基于变频器智能恒压供水系统的设计.doc

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1、项目类别： 毕业论文 项目名称：基于变频器的智能恒压供水系统设计 院 系 ： 机电工程系 专 业 ： 机电一体化技术 姓 名 ： 学 号 ： 班 级 ： 指导教师： 毕业项目摘 要基于变频器的智能恒压供水系统以西门子S7-200系列PLC作为控制器，采用其扩展模拟输入输出模块EM235，利用其内部的PID控制指令，配合MM420型号的变频器和电机，同时用KBY压力变送器来检测管网压力。构成闭环调速系统。变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，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。压力变送器的作用是检测管网水压。智能PID调节器实现

2、管网水压的PID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，根据用水量的实际变化，自动调整输出模拟量，进而控制变频器。变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经PLC内置PID调节器运算后,通过EM235模拟输出端传送到变频器，调节输出频率，实现管网的恒压供水。 关键词：恒压供水、可编程控制器、无级调速、PID控制、闭环调速系统、 目 录1 引言11.1 基于变频器的智能恒压供水系统的发展历程11.2 基于变频器的智能恒压供水系统研究的目的和意义21.3 基于变频器的智能恒压供水系统的应用22 基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案42.1 基于变频器的智能恒压供水系

3、统总体方案设计42.2变频恒压供水原理53 基于变频器的智能恒压供水系统硬件设计73.1 系统的硬件电路构成73.2 PLC控制系统设计的基本原则233.3 PLC型号选择和系统硬件配置233.4 外部硬件电路设计244 基于变频器的智能恒压供水系统软件设计274.1系统流程图. 274.2 软件设计28结 束 语33致 谢34参考文献351引言 变频恒压供水系统成为现在建筑中普遍采用的一种水处理系统。随着社会和变频调速技术发展和人们节水节能意识的不断增强，变频恒压供水系统的节能特性使得其越来越广泛用于工厂、住宅、高层建筑的生活及消防供水系统。恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的大小，总

4、能保持网管中水压的基本恒定。同时要保证供水的可靠性和安全性。基于变频器的智能恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器及水泵组成闭环控制系统，代替传统的水塔供水控制系统，既保证了供水质量又丰富了系统的控制功能，提高系统可靠性，达到节水节能的效果。1.1 基于变频器的智能恒压供水系统的发展历程恒压供水系统是指通过闭环控制，使供水的压力保持恒定。早期的恒压供水系统是通过阀门的凯断来控制。随着技术的发展，自动化越来越占据主要地位。出现了基于PLC的变频恒压供水系统，即基于变频器的智能恒压供水系统。在该系统中为了满足供水量大小需求不同时，保证管内压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进

5、行闭环控制。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、变压变频比控制及各种保护功能。因此，当变频器应用在变频恒压供水系统中时仅作为执行机构。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。近年来，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国内有不少公司在

6、做变频恒压供水的工程时，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管内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。但随着社会发展和进步，这远远满足不了所有用户的要求，逐步实现了基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统即基于变频器的智能恒压供水系统。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中可以看出，随着社会的发展，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)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的

7、性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。1.2 基于变频器的智能恒压供水系统研究的目的和意义近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而在；现阶段我国在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术比较落后，自动化程度较低。这种情况容易造成用水高峰期时水位达不到要求，供水压力不足；用水低峰期时供水水位超标，压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。变频器恒压供水

8、系统可以实现水泵电机的无级调速，可以根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。变频器恒压供水系统被看做是今最先进、合理的节能型供水系统。与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备投资，运行的经济型还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有很大优势。基于PLC和变频器技术设计的智能恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳

9、定性控制，具有广泛的应用前景。1.3 基于变频器的智能恒压供水系统的应用基于PLC和变频器技术设计的智能恒压供水控制系统，是在原有系统的技术改造下，提高生产过程的自动化水平。使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。该系统广泛应用于（1） 生产、生活用水，亦可用于热水供应，恒压喷淋等系统（2） 工业企业、生活、生产供水系统及企业自备并改造工程，自来水厂、生活小区及消防供水系统。（3） 各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统（4） 污水泵站、污水处理及污水提升系统。（5） 农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统（6） 宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。另外，系统采用

