基于PLC熱處理爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計【實(shí)用文檔】doc

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基于PLC熱處理爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計【實(shí)用文檔】doc文檔可直接使用可編輯，歡迎下載畢業(yè)設(shè)計（論文)指導(dǎo)手冊院別控制工程學(xué)院專業(yè)名稱測控技術(shù)與儀器班級學(xué)號學(xué)生姓名指導(dǎo)教師2011年7月2２日—-２０12年6月15日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：基于PLC熱處理爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計基本內(nèi)容：采用西門子ＰLＣ作為控制器,擴(kuò)展溫度模塊，A/D、Ｄ／A模塊，通信模塊等。按照熱處理溫度控制要求，自動控制升溫、保溫和降溫的時間和溫度。三只熱電偶實(shí)時檢測爐內(nèi)溫度,經(jīng)過溫度模塊送入PLＣ主機(jī)，計算平均溫度.根據(jù)設(shè)定溫度及升溫、降溫和保溫時間要求，采用PID算法，輸出控制信號，控制大功率固態(tài)繼電器，實(shí)現(xiàn)升溫、保溫和降溫的自動控制。控制裝置方案設(shè)計，各個功能模塊選型設(shè)計,控制算法的研究利用組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)爐溫的在線監(jiān)測,畫面生成。學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計（論文）題目日期：201１年7月２2日指導(dǎo)教師簽字:2０11年7月22日工作計劃畢業(yè)設(shè)計（論文）選題:２０11年7月１8日--2011年7月22日調(diào)研與資料收集：２011年7月25日—-２011年8月1９日理論設(shè)計：２011年8月22日--2０11年9月9日設(shè)計與研究，撰寫畢業(yè)設(shè)計(論文)初稿：２01１年9月13日—-２011年10月2１日設(shè)計與研究，完善畢業(yè)設(shè)計(論文)：2０11年１2月5日——2０11年12月2３日畢業(yè)設(shè)計（論文）修訂與完善:2012年5月1４日——20１2年６月15日畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱：20１2年6月16日——2012年6月19日畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯:2012年６月20日——2012年6月2４日學(xué)生簽字:指導(dǎo)教師簽字：2011年７月22日工作計劃執(zhí)行情況畢業(yè)設(shè)計(論文）選題任務(wù)完成情況:畢業(yè)后我選擇就業(yè),以后工作的公司主營重型機(jī)械生產(chǎn)銷售,批量機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)需要運(yùn)用PLＣ控制，為了為以后工作奠定一點(diǎn)基礎(chǔ)，我選擇了PLＣ方向的畢業(yè)設(shè)計。拿到幾個ＰLC方向的畢設(shè)題目后,畢設(shè)老師齊世清教授帶領(lǐng)我們?nèi)スS實(shí)地參觀了每個畢設(shè)控制系統(tǒng)的設(shè)備及工作流程，參觀過程中，我對熱處理爐爐溫控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),工作原理比較感興趣，于是最后確定了《基于PLC的熱處理爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計》這一題目.學(xué)生簽字：20１1年7月22日教師評語及指導(dǎo)意見:指導(dǎo)教師簽字：2011年7月22日工作計劃執(zhí)行情況調(diào)研與資料收集任務(wù)完成情況:201１年８月,齊世清教授帶領(lǐng)我參觀到工廠參觀熱處理爐的處理工藝,在齊老師和工廠師傅的講解下,對畢設(shè)題目及要求有了整體宏觀的認(rèn)識?；氐綄W(xué)校后，去圖書館電子閱覽室查閱熱資料,對如下問題有了更多的認(rèn)識：熱處理爐控溫系統(tǒng)主要功能，欲實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能,總體設(shè)計方案的確定,各個功能模塊的具體設(shè)計技術(shù)路線、方法和手段(如需要的開發(fā)工具和設(shè)備等)，綜合比較選擇西門子Ｓ7－20０PLC,并下載了相關(guān)軟件。學(xué)生簽字：2０11年８月1９日教師評語及指導(dǎo)意見：指導(dǎo)教師簽字:2011年８月19日工作計劃執(zhí)行情況理論設(shè)計任務(wù)完成情況:首先確定總體設(shè)計方案，各個功能模塊的具體設(shè)計技術(shù)路線、方法和手段（如需要的開發(fā)工具和設(shè)備等)、熱處理爐控制系統(tǒng)組成及原理,PLC選型包括主機(jī)、A/D模塊、D/A模塊的設(shè)計、溫度傳感器的選擇、顯示電路的設(shè)計、功率輸出模塊的設(shè)計、通信模塊的選擇及通信協(xié)議、上位機(jī)編程軟件，最后進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。學(xué)生簽字:2０11年９月9日教師評語及指導(dǎo)意見：指導(dǎo)教師簽字：2０1１年9月9日工作計劃執(zhí)行情況設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究任務(wù)完成情況：該設(shè)計分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，上位機(jī)利用組態(tài)王軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，生產(chǎn)各種畫面,實(shí)現(xiàn)各功能的監(jiān)控.下位機(jī)硬件方面ＰＬC采用了CPＵ型號為226的S７-２00、K型熱電偶和CＰU擴(kuò)展溫度模塊ＥM23５.熱電偶作為溫度的采集元件,采集的信號送入ＰＬＣ中進(jìn)行處理。PLC的程序中采用了位置式PID算法,脈寬調(diào)制ＰWＭ方式,運(yùn)用了粗調(diào)和細(xì)調(diào)的方法，程序在不同的溫度段使用不同的PIＤ參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)溫度的自動控制。學(xué)生簽字：2０１1年１0月８日教師評語及指導(dǎo)意見：指導(dǎo)教師簽字：２011年10月8日工作計劃執(zhí)行情況撰寫畢業(yè)設(shè)計（論文）初稿任務(wù)完成情況：首先按照學(xué)校給的模版及模版中提示的內(nèi)容,把論文大致分為緒論，加熱爐溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計、上位機(jī)、控制算法設(shè)計、程序設(shè)計、組態(tài)畫面的設(shè)計、系統(tǒng)測試等章節(jié)。在緒論中根據(jù)提示,介紹該課題的背景及研究現(xiàn)狀,本文要研究的工作。加熱爐溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計：大致介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)流程圖等。上位機(jī):詳細(xì)介紹了PLC、傳感器、固態(tài)繼電器等的選型,并介紹了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊組態(tài)畫面的設(shè)計及系統(tǒng)測試中，對組態(tài)王軟件介紹、并詳細(xì)說明組態(tài)畫面的建立過程及監(jiān)控的設(shè)定和實(shí)時曲線的生成學(xué)生簽字:２0１1年１0月21日教師評語及指導(dǎo)意見：指導(dǎo)教師簽字：２０1１年10月21日工作計劃執(zhí)行情況畢業(yè)設(shè)計（論文）修訂與完善任務(wù)完成情況：通過同學(xué)的幫組下以及自己在圖書館閱覽相關(guān)書籍，基本形成了一個總的設(shè)計思路,再結(jié)合所選課題，能夠初步地建立一個系統(tǒng)整體框架，根據(jù)系統(tǒng)框架來選取合適的元器件,初步形成了整個系統(tǒng)的硬件部分的模塊的選擇.學(xué)生簽字：20１1年１2月２3日教師評語及指導(dǎo)意見:指導(dǎo)教師簽字:2０11年12月23日工作計劃執(zhí)行情況畢業(yè)設(shè)計（論文）修訂與完善任務(wù)完成情況：把初稿上交給齊老師,通過和老師溝通交流從論文格式到論文的邏輯安排，再到具體細(xì)節(jié)，論文一點(diǎn)一點(diǎn)開始完善。學(xué)生簽字:2０12年6月１5日教師評語及指導(dǎo)意見：指導(dǎo)教師簽字：２0１２年6月１5日工作記錄（教師答疑、工作記事等)內(nèi)容提要:年月日內(nèi)容提要：年月日內(nèi)容提要：年月日內(nèi)容提要：年月日內(nèi)容提要：年月日檢查記錄教學(xué)院長(簽字)：年月日摘要本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求,設(shè)計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器等構(gòu)成。本系統(tǒng)包含四臺水泵電機(jī),它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式.