基于PLC的恒压供水系统设计.doc

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1、基于PLC的恒压供水系统设计摘要1第一章 绪论21.1全自动变频恒压供水系统可行性分析21.2全自动变频恒压供水系统控制原理21.3全自动变频恒压供水系统特点及适用范围4第二章 变频恒压供水系统的主要硬件设备52.1可编程控制器52.1.1可编程控制器的介绍52.1.2 可编程控制器的特点52.1.3 可编程控制器PID控制原理与特点62.1.4 PLC的基本结构和工作原理82.2 4A/D及4D/A扩展模块112.2.1模拟量输入模块FX2N-4AD112.2.2模拟量输出模块FX2N-4DA132.3变频器142.3.1变频器的工作原理及其组成结构142.3.2 变频控制恒压供水控制方式1

2、62.3.3变频器的系统组成及接口定义182.4触摸屏182.4.1触摸屏的概述182.4.2触摸屏的工作原理21第三章 硬件电路设计和软件设计213.1 硬件电路设计213.1.1工艺过程213.1.2 硬件接线243.1.3 控制电路253.2 PLC系统选型263.3系统控制要求及梯形图程序27第四章 程序的调试354.1变频恒压供水系统的调试内容35参考文献37致谢38摘要本设计主要是针对城市居民生活用水/消防用水而设计的，全自动恒压变频供水设备。由PLC、变频器、压力传感器、低压电气控制台和水泵等组成。通过PLC、变频器、继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要

3、求。本文共分为五章。第一章主要介绍本系统的工作原理及特点。第二章介绍了本系统的主要硬件设备。第三章讲了本系统的硬件电路及软件程序的设计。第四章为整个系统的调试部分。该系统能够对供水系统进行自动控制，有效地降低了能耗，保持系统维持在最佳运行状态，保证按需供水。【关键词】: 恒压供水，变频器，PLC，4A/D转换器, 4D/A转换器，触摸屏，压力传感器第一章 绪论1.1全自动变频恒压供水系统可行性分析传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度低等缺点，严重影响了居民用水和工业用水。随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保

4、、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统之一。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微

5、机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。但国内变频调速恒压供水系统的水压闭环控制系统的研究还是不够的，因此，有待于进一步研究改善，使其能够被更好的应用于生活、生产实践中。1.2全自动变频恒压供水系统控制原理设备投入运行前，首先应设定设备的工作压力等相关运行参数，设备运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将其转换为电信号传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压

6、力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，变频器自动将原工作在变频状态下的泵，投入到工频运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若两台泵运行仍不能保证管网的压力稳定，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将下一台泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现；PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停下一台工频运行

7、的泵，直到最后一台泵用主变频器恒压供水。如果一台泵连续运行时间超过3小时，则切换下一台泵，避免了某一台泵工作时间过长，确保了泵的可靠寿命，进一步提高了工作效率，节约了能源。变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、(智能PID调节器)、压力变送器、PLC控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1-1所示。其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能PID调节器实现管网水压的PLC调节。PLC控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，

8、根据用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和PLC的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动,消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。按钮变频器信号水位信号等PLC设定压力智能PID调节器变频器电机一水泵水压压力变送器图1-1恒压供水系统控制原理框图一智能PID调节器属于PLC扩展模块，可以与ADDA模块一起使用，得到过程控制模块的效果。同时它的功能可以被变频器的某些功能代替，达到同样的控制效果。其控制原理图如图1-2所示。图1-2恒压供水系统控制原理框图二1.3全自动变频恒压供水系统特点及适用范围1、系统特点:(1)高效节能。按

9、需要设定供水压力，根据管网用水量来变频调节水泵转速，使水泵始终在高效率工况下运行，同普通的无塔供水设备相比，节能效果达到20。(2)对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接起动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、 过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。 (3)人机界面触摸面板操作，设计参数灵活方便。可灵活设定频率下限，加速时间、减速时间、换泵时间等各种工作参数，能够显示系统运行时间，查阅各种故障原因。(4)定时唤醒功能。由于系统是根据管网用水量的多少来决定投入运行水泵的台数，所以当用水量长期在某一小范围内变化时就会使得某台水泵长

