基于PLC控制的变频恒压供水系统1.doc

安徽机电职业技术学院毕业设计说明书基于PLC控制的变频恒压供水系统系 （部） 电气工程系 专 业 电机与电器 班 级 电机3092 姓 名 余海平 学 号 1306093078 指导教师 耿 楠 2011 2012 学年第 1 学期摘要随着我国社会经济的发展，城市建设发展十分迅速，同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市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、经济性直接影响到用户的正常工作和生活。随着人们对供水质量和供水系统可靠性要求的不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为必然趋势。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。基于变频器的智能恒压供水系统以西门子S7-200系列PLC作为控制器，采用其扩展模拟输入输出模块EM235，利用其内部的PID控制指令，配合MM420型号的变频器和电机，同时用KBY压力变送器来检测管网压力。构成闭环调速系统。变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。压力变送器的作用是检测管网水压。智能PID调节器实现管网水压的PID调节。PLC控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整输出模拟量，进而控制变频器。变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经PLC内置PID调节器运算后,通过EM235模拟输出端传送到变频器，调节输出频率，实现管网的恒压供水。 关键词：恒压供水、可编程控制器、无级调速、PID控制、闭环调速系统目 录摘 要2目 录3第一章 概 述41.1 恒压供水系统的发展历程41.2 恒压供水系统研究的目的和意义41.3 恒压供水系统的应用5第二章 基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案62.1 恒压供水系统总体方案设计62.2 变频恒压供水原理7第三章 基于变频器的智能恒压供水系统的硬件设计83.1 系统中硬件电路构成83.2 PLC型号选择和系统硬件配置193.3 外部硬件电路设计21第四章 基于变频器的智能恒压供水系统的软件设计234.1 系统流程图234.2软件设计24结术语29参考文献30 第一章 概述1.1 恒压供水系统的发展历程恒压供水系统是指通过闭环控制，使供水的压力保持恒定。早期的恒压供水系统是通过阀门的开断来控制。随着技术的发展，自动化越来越占据主要地位。出现了基于PLC的变频恒压供水系统，即基于变频器的智能恒压供水系统。在该系统中为了满足供水量大小需求不同时，保证管内压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。因此，当变频器应用在变频恒压供水系统中时仅作为执行机构。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。近年来，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器国内有不少公司在做变频恒压供水的工程时，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管内压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但随着社会发展和进步，这远远满足不了所有用户的要求，逐步实现了基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统即基于变频器的智能恒压供水系统。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中可以看出，随着社会的发展，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。1.2 恒压供水系统研究的目的和意义近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而现阶段我国在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术比较落后，自动化程度较低。这种情况容易造成用水高峰期时水位达不到要求，供水压力不足；用水低峰期时供水水位超标，压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。 变频恒压供水系统可以实现水泵电机的无级调速，可以根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。变频恒压供水系统被看做是今最先进、合理的节能型供水系统。与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备投资，运行的经济型还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有很大优势。基于PLC和变频器技术设计的智能恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因而实现了恒压自动控制。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制，具有广泛的应用前景。 