10、plc控制，容易随时修改程序，以改变工作状况，满足不同控制要求，有较大的灵活性和通用性，有一定的推广应用价值。2 基于变频器的智能恒压供水系统的设计方案2.1 基于变频器的智能恒压供水系统总体方案设计2.1.1 方框图用户压力传感器水泵变频器模拟输入模拟输出PLC给定反馈 图一 整体方框图控制部分方框图压力传感器模拟量输入（EM235） PLC(S7-200)水泵变频器模拟量输出（EM235）图二 控制部分方框图PID控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-Integral-De-rivative)的简称PID控制部分方框图PLC用户电动机给定变频器NPINQID/APIDA/

11、D反馈传感器图三 PID控制部分方框图2.1.2 总体方案简介 基于变频器的智能恒压供水系统利用PLC、传感器、变频器及水泵组成闭环控制系统，实现供水恒压运行。其中变频器的作用是为电机提供可变频率，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PID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，根据用水量的实际变化，自觉调节输出模拟信号数值。改变输入变频器值，即实现其对水泵电机的无级调速。2.2变频恒压供水原理 供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流

12、量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用

13、水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。图四 供水系统的基本特性 在恒压供水系统中，当水量发生变化时，变频器根据管内的压力设定值和变频器反馈的实际压力值之差，经过模拟输入、D/A转换、PID计算、A/D转换、模拟输出等对电动机的转速进行调节，当管内所测压力值比实际压力值大时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率（降低）但不能低于变频器的最低频率（下限）；当管内所测压力值比实际压力值小时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率（升高）

14、但不能高于变频器的最高频率（上限）。从而保证管网压力稳定，实现官网的恒压供水。3 基于变频器的智能恒压供水系统硬件设计3.1 系统的硬件电路构成本设计论文包含的硬件主要有，PLC（可编程控制器）、变频器(MM420)、压力传感器、电动机（水泵）、和PLC模拟量扩展模块EM2353.1.1可编程控制器PLC（S7-200 ）3.1.1.1可编程控制器PLC（S7-200 ）原理可编程控制器（PLC）是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械

15、和生产过程。采用了典型的计算机结构，主要有CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路组成。用PLC实施控制，其实质是按控制功能要求，通过程序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，并应用于工业现场。其主要结构为CPU，构成为：图五 S7-200 CPU构成3.1.1.2可编程控制器PLC（S7-200 ）应用 目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、制药、电力、机械制造等各个领域。PLC被称为专为工业环境下的应用而设计，故其主要的应用方面为:作为开关量控制。 是PLC的基本功能，得力于PLC具有强大的逻辑运算功能，可以实现各种简单和复杂的逻辑运算。模

16、拟量控制 因为PLC只能处理数字量，为处理温度、压力、流量、液位、速度等模拟量，PLC中专门配置了A/D、D/A转换模块（例如EM235），将模拟信号经A/D转换后送PLC处理，将PLC处理后所得数字量经D/A转换成模拟量去控制被控设备（本课题是控制变频器），来完成现场连续控制。闭环过程控制 PLC配置PID控制单元用来实现对控制现场的某些变量（电压、电流、温度、速度等）的闭环PID控制。（用课题是用自编的程序实现PID闭环控制）定时/计数控制 PLC具有定时/计数控制，具有专门的功能指令。（本课题中未用该指令）数据处理 现在PLC不仅具备数字运算（包含四则运算、矩阵运算、函数运算、浮点运算）

17、和数据传送功能，而且还具有数据比较、转换、通信、显示等功能。（本课题中大量用到数据传送可运算功能）3.1.1.3可编程控制器PLC（S7-200 ）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。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

