大學畢業論文(設計)說明書摘 要隨社會經濟的迅速發展，人們對供水質量和供水系統可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高性能、高節能、能適應不同領域的恒壓供水系統成為必然趨勢。本設計是針對居民生活用水而設計的。由變頻器、PLC、PID調節器和組成控制系統，調節水泵的輸出流量。電動機泵組由三臺水泵并聯而成，由變頻器或工頻電網供電，根據供水系統出口水壓和流量來控制變頻器電動機泵組的速度和切換，使系統運行在最合理狀態，保證按需供水。 本文介紹了采用PLC控制的變頻調速供水系統，由PLC進行邏輯控制，由變頻器進行壓力凋節。在經過PID運算，通過PLC控制變頻與工頻切換，實現閉環自動調節恒壓變量供水。運行結果表明，該系統具有壓力穩定，結構簡單，工作可靠等特點。關鍵詞：變頻調速 ；恒壓供水；PID調節；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 目錄摘 要1ABSTRACT21 緒論11.1變頻恒壓供水產生的背景和意義11.2變頻恒壓供水系統的國內研究現狀31.3課題來源及本文的主要研究內容51.4本論文中所做的工作52 恒壓供水系統的基本構成63 變頻器和壓力傳感器83.1 變頻器的基本結構83.2 變頻器的分類及工作原理113.3 變頻器的操作方式及使用123.4 變頻器硬件選擇133.5 壓力傳感器144 PLC選擇及應用164.1 PLC在恒壓供水泵站中的主要任務164.2 PLC模擬量擴展單元的配置及應用164.2.1 模擬量輸入模塊的功能及與PLC系統的連接.174.2.2 模擬量輸入模塊緩沖存儲器（BFM）的分配184.2.3 模擬量輸出模塊的功能及PLC系統連接204.2.4 模擬量輸出模塊的偏置、增益及分配215 PID控制器的設計225.1 PID控制算法及特點235.2 PID參數整定的相關原則255.3 PID指令的使用注意事項265.4 PID回路類型的選擇265.5 正作用或反作用回路276 系統的設計286.1 系統要求286.2控制系統的I/O及地址分配286.3 PLC系統選型306.4 電氣控制系統原理圖306.4.1主電路圖306.4.2 控制電路圖326.5 系統程序設計336.5.1由“恒壓”要求出發的工作泵組數量管理346.5.2 多泵組泵站泵組管理規范346.5.3系統流程圖設計346.5.4程序的結構及程序功能的實現366.5.5系統的運行分析38致謝39471 緒論隨著社會經濟的迅速發展，水對人民生活與工業生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統的新要求。變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控;同時系統具有良好的節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。1.1變頻恒壓供水產生的背景和意義眾所周知，水是生產生活中不可缺少的重要組成部分，在節水節能已成為時代特征的現實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業生產循環供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低。主要表現在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現水壓降低供不應求的現象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使水管爆破和用水設備的損壞。在恒壓供水技術出現以前，出現過許多供水方式。以下就逐一分析。1、一臺恒速泵直接供水系統這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網中抽水，嚴重影響城市公用管網壓力的穩定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩，供水質量極差。2、恒速泵加水塔的供水方式這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續工作狀態中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效區。這種方式顯然比前一種節電，其節電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數、水泵的開、停時間比、開、停頻率等有關。供水壓力比較穩定。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大;水壓不可調，不能兼顧近期與遠期的需要;而且系統水壓不能隨系統所需流量和系統所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統水塔的水位監控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。