以西門子S7200系列PLC為控制器的基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)研究

1、摘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型號的變頻器和電機，同時用KBY壓力變送器來檢測管網(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、成熟的交流電機無級調(diào)速驅(qū)動技術(shù)，變頻器的作用是為電機提供可變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過測到的管網(wǎng)壓力，經(jīng)PLC內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器運算后,通過EM235模擬輸出端傳送到變頻器，調(diào)節(jié)輸出頻率，實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。 關(guān)鍵詞：恒壓供水、可編程控制器、無級調(diào)速、PID控制、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、 目錄1 緒論11.1 恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程11.2 恒壓供水系統(tǒng)研究

2、的目的和意義21.3 恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用32 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計方案42.2 恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計總體方案設(shè)計42.3 變頻恒壓供水原理63 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計73.1 系統(tǒng)中硬件電路構(gòu)成73.2 PLC型號選擇和系統(tǒng)硬件配置203.3 外部硬件電路設(shè)計224 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計24H:豆丁word原文件628王娟畢業(yè)論文.doc - _Toc261796095#_Toc2617960954.1 系統(tǒng)流程圖24H:豆丁word原文件628王娟畢業(yè)論文.doc - _Toc261796096#_Toc2617960964.2軟件設(shè)計25結(jié)術(shù)語3

3、1致謝詞32參考文獻(xiàn)331 緒論 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)。隨著社會和變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和人們節(jié)水節(jié)能意識的不斷增強，變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能特性使得其越來越廣泛用于工廠、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。同時要保證供水的可靠性和安全性。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)，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。1.1 恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程恒壓供水系統(tǒng)是指通過閉環(huán)控制，使供水的壓力保

4、持恒定。早期的恒壓供水系統(tǒng)是通過閥門的開斷來控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，自動化越來越占據(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，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)展起來的。在早期，由于國外生產(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)中時僅作為執(zhí)行機構(gòu)。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，

5、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。近年來，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、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(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內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程時，大多采用國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)的軟件予以實現(xiàn);有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但隨著社會發(fā)展和進(jìn)步，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了所有用戶的要求，逐步實現(xiàn)了基于PLC和變頻器技術(shù)設(shè)計的生活恒壓供水控制系統(tǒng)即基于變頻器的智能恒壓供

6、水系統(tǒng)。目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中可以看出，隨著社會的發(fā)展，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(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)實踐中。1.2 恒壓供水系統(tǒng)研究的目的和意義近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年，我國人均日生活用水量（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，增長了37.2%，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而現(xiàn)階段我國在市

7、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，自動化程度較低。這種情況容易造成用水高峰期時水位達(dá)不到要求，供水壓力不足；用水低峰期時供水水位超標(biāo)，壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。變頻恒壓供水系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機的無級調(diào)速，可以根據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。變頻恒壓供水系統(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，運行的經(jīng)濟型還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有很大優(yōu)勢?；赑LC和變頻器技術(shù)設(shè)計的智能恒壓供水控制系統(tǒng)

8、可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動態(tài)響應(yīng)速度快。因而實現(xiàn)了恒壓自動控制。對整個供水過程來說，系統(tǒng)的可擴展性好，管理人員可根據(jù)每個季節(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。 1.3 恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用基于PLC和變頻器技術(shù)設(shè)計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)過程的自動化水平。使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便，解決實際中問題，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） 工企業(yè)、生活、生產(chǎn)供水系統(tǒng)及企業(yè)自備并改造工程

9、，自來水廠、生活小區(qū)及消防供水系統(tǒng)。（3） 各種場合的恒壓、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、水景和音樂噴泉系統(tǒng)（6） 賓館、大型公共建筑供水及消防系統(tǒng)。2 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計方案2.1 恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計 總體方案簡介西門子S7-200型可編程控制器（SIMATIC S7-200）是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用；大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，各種單獨的模塊之泛組合以用于擴展；多種的性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應(yīng)

