plc水位控制系统的设计

1、摘 要本文详细介绍了基于omron的plc、变频器和压力变送器控制的恒压供水系统的构成和工作原理。这个控制系统是在传统的水塔供水基础上，采用了压力变送器转换水位信号，送入plc进行运算控制，能够将控制信号送入变频器来调节供水量，使供水系统实现恒压供水。在算法上，采用了pid运算，将供水水位误差控制在一定的范围内。本文详细讲述了系统硬件结构图、工艺流程图和控制方法，以及各元件的协调控制方法和pid算法及原理，实现了对供水的恒压自动控制，提高了供水质量。自动控制水位系统在居民小区中应用的优越性体现在设计简易、使用方便、省时省力及成本等多方面，能够满足应用单位的基本要求，提倡推广使用。关键词： pl

2、c；变频器；水位控制；pidabstractthis article introduced based on omron plc、the frequency changer andthe pressure changes the delivering control the constant pressure water supply system constitution and the principle of work. this control system is in the traditional water tank water supply foundation, used t

3、he pressure to change delivering to change delivers the water level signal, sent in plc to carry on the operation control, could control the signal to send in the frequency changer adjustment volume of diversion, caused the water supply system realizationconstant pressure water supply. in the algori

4、thm, has used the pid operation, will control the error of the water level what suplly for people in the certain scope. this article elaborated the system hardware structure drawing, the flow chart and the control method, as well as the part coordination control method and the pid algorithm and the

5、principle, have realized to the water supply constant pressure automatic control, improved the water supply quality. the application superiority of the automatic control water level system manifests in the inhabitant plot in the design, simple, convenient, time-saving reduces effort and the cost and

6、 so on, can satisfy the the basic request of application, achieves the promoted use.key word: plc; frequency changer; water control；pid目 录摘 要iabstractii第一章 绪论11.1 plc的发展11.2 plc的基本结构21.3 plc特点2第二章 方案设计42.1水位控制常用方法42.2确定最终方案9第三章 plc水位控制系统设计103.1水位控制系统工作原理103.1.1水位控制系统的基本要求113.1.2水位控制系统的设计要求123.2 输入输出

7、参数123.3 plc型号的选择143.4 选择变频器及其工作原理173.5压力变送器213.5.1 压力的简述213.5.2 压力传感器的种类223.5.3 压力变送器的工作原理223.6 pid特点及控制原理233.6.1设定pid参数253.6.2 pid水位调节的过程263.7控制程序设计273.7.1程序设计中数据传送和比较指令介绍273.7.1.1 数据传送指令273.7.1.2 数据比较指令293.7.1.3数据存储区（dm）293.7.2梯形图的编写过程30第四章 软件部分设计334.1cpm2a与模拟单元cpm1a-mad02334.2 软件编程354.2.1 初始化处理35

8、4.2.2 数据的转换354.2.3 编写程序384.3 利用pid算法调节电机频率434.3.1 pid算法种类的概述434.3.2 pid增量式算法计算公式444.3.3pid指令454.3.4选择pid回路类型45结 论47致 谢48参考文献49第一章 绪论1.1 plc的发展过程 虽然plc出现时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，plc也迅速发展，其发展过程大致可分为三个阶段。早期的plc称为可编程逻辑控制器。这样的plc是电电器控制装置的替代物，其主要功能只是执行由继电器完成的顺序控制、定时控制等等。它在硬件以计算机的形式

9、出现，i/o接口电路改进来适应工业生产的需求。设备中的零件主要采用分离元件和中小集成电路，存储器采用磁芯存储器。此外还运用一些其他方法，以提高其性能效果。在软件编程上采用电我们大家熟悉的继电器控制方式梯形图。因此，早期的plc的工作效率要比传统继电器控制装置高，简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。plc的编程语言梯形图以其独特性运用至今。微处理器的出现使plc逐步开始采用微处理器作为plc的中央处理单元（cpu）。这样的改进，使plc的功能明显提升。在软件设计方面，在保持其原有的功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、自诊断等方便实用的新功能。硬件设计方面，保持了

