基于PLC控制的恒压供水系统设计.doc

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1、本科生毕业设计基于PLC控制的恒压供水系统设计院 系 电气信息工程学院专 业 电气工程及其自动化班 级 07电气本科4班学 号 学 生 姓 名 联 系 方 式 指 导 教 师职称： 讲 师 摘 要本设计根据城市小区的供水要求，设计了一套基于PLC控制的变频调速恒压供水系统。该系统由PLC、变频器、水泵机组、压力变送器等构成。本系统利用变频器实现对三相水泵电机的变频调速，采用“先启先停”的原则切换运行水泵。压力传感器检测水压信号，送入PLC并与设定值比较进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速和供水量。这样使管网水压力始终保持在设定值附近，从而实现恒压供水。关键词：

2、PLC；变频调速；PID控制；恒压供水ABSTRACTAccording to the city water supply system,this paper designed a PLC-based control of frequency control water supply system.The system consists of PLC, inverter, water pump, pressure sensors and other accessories.The system uses frequency converter three-phase pump motor of

3、 the soft start and frequency control, and use first start first stopprinciple to switch to run the pump.Pressure sensors to detect pressure signals into the PLC compared with the PID set point operation and thus control the inverter output voltage and frequency, thereby changing the water pump moto

4、r speed and water supply.It makes the pipe network water pressure is always maintained around the set value in order to achieve constant pressure water supply.Keywords: PLC; frequency control; PID control; constant pressure water supply目 录1 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状11.3 本课题主要研究内容22 恒压供水系统

5、总体方案设计22.1 系统的主要结构及组成22.2 PLC 概述及其系统组成22.3 变频器简介及选型32.3.1 变频器简介32.3.2 变频器的基本结构33 系统硬件选择及系统电路设计53.1 硬件选择63.1.1 PLC及其扩展模块的选型63.1.2 变频器的选型63.1.3 水泵机组的选型73.1.4 压力变送器的选型73.1.5 液位变送器选型83.2 系统主电路分析及其设计83.3 系统控制电路分析及其设计93.4 PLC的I/O端口分配及外围接线图114 系统的软件设计144.1 系统软件设计分析144.2 PLC程序设计154.2.1 控制系统主程序设计154.2.2 控制系统

6、子程序设计194.3 PID控制器参数整定224.3.1 PID控制及其控制算法224.3.2 系统的近似数学模型及参数取值235 总结24参考文献25附录26致谢341 绪论1.1 课题的背景及意义城市中各类小区的供水系统是小区众多基础设施当中的一个重要组成部分。由于传统的小区供水方式具有各自不同的缺陷，如恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，供水机组运行效率低、耗电量大，电动机硬启动易产生水锤效应等缺点，传统供水系统的工作性能直接影响到小区居民的正常生活。另一方面，由于供水的随机性，采用传统方法供水难以保证实时，水泵的选择往往是由最大供水确

7、定，而最高水位时间短，使泵在一段很长的时期有大幅度的，不仅泵效低，水压不稳定，造成了浪费大量电力，远远不能满足生活和生产需要。随着电力电子技术和计算机技术的发展，变频调速供水系统由于成本低，施工简便，节能效果显着，自动化控制，无二次污染，已被越来越广泛的应用。PLC性能稳定，成本低，功能强大，编程方便的特点，采用变频控制技术相结合，设计了基于可编程控制器的变频调速供水系统。该设计以最小的投资体制，实现了多功能供水系统要求。在提倡节能减排的今天，具有很好的经济和社会意义。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器只带一台水泵的方式，

8、几乎没有用一台变频器拖动多台水泵的情况，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提高，国外厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，日本Samc公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器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，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作。虽然这些设备采用微型电路结构，降低设备成本，但缺乏灵活性输出接口，系统的动态性能和稳定性不高，和其他监测系统和组态软件是很难实现数据通信，带负荷能力的限制，所以在实际使用

9、的范围将是有限的。目前国内公司在做恒压供水系统，但变频控制大部分是用国外的技术，系统的动态性能、稳定性能、抗扰性等多方面的技术，还没能达到用户的要求。 由此可以看出，国内和国际研究变频调速恒压供水系统中，在与现代控制技术，网络和通信技术系统相结合，闭环压力控制方面做的是不够的。因此，需进一步研究，以提高恒压供水系统的性能，使其能更好地应用于生活和生产实践。1.3 本课题主要研究内容本课题从实际应用出发，针对一般系统中存在的几个缺陷，设计出了基于PLC的变频调速恒压供水系统，具有以下优点：（l）系统具有较高的恒压精度。（2）系统能长时间稳定可靠运行。（3）有友好的用户操作界面。2 恒压供水系统总

