基于变频器智能恒压供水系统的设计毕业论文.doc

毕业项目毕业项目毕业项目 项项目目类别类别 毕业论文 项项目名称 目名称 基于变频器的智能恒压供水系统设计 院院 系系 机电工程系 专专 业业 机电一体化技术 姓姓 名名 学学 号号 班班 级级 指指导导教教师师 摘摘 要要 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 目目 录录 1 引言 1 1 1 基于变频器的智能恒压供水系统的发展历程 1 1 2 基于变频器的智能恒压供水系统研究的目的和意义 2 1 3 基于变频器的智能恒压供水系统的应用 2 2 基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案 4 2 1 基于变频器的智能恒压供水系统总体方案设计 4 2 2 变频恒压供水原理 5 3 基于变频器的智能恒压供水系统硬件设计 7 3 1 系统的硬件电路构成 7 3 2 PLC 控制系统设计的基本原则 23 3 3 PLC 型号选择和系统硬件配置 23 3 4 外部硬件电路设计 24 4 基于变频器的智能恒压供水系统软件设计 27 4 1 系统流程图 27 4 2 软件设计 28 结 束 语 33 致 谢 34 参考文献 35 1 1 引言引言 变频恒压供水系统成为现在建筑中普遍采用的一种水处理系统 随着社会和变频调 速技术发展和人们节水节能意识的不断增强 变频恒压供水系统的节能特性使得其越来 越广泛用于工厂 住宅 高层建筑的生活及消防供水系统 恒压供水是指用户端在任何 时候 不管用水量的大小 总能保持网管中水压的基本恒定 同时要保证供水的可靠性 和安全性 基于变频器的智能恒压供水系统利用 PLC 传感器 变频器及水泵组成闭环控 制系统 代替传统的水塔供水控制系统 既保证了供水质量又丰富了系统的控制功能 提高系统可靠性 达到节水节能的效果 1 11 1 基于变频器的智能恒压供水系统的发展历程基于变频器的智能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 过阀门的凯断来控制 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 的变频但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 21 2 基于变频器的智能恒压供水系统研究的目的和意义基于变频器的智能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 而在 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 变频器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 变频器恒压供水系 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 31 3 基于变频器的智能恒压供水系统的应用基于变频器的智能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 工业企业 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 2 2 基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案 2 12 1 基于变频器的智能恒压供水系统总体方案基于变频器的智能恒压供水系统总体方案设计设计 2 1 1 方框图 图一图一 整体方框图整体方框图 控制部分方框图 图二图二 控制部分方框图控制部分方框图 PID 控制器是比例 积分 微分控制 Proportional Integral De rivative 的简称 PID 控制部分方框图 模拟量输入模拟量输入 EM235 模拟量输出模拟量输出 EM235 压力传感压力传感 器器 PLCPLC S7 200 S7 200 水泵水泵变频器变频器 PLC 反馈 给定 模 拟 输 出 模 拟 输 入 变频器变频器水泵水泵 压力传感压力传感 器器 用户 图三图三 PIDPID 控制部分方框图控制部分方框图 2 1 2 总体方案简介 基于变频器的智能恒压供水系统利用 PLC 传感器 变频器及水泵组成闭环控制系 统 实现供水恒压运行 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 P LC 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 2 22 2 变频恒压供水变频恒压供水原理原理 供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程 h 与流量 q 之间的关系曲线 f q 前提 是供水系统管路中的阀门开度不变 扬程特性所反映的是扬程 h 与用水流量 q 之间的关 系 由图 1 的扬程特性表明 流量 q 越大 扬程 h 越小 在阀门开度和水泵转速都不变 的情况下 流量 q 的大小主要取决于用户的用水情况 管阻特性是以水泵的转速不变为前提 阀门在某一开度下 扬程 h 与流量 q 之间的关系 h f q 管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差 液体在管 道中流动阻力的变化规律 由图 1 可知 在同一阀门开度下 扬程 h 越大 流量 q 也越 大 流量 q 的大小反映了系统的供水能力 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点 称为供水系统的平衡工作点 如图 1 中 a 点 在 这一点 用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态 供水系统既满足了扬程 特性 也符合了管阻特性 系统稳定运行 当用水流量和供水流量达到平衡时 扬程 ha 稳定 供水系统的压力也保持恒定 A D变频器变频器 NPINQ I D A PID 电动机电动机 传感器传感器 PLC 反馈 给定 用户 图四图四 供水系统的基本特性供水系统的基本特性 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 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 实现官网 的恒压供水 