三泵生活消防双恒压无塔供水系统设计

北华大学毕业设计（论文）摘要随着社会经济的发展，居民对生活供水质量和供水系统技术的要求不断提高，目前我国面临着能源紧缺，所以利用先进的自动化技术，控制技术以及通讯技术，设计高性能，高节能，并能适应不同领域的恒压供水系统成为必要趋势。本设计是针对居民生活供水/消防用水而设计的。由变频器、PLC及PID调节器组成的控制系统，根据居民不同时段的用水量，通过供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组的转速，使供水系统达到最合理的供水状态，并且达到节能目的。本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，有变频器进行压力调节。系统中，利用反馈将压力信号转化为电信号送至微处理器，经微处理器运算后输出作为变频器的频率给定信号，以维持系统压力的恒定。关键词：恒压供水；变频调速；PLC；PID调节；AbstractWith the rapid development of social economy, it demands the better of water supplys quality and reliability of water supply system. Meanwhile energy resources are seriously lack. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.It is very important of the Water Supply System in Constant Pressure for the water supply in industrial and citizen existence. It is consist of the variable frequency an speed regulation, PLC, PID control system for the control system. It controls the outcome of the pumps. The generator pumps. The generator pumps are consist of parallel three pumps, and the power come from variable frequency and speed regulation or power grid. According to the water supply of constant pressures outcome water press and flux, the control system control the variable frequency and speed regulation, parallel pumps speed and cut over, cause the system move in the best rational situation, assure according to wants supply water. This design has many merits such as save energy.In this paper, the control principle of VVF providing-water system is introduced. PLC is used to carry on logic control and inverter to modulate pressure. In the system, the exchanger of pressure can turn the signal of pressure to be a electrical signal, and the electrical signal will be transferred to the microprocessor, after operation of PLC, the output signal microprocessor will be as the general frequency signal of inverter in order to keep the constant pressure.Key Words：water supply of constant pressure; variable frequency and speed regulation; PLC; PID control system;- 2 -目录摘要1Abstract2引言11 绪论21.1 变频恒压供水系统国内外的技术水平现状21.2 变频恒压供水的意义21.3 毕业设计的主要内容32 软硬件的基本原理介绍42.1 变频器42.1.1 变频器的介绍42.1.2 变频装置与变频原理42.1.3 变频器的选择62.1.4 变频供水原理及应用112.2 可编程序控制器的基本构成及工作原理142.2.1 可编程序的基本构成142.2.2 可编控制器的工作原理153 PID控制器183.1 PID三作用的控制作用183.2 PID调节参数的整定193.3 PID调节的控制213.4 PID回路类型的选择214 系统设计224.1 系统设计要求224.2 恒压系统的基本构成224.3 系统恒压供水控制程序流程图234.4 控制系统的I/O及地址分配244.5 电气控制系统原理图254.5.1 系统供水主电路图254.5.2 系统控制电路图264.5.3 PLC外围接线图284.5.4 PLC控制系统304.6 PLC程序设计30参 考 文 献44致谢45北华大学毕业设计（论文）引言可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称为PC或PLC,是60年代末发明的工业控制器件。