1.3 恒压供水系统的应用基于PLC和变频器技术设计的智能恒压供水控制系统，是在原有系统的技术改造下，提高生产过程的自动化水平。使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。该系统广泛应用于: 1.生产、生活用水，亦可用于热水供应，恒压喷淋等系统 2.工企业、生活、生产供水系统及企业自备并改造工程，自来水厂、生活小区及消防供水系统。 3.各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统 4.污水泵站、污水处理及污水提升系统。 5.农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统 6.宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。 另外，系统采用PLC控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。第2章 基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案2.1 恒压供水系统总体方案设计2.1.1 总体方案简介西门子S7-200型可编程控制器（SIMATIC S7-200）是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用；大范围的各种功能模块可以非常好的满足和适应自动控制任务，各种单独的模块之泛组合以用于扩展；多种的性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。因此，基于变频器的智能恒压供水系统以西门子S7-200系列PLC作为控制器，采用其扩展模拟输入输出模块EM235，利用其内部的PID控制指令，配合MM420型号的变频器和电机，同时用KBY压力变送器来检测管网压力，与设定的压力值进行比较，构成闭环调速系统。其中变频器的作用是为电机提供可变频率，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压；智能PID调节器实现管网水压的PID调节；PLC控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自觉调节输出模拟信号数值。改变输入变频器值，即实现其对水泵电机的无级调速。 如下图2.1整体方框图和图2.2控制部分方框图所示： 水泵电机是输出环节，转速由变频器调节，变频器接受PLC控制器的信号对转速进行控制，PLC控制器综合给定和反馈信号（由PLC扩展模拟输入输出模块接受信号）后，经过PID调节，向变频器输出运转频率指令，压力传感器检测管网出水压力，并将其转换为PLC控制器可接受的数字信号，进行调节。下图 2.2控制部分方框图所示。PLC作为可编程控制器，协调各元件顺利运行。 图2.1 整体方框图 图2.2 控制部分方框图2.1.2 系统控制要求本课题来源于生产、生活供水的实际应用。本系统主要由变频器、可编程控制器、压力传感器组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速。该系统可以为生活和消防等供水的供水。 在恒压供水系统中，在出水的管中设有一个YBT压力传送器，检测水压的大小，并将其转化成模拟信号（电流信号）。通过PLC设定一个恒定压力值、变频器上限（最高频率）和下限（最低频率）。利用PID计算形成一个闭环控制系统。当水量发生变化时，变频器根据管内的压力设定值和变频器反馈的实际压力值之差，经过模拟输入、D/A转换、PID计算、A/D转换、模拟输出等对电动机的转速进行调节，当管内所测压力值比实际压力值大时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率降低但不能低于变频器的最低频率（下限）；当管内所测压力值比实际压力值小时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率升高但不能高于变频器的最高频率（上限）。从而保证管网压力稳定，实现管网的恒压供水。2.2 变频恒压供水原理 该系统的恒压控制采用闭环控制，在水泵的输出管网中安装一个压力变送器，将管内水压转换成15V的信号输入PLC的扩展模拟量输入输出模块（EM235）的模拟量输入端并经过A/D转换将其转换成数字信号。该数字信号与压力给定值相比较，并经过PID运算，由PLC输出控制信号经D/A转换通过EM235的模拟量输入端输出420mA的控制信号送往变频器，控制变频器输出频率，从而控制水泵电动机转速，使水压稳定在设定值。在恒压供水系统中，当水量发生变化时，变频器根据管内的压力设定值和变频器反馈的实际压力值之差，发生相应的变化，保证管网压力稳定，实现管网的恒压供水。第三章 基于变频器的智能恒压供水系统硬件设计3.1 系统的硬件电路构成本设计论文包含的硬件主要有，PLC（可编程控制器）、变频器(MM420)、压力传感器、电动机（水泵）、和PLC模拟量扩展模块EM2353.1.1可编程控制器（S7-200 ）1.可编程控制器（S7-200 ）原理可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。采用了典型的计算机结构，主要有CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路组成。用PLC实施控制，其实质是按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入、输出变换，并将这个变换给以物理实现，并应用于工业现场。2.