3 基于变频器的智能恒压供水系统硬件设计基于变频器的智能恒压供水系统硬件设计 3 13 1 系统的硬件电路构成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 EM235 3 1 1 可编程控制器 PLC S7 200 3 1 1 1 可编程控制器 PLC 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 其主要结构为 CPU 构成为 图五图五 S7 200S7 200 CPUCPU 构成构成 3 1 1 2 可编程控制器 PLC 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 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 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 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 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 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 1 1 3 可编程控制器 PLC S7 200 特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术 采用严格 的生产工艺制造 内部电路采取了先进的抗干扰技术 具有很高的可靠性 从 PLC 的机 外电路来说 使用 PLC 构成控制系统 和同等规模的继电接触器系统相比 电气接线及 开关接点已减少到数百甚至数千分之一 故障也就大大降低 此外 PLC 带有硬件故障自 我检测功能 出现故障时可及时发出警报信息 在应用软件中 应用者还可以编入外围 器件的故障自诊断程序 使系统中除 PLC 以外的电路及设备也获得故障自诊断保护 这 样 整个系统就具有乐极高的可靠性 2 配套齐全 功能完善 适用性强 PLC 发展到今天 已经形成了大 中 小各种规模的系列化产品 可以用于各种规 模的工业控制场合 除了逻辑处理功能以外 现代 PLC 大多具有完善的数据运算能力 可用于各种数字控制领域 近年来 PLC 的功能单元大量涌现 使 PLC 渗透到了位置控制 温度控制 CNC 等各种工业控制中 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展 使 用 PLC 组成各种控制系统变得非常容易 3 编程方便 易于使用 PLC 作为通用工业控制计算机 是面向工矿企业的工控设备 它接口容易 编程语 言易于为工程技术人员接受 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接 近 只用 PLC 的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能 为不熟 悉电子电路 不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门 功能强 扩展能力强 PLC 中含有数量巨大的用于开关量处理的类似继电器的软元件 可轻松实现大规模 的开关逻辑控制 这是一般的继电器系统所不能实现的 PLC 可以方便地与各种类型的输 入 输出量接口 实现 D A A D 转换及 PID 运算 实现过程控制 数字控制等功能 PLC 具有通信联网功能 它不仅可以控制一台单机 一条生产线 还可以控制一个机群 及许多条生产线 它不但可以进行现场控制 还可以用于远程监控 PLC 控制系统设计 安装 调试方便 PLC 中相当于继电接触器系统中的中间继电器 时间继电器 计数器等编程元件 虽数量巨大 却是用程序代替硬接线 因而安装接线工作量少 设计人员只要有 PLC 就 可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试 而继电器系统的调试则是靠在现场改 边界线进行的 十分复杂 6 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 PLC 用存储逻辑代替接线逻辑 大大减少了控制设备外部的接线 使控制系统设计 及建造的周期大为缩短 同时维护也变得容易起来 更重要的是使同一设备经过改变程 序改变生产过程成为可能 这很适合多品种 小批量的生产场合 7 体积小 重量轻 能耗低 易于实现机电一体化 以超小型 PLC 为例 新近出产的品种底部尺寸小于 100mm 重量小于 150g 功耗仅 数瓦 由于体积小很容易装入机械内部 是实现机电一体化的理想控制设备 3 1 1 4 可编程控制器 PLC S7 200 接线方式 24V 电源 图六图六 CPU224CPU224 接线方式接线方式 3 1 1 5 可编程控制器 PLC S7 200 通讯口的引脚分配 表一表一 S7 200S7 200 通讯口的引脚分配通讯口的引脚分配 3 1 2 变频器 MM420 变频器 MM420 全称 MICROMASTER420 系列变频器 主要特征 200V 240V 10 单相 三相 交流 0 12kW 5 5kW 380V 480V 10 三相 交流 0 37kW 11kW 保护功能 过载能力为 150 额定负载电流 持续时间 60 秒 过电压 欠电压保护 变频器过温保护 接地故障保护 短路保护 电动机过热保护 采用 PTC 通过数字端接入的电机过热保护 采用 PIN 编号实现参数连锁 闭锁电机保护 防止失速保护 在这我们选择型号为 6SE6420 2AD31 1CA1 的 MM420 变频器 它的功率为 11KW 运行频 率为 50HZ 最大输出频率为 80HZ 由于变频器的频率不能为负 故最小频率为 0HZ 变频器频率和电机转速的关系 当供水压力发生变化时 电机转速也会发生变化 压力变大 电机转速变小 压力变 小 电机转速变大 而当电机转速发生变化时 变频器频率也会发生相应变化 其关系 为 电机转速始终和电源的频率成线性比例 转速 极对数 X60 秒 X 频率 其中 每个电 机线圈极对数是一定的 时间每分钟 60 秒也是一定的 所以电机转速和频率成正比 3 1 2 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 图七图七 变频调速系统的基本结构变频调速系统的基本结构 