10、用選擇合適的模塊。因此，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型號的變頻器和電機，同時用KBY壓力變送器來檢測管網(wǎng)壓力，與設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)?？刂撇糠址娇驁D控制部分方框圖 圖2.1 整體方框圖 圖2.2 控制部分方框圖 系統(tǒng)控制要求本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實際應(yīng)用。本系統(tǒng)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(biāo)是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速。該系統(tǒng)可以為生活和消防等供水的供水。 在

11、恒壓供水系統(tǒng)中，在出水的管中設(shè)有一個YBT壓力傳送器，檢測水壓的大小，并將其轉(zhuǎn)化成模擬信號（電流信號）。通過PLC設(shè)定一個恒定壓力值、變頻器上限（最高頻率）和下限（最低頻率）。利用PID計算形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)水量發(fā)生變化時，變頻器根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反饋的實際壓力值之差，經(jīng)過模擬輸入、D/A轉(zhuǎn)換、PID計算、A/D轉(zhuǎn)換、模擬輸出等對電動機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)管內(nèi)所測壓力值比實際壓力值大時，需要自動控制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)所測壓力值比實際壓力值小時，需要自動控制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

12、變頻器的最高頻率（上限）。從而保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。2.2 變頻恒壓供水原理 該系統(tǒng)的恒壓控制采用閉環(huán)控制，在水泵的輸出管網(wǎng)中安裝一個壓力變送器，將管內(nèi)水壓轉(zhuǎn)換成15V的信號輸入PLC的擴展模擬量輸入輸出模塊（EM235）的模擬量輸入端并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。該數(shù)字信號與壓力給定值相比較，并經(jīng)過PID運算，由PLC輸出控制信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換通過EM235的模擬量輸入端輸出420mA的控制信號送往變頻器，控制變頻器輸出頻率，從而控制水泵電動機轉(zhuǎn)速，使水壓穩(wěn)定在設(shè)定值。在恒壓供水系統(tǒng)中，當(dāng)水量發(fā)生變化時，變頻器根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反饋的實際壓力值之差，發(fā)生相應(yīng)的變

13、化，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。3 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成本設(shè)計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、電動機（水泵）、和PLC模擬量擴展模塊EM235可編程控制器（S7-200 ）（1） 可編程控制器（S7-200 ）原理可編程控制器（PLC）是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程。采用了典型的計算機結(jié)構(gòu)，主要有CPU、電源、存儲器和

14、專門設(shè)計的輸入/輸出接口電路組成。用PLC實施控制，其實質(zhì)是按控制功能要求，通過程序按一定算法進(jìn)行輸入、輸出變換，并將這個變換給以物理實現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。（2） 可編程控制器（S7-200 ）應(yīng)用目前PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、制藥、電力、機械制造等各個領(lǐng)域。PLC被稱為專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計，故其主要的應(yīng)用方面為:（1） 作為開關(guān)量控制。 是PLC的基本功能，得力于PLC具有強大的邏輯運算功能，可以實現(xiàn)各種簡單和復(fù)雜的邏輯運算。（2） 模擬量控制 因為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

15、（例如EM235），將模擬信號經(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），來完成現(xiàn)場連續(xù)控制。（3） 閉環(huán)過程控制 PLC配置PID控制單元用來實現(xiàn)對控制現(xiàn)場的某些變量（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）（4） 定時/計數(shù)控制 PLC具有定時/計數(shù)控制，具有專門的功能指令。（本課題中未用該指令）（5） 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)在PLC不僅具備數(shù)字運算（包含四則運算、矩陣運算、函數(shù)運算、浮點運算）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)傳送可運算功能

16、）（3） 可編程控制器（S7-200 ）特點 （1）可靠性高，抗干擾能力強 （2）配套齊全，功能完善，適用性強（3）編程方便，易于使用 （4） 功能強，擴展能力強（5） PLC控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便 （6）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造 （7）體積小，重量輕，能耗低 ，易于實現(xiàn)機電一體化 （四） 可編程控制器（S7-200 ）接線方式24V電源圖3.1 CPU224接線方式（五） 可編程控制器（S7-200 ）通訊口的引腳分配連接器針號信號1屏蔽機殼地224V返回邏輯地3RS-485信號BRS-485信號B4請求發(fā)送RTS(TTL)55V返回邏輯地6+5V+V,1000串聯(lián)

