基于變頻器智能恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)項(xiàng)目畢業(yè)項(xiàng)目畢業(yè)項(xiàng)目 項(xiàng)目類別：項(xiàng)目類別： 畢業(yè)論文 項(xiàng)目名稱：項(xiàng)目名稱：基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院院 系系 ： 機(jī)電工程系 專專 業(yè)業(yè) ： 機(jī)電一體化技術(shù) 姓姓 名名 ： 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) ： 班班 級(jí)級(jí) ： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 摘摘 要要 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)以西門子 s7-200 系列 plc 作為控制器，采用其擴(kuò)展 模擬輸入輸出模塊 em235，利用其內(nèi)部的 pid 控制指令，配合 mm420 型號(hào)的變頻器和電機(jī)， 同時(shí)用 kby 壓力變送器來(lái)檢測(cè)管網(wǎng)壓力。構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速驅(qū)動(dòng)技術(shù)，變頻器的作用是 為電機(jī)提供可變頻率

2、的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。壓力變 送器的作用是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。智能 pid 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的 pid 調(diào)節(jié)。plc 控制單元?jiǎng)t 是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)還是變頻器的驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，自動(dòng)調(diào) 整輸出模擬量，進(jìn)而控制變頻器。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過(guò)測(cè)到的管網(wǎng)壓力，經(jīng) plc 內(nèi)置 pid 調(diào)節(jié)器運(yùn)算后,通過(guò) em235 模擬輸出端傳送到變頻器，調(diào)節(jié)輸出頻率，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng) 的恒壓供水。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：恒壓供水、可編程控制器、無(wú)級(jí)調(diào)速、pid 控制、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、 目目 錄錄 1 引言 .1 1.1 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程 .1 1.2 基于變頻

3、器的智能恒壓供水系統(tǒng)研究的目的和意義 .2 1.3 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用 .2 2 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 .4 2.1 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) .4 2.2 變頻恒壓供水原理.5 3 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .7 3.1 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成 .7 3.2 plc 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則.23 3.3 plc 型號(hào)選擇和系統(tǒng)硬件配置.23 3.4 外部硬件電路設(shè)計(jì) .24 4 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .27 4.1 系統(tǒng)流程圖 . 27 4.2 軟件設(shè)計(jì) .28 結(jié) 束 語(yǔ) .33 致 謝 .34 參考文獻(xiàn) .35 1

4、 1 引言引言 變頻恒壓供水系統(tǒng)成為現(xiàn)在建筑中普遍采用的一種水處理系統(tǒng)。隨著社會(huì)和變頻調(diào) 速技術(shù)發(fā)展和人們節(jié)水節(jié)能意識(shí)的不斷增強(qiáng)，變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能特性使得其越來(lái) 越廣泛用于工廠、住宅、高層建筑的生活及消防供水系統(tǒng)。恒壓供水是指用戶端在任何 時(shí)候，不管用水量的大小，總能保持網(wǎng)管中水壓的基本恒定。同時(shí)要保證供水的可靠性 和安全性?；谧冾l器的智能恒壓供水系統(tǒng)利用 plc、傳感器、變頻器及水泵組成閉環(huán)控 制系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水塔供水控制系統(tǒng)，既保證了供水質(zhì)量又豐富了系統(tǒng)的控制功能， 提高系統(tǒng)可靠性，達(dá)到節(jié)水節(jié)能的效果。 1.11.1 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程基于變頻器的智能恒壓供水

5、系統(tǒng)的發(fā)展歷程 恒壓供水系統(tǒng)是指通過(guò)閉環(huán)控制，使供水的壓力保持恒定。早期的恒壓供水系統(tǒng)是通 過(guò)閥門的凱斷來(lái)控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化越來(lái)越占據(jù)主要地位。出現(xiàn)了基于 plc 的變頻恒壓供水系統(tǒng)，即基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中為了滿足供水量 大小需求不同時(shí)，保證管內(nèi)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(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn) 的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、變壓變 頻比控制及各種保護(hù)功能。因此，當(dāng)變頻器應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中時(shí)僅作為執(zhí)行機(jī) 構(gòu)。從查閱的資料

6、的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一 臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成 本高。近年來(lái)，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化 程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)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 國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程時(shí)，大多采用國(guó)外品牌的變頻器控制水泵 的轉(zhuǎn)速，水管的管內(nèi)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (plc)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn);有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但隨著社會(huì)發(fā)展 和進(jìn)步，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了所有

7、用戶的要求，逐步實(shí)現(xiàn)了基于 plc 和變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)的生 活恒壓供水控制系統(tǒng)即基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)。 目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中可以看出，隨著社會(huì)的發(fā)展， 對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁 兼容性(emc)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進(jìn)一 步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。 1.21.2 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)研究的目的和意義基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)研究的目的和意義 近年來(lái)我國(guó)中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從 1990 年到

8、 1998 年，我國(guó)人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水）有 175.7 升增加到 241.1 升，增長(zhǎng)了 37.2%，與此同時(shí)我國(guó)城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而在；現(xiàn)階 段我國(guó)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)比較落后，自動(dòng)化程 度較低。這種情況容易造成用水高峰期時(shí)水位達(dá)不到要求，供水壓力不足；用水低峰期 時(shí)供水水位超標(biāo)，壓力過(guò)高，不僅十分浪費(fèi)能源而且存在事故隱患（例如壓力過(guò)高容易 造成爆管事故） 。 變頻器恒壓供水系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，可以根據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié) 系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求。變頻器恒壓供水系

9、統(tǒng)被看做是今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水 方式相比，不論是設(shè)備投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等 方面都具有很大優(yōu)勢(shì)。 基于 plc 和變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)的智能恒壓供水控制系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果 顯著、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。因?qū)崿F(xiàn)了恒壓自動(dòng)控制。對(duì)整個(gè)供水過(guò)程來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展 性好，管理人員可根據(jù)每個(gè)季節(jié)的用水情況，選擇不同的壓力設(shè)定范圍，不但節(jié)約了用 水，而且節(jié)約了電能，達(dá)到了更優(yōu)的節(jié)能方式，實(shí)現(xiàn)供水的最優(yōu)化控制和穩(wěn)定性控制， 具有廣泛的應(yīng)用前景。 1.31.3 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用 基