国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是：“PLC是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器, 用来在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令并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。可编程控制器及其有关外围设备,都按易于与工业系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。 PLC具有完善的功能,模块化的结构,以及开发容易,操作方便,性能稳定,可靠性高的特点和较高的性价比,使其在工业生产和民用中的应用更为看好,随着集成电路的发展和网络时代的到来,PLC将具有更广阔的前景。基于可编程控制器的重要性,为了更好的掌握这门技术,故选择PLC控制高楼供水系统。目前,我国大部分高楼供水采用的是人工的供水方式或继电器,接触器控制方式。这些系统线路复杂，维护困难，操作麻烦，并且要工人进行看守和操作，劳动强度大。所以有必要对之进行改造，提高自动化水平。并且,高楼供水系统对于居民生活用水是非常重要的，例如在干旱时或用水高峰期，若自来水供水因短时缺水时，给居民带来了很大的不便,特别是夏季。又如当发生火警时，若供水不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以某些用水区采用高楼自动供水PLC控制系统，具有较大的经济和社会效益。1 绪论1.1 变频恒压供水系统国内外的技术水平现状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、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，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。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。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。目前国内在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网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。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出恒压供水专用变频器(5.5kW-22kW)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。 可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，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研究还不够。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。1.2 变频恒压供水的意义随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。变频恒压供水系统集变频技术、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，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能效果，这在能量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。变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。1.3 毕业设计的主要内容随着社会经济的发展，人们对生活用水的要求不断提升，本课题主要任务是通过恒压供水系统来满足用户用水流量需求。本系统主要有供水回路，清水池及泵房组成。变频恒压供水控制系统由控制器，变频器，水泵电机及检测装置构成。控制系统采用具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统。恒压供水需要用变频器为水泵电机供电，从而达到保持管网水压恒定，水泵电机转速要随用水量的变化而变化的目的。在供水运行时，关闭电磁阀，使消防管网关闭，两台泵根据生活用水的多少，通过按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。火灾结束后，三台泵再改为生活供水使用。