3、恒速泵加高位水箱的供水方式這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設立水箱。占地面積與設備投資都有所減少，但這對建筑物的造價與設計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。一些動物甚至人都可能進入水箱污染水質。水箱的水位監控裝置也容易損壞，這樣系統的開、停，將完全由人操作，使系統的供水質量下降能耗增加。4、恒速泵加氣壓罐供水方式這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監測罐內壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質因異物進入而被污染的可能性。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉速、額定流量的條件下工作。當系統所需水量下降時，供水壓力將超出系統所需要的壓力從而造成能量的浪費。同時水泵是工頻率啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。頻繁啟動會造成系統的不穩定性。5、變頻調速供水方式這種系統的原理是通過安裝在系統中的壓力傳感器將系統壓力信號與設定壓力值作比較，再通過控制器調節變頻器的輸出，無級調節水泵轉速。使系統水壓無論流量如何變化始終穩定在一定的范圍內。變頻調速式供水系統具有節約能源、節省鋼材、節省占地、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。1.2變頻恒壓供水系統的國內研究現狀變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samc。公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環方式”兩種模式。它將PID調節器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多7臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統(如BA系統)和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現;有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。艾默生電氣公司和成都希望集團(森蘭變頻器)也推出恒壓供水專用變頻器(5。5kW-22kW)，無需外接PLC和PID調節器，可完成最多4臺水泵的循環切換、定時起、停和定時循環。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 可以看出 ，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性(EMC)，的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制研究得不夠。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使其能被更好的應用于生活、生產實踐。1.3課題來源及本文的主要研究內容1、課題來源本課題來源于生產、生活供水的實際應用。2、研究的主要內容本系統是三泵生活/消防雙恒壓供水系統，變頻恒壓供水系統主要由變頻器、可編程控制器、壓力傳感器組成。本文研究的目標是對恒壓控制技術給予提升，使系統的穩定性和節能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數據傳輸。該系統可以生活供水和消防供水的雙用供水系統。1.4本論文中所做的工作根據系統要求，設計出滿足要求的恒壓供水系統，對PLC、變頻器、壓力傳感器進行選型，根據系統要求設計出能滿足控制要求的控制電路和控制程序。2 恒壓供水系統的基本構成 恒壓供水泵站一般需沒多臺水泵及電機，這比設單臺水泵及電機節能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費的電機選小了用水量大時供水會不足。而且水泵與電機都有維修的時候，備用是必要的。恒壓供水的主要目標是保持管網水壓的恒定，水泵電機的轉速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機供電。這也有兩種配置方案，一是為每臺水泵電機配一臺變頻器，這當然方便，電機與變頻器間不須切換，但購變頻器的費用較高。另一種方案是數臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行。其余水泵工頻運行，以滿足不同用水量的需求。 圖2-1為恒壓供水系統構成示意圖。