选用的泵型号须与小区供水变化幅度相匹配。经过实际考察得到电动机额定功率为75KW，供水压力控制在0.30.01Mpa。最终决定采用3台SFL系列水泵机组。该型号水泵噪声比较低，磨损比较小，寿命相对较长，性能比较可靠。最主要的优点为它防腐蚀，可以适用于绝大部分场合使用。3.1.4 压力传感器及显示仪的选型压力传感器的主要作用是为供水系统提供管网压力。所以只要可以实时的测量出管网压力并能传送即可4。压力变送器的作用是将压力表显示的压力信号转换成能进行传输的电流模拟信号，然后作为供水系统的比较对象。在供水系统进行自动运行的状况下，系统就会参考给定值不断的改变变频器频率。如果压力传感器与PLC之间出现故障，系统就会运行所有的供水水泵组，但是压力表显示出的压力值却没有达到系统所设定的压力值。这样就会使水管中的水压不断上升，导致水管爆裂。为了防止该情况发生，系统需要实时测量水管的压力，当管网压力超过设定的上限值时，系统就会自动关闭所有水泵并进行报警，从而达到保护供水系统的目的。根据上面的分析，最后决定选用Y-100的压力表，XMT-1270的数显仪。3.1.5 液位变送器的选型由于水泵在空载时会大大缩短水泵的寿命，因此对水池的水位进行检测和控制是非常有必要的。因此可以选用最简单的检测系统，最终决定选用型号为DS26的液位变送器。该液位变送器不仅价格低廉而且可以充分的完成对水池液位的检测任务。其量程为0200m；输出信号为420mA的直流电；输入电压为24V的直流电；精度等级为0.25级。3.2 系统主电路分析及其设计基于PLC的变频调速恒压供水系统的电路图如图3.2所示，接触器KM1、KM3、KM5控制M1、M2、M3三台电动机的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3电动机的变频运行；M1、M2、M3电动机分别带动1#、2#、3#水泵；为确保三台水泵电动机不会过载运行，本系统加入FR1、FR2、FR3热继电器，QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为保护主电路电流过大的熔断器。图3.2 变频恒压供水系统主电路图本系统的工作方式为三台水泵循环变频运行方式。即在小区用水量比较少时，只需要启动一台变频水泵做变频运动就可满足小区供水，但是为了避免一台水泵工作时间过久影响使用寿命，系统将会在一台变频水泵连续工作5小时后自动切换至下一台水泵做变频运动，这样就会使水泵的寿命基本一致。工作过程为三相电流经过熔断器，然后经过总开关接至变频器最后到达电动机。当电动机做工频运动时，该电动机与变频器之间的接触器会自动断开，即工频运动和变频运动只能做一种运动，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6坚决不能同时接通。相互之间必须做可靠的互锁设计。3.3 控制电路的设计及其分析 该系统实现变频调速恒压的主要控制元件就是PLC，控制电路的合理性和程序的稳定性将会影响整个系统的运行。PLC在该系统中作用有：在供水需求量比较低时，要实现三台变频泵的切换;系统有完善的自我报警系统；手动系统可以在紧急情况下临时使用。SA为转型切换开关，当连接2端口时，系统为自动运行状态，当连接1端口时，系统为手动控制状态。即连接2端口时，供水系统是由PLC程序控制运行的，连接1端口时，将由按钮控制供水的三台水泵运行状态。自动运行状态可由电源指示灯HL10看出，当其自动运行时，指示灯将会发亮，当供水系统运行状态为手动时，系统指示灯将不会发光。本系统的运行状态如下：（1） 自动控制状态 在系统正常运行状态下，系统工作状态均为自动运行状态，此时单刀双掷开关SA连接2端，系统全部由PLC程序控制。Q0.0决定1号水泵是否进行工频运行，Q0.1决定1号水泵是否进行变频运行，当Q0.0接通后，KM1线圈得电，1号水泵进行工频运行并且指示灯HL1发亮，同时常闭触KM1会自动断开，这样就可以实现KM1、KM2的电气互锁，从而使电动机接受一种运行信号。当Q0.1接通后，KM2线圈得电，1号水泵进行变频运行并且指示灯HL2发亮，同时常闭触KM2会自动断开，就可以实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2号、3号水泵的控制原理也是跟一号泵的控制过程相同。