10、期运行而磨损严重，而其他水泵长期不使用造成生锈，设定本功能后则可方便的解决该问题。对于同流量的多台水泵，为使各泵平均工作时间相同，须设置定时换泵功能。在设定了定时换泵功能后，当一台变量泵连续工作时间超过设定值后，且有变量泵处于“休息”状态，则变频器自动切换启动“休息”时间最长的变量泵，并停止原变量泵，以保证各台水泵运行时间均等，延长水泵使用寿命。换泵时间可任意设定。(5)当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。 2、适用范围: 广泛应用于居民区、宾馆及其它公共建筑的生活用水、锅炉补给水，加压泵站、各类工矿企业的生产用水、消防用水、锅炉

11、恒压补水、输油管道增压、注水系统、农田灌溉等。 第二章 变频恒压供水系统的主要硬件设备2.1可编程控制器2.1.1可编程控制器的介绍最初，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC,主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但是实际上只能进行逻辑运算。随着计算机技术的发展，PLC的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制和顺序控制的范围，具备了模拟量的控制、过程控制以及远程通信等强大的功能。国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义为：PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。

12、它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等的操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展其功能的原则设计。事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以I/O等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。因此，PLC实际上就是：“工业专用计算机”2.1.2 可编程控制器的特点1、可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间

13、高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2、配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有

14、完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。3、易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4、系统的设计、建造工作量小，维护方便

15、，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5、体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。2.1.3 可编程控制器PID控制原理与特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。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、

16、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，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不能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。(1)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-stateer

17、ror）。(2)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（SystemwithSteady-stateError）。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。(3)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

18、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

19、程中的动态特性。现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令，它实际上是用于PID控制的子程序，与ADDA模块一起使用，可以得到过程控制模块的效果。FX2N的PID功能指令说明如图2-1所示。图2-1 PID功能指令说明2.1.4 PLC的基本结构和工作原理1、PLC的基本结构(1).PLC的硬件组成可编程控制器主要由微处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出接口(I/O)、电源和编程器等几个部分组成。PLC硬件结构如图2-2所示。图2-2 PLC硬件结构、微处理器（CPU）CPU是PLC的运算控制中心，PLC在CPU的控制下，协调系统内部各部

20、分的工作，执行监控程序，进行信息和数据的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，实现对现场各个设备的控制。、存储器可编程控制器配有两种存储器：系统存储器(ROM)和用户存储器(RAM)。系统存储器：存放系统管理程序。用户存储器：存放用户编制的应用程序和工作数据。、输入输出接口输入输出接口是PLC和现场输入与输出设备连接的部分。A)输入接口 输入接口电路用来接收和采集现场输入信号，输入回路中公共点COM通过输入元件连接到对应的输入点上，再通过输入继电器将输入元件的状态转换成CPU能够识别和处理的信号，并存储到输入映像寄存器中。PLC输入回路接线如图2-3所示。图2-3 PLC输入回路接线B)输出接口

21、输出接口电路就是PLC的负载驱动回路，通过输出接口，将负载和负载电源连接成一个回路，这样负载就由PLC输出接口的ON/OFF进行控制，输出接口为ON时，负载得到驱动。PLC输出回路接线如图2-4所示。图2-4 PLC输出回路接线 (2).PLC的软件组成PLC的软件由系统监控程序和用户软件程序组成。1)系统监控程序是每一台PLC必须包括的部分，是由PLC的制造者编制的，用于控制PLC本身的运行。系统监控程序分成管理程序、用户指令解释程序、标准程序或系统调用子程序。2)用户程序是PLC的使用者编制的针对控制问题的程序。它是用梯形图或某种PLC指令助记符编制而成的，可以是梯形图、指令表、高级语言、

22、汇编语言等，其助记符形式PLC型号的不同而略有不同。用户程序是线性地存储在系统监控程序指令的存储空间内的，它的最大容量也是由监控程序限制的。2、PLC的工作原理(1)PLC控制逻辑的实现PLC是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理之上的，是通过执行反应控制要求的用户程序来实现控制的。由于计算机在每一瞬间只能做一件事，其CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，所以程序的执行时按顺序依次完成相应的动作，这便形成时间上的串行，即串行工作方式。(2)PLC的工作方式采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。注意：由于