10、体方案设计2.1 系统的主要结构及组成本设计中，系统的控制机构由PLC和通用变频器构成，系统的整体结构如图2-1所示。可以看出，水泵拖动机组供水管道水泵机组的控制单元以及信号检测环节构成生活小区的供水系统。图2-1中，液位检测机构把测量的水箱水位信号送入到变频控制柜，经过PLC程序的运算处理，输出运行与停止控制信号，控制水泵启动与停止工况的转换。 图2-1 生活小区公示系统示意图2.2 PLC概述及其系统组成PLC是一种数字运算操作的电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，逻辑运算，顺序控制，定时可编程记忆，计数等面向用户的指令，通过数字输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。

11、可编程控制器和外部设备和工业控制系统 轻松地联成一个整体 ，以扩大其功能设计的原则。如图2-2所示为可编程控制器的结构。 图2-2 可编程控制器的基本结构。PLC有着其它工业控制设备难具备的优点:高可靠性，丰富的I/O接口模块，采用模块化结构，编程方便，易于使用。2.3 变频器简介及选型2.3.1 变频器简介交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。我们知道，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是每秒50Hz。而交流电动机的同步转速 式中-同步转速，r/min； -定子频率，Hz； -电机的磁极对数。而异步电动机转

12、速。式中-异步电机转差率，一般小于3%，均与送入电机的电流频率成正比例。因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调运来说是十分合适的。2.3.2 变频器的基本结构依据频率变换的形式来分，变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电又称间接式变频器。市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图2-3所示，控制指令中间直流环节AC控制指令控制指令网侧变流器整流器逆变器ACM运行指令图2-

13、3 交-直-交变频器的基本结构它由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：(1)整流器。电网侧的变流器是整流器，其作用是把三相(可以是单相)交流整流成直流。(2)直流中间电路。直流中间电路的作用是平滑输出电流，以确保逆变电路和控制电源得到高品质的直流电。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。所以其功率因数总不会为1。因此，中间直流环节和电动机之间总会有无功功率交换。(3)逆变器。负载侧的变流器为逆变器。逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出。(4)控

14、制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、栅极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。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及完成各种保护功能。 一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。直流中间电路的储能元件在整电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。图2-4为电流型变频器主电路基本结构示意图。 电源M电动机平滑电容+-M电动机平滑电感电源（a）（b） 图2-4 电压型变频器和电流型变频器

15、主电路基本结构(a) 电压型变频器主电路；(b)电流型变频器主电路3 系统硬件选择及系统电路设计根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-1所示：图3-1 系统的电气控制总框图由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表3.1所示：表3-1 本系统主要硬件设备清单主要设备型号及其生产厂家可编程控制器（PLC）Siemens CPU 226模拟量扩展模块Siemens EM 235变频器Siemens MM440水泵机组SFL系列

16、水泵3台（上海熊猫机械有限公司）压力变送器及显示仪表普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪液位变送器分体式液位变送器DS263.1 硬件选择3.1.1 PLC及其扩展模块的选型PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统；又具有可靠性高，可

17、扩展性好，有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点。根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入和输出信号，可自动完成A/ D转换，标准输入信号可以转换成一个字数字信号，输出信号则可以自动完成端口的D / A转换，一个字的数字信号转换成标准的输出信号。 EM2

18、35模块由DIP设置不同的标准，切换输入信号。3.1.2 变频器的选型变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择必须根据水泵电机的功率和电流进行选择。由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可

19、以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。MicroMaster440变频器的输出功率为0.7590KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。3.1.3 水泵机组的选型水泵机组选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。本设计的要求为：电动机额定功率75KW，供水压力控制在0.30.01Mpa。根据本设计要求并结合实际中小区生活用水情况，最终确定采用3台上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75KW）。它可用在城市给排

20、水、锅炉给水、空调冷却系统、消防给水等。3.1.4 压力变送器的选型压力变送器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入。在选型时，为防止传输过程中的干扰与损耗，通常采用420mA输出压力变送器。在运行过程中，当压力变送器出现故障时，系统有可能启动所有的水泵，如果此时的用水量又达不到，则会造成水压过高。为防止爆管和超高水压损坏用水设备，本设计中的供水系统采用电极点压力表的压力上限输出，作为PLC的一个数字量输入，当压力超出上限时，系统关闭所有水泵并报警输出。供水系统的压强是，下面单位都是估计标准单位，g=9.8，一般情况下，h60米，所以本系统供水系统输出

21、压力一般小于或等于0.6Mpa，据以上综合分析，系统选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围01Mpa，精度0.01；数显仪输出一路420mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。3.1.5 液位变送器选型考虑到水泵电机空载时会影响电机寿命，因此需要对水池水位作必要的检测和控制。本设计要求贮水池水位：2m5m，所以要通过液位变送器将检测到的水位转换成标准信号（420mA电压信号），再将其输入窗口比较器，用比较器输出的高电平作为贮水池水位的报警信号

