基于plc恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

目錄1 緒論11.1 背景和意義11.2主要內(nèi)容2第二章 PLC簡介42.1 PLC的定義42.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域42.3 PLC的編程語言5第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計63.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型63.2 基礎(chǔ)組成12第四章 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計143.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計153.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖164 系統(tǒng)的軟件設(shè)計204.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析204.1.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計204.2.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計244.3 PID控制器參數(shù)整定284.3.1 PID控制及其控制算法28結(jié)束語31程序請咨詢3165787171本設(shè)計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，恒壓供水，PLC，,電機1 緒論1.1 背景和意義水和電是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能源短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度較低，而隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗2。基于PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。1.2主要內(nèi)容本設(shè)計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。根據(jù)以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計。硬件設(shè)備選型、PLC選型，估算所需I/O點數(shù)，進行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O連接圖，分配I/O點數(shù)，列出I/O分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計梯形圖控制程序，對程序進行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。第二章 PLC簡介2.1 PLC的定義 PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。2.2 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類：（1）開關(guān)量的邏輯控制這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。（3）運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。（4）過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。（5）數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。（6）通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.3 PLC的編程語言編程語言是PLC的重要組成部分，PLC為用戶提供了完整的編程語言，以適應(yīng)用戶編程的需要。利用編程語言，按照不同的控制要求編寫不同的控制程序，這相當于設(shè)計和改變幾點起的硬件接線線路，這就是所謂的4“可編程序”。程序由編程器送到PLC內(nèi)部的存儲器中，它也能方便地讀出、檢查與修改。PLC共有5種標準編程語言，其中有三種圖形語言，即梯形圖、功能塊圖，和順序功能圖，兩種文本語言，即結(jié)構(gòu)化文本和指令表。其中梯形圖是最早使用的一種PLC語言，也是現(xiàn)在最常用的編程語言。它是從繼電氣控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的，它繼承了繼電氣控制系統(tǒng)中的基本工作原理和電器邏輯關(guān)系的表達方法，梯形圖預計電氣控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號和表達方式上有一定區(qū)別，所以在邏輯控制系統(tǒng)中得到了廣泛的使用。它的最大特點就是直觀、清晰。25山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設(shè)計第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3.1所示：圖3.1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分：(1) PLC及其擴展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。主要設(shè)備選型如表3.1所示：三菱PLCFX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。 型號 點數(shù)選擇 報價FX2N-80MR-D輸入點：40，40點繼電器輸出(直流供電)7030FX2N-64MR-D輸入點：32，32點繼電器輸出(直流供電)6280FX2N-48MR-D輸入點：24，24點繼電器輸出(直流供電)5490FX2N-32MR-D輸入點：16，16點繼電器輸出(直流供電)5180FX2N-80MT-D輸入點：40，40點晶體管輸出(直流供電)7180FX2N-64MT-D輸入點：32，32點晶體管輸出(直流供電)6410FX2N-48MT-D輸入點：24，24點晶體管輸出(直流供電)5600FX2N-32MT-D輸入點：16，16點晶體管輸出(直流供電)5290三菱plcFX2n系列是FX系列PLC家族中最先進的系列。由于FX2n系列具備如下特點：最大范圍的包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為你的工廠自動化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。 為大量實際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能 開發(fā)了各個范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要-模擬I/O，高速計數(shù)器。定位控制達到16軸，脈沖串輸出或為J和K型熱電偶或Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。對每一個FX2n主單元可配置總計達8個特殊功能模塊。 連接到世界上最流行的開放式網(wǎng)絡(luò) CC-Link，Profibus Dp和DeviceNet或者采用傳感器層次的網(wǎng)絡(luò)解決您的通信需要。 其它功能 內(nèi)置式24V直流電源 24V、400mA直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件。 快速斷開端子塊 因為采用了優(yōu)良的可維護性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。 時鐘功能和小時表功能 在所有的FX2NPLC中都有實時時鐘標準。時間設(shè)置和比較指令易于操作。小時表功能對過程跟蹤和機器維護提供了有價值的信息。 持續(xù)掃描功能 為應(yīng)用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。 輸入濾波器調(diào)節(jié)功能 可以用輸入濾波器平整輸入信號（在基本單元中x000到x017）。 注解記錄功能 元件注解可以記錄在程序寄存器中。 在線程序編輯 在線改變程序不會損失工作時間或停止生產(chǎn)運轉(zhuǎn)。 RUN/STOP 開關(guān) 面板上運行/停止開關(guān)易于操作。 遠程維護 遠處的編程軟件可以通過調(diào)制解調(diào)器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數(shù)據(jù) 密碼保護 使用一個八位數(shù)字密碼保護您的程序。 