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 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 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 整流电路直流中间电 路 逆变电路 控制电路 交流电源频率和电压 可调的交流电 相交流电源 直接控制电机 3 1 2 2 变频器 MM420 参数表 表二表二 变频器常用参数变频器常用参数 表三表三 变频器控制电机参数变频器控制电机参数 3 1 2 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 MM420 变频器特点 易于安装 易于调试 牢固的 EMC 设计 可由 IT 中性点不接地 电源供电 对控制信号的响应是快速和可重复的 参数设置的范围很广 确保它可对广泛的应用对象进行配置 电缆连接简便 采用模块化设计 配置非常灵活 脉宽调制的频率高 因而电动机运行的噪音低 详细的变频器状态信息和信息集成功能 有多种可选件供用户选用 用于与 PC 通讯的通讯模块 基本操作面板 BOP 高级操作面 板 AOP 用于进行现场总线通讯的 PROFIBUS 通讯模块 3 1 2 4 变频器 MM420 与电机连接方式 图八图八 接单相电源时 变频器与电机连接接单相电源时 变频器与电机连接 图九图九 接三相电源时 变频器与电机连接接三相电源时 变频器与电机连接 3 1 3 KYB 压力变送器 3 1 3 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 3 1 3 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 稳定性高 温度误差小 实用性强 安装维修方便 3 1 3 3 KYB 压力变送器接线方式 二线制电流输出 端子连接 图十图十 二线制电流输出 端子连接二线制电流输出 端子连接 三线制电流输出 端子连接 图十一图十一 三线制电流输出 端子连接三线制电流输出 端子连接 二线制电压输出 端子连接 图十二图十二 二线制电压输出 端子连接二线制电压输出 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 他实现了 4 路模拟量输入和一路模拟量输出功能 3 1 4 1 PLC 模拟量扩展模块 EM235 的接线方式 图十三图十三 PLCPLC 模拟量扩展模块 模拟量扩展模块 EM235EM235 的接线方式 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 3 1 4 2 PLC 模拟量扩展模块 EM235 的技术参数 常用技术参数 表四表四 PLCPLC 模拟量扩展模块 模拟量扩展模块 EM235EM235 常用技术参数 常用技术参数 表五表五 EM235EM235 扩展模块开关设置扩展模块开关设置 表四说明如何用 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 根据表四可得 所有的输入设备 如表六 表六表六 EM235EM235 扩展模块所有的输入设备扩展模块所有的输入设备 3 1 4 3 PLC 模拟量扩展模块 EM235 输入数据字格式 图十四图十四 1212 为数据值在为数据值在 CPUCPU 的模拟量输入字中的位置的模拟量输入字中的位置 图十五图十五 1212 为数据值在为数据值在 CPUCPU 的模拟量输出字中的位置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 3 1 5 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 图十六图十六 PIDPID 闭环控制系统原理图闭环控制系统原理图 其中是给定值是反馈量 由压力变送器测得 为输出 PID 控制器的输入输 出关系为 式中 e t sp t pv t 称为偏差值 M t 为 PID 控制器的输出 P K 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 CPU 只处理数字信号 故必须经过转换 采样时间 T 第 N 次采样得到的偏差 e n 控制器 输出 M n 则 微分用差分代替 积分用求和代替 则数字化的 PID 计算为 可写成 3 1 5 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 1 5 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 A D 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 D A 转换器之前 也需要进行转换 3 1 5 4 PID 指令及其回路表 S7 200 的 PID 指令如下图所示 图十七图十七 PIDPID 指令表指令表 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 PID 指令对 回路表中的某些输入值不进行范围检查 应保证过程变量 给定值等不超限 回路表如下表所示 表七表七 PIDPID 回路表回路表 偏移地址变量格式类型描述 0 过程变量 N PV 双字节数输入应在 0 01 0 之间 4 给定值 n sp 双字节数输入应在 0 01 0 之间 8 输出值 n M 双字节数输入 输出应在 0 01 0 之间 12 增益 C K 双字节数输入比例常数 可正可负 16 采样时间Ts双字节数输入单位 s 必须为正 20 积分时间Ti双字节数输入单位 min 必须为正 24 微分时间 D T 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 0 1 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 23 2 PLCPLC 控制系统设计的基本原则控制系统设计的基本原则 1 最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 PLC 的功能 最大限度地满足 被控对象的控制要求 是设计 PLC 控制系统的首要前提 这也是设计中最重要的一条原 则 这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究 