18、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，整个系统就具有乐极高的可靠性。 （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）编程方便，易于使用 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

19、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。功能强，扩展能力强 PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的类似继电器的软元件，可轻松实现大规模的开关逻辑控制，这是一般的继电器系统所不能实现的。PLC可以方便地与各种类型的输入、输出量接口，实现D/A，A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC 具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机、一条生产线，还可以控制一个机群及许多条生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于

20、远程监控。PLC控制系统设计、安装、调试方便 PLC中相当于继电接触器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等编程元件。虽数量巨大，却是用程序代替硬接线，因而安装接线工作量少。设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计并可在实验室进行模拟调试。而继电器系统的调试则是靠在现场改边界线进行的，十分复杂。（6）系统的设计、建造工作量小，维护方便，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。 （7）体积小，重量轻，能耗低 ，易于实现

21、机电一体化 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24V电源 3.1.1.4可编程控制器PLC（S7-200 ）接线方式图六 CPU224接线方式3.1.1.5可编程控制器PLC（S7-200 ）通讯口的引脚分配表一 S7-200 通讯口的引脚分配3.1.2变频器(MM420)变频器（MM420）全称MICROMASTER420系列变频器。主要特征：200V-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-11kW。保护

22、功能：过载能力为150额定负载电流，持续时间60秒。 过电压、欠电压保护。 变频器过温保护。 接地故障保护，短路保护。电动机过热保护。 采用PTC通过数字端接入的电机过热保护。 采用PIN编号实现参数连锁。 闭锁电机保护，防止失速保护。在这我们选择型号为：6SE6420-2AD31-1CA1的MM420变频器。它的功率为11KW。运行频率为：50HZ。最大输出频率为：80HZ。由于变频器的频率不能为负，故最小频率为：0HZ。变频器频率和电机转速的关系： 当供水压力发生变化时，电机转速也会发生变化。压力变大，电机转速变小。压力变小，电机转速变大。而当电机转速发生变化时，变频器频率也会发生相应变化

23、。其关系为：电机转速始终和电源的频率成线性比例。转速=极对数X60秒X频率 其中，每个电机线圈极对数是一定的，时间每分钟60秒也是一定的。所以电机转速和频率成正比。3.1.2.1变频器（MM420）工作原理 MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该变频器由微处理器控制，并采用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为功率输出器件。为交-直-交变频器，即先把频率、电压都固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率、电压都可调的三相交流电源。该系统的基本结构图为频率和电压可调的交流电整流电路交流电源逆变电路直流中间电路 控制电路图七 变频调速系统的基本结构整流电路交-直部

24、分 整流电路通常由二极管或晶闸管构成的桥式电路组成，把频率、电压都固定的交流电整流成直流电直流中间电路部分滤波电路 根据储能元件不同，滤波电路分为电容滤波和电感滤波两种，分别构成电压型变频器和电流型变频器。 逆变电路直-交部分 逆变电路是交-直-交变频器的核心部分， 把直流电逆变成频率、电压都可调的三相交流电源，直接控制电机。3.1.2.2变频器（MM420）参数表表二 变频器常用参数 表三 变频器控制电机参数3.1.2.3变频器（MM420）应用及特点 变频器不仅可以用于标准电动机调速，而且可以用于其他调速电动机，在节能、较少维修、提高产量、保证质量等方面都取得良好经济效益。变频器的应用几乎

25、包含所有工业领域，如钢铁、有色冶金、油田、炼油、石化、化工、制药、造纸等行业。例如在机床上，变频器能使其选择无级的最佳速度运转；在各种搬运机械中，调节多台电动机的转速，变频或者工频运转。MM420变频器特点：易于安装。易于调试。牢固的EMC设计。可由IT(中性点不接地)电源供电。对控制信号的响应是快速和可重复的。参数设置的范围很广,确保它可对广泛的应用对象进行配置。电缆连接简便。采用模块化设计,配置非常灵活。脉宽调制的频率高,因而电动机运行的噪音低。详细的变频器状态信息和信息集成功能。有多种可选件供用户选用:用于与PC通讯的通讯模块,基本操作面板(BOP),高级操作面板(AOP),用于进行现场