采用變頻器實(shí)現(xiàn)對四相水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速.壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，送入PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供水量,最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。通過工控機(jī)與PLC的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警的查詢.關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 恒壓供水PLCABSTRACTAccordingtotherequirementofChina’surbanwatersupply，thispaperdesignsasetofwatersupplysystemoffrequeceycontrolofconstantvoltagebasedonPLC，andhavedevelopedgoodoperationmanagementinterfaceusingSupervisionControlandDataAcquisition.ThesystemismadeupofPLC，transducer,unitsofpumps,pressuresensorandcontrolmachineandsoon。Thissystemisformedbythreepumpgenerators，andtheyformthecirculatingrunmodeoffrequencyconversion.Withgeneralfrequencyconverterrealizeforthreephasepumpgeneratorsoftstartwithfrequencycontrol，operationswitchadoptstheprincipleof”startfirststopfirst”。Thedetectionsignalofpressuresensorofhydraulicpressure,viaPLCwithsetvaluebycarryoutPIDcomparisonoperation，so，controlfrequencyandtheexportvoltageoffrequencyconverter,andthentherotationalspeedthatchangespumpgeneratorcometochangewatersupplyquantity，eventually，itisnearbytomaintainpipenetpressuretostabilizewhensetvalue。ThroughworkcontrolmachinetheconnectionwithPLC,withgroupformsoftwareconsummatelysystematicmonitoring,haverealizedoperationstatedevelopmenttoshowanddata,reporttothepoliceinquiry。Keywords:Variablefrequencyspeed—regulatingConstant-pressurewatersupplyPLC目錄TOC\o”1-2”\h\z\uHYPERLINK\l”_Toc233100241"第一章緒論.。。.....。。.。...。..。。。............。。.。。。。..。..。.。。。。。.。.。。1HYPERLINK\l”_Toc233100242"1.1課題的提出.。.。.。。.。.。。。....。.。。.。。。.。...。。..。。.。。.。.。.。.。。.。.11。2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.。。。。...。.。....。..。.。..。.。.。。2HYPERLINK\l”_Toc233100245”1.3本課題的主要研究內(nèi)容。。。...。.。.。.。。。..。.。。.。...。。.。。.。。。......3第二章系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定。..。。。.。.。。.。。。。.。..。。。。。.。。。....4HYPERLINK\l”_Toc233100247"2。1變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析.。..。。。。.。。。..。。.。..。。....。.。。。.。.。4HYPERLINK\l”_Toc233100247"2.1.1電動機(jī)的調(diào)速原理...。。.。。..。。.。..。。。...。...。.。...。..。.。。42.1。2變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理..。。.。。..。。。....。.。。。。。。。。。。。4HYPERLINK\l”_Toc233100247”2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析.。...。...。.....。.。..。.。。。.。。.。。。。。.5HYPERLINK\l”_Toc233100248"2。2。1控制方案的比較和確定....。。。.。.。..。.。..。.。。...。.。.。..。。。5HYPERLINK\l”_Toc233100248"2.2.2變頻概述....。.。.。.。...。.。。..。..。..。。..。.。.。.。。。..。。。...6HYPERLINK\l”_Toc233100248"2。2。3變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成和原理圖.。..。。。..。..。....。.。。...。72.2。4變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程....。。。。..。.。.。。..。..。。.。。.。.。。9第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計。。。...。。......。.。...。。。.。。。.。.。。..。...。.。.。。..113。1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型。.。.。..。.。..。.。。。..。。....。.。.。。。。....。。。..11HYPERLINK\l”_Toc233100248”3.1。1控制方案的比較和確定。.。....。.。。.。.。。。。..。。.。.。.。..。。。.113。1.2歐姆龍CP1EPLC簡介.。.。.。。。..。.。.。.。。..。。.。.。。。.。。...133。1.3PLC及其模塊的選型.。。。..。..。。.。。。。。....。.。。..。。..。。。。.14HYPERLINK\l”_Toc233100250"3。1.4變頻器的選型..。..。。..。。.。。。.。。..。..。..。.。。.....。。.。..。14HYPERLINK\l”_Toc233100250”3.1。5水泵機(jī)組的選型。.。。。。..。.。。.。。。。.。.。..。。....。。...。。..。.153.1.6壓力變送器的選型.。。.。。.。....。。。.。.。...。..。.。。..。。。..。.153.1.7液位變送器的選型...。.....。。。。..。...。。...。....。。.。。...。16HYPERLINK\l”_Toc233100251”3.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計...。。..。.。。..。。..。...。。.。。。....。。。..。。163。4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖..。。。.。.。。。。。。。。.。。。。.。...。..。19第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計.....。。。。。。..。。。.。。...。.。。.。.。。.。。。。。。。。...。.。22HYPERLINK\l”_Toc233100255"4。1系統(tǒng)軟件設(shè)計分析...。。。。..。。...。..。..。..。。。。。。..。。。。。。.。..。。。22HYPERLINK\l”_Toc233100256”4。2PLC程序設(shè)計。.。。.。。.。。。.。.。。。....。..。.。。。。。。。.。。..。。。。。.。。..23_Toc233100256"4。2。2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計...。。。.。...。。。。.。..。......。..。..。。..26HYPERLINK\l”_Toc233100257"4.3PID控制器參數(shù)整定。。.。。。..。。。。。..。。..。。。。。.。。。....。。。。.。.。。。354。3。1PID控制及其控制算法。。.。。..。。。.。。。。.。.。。.。。...。.。。。。。.35HYPERLINK\l”_Toc233100257"4。3.2PID參數(shù)整定。。.。..。。。。。.。。。.。..。。。。。。.。。。.。.。.。..。。。。.36HYPERLINK\l”_Toc233100241”第五章結(jié)束語。。。.。.。..。..。。。。.。。....。。。.。.。...。。。。.。。.。。。.。。。.。.。.。38致謝...。......。.。.。。。.。..。.。.。。.....。.。.。.。.。..。.。。。。.。。..。...。.。..40附錄。。......。。..。....。.。。.。.。。...。..。...。.。.。。...。..。。。。.。。。。。。..。。41HYPERLINK\l”_Toc233100267"附錄圖1主電路圖.。.。.。。。。.。.。.。..。。。。。.。.。..。。。.....。。。。.。..。。..41附錄圖2控制電路圖....。.。.。...。.。。。。.。。。.....。。。...。。.。.。.。.。.。。