基于PLC恒压供水控制系统设计

本科生毕业设计（论文）摘 要随着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。本论文依据供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组等主要设备构成的全自动变频恒压供水，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行和现场手动控制等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。论文分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。 关键词：可编程序控制器；变压变频调速；恒压供水；自动控制AbstractWith the rapid development of social economy, people water quality and water supply system reliability requirements continue to increase. Coupled with energy shortages, the use of advanced automation technology, control technology and communication technology, design high-performance, high energy, able to adapt to different areas of Water Supply System has become an inevitable trend.This thesis, according to water requirements, design a set by the PLC, inverter, remote pressure gauge, multiple pump unit consisting of major equipment such as automatic constant pressure water supply, with automatic constant frequency operation, automatic frequency operation and Field manual control. Systematic and effective way to solve the traditional problems of water supply, and has a variety of auxiliary functions, enhanced system reliability.This paper analyzes a variety of multi-pump water supply status and water conversion condition of the motor frequency from the frequency transfer process and the operation mode switching problems. Given conversion cycle to achieve effective control of the state electrical design and PLC control program design.Key words：Programmable Logic Controller; Variable frequency control; constant pressure water supply; Automatic control目 录第1章 绪 论11.1 研究恒压供水的意义11.2 供水系统的发展11.2.1 供水系统的发展趋势11.2.2 供水系统的分类21.3 系统设计内容及目标2第2章 系统总体设计42.1 恒压供水系统的工作过程42.2 系统控制方案论证及组成42.2.1 系统控制方案论证42.2.2 系统的组成6第3章 系统硬件设计73.1 可编程控制器73.1.1 可编程控制器的概念73.1.2 可编程控制器的优点73.1.3 可编程控制器的发展趋势73.1.4 可编程控制器的应用领域83.1.5 可编程控制器的系统组成83.1.6 可编程控制器的工作原理93.2 系统的输入/输出信号93.2.1 输入信号分析93.2.2 输出信号分析103.3 PLC选择及扩展模块的选择113.3.1 PLC的选择113.3.2 PLC型号选择123.3.3 扩展模块的选择123.4 I/O分配133.5 系统电气原理设计153.6 压力传感器153.6.1 压力传感器的原理163.6.2 压力传感器的特性参数173.6.3 压力传感器的选型183.7 变频器193.7.1 变频器的结构193.7.2 变频器的控制方式193.7.3 变频器的选型203.8 控制电机20第4章 软件设计214.1 程序地址分配214.2 供水压力信号的采集与数据处理224.2.1 供水压力信号的采集224.2.2 供水压力信号的数据处理234.3 恒压供水控制算法234.3.1 恒压供水的原理234.3.2 控制算法244.4 恒压供水系统的总体流程244.4.1 流程图244.4.2 控制程序说明254.4.3 指令表28第5章 结 论32参考文献33致 谢34附 录35附 录II42附 录III47IV第1章 绪 论1.1 研究恒压供水的意义水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线。