圖中壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口。當用水量大時，水壓降低：用水量小PLC送水消防生活變頻器工頻/變頻切換電路1號泵2號泵3號泵壓力罐壓力傳感器調節器調節器時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉變為電流或電壓的變化送給調節器。圖2-1 恒壓供水系統示意圖Fig2-1 Constant pressure water supply system schematic drawing調節器是一種電子裝置，在系統中完成以下幾種功能：(1) 設定水管壓力的給定值。恒壓供水水壓的高低依需要設定。 供水距離越遠，用水地點越高，系統所需供水壓力越大。給定值即是系統正常工作時的恒壓值。另外有些供水系統可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一個泵站，水壓的設定值可能不止一個，一般消防用水的水壓要高一些。也有的調節器以模擬量方式設定。 (2)接收傳感器送來的管網水壓的實測值。管網實測水壓回送到泵站控制裝置成為反饋，調節器是反饋的接收點。 (3)根據結定值與實測值的綜合，依一定的調節規律發出系統調節信號。調節器接收了水壓的實測反饋信號后，將它與結定值比較，得到給定值與實測值之差。如給定位大于實際值，說明系統水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉速如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉速。這些都由調節器的輸出信號控制。為了實現調節的快速性與系統的穩定性，調節器工作中還有個調節規律問題，傳統調節器的調節規律多是比例-積分-微分調節，俗稱PID調節器。調節器的調節參數，如P、I、D參數均是可以由使用者設定的。PID調節過程視調節器的內部構成有數字式調節及模擬量調節兩類，以微計算機為核心的調節器多為數字式調節。 調節器的輸出信號一般是模擬信號，420mA變化的電流信號或010V間變化的電壓信號。信號的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅動執行設備工作。在變頻恒壓供水系統中，執行設備就是變頻器。3 變頻器和壓力傳感器交流變頻器是微計算機及現代電力電子技術高度發展的結果。微計算機是變頻器的核心，電力電子器件構成了變頻器的主電路。大家都知道，從發電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒50Hz。而交流電動機的同步轉速。 式中-同步轉速，r/min； -定子頻率，Hz； -電機的磁極對數。而異步電動機轉速式中-異步電機轉差率，一般小于3%。均與送入電機的電流頻率/成正比例或接近于正比例。因而，改變頻率可以方便地改變電機的運行速度，也就是說變頻對于交流電機的調運來說是十分合適的。3.1 變頻器的基本結構從頻率變換的形式來說變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電又稱間接式變頻器。市售通用變頻器多是交-直-交變頻器，其基本結構圖如圖3-1所示，控制指令中間直流環節AC控制指令控制指令網側變流器整流器逆變器ACM運行指令圖3-1 交-直-交變頻器的基本結構Fig3-1 The basic structure of TAC-straight-Cycloconverter由主回路，包括整流器、中間直流環節、逆變器和控制回路組成，現將各部分的功能分述如下： (1)整流器。電網側的變流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是單相)交流整流成直流。(2)直流中間電路。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質量較高的直流電源。由于逆變器的負載多為異步電動機，屬于感性負載。無論是電動機處于電動或發電制動狀態其功率因數總不會為1。因此，在中間直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環節的儲能元件(電容器或電抗器)來緩沖。所以又常稱直流中間環節為中間直流儲能環節。 (3)逆變器。負載側的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉換為頻率及電壓都可以任意調節的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。(4)控制電路。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分。其主要任務是完成對逆變器的開關控制，對整流器的電壓控制及完成各種保護功能。控制電路是變頻器的核心部分性能的優劣決定了變頻搏的性能。