17、電阻7+24V+24V8RS-485信號ARS-485信號A9未用選擇十位協(xié)議（輸入）連接器外殼屏蔽機殼地表3.1 S7-200 通訊口的引腳分配變頻器(MM420) 變頻器（MM420）全稱MICROMASTER420系列變頻器（一）變頻器（MM420）工作原理 MICROMASTER420是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。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：整流電路直流中間電路 控制電路交流電源逆變電路頻率和

18、電壓可調(diào)的交流電 圖3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) （1） 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（2） 直流中間電路部分濾波電路 根據(jù)儲能元件不同，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。 （3） 逆變電路直-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)的三相交流電源，直接控制電機。（二）變頻器（MM420）參數(shù)表參數(shù)號參數(shù)名稱DefaultLevelDSQCR0000驅(qū)動裝置只讀參數(shù)的顯示值.2.P0003用戶的參數(shù)訪問級11CUT.P0004參數(shù)過濾器01

19、CUT.P0010調(diào)試用的參數(shù)過濾器01CTNP3950訪問隱含的參數(shù)04CUT.P3900“快速調(diào)試結(jié)束”01CQP0970復(fù)位為工廠設(shè)定值01C.表3.2 變頻器常用參（三）變頻器（MM420）應(yīng)用及特點 變頻器不僅可以用于標(biāo)準(zhǔn)電動機調(diào)速，而且可以用于其他調(diào)速電動機，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)。例如在機床上，變頻器能使其選擇無級的最佳速度運轉(zhuǎn)；在各種搬運機械中，調(diào)節(jié)多臺電動機的轉(zhuǎn)速，變頻或者工頻運轉(zhuǎn)。（四）變頻器（MM420）與電機連接方式及接線圖圖3.3 接單相

20、電源時，變頻器與電機連接圖3.4 接三相電源時，變頻器與電機連接圖3.5 變頻器（MM420）接線圖 KYB壓力變送器（一） KYB壓力變送器工作原理 壓力傳感器是工業(yè)實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、機床、管道等眾多行業(yè)壓力變送器被測介質(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，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器。兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(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，通過振蕩和解

21、調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。壓力變送器和絕對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，其值被微處理器用來判定輸入壓力值。微處理器控制變送器的工作。另外，它進(jìn)行傳感器線性化。重置測量范圍。工程單位換算、阻尼、開方，傳感器微調(diào)等運算，以及診斷和數(shù)字通信。D/A轉(zhuǎn)換器把微處理器來的并經(jīng)校正過的數(shù)字信號微調(diào)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用變送器軟件修改。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散硅壓力芯片和信號處理電路組成，當(dāng)外加壓力時，將引起壓力芯片的輸出電壓以生變

22、化，再經(jīng)信號處理電路將其放大，并轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。KYB-800KT型壓力變送器由壓力敏感部件、恒流源供電電路、信號放大處理電路組成。壓力敏感部件采用國際高品質(zhì)擴散硅壓阻式壓力傳感器，其利用兩個單晶硅片結(jié)合在一起，上面硅片通過微機械加工工藝構(gòu)成一個惠斯通電橋，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，用于激勵壓力傳感器工作。信號放大處理電路用于將惠斯通電橋產(chǎn)生的電壓信號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。（二） KYB壓力變送器技術(shù)特點 KYB-800KT系列產(chǎn)品采用國際先進(jìn)生產(chǎn)工藝及電

23、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。主要性能特點（1） 穩(wěn)定性高（2） 溫度誤差?。?） 實用性強（4） 安裝維修方便（三） KYB壓力變送器接線方式二線制電流輸出端子連接圖3.6 二線制電流輸出端子連接三線制電流輸出端子連接圖3.7 三線制電流輸出端子連接二線制電壓輸出端子連接圖3.8 二線制電壓輸出端子連接3.1.4 PLC模擬量擴展模塊（EM235）EM235是常用的模擬量擴展模塊，它具有4路模擬量輸入和一路模擬量輸出的功能。（一） PLC模擬量擴展模塊（EM235）的接線方式圖3.9 PLC模擬量擴展模塊（EM235