水工业是以城市及工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展所需求的水量作为生产目标的特殊工业。它是随着水的商品化和产业化生产而逐步形成和完善的新兴工业，它是水的的开采、加工、输送、回收及利用的综合产业。供水作为水工业中关键的一环，其品质的好坏直接影响到水工业的综合利用水平。目前在一些新建建筑及改造项目中，变频恒压供水装置已经替代了原来的高位水箱，其节能性、方便性、卫生性是有目共睹的。变频恒压供水的优点死不仅可以保证足够的水压，同时又不会因为室外空气和温度的变化影响水的质量。不仅如此，恒压供水系统对于某些工业生产或特殊用户还起着非常重要的作用。例如在某些生产过程中，若供水因压力不足或短时断水，就有可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，确保恒压供水系统的无故障和自动运行，具有重大的经济意义和社会意义。1.2 供水系统的发展1.2.1 供水系统的发展趋势变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展。在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。目前国内不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。1.2.2 供水系统的分类该系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择：1)有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器。这种控制系统结构简单，它将PTD调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求。2)通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器。这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大。3)通用变频器+PLC+人机界面+压力传感器。这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换：通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过Pc机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。通过对以上这几种方案的比较和分析，可看出“变频器主电路十PLC+人机界面十压力传感器”的控制方式更适合本系统。1.3 系统设计内容及目标本次设计的基于PLC的变频调速恒压供水系统设计系统是多台电动机联动进行变频调速来达到恒压供水的目的。本课题设计内容：用PLC做控制器，输入电源为三相380V电源，常规泵M1、M2、M3的功率为7.5kW，辅助泵的功率为4kW，压力设定分消防和生活两种，为保证每台泵不锈蚀，需要按照一定规律进行轮换，保证压力值控制精度在2%。设计目标：用PLC组成控制系统，实现对4台电动机（含一个辅助泵的电动机）的控制，从而提高工业自动化程度。第2章 系统总体设计2.1 恒压供水系统的工作过程恒压供水的供水流程如下。（1）当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网水压仍达不到预设水压，则将此台泵切换到工频运行，变频器将自动启动第二台水泵，控制其变频运行。此后，如压力仍然达不到要求，则将该泵又切换至工频，变频器软启动第三台泵，反复工作，直至满足设定压力要求为止。（2）反之，若管网水压大于预设水压，控制器控制变频器频率降低，使变频泵转速降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保持恒定。（3）辅助泵只在自动状态启动前处于开启状态，在自动状态启动后关闭。2.2 系统控制方案论证及组成2.2.1 系统控制方案论证1、可编程控制器与接触器控制系统的比较几十年来，接触器控制系统为工业控制的发展起到了巨大的作用，而且目前仍然在工业领域中大量地应用，然而其控制性能与自身的功能已无法满足与适应工业控制的要求和发展，接触器控制系统故障率高，大大降低了控制系统的可靠性和安全性，因此接触器控制系统与PLC相比较，存在着质的差别，表2.1给出可编程控制器与接触器控制系统功能与特点的比较。