電源M電動機平滑電容+-M電動機平滑電感電源（a）（b） 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成直流中間電路的儲能元件在整電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大容量的電感。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路。逆變電路最常見的結構形式是利用6個半導體主開關器件組成的三橋式逆變電路。有規律的控制逆變器中主開關的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。現代變頻器控制電路的核心器件是微型計算機，全數字化控制為變頻器的優良性能提供了硬件保障 。圖3-2為電流型變頻器主電路基本結構示意圖。圖3-2 電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結構(a) 電壓型變頻器主電路；(b)電流型變頻器主電路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 變頻器的分類及工作原理變頻器的較詳細的工作原理還與變頻器的工作方式有關，通用變頻器按工作方式分類如下： （1）控制。控制即電壓與頻率成比例變化控制。 由于通用變頻器的負載主要是電動機，出于電動機磁場恒定的考慮，在變頻的同時都要伴隨著電壓的調節。控制由于忽略了電動機漏阻抗的作用，在低頻段工作特性不理想。因而實際變頻器中采用控制。采用控制方式的變頻器通常被稱為普通功能變頻器。（2）轉差頻率控制。轉差頻率控制是在控制基礎上增加轉差控制的一種控制方式。從電動機的轉速角度看，這是一種以電動機的實際運行速度加上該速度下電動機的轉差頻率確定變頻器的輸出頻率的控制方式。更重要的是，在=常數的條件下，通過對轉差率的控制，可以實現對電機轉矩的控制。采用轉差頻率控制的變頻器通常屬于多功能型變頻器。（3）矢量控制。矢量控制是受調速性能優良的直流電動機磁場電流及轉矩電流可分別控制啟發而設計的一種控制方式。矢量控制將交流電動機的定子電流采用矢量分解的方法，計算出定子電流的磁場分量及轉矩分量，并分別控制，從而大大提高了變頻器對電動機轉速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的變頻器通常稱為高功能變頻器。通用變頻器按工作方式分類的主要工程意義在于各類變頻器對負載的適應性。普通功能型變頻器適用于泵類負載及要求不高的反抗性負載，而高功能變頻器可適用于位能性負載。3.3 變頻器的操作方式及使用 和PLC一樣，變頻器是一種可編程的電氣設備。在變頻器接入電路工作前，要根據通用變頻器的實際應用修定變頻器的功能碼。功能碼一般有數十甚至上百條， 涉及調速操作端口指定、頻率變化范圍、 力矩控制、系統保護等各個方面。功能碼 在出廠時已按默認值存儲。修訂是為了使 變頻器的性能與實際工作任務更加匹配。 變頻器與外界交換信息的接口很多，除了主電路的輸入與輸出接線端外，控制電路還設有許多輸入輸出端子，另有通信接口及一個操作面板，功能碼的修訂一般就通過操作面板完成。變頻器的輸出頻率控制有以下幾種方式：（1）操作面板控制方式。這是通過操作面板上的按鈕手動設置輸出頻率的一種操作方式。具體操作又有兩種方法，一個按面板上頻率上升或頻率下降的按鈕調節輸出頻率，另一個方法是通過直接設定頻率數值調節輸出頻率。（2）外輸入端子數字量頻率選擇操作方式。變頻器常設有多段頻率選擇功能。各段頻率值通過功能碼設定，頻率段的選擇通過外部端子選擇。變頻器通常在控制端子中設置一些控制端，如圖4端子X1、X2、X3，他們的7種組合課選定7種工作頻率值。這些端子的接通組合可通過機外設備，如PLC控制實現。(3)外輸入端子模擬量頻率選擇操作方式。為了方便與輸出量為模擬電流或電壓的調節器、控制器的連接，變頻器還設有模擬量輸入中的端，如圖3-4中的C1端為電流輸入端，端為電壓輸入端，當接在這些端口上的電流或電壓量在一定范圍內平滑變化時，變頻器的輸出頻率在一定范圍內平滑變化。(4)通信數字量操作方式。為了方便與網絡接口，變頻器一般都設有網絡接口，都可以通過通信方式接 收頻率控制指令，不少變頻器生產廠家還為自己的變頻器與PLC 通信設計了專用的協議。3.4 變頻器硬件選擇 根據設計要求，變頻器選用日本安川變頻器CIMR-P5A45P5產品。該產品可以和三菱PLC工作協調。變頻器選用日本安川變頻器CIMR-P5A45P5產品，適配電機15 kW，該變頻器基本配置中帶有PID功能。通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的壓力信號(010 V)接至變頻器的輔助輸入端FI、FC，作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速，控制管網壓力保持在給定壓力值上。M1、M2為變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號端，該信號進PLC，作為泵變頻與工頻切換的控制信息之一，變頻器的極限輸出頻率通過面板可以設定。