42附錄圖4主程序梯形圖。.。。。.。。.。...。。。。。.。。.。。。。。.。.。..。...。.。.。..44第一章緒論1.1課題的提出目前,居民生活用水和工業(yè)用水日益增加。由于居民日常用水和工業(yè)用水會隨季節(jié)、晝夜等變化而隨之發(fā)生變化，如采取傳統(tǒng)的供水方式不僅影響生活也不利于資源的優(yōu)化配置。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需求，為了能更合理的分配資源，使能最大限的為人們所用，可采用變頻恒壓供水方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供水系統(tǒng)，以達(dá)到供水穩(wěn)定，滿足人們需求，合理優(yōu)化分配等目的。本文介紹的是關(guān)于變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計,因?yàn)樽冾l恒壓供水系統(tǒng)有高效節(jié)能，恒壓供水，安全衛(wèi)生，自動運(yùn)行，管理簡便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)在的國民需求。變頻恒壓供水系統(tǒng)根據(jù)用水量的變化,自動調(diào)節(jié)運(yùn)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是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速是現(xiàn)在優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式（如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等)的技術(shù),是當(dāng)今國際上一項(xiàng)效益最高、性能最佳、應(yīng)用廣泛、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。它采用了微機(jī)控制技術(shù)，電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動機(jī)的無極調(diào)速,具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn).以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，組合靈活，變成簡單，維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性,這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計系統(tǒng)，對于調(diào)高企業(yè)效率以及人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1。2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)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。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求的不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。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(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況,因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹弗斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后,隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)先以及顯著地節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)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，像瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件繼承在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能,只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機(jī)的供水系統(tǒng).但是也有其缺點(diǎn)，就是輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此適用范圍受到限制.目前國內(nèi)有不少公司都在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用PLC及相應(yīng)軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司（現(xiàn)已改名艾默生)和成都希望集團(tuán)（森蘭牌變頻器）也推出了恒壓供水專用變頻器（5。5Kw—22kW)，無需外接PLC盒PID調(diào)節(jié)器，坑完成最多四臺水泵的循環(huán)切換、定時起動、停止和定時循環(huán)（丹麥丹弗斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺水泵機(jī)組的切換）。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn),但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量,同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量,控制要求不高的供水場所?？梢钥闯?目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究設(shè)計中，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)一步淡淡的研究改善，使其能更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。1。3本課題的主要研究內(nèi)容設(shè)計是以供水系統(tǒng)為設(shè)計對象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，并引用計算機(jī)對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，保證供水系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。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、和水泵機(jī)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4臺泵，大泵電動機(jī)功率均為220KW，小泵功率均為160KW;所有泵可設(shè)計成變頻循環(huán)軟啟動的工作方式；采用PID算法實(shí)現(xiàn)水壓的閉環(huán)控制；歐姆龍S7—200型系列PLC控制變頻及現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行；系統(tǒng)具有自動/手動操作功能；具有故障自診和自處理能力，對過流，欠壓，過壓等變頻器故障均能自行診斷,并發(fā)出報警信號。根據(jù)以上控制要求,進(jìn)行系統(tǒng)的總控制方案設(shè)計。硬件設(shè)備選型、PLC選型、估算所需I/O點(diǎn)數(shù),進(jìn)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(diǎn)數(shù)，列出I/O分配表，設(shè)計梯形圖控制程序,對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。第二章系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析2。1.1電動機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī),而其轉(zhuǎn)速公式為：(2—1)式中：f表示電源頻率，p表示電動機(jī)極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有:(1）改變電源頻率（2）改變電機(jī)極對數(shù)（3)改變轉(zhuǎn)差率改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著,效率高，但需要專門的變極電機(jī),是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗［7］,且成本高而影響它的推廣價值。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。根據(jù)公式可知,當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化.隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用.變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成.通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體,通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速.