HL7为水池中水位上下限报警指示灯，当Q1.1接通后指示灯将会发亮；HL8为变频器故障报警指示灯，当Q1.2接通时指示灯将会发亮；HL9为高峰期供水模式指示灯，当Q1.3接通后将会发亮；当Q1.4接通时，报警电铃HA响起；当Q1.5接图3.3 变频恒压供水系统控制电路图通后时，中间继电器KA的线圈得电，常开触点KA闭合使得变频器的频率复位。（2） 手动控制状态 在系统出现意外情况不能自动化运行，为了使供水系统在此期间能正常运行，就加入了手动控制。单刀双掷开关SA打至1端时系统就会运行手动控制模式，此时可以通过手动开关控制三台水泵电机的运行状态。当按下SB1按钮时，KM2常闭触点接通电路就使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，此时电动机M1可以稳定的进行工频运行。只有当按下SB2按钮时才会切断电路，KM1线圈失电，电动机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5启动电动机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电动机M2、M3停止运行。3.4 PLC的I/O端口分配及外围接线图本设计系统所要完成的基本要求有：（1） 在供水量比较小的情况下，系统只会启动一台变频水泵在工作，为了使水泵的寿命更长，则要进行循环泵原理，即每台水泵的持续工作时间不超过一定的时间。 （2）各台水泵遵循先起后停，先停后起的原则。（3）系统要有完善的报警系统。（4）供水系统要有软启动功能，手动工作系统只能是临时运用。根据上述所述要求，系统的输入输出点代码及地址编码如表3.2所示：表3.2系统的输入输出点代码及地址编码名称代码地址编码输入信号供水模式信号（1-高峰，0-低谷）SA1I0.0水池水位上下限信号SLHLI0.1变频器报警信号SUI0.2试灯按钮SB7I0.3压力变送器输出模拟量电压值UPAIWO输出信号1#泵工频运行接触器及指示灯KM1、HL1Q0.01#泵变频运行接触器及指示灯KM2、HL2Q0.12#泵工频运行接触器及指示灯KM3、HL3Q0.22#泵变频运行接触器及指示灯KM4、HL4Q0.33#泵工频运行接触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5输出信号水池内水位报警信号HL7Q1.1变频器故障指示灯HL8Q1.2高峰运行指示灯HL9Q1.3报警电铃HAQ1.4变频器频率复位控制KAQ1.5变频器输入电压信号UFAQWO 从控制电路图和PLC的I/O端口分配表可以画出扩展模块的外围接线图，如图3.4所示：图3.4 扩展模块的外围接线图本变频调速恒压供水系统包含五个输入量：4个数字量、1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入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用来控制高峰/低谷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。本变频调速恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0Q0.5分别为三台电动机的工频/变频运行信号；Q1.1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输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。上图简单的说明了围接线情况。下列内容没有考虑：(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。4 系统的软件设计4.1 系统软件的系统设计 本系统实现自动控制主要是通过软件来实现的，结合实际情况分析，对泵站的软件设计要求如下：（1） 本设计的主要目的是确保系统能够完成变频调速恒压供水。这一功能可以通过比较指令来实现，由于会出现偶然情况，所以在程序运行过程中应采取时间滤波。（2） 本系统要求每次启动都为软启动，并且各台水泵之间应该是交替使用的。本设计中每台水泵的工作时间设为三小时。具体过程为：当变频泵运行到达一定时间后，将正在运行的变频泵从变频器上切断，然后接上下一台水泵，这样就能使水泵循环使用。