表2.1 可编程控制器与接触器控制功能与特点的比较比较项目可编程控制器接触器控制控制功能的实现进行编程实现所需控制功能进行硬件接线完成控制生产工艺变化的适应性对程序进行修改适应性强需重新设计接线适应性差可靠性采用软接触器，可靠性高元器件多触点多，易出现故障续表2.1柔韧性与灵活性有种类齐全的扩展单元灵活差控制的实时性微处理器控制，实时性非常好机械动作时间常数大实时性差占用空间与安装体积小，重量轻控制柜体积大、笨重使用寿命寿命长易损、寿命短复杂控制能力很强极差价格较高较低维护工作量小复杂、工作量大2、可编程控制器与计算机控制系统的比较通用计算机具有十分强大的计算与数据处理能力，同时数据的处理速度已经达到极高的水平，但是应用，在很多方面远远没有PLC功能强大，表2.2给出可编程控制器与计算机控制系统功能与特点的比较。表2.2 可编程控制器与计算机控制系统功能与特点的比较比较项目可编程控制器通用计算机工作方式扫描式中断式编程语言语句表、梯形图等汇编、高级语言工作环境可在环境差工作要求工作环境较高对使用着要求语言易学专门语言培训可靠性工业级要求商业级要求系统软件功能专用功能强大适用领域工业控制办公、管理，科学计算从上面的论述和比较可以看出，PLC的硬件决定了它的可靠性和控制功能比接触器控制系统计算机控制系统高的多，它是专门为工业控制场合设计的，所以它的稳定性，而且它操作简单灵活，易于实现系统升级和功能扩展。选用PLC控制机械手，其硬件接线少、线路设计合理、编程简单，参数修改简便，降低了维修率，提高了工作效率；具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性。所以本设计的控制器采用可编程序控制器PLC作控制器。2.2.2 系统的组成本设计采用PLC进行变频恒压供水，其系统组成框图如图2.1所示。图2.1 系统组成框图（1）PLC控制器PLC控制器是变频调速恒压供水控制系统的核心设备，PLC根据输入的信号自动控制变频器从而控制水泵。（2）压力传感器压力传感器是由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成的。本次毕业设计采用JYB-K型供水压力传感器。（3）A/D转换采用西门子EM235模块进行A/D转换，将采集到的模拟信号转换成数字信号送至PLC进行控制。（4）变频器变频器选用AB powerflex 70。（5）水泵本系统由1台辅助泵和3台主泵组成，当用水量很少或没有用水时，只开动辅佐泵即可，当检测到水压变低，系统自动增加泵或加快抽水速度，满足用水增大的需要；当压力变大或超高时，系统自动减泵或减低抽水速度。第3章 系统硬件设计3.1 可编程控制器可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。它具有可靠性高、适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点，已成为解决自动控制问题的最有效工具，是当前先进工业自动化的三大支柱之一。3.1.1 可编程控制器的概念可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称PLC。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可 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、计数和算术运算等操作的指令。并通过数字式、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设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”3.1.2 可编程控制器的优点现代工业生产过程是复杂多样的，它们对控制的要求也各不相同。PLC一经出现就受到了广大工程技术人员的欢迎。PLC具有如下特点：（1）实现成本低（2）范围广（3）高速率（4）永远在线（5）结构灵活3.1.3 可编程控制器的发展趋势随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。3.1.4 可编程控制器的应用领域可编程控制器的初期由于其价格高于接触器控制装置，使得其应用受到限制。但最近十年来，PLC的应用面越来越广，PLC的应用范围通常分成以下5种类型：1、 顺序控制；2、运动控制；3、过程控制；4、数据控制；5、通信控制。3.1.5 可编程控制器的系统组成PLC种类繁多，但其组成和工作原理基本相同。用PLC实施控制，其实质是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，应用于工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。1、中央处理单元（CPU） 单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。2、存储器PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器两部分。3、输入/输出模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块。PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量和数字量。