10、于 plc 和變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)的智能恒壓供水控制系統(tǒng)，是在原有系統(tǒng)的技術(shù)改造下， 提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平。使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，解決實(shí)際中問(wèn)題，保證供水 安全、快捷、可靠。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于 （1） 生產(chǎn)、生活用水，亦可用于熱水供應(yīng)，恒壓噴淋等系統(tǒng) （2） 工業(yè)企業(yè)、生活、生產(chǎn)供水系統(tǒng)及企業(yè)自備并改造工程，自來(lái)水廠、生活小區(qū)及 消防供水系統(tǒng)。 （3） 各種場(chǎng)合的恒壓、變壓、冷卻水和循環(huán)供水系統(tǒng) （4） 污水泵站、污水處理及污水提升系統(tǒng)。 （5） 農(nóng)業(yè)排灌、園林噴淋、水景和音樂(lè)噴泉系統(tǒng) （6） 賓館、大型公共建筑供水及消防系統(tǒng)。 另外，系統(tǒng)采用 plc 控制，容易隨時(shí)修改程序，以改變工作狀況，

11、滿足不同控制要求， 有較大的靈活性和通用性，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。 2 2 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 2.12.1 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)總體方案基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 2.1.1 方框圖 圖一圖一 整體方框圖整體方框圖 控制部分方框圖 圖二圖二 控制部分方框圖控制部分方框圖 pid 控制器是比例-積分-微分控制(proportional-integral-de-rivative)的簡(jiǎn)稱 pid 控制部分方框圖 模擬量輸入模擬量輸入 （em235） 模擬量輸出模擬量輸出 （em235） 壓力傳感壓力傳感 器器 pl

12、cplc (s7-200)(s7-200) 水泵水泵變頻器變頻器 plc 反饋 給定 模 擬 輸 出 模 擬 輸 入 變頻器變頻器水泵水泵 壓力傳感壓力傳感 器器 用戶 圖三圖三 pidpid 控制部分方框圖控制部分方框圖 2.1.2 總體方案簡(jiǎn)介 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)利用 plc、傳感器、變頻器及水泵組成閉環(huán)控制系 統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水恒壓運(yùn)行。其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào) 速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時(shí)變頻器還可作為電機(jī)軟啟動(dòng)裝置，限制電機(jī)的啟動(dòng) 電流。壓力變送器的作用是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。智能 pid 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的 pid 調(diào)節(jié)。p lc 控制單元?jiǎng)t是泵組管

13、理的執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)還是變頻器的驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)用水量的實(shí)際 變化，自覺(jué)調(diào)節(jié)輸出模擬信號(hào)數(shù)值。改變輸入變頻器值，即實(shí)現(xiàn)其對(duì)水泵電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào) 速。 2.22.2 變頻恒壓供水變頻恒壓供水原理原理 供水系統(tǒng)的基本特性是水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 h 與流量 q 之間的關(guān)系曲線 f (q)，前提 是供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變。揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 h 與用水流量 q 之間的關(guān) 系。由圖 1 的揚(yáng)程特性表明，流量 q 越大，揚(yáng)程 h 越小。在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變 的情況下，流量 q 的大小主要取決于用戶的用水情況。 管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，閥門在某一開度下，揚(yáng)程 h 與流量 q 之間的關(guān)系 h

14、 =f (q)。管阻特性反映了水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的能量用來(lái)克服水泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管 道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖 1 可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程 h 越大，流量 q 也越 大，流量 q 的大小反映了系統(tǒng)的供水能力。 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的平衡工作點(diǎn)，如圖 1 中 a 點(diǎn)。在 這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量達(dá)到平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程 特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)用水流量和供水流量達(dá)到平衡時(shí)，揚(yáng)程 ha 穩(wěn)定，供水系統(tǒng)的壓力也保持恒定。 a/d變頻器變頻器 npinq i d/a pid 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 傳感器傳感器 plc 反饋 給定

15、用戶 圖四圖四 供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(tǒng)的基本特性 在恒壓供水系統(tǒng)中，當(dāng)水量發(fā)生變化時(shí)，變頻器根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反饋 的實(shí)際壓力值之差，經(jīng)過(guò)模擬輸入、d/a 轉(zhuǎn)換、pid 計(jì)算、a/d 轉(zhuǎn)換、模擬輸出等對(duì)電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)管內(nèi)所測(cè)壓力值比實(shí)際壓力值大時(shí)，需要自動(dòng)控制 plc 的模擬輸 出模塊，控制變頻器的輸出頻率（降低）但不能低于變頻器的最低頻率（下限） ；當(dāng)管內(nèi) 所測(cè)壓力值比實(shí)際壓力值小時(shí)，需要自動(dòng)控制 plc 的模擬輸出模塊，控制變頻器的輸出 頻率（升高）但不能高于變頻器的最高頻率（上限） 。從而保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)官網(wǎng) 的恒壓供水。 3 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)

16、硬件設(shè)計(jì)基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.13.1 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成 本設(shè)計(jì)論文包含的硬件主要有，plc（可編程控制器） 、變頻器(mm420)、壓力傳感器、 電動(dòng)機(jī)（水泵） 、和 plc 模擬量擴(kuò)展模塊 em235 3.1.1 可編程控制器 plc（s7-200 ） 3.1.1.1 可編程控制器 plc（s7-200 ）原理 可編程控制器（plc）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采 用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、和算術(shù)運(yùn) 算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程。 采

