基于PLC控制的变频调速恒压供水系统

湖南冶金职业技术学院专科毕业设计（论文）湖南冶金职业技术学院（2010届）专科毕业设计（论文）PLC的变频调速恒压供水系统学 院（部）： 电气与信息工程系 专 业： 机电一体化 学 生 姓 名： 董勇 班 级：机电0723 学号 29 指导教师姓名： 袁川来 职称 讲师 最终评定成绩 54摘 要随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，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、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计是针对居民生活用水而设计的。由变频器、PLC、PID调节器和组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组的速度和切换，使系统运行在最合理状态，保证按需供水。 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，由变频器进行压力凋节。在经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。关键词：变频调速 ；恒压供水；PID调节；PLCABSTRACTWith the rapid development of social economy； it demands the better of water supply s 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 saves on energy well， with help of advanced technique of automation， control 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 and speed regulation， PLC， PID control system for the control system. It controls the outcome of the 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 VVVF providing-water system is introduced，we use PLC to carry on logic control and use inverter to modulate pressureThrough PID control principle .we realize Closed-loop control in VVVF Providing-water SystemThe result indicates that the system has the stable pressure，simple structure，and reliable workKeywords： variable frequency and speed regulation；water supply of constant pressure；PID control system；PLC 目录摘 要1ABSTRACT21 绪论11.1变频恒压供水产生的背景和意义11.2变频恒压供水系统的国内研究现状31.3课题来源及本文的主要研究内容51.4本论文中所做的工作52 恒压供水系统的基本构成63 变频器和压力传感器83.1 变频器的基本结构83.2 变频器的分类及工作原理113.3 变频器的操作方式及使用123.4 变频器硬件选择133.5 压力传感器144 PLC选择及应用164.1 PLC在恒压供水泵站中的主要任务164.2 PLC模拟量扩展单元的配置及应用164.2.1 模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接.174.2.2 模拟量输入模块缓冲存储器（BFM）的分配184.2.3 模拟量输出模块的功能及PLC系统连接204.2.4 模拟量输出模块的偏置、增益及分配215 PID控制器的设计225.1 PID控制算法及特点235.2 PID参数整定的相关原则255.3 PID指令的使用注意事项265.4 PID回路类型的选择265.5 正作用或反作用回路276 系统的设计286.1 系统要求286.2控制系统的I/O及地址分配286.3 PLC系统选型306.4 电气控制系统原理图306.4.1主电路图306.4.2 控制电路图326.5 系统程序设计336.5.1由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理346.5.2 多泵组泵站泵组管理规范346.5.3系统流程图设计346.5.4程序的结构及程序功能的实现366.5.5系统的运行分析38致谢391 绪论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性，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。1.1变频恒压供水产生的背景和意义众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。以下就逐一分析。1、一台恒速泵直接供水系统这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。2、恒速泵加水塔的供水方式这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开、停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大;水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要;而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。