異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在供水系統(tǒng)中,通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量,水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量,而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變,但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機(jī)加速,用水量減小時電機(jī)減速.2。2變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定2.2。1控制方案的比較和確定恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換,同時還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇：（1)有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能.它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實(shí)現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求,在調(diào)試時,PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難,調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量,因此僅適用于要求不高的小容量場合。（2）通用變頻器+單片機(jī)（包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制）+人機(jī)界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便,具有較高的性價比,但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運(yùn)行時,將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。（3）通用變頻器+PLC（包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,通用性強(qiáng);由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng).在硬件設(shè)計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時,可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高,因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng).這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn),又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求.變頻器概述變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)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。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求的不同時,保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制.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(jī)組的方式,幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況,因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹弗斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)先以及顯著地節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)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，像瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件繼承在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機(jī)的供水系統(tǒng)。但是也有其缺點(diǎn)，就是輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高,與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信,并且限制了帶負(fù)載的容量，因此適用范圍受到限制。目前國內(nèi)有不少公司都在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制,有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用PLC及相應(yīng)軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司（現(xiàn)已改名艾默生)和成都希望集團(tuán)(森蘭牌變頻器）也推出了恒壓供水專用變頻器(5.5Kw—22kW），無需外接PLC盒PID調(diào)節(jié)器，坑完成最多四臺水泵的循環(huán)切換、定時起動、停止和定時循環(huán)（丹麥丹弗斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺水泵機(jī)組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn),但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所?？梢钥闯觯壳霸趪鴥?nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究設(shè)計中，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)一步淡淡的研究改善，使其能更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中.2.2.3PLC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(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2-1所示:圖2-1變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為:（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài),用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時)的情況下投入工作。（2)信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果可以送給PLC,作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時,控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器;報警信號反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。(3)控制機(jī)構(gòu):供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系統(tǒng)）、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元,其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率,完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50Hz時,其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出,將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時,系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵,變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇，本設(shè)計中采用前者。作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障,因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別,進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失.變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù).所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示：圖2—2變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時地測量參考點(diǎn)的水壓,檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為4—20mA的電信號，此檢測信號是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定,實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。