10、原有的开关模块，并特别增加了模拟量快、远程i/o模块、以及各种特殊功能模块。并增加了存储器的存储容量，增加了各种逻辑线圈的数量，同时还提供了一定数量的数据寄存器，使 plc的应用领域大大扩大。后来，伴随着大规模集成电路技术出现，微处理器的市场受到严重冲击，各种类型的plc都采用了微处理器。而且，为了进一步提高plc的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑编程处理芯片。这样使得plc软、硬功能发生了巨大改变。1.2 plc的基本结构plc实质是一种专用于工业控制计算机，其硬件结构大体上与微型计算机相同，中央处理单元(cpu)，如图1-1所示。系统程序存储器电源输入电路中央处理单元（cpu）编

11、程器输出电路系统程序存储器图1-1 硬件结构1.3 plc特点(一)可靠性好1. 抗干扰能力好，适合于在恶劣的生产环境下运行，不需要一般计算机所要求的环境。且所有的i/o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与plc 内部电路之间在电气上隔离。2. 各输入端均采用r-c 滤波器其滤波时间常数通常为1020ms。3. 各模块均采用屏蔽方式以防止辐射干扰。4. 采用性能优质的开关电源。5.存储器件的选用。6.自诊断功能避免机器故障时发生意外。7.由双cpu 构成冗余系统或有三cpu构成表决系统的大型plc,可靠性进更强。(二) 系统采用了分散的模块化结构1. plc可以控制各种不同工业现场信

12、号。2. 有相应的i/o模块与工业现场的相应装置，不同控制可根据需要进行组合，便于扩展；也易于检查故障和维修更换，从而提高了效率。3. 直接连接，另外为了提高操作性能它还有多种人-机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。(三) 采用了大规模集成电路和微处理器技术为了实现机电一体化，将其设计得紧凑、坚固、小体积，便于装入机械设备内部，各种工业控制需要除了小型plc 以外，绝大多数plc 均采用模块化结构，plc 的各个部件包括cpu，电源i/o 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自由行组合。(四) 编程简单plc的编程

13、大多使用面向控制操作的控制逻辑语言。梯形图语言简单易，因此很容易被工作人员所理解和掌握。(五) 安装简单维修方便pl不需要特定的场所，能在各种不同环境下直接使用，使用时只要将现场的装置机器与plc 相应的i/o 端相连接即可使用运行，每个模块上都有运行和故障指示装置，用户可以详细了解其运行状况和查找故障，模块化结构的最大优点，某模块发生故障是用户可以通过掉换模块来使系统迅速恢复正常。随着人民生活水平不断的提高，对供水系统的要求越来越高。供水系统是城市、农村建设的重要设施。传统的供水方式人工劳动资源浪费的现象比较严重。由于plc的诸多优点，我们将用plc改造传统的供水系统，改造后使整个供水系统达

14、到了恒压供水要求，省时省力以大提高了供水的质量。第二章 方案设计2.1 水位控制常用方法 随着科技不断的发展，越来越多的控制系统应用于各个领域，水位控制的方法有样，如： 1、plc控制的供水系统在plc控制水位系统方面，有很多生活应用技术的例子，哈尔滨工业大学工程专业的李秀忠，在小区供水系统设计中，采用了智能化的控制，整个控制系统运用了三菱的 plc和变频器，压力变送器等1。其特点是：供水系统采用两台水泵交替工作于变频和工频状态，水泵按照先入先出原则，即先接通先断开，当用水量增加时先将原来变频该的水泵切换为工频运行，同时增加一台水泵为变频；用水量减少时，将先启动的水泵停机。每台水泵变频工频运行