3、恒速泵加高位水箱的供水方式这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。4、恒速泵加气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。频繁启动会造成系统的不稳定性。5、变频调速供水方式这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。1.2变频恒压供水系统的国内研究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，像日本Samc。公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“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，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司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水压闭环控制研究得不够。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。1.3课题来源及本文的主要研究内容1、课题来源本课题来源于生产、生活供水的实际应用。2、研究的主要内容本系统是三泵生活/消防双恒压供水系统，变频恒压供水系统主要由变频器、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，同时具有开放的数据传输。该系统可以生活供水和消防供水的双用供水系统。1.4本论文中所做的工作根据系统要求，设计出满足要求的恒压供水系统，对PLC、变频器、压力传感器进行选型，根据系统要求设计出能满足控制要求的控制电路和控制程序。2 恒压供水系统的基本构成 恒压供水泵站一般需没多台水泵及电机，这比没单台水泵及电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的电机选小了用水量大时供水会不足。而且水泵与电机都有维修的时候，备用泉是必要的。恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。这也有两种配置方案，一是为每台水泵电机配一台变频器，这当然方便，电机与变频器间不须切换，但购变频器的费用较高。另一种方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。 图2-1为恒压供水系统构成示意图。图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低：用水量小PLC送水消防生活变频器工频/变频切换电路1号泵2号泵3号泵压力罐压力传感器调节器调节器时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。图2-1 恒压供水系统示意图Fig2-1 Constant pressure water supply system schematic drawing调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：(1) 设定水管压力的给定值。恒压供水水压的高低依需要设定。 供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。给定值即是系统正常工作时的恒压值。另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。 (2)接收传感器送来的管网水压的实测值。管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。 (3)根据结定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与结定值比较，得到给定值与实测值之差。如给定位大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。这些都由调节器的输出信号控制。为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节器。调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的。PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。 调节器的输出信号一船是模拟信号，420mA变化的电流信号或010V间变化的电压信号。信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。3 变频器和压力传感器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。大家都知道，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/成正比例或接近于正比例。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。3.1 变频器的基本结构从频率变换的形式来说变频器分为交-交和交-直-交两种形式。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，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3-1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3-1 交-直-交变频器的基本结构Fig3-1 The basic structure of TAC-straight-Cycloconverter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，它的作用是把三相(也可以是单相)交流整流成直流。(2)直流中间电路。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。