2。2.4變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下：（l)系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值,這期間Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。（2）當(dāng)用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大,變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個新的穩(wěn)定值。反之,當(dāng)用水量減少水壓增加時,通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。(3）當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力,并且滿足增加水泵的條件時，在變頻循環(huán)式的控制方式下,系統(tǒng)將在PLC的控制下自動投入水泵M2(變速運(yùn)行），同時變頻泵M1做工頻運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止.如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另兩臺工頻泵M3、M4依次投入運(yùn)行,變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。(4）當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率,用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值,并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵M2關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值.當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換,將另兩臺工頻泵M3、M4根據(jù)先啟先停原則依次關(guān)掉.2。2。5在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵己運(yùn)行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力,此時需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力,此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機(jī)組不過于頻繁的切換呢？由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值,最低只能是0HZ.其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中,變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運(yùn)行的電機(jī)一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了,實(shí)際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個頻率遠(yuǎn)大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20HZ左右.所以選擇50HZ和20HZ作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。當(dāng)輸出頻率達(dá)到上限頻率時，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。若出現(xiàn)時就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。在極端的情況下,運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機(jī)組將一直這樣投入—切出-再投入-再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中,實(shí)際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩.這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命.另外,實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實(shí)際壓力的測量值有尖峰,這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。所以，在實(shí)際應(yīng)用中,相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下：加泵條件:且延時判別成立（2-2）減泵條件:且延時判別成立(2—3）式中：：上限頻率：下限頻率:設(shè)定壓力：反饋壓力第三章系統(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(kuò)展模塊、（2)變頻器、（3）水泵機(jī)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：表3-1本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號可編程控制器(PLC）OrmonCP1E-E-40DR模擬量擴(kuò)展模塊OrmonCP1W—AD041CP1W-DA041變頻器SiemensMM440水泵機(jī)組水泵3臺壓力變送器及顯示儀表普通壓力表液位變送器分體式液位變送器3。1。1P可編程控制器，簡稱PLC(ProgrammableLogicController）,是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置.在1987年國際電工委員會(InternationalElectricalCommittee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下定義:“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(yùn)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(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)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(kuò)展其功能的原則而設(shè)計.PLC控制程序采用ORMON公司提供的CX-ONE編程軟件開發(fā).該軟件的指令集包含三種語言，即語句表(STL）語言、梯形圖（LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言。語句表（STL）語言類似于計算機(jī)的匯編語言,特別適合于來自計算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言.梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖,是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機(jī)語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具.功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似,功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端,輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。PLC控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機(jī)上完成，編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成,是通過在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的.世界上公認(rèn)的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能.20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言［5],并將參加運(yùn)算及處理的計算機(jī)存儲組件都以繼電器命名.此時的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物.20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī);從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合;從產(chǎn)品的配套能力來說,生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。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(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂等各個行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。