17、用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要有 cpu、電源、存儲(chǔ)器和專門設(shè)計(jì)的輸入/輸出接口電路 組成。用 plc 實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按控制功能要求，通過(guò)程序按一定算法進(jìn)行輸入、輸 出變換，并將這個(gè)變換給以物理實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。其主要結(jié)構(gòu)為 cpu，構(gòu)成為： 圖五圖五 s7-200s7-200 cpucpu 構(gòu)成構(gòu)成 3.1.1.2 可編程控制器 plc（s7-200 ）應(yīng)用 目前 plc 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、制藥、電力、機(jī) 械制造等各個(gè)領(lǐng)域。plc 被稱為專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，故其主要的應(yīng)用方面為: 作為開關(guān)量控制。 是 plc 的基本功能，得力于 plc 具有強(qiáng)大

18、的邏輯運(yùn)算功能，可以實(shí)現(xiàn)各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜 的邏輯運(yùn)算。 模擬量控制 因?yàn)?plc 只能處理數(shù)字量，為處理溫度、壓力、流量、液位、速度等模擬量，plc 中 專門配置了 a/d、d/a 轉(zhuǎn)換模塊（例如 em235） ，將模擬信號(hào)經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換后送 plc 處理，將 plc 處理后所得數(shù)字量經(jīng) d/a 轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備（本課題是控制變頻器） ，來(lái) 完成現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)控制。 閉環(huán)過(guò)程控制 plc 配置 pid 控制單元用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)的某些變量（電壓、電流、溫度、速度等） 的閉環(huán) pid 控制。 （用課題是用自編的程序?qū)崿F(xiàn) pid 閉環(huán)控制） 定時(shí)/計(jì)數(shù)控制 plc 具有定時(shí)/計(jì)數(shù)控制，具有專門

19、的功能指令。 （本課題中未用該指令） 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)在 plc 不僅具備數(shù)字運(yùn)算（包含四則運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算）和數(shù) 據(jù)傳送功能，而且還具有數(shù)據(jù)比較、轉(zhuǎn)換、通信、顯示等功能。 （本課題中大量用到數(shù)據(jù) 傳送可運(yùn)算功能） 3.1.1.3 可編程控制器 plc（s7-200 ）特點(diǎn) （1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。plc 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格 的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從 plc 的機(jī) 外電路來(lái)說(shuō)，使用 plc 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及 開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千

20、分之一，故障也就大大降低。此外，plc 帶有硬件故障自 我檢測(cè)功能，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍 器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 plc 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。這 樣，整個(gè)系統(tǒng)就具有樂(lè)極高的可靠性。 （2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) plc 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規(guī) 模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 plc 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力， 可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來(lái) plc 的功能單元大量涌現(xiàn)，使 plc 滲透到了位置控制、 溫度控制、cnc 等各種工業(yè)控制中，加上 plc 通信能

21、力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使 用 plc 組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 （3）編程方便，易于使用 plc 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語(yǔ) 言易于為工程技術(shù)人員接受，梯形圖語(yǔ)言的圖形符號(hào)與表達(dá)方式和繼電器電路圖相當(dāng)接 近，只用 plc 的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實(shí)現(xiàn)繼電器電路的功能，為不熟 悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語(yǔ)言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。 功能強(qiáng)，擴(kuò)展能力強(qiáng) plc 中含有數(shù)量巨大的用于開關(guān)量處理的類似繼電器的軟元件，可輕松實(shí)現(xiàn)大規(guī)模 的開關(guān)邏輯控制，這是一般的繼電器系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的。plc 可以方便地與各種類型

22、的輸 入、輸出量接口，實(shí)現(xiàn) d/a，a/d 轉(zhuǎn)換及 pid 運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、數(shù)字控制等功能。 plc 具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，它不僅可以控制一臺(tái)單機(jī)、一條生產(chǎn)線，還可以控制一個(gè)機(jī)群 及許多條生產(chǎn)線。它不但可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，還可以用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。 plc 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便 plc 中相當(dāng)于繼電接觸器系統(tǒng)中的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等編程元件。 雖數(shù)量巨大，卻是用程序代替硬接線，因而安裝接線工作量少。設(shè)計(jì)人員只要有 plc 就 可進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試。而繼電器系統(tǒng)的調(diào)試則是靠在現(xiàn)場(chǎng)改 邊界線進(jìn)行的，十分復(fù)雜。 （6）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 p

23、lc 用存儲(chǔ)邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 及建造的周期大為縮短，同時(shí)維護(hù)也變得容易起來(lái)，更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過(guò)改變程 序改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能，這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。 （7）體積小，重量輕，能耗低 ，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 以超小型 plc 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅 數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備 3.1.1.4 可編程控制器 plc（s7-200 ）接線方式 24v 電源 圖六圖六 cpu224cpu224 接線方式接線方式 3.1.1.5 可編程控制器 plc（s7

24、-200 ）通訊口的引腳分配 表一表一 s7-200s7-200 通訊口的引腳分配通訊口的引腳分配 3.1.2 變頻器(mm420) 變頻器（mm420）全稱 micromaster420 系列變頻器。主要特征：200v-240v 10%，單相 /三相，交流，0.12kw-5.5kw； 380v-480v10%，三相，交流，0.37kw-11kw。 保護(hù)功能：過(guò)載能力為 150額定負(fù)載電流，持續(xù)時(shí)間 60 秒。 過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)。 變頻器過(guò)溫保護(hù)。 接地故障保護(hù)，短路保護(hù)。 電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)。 采用 ptc 通過(guò)數(shù)字端接入的電機(jī)過(guò)熱保護(hù)。 采用 pin 編號(hào)實(shí)現(xiàn)參數(shù)連鎖。 閉鎖電機(jī)保護(hù)，防止失