图1.1生活/消防双恒压供水系统工艺流程图2 软硬件的基本原理介绍2.1 变频器2.1.1 变频器的介绍目前，变频器的应用几乎遍及生产，生活的各个领域。随着电力电子技术和微机控制技术的飞速发展，现代交流变频调速技术在电机控制系统中的应用也越来越广。在中、小容量范围呢，采用自关断期间的全数字控制PWM变频器已经实现了通用化，童工变频器具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便等优点，在机电控制技术中占有非常重要的位置。变频器的发展与普及应用提高了现代工业的自动化水平，提高了产品的质量和劳动生产率，节约了能源及原材料，降低了生产成本，其社会经济效益十分显著。2.1.2 变频装置与变频原理一、变频装置变频器分为交-交和交-直-交两种。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电，又称间接式变频器。本节详细介绍间接变频装置（交-直-交变频器），其结构如图2.1所示。它由主电路和控制电路组成。图2.1 变频器的结构1. 主电路 (1)整流器。它又称为电网侧变流器，是把三相(或单相)交流电整流成直流电。常见的整流器有二极管构成的不可控三相桥式电路和用晶闸管构成的可控三相桥式电路。(2)逆变器。它又称负载侧变流器，最常见的结构形式是利用5个半导体主开关期间组成三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。(3)中间直流环节。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，因此在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。种种无功能量要靠中间直流环节的储能元件来缓冲，所以又常称为中间直流环节储能环节。2. 控制电路控制电路由运算电路，检测电路，控制信号的输入/输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及各种保护功能等，可采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已采用嵌入式微型计算机进下全数字控 制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。二、变频调速原理1. 异步电动机的基本公式(1) 同步转速 即旋转磁场的转速，计算公式如下： (2.1)式中 式(2.1)表明，当电动机的磁极对数一定时，同步转速与电源电压的频率成正比;而在额定频率下，同步转速与磁极对数的关系如下表表2-1 同步转速与磁极对数的关系磁极对数1(2极)2(4极)3(6极)4(8极)6(12极) 同步转速(r/min)300015001000 750500 (2) 转差 即转子转速与同步转速之差。 (2.2)式中 (3)转差率 转差与同步转速之比，称为转差率 (2.3)式中 。(1) 转子转速 由式(2.2)和(2.3)推到如下： (2.4)由式(2-4)知，改变电源电压的频率，就可以改变了旋转磁场的转速，也就改变了电动机输出轴的转速：所以，调节频率可以调速，并且可以无级调速。2.1.3 变频器的选择异步电动机利用变频器进行调速转动时，应合理选择变频器的容量及其外围设备。通用变频器的选择包括变频器类型选择和容量选择两个方面。一变频器类型的选择通用变频器通常分为三种类型：普通功能性U/f控制变频器，具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器和矢量控制高性能变频器。风机，泵类负载，其低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能性。恒转矩类负载，如挤压机，搅拌机，传送机，厂内运输电车，起重机等，则有两种情况。一种是采用普通功能性变频器，为实现恒转矩调速，采用加大电动机和变频器容量的办法，以提高低速转矩。另一种是采用具有转矩控制功能的高功能型变频器，以实现恒转矩负载下的调速运行，这种变频器低速转矩打，静态机械特性硬度大，不怕冲击负载，具有挖土机特性。轧钢，造纸，塑料薄膜加工线这类对动态性能要求较高的生产机械，采用矢量控制高性能型通用变频器。二变频器容量的计算（一）连续恒载运转时所需的变频器容量 (2.5)式中，为负载所需要的电动机的轴输出功率；h为电动机的效率(通常约为0.85)；为电动机的功率因数(通常约为0.75)；为电动机电压(V)；为电动机电流(A)；为电流波形的修正系数；为变频器的额定容量(KVA)；为变频器的额定电流(A)。(二)一台变频器驱动多台电动机并联运行时的变频器容量 (2.6)当电动机加速时间再1min以上时， (2.7)式中，为负载所需要的电动机的轴输出功率；为并联电动机的台数；为同时启动的台数；h为电动机的效率(通常约为0.85)；为电动机的功率因数(通常约为0.75)；为连续容量(KVA)，；为电动机启动电流与额定电流之比；为电流波形的修正系数；为变频器的额定容量(KVA)；为变频器的额定电流(A)。(三)打惯性负载启动时的变频器容量计算 (2.8) 式中，为换算到电动机轴上的总()；为负载转矩（）；h为电动机的效率(通常约为0.85)；为电动机的功率因数(通常约为0.75)；为电流波形的修正系数；为变频器的额定容量(KVA)；三变频器外围设备的选择变频器的运行离不开一些外围设备，选用外围设备可提高变频器的某种性能，提高对变频器和电动机的保护减小变频器对其他设备的影响等。