输入/输出模块从广义上分包含两部分：一是与控制设备相连接的接口电路；另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入模块用于接收来自用户设备的各种控制信号，如限位开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。输出模块用于将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。4、电源模块PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V、12V、24V等直流电源，使PLC能正常工作。5、接口模块接口模块用于将扩展单元或功能模块与基本单元相连，使PLC的配置更加灵活，以满足不同控制系统的需要。6、通信接口为了实现“人机”或“机机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。7、编程器过去的编程设备一般是编程器，其功能仅限于用户程序读写和调试。8、其他部分需要时，PLC可配有存储器卡、电池卡等。3.1.6 可编程控制器的工作原理PLC是一种工业控制计算机，故它的工作原理是建立在计算机工作原理之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的，但是 CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。 3.2 系统的输入/输出信号3.2.1 输入信号分析输入设备用于产生输入控制信号，本设计中输入设备包括以下几种：1、启动按钮和停止按钮2、备用按钮3、切换开关根据系统控制要求，输入信号分析如下：启动信号1个；停止信号1个；手动/自动切换信号1个；备用输入信号1个；手动辅助泵输入信号1个；消防/生活切换信号1个。开关量输入信号共6个，输入设备及其电气符号如表3.1所示。表3.1 输入设备及其电气符号输入信号名称电气符号手动/自动切换按钮SF1备用按钮SF2手动辅助泵按钮SF3启动按钮SF4停止按钮SF5消防/生活切换按钮SF63.2.2 输出信号分析输出设备是PLC的输出信号驱动的执行元件，本设计中由PLC输出控制的信号有：变频接触器信号、工频接触器信号、辅助泵接触器信号、变频器接触器信号等。根据系统控制要求，输出控制信号分析如下：1号变频接触器驱动信号1个；2号变频接触器驱动信号1个；3号变频接触器驱动信号1个；1号工频接触器驱动信号1个；2号工频接触器驱动信号1个；3号工频接触器驱动信号1个；辅助泵接触器驱动信号1个；变频器接触器驱动信号1个。输出开关量共8个，输出设备及其电气符号如表3.2所示。表3.2输出设备及其电气符号输出设备名称电气符号1号变频接触器QA12号变频接触器QA2续表3.23号变频接触器QA31号工频接触器QA42号工频接触器QA53号工频接触器QA6辅助泵接触器QA7频器接触器QA83.3 PLC选择及扩展模块的选择3.3.1 PLC的选择PLC诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，目前国际上生产PLC的公司有很多，如德国的西门子、日本的三菱、欧姆龙、松下；法国的TE、施耐德、韩国的三星等。本设计选用的是德国西门子公司生产的S7-200系列的PLC。S7-200系列PLC是西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能已经达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样。CPU22*系列PLC它有如下六种不同结构的配置单元：（1）CPU221。本机集成6输入/4输出，无扩展能力。（2）CPU222。本机集成8输入/6输出，最多可扩展2个模块。（3）CPU224。本机集成14输入/10输出，最多可扩展7个模块。（4）CPU224XP。本机集成14输入/10输出，最多可扩展7个模块，并且在主机上增加了2输入/1输出的模拟量单元和一个通信口。（1） CPU226本机集成24输入/16输出，最多可扩展7个模块，具有2个通信口。3.3.2 PLC型号选择综上所述，根据I/O点数选择PLC型号为S7-200CPU224。3.3.3 扩展模块的选择S7-200系列的PLC的主机提供一定数量的数字量I/O和模拟量I/O，当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/O的扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范，它主要受CPU的功能限制。S7-200PLC的I/O扩展模块有：（1）输入扩展模块EM221 共有3种，即：8点和16点DC、8点AC。（2）输出扩展模块EM222 共有5种，即8点DC和4点DC、8点AC、8点接触器和4点接触器。（3）输入/输出混合扩展模块EM223 共有6种。其中DC输入/DC输出的有三种，DC输入/接触器输出的有三种，它们对应的输入/输出点数分别为4点、8点和16点。