（3） 由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化和中断程序，程序可分为主程序、子程序、中断程序。由于高峰期跟低谷期所需求的压力值不同，设定值可以通过数字方式直接在程序中设定。高峰期设定值为满量程的90%，低谷期设定值为满量程的70%。程序中所使用的PLC元件及其功能如表4.1所示：表4.1 程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功 能器件地址功 能VD100过程变量标准化值T37工频泵增泵滤波时间控制VD104压力给定值T38工频泵减泵滤波时间控制VD108PID计算值M0.0故障结束脉冲信号VD112比例系数KcM0.1水泵变频启动脉冲(增泵)VD116采样时间TsM0.2水泵变频启动脉冲(减泵)VD120积分时间TiM0.3倒泵变频启动脉冲VD124微分时间TdM0.4复位当前变频泵运行脉冲VD204变频运行频率下限值M0.5当前泵工频运行启动脉冲VD208变频运行频率上限值M0.6新泵变频启动脉冲VD250PID调节结果存储单元M2.0泵工频/变频转换逻辑控制VB300变频工作泵的泵号M2.1泵工频/变频转换逻辑控制VB301工频运行泵的总台数M2.2泵工频/变频转换逻辑控制VD310变频运行时间存储器M3.0故障信号汇总T33工频/变频转换逻辑控制M3.1水池水位越限逻辑T34工频/变频转换逻辑控制T35工频/变频转换逻辑控制4.2 PLC程序设计4.2.1 控制程序的主程序设计本系统的PLC控制程序采用SIEMENS公司的STEP7-MICROWIN-V40编程软件开发。PLC主程序主要包括系统初始化程序、电动机的启动程序，水泵电动机的变频程序、水泵电动机的加减运行程序、水泵电动机换机程序、压力计算比较程序和处理报警程序。（1） 系统初始化程序在供水系统开始运行时，必须要对整个运行系统进行初始化。在开始运行的时候对系统的各部分的状态进行检测，如果出现错误就要报警，然后变频器的上下限频率、PID控制参数进行初始化整理，可以进行一些赋值，在初始化子程序完成时进行中断连接，系统初始化是在主程序中通过调用子程序完成的。（2） 增减泵的相应操作程序当系统测试出的压力值高于系统给定的压力值，且水泵组运行稳定，然后定时计时器计时5分钟（目的为消除水压波动的干扰），如果此事件段内一直是该情况，则执行工频泵加一操作。当当PID调试结果小于或等于所设定的变频下线，且水泵稳定运行时，然后定时计时器计时5分钟（目的为消除水压波动的干扰），如果一直是该情况，则执行工频泵减一操作。 （3）水泵的软启动程序 当供水系统做增泵、减泵和换泵程序时，复位变频器就会为软启动做准备，当小区居民对供水需求量增加，一台水泵运行到最高频率状态且还不能满足供水要求时，系统就会启动自动加泵程序，当前运行的水泵就会得到工频运行信号执行工频运行，下一台水泵将会得到变频运行信号执行变频运行。当居民所需的用水量比较少时，当一台水泵的运行能满足小区居民的需水要求，但是为了防止某一台水泵过多运行时间而减少寿命，系统就会测量水泵的运行时间，当达到一定的运行时间，系统就会自动切换到下一台水泵。（4） 水泵变频运行控制程序每台水泵的变频运行都是一致的，在此只以1号水泵的运行进行说明。当开始运行时，Q0.1闭合，KM2常开触头闭合接通变频器，1号水泵将会进行变频运行，同时将KM2常闭触头打开防止KM1线圈得电，这样就能实现变频与工频之间的互斥。（5） 水泵工频运行控制程序水泵的工频运行取决于变频泵的泵号跟工频泵的台数。每台水泵的工频运行控制逻辑基本上是相同的，在此我们以1号泵为例进行说明。当一台变频泵达到运行上限且还不能达到系统要求时。系统就会启动一台变频泵，此时Q0.1闭合，KM1线圈得电，就会使常开触点KM1闭合，这时1号水泵就会做工频运行，同时KM1常闭触头打开防止KM2线圈得电，这样做的就能防止变频与工频之间的相互干扰，从而实现互斥。（6） 报警及故障处理程序本系统中的报警主要包括水池水位报警指示、变频故障报警模式指示、高峰期模式运行指示灯及报警指示。当系统出现故障时，相应的指示灯就会闪烁，并且会响起电铃信号。而试灯按钮通电后，各指示灯会一直点亮。产生故障后系统将会重新设定变频泵号及工频泵数，在排除故障结束后系统将会昌盛结束脉冲信号。