22、，输入PLC。综合以上因素：本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：0m200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源：24VDC；输出信号：两线制420mADC；精度等级：0.25级。3.2 系统主电路分析及其设计基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2所示：三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别控制水泵机组M1、M2、M3工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制水泵机组M1、M2、M3变频运行；FR1、FR2、FR3为过载保护用的热继电器；QS1、QS2

23、、QS3、QS4为主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。 图3-2 变频恒压供水系统主电路图本设计采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频泵。三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时，应先断开变频器的隔离开关和其输出端的接触器，再把工频回路的接触器和隔离开

24、关接通。主电路中的低压熔断器除接通电源外，还可实现短路保护，每台水泵的过载保护由相应的热继电器FR实现。变频和工频两个回路决不能同时接通，而且变频器的输出端绝不能直接接电源，必须经过接触器的触点。当电动机接通工频回路时，应先断开变频回路接触器的触点。相应地从工频转换为变频时，工频接触器也应先断开，才可接通变频器输出端接触器，因此KM1和KM2，KM3和KM4，KM5和KM6不允许同时动作，相互之间必须有可靠的互锁。为监视电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将420mA电流信号送至上位机来显示。系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路，而需通过变频器实现软启动和软停。

25、手动控制系统时，必须采用降压启动或软启动的方式以降低启动电流，本设计采用软启动器。3.3 系统控制电路分析及其设计系统实现恒压供水的主体控制设备是PLC，采用西门子公司S7-200系列PLC，它体积小，执行速度快，抗干扰能力强，性能优越。PLC用于实现变频恒压供水系统的自动控制，要实现以下功能：自动控制三台水泵的投入运行；能在三台水泵之间实现变频泵的切换；三台水泵在启动时要有软启动功能；对水泵的操作要有手动/自动控制功能。如图3.3为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在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，可用按钮SB1SB6控制三台水泵的启/停

26、；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。图3-3 变频恒压供水系统控制电路图注：PLC各I/O端口、各指示灯所代表含义在下一节I/O端口分配中将详细介绍。图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位是只提供一个干触发点信号，本系统通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5为PLC的输出继电器触点，他们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合下节中图3-4一起读图。本系统在手动/自动控制下的运行过程如下：(1) 手动控制：手动控制只在检查故障原因时才会用到，便于电机故障的检测与维修。单刀双掷开关SA打至1端时开启手动控制模式，此时

27、可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。SB1按下时由于KM2常闭触点接通电路使得KM1的线圈得电，KM1的常开触点闭合从而实现自锁功能，电机M1可以稳定的运行在工频下。只有当SB2按下时才会切断电路，KM1线圈失电，电机M1停止运行。同理，可以通过按下SB3、SB5启动电机M2、M3，通过按下SB4、SB6来使电机M2、M3停机。(2)自动控制：在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。单刀双掷开关SA打至2端时开启自动控制模式，自动控制的工作状况由PLC程序控制。Q0.0输出1#水泵工频运行信号，Q0.1输出1#水泵变频运行信号，当Q0.0输出1时，KM1线圈得电，1#水

28、泵工频运行指示灯HL1点亮，同时KM1的常闭触点断开，实现KM1、KM2的电气互锁。当Q0.1输出1时，KM2线圈得电，1#水泵变频运行指示灯HL2点亮，同时KM2的常闭触点断开，实现KM2、KM1的电气互锁。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。当Q1.1输出1时，水池水位上下限报警指示灯HL7点亮；当Q1.2输出1时，变频器故障报警指示灯HL8点亮；当Q1.3输出1时，白天供水模式指示灯HL9点亮；当Q1.4输出1时，报警电铃HA响起；当Q1.5输出1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；处于自动控制状态下，自动运行状态电源指示灯HL10一直点亮。3.4 P

29、LC的I/O端口分配及外围接线图基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：(1) 由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，小区用水量小，系统低恒压值运行。(2) 在用水量小的情况下，如果一台水泵连续变频运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵”功能，以防止某一台水泵工作时间过长。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。(3) 考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。(4) 三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制

30、功能，手动只在应急或检修时临时使用。(5) 系统要有完善的报警功能。根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址如表3-2所示。 表3-2 输入输出点代码及地址编号名 称代 码地址编号输入信号供水模式信号(1-白天，0-夜间)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流值IpAIW0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

31、触器及指示灯KM5、HL5Q0.43#泵变频运行接触器及指示灯KM6、HL6Q0.5输出信号水池水位上下限报警指示灯HL7Q1.1变频器故障报警指示灯HL8Q1.2白天模式运行指示灯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UfAQW0结合系统控制电路图3.3和PLC的I/O端口分配表3-2，画出PLC扩展模块外围接线图，如图3-4所示： 图3-4 PLC及扩展模块外围接线图本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和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用来控制白天/夜间两