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。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。 (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源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)控制电路。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、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。控制电路是变频器的核心部分性能的优劣决定了变频搏的性能。电源M电动机平滑电容+-M电动机平滑电感电源（a）（b） 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。为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路。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。现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障 。图3-2为电流型变频器主电路基本结构示意图。图3-2 电压型变频器和电流型变频器主电路基本结构(a) 电压型变频器主电路；(b)电流型变频器主电路Fig2-3 Voltage frequency changer and currentmode frequency changer main circuit basic structure(a) voltage frequency changer main circuit；(b) current mode frequency changer main circuit3.2 变频器的分类及工作原理变频器的较详细的工作原理还与变频器的工作方式有关，通用变频器按工作方式分类如下： （1）控制。控制即电压与频率成比例变化控制。 由于通用变频器的负载主要是电动机，出于电动机磁场恒定的考虑，在变频的同时都要伴随着电压的调节。控制由于忽略了电动机漏阻抗的作用，在低频段工作特性不理想。因而实际变频器中采用控制。采用控制方式的变频器通常被称为普通功能变频器。（2）转差频率控制。转差频率控制是在控制基础上增加转差控制的一种控制方式。从电动机的转速角度看，这是一种以电动机的实际运行速度加上该速度下电动机的转差频率确定变频器的输出频率的控制方式。更重要的是，在=常数的条件下，通过对转差率的控制，可以实现对电机转矩的控制。采用转差频率控制的变频器通常属于多功能型变频器。（3）矢量控制。矢量控制是受调速性能优良的直流电动机磁场电流及转矩电流可分别控制启发而设计的一种控制方式。矢量控制将交流电动机的定子电流采用矢量分解的方法，计算出定子电流的磁场分量及转矩分量，并分别控制，从而大大提高了变频器对电动机转速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的变频器通常称为高功能变频器。通用变频器按工作方式分类的主要工程意义在于各类变频器对负载的适应性。普通功能型变频器适用于泵类负载及要求不高的反抗性负载，而高功能变频器可适用于位能性负载。3.3 变频器的操作方式及使用 和PLC一样，变频器是一种可编程的电气设备。在变频器接入电路工作前，要根据通用变频器的实际应用修定变频器的功能码。功能码一般有数十甚至上百条， 涉及调速操作端口指定、频率变化范围、 力矩控制、系统保护等各个方面。功能码 在出厂时已按默认值存储。修订是为了使 变频器的性能与实际工作任务更加匹配。 变频器与外界交换信息的接口很多，除了主电路的输入与输出接线端外，控制电路还设有许多输入输出端子，另有通信接口及一个操作面板，功能码的修订一般就通过操作面板完成。变频器的输出频率控制有以下几种方式：（1）操作面板控制方式。这是通过操作面板上的按钮手动设置输出频率的一种操作方式。具体操作又有两种方法，一个按面板上频率上升或频率下降的按钮调节输出频率，另一个方法是通过直接设定频率数值调节输出频率。（2）外输入端子数字量频率选择操作方式。变频器常设有多段频率选择功能。各段频率值通过功能码设定，频率段的选择通过外部端子选择。变频器通常在控制端子中设置一些控制端，如图4端子X1、X2、X3，他们的7种组合课选定7种工作频率值。这些端子的接通组合可通过机外设备，如PLC控制实现。(3)外输入端子模拟量频率选择操作方式。为了方便与输出量为模拟电流或电压的调节器、控制器的连接，变频器还设有模拟量输入中的端，如图3-4中的C1端为电流输入端，端为电压输入端，当接在这些端口上的电流或电压量在一定范围内平滑变化时，变频器的输出频率在一定范围内平滑变化。(4)通信数字量操作方式。为了方便与网络接口，变频器一般都设有网络接口，都可以通过通信方式接 收频率控制指令，不少变频器生产厂家还为自己的变频器与PLC 通信设计了专用的协议。3.4 变频器硬件选择 根据设计要求，变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品。该产品可以和三菱PLC工作协调。变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品，适配电机15 kW，该变频器基本配置中带有PID功能。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号(010 V)接至变频器的辅助输入端FI、FC，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上。M1、M2为变频器的极限输出频率的检测输出信号端，该信号进PLC，作为泵变频与工频切换的控制信息之一，变频器的极限输出频率通过面板可以设定。MA、MC为变频器发生故障的输出信号，该两端连接信号灯，以显示变频器故障，变频器面板上有故障复位按键，轻故障用复位按键复位，可重新启动变频器。