MA、MC為變頻器發生故障的輸出信號，該兩端連接信號燈，以顯示變頻器故障，變頻器面板上有故障復位按鍵，輕故障用復位按鍵復位，可重新啟動變頻器。S1和S2短接，并與S3連接到PLC的輸出點上，由PLC控制變頻器的運行與關斷；U、V、W輸出端并聯三個接觸器分別接M1、M2、M3泵電機，變頻器可分別驅動三臺泵，另外這三臺泵電機還通過另外三個接觸器并聯到工頻電源上，這6個接觸器線包連接到PLC的四個輸出點上，由PLC控制其工頻、變頻切換工作。通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給定值(14端)，壓力傳感器反饋來的壓力信號(010V)接至變頻器端子的7端、8端，作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速。變頻器端子的19端和20端是傳感器壓力設定的上、下限值，該信號進PLC，作為工頻切換的控制信息，由PLC控制水泵的工頻或變頻運行。變頻控制系統主回路如圖6-2所示。變頻器有2個作用，一是作為電機的軟起動裝置，限制電動機的啟動電流；二是改變異步電動機的轉速，實現恒壓供水。下圖3-3為日本安川變頻器CIMR-P5A45P5在電路中的接線圖。R S TS1 US2 VS3 W VVVFFIFCM1 M2 M3 M4接PLC接PLC 接指示燈接電機380V78圖3-3 日本安川變頻器CIMR-P5A45P5在電路中的接線圖Fig 3-3 Japans converter CIMR-P5A45P5Yasukawa in the circuit in the wiring diagram3.5 壓力傳感器在智能系統中檢測是非常重要的一部分，它將檢測到控制量反饋給系統，才能實現自動控制，給系統所用的檢測的是水壓，這個系統中選用壓力傳感器，它的作用是通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成420mA變化的電流信號或010V間變化的電壓信號的標準信號送入PLC的端口進行PID調節，經運算與給定壓力參數進行比較，得出一個調節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使供水系統管網中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制切換器進行加減泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。此外，系統還設有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。供水系統的壓強是，下面單位都是估計標準單位，g=9.8，一般情況下，h60米，所以本系統供水系統輸出壓力一般小于或等于0.6Mpa，系統選用YTZ-150型帶電接點式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為01MPa，檢測精度為土0.01MPa，該傳感器將01MPa范圍的壓力對應轉換成010V的電信號。該傳感器還具有體積小，重量輕、結構簡單、工作可靠的特點。4 PLC選擇及應用4.1 PLC在恒壓供水泵站中的主要任務 (1)代替調節器實現水壓給定值與反饋值的綜合與調節工作，實現數字式PID調節一只傳統調節器往往只能實現一路PID設置，用PLC作調節器可同時實現多路PID設置在多功能供水泵站的各類情況中PID參數可能不一樣，使用PLC作數字式調節器就十分方便。 (2)控制水泵的運行與切換。在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設備均勻地磨損，水泵及電機是輪換工作的。在設單一變頻器的多泵組泵站中，如規定和變頻器相連接的泵為主泵，主泵也是輪流擔任的。主泵在運行時達到最高頻率時。增加一臺工頻泵投入運行PLC則是泵組管理的執行設備。 (3)變頻器的驅動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端接受傳感器送來的模擬信號。輸出端送出經給定值與反饋值比較并經PID處理后得出的模擬量控制信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。 (4)泵站的其他邏輯控制。除了泵組的運行管理工作外，泵站還有許多邏輯控制工作，如手動、自動操作轉換，泵站的工作狀態指示，泵站工作異常的報警，系統的自檢等，這些都可以在PLC的控制程序中安排。4.2 PLC模擬量擴展單元的配置及應用 PLC的普通輸入輸出端口均為開關量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可將外部模擬量轉換為PLC可處理的數字量及將PLC內部運算結果轉換為機外所需的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數轉換的，單獨用于數/模轉換的，也有兼具模/數及數/模兩種功能的。