（4）模拟量输入扩展模块EM231 共有3种：（5）模拟量输出扩展模块EM232 只有一种2路模拟量输出的扩展模块。（6）模拟量输入/输出扩展模块EM235只有一种4路AI/1路AO（占用2路输出地址）。本系统本设计的CPU224 与EM235模块连接方式如图3.1所示。主机CPU224AC/DC模块1EM235图3.1 模块连接方式各模块的编址如表3.3所示。表3.3 各模块编址主机I/O模块EM235I0.0 Q0.0I0.1 Q0.1I0.2 Q0.2I0.3 Q0.3I0.4 Q0.4I0.5 Q0.5I0.6 Q0.6I0.7 Q0.7I1.0 Q1.0I1.1 Q1.1I1.2 Q1.2I1.3 Q1.3I1.4 Q1.4I1.5 Q1.5I1.6 Q1.6I1.7 Q1.7AIW0 AQW0 AIW2 AIW4 AIW63.4 I/O分配1、数字量输入部分根据系统控制要求，输入信号有启动信号、停止信号、手动/自动切换信号、备用输入信号、手动辅助泵输入信号、消防/生活切换信号等，输入信号地址分配如表3.4所示。表3.4 数字量输入I/O分配表输入地址分配功能电气符号I0.0手动/自动切换按钮SF1I0.1备用按钮SF2I0.2手动辅助泵按钮SF3续表3.4I0.3启动按钮SF4I0.4停止按钮SF5I0.5消防/生活切换按钮SF62、数字量输出部分PLC输出控制的信号有：变频接触器信号、工频接触器信号、辅助泵接触器信号、变频器接触器信号等。输出信号的地址分配如表3.5所示。表3.5 数字量输出I/O分配表输出地址分配功能电气符号Q0.01号变频接触器QA1Q0.12号变频接触器QA2Q0.23号变频接触器QA3Q0.31号工频接触器QA4Q0.42号工频接触器QA5Q0.53号工频接触器QA6Q0.6辅助泵接触器QA7Q0.7频器接触器QA83、模拟量输入输出部分模拟量输入输出信号的地址分配如表3.6所示。表3.6模拟量输入输出分配表地址分配功能AIW0采样数据AQW0输出控制值3.5 系统电气原理设计根据前面对输入输出设备的分析和I/O分配，进行PLC与外部设备的连接，其接线图如图3.2所示。图3.2 PLC外部接线图3.6 压力传感器压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器，通常又把压力测量仪表中的电测式仪表成为压力传感器。它一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。3.6.1 压力传感器的原理压力传感器是由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成的。电阻应变片是一种将被测件上的应变片转换成为一种电信号的敏感器件，它是压力传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密地粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，是应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。电阻应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但阻值的取值范围应注意：组织太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高。在不同的环境中使用，可能会使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂，从而使电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差，一般均为几十欧至几十千欧左右。在压阻式传感器中，惠斯通电桥是最重要的一步，它是采用比较法对未知电阻进行测量的，如图3.3所示。测量时选择一定的比例臂数值（R1 /R2），并将电桥量调整平衡，这样就可以将待测电阻（Rx）与标准电阻（Ro）进行比较，从而确定待测电阻的阻值。图3.3 压阻传感器的惠斯通电桥如果是陶瓷压力传感器，则压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，是膜片产生微笑的形变，厚膜电阻印制在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥）。由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV(V)等，可以和应变式传感器相兼容。如果是扩散硅压力传感器，被测介质的压力直接作用于传感器的不锈钢膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器敏感元件的电阻值发生变化，同时用惠斯通电桥等回路转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。3.6.2 压力传感器的特性参数在恒压供水系统中，压力传感器一般测量的类型包括绝对压、表压和差压。参照压力为真空时所测量的压力值为绝对压，通常简称绝压。参照压力为当地的大气压力时，所测量的压力值为表压。表压力为正时简称压力，表压力为负时称负压力或真空度。