24、）的接線方式 對于電壓信號，按正負(fù)直接接入和；對于電流信號將R和+短接后接入電流輸入信號的“+”端；未連接傳感器的通道要將和短接。 對于某一模塊，只能將輸入端同時設(shè)置為一種量程和格式，即相同的量程和分辨率。（二） PLC模擬量擴展模塊（EM235）的技術(shù)參數(shù)常用技術(shù)參數(shù)：模擬量輸入特性模擬量輸入點數(shù)4 輸入范圍電壓（單極性）010V、05V、01V、0500mV、0100mV、050mV電壓（雙極性）10V、5V、2.5V、1V、500VmV、250mV、100mV、50mV、25mV電流020mA數(shù)據(jù)字格式單極性 全量程范圍-32000+32000雙極性 全量程范圍032000分辨率12位A

25、/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特征模擬量輸出點數(shù)1信號范圍電壓輸出10V電流輸出020mA數(shù)據(jù)字格式電壓 -32000+32000電流 032000分辨率電流電壓 12位電流11位 表3.3 PLC模擬量擴展模塊（EM235）常用技術(shù)參數(shù)：EM235開關(guān)單/雙極性選擇SW1SW2SW3SW4SW5SW6單極性O(shè)N雙極性O(shè)FFOFFOFFX1OFFONX10ONOFFX100ONON無效ONOFFOFF0.8OFFONOFF0.4OFFOFFON0.2表3.4 EM235擴展模塊開關(guān)設(shè)置 上表說明如何用DPI開關(guān)設(shè)置EM235擴展模塊，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

26、關(guān)SW6決定模擬量輸入的單雙極性，當(dāng)SW6為ON時，模擬量輸入為單極性輸入，SW6為OFF時，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3.5可得所有的輸入設(shè)備 如下表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON050mV12.5uVOFFONOFFONOFFON0100mV25uVONOFFOFFOFFONON0500mV125uVOFFONOFFOFFONON01V250uVONOFFOFFOFFOFFON05V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON020mA5

27、uVOFFONOFFOFFOFFON010V2.5mV雙極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF25mV12.5uVOFFONOFFONOFFOFF 50mV、25uVOFFOFFONONONOFF 100mV50uVONOFFOFFOFFONOFF 250mV、125uVOFFONOFFOFFOFFOFF500VmV250uVOFFOFFONOFFOFFOFF1V500uVONOFFOFFOFFOFFOFF2.5V1.25mAOFFONOFFOFFOFFOFF5V2.5mAOFFOFFONOFFOFFOFF10V 5mA表3. 5 EM235擴

28、展模塊所有的輸入設(shè)備 （三） PLC模擬量擴展模塊（EM235）輸入數(shù)據(jù)字格式圖3.10 12位數(shù)據(jù)值在CPU的模擬量輸入字中的位置圖3.11 12位數(shù)據(jù)值在CPU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)的簡稱。其優(yōu)點是不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，有較強的靈活性和適應(yīng)性，而且PID控制器的結(jié)構(gòu)典型、程序設(shè)計簡單、工程上易于實現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便。（一） 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3.12 PID閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 其中是sp(t)給定值、pv

29、(t)是反饋量，由壓力變送器測得。C(t)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，Kp為比例系數(shù)，回路增益Kc、采樣時間Ts、積分時間TI、微分時間TD。CPU只處理數(shù)字信號，故必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換，采樣時間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PID計算為可寫成可得：為微分系數(shù)（二） PLC實現(xiàn)PID控制的方式 用PLC對模擬量進(jìn)行PID控制大致有如下幾種方法： (1) 使用PID過程控制模塊：這種模塊的PID控制程序是PLC廠家設(shè)計的，并放在模塊中，用戶使用時只需要設(shè)

30、置一些參數(shù)，使用起來非常方便。 (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過程控制的效果，但價格便宜得多。如S7-200的PID指令 (3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制：在沒有PID過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PID控制算法，此時用戶需要自己編制PID控制程序。 本設(shè)計中采用PLC的CPU為S7-200，S7-200中具有PID指令。故該設(shè)計中利用PID指令實現(xiàn)PID閉環(huán)控制。（三） 輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 PID控制有輸入量2個：給定值sp和過程變量pv。給定值通常是固定值，過程變量通常是經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換