以下介紹三菱FX系列PLC的模擬量模塊以及，它們分別具有FX-4AD及FX-2DA，它們分別具有4路模擬量輸入及2路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中。 4.2.1 模擬量輸入模塊的功能及與PLC系統的連接 FX-4AD 4模擬量輸入模塊具有4個通道，可同時接受并處理4路模擬量輸入信號， 最大分辨率為12位。輸入信號可以是-10+10V的電壓信號（分辨率為5Mv），也可以420mV（分辨率為16A）或-20+20mA（分辨20A）的電流信號。模擬量信號可通過雙絞屏蔽電纜接入，連接及方法如圖3-1所示，當使用電流輸入時，需將V+及I+端短接。24+ 地 24-FG VI- I+ V+FG VI- I+ V+24VDC 電流輸入420mA 電壓輸入-10+10V圖4-1 FX-4AD模塊的連接方法Fig4-1 FX-4AD -method of connecting module FX-4AD的寬及高與FX相同，在安裝時裝在FX基本單元的右邊，將總線連接器接入左側單元的總線插孔中。FX系列可編程控制器中，與PLC連接的特殊功能擴展模塊位置從左至右依次編號（擴展單元不所示。占編號），如圖4-2所示FX-4AD將消耗基本單元或電源擴展單元的+5VDC電源（內部電源）30mA電流，+24VDC電源（外部電源）55mA電流。其通常轉換速度為15ms/ 通道，高速轉換速度為6/ms通道。4.2.2 模擬量輸入模塊緩沖存儲器（BFM）的分配為了能適用于多種規格的輸入、輸出量，模擬量處理模塊都設成可編程的。FX-4AD模塊利用緩沖存儲器(簡稱模BFM)的設置完成編輯工作。FX-4AD擬量量輸入模塊共有32個緩沖存儲器，但目前只使用了以下21個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特殊功能模塊基本單元 #0 #1 #24-2 特殊功能模塊Fig3-2 Special function modules（1）BFM#0。0號BFM用于通道的選擇。 4個通道的模擬輸入信號范圍用4位16進制數表示。具體地講。16進制數字“03”分別表示“-10+10V、420mA、-20+20 mA 、通道關閉”。（2）BFM#1#4。14通道的采樣次數(設定范圍為14096)，默認值為8。（3）BFM#5#8。14通道的采樣平均值。（4）BFM#9#12。14通道的采樣當前值。（5）BFM#15。選擇A/D轉換的速度。若設為0，則為正常轉換速度，即15ms/通道；若設為1，則為告訴轉換速度，即6ms/通道。（6）BFM#20。若將BFM#20設為1，則模塊的所有設置都將復位成默認值。用它可以快速消除不希望的增益和偏置值。BFM#20的默認值為0。（7）BFM#21。若BFM#21的b1、b0分別置為（1，0），則禁止調整增益和偏置；若BFM#21的b1、b0分別置為（0，1）（此為默認值），則可以改變增益和偏置的意義課可由圖3-3說明，圖中偏置為橫軸上的截距，表示數字量輸出為0是的模擬量輸入值。增益為輸出曲線的斜率，為數字輸出+1000時的模擬量輸入值。（8）BFM#22。BFM#22為增益與偏置調整的指定單元。BFM#22的b0b7由低到高兩兩為一組。通道的偏置及增益可分別調整。（9）BFM#23 BFM#24。BFM#23為偏置值與增益值存儲單元，單位為mV，或A。BFM#23(偏置)的，默認值為0，BFM#24（增益）的默認值5000。當BFM#22指定單元中的某些位置1時，偏置值及增益值會送入相應通道的增益和偏置寄存器中。數字輸出+10000 4 20 模擬輸入（mA） （偏置值） （增益值）圖4-3 FX-4AD 的偏置和增益Fig4-3 Bias and gain of FX-4AD（10）BFM#29中各位的狀態是FX-4AD錯誤狀態信息。其中，b0為，表示有錯誤；當b1為ON時，表示存在偏置及增益錯誤；b2為ON時表示存在電源故障；b3為ON時，表示存在硬件錯誤等。（11）BFM#30中存在的模塊的識別碼K2010。用戶可以方便地利用這一識別碼在傳送數據前先確認該特殊功能的模塊。4.2.3 模擬量輸出模塊的功能及PLC系統連接FX-2DA模塊用來將12位數字信號轉換成模擬電壓或電流輸出。它具有2個模擬量輸出通道。這兩個通道都可以輸出010VVDC(分辨率2。5mV)、05DVC（分辨率1。25mV）的電壓信號，或420Ma(分辨率為4A)的電流信號。模擬量輸出可通過雙絞屏蔽電纜與驅動負載相連，連接方法如所圖3-4所示，當使用電壓輸出時，需要IOUT和COM端短接。COM IOUT VOUTCOM IOUT VOUT基本單元FX-2DA記錄儀器電流輸出變頻器等電壓輸出圖4-4 FX-2DA模塊的連接方法Fig 4-4 FX-2DA-method of connecting moduleFX-2DA安裝時裝在FX基本單元的右邊。FX-2DA將消耗基本單元或電源擴展單元的+5VDC電源單元的（內部電源）20mA電流，+24VDC電源5mA電流。