26、总线通讯的PROFIBUS通讯模块。3.1.2.4变频器（MM420）与电机连接方式图八 接单相电源时，变频器与电机连接图九 接三相电源时，变频器与电机连接3.1.3 KYB压力变送器3.1.3.1 KYB压力变送器工作原理 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业 压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在即敏感元件的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。两侧压力不一致时，致

27、使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空，内含有 A/D转换器、D/A转换器。A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。 KYB压力变送器变送器由扩

28、散硅压力芯片和信号处理电路组成，当外加压力时，将引起压力芯片的输出电压以生变化，再经信号处理电路将其放大，并转换为与输入压力成线性对应关系的标准电流输出信号。KYB-800KT型压力变送器由压力敏感部件、恒流源供电电路、信号放大处理电路组成。压力敏感部件采用国际高品质扩散硅压阻式压力传感器，其利用两个单晶硅片结合在一起，上面硅片通过微机械加工工艺构成一个惠斯通电桥，该电桥电压输出与作用在硅片上的压力差成比例；恒流源供电电路可产生2mADC的电流，用于激励压力传感器工作。信号放大处理电路用于将惠斯通电桥产生的电压信号线性放大处理后并转换成0-5VDC4-20mADC等多种工业标准化信号。3.1.

29、3.2 KYB压力变送器技术特点 KYB-800KT系列产品采用国际先进生产工艺及电子元部件，在严格的质量保证体系的保障下生产制造，具有精度高、体积小、重量轻、安装方便、工作稳定可靠等优点。主要性能特点稳定性高温度误差小实用性强安装维修方便3.1.3.3 KYB压力变送器接线方式二线制电流输出，端子连接图十 二线制电流输出，端子连接三线制电流输出，端子连接图十一 三线制电流输出，端子连接二线制电压输出，端子连接图十二 二线制电压输出，端子连接3.1.4 PLC模拟量扩展模块（EM235） EM235是常用的模拟量扩展模块，他实现了4路模拟量输入和一路模拟量输出功能。3.1.4.1 PLC模拟量

30、扩展模块（EM235）的接线方式图十三 PLC模拟量扩展模块（EM235）的接线方式 对于电压信号，按正负直接接入和；对于电流信号将R和+短接后接入电流输入信号的“+”端；未连接传感器的通道要将和短接。3.1.4.2 PLC模拟量扩展模块（EM235）的技术参数常用技术参数：表四 PLC模拟量扩展模块（EM235）常用技术参数表五 EM235扩展模块开关设置表四说明如何用DPI开关设置EM235扩展模块，开关1到6可选择输入模拟量的单/双极性、增益和衰减。由该表得，DIP开关SW6决定模拟量输入的单双极性，当SW6为ON时，模拟量输入为单极性输入，SW6为OFF时，模拟量输入为双极性输入。SW

31、4和SW5决定输入模拟量的增益选择，而SW1,SW2,SW3共同决定了模拟量的衰减选择。根据表四可得所有的输入设备 如表六表六 EM235扩展模块所有的输入设备 3.1.4.3 PLC模拟量扩展模块（EM235）输入数据字格式图十四 12为数据值在CPU的模拟量输入字中的位置图十五 12为数据值在CPU的模拟量输出字中的位置 3.1.5 PID闭环控制模块PID控制器是比例-积分-微分控制(Proportional-Integral-De-rivative)的简称。其优点是不需要精确的控制系统数学模型，有较强的灵活性和适应性，而且PID控制器的结构典型、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方