3.1。2歐姆龍CP1EPLC簡介歐姆龍公司具有品種非常豐富的PLC產(chǎn)品.CP1E系列是傳統(tǒng)意義的PLC，屬于小型PLC，在1998年升級為第二代產(chǎn)品,2004年升級為第三代產(chǎn)品。1.特點(diǎn)(1）功能強(qiáng),有PID參數(shù)自整定、配方、數(shù)據(jù)歸檔等功能(2）先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)(3)靈活方便的尋址方法（4）功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件(5）簡化復(fù)雜編程任務(wù)的向?qū)Чδ?6)強(qiáng)大的通信功能(7)品種豐富的配套人機(jī)界面(8)有競爭力的價格(9)完善的網(wǎng)上技術(shù)支持3.1.3PLC及其擴(kuò)展模塊的選型PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心,它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇PLC時,要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少,因此PLC選用日本ORMON公司的CP1E型。CP1E型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊,價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。ORMON公司的PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好,又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)；PLC可以上接工控計算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。PLC和上位機(jī)的通信采用PC/PPI電纜，支持點(diǎn)對點(diǎn)接口(PPI）協(xié)議,PC/PPI電纜可以方便實(shí)現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù),可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù).根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的CP1E型PLC的主模塊為CP1E—E-40DR，其開關(guān)量輸出為16點(diǎn)，輸出形式為DC24V繼電器輸出;開關(guān)量輸入為24點(diǎn),輸入形式為+24V直流輸入.由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)3個，模擬量輸出點(diǎn)3個，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是CP1W-AD041CP1W-DA041，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，4個模擬輸出(AQW）信號通道.輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號;輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個字長（16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號.模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置.3.1。4變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能.根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載,低速運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。由于本設(shè)計中PLC選擇的歐姆龍CP1E型號,為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MM440變頻器。它是用于三相交流電動機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu),組態(tài)靈活,有多種完善的變頻器和電動機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的RS—485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進(jìn)行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性,低頻時也可以輸出大力矩。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0。75～90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號。另外選擇歐姆龍的變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與歐姆龍PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。3.1.5水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行,以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計的要求為：電動機(jī)額定功率75KW,供水壓力控制在0。3±0。01Mpa。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用3臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率75KW）。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件,經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5％以上;采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低（室外噪音60分貝）、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計，水力模型先進(jìn),性能更可靠.它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設(shè)計中選擇電機(jī)功率為75KW的上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵3臺。3。1。6壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V或4~20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊（A/D模塊）的輸入，在選擇時,為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4~20mA輸出壓力變送器.在運(yùn)行過程中,當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達(dá)不到,這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備(熱水器、抽水馬桶等)，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報警輸出。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計中選用普通壓力表Y-100和XMT—1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0～1Mpa，精度1。0；數(shù)顯儀輸出一路4～20mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235,作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號.3.1。7考慮到水泵電機(jī)空載時會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設(shè)計要求貯水池水位:2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(4～20mA電壓信號)，再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC.綜合以上因素：本設(shè)計選擇分體式液位變送器，其量程為：0m～200m,適用于水池、深井以及其他各種液位的測量;零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC;輸出信號：兩線制4~20mADC精度等級：0.25級。3。2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3-2所示：三臺電機(jī)分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1＃、2＃、3#.接觸器KM1.0、KM1.1、KM1.2分別控制M1、M2、M3的運(yùn)行。