S1和S2短接，并与S3连接到PLC的输出点上，由PLC控制变频器的运行与关断；U、V、W输出端并联三个接触器分别接M1、M2、M3泵电机，变频器可分别驱动三台泵，另外这三台泵电机还通过另外三个接触器并联到工频电源上，这6个接触器线包连接到PLC的四个输出点上，由PLC控制其工频、变频切换工作。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值(14端)，压力传感器反馈来的压力信号(010V)接至变频器端子的7端、8端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。变频器端子的19端和20端是传感器压力设定的上、下限值，该信号进PLC，作为工频切换的控制信息，由PLC控制水泵的工频或变频运行。变频控制系统主回路如图6-2所示。变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。下图3-3为日本安川变频器CIMR-P5A45P5在电路中的接线图。R S TS1 US2 VS3 W VVVFFIFCM1 M2 M3 M4接PLC接PLC 接指示灯接电机380V78图3-3 日本安川变频器CIMR-P5A45P5在电路中的接线图Fig 3-3 Japans converter CIMR-P5A45P5Yasukawa in the circuit in the wiring diagram3.5 压力传感器在智能系统中检测是非常重要的一部分，它将检测到控制量反馈给系统，才能实现自动控制，给系统所用的检测的是水压，这个系统中选用压力传感器，它的作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成420mA变化的电流信号或010V间变化的电压信号的标准信号送入PLC的端口进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加减泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。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压力一般小于或等于0.6Mpa，系统选用YTZ-150型带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为01MPa，检测精度为土0.01MPa，该传感器将01MPa范围的压力对应转换成010V的电信号。该传感器还具有体积小，重量轻、结构简单、工作可靠的特点。4 PLC选择及应用4.1 PLC在恒压供水泵站中的主要任务 (1)代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字式PID调节一只传统调节器往往只能实现一路PID设置，用PLC作调节器可同时实现多路PID设置在多功能供水泵站的各类情况中PID参数可能不一样，使用PLC作数字式调节器就十分方便。 (2)控制水泵的运行与切换。在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀地磨损，水泵及电机是轮换工作的。在设单一变频器的多泵组泵站中，如规定和变频器相连接的泵为主泵，主泵也是轮流担任的。主泵在运行时达到最高频率时。增加一台工频泵投入运行PLC则是泵组管理的执行设备。 (3)变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端接受传感器送来的模拟信号。输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量控制信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。 (4)泵站的其他逻辑控制。除了泵组的运行管理工作外，泵站还有许多逻辑控制工作，如手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站工作异常的报警，系统的自检等，这些都可以在PLC的控制程序中安排。4.2 PLC模拟量扩展单元的配置及应用 PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。以下介绍三菱FX系列PLC的模拟量模块以及，它们分别具有FX-4AD及FX-2DA，它们分别具有4路模拟量输入及2路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中。 4.2.1 模拟量输入模块的功能及与PLC系统的连接 FX-4AD 4模拟量输入模块具有4个通道，可同时接受并处理4路模拟量输入信号， 最大分辨率为12位。输入信号可以是-10+10V的电压信号（分辨率为5Mv），也可以420mV（分辨率为16A）或-20+20mA（分辨20A）的电流信号。模拟量信号可通过双绞屏蔽电缆接入，连接及方法如图3-1所示，当使用电流输入时，需将V+及I+端短接。24+ 地 24-FG VI- I+ V+FG VI- I+ V+24VDC 电流输入420mA 电压输入-10+10V图4-1 FX-4AD模块的连接方法Fig4-1 FX-4AD -method of connecting module FX-4AD的宽及高与FX相同，在安装时装在FX基本单元的右边，将总线连接器接入左侧单元的总线插孔中。FX系列可编程控制器中，与PLC连接的特殊功能扩展模块位置从左至右依次编号（扩展单元不所示。占编号），如图4-2所示FX-4AD将消耗基本单元或电源扩展单元的+5VDC电源（内部电源）30mA电流，+24VDC电源（外部电源）55mA电流。其通常转换速度为15ms/ 通道，高速转换速度为6/ms通道。4.2.2 模拟量输入模块缓冲存储器（BFM）的分配为了能适用于多种规格的输入、输出量，模拟量处理模块都设成可编程的。FX-4AD模块利用缓冲存储器(简称模BFM)的设置完成编辑工作。