(一)变频器外围设备的种类与用途不同类型及不同品牌的变频器，其外围设备不尽相同，以中等容量通用变频器为例，其外围设备如图2.2所示图2.2 变频器的外围设备（1）电源变压器T。它用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级，由于变频器的输入电流含有一定量的高次谐波，是电源侧功率因数降低，若再考虑变频器的运行效率，则应满足： 其中，变频器功率因数在有输入交流电抗器IACL时取0.8-0.85，无输入电抗器IACL时则取0.6-0.8.变频器效率可取0.95，变频器输出功率应为所接电动机总功率。(2)电源侧电磁接触器1KM。它用于电源的开闭，在变频器保护功能其作用时切断电源：对于电网停电后的复电，可防止自动投入以保护设备及人身安全。(3)无线电噪声滤波器FIL。它用于限制变频器高次谐波对外界的干扰。(4)交流电抗器1ACL和2ACL。电源侧的1ACL用于节制变频器输入侧的微波电流，改善功率因数。电动机侧的2ACL用于改善变频器输出电流的波形，降低电动机的噪声。(5)制动电阻单元R。它用于吸收电动机再生制动的再生电能，可缩短大惯量负载的自由停车时间，还可以在位能负载下放时实现再生运行。(6)电磁接触器2KM和3KM。它们分别用于变频器和工频电网之间的切换运行。（二）制动电阻的计算制动电阻的选择，包括制动电阻的阻值及容量的计算。1. 制动转矩 (2.9)式中，为电动机的（）；为负载折算到电动机轴上的()；为负载转矩（）；为减速开始速度（）；为减速毕速度（）；为减速时间()。2.制动电阻阻值在附加制动电阻进行制动的情况下，电动机内部的有功损耗部分折合成制动转矩，大约为电动机额定转矩的20%。制动电阻为： (2.10)式中，为电动机电压(V)；为制动转矩（）；为电动机额定转矩（）；为减速开始速度（）。当系统所需要制动转矩 ,即制动转矩在额定转矩的20%以下时，仅电动机内部有功损耗的作用，就可使中间直流回路电压限制在过压保护的动作水平以下。选用的制动电阻应按下来式决定： 3.制动时平均消耗功率 (2.11)4.电阻器额定功率制动电阻器额定功率的选择与电动机的工作方式相关。图2.3嗾使为电动机减速模式。(a) 重复减速(b) 非重复减速图2.3 减速模式根据电动机运行的模式，可以确定制动时的平均消耗功率和电阻器的允许功率增加系数，制动电阻器的额定功率。根据计算得到的可在市场上选择合乎要求的标准电阻器。2.1.4 变频供水原理及应用（一）变频供水原理根据用户要求，先设定给水压力，然后通电运行，压力传感器监测管网压力，并变为电信号反馈至变频器，经过对反馈值和设定值的分析处理，由变频器来控制水泵的运行，最终达到反馈值和设定值的一致。当用水量增加时，系统压力降低，反馈值小于设定值，变频器输出电压和频率升高，水泵转速升高，出水量增加；当用水量减小时，水泵转速降低，减少出水量，使管网压力维持设定压力值。在多台水泵并联运行时，自动完成水泵的加减，实现水泵的自动恒压供水。变频水泵是用普通电机，变频水泵不用时电机是低速运行，也可以增加气压罐，副泵，让主泵电机不转动。1.变频水泵控制柜的结构及原理变频水泵控制柜系统通过测到的管道压力，经变频器系统内置的PID调节器运算，调节输出频率，然后实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知PLC的进行变频泵切换。为防止水锤现象的产生，泵的开关将联动其出口阀门。变频水泵控制柜工作原理如下:智能变频恒压供水节能控制柜,变频供水节能控制柜假设整个系统由三台水泵，一台变频器，一台PLC，PID调节器和一个压力变送器及若干辅助部件构成。各部分功能如下：安装于供水管道上的压力变送器将管网压力转换成1-5伏的电信号;变频调速器用于调节水泵转速以调节流量;PLC的用于逻辑切换。此外，上述系统还配备了外围辅助电路，以保障自动控制系统出现故障时可通过人工调节方式维持系统运行，保证连续生产。2、变频水泵控制柜特点： 根据水池（箱）内水位的高低自动控制电磁阀（或电动阀）的启闭，以控制水箱(池)的进水并使水池（箱）自动保持一定水量供用户使用。3、变频水泵控制柜选型说明 变频水泵控制柜主要由变频控制箱，压力传感器，水泵等组成。变频控制柜由断路器，变频器，接触器，中间继电器，PLC的等组成。 变频水泵控制柜系统选用原则 水泵扬程应大于实际供水高度。 水泵流量总和应大于实际最大供水量。 变频水泵控制柜选型： 用户可根据供水量和供水高度确定水泵型号及台数，然后对控制柜进行选型。（二）变频恒压供水的应用在智能建筑日益增多的今天，供水问题成为业主比较关心的问题，所以变频恒压自动供水便提上了日程。以前在一般建筑的建设中往往需要建设一个二次加压供水泵房并采用变频器实现恒压自动供水。一般情况下，为保证建筑的供水正常，在设计时往往设计成“一用两备”三台水泵。由一台变频器（附加PID调节器、单片机、PLC等器件构成控制系统）拖动三台水泵循环运转。与空调水泵控制不同，恒压供水自动控制系统通过压力传感器采集管网中的压力并将其转换成模拟信号进行变频控制。这样变频恒压水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置，为局部加压供水开辟了新的途径。另外由于水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40。