圖3-2變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)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(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)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)四臺水泵都可輪流做變頻泵。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(diǎn)接至電機(jī).主電路中的斷路器器除接通電源外，同時實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動機(jī)的過載保護(hù)其實(shí)現(xiàn).3.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計系統(tǒng)實(shí)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(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用歐姆龍公司CP1E系列PLC，它體積小,執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越.PLC主要是用于實(shí)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(yùn)行;能在三臺水泵之間實(shí)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(yùn)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(yùn)行時，可用按鈕SB1~SB8控制四臺水泵的啟/停;自動運(yùn)行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。圖3-3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細(xì)介紹.本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運(yùn)行過程如下:（1）手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機(jī)故障的檢測與維修.SB1。0接通時開啟手動控制模式，此時可以通過按鈕分別控制三臺水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。SB1。4按下時由于KM1。0常閉觸點(diǎn)接通電路使得KM1.0的線圈得電，電機(jī)M1可以穩(wěn)定的運(yùn)行。只有當(dāng)SB1。5按下時才會切斷電路，KM1。0線圈失電，電機(jī)M1停止運(yùn)行。同理,可以通過按下SB1。6、SB1。8啟動電機(jī)M2、M3，通過按下SB1。7、SB1。9來使電機(jī)M2、M3停機(jī)。(2)自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。SB1.2接通時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC程序控制。3.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖序號輸入輸出地址標(biāo)簽定義地址標(biāo)簽定義10.00SB1。0手動模式100。00KM1。01#泵機(jī)啟動20。01SB1.1自動模式100。01KM1。12＃泵機(jī)啟動30.02SB1.2自動啟動按鈕100.02KM1.23#泵機(jī)啟動40。03SB1。3自動停止按鈕50。04SB1。41＃泵機(jī)啟動按鈕60.05SB1。51＃泵機(jī)停止按鈕70.06SB1.62＃泵機(jī)啟動按鈕80.07SB1。72#泵機(jī)停止按鈕90。08SB1.83＃泵機(jī)啟動按鈕100.09SB1.93＃泵機(jī)停止按鈕11表3—2輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號基于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(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小,系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。(2）在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運(yùn)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。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有3個數(shù)字量輸出信號和3個模擬量輸出信號。Q100.00~Q100.02分別輸出三臺水泵電機(jī)的運(yùn)行信號；AQW0—AQW2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(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)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(hù)措施；（4）系統(tǒng)的保護(hù)措施等。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(shí)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(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波.（2）多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機(jī)均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用,多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個管理規(guī)范。在本設(shè)計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過3h，因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。具體的操作是：將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行,將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動.除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計中使用泵號加1的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。（3)程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)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(shí)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%。4.2PLC程序設(shè)計4。2。1PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動程序、水泵電機(jī)變頻/工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量（壓力、頻率）比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。（1)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(jìn)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(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測,如出錯則報警，接著對變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理,賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實(shí)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).（2)增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序當(dāng)PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率（或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運(yùn)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(fù)位變頻器為軟啟動做準(zhǔn)備，同時變頻泵號加一,并產(chǎn)生當(dāng)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(yùn)行。當(dāng)只有一臺變頻泵長時間運(yùn)行時，對連續(xù)運(yùn)行時間進(jìn)行判斷,超過3h則自動倒泵變頻運(yùn)行.(4）各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1＃水泵為例進(jìn)行說明。當(dāng)?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(fù)位1＃水泵變頻運(yùn)行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時，Q100。00置1，使1#水泵變頻運(yùn)行。