收集控制现场的资料 收 集相关先进的国内 国外资料 同时要注意和现场的工程管理人员 工程技术人员 现 场操作人员紧密配合 拟定控制方案 共同解决设计中的重点问题和疑难问题 2 保证 PLC 控制系统安全可靠 保证 PLC 控制系统能够长期安全 可靠 稳定运 行 是设计控制系统的重要原则 这就要求设计者在系统设计 元器件选择 软件编程 上要全面考虑 以确保控制系统安全可靠 3 力求简单 经济 使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量 和数量 带来巨大的经济效益和社会效益 但新工程的投入 技术的培训 设备的维护 也将导致运行资金的增加 因此 在满足控制要求的前提下 一方面要注意不断地扩大 工程的效益 另一方面也要注意不断地降低工程的成本 这就要求设计者不仅应该使控 制系统简单 经济 而且要使控制系统的使用和维护方便 成本低 不宜盲目追求自动 化和高指标 4 适应发展的需要 由于技术的不断发展 控制系统的要求也将会不断地提高 设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要 这就要求在选择 PLC 输入 输出 模块 I O 点数和内存容量时 要适当留有裕量 以满足今后生产的发展和工艺的改进 3 33 3 PLCPLC 型号选择和系统硬件配置型号选择和系统硬件配置 3 3 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 见方框图 3 3 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 3 3 PLC 型号选择 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 3 3 4 系统输入输出点分配 表八表八 系统输入输出点分配系统输入输出点分配 3 43 4 外部硬件电路设计外部硬件电路设计 3 4 1 主电路图 图十八图十八 主电路图主电路图 3 4 2 控制电路图 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 图十九图十九 控制电路图控制电路图 3 4 3 PLC 外围接线图 图二十图二十 PLCPLC 外围接线图外围接线图 4 4 基于变频器的智能恒压供水系统软件设计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是系统回到初始状 态 自动工作方式是自动完成各个流程 本系统自动程序设计采用顺序控制 用梯形图 编辑 4 1 系统流程图 KYB 压力变 送器测定值 B 图图 4 14 1 系统流程图系统流程图 4 24 2 软件设计软件设计 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 4 2 2 PID 控制模块软件设计 4 2 2 1 回路输入的转换 A D 首先 将给定值或 A D 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 0 DTR AC0 AC0 将 32 位整数转换成实数 然后 将实数进一步转换成 0 0 1 0 之间的标准数 可用式下式对给定值及过程变量进 行标准化 offset span R R Raw Norm 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 0 1 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 4 2 2 2 回路输出的转换 D A 回路输出即 PID 控制器的输出 它是标准化的 0 0 1 0 之间的实数 将回路输出 送给 D A 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 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 4 2 2 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 采用 PID 指令 在自动方式下运行 4 2 3 整体软件设计 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 结结 束束 语语 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 致致 谢谢 首先要感谢我的大学老师们 特别是刘荣元老师 刘老师在指导我们的同时给我们 创造了一个和谐自由的设计环境 给我们充分发挥的空间 提高了我学习创造的积极性 在我做设计期间 他尽心尽责的指导我 引导我 每当设计过程中遇到困难时 给予我 莫大的支持和帮助 让我一步步前进 其次要深深感谢我的同学们 在生活上帮助我 让我安心做设计 学习上 给我指 导 特别是遇到难题时 与他们谈论过程中 使知识更深的印到脑海中 在老师引导下 能最快的无意间解决一直困惑的难题 最后要感谢学校给我们毕业生提供设计的环境 实习的地点 让我们在毕业的一学 期中不仅学习知识 也学习了在社会中生存的法则 为我们毕业后踏入社会奠定基础 感谢我的家人 感谢他们对我精神上的鼓励 生活上的关心和支持 让我安心设计 无后顾之忧 参考文献参考文献 1 张宏林 PLC 应用开发技术与工程实践 M 北京 人民邮电出版社 2008 7 2 海心 马银忠 刘树青 西门子 PLC 开发入门与典型实例 M 北京 人民邮电出版 社 2009 2 3 张万忠 可编程控制器入门与应用实例 西门子 S7 200 系列 M 北京 中国电力 出版社 2004 4 张发玉 可编程控制器应用技术 M 西安 西安电子科技大学出版社 2006 5 邹金慧 可编程控制器及其系统 M 重庆 重庆大学出版社 2002 6 王永华 现代电气控制及 PLC 应用技术 M 北京 被金华航空航天大学出版社 2003 7 王卫星 傅立思 孙耀杰 可编程控制器原理及应用 M 北京 中国水利电力出版 社 2002 8 肖朋生 张文 王建辉 变频器及其控制系统 M 北京 机械工业出版社 2008 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 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