15、概率相同，以避免某台水泵长期不运行而意外情况发生。 图2-1 plc水位控制系统 2、继电器的水位控制系统基于单片机控制水位系统，主要是应用继电器来监控水位，通过电路控制进水的开始或停止2。该系统的特点是：探测水位的传感器是采用浮子水位传感器，简图如2-2所示，其系统位式控制原理包括上限和下限位式控制。当水位达到下限时，报警灯亮，同时供水电机启动运转，开始供水。当水位达到上限时，报警灯闪烁，电机自行切断电源，停止供水。 因为该系统的水位控制只基于上限、下限位控制，只适合于较简单的水位控制系统，所以不采用本系统作为选择的方案。图2-2 浮子水位传感器图2-3继电器的水位控制系统 3、dcs的水位

16、控制系统 dcs是分散控制系统的简称，它是由一个过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机、通讯、显示和控制等技术，基本原理是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。dcs系统在水位控制方面，是具有全面综合能力系统，控制方面广泛，整个控制是分散控制、集中操作、分级管理。但是，其系统造价昂贵，适合于大型企业在控制多方面管理系统中，适合应用于较复杂的供水系统，所以不采用dcs系统控制水塔水位。图2-4 dcs的水位控制系统作为水位控制的方法在传感器方面也是很多，例如： 1、上下限位式控制简单的控制上下限的位式控制系统应用的例子很多，例如物业公司用于水塔、水

17、池、水库等方面，其特点是：采用工控单片机作为主控部件，具有全量程范围设置的上、下限位，仪表内置声光报警器。2、pid调节控制pid控制最为当今的工控行业的主导控制方式，应用此技术进行控制有很多3。其特点是：在进水管的水流量随时间不断变化的状态下，运用pid调节控制出水管阀门的开口大小，使水箱内的水位保持在水满时液位的一半，控制精度较高，减小水位调节误差。3模糊控制模糊控制是根据规则的控制，它的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验，而人的控制经验的语言的表达的控制规则又带有一定的模糊性4。其特点是：模糊控制不仅可以避开复杂的数学模型，还能够得到较好的暂特性及较好的超调量。在水位控制系统中，一定

18、要有检测水位的装置，才能传递所对应的执行动作。而做为检测装置的传感器，更是由各种不同的检测方式而生产出多种的产品，例如：1、位式传感器这种传感器仅在水位的上限和下限位置安装一个开关量的传感器，来实现自动开启及闭合开关来实现控制的控制元件。2、接触式传感器接触式传感器有压力传感器，主要安装在容器的底部，在容器中需有安装孔，或使用投入式压力传感器，投入到液体当中，检测水的压力。其特点是：利用膜片所受到的压力使膜片产生与介质压力成正比的微小位移，将其转换成与压力对应的标准工业信号。因为膜片采用高性能的工业陶瓷，所以传感器具有很强抗冲击和抗过载能力。3、非接触式传感器非接触式的传感器有超声波传感器，它

19、是利用压电晶体的谐振来工作的。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，在空气中传播，当碰到水位液面即刻返回，接受器接受到反射波就立即计时停止，通过计算得出液位的高度。其特点是：指向性强、能量消耗慢，精度高，检测迅速等。在检测系统中得到广泛的应用。2.2 确定最终方案 本次设计是在原小区供水系统的基础上进行改造的，原小区的供水水塔高度为5米，采用的控制方式为位式控制，只能简单的实现水位的上下限控制，控制方法是循环式的，很容易发生停水或水溢出的现象，必须有操作人员经常检查系统工作状况。 根据原小区的供水系统和水位的控制要求，经过以上的各种控制系统及所应用元件以及文献的参考，选择陶

20、瓷膜片式压力传感器送出0-1v的信号，拟采用plc和变频器及pid来进行水位调节，以实现恒压水位控制。 第三章 plc水位控制系统设计3.1 水位控制系统工作原理 安装于水塔底部上的压力变送器将受到的压力p1检测值转换为0-10v的电压信号送入plc，通过plc转换送出4-20ma的电流信号传给变频器与压力设定值p进行比较，产生一个偏差值，经内部pid运算输出一个信号去控制变频器的输出频率，从而控制电机转速改变进水流量，使管道所受到的压力恒定，从而保持水位恒定。 当用水量不大时，在初始恒定状态瞬间，进水量大于排水量，水位必然上升，管道压力增大，通过压力信号检测、变化、传送及pid运算，发出信号