23、PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。PLC循环扫描过程如图2-5所示。内部处理通信操作输入处理程序执行输出处理停止 图2-5 PLC循环扫描过程 (3)PLC的工作过程PLC的工作过程主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。1）内部处理阶段在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。2）通信服务阶段在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。

24、3）输入处理输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。4）程序执行根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。5）输出处理程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的Y寄存器的状态，

25、在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。2.2 4A/D及4D/A扩展模块2.2.1模拟量输入模块FX2N-4AD1、FX2N4AD的功能FX2N4AD是FX系列PLC的模拟量输入模块，有四个输入通道，每个通道都可进行A/D转换。即将模拟量信号转换成数字信号送给PLC,以实现对过程参数的控制。2、FX2N4AD的外部接线FX2N-4AD外部接线如图2-6所示。图中模拟量信号采用双绞屏蔽电缆输入FX2N4AD中，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。如果输入电压有波动，或在外部接线中有电气干扰，可以接一个0.10.47u

26、F的平滑电容。FX2N-4AD的4个输入通道（CH1CH4）通过输入端子接线，可以选择为电压输入或电流输入。如果是电流输入，应将端子V+和I+连接。FX2N-4AD接地端应与PLC主单位接地端连接，如果存在过多的电气干扰，还应将外壳地端FG和FX2N-4AD接地端连接。其外部接线如图2-6所示。图2-6 FX2N-4AD外部接线在A/D转换过程中，输入的是时间上、幅值上都是连续的模拟量，而输出的则是时间上，幅值上均离散的数字量，因此，要把模拟量转换成数字时需经采样、保持、量化、编码四个步骤。A/D转换原理框图如图2-7所示。数字量编码量化保持采样模拟量图2-7 A/D转换原理框图2.2.2模拟

27、量输出模块FX2N-4DA1、FX2N4DA的功能FX2N4DA是FX系列PLC的模拟量输出模块，有四个输入通道，每个通道都可进行D/A转换，即将PLC处理后的数字信号转换成模拟量信号输出，以实现对现场过程参数的控制。2、FX2N-4DA的外部接线FX2N4DA的外部接线如图2-8所示。图中模拟量输出信号采用双绞屏蔽电缆传输，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。如果输出电压波动或在外部接线中有电气干扰，可以接一个0.10.47uF的平滑电容。FX2N4DA的4个输出通道（CH1CH4）通道输出端子接线，可以独立的选择为电压输出或电流输出。电压输出端子为V+和VI-；电流输出端子I+和

28、VI-。FX2N4DA接地端应与PLC主单元接地端连接；双绞屏蔽电缆应在负载端使用单点接地。其外部接线如图2-8所示。图2-8 FX2N4DA的外部接线在D/A转换过程中，输入的是幅值上均离散的数字量，输出的是时间上、幅值上都是连续的模拟量，因此，要把数字量转换成模拟量时需经控制对象、检测对象、A/D转换、数字系统、D/A转换、执行机构六个步骤。D/A转换原理框图如图2-9所示。执行机构D/A转换数字系统A/D转换检测对象控制对象 图2-9 D/A转换原理框图2.3变频器2.3.1变频器的工作原理及其组成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

29、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2-10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 2-10 变频器基本结构由主回路，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

30、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

31、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，其性能的优劣决定了变频器的性能。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流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。2.3.2 变频控制恒压供水控制方式众所周知，水泵消

32、耗功率与转速的三次方成正比。即N=KN3 N：为水泵消耗功率；n：为水泵运行时的转速；K为比例系数。而水泵设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于命名用了变频技术及微机技术有微机控制，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%。目前国内各厂家生产的供水设备电控柜，除采用落后继电接触器控制方式外，大致有以下四类：逻辑电子电路控制方式、单片微机电路控制方式、带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式和新型变频调速供水设备。变频控制恒

33、压供水的控制方式是带有PID回路调节器和可编程序控制器（PLC）的控制方式。该方式中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程控制器来计时，既要有模拟

34、量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。2.3.3变频器的系统组成及接口定义变频器主要由整流（交流变

35、直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成的。变频器的接口组成如图2-11所示。图2-11 变频器的接口组成我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：n 60 f(1 s)/p (1) 式中 n 异步电动机的转速； f 异步电动机的频率； s 电动机转差率； p 电动机极对数。 由式 (1) 可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 0 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。2.4触摸屏2.4.1触摸屏的概