可编程控制器（S7-200 ）应用目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、制药、电力、机械制造等各个领域。PLC被称为专为工业环境下的应用而设计，故其主要的应用方面为:（1） 作为开关量控制。 是PLC的基本功能，得力于PLC具有强大的逻辑运算功能，可以实现各种简单和复杂的逻辑运算。（2） 模拟量控制 因为PLC只能处理数字量，为处理温度、压力、流量、液位、速度等模拟量，PLC中专门配置了A/D、D/A转换模块（例如EM235），将模拟信号经A/D转换后送PLC处理，将PLC处理后所得数字量经D/A转换成模拟量去控制被控设备（本课题是控制变频器），来完成现场连续控制。（3） 闭环过程控制 PLC配置PID控制单元用来实现对控制现场的某些变量（电压、电流、温度、速度等）的闭环PID控制。（用课题是用自编的程序实现PID闭环控制）（4） 定时/计数控制 PLC具有定时/计数控制，具有专门的功能指令。（本课题中未用该指令）（5） 数据处理 现在PLC不仅具备数字运算（包含四则运算、矩阵运算、函数运算、浮点运算）和数据传送功能，而且还具有数据比较、转换、通信、显示等功能。（本课题中大量用到数据传送可运算功能）3.可编程控制器（S7-200 ）特点 （1）可靠性高，抗干扰能力强 （2）配套齐全，功能完善，适用性强（3）编程方便，易于使用 （4）功能强，扩展能力强（5）PLC控制系统设计、安装、调试方便（6）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 （7）体积小，重量轻，能耗低 ，易于实现机电一体化 4.可编程控制器（S7-200 ）接线方式24V电源图3.1 CPU224接线方式5.可编程控制器（S7-200 ）通讯口的引脚分配表3.1 S7-200 通讯口的引脚分配连接器针号信号1屏蔽机壳地224V返回逻辑地3RS-485信号BRS-485信号B4请求发送RTS(TTL)55V返回逻辑地6+5V+V,1000串联电阻7+24V+24V8RS-485信号ARS-485信号A9未用选择十位协议（输入）连接器外壳屏蔽机壳地3.1.2变频器(MM420) 变频器（MM420）全称MICROMASTER420系列变频器1.变频器（MM420）工作原理 MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该变频器由微处理器控制，并采用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为功率输出器件。为交-直-交变频器，即先把频率、电压都固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率、电压都可调的三相交流电源。该系统的基本结构图为：整流电路直流中间电路 控制电路交流电源逆变电路频率和电压可调的交流电 图3.2 变频调速系统的基本结构（1）整流电路交-直部分 整流电路通常由二极管或晶闸管构成的桥式电路组成，把频率、电压都固定的交流电整流成直流电（2）直流中间电路部分滤波电路 根据储能元件不同，滤波电路分为电容滤波和电感滤波两种，分别构成电压型变频器和电流型变频器。 （3）逆变电路直-交部分 逆变电路是交-直-交变频器的核心部分， 把直流电逆变成频率、电压都可调的三相交流电源，直接控制电机。2.变频器（MM420）参数表表3.2 变频器常用参数参数号参数名称DefaultLevelDSQCR0000驱动装置只读参数的显示值.2.P0003用户的参数访问级11CUT.P0004参数过滤器01CUT.P0010调试用的参数过滤器01CTNP3950访问隐含的参数04CUT.P3900“快速调试结束”01CQP0970复位为工厂设定值01C.3.变频器（MM420）应用及特点 变频器不仅可以用于标准电动机调速，而且可以用于其他调速电动机，在节能、较少维修、提高产量、保证质量等方面都取得良好经济效益。变频器的应用几乎包含所有工业领域，如钢铁、有色冶金、油田、炼油、石化、化工、制药、造纸等行业。例如在机床上，变频器能使其选择无级的最佳速度运转；在各种搬运机械中，调节多台电动机的转速，变频或者工频运转。4.变频器（MM420）与电机连接方式及接线图图3.3 接单相电源时，变频器与电机连接图3.4 接三相电源时，变频器与电机连接图3.5 变频器（MM420）接线图3.1.3 KYB压力变送器1.KYB压力变送器工作原理 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在即敏感元件的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空，内含有 A/D转换器、D/A转换器。A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。 KYB压力变送器变送器由扩散硅压力芯片和信号处理电路组成，当外加压力时，将引起压力芯片的输出电压以生变化，再经信号处理电路将其放大，并转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。KYB-800KT型压力变送器由压力敏感部件、恒流源供电电路、信号放大处理电路组成。压力敏感部件采用国际高品质扩散硅压阻式压力传感器，其利用两个单晶硅片结合在一起，上面硅片通过微机械加工工艺构成一个惠斯通电桥，该电桥电压输出与作用在硅片上的压力差成比例；恒流源供电电路可产生2mADC的电流，用于激励压力传感器工作。信号放大处理电路用于将惠斯通电桥产生的电压信号线性放大处理后并转换成0-5VDC4-20mADC等多种工业标准化信号。2.KYB压力变送器技术特点 KYB-800KT系列产品采用国际先进生产工艺及电子元部件，在严格的质量保证体系的保障下生产制造，具有精度高、体积小、重量轻、安装方便、工作稳定可靠等优点。