毕业设计（论文）基于PLC的恒压供水控制系统

1、上海电机学院毕业设计（论文）课题名称 基于plc的恒压供水控制系统 学 院 电气学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 2012 年 4月5日2目 录第1章 绪 论1 1.1 文献综述1 1.2 选题背景及其意义21.3 国内外在该方向的研究概况41.4 本文的主要研究内容5第2章 系统总体分析和设计62.1 系统概述62.2 恒压供水系统的节能原理62.3 恒压供水系统硬件设计8第3章 器件的选型及介绍123.1 可编程控制器plc123.1.1 简介plc的产生123.1.2 简介plc的发展状况及其发展趋势123.1.4 简介plc的应用领域133.1

2、.5 plc的工作过程133.1.6 plc的选型143.2 变频器143.2.1 变频器的构成143.2.2 变频器的特点183.2.3 变频器的接线193.3 pid调节器203.4 压力传感器的接线图223.5 原件表23第4章 plc控制及编程254.1 plc控制25摘要本论文针对上海某住宅小区的供水要求，设计了一套由plc、变频器、远传压力表、多台水泵机组、等主要设备构成的全自动变频恒压供水，具有全自动变频恒压运行、自动工频运行、和现场手动控制等功能。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，并具有多种辅助功能，增强了系统的可靠性。论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的

3、阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器内置pid模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取pid调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。关键词：恒压供水，plc，变频调速第页 abstract according to the requirement of water supply in a abiding place of shanghai, a set of automatic system of constant pressure water supply by using variable

4、 frequency andremote monitoring and controlling, which is composed of plc,transducer, pressuresensor, pumps and electro-motors, computer and device of communication is designed tothat end. this set of system has the functions like automatic constant pressure operationby using variable frequency, aut

5、omatic work frequency operation, and the function oflong-range control by hand and the on-the-spot control by hand etc. the system hassolved efficiently the problem existing in the traditional way of water supply, which hasvarious supplementary functions to strengthen the reliability. based on that

6、the three side of the pump water delivery rate and the pump rotationalspeed become direct ratio, the paper analyses the mechanism of energy saving that theway of water supply by using the method of variable velocity variable frequency issuperior to the traditional way of constant pressure water supp

7、ly controlled by valve.setting up in advance the parameter of the ph) modular built-in the transducer,a systemof closed circuit using the feedback of hydraulic pressure of far biography pressure tablehas formed. according to the change of water consumption, with pid, in the sphere ofwhole rate of fl

8、ow, combining the constant regulation of the pump of frequency conversion with the work frequency pump grade regulation, the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently. key words: constant pressurewater-supply, plc, variable velocity variable

9、frequency第页第1章 绪 论1.1 文献综述随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断提高，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的经济性、可靠性、稳定性直接影响到小区住户的正常生活和工作，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要1。本文的供水系统主要用于小区生活用水，其水量主要集中早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，属连续型低流量变化型。这

10、类型用水需求在较长时间段表现为低流量，相对于设计流量有较大的余量，采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30%。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，平稳、噪声小2。由于用水呈低流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少;其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响

11、系统供水，小泵的维修更换也方便;其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量;其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的plc通过编程来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、pid调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，开启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。综上所述，系统

12、可分为执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：l)执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由变频泵和附属小泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定附属小泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下(例如：夜间)对管网用水量进行少量的补充。在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，使水泵选型容易，同时这种结构更适合于大功率的供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，只要再增加恒速泵即可以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低

13、系统成本，增加系统运行可靠性附属小泵的加入，使系统在用水量很低时(如：夜间)可以停止所有的主泵，用小泵进行补水，降低系统的运行噪音在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。2)信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号。水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入plc时，需进行a/d转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给plc，作为数字量输入液位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效

14、时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。3)控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(plc系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制3。1.2 选题背景及其意义众所周知，水是人类生活

15、、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低4。传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变

16、频调速供水系统等方式，其优、缺点如下5：1、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水

17、泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。4、液力祸合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修，优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。 5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源，效率低；可靠性差；自

18、动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗6。plc变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这

19、在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。 1.3 国内外在该方向的研究概况变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动

20、多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像瑞典、瑞士的abb集团推出了hvac变频技术，法国的施耐德公司就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。它将pid调节器和plc可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现plc和pid等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元

21、，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多七台电机(泵)的供水系统。这类设备虽然说是微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如ba系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速，水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(plc)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远

22、远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团森兰牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接plc和pid调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换定时起动、停止和定时循环(月麦丹佛斯公司的vlt系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容

23、性(emc)的变频但压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践中。采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以母管(市政来水管)进口压力保持恒定为条件。实际上，给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态.变频调速是优于以往任何一种调速方式(如调压调