(5）各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序水泵的工頻運(yùn)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(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進(jìn)行說明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動脈沖后，若當(dāng)前2＃泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3＃泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，則Q100。00置1，KM1.0線圈得電，使得KM1.0常開觸點(diǎn)閉合，1#水泵運(yùn)行。(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(yùn)行指示燈以及報警電鈴.當(dāng)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(diǎn)亮。故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運(yùn)行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。圖4—1變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖主程序流程圖如圖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(yùn)行控制做詳細(xì)介紹，因此圖4—2和圖4—3對其作了完整的補(bǔ)充。其中圖4—2是以2＃泵為例的變頻運(yùn)行控制流程圖，圖4-3是以2＃泵為例的工頻運(yùn)行控制流程圖。1＃、3＃、4#泵的運(yùn)行控制情況與2#泵相似。圖4—22＃泵變頻運(yùn)行控制流程圖圖4-32＃泵工頻運(yùn)行控制流程圖4.2.2圖4—6變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖4.3PID控制器參數(shù)整定4.3.1PID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(shí)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,控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn).PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t）和實(shí)際輸出值y（t）之間的偏差e(t)：(4-1）經(jīng)比例（P）、積分(I)和微分(D)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量u（t)，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器.系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-7所示,圖中u（t）為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。圖4-7PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為:（4—2）式中：Kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式:（4—3）PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下:(1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(t）一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用,以減少偏差,但不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)Kp的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2）積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)。只要偏差存在,控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零.積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱,易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。(3)微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減少調(diào)節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性.自從計算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字PID控制算法是通過對式（4—2）離散化來實(shí)現(xiàn)的。以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID位置控制算法表達(dá)式：（4—4）式中：T為采樣周期;n為采樣序號;e(n)為第n時刻的偏差信號；e(nl)為第n1時刻的偏差信號。實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為：（4—5）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。4。3。2控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類:理論計算整定法與工程整定法,常用的工程整定法有：動態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)整定法,本設(shè)計選用的是動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥WV（s)、被控對象WO（s)和測量變送Wm(s）)階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計算的方法。本系統(tǒng)是一個單閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖4.8所示。圖4.8恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由于本設(shè)計對壓力控制的要求較高，故選擇PI控制器，其傳遞函數(shù)為：（4—7)本系統(tǒng)可近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，假設(shè)其過程傳遞函數(shù)為；變頻器可近似為一個比例環(huán)節(jié),即；反饋回路傳遞函數(shù)為.由于本系統(tǒng)具有自衡能力，與公式（4—8）、(4—9)可求的PI控制器各參數(shù).當(dāng)時，(4-8)(4—9)計算的：，PI控制器的傳遞函數(shù)為：用matlab軟件仿真，編程如下:s1=tf（2，［300，1］);s2=tf([240，1],[720，0])；sk=s1*s2*50;s=feedback(sk，0.03)；step(s）;第五章結(jié)束語本文針對城市小區(qū)供水的特點(diǎn)，設(shè)計開發(fā)了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單臺變頻器實(shí)現(xiàn)多臺水泵電機(jī)的軟起動和調(diào)速，摒棄了原有的自耦降壓起動裝置，同時把水泵電機(jī)控制納入自動控制系統(tǒng).壓力變送器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié),保證管網(wǎng)壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且具有工作可靠、施工簡單、節(jié)能效果顯著、全自動控制、無二次污染等優(yōu)點(diǎn).本文主要的工作如下：(1）由PLC、變頻器實(shí)現(xiàn)生活用水的恒壓控制。系統(tǒng)采用PLC實(shí)現(xiàn)對多泵切換的控制。通過變頻器實(shí)現(xiàn)對三相水泵電機(jī)的軟啟動,由電動機(jī)的變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)對水壓的調(diào)節(jié).（2)通過對控制過程和原理的分析，利用歐姆龍CX—ONE編程軟件設(shè)計了一個用于恒壓供水系統(tǒng)的程序。（3）對上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。根據(jù)泵站監(jiān)控要求,利用組態(tài)王軟件完成了泵站組態(tài)監(jiān)控畫面的各個功能的設(shè)計,系統(tǒng)界面清楚明了，易于操作,能動態(tài)地顯示當(dāng)前運(yùn)行情況、當(dāng)前水壓以及故障情況.通過本次畢業(yè)設(shè)計，不僅使我鞏固了對原有知識的掌握，還拓寬了我的知識面.在提高自己的同時，我也更加清楚的認(rèn)識到自己的一些不足之處。比如:在硬件設(shè)備之間的連接，I/O端口的分配，地址的分配這幾方面自己起初不是很了解，但經(jīng)過這半年的自學(xué)，以及向老師、同學(xué)們請教，我對這些知識有了更深入的理解.通過這半年的實(shí)踐和學(xué)習(xí),我學(xué)到了很多課本中無法涉及到的知識,體會到了工程設(shè)計的復(fù)雜與困難，也感受到