25、速保護(hù)。 在這我們選擇型號(hào)為：6se6420-2ad31-1ca1 的 mm420 變頻器。它的功率為 11kw。運(yùn)行頻 率為：50hz。最大輸出頻率為：80hz。由于變頻器的頻率不能為負(fù)，故最小頻率為： 0hz。 變頻器頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系： 當(dāng)供水壓力發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化。壓力變大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變小。壓力變 小，電機(jī)轉(zhuǎn)速變大。而當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，變頻器頻率也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。其關(guān)系 為：電機(jī)轉(zhuǎn)速始終和電源的頻率成線性比例。轉(zhuǎn)速=極對(duì)數(shù) x60 秒 x 頻率 其中，每個(gè)電 機(jī)線圈極對(duì)數(shù)是一定的，時(shí)間每分鐘 60 秒也是一定的。所以電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率成正比。 3.1.2.1 變頻器（mm

26、420）工作原理 micromaster420 是用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列。該變頻器由微處理器 控制，并采用絕緣柵雙極性晶體管（igbt）作為功率輸出器件。為交-直-交變頻器，即 先把頻率、電壓都固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率、電壓都可調(diào)的 三相交流電源。該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖為 圖七圖七 變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 整流電路交-直部分 整流電路通常由二極管或晶閘管構(gòu)成的橋式電路組成，把頻率、電壓都固定的交流 電整流成直流電 直流中間電路部分濾波電路 根據(jù)儲(chǔ)能元件不同，濾波電路分為電容濾波和電感濾波兩種，分別構(gòu)成電壓型變頻 器和電流型變頻器。 逆變電

27、路直-交部分 逆變電路是交-直-交變頻器的核心部分， 把直流電逆變成頻率、電壓都可調(diào)的三 整流電路直流中間電 路 逆變電路 控制電路 交流電源頻率和電壓 可調(diào)的交流電 相交流電源，直接控制電機(jī)。 3.1.2.2 變頻器（mm420）參數(shù)表 表二表二 變頻器常用參數(shù)變頻器常用參數(shù) 表三表三 變頻器控制電機(jī)參數(shù)變頻器控制電機(jī)參數(shù) 3.1.2.3 變頻器（mm420）應(yīng)用及特點(diǎn) 變頻器不僅可以用于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，而且可以用于其他調(diào)速電動(dòng)機(jī)，在節(jié)能、較少 維修、提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量等方面都取得良好經(jīng)濟(jì)效益。變頻器的應(yīng)用幾乎包含所有工 業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵、有色冶金、油田、煉油、石化、化工、制藥、造紙等行業(yè)。例

28、如在機(jī) 床上，變頻器能使其選擇無(wú)級(jí)的最佳速度運(yùn)轉(zhuǎn)；在各種搬運(yùn)機(jī)械中，調(diào)節(jié)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速，變頻或者工頻運(yùn)轉(zhuǎn)。 mm420 變頻器特點(diǎn)： 易于安裝。 易于調(diào)試。 牢固的 emc 設(shè)計(jì)。 可由 it(中性點(diǎn)不接地)電源供電。 對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的。 參數(shù)設(shè)置的范圍很廣,確保它可對(duì)廣泛的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行配置。 電纜連接簡(jiǎn)便。 采用模塊化設(shè)計(jì),配置非常靈活。 脈寬調(diào)制的頻率高,因而電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪音低。 詳細(xì)的變頻器狀態(tài)信息和信息集成功能。 有多種可選件供用戶選用:用于與 pc 通訊的通訊模塊,基本操作面板(bop),高級(jí)操作面 板(aop),用于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線通訊的 profibus 通訊模塊

29、。 3.1.2.4 變頻器（mm420）與電機(jī)連接方式 圖八圖八 接單相電源時(shí)，變頻器與電機(jī)連接接單相電源時(shí)，變頻器與電機(jī)連接 圖九圖九 接三相電源時(shí)，變頻器與電機(jī)連接接三相電源時(shí)，變頻器與電機(jī)連接 3.1.3 kyb 壓力變送器 3.1.3.1 kyb 壓力變送器工作原理 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境， 涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、 船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè) 壓力變送器被測(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在即敏感元件的兩側(cè)隔離 膜片上，通過(guò)隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測(cè)量膜片兩側(cè)。測(cè)量膜片與

30、兩側(cè)絕緣片上 的電極各組成一個(gè)電容器。兩側(cè)壓力不一致時(shí)，致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓 力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過(guò)振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號(hào)。 壓力變送器和絕對(duì)壓力變送器的工作原理和差壓變送器相同，所不同的是低壓室壓力是 大氣壓或真空，內(nèi)含有 a/d 轉(zhuǎn)換器、d/a 轉(zhuǎn)換器。a/d 轉(zhuǎn)換器將解調(diào)器的電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)，其值被微處理器用來(lái)判定輸入壓力值。微處理器控制變送器的工作。另外，它進(jìn) 行傳感器線性化。重置測(cè)量范圍。工程單位換算、阻尼、開方，傳感器微調(diào)等運(yùn)算， 以及診斷和數(shù)字通信。d/a 轉(zhuǎn)換器把微處理器來(lái)的并經(jīng)校正過(guò)的數(shù)字信號(hào)微調(diào)數(shù)據(jù)，這些 數(shù)據(jù)可用變送器軟件

31、修改。數(shù)據(jù)貯存在 eeprom 內(nèi)，即使斷電也保存完整。 kyb 壓力變送器變送器由擴(kuò)散硅壓力芯片和信號(hào)處理電路組成，當(dāng)外加壓力時(shí)，將引 起壓力芯片的輸出電壓以生變化，再經(jīng)信號(hào)處理電路將其放大，并轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成 線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。 kyb-800kt 型壓力變送器由壓力敏感部件、恒流源供電電路、信號(hào)放大處理電路組成。壓 力敏感部件采用國(guó)際高品質(zhì)擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器，其利用兩個(gè)單晶硅片結(jié)合在一起， 上面硅片通過(guò)微機(jī)械加工工藝構(gòu)成一個(gè)惠斯通電橋，該電橋電壓輸出與作用在硅片上的 壓力差成比例；恒流源供電電路可產(chǎn)生 2madc 的電流，用于激勵(lì)壓力傳感器工作。信號(hào) 放大處理電路用于