与可编程控制器结合使用，可实现循环变频，电机软启动，具有欠压保护、过压保护、短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。在消防给水系统中，平时消防管网由增压、稳压泵稳压，使之保持在高压（消防水压）的准备消防状态。当发生火灾，启动主消防泵立即可以提供规定压力和流量的消防用水。按我国消防规范，水消防的延续时间，最长按3小时考虑，因此主消防泵的节能问题可不予考虑，因而也无必要采用变频调速以节约电能。众所周知，发生火灾是百年、千年一遇的事件，在一般情况下是不会发生的，变频器是一种电子器件，如果采用变频器控制主消防泵变频调速，消防泵变频器长期备而不用，在发生火灾使用时反而容易发生故障，降低了消防设备的可靠性。另一个重要问题是消防备用泵的自动投入控制问题。此外，变频控制系统的电气较复杂，会降低可靠性，增加造价。消防泵的功率一般较大，其控制用变频器的价格也相应提高。综上所述，对于消防泵而言，从节能、可靠性和造价几点考虑，无必要采用变频调速技术。如果消防泵采用变频调速控制，由于消防泵（消防泵、喷淋泵）长期不投入使用，容易发生泵生锈堵转等现象，故应对消防泵定期进行低频运转，以免有消防需要时，消防水泵不能正常起动，贻误火灾的扑救。所以现在我们一般对消防泵进行自动巡检，即通过消防泵控制柜内的巡检电路让消防泵每隔一段时间进行一次自启动，巡检时采用变频控制，以利保养及节能。但在正常火灾情况下，消防泵、喷淋泵一般通过直接启动、星三角或自藕降压方式启动，以满足消防要求，且消防状态时所有的非消防电源均已切断，故一般情况下不采用变频器启动方式。按我国消防规范，消防泵应设有备用泵，备用泵应不小于任一台主消防泵。由多泵并联恒压供水理论，多泵并联恒压供水，变频调速泵必须是其中最大的一台泵，其余并联泵自动投入或超出是由变频控制器按用水流量变化自动控制的。如果变频泵故障可能会导致变频器跳闸，使全部消防泵停泵。从这一点考虑，消防泵采用变频调速会降低消防供水的可靠性，不宜在水消防系统中应用。通过以上分析，我们知道变频器在智能建筑中的应用非常广泛，也非常有效。这也是笔者在实际工作过程中使用变频器在智能建筑电气自动控制系统中实现节能或控制的具体体会。变频器在智能建筑中的应用还远远不止这些，其它系统如空调、通风、电梯等都有广泛的应用。可以相信，它的应用将随着电子技术的发展与变频器的不断更新会越来越广泛，将会给国家和个人带来巨大的社会效益和经济效益。22.2 可编程序控制器的基本构成及工作原理2.2.1 可编程序的基本构成图2.4 基本构成图1.中央处理器 中央处理器是PLC的大脑。起着指挥的作用，其主要功能是： （1）编程时接受并存储从编程器输入的用户程序和数据，并能进行修改或更新。（2）以扫描方式接受现场输入的用户程序和数据，并存入输入状态表（即输入继电器）和数据寄存器所谓输入影像寄存器。（3）从存储器中逐条读出用户程序，经解读用户逻辑，完成用户程序中规定的各种任务，更新输出映像寄存器的内容。（4）根据输出所存电路的有关内容实现输出控制。（5）执行各种诊断程序目前，PLC中的CPU主要采用单片机，如Z80A 8051 8039 AMD2900等，小型PLC大多数采用8位单片机，中型PLC大多数采用16位甚至32位单片机。 2.存储器 PLC内部存储器用来存放PLC的系统程序，用户程序和逻辑变量及数据信息。存储器分为只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两大类。ROM的内容杂使用时只能读出不能写入，它的写入需要使用特殊的方法和设备，一旦写入即使掉电也不会消失，称为固化。ROM主要存放监控程序及已调试好的用户程序。RAM的内容可以随时由CPU对它进行读取，写入，任意修改，但掉电后，信息丢失。用户程序是使用者为PLC完成某一具体控制任务编写的应用程序，用户程序在设计和调试过程中要经常进行读写操作，为了便于调试、修改、扩充、完成，用户程序一般使用RAM存储。RAM中的内容在掉电后要消失，所以PLC对RAM提供备用锂电池，一般锂电池使用期为35年左右。如果调试通过的用户程序要长期使用，可用专用EPROM写入器把程序固化在EPROM芯片中，再把芯片插入PLC的EPROM插座上。 3.输入、输出模块 这是PLC与被控设备的连接部件，输入模块通过输入端子接受现场设备的控制信号（包括开关量和模拟量），如控制按钮、限位开关、传感器信号等，并把这些信号转换成被控设备能接收的电压或电流信号，以驱动被控装置（包括开关量和模拟量），如电磁阀、接触器、信号灯等。 4.扩展接口 当PLC主机（基本单元）的点数不够用时，可以通过扩展I/O接口连接扩展机（扩展单元），以增加输入和输出点数。 5.电源部件 电源部件将外部提供的交流电转换成PLC内部正常工作所需的直流电，它是主机的重要组成部分。 6 编程器和其他外设 PLC需要通过编程器输入、检查、修改、完善和调试程序，也需要它在线监控PLC的工作情况，编程器是PLC最主要的外围设备。PLC也可以配置其他设备，如打印机、显示器、EPROM写入器和盒式磁带机等。与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。在软件的控制下，PLC才能正常工作。软件分为系统软件和应用软件两部分。2.2.2 可编控制器的工作原理（一）PLC的基本工作过程：1.输入现场信息：在系统软件的控制下，顺次扫描各输入点，读入各输入点的状态。