轉換時間為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圖4-5模擬量輸入模塊FX-4AD的編程Fig 4-5 Simulation quantity load module FX-4AD programming 4.2.4 模擬量輸出模塊的偏置、增益及分配 FX-2DA模塊在出廠時，其偏置和增益是經過調整的，數字值為04000，電壓輸出為010V。若用于電流輸出機時可利用模塊上自帶的調節裝置重調偏置與增益值。模塊共有32個緩沖存儲器，但只用了以下兩個： (1)BFM#16。BFM#16的B7B0用于輸出數據的當前值（低8位數據）。 (2)BFM#17。BFM#17的B0位從“1” 變為“0”時，通道2的D/A轉換開始；當B2位從“1”變成“0” D/A轉換低8位保持，其余各位沒有意義。 5 PID控制器的設計PID控制方式是現代工業控制中應用的最廣泛的反饋控制力式之一。它的原理通過控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值(溫度、流量、壓力等設定值)進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的PID控制器的控制形式主要有兩種：如圖7所示+ +驅動部控制對象P I D目標值 + (給定值)反饋值 -圖4-1 PID控制原理圖Fig 4-1 PID control scheme1、硬件型，即通用PID控制器，在使用時只需要進行線路的連接和P，I，D 參數及目標值的設定。2、軟件型，使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器上做 PID控制器。在該系統中我們用硬件型設計這樣可以減少編程5.1 PID控制算法及特點PID控制算法的一般形式PID控制器根據日標值(設定值)r(t)與反饋值(測量值)c(t)構成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t) 將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制。其控制規律為：或 式中 ： 調節器的比例系數： 調節器的積分時間 ： 調節器的微分時間： 調節器的偏差信號： 比例帶，它是慣用增益的倒數u： 輸出簡單來說 ，PID控制器各校正環節的作用是這樣的：1、比例環節： 即時成比例地反應控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用以減小誤差。2、積分環節 ：主要用于消除靜差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti， Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。3、微分環節 ：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。PID調節器的傳遞函數是：當上述控制算法公式只包含第一項時，稱為比例(P)作用，只包含第二項時，稱為積分(I)作用;但只包含第三項的單純微分(D)作用是不采用的，因為它不能起到使被控變量接近設定值的效果，只包含第一、二項的是PI作用;只包含第一、三項的是PD作用;同時包含這三項的是PID作用。僅用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動作的PI控制。用PI控制時，能消除由改變目標值和經常的外來擾動等引起的偏差。但是，I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統可以單獨使用P動作控制。對于PID控制，發生偏差時，很快產生比單獨D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小。控制對象含有積分元件的負載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統發生振蕩。在該場合，為使P動作的振蕩衰減和系統穩定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用，在結合P動作就構成了PID控制，本系統就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統穩定的控制過程。這種控制方式用于從產生偏差到出現響應需要一定時間的負載系統(即實時性要求不高，工業上的過程控制系統一般都是此類系統，本系統也比較適合PID調節)效果比較好。5.2 PID參數整定的相關原則針對一個具體的系統，設置和調整PID參數，使調節過程達到滿意的品質，稱為參數整定，不管是用常規調節器還是數字PID調節器，統稱為調節器參數整定。下面簡單列舉一些的準則：1、 如果廣義對象的傳遞函數是，調節器的比例增益是整個系統總的開環增益是。在其他因素相同