主要性能特点（1） 稳定性高（2） 温度误差小（3） 实用性强（4） 安装维修方便3.KYB压力变送器接线方式二线制电流输出端子连接 图3.6 二线制电流输出端子连接三线制电流输出端子连接 图3.7 三线制电流输出端子连接二线制电压输出端子连接图3.8 二线制电压输出端子连接3.1.4 PLC模拟量扩展模块（EM235） EM235是常用的模拟量扩展模块，它具有4路模拟量输入和一路模拟量输出的功能。1.PLC模拟量扩展模块（EM235）的接线方式图3.9 PLC模拟量扩展模块（EM235）的接线方式 对于电压信号，按正负直接接入和；对于电流信号将R和+短接后接入电流输入信号的“+”端；未连接传感器的通道要将和短接。 对于某一模块，只能将输入端同时设置为一种量程和格式，即相同的量程和分辨率。2.PLC模拟量扩展模块（EM235）的技术参数常用技术参数： 表3.3 PLC模拟量扩展模块（EM235）常用技术参数：模拟量输入特性模拟量输入点数4 输入范围电压（单极性）010V、05V、01V、0500mV、0100mV、050mV电压（双极性）10V、5V、2.5V、1V、500VmV、250mV、100mV、50mV、25mV电流020mA数据字格式单极性 全量程范围-32000+32000双极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特征模拟量输出点数1信号范围电压输出10V电流输出020mA数据字格式电压 -32000+32000电流 032000分辨率电流电压 12位电流11位 表3.4 EM235扩展模块开关设置SW1SW2SW3SW4SW5SW6单极性ON双极性OFFOFFOFFX1OFFONX10ONOFFX100ONON无效ONOFFOFF0.8OFFONOFF0.4OFFOFFON0.2 上表说明如何用DPI开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。由该表得，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1,SW2,SW3共同决定了模拟量的衰减选择。根据表3.5可得所有的输入设备如下表表3. 5 EM235扩展模块所有的输入设备单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON050mV12.5uVOFFONOFFONOFFON0100mV25uVONOFFOFFOFFONON0500mV125uVOFFONOFFOFFONON01V250uVONOFFOFFOFFOFFON05V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON020mA5uVOFFONOFFOFFOFFON010V2.5mV双极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF25mV12.5uVOFFONOFFONOFFOFF 50mV、25uVOFFOFFONONONOFF 100mV50uVONOFFOFFOFFONOFF 250mV、125uVOFFONOFFOFFOFFOFF500VmV250uVOFFOFFONOFFOFFOFF1V500uVONOFFOFFOFFOFFOFF2.5V1.25mAOFFONOFFOFFOFFOFF5V2.5mAOFFOFFONOFFOFFOFF10V 5mA 3.PLC模拟量扩展模块（EM235）输入数据字格式图3.10 12位数据值在CPU的模拟量输入字中的位置图3.11 12位数据值在CPU的模拟量输出字中的位置 3.1.5 PID闭环控制模块PID控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-Integral-De-rivative)的简称。其优点是不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便。1.PID闭环控制系统原理本系统的PID闭环控制系统原理图如下图。图3.12 PID闭环控制系统原理图 其中是sp(t)给定值、pv(t)是反馈量，由压力变送器测得。C(t)为输出。PID控制器的输入输出关系为 （3-1） 式中e(t)=sp(t)-pv(t)称为偏差值，M(t)为PID控制器的输出，Kp为比例系数，回路增益Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD。 微分用差分代替，积分用求和代替。则数字化的PID计算为（3-2）可得：为微分系数。（3-3）2.PLC实现PID控制的方式 用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法： (1) 使用PID过程控制模块：这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的，并放在模块中，用户使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便。 (2) 使用PID功能指令：它是用于PID控制的子程序，与模拟量输入输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制的效果，但价格便宜得多。如S7-200的PID指令 (3) 用自编的程序实现PID闭环控制：在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下，仍希望采用某种改进的PID控制算法，此时用户需要自己编制PID控制程序。 