21、，控制改变变频器输出频率，使电机转速降低，减少进水量，使水位将到设定值，达到平衡。 当用水量增大时，排水量大于进水量，水位下降，管道所受到的压力降低，同理经过比较计算，改变变频器的输出频率，使电机转速增大，使进水流量增大，从而使水位上升，调节水位到平衡。 如此快速不断的运算，反复调节，使进水和出水量保持一定的比例关系，基本控制水位保持在设定的位置。 当压力传感器发生故障时，plc接受不到压力变送器输出的电信号或电信号不在接受电流范围内，亦不能传送到变频器通过pid运算，这样会导致水位高涨溢出或者水位下降供水不足。这时，切换到位式控制系统中，当水位达到设定的上限值4.5m，由位式传感器发出信号p

22、u，信号传送到plc，发出报警信号，切断电源，电机停止工作。当水位达到下限值0.5m时，由液位式传感器发出信号pd，同样由plc发出报警信号，启动电机开始供水。这样就可以不给供水造成较大的麻烦，及时进行维修、调试，重新启动自动控制系统，正常运行。图3-1系统供水结构框图3.1.1 水位控制系统的基本要求 该供水系统是针对某个小区自己供水使用的系统，需要控制的水塔高度为5m，正常使用工作时，将水位保持在4m，水位最高不超过上限4.5m，水位下限最低不低于0.5m。系统采用恒压供水，在要求恒压的条件下，必然有误差的产生，因此要求水位给定偏差在正负0.2m的范围内。水塔工作的具体参数如下：水塔水位高

23、度范围 0-5m 水位控制高度 4m 水塔容量 50t 进水阀最大进水量 25t/r 出水阀最大出水量 10t/r 进水阀流量可调度 0-100% 水位上限高度 4.5m 水位下限高度 0.5m3.1.2 水位控制系统的设计要求 整个控制系统要求以plc作为水位控制核心，利用压力压力传感器检测水位，将检测信号经压力变送器转换为0-10v电压信号送到plc，经变频器与设定值进行比较，通过pid运算，控制水位保持在一定的高度。当压力传感器发生故障时，可由水位上下限进行位式控制，当水位达到上限，发出信号传送到plc发出报警信号并切断电源，使电机停止工作。当水位达到下限，发出信号传送到plc发出报警信

24、号可实现手动打开进水阀门。本文中是针对输入小区自己供水的水塔设计，需说明出水阀门正常供水是保持常开，排水量是多家用户用水量而定。 根据系统要求，设定其工作过程为： 系统供电后，电机工作，开始供水，进水量最大，变频器启动，由压力变送器输入信号送到变频器，经变频器内部pid运算控制电机转速，控制水位控制在4m，当压力传感器发生故障时，无法采集到压力信号，变频器无法调节电机转速控制进水流量，此时就切换到上限下限位式控制系统，当水位达到上限4.5m时，由水位上限传感器发出信号送入plc，同时发出报警信号，电机停止工作。当水位达到下限0.5m时，同理发出报警信号，手动开启进水阀门。3.2 输入输出参数表

25、3-1 i/o分配表名称输入/输出开关/模拟i/o端口上限水位开关k1输入开关量i00000下限水位开关k2输入开关量i00001手动关闭进水阀门sb1输入开关量i00002手动打开进水阀门sb2输入开关量i00003可调速电机转速信号b输出模拟量4-20ma01200上限报警灯ru输出开关量o01000下限报警灯rd输出开关量o01001变量水位压力信号p1输入模拟量0-10v00200切断电源信号dd输出开关量o01002关闭进水阀门信号gq1输出开关量o01003打开进水阀门信号kq1输出开关量o01004 本次设计中，将液位传感器达到上限的信号k1接入plc输入端子00000通道（00