32、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分别输出三台水泵电机的工频/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

33、；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。图3.4 只是简单的表明PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是严格意义上的外围接线情况。4 系统的软件设计4.1 系统软件设计分析硬件连接好之后，系统的控制功能要由软件实现，结合系统的控制要求，对泵站软件设计分析如下：(1) 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理为了实现水压恒定，在水压降落时需升高变频器的输出频率，且在一台水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台水泵。判断是否需启动新水泵的标准是变频器的输出频率是否达到设定的上限值，可通过比较指令实现这一功能。为正确判断变频器工作频率达上限值，应排除偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中

34、应考虑采取时间滤波。(2) 多泵组运行管理规范因为希望每一次启动电机实现变频泵软启动,而且每台泵必须交替使用,多泵组泵站泵投运必须具备的管理标准。在本设计中，控制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵是合理的。具体操作是:将当前运行的水泵从变频器切除,并连接到的工频电源运行, 并将变频器复位用于新运行泵的启动。泵组管理的另外一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中采用泵号加1的方法实现变频泵循环控制；用工频运行泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。(3) 程序的结构及程序功能的实现因为模拟单元和PID调节都需要初始化和中断控制,本程序主要

35、分为三个部分:主程序、子程序和中断程序。为了节省扫描时间，可采用初始化子程序完成系统初始化工作。使用定时器中断功能实现PID控制定时采样和输出控制。泵切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等由主程序控制实现。白天、夜间模式的给定压力值不同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定。白天模式系统设定值为满量程的90%，夜间模式系统设定值为满量程的70%。程序中使用的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VD108PI

36、D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

37、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PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表语言、梯形图语言、功能块图语言。最接近于电气控制原理图的是梯形图语言，它是应用最多的一种编程语言，无需考虑系统内部结构原理和硬件逻辑便可完成系统控制设计。PLC控制程序由一个主程序、若干子程序组成，编制程序在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过软件在RUN模式下，由主机循环扫描并连续执行用户程序来实

38、现的。4.2.1 控制系统主程序设计本系统控制的主程序由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机换机程序、水泵电机变频/工频切换程序、模拟量(水压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。(1) 系统初始化程序启动系统工作时，需对系统进行初始化，即启动时，应检测系统各个部分的当前工作状态进行，若出错则报警。接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台数。(2) 增、减泵判断和相应操作程

39、序当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。(3) 水泵的软启动程序增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。(4) 各水泵变频运行控制逻辑程序各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统

40、无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时，Q0.1置1，KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能。(5) 各水泵工频运行控制逻辑程序水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，则Q0.0置1，KM1线圈得电，使得KM1常开触点闭合，1#

41、水泵工频运行，同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能。(6) 报警及故障处理程序本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂，不便全部画出，在此仅画出其控制过程的流程图。详细的主程序梯形图请参考附录。主程序流程图如图4-1所示。由于在图4-1中并未对各台水

42、泵的变频和工频运行控制做详细介绍，因此图4-2和4-3对其作了完整的补充。其中图4-2是以2#泵为例的变频运行控制流程图，图4-3是以2#泵为例的工频运行控制流程图。1#、3#泵的运行控制情况与2#泵相似，在此就不再重复。如图4-1所示。本设计主程序大体包括以下几部分：(1) 调用初始化子程序，设定各初始值；(2) 根据增、减泵条件确定工频泵运行数；(3) 根据增泵、倒泵情况确定变频泵号；(4) 通过工频泵数和变频泵号对各泵运行情况进行控制；(5) 进行报警和故障处理。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4.2.2 控制系

43、统子程序设计(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化变频运行的上下限频率，在水泵切换分析中已说明水泵变频运行的上下限频率分别为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16000和6400。在初始化PID控制的各参数（Kc、Ts、Ti、Td），各参数的取值将在下一节中详细介绍。最后再设置定时中断和中断连接。具体程序梯形图如图4-4所示。 图4-4 初始化子程序SBR_0梯形图(2) PID控制中断子程序首先将由AIW0输入的采样数据进行标准化转换，经过PID运算后，再将标准值转化成输出值，由AQW0输出模拟信号。具体程序梯形图如图4-5所示。 图4-5

44、 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控制及其控制算法在供水系统的设计中，采用了含PID调节的PLC来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定。在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t)： （4.1）经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线

45、性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4-6所示，图中u(t)为PID调节器输出的调节量。 图4-6 PID控制原理框图PID控制规律为： （4.2）式中：Kp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）PID控制器各环节的作用及调节规律如下：(1) 比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。(2) 积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。只要偏差存在，控制就要发生改变，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3) 微分环节：对偏差信号的变化趋势做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。4.3.2 系统的近