32、便。3.1.5.1 PID闭环控制系统原理本系统的PID闭环控制系统原理图如下图。图十六 PID闭环控制系统原理图 其中是给定值是反馈量，由压力变送器测得。为输出。PID控制器的输入输出关系为式中e(t)=sp(t)-pv(t)称为偏差值，M(t)为PID控制器的输出，为比例系数，回路增益Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD。CPU只处理数字信号，故必须经过转换，采样时间T第N次采样得到的偏差e(n),控制器输出M（n），则微分用差分代替，积分用求和代替。则数字化的PID计算为可写成 3.1.5.2 PLC实现PID控制的方式 用PLC对模拟量进行PID控制大致有如下几种方法： (1

33、) 使用PID过程控制模块：这种模块的PID控制程序是PLC厂家设计的，并放在模块中，用户使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便。 (2) 使用PID功能指令：它是用于PID控制的子程序，与模拟量输入输出模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制的效果，但价格便宜得多。如S7-200的PID指令 (3) 用自编的程序实现PID闭环控制：在没有PID过程控制模块和功能指令的情况下，仍希望采用某种改进的PID控制算法，此时用户需要自己编制PID控制程序。 本设计中采用PLC的CPU为S7-200，S7-200中具有PID指令。故该设计中利用PID指令实现PID闭环控制。 3.1.5.3 输

34、入输出变量的转换 PID控制有输入量2个：给定值sp和过程变量pv。给定值通常是固定值，过程变量通常是经过AD转换和计算后得到的被控量的实测值。给定值和过程变量都是和被控对象有关的值，对于不同的系统，它们的大小、范围与工程单位有很大的不同。应用PLC的PID指令对这些量进行运算之前，必须将其转换成标准化的浮点数(实数)。同样，对于PID指令的输出，在将其送给DA转换器之前，也需要进行转换。 3.1.5.4 PID指令及其回路表 S7-200的PID指令如下图所示。图十七 PID 指令表 指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CP

35、U将生成编译错误(范围错误)，引起编译失败。PID指令对回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值等不超限。 回路表如下表所示：表七 PID回路表 偏移地址变量格式类型描述0过程变量双字节数输入应在.0.01.0之间4给定值双字节数输入应在.0.01.0之间8输出值双字节数输入/输出应在.0.01.0之间12增益双字节数输入比例常数，可正可负16采样时间双字节数输入单位s，必须为正20积分时间双字节数输入单位min，必须为正24微分时间双字节数输入单位min，必须为正28 上一次的积分值双字节数输入/输出应在.0.01.0之间32上一次过程变量双字节数输入/输出最后一次运算过程

36、变量值 过程变量与给定值是PID运算的输入值，在回路表中他们只能被PID指令读取而不能改写。每次完成PID运算后，都要更新回路表内的输入值Mn，它被限制在0.01.0之间如果PID指令中的算术运算发生错误，特殊存储器位SM 1.1(溢出或非法数值)被置为1，并将中止PID指令的执行，想要消除这种错误，在下一次执行PID运算之前，应改变引起运算错误的输入值，而不是更新输出值。3.2 PLC控制系统设计的基本原则 （1）最大限度地满足被控对象的控制要求，充分发挥PLC的功能。最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要

37、深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料，同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 （2）保证PLC控制系统安全可靠。保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。 （3）力求简单、经济、使用及维修方便。一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注

38、意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 （4）适应发展的需要。由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。3.3 PLC型号选择和系统硬件配置3.3.1变频调速工作过程及控制要求 在恒压供水系统中，在出水的管中设有一个YBT压力传送器，检测水压的大小，并将其转化成模拟信号（电流信号）。通过PL

39、C设定一个恒定压力值、变频器上限（最高频率）和下限（最低频率）。利用PID计算形成一个闭环控制系统。当水量发生变化时，变频器根据管内的压力设定值和变频器反馈的实际压力值之差，经过模拟输入、D/A转换、PID计算、A/D转换、模拟输出等对电动机的转速进行调节，当管内所测压力值比实际压力值大时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率（降低）但不能低于变频器的最低频率（下限）；当管内所测压力值比实际压力值小时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率（升高）但不能高于变频器的最高频率（上限）。从而保证管网压力稳定，实现管网的恒压供水。见方框图3.3.2 系统I/O确定