负压力的绝对值越大，即绝对压力越小，则真空度越大。传感器变送器两端都感受到被测压力时，两端压力之差称差压。在以上三个压力中，通常我们所测的为表压。压力传感器的特性参数非常多，包括测量范围、上限值、下限值、激励、过载等。具体如下：测量范围：在允许误差限内被测量值的范围成为测量范围。上限值：测量范围的最高值称为测量范围的上限值。下限值：测量范围的最低值称为测量范围的下限值。量程：测量范围的上限值和下限值的代数差就是量程。准确度：被测量的测量结果与真值间的一致程度。重复性：相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。蠕变：当被测量及其所有环境条件保持恒定时，在规定时间内输出量的变化。迟滞：在规定的范围内，当被测量值增加或减少时，输出中出现的最大差值。激励：为使传感器正常工作而施加的外部能量，一般是电压或电流。施加的电压或电流不同，传感器的输出值等参数也不同，所以有的参数，如零点输出，上限值输出、漂移等参数要在规定的激励条件下测量。零点漂移：零点漂移是指在规定的时间间隔及标准条件下，零点输出值的变化。由于周围温度变化引起的零点漂移称为热零点漂移。过载：通常是指能够加在传感器变送器上不致引起性能永久性变化的被测量的最大值。稳定性：传感器变送器在规定的条件下储存、试验或使用，经历规定的时间后，仍能保持原来特性参数的能力。可靠性：指传感器变送器在规定的条件下和规定的时间内完成所需功能的能力。3.6.3 压力传感器的选型变频恒压供水的压力传感器的选型有以下两个步骤：按测量介质及使用环境要求选用传感器介质接触材料包括陶瓷、316不锈钢、哈氏合金、蒙耐尔合金等防腐材料，但对于恒压供水中净水系统而言，316不锈钢材料就能满足要求。按性能指标要求选用 变频恒压供水应用非常广泛，比如居民小区多层、小高层，还有高压工业用水，选择压力传感器必须考虑到量程、准确度和温度补偿。量程的选用：压力传感器量程的选用一般以被测量压力经常处在整个量程的80%90%为最好，但最大工作状态点不能超过满量程。满量程输出：在相同的供电状态及其他参数不受影响的情况下，传感器的输出应尽可能地大，如输出接近10V或20mA，这样便于提高抗干扰能力。准确度：准确度主要是指非线性、重复性、迟滞等三项综合参数。选用高准确度压力传感器时，首先应该考虑迟滞和重复性这两个参数。实际应用中，根据测量误差的控制要求并本着适用经济的原则进行选择；目前常见的压力传感器产品提供1.0级、0.25级、0.5级、0.1级四种准确度等级。温度补偿：对于工作环境温度变化不大，要求不高的压力传感器一般不进行补偿也可以应用。对于特殊用途、温度范围宽的压力传感器必须进行温度补偿。过载：系统的最大过载应小于压力传感器的过载保护极限，否则会影响产品的使用寿命甚至损坏产品。一般来说，2倍测量范围的过载保护是国内产品的标准配置。本次系统设计采用JIB-K型压力传感器，主要参数如下：（1）量程：0-5MPa（2）输出：4-20mA DC（3）供电：通常+24V（4）响应时间：200ms（5）长期稳定性：+0.5% FS/年（6）负载能力：（Vdd-10V）403.7 变频器3.7.1 变频器的结构变频器的种类可以按照以下几种方式划分：按应用分，有变频器和专用变频器；按结构分，有交-交变频器（直接变频器）和交-直-交（间接变频器）；在交-直-交变频器中，按直流侧电源性质分，有电压源型变频器和电流源型变频器；按输出电压调节方式分，有脉冲幅值调节方式（pulse amplitude modulation，PAM）和脉宽调制方式（pulse width modulation，PWM）。此外，变频器还可以按照导通模式、输出电压波形、逆变器调制方式等划分为许多种类。图3.4 变频器结构图3.7.2 变频器的控制方式当对异步电动机调速时，需要根据电动机的特性对供电电压（电流）和频率进行适当控制，采用不同的控制方法所得到的调速性能、特性和作用是不同的。变频器所采用的控制方式可按系统结构分为两类：开环控制和闭环控制。开环控制主要是U/f 协调控制。闭环控制需要速度等反馈信息，可进行转差频率控制、矢量变换控制等。变频器的控制方式是按U/f 控制、转差频率控制、矢量控制的顺序发展起来的，越是后来的控制方式其性能越优良。特别是矢量控制技术，可以实现与直流电动机拖动系统相当的调速性能。当然，先进的控制方式其控制比较复杂，需要专门的知识，同时需要调整的因素多，变频器的价格也比较高。目前各种控制方式的变频器已产品化，我们可根据调速目的、用途和调速系统所需的性能指标选择合适的控制方式的变频器，以构成性价比高的交流调速系统。3.7.3 变频器的选型本系统采用POWERLEX 70系列变频器。Rockwell 公司的PowerFlex70 变频器的设计满足全球对变频器的标准和功率的要求，使全球的用户能够“开箱即用”， 它的额定电压功率分别为：240VAC，0.37 到7.5kW；380V-480VAC，0.37 到37kW；600VAC，0.37 到15kW。Rockwell 的PowerFlex7 系列变频器使用罗克韦尔自动化的NetLinxTM 开放网络体系。它为DeviceNetTM 设备网、ControlNetTM 控制网和EtherNet/IP 网络提供一系列通用的特性和服务，并导致更低的所有者生产成本。