26、0），将液位传感器达到下限的信号k2接入plc输入端子00001通道（000），将手动关闭进水阀门信号sb1接入输入端子00002通道（000），将手动打开进水阀们信号sb2接如输入端子00003通道（000）将变量水位压力值信号p1接入plc输入端子00200通道（002），将可调电机转速信号b接入plc输出端子01200通道（012），将上限报警灯信号ru接入plc输出端子01000通道（010），将下限报警灯信号rd接入plc输出端子01001通道（010），将断开电源信号dd接到输出端子01002通道（010），将关闭进水阀门信号gq1接到输出端子01003通道（010），将打开进水阀

27、门信号kq1接到输出端子01004通道（010）。所有的开关量信号，接入plc输入的0通道，模拟量信号接入plc输入的模拟单元2通道。开关量信号输出信号接到plc输出的10通道，模拟量输出信号接到plc模拟单元的012通道。硬件连线图如图所示：00000 0100000001 0100100002 0100200003 01003 01004com com上限k1下限k2上限报警下限报警00200 01200. . . . .00211 01207bp1断开电源sb1sb2gq1kq1图3-2硬件连线图3.3 plc型号的选择目前，国内外生产的plc种类繁多，其指令系统、容量、编程方法、结构型

28、式各有不同，适应场合也各有侧重，因此，合理地选择plc是提高控制系统的经济指标最重要的一个环节56。plc的选择包括机型的选择、i/o模块、电源模块选择等几个方面。1、 机型的选择机型的选择的基本原则是满足控制系统的功能要求。2、 容量的选择plc的容量是指用户存储器的存储容量和i/o点数两个方面的含义。plc的特点之一是使用方便灵活，当被控设备工艺过程改变或调整控制方案时，不必改变plc硬件设备，只需要用编程器重新修改程序就能满足新的控制要求，因此选择存储器容量和i/o点数时都应保留有一定的余量。确定i/o点数的时候，首先要保证plc有足够的输入及输出点数，并留有一定的备量，一般要求有10%

29、的备量。3、 i/o模块的选择对于i/o模块除了确定点数之外，还要考虑其相应的电路和性能。不同功能的i/o模块，其电路和性能不同，并能直接影响plc的应用的范围和价格。根据系统的控制任务、系统的功能要求、经济因素以及plc的性能、功能、运行速度和性价比等方面，决定选用omron系列中cpm2a系列plc，该plc的特点是：指令系统功能强大，可利用梯形图编写语言、编程简单易掌握、特殊功能模块品种多、使用方便、造价低，有明显的价格优势。 在cpm2a系列中，根据i/o口的数量以及备用口，选用的plc类型为40点i/o，输入24点，输出16点，型号为cpm2a-40cdr-a输出形式：继电器，电源d

30、c24v。 输入端子用于连接输入设备 24个输入点00000-00011和00100-00111， 共用一个com端。00003、00004为中断输入端子。当00000-00002作为高速计数输入端子时，计数输入端00000、00001的计数频率单相最高为5khz，两相最高为2.5khz。输出端子用于连接输出设备。 16个输出点，01000-0107和01100-01107。主机面板的中部有4个工作状态显示led，其作用分别是：pwr（绿）：电源的接通或断开指示。电源接通时亮，电源断开时灭。run（绿）：plc的工作状态指示。plc处在运行或监控状态时亮，处在编程状态时或运行异常时灭。err/

31、alm（红）：严重错误和警告性错误指示。这两种显示共用一个led。plc出现严重错误时led常亮，此时plc停止工作且不执行程序；plc出现经过性错误时，led闪烁，但plc继续执行程序；运行正常时该led灭。comm（橙）：通信指示灯。plc与外部设备通信时常亮，不通信时灭。输入/输出点显示led每个输入点都对应一个led，当某个输入点的led亮时，表示该点状态为on。每个输出点都对应一个led，当某个输出点的led亮时，表示该点状态为on。i/o点的led指示为调试程序、检查运行状态提供了方便。模拟量设定电位器两个模拟量设定电位器0、1位于面板的左上角，可预置参数，范围为0-200（bcd