36、述随着多媒体信息查询的与日俱增，人们越来越多地谈到触摸屏，因为触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。 触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外应用于

37、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。将来，触摸屏还要走入家庭。触摸屏人机界面是在操作人员和机器设备之间双向沟通的桥梁，用户可以自由的组合文字，按钮，图形，数字等来处理或监控管理及应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕。随着机械设备的飞速发展，以往的操作界面需要由熟练的操作人员才能操作，而且操作困难，无法提高工作效率。但是使用人机界面能够明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动，并且可以减少操作上的失误，即使是新手也可以很轻松的操作整个机器设备。使用人机界面还可以使机器的配线标准化，简单化，同时也能减少PLC控制所需的I/O点数，降低生产成

38、本同时由面板控制的小型化及高性能，相对提高了整套设备的附加价。2.4.2触摸屏的工作原理为了操作上的方便，人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时，我们必须首先用手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。全自动变频恒压供水触摸屏实物图和控制图分别如图2-12、2-13所示。图2-12 全自动变

39、频恒压供水触摸屏实物图图2-13 全自动变频恒压供水触摸屏控制图1#泵、2#泵3#泵都有与之对应的工作指示灯;变频器频率是通过模拟量给PLC,PLC在传到触摸屏里的;系统压力设定是根据所需压力来定的;启动、停止按钮是来控制系统得/失电状态。第三章 硬件电路设计和软件设计3.1 硬件电路设计3.1.1工艺过程由三台泵组构成的生活/消防双恒压无塔供水系统的实例。如图3-1所示，市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注谁阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水池注水。水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为高/低水位报警。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器高低距离较小。生活

40、用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压。当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵再改为生活用水。图3-1 生活、消防双恒压无塔供水系统构成图3.1.2 硬件接线1. PLC输入输出设备的外部接线图如图3-2 PLC及扩展模块外围接线图。火灾时，火灾信号SA1被触动，X000为1。本例忽略了以下因素：(1) 直流电源容量(2) 电源方面的抗干扰措施(3) 输出方面的保护措施(4) 系统保护措施(5)图3-2 恒压供水控制系

41、统PLC及扩展模块外围接线2、控制系统主电路图3-3 控制系统主电路如图3-3,接触器KM1、KM3及KM5用于电动机的工频控制；接触器KM2、KM4及KM6用于电动机的变频控制。FR1,FR2,FR3分别为三台水泵的电动机过载保护用的热继电器。3.1.3 控制电路 如图3-4为电控系统控制电路图。途中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的位置为制动控制。手动运行时，可用按钮SB1-SB6控制三台泵的启动/停止和电磁阀YV2的通/断；自动运行时，系统在PLC程序下运行。图3-4 系统控制电路3.2 PLC系统选型全自动变频恒压供水电气控制系统共有开关量输入点6个、开

42、关量输出点12个；模拟量输入点1个、模拟量输出点1个。选用三菱FX2N-32MR一台、加上一台模拟量输入扩展模块FX2N-4AD、一台模拟量输出扩展模块FX2N-4DA构成系统。整个PLC系统的配置如图3-5所示。主机单元-32MR模拟量输出模块-4DA模拟量输入模块-4AD图3-5 PLC系统组成3.3系统控制要求及梯形图程序1、泵生活/消防双恒压供水系统的基本要求是：(1)生活用水时，系统低恒压值运行，消防供水时高恒压值运行。(2)三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。(3)在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵。即系统具有“倒泵功能”，避免

43、某一台工作时间过长。(4)三台泵在启动时都需要有软启动功能。(5)要有完善的报警系统。(6)操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。2、信号分配如表3-1所示。表3-1 I/O信号分配表输入（I）元件功能信号地址开关SA1手动/自动消防信号X0低水位传感器SLL水池水位下限信号X1高水位传感器SLH水池水位上限信号X2变频器报警SU变频器报警信号X3按钮SB9消铃X4按钮SB10试灯X5压力传感器Up测取水压模拟量输入模块通道1输出（O）接触器KM1指示灯HL11号泵工频运行接触器及指示Y0接触器KM2指示灯HL21号泵变频运行接触器及指示Y1接触器KM3指示灯HL32号泵工频运行接触器及指示