32、將惠斯通電橋產(chǎn)生的電壓信號(hào)線性放大處理后并轉(zhuǎn)換成 0-5vdc4- 20madc 等多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)。 3.1.3.2 kyb 壓力變送器技術(shù)特點(diǎn) kyb-800kt 系列產(chǎn)品采用國(guó)際先進(jìn)生產(chǎn)工藝及電子元部件，在嚴(yán)格的質(zhì)量保證體系的保 障下生產(chǎn)制造，具有精度高、體積小、重量輕、安裝方便、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。 主要性能特點(diǎn) 穩(wěn)定性高 溫度誤差小 實(shí)用性強(qiáng) 安裝維修方便 3.1.3.3 kyb 壓力變送器接線方式 二線制電流輸出，端子連接 圖十圖十 二線制電流輸出，端子連接二線制電流輸出，端子連接 三線制電流輸出，端子連接 圖十一圖十一 三線制電流輸出，端子連接三線制電流輸出，端子連接 二線制電

33、壓輸出，端子連接 圖十二圖十二 二線制電壓輸出，端子連接二線制電壓輸出，端子連接 3.1.4 plc 模擬量擴(kuò)展模塊（em235） em235 是常用的模擬量擴(kuò)展模塊，他實(shí)現(xiàn)了 4 路模擬量輸入和一路模擬量輸出功能。 3.1.4.1 plc 模擬量擴(kuò)展模塊（em235）的接線方式 圖十三圖十三 plcplc 模擬量擴(kuò)展模塊（模擬量擴(kuò)展模塊（em235em235）的接線方式）的接線方式 對(duì)于電壓信號(hào)，按正負(fù)直接接入和；對(duì)于電流信號(hào)將 r和+短接后接入電 流輸入信號(hào)的“+”端；未連接傳感器的通道要將和短接。 3.1.4.2 plc 模擬量擴(kuò)展模塊（em235）的技術(shù)參數(shù) 常用技術(shù)參數(shù)： 表四表四

34、plcplc 模擬量擴(kuò)展模塊（模擬量擴(kuò)展模塊（em235em235）常用技術(shù)參數(shù)）常用技術(shù)參數(shù) 表五表五 em235em235 擴(kuò)展模塊開關(guān)設(shè)置擴(kuò)展模塊開關(guān)設(shè)置 表四說(shuō)明如何用 dpi 開關(guān)設(shè)置 em235 擴(kuò)展模塊，開關(guān) 1 到 6 可選擇輸入模擬量的單/雙極 性、增益和衰減。由該表得，dip 開關(guān) sw6 決定模擬量輸入的單雙極性，當(dāng) sw6 為 on 時(shí)， 模擬量輸入為單極性輸入，sw6 為off 時(shí)，模擬量輸入為雙極性輸入。sw4 和 sw5 決定 輸入模擬量的增益選擇，而 sw1,sw2,sw3 共同決定了模擬量的衰減選擇。根據(jù)表四可得 所有的輸入設(shè)備 如表六 表六表六 em235e

35、m235 擴(kuò)展模塊所有的輸入設(shè)備擴(kuò)展模塊所有的輸入設(shè)備 3.1.4.3 plc 模擬量擴(kuò)展模塊（em235）輸入數(shù)據(jù)字格式 圖十四圖十四 1212 為數(shù)據(jù)值在為數(shù)據(jù)值在 cpucpu 的模擬量輸入字中的位置的模擬量輸入字中的位置 圖十五圖十五 1212 為數(shù)據(jù)值在為數(shù)據(jù)值在 cpucpu 的模擬量輸出字中的位置的模擬量輸出字中的位置 3.1.5 pid 閉環(huán)控制模塊 pid 控制器是比例-積分-微分控制(proportional-integral-de-rivative)的簡(jiǎn)稱。其優(yōu) 點(diǎn)是不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，而且 pid 控制器的結(jié) 構(gòu)典型、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工程

36、上易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便。 3.1.5.1 pid 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理 本系統(tǒng)的 pid 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖如下圖。 圖十六圖十六 pidpid 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 其中是給定值是反饋量，由壓力變送器測(cè)得。為輸出。pid 控制器的輸入輸 出關(guān)系為 式中 e(t)=sp(t)-pv(t)稱為偏差值，m(t)為 pid 控制器的輸出， p k 為比例系數(shù)，回路增 益 kc、采樣時(shí)間 ts、積分時(shí)間 ti、微分時(shí)間 td。 cpu 只處理數(shù)字信號(hào)，故必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，采樣時(shí)間 t 第 n 次采樣得到的偏差 e(n),控制器 輸出 m（n） ，則 微分用差分代替，積分用求和代替。則數(shù)字化的

37、 pid 計(jì)算為 可寫成 3.1.5.2 plc 實(shí)現(xiàn) pid 控制的方式 用 plc 對(duì)模擬量進(jìn)行 pid 控制大致有如下幾種方法： (1) 使用 pid 過(guò)程控制模塊：這種模塊的 pid 控制程序是 plc 廠家設(shè)計(jì)的，并放在模 塊中，用戶使用時(shí)只需要設(shè)置一些參數(shù)，使用起來(lái)非常方便。 (2) 使用 pid 功能指令：它是用于 pid 控制的子程序，與模擬量輸入輸出模塊一起 使用，可以得到類似于使用 pid 過(guò)程控制的效果，但價(jià)格便宜得多。如 s7-200 的 pid 指 令 (3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn) pid 閉環(huán)控制：在沒(méi)有 pid 過(guò)程控制模塊和功能指令的情況下， 仍希望采用某種改進(jìn)的