32、）。外设端口通过外设端口可以连接编程器等外部设备，也可以通过rs232c或rs422通信适配器连接其他plc或上位机以构成网络。扩展连接器cpm1a系列中，i/o点为30点和40点的主机有扩展连接器。该扩展连接器用于连接各种扩展单元，如i/o扩展单元、特殊功能单元和i/o连接单元等。可以同时连接不同的类型的扩展单元，但总数不能超过三台。对于特殊功能单元ts002、ts102，则只能连接其中的一个，且扩展单元的总数不能超过两台。cpm2a系列plc的功能简介1、 cpm2a plc具有丰富的指令系统，其基本指令有17条，应用指令有136条。除基本逻辑控制指令、定时器/计数器指令、移位寄存器指令外

33、，还有算术运算指令、逻辑运算指令、数据传送指令、数据比较指令、数据转换指令、高速计数器控制指令、脉冲输出控制指令、中断控制指令、子程序控制指令、步进控制指令及故障诊断指令等。cpm2a系列的指令系统功能强大、简单易学、编程方便。82、 模拟设定电位器功能在主机面板的左上角有2个模拟设定电位器，用螺丝刀旋转电位器时，可将0-200（bcd）的数值自动送到特殊辅助继电器区域，模拟设定电位器0的数值送入250通道，模拟设定电位器1的数值送入251通道。当定时器/计数器的设定值采用250通道或251通道设置时，其设定值就可以方便地进行变动。3、 输入时间常数设定功能cpm2a系列plc输入电路设有滤波

34、器，可减少外部干扰对其工作可靠性的影响。滤波器时间常数的范围为 1ms/2ms/4ms/8ms/16ms/32ms/ 64ms/128ms（缺省设置为8ms），可根据需要设置其大小。40点的主机如图3-3所示：图3-3 cpm2a40点主机3.4 选择变频器及其工作原理 变频器是保证电机在原有性能的情况下，通过改变电机的供电频率和电压方式，实现电机转速的调节现代电子设备。 变频器的选择应考虑变频器的型式选择和容量选择两个方面。其总的原则是必须保证可靠地达到工作要求，还要经济实惠。 根据功能可以将通用的变频器分为三种类型：普通功能型u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能型u/f控制变频器和矢

35、量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行78。 目前，变频调速生活给水在建筑给水中应用越来越广，其主要原因是：1.变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。但在选电机时应注意 ，因为变频调速其最大压力受水泵电机限制 。最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作，否则应加大变频器和水泵电机的容量，以防止发生过载。2.目前，变频器技术已很成熟，在市场上有很多国内外品牌 的变频器，这为变频调速供水提供了充分的技术和物质基础。变频器已在国民经济各部门广泛使用。任

36、何品牌的变频器与 变频供水控制器配合，即可实现多泵并联恒压供水。因为建 筑供水的应用广泛，有些变频器设计生产厂家把变频供水控制器直接做在供水专用变频器中；这种变频器具有可靠性好，使用方便的优点。3.变频调速恒压供水具有优良的节能效果。由水泵管道供水原理可知，调节供水流量，一般有二种方法；一是节流调节，供水阀调大，水位上升；水阀调小 ，水位下降。调节流量的第二种方法是调速调节，电机转速升高，提高供水增加；转速降低，流量降低，如果用水流量经常变环境场合(例如生活用水)，采用调速调节流量，具有优良 的节能效果。由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频工作，其余全是工频工作

37、，可以实现恒压变量供水 。在变频恒压变量供水当中，变频电机带动的泵的流量是变化的，当该泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各个工频工作的泵的效率不变(因工况不变)，并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的 ，其工作效率随流量而改变。因为采用多泵并联恒压供水，变频电机的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统 的能耗，改善节能状况。当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器 ，当用水流量接近于零，变频电机能够自动睡眠停机，从而可以做到不用水时自动停机而没有能量损耗，具有最佳的节能效果。另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先