交流電源、24V直流輸入類型 模型 I/O總數(shù) 輸入 輸出 尺寸mm(英寸)(寬)*(厚)*(高) 數(shù)目 類型 數(shù)目 類型 FX2N-16MR-001168漏型 8繼電器 130*87*90() FX2N-16MT晶體管 FX2N-32MR-0013216漏型 16繼電器 150*87*90(5.9*3.4*3.5) FX2N-32MT晶體管 FX2N-48MR-0014824漏型 24繼電器 182*87*90(7.2*3.4*3.5)FX2N-48MT晶體管 FX2N-64MR-0016432漏型 32繼電器 220*87*90(8.7*3.0*3.5)FX2N-64MT晶體管 FX2N-80MR-0018040漏型 40繼電器 285*87*90(11.2*3.4*3.5) FX2N-80MT晶體管 FX2N-128MR-00112864漏型 64繼電器 350*87*90(13.8*3.4*3.5) FX2N-128MT晶體管 FX2N性能規(guī)格 項目 規(guī)格 備注 運轉(zhuǎn)控制方式 通過儲存的程序周期運轉(zhuǎn) I/O控制方法 批次處理方法(當執(zhí)行END指令時)I/O指令可以刷新 運轉(zhuǎn)處理時間 基本指令：0.8s/指令應(yīng)用指令：1.52至幾百s/指令 編程語言 邏輯梯形圖和指令清單 使用步進梯形圖能生成SFC類型程序 程式容量 8000步內(nèi)置 使用附加寄存盒可擴展到16000步 指令數(shù)目 基本順序指令：27步進梯形指令：2應(yīng)用指令：128最大可用298條應(yīng)用指令 I/O配置 最大硬體I/O配置點256，依賴于用戶的選擇（最大軟件可設(shè)定地址輸入256、輸出256） 輔助繼電器（M線圈） 一般 500點 M0至M499鎖定 2572點 M500至M3071特殊 256點 M8000至M8255狀態(tài)繼電器（S線圈） 一般 490點 S0至S499鎖定 400點 S500至S899初始 10點 S0至S9信號報警器 100點 S900至S999定時器（T） 100毫秒 范圍：0至3276.7秒200點 T0至T19910毫秒 范圍：0至327.67秒46點 T200至T2451毫秒保持型 范圍：0至32.767秒4點 T246至T249100毫秒 范圍：0至3276.7秒6點 T250至T255計數(shù)器（C） 一般16位 范圍：0至32767數(shù)200點 C0至C199類型：16位上計數(shù)器 鎖定16位 100點（子系統(tǒng)） C100至C199類型：16位上計數(shù)器 一般32位 15點 C200至C219類型：16位上/下計數(shù)器 鎖定32位 15點 C220至C234類型：16位上/下計數(shù)器 高速計數(shù)器（C） 單相 范圍：-2147483648至+2147483647數(shù)一般規(guī)則：選擇組合計數(shù)頻率不大于20KHz的計數(shù)器組合注意所有的計數(shù)器鎖定 C235至C240 6點 單相c/w起始停止輸入 C241至C245 5點 雙相 C246至C250 5點 A/B相 C251至C255 5點 數(shù)據(jù)寄存器（D） 一般 200點 D0至D199類型：32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲寄存器對 鎖定 7800點 D200至D7999類型：32位元件的16位數(shù)據(jù)存儲寄存器對 文件寄存器 7000點 D1000至D7999通過14塊500程式步的參數(shù)設(shè)置類型：16位數(shù)據(jù)存儲寄存器 特殊 256點 從D8000至D8255類型：16位數(shù)據(jù)存儲寄存器 變址 16點 V0至V7以及Z0至Z7類型：16位數(shù)據(jù)存儲寄存器 指標（P） 用于CALL128點 P0至P127用于中斷 6輸入點、3定時器、6計數(shù)器 100*至150*和16*至18*(上升觸發(fā)*=1，下降觸發(fā)*=0，*=時間(單位：毫秒)嵌套層次 用于MC和MRC時8點 N0至N7常數(shù) 十進位K16位：-32768至+3276832位：-2147483648至+2147483647 十六進位H16位：0000至FFFF32位：00000000至FFFFFFFF浮點 32位：1.175*10-38，3.403*10-38（不能直接輸入） 3.2 基礎(chǔ)組成系列FX2N-32MR基礎(chǔ)部分包括：1、基板 基板是 PLC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因為所有的別的配置模板都要安裝在機架基板上。作為一個基本的小單元，每個系統(tǒng)都至少有一個基板，它通常包含CPU（在某些場合，也被稱作“CPU底板”）。多數(shù)系統(tǒng)都要求有更多的配置模板安裝在同一個基板上，同時有些也需要本地擴展和遠程基板同主機架連接在一起，所以基板大致可分為三種不同類型的：CPU 基板，擴展基板和遠程基板，這些基板按照可見尺寸分為5 槽和10 槽的，命名原則即是基板上可安裝的模板數(shù)量。(1) 電源模板 每一個機架，無論是CPU 基板，擴展機架基板或是遠程機架基板，也無論是5 槽還是10槽大小的基板，都必須要有自己的供電電源模塊。供電電源模塊總是安裝在機架基板的最左端的槽中，各種不同型號的電源模板可適應(yīng)于各種不同的需求。(2) CPU CPU 是PLC 的管理者，每個PLC 系統(tǒng)都需要有CPU. ，一個 CPU 使用它的固件和應(yīng)用程序直接對PLC 進行操作并且進行系統(tǒng)監(jiān)控以確認系統(tǒng)中沒有故障。一些系列90-30 CPU 集成在基板上，但大多數(shù)都是通過插槽同底板連接的。在某些情況下，CPU 裝于個人電腦中使用個人電腦接口連接卡同90-30 系列的輸入，輸出和可選模板進行連接。4、I/O模塊 這類模板是使PLC 同現(xiàn)場設(shè)備的輸入和輸出相接口，例如開關(guān)，傳感器，繼電器和電磁閥?？晒┦褂玫陌ㄩ_關(guān)量和模擬量類型模板。5、 電纜 這些電纜是使PLC 各相關(guān)組成部分連接在一起或PLC 同別的系統(tǒng)的連接。許多標準需求用到的電纜均可以從FX2N-32MR 產(chǎn)品列表中選出，它們主要用于： (1)基板間的相互連接 (2)編程人員連接到CPU 或別的可選模塊(3)可選模板同現(xiàn)場設(shè)備或別的控制系統(tǒng)的連接.第四章 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖4.2所示：三臺電機分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；km1、km 2、km 3、km 4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。圖3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應(yīng)的熱繼電器FR實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點，當電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。為監(jiān)控電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將420mA電流信號送至上位機來顯示。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運行時，必須觀察電動機的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開)，而必須通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動器。3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。本系統(tǒng)采用三菱FX2N-64MR，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強，性能優(yōu)越。PLC主要是用于實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。如圖3.3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復位是只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻控制。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.1Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點，他們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中圖3.4一起讀圖。