31、和計算后得到的被控量的實測值。給定值和過程變量都是和被控對象有關(guān)的值，對于不同的系統(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指令對這些量進(jìn)行運算之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點數(shù)(實數(shù))。同樣，對于PID指令的輸出，在將其送給DA轉(zhuǎn)換器之前，也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 （四） PID指令及其回路表 S7-200的PID指令如下圖所示。圖3.13 PID 指令表 指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路編號。編譯時如果指令指定的回路表起始地址或回路號超出范圍，CPU將生成編譯錯誤(范圍錯誤)，引起編譯失敗。PID指令對回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量、定值等不超

32、限。回路表如下表所示偏移地址變量格式類型描述0過程變量雙字節(jié)數(shù)輸入應(yīng)在.0.01.0之間4給定值雙字節(jié)數(shù)輸入應(yīng)在.0.01.0之間8輸出值雙字節(jié)數(shù)輸入/輸出應(yīng)在.0.01.0之間12增益雙字節(jié)數(shù)輸入比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時間雙字節(jié)數(shù)輸入單位s，必須為正20積分時間雙字節(jié)數(shù)輸入單位min，必須為正24 微分時間雙字節(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上一次過程變量雙字節(jié)數(shù)輸入/輸出最后一次運算過程變量值表3.6 回路表 過程變量與給定值是PID運算的輸入值，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運算后，都要更新回路表

33、內(nèi)的輸入值Mn，它被限制在0.01.0之間如果PID指令中的算術(shù)運算發(fā)生錯誤，特殊存儲器位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，想要消除這種錯誤，在下一次執(zhí)行PID運算之前，應(yīng)改變引起運算錯誤的輸入值，而不是更新輸出值。3.2 PLC型號選擇和系統(tǒng)硬件配置變頻調(diào)速工作過程及控制要求 在恒壓供水系統(tǒng)中，在出水的管中設(shè)有一個YBT壓力傳送器，檢測水壓的大小，并將其轉(zhuǎn)化成模擬信號（電流信號）。通過PLC設(shè)定一個恒定壓力值、變頻器上限（最低頻率）和下限（最低頻率）。利用PID計算形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)水量發(fā)生變化時，變頻器根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反饋的實際壓力值之差，

34、經(jīng)過模擬輸入、D/A轉(zhuǎn)換、PID計算、A/D轉(zhuǎn)換、模擬輸出等對電動機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)管內(nèi)所測壓力值比實際壓力值大時，需要自動控制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)所測壓力值比實際壓力值小時，需要自動控制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，實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。 系統(tǒng)I/O確定 YBT壓力傳送器檢測到的管內(nèi)水壓需轉(zhuǎn)換為模擬信號輸送到PLC,同時經(jīng)過PID計算，A/D轉(zhuǎn)換后得到模擬量輸出PLC，所以系統(tǒng)需要一個模擬輸入輸出模塊。該模塊只需要一個模擬輸入模塊一個模擬輸出模

35、塊，故選用模擬輸入輸出模塊（EM235）。根據(jù)該工作過程及控制要求可知，系統(tǒng)中只需要自動啟動、自動停止、手動啟動、手動停止按鍵四個數(shù)字量輸入點，一個接受壓力傳感器數(shù)值的模擬輸入信號?？刂齐妱訖C的是PLC提供給變頻器的模擬信號與確定電動機啟動或停止的一個數(shù)字量輸出點。 3.2.3 PLC型號選擇，輸入輸出點分配 S7-200CPU22*系列PLC共有5種CPU模塊。分別是CPU221、CPU222、CPU224、CPU226及CPU226XM。其中CPU221無擴展功能，CPU222最多能帶兩個模塊的擴展模塊，不滿足本系統(tǒng)要求。CPU224是具有較強控制功能的控制器，其I/O點數(shù)為14輸入和10