FX-4AD拟量量输入模块共有32个缓冲存储器，但目前只使用了以下21个BFM：L1FX-32MR A/D FX-8EX A/D D/A FX-8EYRFU2SA1 0 2KM1KM3KM6KM5KM5 FR3 HL5KM3 FR2 HL3 KM4 HL414 KM5KM6HL6YV2HL10KAHAHL9HL8HL726Y01322Y014Y015 24 18Y012 20Y010 16Y011Y004Y005Y002Y003HL1KM2HL2KM1 FR1SB7 SB8YV2SB5 SB6KM5SB3 SB4KM3PLCSB1 SB2KM1NKM2KM1KM3KM6KM5KM5 FR3 HL5KM3 FR2 HL3 KM4 HL414 KM5KM6HL6YV2HL10KAHAHL9HL8HL726Y01322Y014Y015 24 18Y012 20Y010 16Y011Y004Y005Y002Y003HL1KM2HL2KM1 FR1SB7 SB8YV2SB5 SB6KM5SB3 SB4KM3PLCY000Y001SB1 SB2KM1特殊功能模块基本单元 #0 #1 #24-2 特殊功能模块Fig3-2 Special function modules（1）BFM#0。0号BFM用于通道的选择。 4个通道的模拟输入信号范围用4位16进制数表示。具体地讲。16进制数字“03”分别表示“-10+10V、420mA、-20+20 mA 、通道关闭”。（2）BFM#1#4。14通道的采样次数(设定范围为14096)，默认值为8。（3）BFM#5#8。14通道的采样平均值。（4）BFM#9#12。14通道的采样当前值。（5）BFM#15。选择A/D转换的速度。若设为0，则为正常转换速度，即15ms/通道；若设为1，则为告诉转换速度，即6ms/通道。（6）BFM#20。若将BFM#20设为1，则模块的所有设置都将复位成默认值。用它可以快速消除不希望的增益和偏置值。BFM#20的默认值为0。（7）BFM#21。若BFM#21的b1、b0分别置为（1，0），则禁止调整增益和偏置；若BFM#21的b1、b0分别置为（0，1）（此为默认值），则可以改变增益和偏置的意义课可由图3-3说明，图中偏置为横轴上的截距，表示数字量输出为0是的模拟量输入值。增益为输出曲线的斜率，为数字输出+1000时的模拟量输入值。（8）BFM#22。BFM#22为增益与偏置调整的指定单元。BFM#22的b0b7由低到高两两为一组。通道的偏置及增益可分别调整。（9）BFM#23 BFM#24。BFM#23为偏置值与增益值存储单元，单位为mV，或A。BFM#23(偏置)的，默认值为0，BFM#24（增益）的默认值5000。当BFM#22指定单元中的某些位置1时，偏置值及增益值会送入相应通道的增益和偏置寄存器中。数字输出+10000 4 20 模拟输入（mA） （偏置值） （增益值）图4-3 FX-4AD 的偏置和增益Fig4-3 Bias and gain of FX-4AD（10）BFM#29中各位的状态是FX-4AD错误状态信息。其中，b0为，表示有错误；当b1为ON时，表示存在偏置及增益错误；b2为ON时表示存在电源故障；b3为ON时，表示存在硬件错误等。（11）BFM#30中存在的模块的识别码K2010。用户可以方便地利用这一识别码在传送数据前先确认该特殊功能的模块。4.2.3 模拟量输出模块的功能及PLC系统连接FX-2DA模块用来将12位数字信号转换成模拟电压或电流输出。它具有2个模拟量输出通道。这两个通道都可以输出010VVDC(分辨率2。5mV)、05DVC（分辨率1。25mV）的电压信号，或420Ma(分辨率为4A)的电流信号。模拟量输出可通过双绞屏蔽电缆与驱动负载相连，连接方法如所图3-4所示，当使用电压输出时，需要IOUT和COM端短接。COM IOUT VOUTCOM IOUT VOUT基本单元FX-2DA记录仪器电流输出变频器等电压输出图4-4 FX-2DA模块的连接方法Fig 4-4 FX-2DA-method of connecting moduleFX-2DA安装时装在FX基本单元的右边。FX-2DA将消耗基本单元或电源扩展单元的+5VDC电源单元的（内部电源）20mA电流，+24VDC电源5mA电流。转换时间为4ms/通道。FROM(78) K0 K30 D14 K1CMP(10) K2010 D10 M10M8002TOP(79) K0 K0 H3311 K1TOP(79) K0 K1 K6 K2FROM(79) K0 K29 K4M20 K2FROM(78) K0 K5 D0 K2图4-5模拟量输入模块FX-4AD的编程Fig 4-5 Simulation quantity load module FX-4AD programming 4.2.4 模拟量输出模块的偏置、增益及分配 FX-2DA模块在出厂时，其偏置和增益是经过调整的，数字值为04000，电压输出为010V。若用于电流输出机时可利用模块上自带的调节装置重调偏置与增益值。模块共有32个缓冲存储器，但只用了以下两个： (1)BFM#16。BFM#16的B7B0用于输出数据的当前值（低8位数据）。 (2)BFM#17。BFM#17的B0位从“1” 变为“0”时，通道2的D/A转换开始；当B2位从“1”变成“0” D/A转换低8位保持，其余各位没有意义。 5 PID控制器的设计PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制力式之一。它的原理通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：如图7所示+ +驱动部控制对象P I D目标值 + (给定值)反馈值 -图4-1 PID控制原理图Fig 4-1 PID control scheme1、硬件型，即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P，I，D 参数及目标值的设定。2、软件型，使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器上做 PID控制器。