3.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下：(1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。(2) 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。(3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。(4) 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。(5) 系統(tǒng)要有完善的報警功能。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表3.2所示。表3.2 輸入輸出點代碼及地址編號名 稱代 碼地址編號輸入信號供水模式信號(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號SLHLI0.1變頻器報警信號SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號水池水位上下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1.2白天模式運行指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號UfAQW0結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖3.3和PLC的I/O端口分配表3.2，畫出PLC及擴展模塊外圍接線圖，如圖3.4所示：圖3.4 PLC及擴展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括4個數(shù)字量和1個模擬量。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入PLC的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān)SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入I0.0；液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；開關(guān)SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個數(shù)字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。Q0.0Q0.5分別輸出三臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q1.1輸出水位超限報警信號；Q1.2輸出變頻器故障報警信號；Q1.3輸出白天模式運行信號；Q1.4輸出報警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器復位控制信號；AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。圖3.4 只是簡單的表明PLC及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素：(1) 直流電源的容量；(2) 電源方面的抗干擾措施；(3) 輸出方面的保護措施；(4) 系統(tǒng)的保護措施等。山東科技大學學士學位論文 結(jié)束語第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下：(1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。判斷需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出頻率達到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。(2) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn)由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%。4.1.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。(3) 系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。(4) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序當PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動脈沖信號。(3) 水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵時復位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。當只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運行。(4) 各水泵變頻運行控制邏輯程序各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進行說明。當?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復位1#水泵變頻運行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時，Q0.1置1，KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。(5) 各水泵工頻運行控制邏輯程序水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進行說明。產(chǎn)生當前泵工頻運行啟動脈沖后，若當前2#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當前3#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，則Q0.0置1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1#水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。(6) 報警及故障處理程序本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及報警電鈴。當故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。詳細的主程序梯形圖請參考附錄C。主程序流程圖如圖4.1所示。由于在圖4.1中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細介紹，因此圖4.2和圖4.3對其作了完整的補充。其中圖4.2是以2#泵為例的變頻運行控制流程圖，圖4.3是以2#泵為例的工頻運行控制流程圖。1#、3#泵的運行控制情況與2#泵相似，在此就不再重復。圖4.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖4.2.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運行的上下限頻率，在第二章水泵切換分析中已說明水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。假設(shè)所選變頻器的輸出頻率范圍為0100HZ，則上下限給定值分別為16000和6400。在初始化PID控制的各參數(shù)（Kc、Ts、Ti、Td），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細介紹。最后再設(shè)置定時中斷和中斷連接。具體程序梯形圖如圖4.4所示。 圖4.4 初始化子程序SBR_0梯形圖(2) PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數(shù)據(jù)進行標準化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過PID運算后，再將標準值轉(zhuǎn)化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號。具體程序梯形圖如圖4.5所示。4.3 PID控制器參數(shù)整定4.3.1 PID控制及其控制算法在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了含PID調(diào)節(jié)的PLC來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制