当用户进行控制、组态和采集数据的时候，可以很容易地管理从车间底层到顶层的信息并无缝地将他们集成为一个完整的系统。PowerFlex70 产品电压等级有：（1）200240V AC，三相交流PowerFlex70 变频器。（2）300480V AC，三相交流PowerFlex70 变频器。（3）600V AC，三相交流PowerFlex70 变频器产品。3.8 控制电机常规泵M1、M2、M3的功率为7.5kW，辅助泵的功率为4kW。其控制电路如下图。图3.5 恒压供水主回路第4章 软件设计4.1 程序地址分配CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。在程序设计过程中，使用了许多PLC程序分配表及主要中间变量说明，它们的名称和作用如表4.1所示。表4.1 PLC程序分配表及主要中间变量说明符号地址注解PID_CHSBR0初始化PID参数DANG_KSBR1档位控制子程序VB12_0SBR2自动一号运行规律VB12_1SBR3自动二号运行规律VB12_2SBR4自动三号运行规律VB12_KSBR5泵号管理，免维护VB11_KSBR6自动挡增/减泵规律SHOU_DSBR7手动规律控制子程序采样运算INTO0.1s采样及PID运算程序主OB1恒压供水控制系统主程序地址符号地址符号VB11规律控制VD512增益VB12泵号管理T38自动减泵定时VB13手动增减泵T37自定增泵定时M20.0自动运行标志SM0.5一秒脉冲续表4.1T39泵号切换延时VW498变频频率SMB34定时中断VD504供水设定值VD524微分时间VD508PID输出VD520积分时间VB500PID开始VD516采样设时VD500采样输入值VD3000一天计时4.2 供水压力信号的采集与数据处理4.2.1 供水压力信号的采集在压力模拟信号中，一般采取平均值滤波法。平均值滤波法包括算术平均值滤波法和加权平均滤波法两种，适用于供水系统随机干扰信号的滤波。采样次数越多，滤波效果越明显，但考虑到采用时间及系统控制的需要，采样次数应根据系统而定。图4.1 平移式平均值滤波法程序框图这里以PLC中常用的平移式平均值法，其基本原理为：若要采样N次，则用这N次采样值的平均值代替当前值。每一次的采样值与前N-1次的采样值进行算术平均运算，结果作为本次采样的滤波值。这样每个扫描周期只需采样一次，但都要取N-1个采样值（1个当前值，N-1个历史值）来计算滤波值。每采样依稀，采样值向前平移一次，为下次滤波做准备。平移式平均值滤波法程序框图如图9所示。4.2.2 供水压力信号的数据处理（1）接线如图4.2所示进行简单接线。图4.2 接线图（2）进行程序编制采用平移式平均值滤波法，对五次采样进行处理。4.3 恒压供水控制算法4.3.1 恒压供水的原理在恒压供水中，很多情况下都是利用PLC的PID功能进行恒压供水控制。如图4.3所示为典型的PLC恒压供水原理图。图 4.3 PLC恒压供水原理图在图4.3中，PLC采集压力传感器信号后，进行压力设定值与检测元件反馈值的比较、PI运算等调节器功能，通过参数自整定后输出标准控制信号，该信号再进入到变频控制器模拟信号输入端，从而控制变频器输出频率，最终达到控制水泵电动机的转速，实现闭环控制。通过PLC 的PID控制，当用户使用流量增大时，根据水泵特性，水泵出口压力降低，压力传感器将压力作为反馈信号送到PLC，通过调节后刷新输出，送给变频器，使变频器增大输出频率，水泵电动机转速也随之增大，管网压力提高。4.3.2 控制算法下图是PID算法结构框图。根据反馈原理，要想维持一个物理量不变或基本不变,就应该将这个物理量与恒定值进行比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，根据反馈定理在管网系统的官道上安装了压力变送器作为反馈元件，引入水压反馈值与给定值进行比较，从而形成PID闭环系统（如图4.4所示）。图4.4 PID闭环系统在很多情况下，并不一定需要全部比例、积分和微分三个单元，可以取其中的一列到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。在恒压供水控制中，因为被控压力量不属于大惯量滞后缓解，因此只需PI功能，D功能可以基本不用。4.4 恒压供水系统的总体流程4.4.1 流程图下图是变频调速恒压供水系统主流程。图4.5系统流程图4.4.2 控制程序说明如图4.6所示为PID参数整定。刚开机初始化PID参数，供水设定值VD504=0.6，增益VD512=0.4，采样时间VD516=0.1，积分时间VD520=20.0，微分时间VD524=0；开启定时中断（事件号10）。图4.6 PID参数整定子程序SBR_2、SBR_3和SBR_4的程序基本相同，区别点在于：（1）当一号泵自动运行规律时，分三种情况：VB=1时，只有Q0.0接通，一号泵变频运行；VB=2时，只有Q0.1和Q0.3接通，二号泵变频运行，一号泵工频运行；VB=3时，只有Q0.2、Q0.3、Q0.4接通，三号泵变频运行，一、二号泵工频运行。（2）当三号泵自动运行规律时，分三种情况: VB=1时，只有Q0.1接通,二号泵变频运行； VB=2时，只有Q0.2和Q0.4接通,三号泵变频运行,二号泵工频运行。 