本设计中采用PLC的CPU为S7-200，S7-200中具有PID指令。故该设计中利用PID指令实现PID闭环控制。3.输入输出变量的转换 PID控制有输入量2个：给定值sp和过程变量pv。给定值通常是固定值，过程变量通常是经过AD转换和计算后得到的被控量的实测值。给定值和过程变量都是和被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样，对于PID指令的输出，在将其送给DA转换器之前，也需要进行转换。4.PID指令及其回路表 S7-200的PID指令如下图所示。图3.13 PID 指令表 指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)，引起编译失败。回路表如下表所示表3.6 回路表偏移地址变量格式类型描述0过程变量双字节数输入应在.0.01.0之间4给定值双字节数输入应在.0.01.0之间8输出值双字节数输入/输出应在.0.01.0之间12增益双字节数输入比例常数，可正可负16采样时间双字节数输入单位s，必须为正20积分时间双字节数输入单位min，必须为正24 微分时间双字节数输入单位min，必须为正28上一次的积分值双字节数输入/输出应在.0.01.0之间32上一次过程变量双字节数输入/输出最后一次运算过程变量值 过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输入值Mn，它被限制在0.01.0之间。 如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM 1.1(溢出或非法数值)被置为1，并将中止PID指令的执行，想要消除这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。3.2 PLC型号选择和系统硬件配置3.2.1变频调速工作过程及控制要求 在恒压供水系统中，在出水的管中设有一个YBT压力传送器，检测水压的大小，并将其转化成模拟信号（电流信号）。通过PLC设定一个恒定压力值、变频器上限（最低频率）和下限（最低频率）。利用PID计算形成一个闭环控制系统。当水量发生变化时，变频器根据管内的压力设定值和变频器反馈的实际压力值之差，经过模拟输入、D/A转换、PID计算、A/D转换、模拟输出等对电动机的转速进行调节，当管内所测压力值比实际压力值大时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率（降低）但不能低于变频器的最低频率（下限）；当管内所测压力值比实际压力值小时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率（升高）但不能高于变频器的最高频率（上限）。从而保证管网压力稳定，实现管网的恒压供水。3.2.2 系统I/O确定 YBT压力传送器检测到的管内水压需转换为模拟信号输送到PLC,同时经过PID计算，A/D转换后得到模拟量输出PLC，所以系统需要一个模拟输入输出模块。该模块只需要一个模拟输入模块一个模拟输出模块，故选用模拟输入输出模块（EM235）。根据该工作过程及控制要求可知，系统中只需要自动启动、自动停止、手动启动、手动停止按键四个数字量输入点，一个接受压力传感器数值的模拟输入信号。控制电动机的是PLC提供给变频器的模拟信号与确定电动机启动或停止的一个数字量输出点。 3.2.3 PLC型号选择，输入输出点分配 S7-200CPU22*系列PLC共有5种CPU模块。分别是CPU221、CPU222、CPU224、CPU226及CPU226XM。其中CPU221无扩展功能，CPU222最多能带两个模块的扩展模块，不满足本系统要求。CPU224是具有较强控制功能的控制器，其I/O点数为14输入和10输出，最多7个扩展模块，能满足系统要求。故选用S7-200CPU224型号。输入输出点分配：表3.7系统输入输出点分配输入输出I0.0自动启动Q0.0电动机启动I0.1自动停止AQW0模拟量输出I0.2手动启动I0.3手动停止AIW0模拟量输入 表3.8辅助继电器表格VD101压力设定值VD112比例系数VD204频率上限VD116采样时间VD208频率下限VD120积分时间VD100处理后模拟量输入值VD124 微分时间VD250PI调节结果存储单元VD108PI计算值3.3 外部硬件电路设计3.3.1 主电路图如图3.15所示为系统的主电路图。M为电机。KM为接触器；FR为水泵电机过载保护用的热继电器：QS为变频器和泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器；VVVF是通用变频器。FUFUR S TU V WNL1L2L3KM QSVVVF 3M13FR图3.15 主电路图3.3.2控制电路图图3.16为系统的控制电路图，按下按钮启动或停止水泵，可根据需要控制水泵的启动或停止，方便排除故障用；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。SB1为自动启动、SB2为自动停止、SB3为手动启动、SB4为手动停止。图3.16 控制电路图 3.3.3 PLC外围接线图图3.17 PLC外围接线图第四章 基于变频器的智能恒压供水系统软件设计 根据系统控制要求，系统有两种工作方式：手动和自动。手动工作方式主要完成电动机的启动和停止，以及出现不正常工作情况时通过手动操作使系统回到初始状态。自动工作方式是自动完成各个流程。KYB压力变送器测定值 B4.1 系流程图图4.1 系统流程图4.2 软件设计4.2.1 电机启动模块设计 电机启动分为自动启动手动启动和自动停止手动停止。