38、pid 控制算法，此時(shí)用戶需要自己編制 pid 控制程序。 本設(shè)計(jì)中采用 plc 的 cpu 為 s7-200，s7-200 中具有 pid 指令。故該設(shè)計(jì)中利用 pid 指 令實(shí)現(xiàn) pid 閉環(huán)控制。 3.1.5.3 輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 pid 控制有輸入量 2 個(gè)：給定值 sp 和過(guò)程變量 pv。給定值通常是固定值，過(guò)程變量 通常是經(jīng)過(guò) ad 轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測(cè)值。給定值和過(guò)程變量都是和被控對(duì) 象有關(guān)的值，對(duì)于不同的系統(tǒng)，它們的大小、范圍與工程單位有很大的不同。應(yīng)用 plc 的 pid 指令對(duì)這些量進(jìn)行運(yùn)算之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))。同樣，對(duì) 于 pid 指令的

39、輸出，在將其送給 da 轉(zhuǎn)換器之前，也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 3.1.5.4 pid 指令及其回路表 s7-200 的 pid 指令如下圖所示。 圖十七圖十七 pidpid 指令表指令表 指令中 tbl 是回路表的起始地址，loop 是回路編號(hào)。編譯時(shí)如果指令指定的回路表起 始地址或回路號(hào)超出范圍，cpu 將生成編譯錯(cuò)誤(范圍錯(cuò)誤)，引起編譯失敗。pid 指令對(duì) 回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過(guò)程變量、給定值等不超限。 回路表如下表所示： 表七表七 pidpid 回路表回路表 偏移地址變量格式類型描述 0 過(guò)程變量 n pv 雙字節(jié)數(shù)輸入應(yīng)在.0.01.0 之間 4 給定值 n sp 雙字

40、節(jié)數(shù)輸入應(yīng)在.0.01.0 之間 8 輸出值 n m 雙字節(jié)數(shù)輸入/輸出應(yīng)在.0.01.0 之間 12 增益 c k 雙字節(jié)數(shù)輸入比例常數(shù)，可正可負(fù) 16 采樣時(shí)間ts雙字節(jié)數(shù)輸入單位 s，必須為正 20 積分時(shí)間ti雙字節(jié)數(shù)輸入單位 min，必須為正 24 微分時(shí)間 d t 雙字節(jié)數(shù)輸入單位 min，必須為正 28 上一次的積分值雙字節(jié)數(shù)輸入/輸出應(yīng)在.0.01.0 之間 32 上一次過(guò)程變量雙字節(jié)數(shù)輸入/輸出最后一次運(yùn)算過(guò)程變量值 過(guò)程變量與給定值是 pid 運(yùn)算的輸入值，在回路表中他們只能被 pid 指令讀取而不能 改寫。每次完成 pid 運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸入值 mn，它被限制

41、在 0.01.0 之間 如果 pid 指令中的算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯(cuò)誤，特殊存儲(chǔ)器位 sm 1.1(溢出或非法數(shù)值)被置為 1，并將中止 pid 指令的執(zhí)行，想要消除這種錯(cuò)誤，在下一次執(zhí)行 pid 運(yùn)算之前，應(yīng)改變 引起運(yùn)算錯(cuò)誤的輸入值，而不是更新輸出值。 3.23.2 plcplc 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則 （1）最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，充分發(fā)揮 plc 的功能。最大限度地滿足 被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì) plc 控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計(jì)中最重要的一條原 則。這就要求設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前就要深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場(chǎng)的資料，收 集相關(guān)先進(jìn)的國(guó)內(nèi)、國(guó)外資料，同時(shí)

42、要注意和現(xiàn)場(chǎng)的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn) 場(chǎng)操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)問(wèn)題和疑難問(wèn)題。 （2）保證 plc 控制系統(tǒng)安全可靠。保證 plc 控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn) 行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件選擇、軟件編程 上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。 （3）力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修方便。一個(gè)新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量 和數(shù)量，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù) 也將導(dǎo)致運(yùn)行資金的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大 工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的

43、成本。這就要求設(shè)計(jì)者不僅應(yīng)該使控 制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便、成本低，不宜盲目追求自動(dòng) 化和高指標(biāo)。 （4）適應(yīng)發(fā)展的需要。由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會(huì)不斷地提高， 設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。這就要求在選擇 plc、輸入/輸出 模塊、i/o 點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量時(shí)，要適當(dāng)留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。 3.33.3 plcplc 型號(hào)選擇和系統(tǒng)硬件配置型號(hào)選擇和系統(tǒng)硬件配置 3.3.1 變頻調(diào)速工作過(guò)程及控制要求 在恒壓供水系統(tǒng)中，在出水的管中設(shè)有一個(gè) ybt 壓力傳送器，檢測(cè)水壓的大小，并將 其轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)（電流信號(hào)） 。通

44、過(guò) plc 設(shè)定一個(gè)恒定壓力值、變頻器上限（最高頻率） 和下限（最低頻率） 。利用 pid 計(jì)算形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)水量發(fā)生變化時(shí)，變頻器 根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反饋的實(shí)際壓力值之差，經(jīng)過(guò)模擬輸入、d/a 轉(zhuǎn)換、pid 計(jì)算、a/d 轉(zhuǎn)換、模擬輸出等對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)管內(nèi)所測(cè)壓力值比實(shí)際壓力值 大時(shí)，需要自動(dòng)控制 plc 的模擬輸出模塊，控制變頻器的輸出頻率（降低）但不能低于 變頻器的最低頻率（下限） ；當(dāng)管內(nèi)所測(cè)壓力值比實(shí)際壓力值小時(shí)，需要自動(dòng)控制 plc 的 模擬輸出模塊，控制變頻器的輸出頻率（升高）但不能高于變頻器的最高頻率（上限） 。 從而保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的

45、恒壓供水。見(jiàn)方框圖 3.3.2 系統(tǒng) i/o 確定 ybt 壓力傳送器檢測(cè)到的管內(nèi)水壓需轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸送到 plc,同時(shí)經(jīng)過(guò) pid 計(jì)算， a/d 轉(zhuǎn)換后得到模擬量輸出 plc，所以系統(tǒng)需要一個(gè)模擬輸入輸出模塊。該模塊只需要一 個(gè)模擬輸入模塊一個(gè)模擬輸出模塊，故選用模擬輸入輸出模塊（em235） 。根據(jù)該工作過(guò) 程及控制要求可知，系統(tǒng)中只需要自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)停止、手動(dòng)啟動(dòng)、手動(dòng)停止按鍵四個(gè) 數(shù)字量輸入點(diǎn)，一個(gè)接受壓力傳感器數(shù)值的模擬輸入信號(hào)?？刂齐妱?dòng)機(jī)的是 plc 提供給 變頻器的模擬信號(hào)與確定電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停止的一個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。 3.3.3 plc 型號(hào)選擇 s7-200cpu22*系列