VB=3时，只有Q0.0、Q0.4、Q0.5接通，一号泵变频运行，二、三号泵工频运行。（3）当三号泵自动运行规律时，分三种情况： VB=1时，只有Q0.2接通，三号泵变频运行； VB=2时，只有Q0.0和Q0.5接通，一号泵变频运行，三号泵工频运行； VB=3时，只有Q0.1、Q0.3、Q0.5接通，二号泵变频运行，一、三号泵工频运行。（a）（b）（c）（d）（c）图4.7 子程序4.4.3 指令表主程序：LD SM0.1CALL SBR_0LD SM0.0CALL SBR_1CALL SBR_5LDN I0.0AB= = VB12,0CALL SBR_2AB= = VB12,1CALL SBR_3AB= = VB12,2CALL SBR_4LD Q0.0O Q0.1O Q0.2 = Q0.7子程序 1：LD I0.0O I0.4EUOLD MOVB 0,VB11AR M20.0LD I0.0EUMOVB 0,VB13A NOT= S0.0LD I0.3AB= = VB11,0AN I0.0MOVB 0,VB13AS M20.0,1LD I0.5MOVR 0.8,VD504A NOT MOVR 0.6,VD504子程序2：LDB= = VB11,1JMP 1LDB= VB11,2JMP 2LDB= = VB11,3JMP 3LBL 1LD SM0.0MOVB 2#1,QB0A RETLBL 2LD SM0.0MOVB 2#1010,QB0A RETLBL 3LD SM0.0MOVB 2#11100,QB0A RET子程序 5：LDN I0.0AB= = VB11,0= Q0.6AR Q0.6A NOT=R Q0.6,1LDI= VW498,31000AN I0.0A M20.0TON T37,3000LDB= VB11,2A T37INCB VB11,VB11LDI= VB11,1A T38DECB VB11,VB11第5章 结 论本次设计的基于PLC的变频调速恒压供水系统设计系统是多台电动机联动进行变频调速来达到恒压供水的目的。本课题设计内容：用PLC做控制器，输入电源为三相380V电源，常规泵M1、M2、M3的功率为7.5kW，辅助泵的功率为4kW，压力设定分消防和生活两种，为保证每台泵不锈蚀，需要按照一定规律进行轮换，保证压力值控制精度在2%。本论文依据供水要求，设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组等主要设备构成的全自动变频恒压供水，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行和现场手动控制等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。论文分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。参考文献1 吴建强.可编程控制器原理及应用.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,20002 吴中俊,黄永红.可编程序控制器原理及应用.北京:机械工业出版社,20033 张万忠,刘明芹.电器与PLC控制技术.北京:化学工业出版社,20034 郑萍.现代电气控制技术.重庆:重庆大学出版社,20035 宋建成.PLC控制和应用.北京:科学出版社, 20026 王永华.现代电气及可编程控制技术.北京:北京航空航天大学出版社,20027 赵明.工厂电气控制设备.北京:机械工业出版社,19988 金晓明,王树青.工业过程先进控制的概念设计J.化工自动化及仪表,2000,27(4):1-59 薛美盛,吴刚,孙德敏等.工业过程的先进控制J.化工自动化及仪表,2002,29(2):1-910 周梅芳,金向平,陈偕雄.基于PLC的智能PID控制方法及其应用J.化工自动化及仪表, 2003,30(4):62-6711 周梅芳,金向平,陈偕雄.新型PID控制及其应用M.北京:机械工业出版社,1998.24-5812 王伟,张晶涛,柴天佑.PID参数先进整定方法综述J.自动化学报,2000,26(3):47-5513 林宗虎,徐通模. 锅炉手册M.北京: 机械工业出版社,2001.121-12414 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Generalized Predictive Control-PartJ.TheBasic Algorithm. Automatica,1987,23(2):137-14821 Astrom KJ, Anton JJ, Arzen KE.Expert ControlJ.Auao-matica,1986,22(3):27-28致 谢为期半年的毕业设计即将结束，在这里我首先要感谢我的导师于洋老师，无论是在设计思想上，还是在实际设计中，他都给了我许多的帮助，老师严谨的工作作风也深深的影响着我，在未来的学习和工作中，我会以老师为榜样，认真完成各项任务。我还要感谢在毕业设计过程中所有给我真诚帮助的其他老师和同学们，在遇到不懂的问题时，是他们给了我最直接的帮助，是他们的大力支