PLC输入端只有四个数字量输入，一个模拟量输入。一个模拟量输出一个数字量输出。其数字量输入输出部分： 图4.2 数字量输入输出部分程序图4.2.2 PID控制模块软件设计1.回路输入的转换(AD)首先，将给定值或AD转换后得到的整数值由16位整数转换为浮点数，可以用下面的程序实现这种转换：XORD AC0,AC0 /清除累加器MOVW AIW0,AC0 /将待转换的模拟量存入累加器LDW=AC0,0 /如果模拟量为正DTR AC0,AC0 /直接转换成实数NOP /否则ORD 16#FFFF0000,AC0 /将AC0内数值进行符号位扩展成32位负数LBL 0DTR AC0,AC0 /将32位整数转换成实数然后，将实数进一步转换成0.01.0之间的标准数，可用下式对给定值及过程变量进行标准化： (4-1）式中：RNorm为标准化实数值；RRaw为标准化前的值；offset为偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5；Span为取值范围，等于变量的最大值减去最小值，单极性变量的典型值为32 000，双极性变量的典型值为64 000。下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span=64 000)转换为0.01.0之间的实数的转换程序为： R 64000.0,AC0/将累加器中的实数标准化 +R 0.5,AC0、加上偏移量，使其在0.0-1.0之间 MOVR AC0,VD100/将标准化的值存入回路表中2.回路输出的转换(DA) 回路输出即PID控制器的输出，它是标准化的0.01.0之间的实数。将回路输出送给DA转换器之前，必须转换成16位二进制数，这一过程是将pv与sp转换成标准化数值的逆过程。用下面的下式将回路输出转换为实数： （4-2）式中，RScal是回路输出对应的实数值；Mn是回路输出标准化的实数值。将回路输出转换为对应的实数的程序为： MOVR VD108,AC0 /将回路输出送入累加器 R 64000.0,AC0 /单极性变量乘以32000.0将代表回路输出的实数转化为16位整数的指令为： ROUND AC0,AC0 /将实数转化为32位整数 MOVW AC0,AQW0 /将16为整数写入模拟输出（D/A）寄存器3.PID计算 因为该设计中利用PID指令实现PID闭环控制。所以在软件设计中，只需要设定PID中控制器参数初值如压力设定值、回路增益Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD等。使用PID指令，在自动方式下运行。4.2.3 整体软件设计（整体程序） / 电动机的停、转 /初始化程序 上限VD204=1800；下限VD208=22400； 比例系数VD112=0.25；采样时间VD1160=2；积分时间VD120=30； 微分时间VD124=0；采用PI调节器，压力设定值VD101=0.7/整数至双整数，双整数至实数，实数相除，实数传送等一系列转换，将输入模拟量转换成标准化的浮点数(实数)。/ 设定值与实际值比较， 起始位置VB100 回路号0 。实现PI计算/PI计算值与频率的上下限值进行比较，判断出进行D/A转换值/ 实数相乘 ，取舍， 双整数变整数 ，字传送。实现D/A转换图4.3 程序设计梯形结束语 随着变频调速技术的飞速发展，变频调速恒压供水技术普遍使用。用变频器和PLC来实现恒压供水，与其它供水方式相比较而言，其优点是非常明显的。节能效果十分显著，启动平稳，启动电流小，避免了电机启动时对电网的冲击，延长了泵和阀门等的使用寿命，消除了启动和停机时的水锤效应。供水控制系统提高了的供水质量。各项控制指标达到了用户的要求。 通过对变频调速系统发展历程、在国内外发展趋势的了解，确定了设计的方向。在实习调查中，提出解决该设计的思路及方法，结合社会发展趋势，人们的需求，基于变频器的智能恒压供水系统应运而生。 通过本系统的设计，对基于变频器的恒压供水系统有了深入的理解。根据恒压供水的原理，系统的学习了MM420变频器、S7-200 PLC、EM235、PID控制、KYB压力变送器等器件的原理及应用。本设计中采用最简单的顺序控制利用可编程控制器PLC和变频器实现闭环控制。当水量发生变化时，变频器根据管内的压力设定值和变频器反馈的实际压力值之差，经过模拟输入、D/A转换、PID计算、A/D转换、模拟输出等对电动机的转速进行调节，当管内所测压力值比实际压力值大时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率（降低）但不能低于变频器的最低频率（下限）；当管内所测压力值比实际压力值小时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率（升高）但不能高于变频器的最高频率（上限）。从而保证管网压力稳定，实现管网的恒压供水。 参考文献1张宏林,PLC应用开发技术与工程实践,北京:人民邮电出版社,2008.72海心、马银忠、刘树青，西门子PLC开发入门与典型实例,北京:人民邮电出版社,2009.23张万忠,可编程控制器入门与应用实例（西门子S7-200系列）,北京：中国电力出版社,20044张发玉,可编程控制器应用技术,西安:西安电子科技大学出版社，20065邹金慧,可编程控制器及其系统,重庆:重庆大学出版社,20026王永华,现代电气控制及PLC应用技术,北京:被金华航空航天大学出版社,20037王卫星、傅立思、孙耀杰,可编程控制器原理及应用,北京:中国水利电力出版社,20028肖朋生、张文、王建辉,变频器及其控制系统,北京:机械工业出版社,2008 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