在该系统中我们用硬件型设计这样可以减少编程5.1 PID控制算法及特点PID控制算法的一般形式PID控制器根据日标值(设定值)r(t)与反馈值(测量值)c(t)构成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) 将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：或 式中 ： 调节器的比例系数： 调节器的积分时间 ： 调节器的微分时间： 调节器的偏差信号： 比例带，它是惯用增益的倒数u： 输出简单来说 ，PID控制器各校正环节的作用是这样的：1、比例环节： 即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。2、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，反之则越强。3、微分环节 ：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，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，减小调节时间。PID调节器的传递函数是：当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例(P)作用，只包含第二项时，称为积分(I)作用;但只包含第三项的单纯微分(D)作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是PI作用;只包含第一、三项的是PD作用;同时包含这三项的是PID作用。仅用P动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的PI控制。用PI控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，I动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用P动作控制。对于PID控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此来抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用，在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好。5.2 PID参数整定的相关原则针对一个具体的系统，设置和调整PID参数，使调节过程达到满意的品质，称为参数整定，不管是用常规调节器还是数字PID调节器，统称为调节器参数整定。下面简单列举一些的准则：1、 如果广义对象的传递函数是，调节器的比例增益是整个系统总的开环增益是。在其他因素相同的情况下，当大的时候，应该小一些，小的时候，应该大一些。2， 在动态参数方面，可取 作为特征值越大，系统越不易稳定，因此应该小一些。同时，和也应取适当的数值。经验上常取为2左右，为0。5左右。因此，如有T的估计值，和值就不难定出了。3、在 P，I，D 三个作用中，P作用往往是最基本的控制作用。由这一点出发，可从两条途径之一进行现场凑试：(1)先用单纯的P作用，选出合适的值，作为基础，然后适当引入和， Ti和Td值进行挑选。(2)依据验前知识(如对T的了解)，把Ti和Td置于合适的数值，然后主要对值进行凑试，得出最合宜的数值。以上两条途径表面上看来截然相反，但它们都是以承认P作用为主体作为前提的。4、积分(I)作用的引入既有利又有弊。必须尽量发挥它能消除余差的利，尽量缩小它不利于稳定的弊。一般取=(0。51)， (是振荡周期)。在以上情况下，由I作用引起的相位滞后不超过400，幅值比增加不超过20%。即使如此，在引入I作用后，应比单纯P作用时减小10%左右。5、对于含有噪音的过程，不宜引入微分作用，否则高频分量放大得很厉害。6、 在控制品质方面，稳定性的要求是前提。如果只有一个调节器参数可以调整，则只能满足一个品质指示，通常就取衰减比作为指标。如果有两个参数可以调整，在可在衰减比之外，再添加一个指标。5.3 PID指令的使用注意事项1PID控制器的选取PID控制器的性能和处理速度只与所采用的CPU的性能有关。对于任意给定的CPU，控制器的数量和每个控制器被调用的频率是相互矛盾的。控制环执行的速度，也即在每个时间单元内操作值必须被更新的频率决定了可以安装的控制器的数量。对要控制的过程类型没有限制，迟延系统（温度、液位等）和快速系统（流量、电机转速等）都可以作为被控对象。过程分析时应注意：控制过程的静态性能（比例）和动态性能（时间延迟、死区和重设时间等）对被控过程控制器的构造和设计以及静态（比例）和动态参量（积分和微分）的维数选取有着很大的影响。准确地了解控制过程的类型和特性数据是非常必要的。控制器选取时应注意：控制环的特性由被控过程或被控机械的物理特性决定，并且设计中可以改变的程度不是很大。只有选用了最适合被控对象的控制器并使其适应过程的响应时间，才能得到较高的控制质量。不用通过编程就可以生成控制器的大部分功能（构造、参数设置和在程序中的调用等），前提是必须已经掌握STEP 7的编程基础知识。5.4 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。5.5 正作用或反作用回路 如果增益为正，那么该回路为正作用回路。如果增益为负，那么是反作用回路。对于增益为正的积分或微分控制来说，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；指定为负，则为反作用回路。6 系统的设计6.1 系统要求对三泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是： (1)生活供水时，系统低恒压值远行，消防供水时高桓压值远行。 (2)三台泵根据恒压的需要采取“先开先停”的原则接人和退出。 (3)在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。 (4)三台泵在启动时都要有软启动功能。(5)要有完善的报警功。(6)对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。 6.2控制系统的I/O及地址分配 将