38、开先停的工作模式。在这种供水模式中，当供水流量少于泵流量时，在恒压工频下的流量时，由变频器自动调节电机转速供水，当用水流量增大，电机的转速升高。当电机的转速升高到工频转速 ，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电(不通过变频器供电)。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。这就是循环软启动投入方式。当用水流量减少，各并联工频泵按次序关泵超出，并泵超出的顺序按先投入先关泵超出的原则由变频控制器单板计算机控制。由上述可见，对于变频恒压变量给水通常有两种工作模式 ，一是变频泵固定方式，二是变频循环软启动工作方式。在变频泵固定方式中

39、，各并联水泵是按工频方式自动投入或超出的。因为变频泵固定不变，当用水流量变化，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。为了均衡各水泵的运行时间，对于变频泵固定运行方式，可以设计成变频泵定时轮换运行方式。即当某一台变频泵运行一定时间后，由变频控制器控制变频泵自动进行轮换。例如：开始时1泵变频，2 3泵工频，当1泵变频运行t时间后(t可按序设定)自动轮换为2泵变频，31泵工频；在此状态下运行t时间后自动轮换为3泵变频，12工频。如此反覆进行定时轮换。显然，具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统 ，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都有可能成为变频泵。由变频恒压变量供水理论可知，水

40、泵管路供水原理可知，当节流损耗等于零，则供水 系统具有最佳的节能效果，此时水泵的供水扬程完全消耗在供水高度和供水流阻损失上。这种变频调整供水称为理态的变压变量供水，这种供水系统的扬程流量曲线和管路系统的流 阻流量曲线重合。在理想的变压变量供水系统中，在用水点，其扬程恒定，属于恒压供水。在实际建筑中，用水点是多处，不是一处，因此很难确定何处是恒压用水点。变压变量供水系统没有通用性，在工程上很少应用。一种实用的变压变量供水系统叫做准变压变量供水系统；在准变压变量供水系统中，其恒压值随用水流量增加而跃阶上升。因此，准变压变量系统(设备)的供水特性可以十分接近理想的变压变量供水特性，具有优良的节能效果

41、，这种供水系统(设备)具有通用性。例如国际上著名的abb供水专用变频器就具有上述的准变压变量供水控制功能9。根据系统的控制要求以及各项参数，决定选用的变频器的型号为fuji“fvr-g7s”，输入的信号为dc4-20ma，频率输出的范围为：0.2-400hz，电压：三相380v，频率50hz。3.5 压力变送器3.5.1 压力的简述压力是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行监测和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的

42、全部压力，用符号pj表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号pq表示。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差。称为表压力，用符号pb表示。即pb=pj-pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号pz表示。用来测量真空度的仪表称为真空表。既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。3.5.2 压力传感器的种类压力传感器是压力检测系统的主要组成元件,其工作原理是将被测压力信号转换成电信号并输出给显示仪表，进而实现控制。1应变式压力传感器应变式压力传感器是把压力的变化

43、转换成相应的电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。2压电式压力传感器压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。 3.光导纤维压力传感器光导纤维压力传感器有其独特的优点，因此而得到重视，并且得到迅速发展。 3.5.3 压力变送器的工作原理压力变送器主要组成是测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。其工作原理是：被测介质的压力直接作用于传感器的陶瓷膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微小位

44、移，正常工作状态下，膜片最大位移不大于0.025毫米，电子线路检测这一位移量后，即把这一位移量转换成对应于这一压力的标准工业测量信号。超压时膜片直接贴到坚固的陶瓷基体上，由于膜片与基体间隙只有0.1毫米，因此过载时膜片的最大位移只能是0.1毫米，所以从结构上保证了膜片不会产生过大变型，由于膜片采用高性能的工业陶瓷，因而使传感器具有很强的抗冲击及抗过载能力。在本次系统中，选用扩散硅压力变送器，型号：jybkb-kva，主要技术参数如下：电源 dc24v输出信号：三线制，0-5v精度 0.25%测量范围 0.1-20ma3.6 pid特点及控制原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、

45、积分、微分控制，简称pid控制，又称pid调节。作为经典的控制理论，pid控制规律仍然是当今工控行业的主导控制方式，无论复杂、简单的控制任务，pid控制都能取得满意的控制效果，前提是pid参数必须选择合适。可以说，通过适当的pid参数，pid控制可以得到各种输出响应特性，也就是说，通过适当给定pid参数，大多数的控制任务都可以由pid完成10。pid控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定