36、輸出，最多7個擴展模塊，能滿足系統(tǒng)要求。故選用S7-200CPU224型號。輸入輸出點分配 輸入 輸出I0.0自動啟動Q0.0電動機啟動I0.1自動停止AQW0模擬量輸出I0.2手動啟動I0.3手動停止AIW0模擬量輸入表3.7系統(tǒng)輸入輸出點分配輔助繼電器表格VD101壓力設(shè)定值VD112比例系數(shù)VD204頻率上限VD116采樣時間VD208頻率下限VD120積分時間VD100處理后模擬量輸入值VD124 微分時間VD250PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元VD108PI計算值表3.8輔助繼電器表格3.3 外部硬件電路設(shè)計 主電路圖如所示為系統(tǒng)的主電路圖。M為電機。KM為接觸器；FR為水泵電機過載保護(hù)用的熱

37、繼電器：QS為變頻器和泵電機主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的熔斷器；VVVF是通用變頻器FUFUR S TU V WNL1L2L3KM QSVVVF 3M13FR圖3. 15 主電路圖3.16系統(tǒng)的按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要控制水泵的啟動或停止，方便排除故障用；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。SB1為自動啟動、SB2為自動停止、SB3為手動啟動、SB4為手動停止。3. 16 PLC3. 17 PLC4 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)有兩種工作方式：手動和自動。手動工作方式主要完成電動機的啟動和停止，以及出現(xiàn)不正常工作情況時通過手動操作使系統(tǒng)回到初始

38、狀態(tài)。自動工作方式是自動完成各個流程。KYB壓力變送器測定值 B4.1 系流程圖圖4.1 系統(tǒng)流程圖4.2 軟件設(shè)計 電機啟動模塊設(shè)計電機啟動分為自動啟動手動啟動和自動停止手動停止。PLC輸入端只有四個數(shù)字量輸入，一個模擬量輸入。一個模擬量輸出一個數(shù)字量輸出。其數(shù)字量輸入輸出部分 圖4.3數(shù)字量輸入輸出部分程序圖4.2.2 PID控制模塊軟件設(shè)計 （一） 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 /如果模擬量

39、為正DTR AC0,AC0 /直接轉(zhuǎn)換成實數(shù)NOP /否則ORD 16#FFFF0000,AC0 /將AC0內(nèi)數(shù)值進(jìn)行符號位擴展成32位負(fù)數(shù)LBL 0DTR AC0,AC0 /將32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實數(shù)然后，將實數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成0.01.0之間的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，可用下式對給定值及過程變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：式中：RNorm為標(biāo)準(zhǔn)化實數(shù)值；RRaw為標(biāo)準(zhǔn)化前的值；offset為偏移量，對單極性變量為0.0，對雙極性變量為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32 000，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)

40、轉(zhuǎn)換為0.01.0之間的實數(shù)的轉(zhuǎn)換程序為： R 64000.0,AC0/將累加器中的實數(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 （二） 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)，這一過程是將pv與sp轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值的逆過程。用下面的下式將回路輸出轉(zhuǎn)換為實數(shù)：式中，RScal是回路輸出對應(yīng)的實數(shù)值；Mn是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實數(shù)值。將回路輸出轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實數(shù)的程序為： MOVR VD108,AC0 /將回路輸出送

41、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數(shù)轉(zhuǎn)化為16位整數(shù)的指令為： ROUND AC0,AC0 /將實數(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（三） PID計算 因為該設(shè)計中利用PID指令實現(xiàn)PID閉環(huán)控制。所以在軟件設(shè)計中，只需要設(shè)定PID中控制器參數(shù)初值如壓力設(shè)定值、回路增益Kc、采樣時間Ts、積分時間TI、微分時間TD等。使用PID指令，在自動方式下運行。 整體軟件設(shè)計（整體程序） / 電動機的停、轉(zhuǎn) /初始化程序 上限VD204=1800；下限VD208=22400； 比例系數(shù)VD112=0.25；采樣時間VD1160=2；積分時間VD120=30； 微分時間VD124=0；采用PI調(diào)節(jié)器，壓力設(shè)定值VD101=0.7/