40、YBT压力传送器检测到的管内水压需转换为模拟信号输送到PLC,同时经过PID计算，A/D转换后得到模拟量输出PLC，所以系统需要一个模拟输入输出模块。该模块只需要一个模拟输入模块一个模拟输出模块，故选用模拟输入输出模块（EM235）。根据该工作过程及控制要求可知，系统中只需要自动启动、自动停止、手动启动、手动停止按键四个数字量输入点，一个接受压力传感器数值的模拟输入信号。控制电动机的是PLC提供给变频器的模拟信号与确定电动机启动或停止的一个数字量输出点。 3.3.3 PLC型号选择 S7-200CPU22*系列PLC共有5种CPU模块。分别是CPU221、CPU222、CPU224、CPU22

41、6及CPU226XM。其中CPU221无扩展功能，CPU222最多能带两个模块的扩展模块，不满足本系统要求。CPU224是具有较强控制功能的控制器，其I/O点数为14输入和10输出，最多7个扩展模块，能满足系统要求。故选用S7-200CPU224型号。3.3.4 系统输入输出点分配 输入 输出I0.0自动启动Q0.0电动机启动I0.1自动停止AQW0模拟量输出I0.2手动启动I0.3手动停止AIW0模拟量输入表八 系统输入输出点分配3.4 外部硬件电路设计3.4.1 主电路图 图十八 主电路图3.4.2 控制电路图图十九 控制电路图 3.4.3 PLC外围接线图图二十 PLC外围接线图4 基于

42、变频器的智能恒压供水系统软件设计 根据系统控制要求，系统有两种工作方式：手动和自动。手动工作方式主要完成电动机的启动和停止，以及出现不正常工作情况时通过手动操作是系统回到初始状态。自动工作方式是自动完成各个流程。本系统自动程序设计采用顺序控制，用梯形图编辑。 KYB压力变送器测定值 B4.1 系统流程图图4.1 系统流程图 4.2 软件设计4.2.1 电机启动模块设计电机启动分为自动启动手动启动和自动停止手动停止。PLC输入端只有四个数字量输入，一个模拟量输入。一个模拟量输出一个数字量输出。其数字量输入输出部分 4.2.2 PID控制模块软件设计 4.2.2.1 回路输入的转换(AD) 首先，

43、将给定值或AD转换后得到的整数值由16位整数转换为浮点数，可以用下面的程序实现这种转换：XORD AC0,AC0 /清除累加器MOVW AIW0,AC0 /将待转换的模拟量存入累加器LDW=AC0,0 /如果模拟量为正DTR AC0,AC0 /直接转换成实数NOP /否则ORD 16#FFFF0000,AC0 /将AC0内数值进行符号位扩展成32位负数LBL 0DTR AC0,AC0 /将32位整数转换成实数然后，将实数进一步转换成0.01.0之间的标准数，可用式下式对给定值及过程变量进行标准化：式中：RNorm为标准化实数值；RRaw为标准化前的值；offset为偏移量，对单极性变量为0.0，对双极性变量为0.5；Span为取值范围，等于变量的最大值减去最小值，单极性变量的典型值为32 000，双极性变量的典型值为64 000。下面的程序将上述转换后得到的AC0中的双极性数(其中span=64 000)转换为0.01.0之间的实数的转换程序为： /R 64000.0,AC0/将累加器中的实数标准化 +R 0.5,AC0、加上偏移量，使其在0.0-1.0之间 MOVR AC0,VD100/将标准化的值存入回路表中 4.2.2.2 回路输出的转换(DA) 回路输出即PID控制器的输出，它是标准化的0.01.0之间的实数。将回路输出送给DA转换器之前，必须转换成16位二进制