2.执行程序：顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算。3.输出控制信号：根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器（锁存器）向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控。（二）PLC扫描过程图2.5 PLC扫描过程图每次扫描开始，先执行一次自诊断程序，对各输入输出点、存储器和CPU等进行诊断，诊断的方法通常是测试出各部分的当前状态，并与正常的标准状态进行比较，若两者一致，说明各部分工作正常，若不一致则认为有故障。此时，PLC立即启动关机程序，保留现行工作状态，并关断所有输出点，然后停机。诊断结束后，如没发现故障，PLC将继续往下扫描，检查是否有编程器等的通信请求。如果有则进行相应的处理，比如，接受编程器发来的命令，把要显示的状态数据、出错信息送给编程器显示等。处理完通信后，PLC继续往下扫描，输入现场信息，顺序执行用户程序，输出控制信号，完成一个扫描周期。然后又从自诊断开始，进行第二轮扫描。（三）PLC的I/O相应时间为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。I/O响应时间:指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。最短I/O响应时间:最长I/O响应时间:图2.6 I/O响应时间3 PID控制器3.1 PID三作用的控制作用自动控制系系统主要是由被控制对象、执行机构、检测变送器等完成一定任务的元部件构成的，这些元部件各自都有本身的动态和静态特性，当它们结合在一起，构成一个自动控制系统时，整个系统的控制质量便取决于它们的特性控制方案以及干扰的形式和幅值。今年来虽然发展了许多类型的控制器，也出现了一些新型控制规律，但是最基本的，工业上用得最普遍的仍然是比例（P）、积分（I）及微分（D）3种控制器等。由3种规律可以组成比例（P）控制器，比例积分（PI）控制器及比例、积分、微分（PID）控制器等。它们都是线性控制器，起作用是将给定值r(t)与被控参数的实际输出y(t)之差作为控制器的输入，控制器按偏差的比例、比例积分、比例积分微分形式控制量。一 比例（P）控制器比例控制器是最简单的一种控制器，其控制规律为： （3.1）式中 控制器的输出； 控制器的输入，一般为偏差值，即 ； 比例系数。由上式可以看出，控制器的输出与输入偏差成正比，偏差一出现，控制器立即产生控制作用，使被控参数朝着减少偏差的方向变化，具有控制及时的特点。控制作用的强弱取决于比例系数 的大小。二 比例、积分（PI）控制器比例控制器虽然简单，快速，但是用仅有比例控制作用的控制器构成系统时，会产生静态偏差即静差。为了消除比例控制的静差，可在比例控制的基础上加上积分控制，形成比例积分控制器，其控制规律为： （3.2） 其中称为积分时间。只要偏差不为零，它将通过累积作用影响控制量，以求减小偏差，直至偏差为零，控制作用不在变化，系统达到稳态。因此，积分作用的加入可以消除系统偏差。三 比例、积分、微分（PID）控制器积分控制作用的加入，肃然可以消除静差，但是会降低响应速度作为代价的。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差量做出即时反应，而且还要对偏差量的变化做出反应，或者说按偏差变化的趋向进行控制，为了使偏差消灭在萌芽状态，可以在PI控制的基础上加入微分控制作用，以得到如下的PID控制规律： （3.3）式中称为微分时间。对于PID三作用控制器，在阶跃信号作用下，首先是比例和微分作用，使其控制作用加强，然后再进行积分，直到最后消除静止为止。因此，采用PID控制器，无论从静态还是动态的角度来说，控制品质都得到改善，因而PID控制器成为一种应用最为广泛的控制器。3.2 PID调节参数的整定参数整定的方法有两种：理论设计法及实验确定法。用理论设计确定PID控制参数的前提是要有被控制对象准确的数学模型，这在一般工业过程中是很难做到的。因此用实验确定法来选择PID控制参数的方法是最有效。 在实验确定法中，有以下几种方法：1)扩充响应曲线扩充响应曲线发是将模拟控制器响应曲线法推广用来求数字PID控制器参数。这个方法首先要经过实验测定开环系统对阶跃输入信号的响应曲线，如图3.1所示 图3.1 对象的阶跃响应 具体步骤如下：断开数字控制器，使系统在手动状态下工作，人为地改变手动信号，给被控对象一个阶跃输入信号，如图3.1（a）所示。用仪表记录下被控参数在此阶跃输入作用下的变化过程曲线，即对象的阶跃响应曲线，如图3.1（b）所示。在对象的响应曲线上，过拐点p做切线，求出等效滞后时间和等效时间Tm，并算出他们的比值。选择控制度。根据所求得的和Tm的值，可求得控制器的T,Kp，T1和Td。投入运行，观察控制效果，适当修正参数，直到满足为止。2）扩充临界比例度法扩充临界比例度法师模拟控制器使用的临界比例度法的扩充，它用来整定数字PID控制器的参数。其整定步骤如下：选择一合适的采样周期，是指采样周期足够小，一般应选它的对象的纯滞后时间的1/10一下，此采样周期用表示。用上述的，仅让控制器作纯比例控制，逐渐增大比例系数Kp，直至使系统出现等幅振荡。选择控制度。选择控制后，得采样周期T、比例系数Kp、积分时间常数T1和微分时间常数Td。