图4.1为主程序流程图，图4.2与图4.3为系统各台水泵的变频和工频控制介绍。图4.2为2号泵的变频运行控制流程图，图4.3位2号泵的工频运行控制流程图，图4.3为主程序梯形图。 图4.1 变频恒压供水系统主程序流程图图4.2 2#泵变频运行控制流程图 图4.3 2#泵工频运行控制流程图图4.3 变频恒压供水系统主程序梯形图4.2.2 控制系统子程序设计（1） 初始化子程序 变频水泵的上下限频率为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146000和6400.在初始化PID控制参数（Kc、Ts、Ti、Td）最后再设置定时中断和中断连接。初始化子程序的梯形图如图4.4所示： edit初始化 初始化 See al图4.4 初始化子程序SBR-0梯形图（2） PID控制中断程序子程序子程序的首要任务是将AIW0输入的数据进行标准化转换，经过PID运算，然后再转化为输出值，由AQW0输出模拟信号。控制中断子程序的具体梯形图如下图4.5所示： 图4.5 PID控制中断子程序INT_0梯形图4.3 PID控制器参数整定4.3.1 PID控制器的算法PID控制器是一种线性控制器，它是通过图形描述给定值r（t）和实际输出值y（t）之间的偏差e（t）的。 （4-1）然后经过比例、积分、微分运算之后通过线性组合构成控制量，再对被控制量进行控制，这就被称之为PID控制器。本系统的控制原理框图如图4.6所示：图4.6 PID控制原理框图PID控制规律为： （4-2）式中: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）在本系统中，我们用数字计算机来实现PID的控制算法，这种方式不但稳定性高而且具有很好的灵活性。数字控制器PID控制算法是通过离散式4.2得到的，以一阶向差分近似代替连续系统的微分就可得到PID位置控制算法的表达式： （4-4）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(nl)为第n1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）式中：为调节器输出的控制增量；。4.3.2 变频恒压供水系统的近似数学模型我们可以建立近似等效的数学模型来模拟供水系统的控制对象。水泵由开始工作到稳定工作大致可以分为两个过程：一个纯滞后的环节，一个为比例环节。因此供水系统的数学模型可以近似地表达为一个带纯滞后的一阶惯性环节，可以近似的表达为： （4-6）式中：K为系统的总增益，T为系统的惯性时间常数，为系统滞后时间。4.3.3 PID参数整定本系统就是一个简单的单闭环系统，结构框图如4.7所示。图4.7 恒压供水系统结构框图本设计系统选用PI控制器。其传递函数为： （4-7）本系统可看成带纯滞后的一阶惯性环节，假设其过程传递函数为；变频器可近似为一个比例环节，即；反馈回路传递函数为。由于本系统具有自动调节能力，与公式(4-8)、(4-9)可求出PI控制器各参数。当时， (4-8) (4-9)计算的：，PI控制器的传递函数为：用Matlab软件仿真，编程如下：s1=tf(2,300,1);s2=tf(240,1,720,0);sk=s1*s2*50;s=feedback(sk,0.03);step(s);运行后得到的仿真波形图如图4.8所示：图4.8 恒压供水系统阶跃响应仿真波形图加入纯滞后环节后的仿真波形图如图4.9所示：图4.8 变频调速恒压供水系统阶跃响应仿真波形图从上图可以清楚的看出本设计符合设计要求。结 论通过对本课题的研究，设计出了该由PLC全程自动控制的供水系统。研究实践证明可以基本解决高楼房供水不稳定的现象。本次毕业课题设计出的供水系统主要是由水泵机组、变频器、压力传感器、编程控制器等组成。实现启动和调速的部分是变频器；测试出水口水压的是压力传感器；供水是通过三台水泵机来实现的；PLC的自动控制是通过编程控制器来实现的。其中重要的部分为变频器，因为最终是通过它输出不同的电压和电流频率来实现恒水压跟不同的速度变化。本次设计的供水系统，只是针对生活中出现的高层楼房供水不稳定问题作一次试探性研究，还有许多不足或者不可实现的问题。但不失为一个研究方向，实践证明PLC完全可以自动控制变频调速和恒压力供水。本文主要完成的内容：