46、plc 共有 5 種 cpu 模塊。分別是 cpu221、cpu222、cpu224、cpu226 及 cpu226xm。其中 cpu221 無(wú)擴(kuò)展功能，cpu222 最多能帶兩個(gè)模塊的擴(kuò)展模塊，不滿足 本系統(tǒng)要求。cpu224 是具有較強(qiáng)控制功能的控制器，其 i/o 點(diǎn)數(shù)為 14 輸入和 10 輸出， 最多 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，能滿足系統(tǒng)要求。故選用 s7-200cpu224 型號(hào)。 3.3.4 系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)分配 表八表八 系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)分配系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)分配 3.43.4 外部硬件電路設(shè)計(jì)外部硬件電路設(shè)計(jì) 3.4.1 主電路圖 圖十八圖十八 主電路圖主電路圖 3.4.2 控制電路圖 輸入 輸

47、出 i0.0 自動(dòng)啟動(dòng) q0.0 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) i0.1 自動(dòng)停止 aqw0 模擬量輸出 i0.2 手動(dòng)啟動(dòng) i0.3 手動(dòng)停止 aiw0 模擬量輸入 圖十九圖十九 控制電路圖控制電路圖 3.4.3 plc 外圍接線圖 圖二十圖二十 plcplc 外圍接線圖外圍接線圖 4 4 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)有兩種工作方式：手動(dòng)和自動(dòng)。手動(dòng)工作方式主要 完成電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，以及出現(xiàn)不正常工作情況時(shí)通過(guò)手動(dòng)操作是系統(tǒng)回到初始狀 態(tài)。自動(dòng)工作方式是自動(dòng)完成各個(gè)流程。本系統(tǒng)自動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用順序控制，用梯形圖 編輯。 4.1 系統(tǒng)流程圖

48、 kyb 壓力變 送器測(cè)定值 b 圖圖 4.14.1 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)流程圖 4.24.2 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 4.2.1 電機(jī)啟動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 電機(jī)啟動(dòng)分為自動(dòng)啟動(dòng)手動(dòng)啟動(dòng)和自動(dòng)停止手動(dòng)停止。plc 輸入端只有四個(gè)數(shù)字量輸入， 一個(gè)模擬量輸入。一個(gè)模擬量輸出一個(gè)數(shù)字量輸出。 其數(shù)字量輸入輸出部分 4.2.2 pid 控制模塊軟件設(shè)計(jì) 4.2.2.1 回路輸入的轉(zhuǎn)換(ad) 首先，將給定值或 ad 轉(zhuǎn)換后得到的整數(shù)值由 16 位整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，可以用下面 的程序?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)換： xord ac0,ac0 /清除累加器 movw aiw0,ac0 /將待轉(zhuǎn)換的模擬量存入累加器 ldw=ac0,0 /如果

49、模擬量為正 dtr ac0,ac0 /直接轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) nop /否則 ord 16#ffff0000,ac0 /將 ac0 內(nèi)數(shù)值進(jìn)行符號(hào)位擴(kuò)展成 32 位負(fù)數(shù) lbl 0 dtr ac0,ac0 /將 32 位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù) 然后，將實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成 0.01.0 之間的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，可用式下式對(duì)給定值及過(guò)程變量進(jìn) 行標(biāo)準(zhǔn)化： offset span r r raw norm )( 式中：rnorm 為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值；rraw 為標(biāo)準(zhǔn)化前的值；offset 為偏移量，對(duì)單極性變量 為 0.0，對(duì)雙極性變量為 0.5；span 為取值范圍，等于變量的最大值減去最小值，單極性 變量的典型值為 32 00

50、0，雙極性變量的典型值為 64 000。 下面的程序?qū)⑸鲜鲛D(zhuǎn)換后得到的 ac0 中的雙極性數(shù)(其中 span=64 000)轉(zhuǎn)換為 0.01.0 之間的實(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換程序?yàn)椋?/r 64000.0,ac0/將累加器中的實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 +r 0.5,ac0、 、加上偏移量，使其在 0.0-1.0 之間 movr ac0,vd100/將標(biāo)準(zhǔn)化的值存入回路表中 4.2.2.2 回路輸出的轉(zhuǎn)換(da) 回路輸出即 pid 控制器的輸出，它是標(biāo)準(zhǔn)化的 0.01.0 之間的實(shí)數(shù)。將回路輸出 送給 da 轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成 16 位二進(jìn)制數(shù)，這一過(guò)程是將 pv 與 sp 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn) 化數(shù)值的逆過(guò)程。 用下面的下

51、式將回路輸出轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)： 式中，rscal 是回路輸出對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)值；mn 是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值。 將回路輸出轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的實(shí)數(shù)的程序?yàn)椋?movr vd108,ac0 /將回路輸出送入累加器 r 64000.0,ac0 /單極性變量乘以 32000.0 將代表回路輸出的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為 16 位整數(shù)的指令為： round ac0,ac0 /將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為 32 位整數(shù) movw ac0,aqw0 /將 16 為整數(shù)寫入模擬輸出（d/a）寄存器 4.2.2.3 pid 計(jì)算 因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)中利用 pid 指令實(shí)現(xiàn) pid 閉環(huán)控制。所以在軟件設(shè)計(jì)中，只需要設(shè)定 pid 中?？刂破鲄?shù)初值如壓力設(shè)定值、回路