46、，这时应用pid控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用pid控制技术。pid控制，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（p）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（steady-state error）。 积分（i）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（syst

47、em with steady-state error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（d）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的

48、变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3.6.1 设定pid参数pid控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定pid控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。pid控制器参数整定

49、的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。pid控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 pid控制器参数的整定步骤如下：

50、(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到pid控制器的参数。 经典pid控制理论中，基本数学模型有两种（连续型、增量型），pid模型的增量控制数学模型可以简单地用下式表示： （3-1） pid命令输出 pid命令前次输出 比例项，k为pid命令的比例倍数 积分项，ti为积分时间（秒） 实际微分项，kd为微分增益，td为实际微分时间pid参数包括：比例倍数-表达式中的k积分时间-表达式中的ti（秒）实际微分时间-td（秒）微分增益-表达式中的kd积分

51、分离-当pid偏差e（k）超过“积分分离”值时，pid命令不进行积分项运算，防止积分饱和。当积分分离为0时，pid命令变成了pd命令，不进行积分运算。用k=0来关闭pid命令的比例项，用“积分分离”=0来关闭pid命令的积分项，用kd=0来关闭pid命令的微分项。通过关闭不同的功能实现p、pi、pd、pid等控制功能。3.6.2 pid水位调节的过程在生产过程中，pid工作基理：由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对象值发生变化，现场检测元件就会将这种变化记录并传送给pid控制器，改变过程变量值(简称pv值)，经

52、变送器送至pid控制器的输入端，并与其给定值(简称sp值)进行比较得到偏差值(简称e值)，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律，发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值(sp值)，以达到控制目的。在本次系统控制中，给定值sp为4.0m，外界不断的扰动即用户的用水总量是不断变化的，用水量增加，电机转速不变且进水流量不变时，水塔水位必然下降，当水位下降，这时就压力变送器把此信号经模拟转换成4-20ma的电流信号传送到plc，由pid采样此数据与设定值比较，得到偏差值，然后调节器按此偏差并以设定的整定参数控制规律，发出控制信

53、号，去改变电机转速，使进水流量增大，水位上涨，达到设定值的水位高度，以达到控制目的。当用户用水量减少，进水阀门的进水量大于排水量，则水塔水位增高，水位达到设定的上限时，同理，通过信号传送，由pid计算调节，使电机转速降低，进水流量减少，使水位下降，达到设定的水位高度，如此反复运行，最终控制水位保持在较小的范围之内。3.7 控制程序设计 在了解了整个系统控制过程及特点的情况下，根据工艺流程图的工作过程和i/o分配，可以通过系统工作控制要求，使用plc指令编写程序。编写程序的基本步骤是： 分析控制要求，将控制过程分成若干个工作步，明确每个工作步的功能，弄清步的转换是单向还是多向进行，取得转换条件。

54、一定要根据工艺流程图进行分析，它对理顺整个控制过程的进程以及分析各步骤的相互联系有很大的作用。 为每步设定控制位。控制最好使用一个通道的若干连续位。 根据功能表画出梯形图。 添加某些特殊要求的程序。3.7.1 程序设计中数据传送和比较指令介绍3.7.1.1 数据传送指令cpm2a系列提供了很多种数据传送指令，在本次设计中，需要用到最基本的数据传送和比较指令，在程序设计之前必须要了解plc各种指令的功能，指令格式、梯形图符号、操作数的含义范围，指令的功能以及执行指令对标志位的影响。最基本的两种数据传送指令如下表： 源数据s的范围是：ir、sr、hr、ar、lr、tc、dm、*dm、# d是目的通道，其范围是： ir、sr、hr、ar、lr、dm、*dm 表3-2数据传送指令格式梯形图符号指令功能及对标志位的影响mov（21） s dmov（21） s dmov（21） s d dmov（21） s dmov和mov是传送指令。当执行条件为on时，将源数据s传送到通道d中