按求得的参数运行，在运行中观察控制效果，用试凑法进一步寻求更为满意的数值。3.3 PID调节的控制根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。3.4 PID回路类型的选择在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。例如只需要比例回路或者比例积分回路。通过设置常量参数可先选用想要的回路控制类型。如果不想要积分回路，可以把积分时间设为无穷大。即使没有积分作用，积分项还是不为0因为有初值MX，但积分作用可以忽略。如果不想要微分回路，可以把微分时间设为0，如果不想要比例回路，但需要积分或微分回路，分项和微分项时，把增益当作1看待。4 系统设计4.1 系统设计要求对变频恒压供水系统的基本要求是：1） 供水运行时，系统恒压运行。 2） 三台电机按顺序进行切换，如果压力低于设定值，则切换为工频运行同时开启下一台电机变频运行。3) 同时变频器有报警信号和报警指示灯。4.2 恒压系统的基本构成变频恒压系统控制框图如图4.1该系统由水泵，变频器、配套内置PID调节模块、水压检测装置及控制逻辑组成, 通过检测管网压力与变频器本身PID模块形成闭环控制, 实现压力恒定无差动态调节。 图4.1恒压控制系统框图根据用户需求，先设定给水压力即设定值，然后通电运行，通过压力传感器采集管网中压力，并将水压反馈值与设定值比较，从而形成闭环系统，经过对反馈值和设定值分析处理，将其转换成模拟信号通过变频器进行控制，最后保持水压的恒定。4.3 系统恒压供水控制程序流程图图4.2系统流程图4.4 控制系统的I/O及地址分配控制系统的输入信号及代码、地址编号如表（4.1）所示 名称 代码地址编号手动和自动消防信号SAI0.0水池水位下限信号SLI0.1水池水位上限信号SLI0.2变频器报警信号SI0.3消铃按钮SB1I0.4试灯按钮SB2I0.5远程压力表模拟量电压值UAIW0控制系统的输出信号及代码、地址编号如表（4.2）所示。名称 代码 地址编号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生活/消防供水转换电磁阀 YV2Q1.0水池水位下限报警指示灯 HL7Q1.1变频器故障报警指示灯 HL8Q1.2火灾报警指示灯 HL9Q1.3报警电铃 HAQ1.4变频器频率复位控制 KA(EMG) Q1.5控制变频器频率电压信号VAQ W04.5 电气控制系统原理图4.5.1 系统供水主电路图该供水系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，系统为一台变频器依次控制每台水泵实现转速的调节，并实现恒压控制。系统具有变频及工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指示下一台泵为变频泵。如图4.4所示电控系统主电路，该电路有三台电机分别为M1、M2、M3，接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；接触器KM1、KM3、KM5分别控制电机M1、M2、M3的工频运行；FR1、FR2、FR3分别为电机过载保护用的热继电器；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；FU1为主电路的熔断器，VVVF为简单的一般变频器。 图4.4 系统供水主电路图4.5.2 系统控制电路图如图4.5所示为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA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SB1SB8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断。自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图中HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位时只是提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用一个COM端，而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。图中的Q0.0Q0.05及Q1.01.5为PLC的输出继电器触点，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号。图4.5 电控系统控制电路4.5.3 PLC外围接线图如图4.6所示为PLC及扩展模块外围接线图。实际使用时还必须考虑许多其他因素，这些因素主要包括：（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）系统保护措施。 图4.6所示为PLC及扩展模块外围接线图4.5.4 PLC控制系统该系统采用的是西门子可编程序控制器系列，I/O点数为60点，它是PLC的32位视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。 泵组的切换。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频