52、增益 kc、采樣時(shí)間 ts、積分時(shí)間 ti、微分時(shí)間 td 等。采用 pid 指令，在自動(dòng)方式下運(yùn)行。 4.2.3 整體軟件設(shè)計(jì) / 電動(dòng)機(jī)的停、轉(zhuǎn) /初始化程序 上限 vd204=1800；下限 vd208=22400； 比例系數(shù) vd112=0.25；采樣時(shí) 間 vd1160=2；積分時(shí)間 vd120=30； 微分時(shí)間 vd124=0；采用 pi 調(diào)節(jié)器，壓力設(shè)定值 vd101=0.7 /整數(shù)至雙整數(shù)，雙整數(shù)至實(shí)數(shù)，實(shí)數(shù)相除，實(shí)數(shù)傳送等一系列轉(zhuǎn)換，將輸入模擬量轉(zhuǎn) 換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))。 / 設(shè)定值與實(shí)際值比較， 起始位置 vb100 回路號(hào) 0 。實(shí)現(xiàn) pi 計(jì)算 /pi 計(jì)算值與頻

53、率的上下限值進(jìn)行比較，判斷出進(jìn)行 d/a 轉(zhuǎn)換值 / 實(shí)數(shù)相乘 ，取舍， 雙整數(shù)變整數(shù) ，字傳送。實(shí)現(xiàn) d/a 轉(zhuǎn)換 結(jié)結(jié) 束束 語(yǔ)語(yǔ) 隨著變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)普遍使用。用變頻器和 plc 來(lái) 實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與其它供水方式相比較而言，其優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。節(jié)能效果十分顯著， 啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流小，避免了電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了泵和閥門等的使用壽 命，消除了啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。供水控制系統(tǒng)提高了的供水質(zhì)量。各項(xiàng)控制指標(biāo) 達(dá)到了用戶的要求。 通過(guò)對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展歷程、在國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)的了解，確定了設(shè)計(jì)的方向。在實(shí) 習(xí)調(diào)查中，提出解決該設(shè)計(jì)的思路及方法，結(jié)合社會(huì)發(fā)展

54、趨勢(shì)，人們的需求，基于變頻 器的智能恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 通過(guò)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)基于變頻器的恒壓供水系統(tǒng)有了深入的理解。根據(jù)恒壓供水的 原理，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了 mm420 變頻器、s7-200 plc、em235、pid 控制、kyb 壓力變送器等 器件的原理及應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中采用最簡(jiǎn)單的順序控制利用可編程控制器 plc 和變頻器實(shí) 現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)水量發(fā)生變化時(shí)，變頻器根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反饋的實(shí)際壓 力值之差，經(jīng)過(guò)模擬輸入、d/a 轉(zhuǎn)換、pid 計(jì)算、a/d 轉(zhuǎn)換、模擬輸出等對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)管內(nèi)所測(cè)壓力值比實(shí)際壓力值大時(shí)，需要自動(dòng)控制 plc 的模擬輸出模塊， 控制變頻器的輸出

55、頻率（降低）但不能低于變頻器的最低頻率（下限） ；當(dāng)管內(nèi)所測(cè)壓力 值比實(shí)際壓力值小時(shí)，需要自動(dòng)控制 plc 的模擬輸出模塊，控制變頻器的輸出頻率（升 高）但不能高于變頻器的最高頻率（上限） 。從而保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供 水。 致致 謝謝 首先要感謝我的大學(xué)老師們，特別是劉榮元老師，劉老師在指導(dǎo)我們的同時(shí)給我們 創(chuàng)造了一個(gè)和諧自由的設(shè)計(jì)環(huán)境，給我們充分發(fā)揮的空間，提高了我學(xué)習(xí)創(chuàng)造的積極性。 在我做設(shè)計(jì)期間，他盡心盡責(zé)的指導(dǎo)我，引導(dǎo)我，每當(dāng)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到困難時(shí)，給予我 莫大的支持和幫助， ，讓我一步步前進(jìn)。 其次要深深感謝我的同學(xué)們，在生活上幫助我，讓我安心做設(shè)計(jì)。學(xué)習(xí)上，給我指 導(dǎo)。

56、特別是遇到難題時(shí)，與他們談?wù)撨^(guò)程中，使知識(shí)更深的印到腦海中。在老師引導(dǎo)下， 能最快的無(wú)意間解決一直困惑的難題。 最后要感謝學(xué)校給我們畢業(yè)生提供設(shè)計(jì)的環(huán)境，實(shí)習(xí)的地點(diǎn)，讓我們?cè)诋厴I(yè)的一學(xué) 期中不僅學(xué)習(xí)知識(shí)，也學(xué)習(xí)了在社會(huì)中生存的法則。為我們畢業(yè)后踏入社會(huì)奠定基礎(chǔ)。 感謝我的家人，感謝他們對(duì)我精神上的鼓勵(lì)、生活上的關(guān)心和支持，讓我安心設(shè)計(jì)， 無(wú)后顧之憂。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1張宏林,plc 應(yīng)用開發(fā)技術(shù)與工程實(shí)踐m,北京:人民郵電出版社,2008.7 2海心、馬銀忠、劉樹青，西門子 plc 開發(fā)入門與典型實(shí)例m,北京:人民郵電出版 社,2009.2 3張萬(wàn)忠,可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例（西門子 s

57、7-200 系列） m,北京：中國(guó)電力 出版社,2004 4張發(fā)玉,可編程控制器應(yīng)用技術(shù)m,西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006 5鄒金慧,可編程控制器及其系統(tǒng)m,重慶:重慶大學(xué)出版社,2002 6王永華,現(xiàn)代電氣控制及 plc 應(yīng)用技術(shù)m,北京:被金華航空航天大學(xué)出版社,2003 7王衛(wèi)星、傅立思、孫耀杰,可編程控制器原理及應(yīng)用m,北京:中國(guó)水利電力出版 社,2002 8肖朋生、張文、王建輝,變頻器及其控制系統(tǒng)m,北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008 襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂

58、肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃

59、膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿

60、蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇 螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