24、速、变极调速、串级调速等)，是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术;电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合plc组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。1.4 本文的主要研究内容系统的功能包括：（1）：利用plc控制，结合pid调节功能，通过变频调速实现自动恒压供水。（2）：现场手动控制功能：是指通过现场按钮来人工控制电机工频、变频运行，这一方式完全通过电气控制线路设计来实现，plc不参与，主要用用于检修、调试及p

25、lc故障时的运行。（3）：水泵故障锁定功能。（4）：报警功能。第27页第2章 系统总体分析和设计本章从系统概述、变频恒压供水的节能原理和系统的硬件设计三个方面对该系统进行了总体分析说明。2.1 系统概述如图2.1所示，为该系统的供水流程。图2.1 供水流程简图随着变频技术的发展和人们对生活饮水品质要求的提高，变频恒压供水系统一起环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，

26、对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。2.2 恒压供水系统的节能原理在变频恒压供水系统中, 关键是对水泵的控制.泵的转速 n 与流量q、 扬程 h 及泵的轴功率n 的关系如下式所示： (1) 泵用电

27、动机驱动时,电动机功率 p 可用下式表示: (2)式中: 泵的流量 q 和扬程h 的关系曲线见图2.2 . 曲线、 分别对应转速n1 、 n2( n1 n2) 时的 h - q 特性曲线, 曲线、 为管阻特性曲线. 当调节流量时, 通常采用调节阀门和变频调速两种方式.图2.2 泵的流量 q 和扬程h 的关系曲线 假设泵的额定工作点为 n 点, 额定流量 qn 为100 % ,此时轴功率 p1 与图中 qnnhn0 区域面积成正比.(1) 调节阀门法当流量从 qn 减小到qa 时,采用调节阀门法, 管阻特性曲线从 切换至 , 扬程 h 增大, 工作点由 n 切换至 a. 此时轴功率 p2 与图中

28、 qahaa 0 区域面积成正比.(2) 变频调速法由式( 1) 可知,泵的流量 q 与转速n 成正比, 要将流量从 qn 减小到qa 时,可将泵转速从 n1 降至n2 , 工作点从 n 切换至b, 扬程h 减小. 在同样流量qa 下, 轴功率 p3 与图中 qahbb 0 区域面积成正比. 由图可知,p3 p2 ,在同样流量qa 下, 采用调速法节省的轴功率与图中阴影部分( bahahb) 区域面积成正比, 节能效果非常明显.对于电机的转速,可用下式表示:式中: n 电机转速,r/ m in ;f 电源频率,h z ;p 电机极对数;s 转差率.因此,当调节泵的流量时, 通过改变频率调节电机

29、速度,即采用变频调速法, 比采用调节阀门法节能.2.3 恒压供水系统硬件设计2.3.1 供水系统的构成 图2.3 供水系统方案图如下图2.4所示，整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台plc和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台水泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈05v电压信号）或压力变送器（反馈420ma电流）；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无级调速、无波动稳压的效果和各项功能。从原理框图，可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统

30、、以及报警装置等部分组成。 图2.4 系统原理图（1） 执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图中的3个水泵分为2种类型：调速泵：是由变频调速控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。恒速泵：水泵运行只在工频状态，速度恒定。它们用于在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。（2） 信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号：水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常。该信号为开关

31、量信号。（3） 控制系统供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（plc系统）、变频器和电控设备三个部分。供水控制器：它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。变频器：它是对水泵进行转速控制的单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电器元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换。（4）

32、人机界面人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定值，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运行过程进行监视，对报警进行显示。（5） 通讯接口通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通信接口，还可以将现代先进的网络技术用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等（6） 报警装置作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止

33、因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此必须要对各种报警量进行监测，由plc判断报警类别，进行保护动作控制，以免造成不必要的损失2.3.2 供水系统的主电路接线及其工作原理 图2.5 系统主接线图由图2.5可知，电机有两种工作模式即：在工频电下运行和在变频电下运行。km1、 km3、 km5 分别为电动机m1 、m2 、m3 工频运行时接通电源的控制接触器，km0、 km2 、km4 分别为电动机m1、m2、 m3 变频运行时接通电源的控制接触器。热继电器(fr)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中的用作电动机的过载保护。熔断器（

34、fu）是电路中的一种简单的短路保护装置。使用中，由于电流超过允许值产生的热量使串接于主电路中的熔体熔化而切断电路，防止电气设备短路和严重过载。第3章 器件的选型及介绍本论文设计主要用到plc（即可编程逻辑控制器），变频器，pid调节器，压力传感器及其他辅助元器件，本章主要介绍这些器件的选型及相关介绍。3.1 可编程控制器plc可编程控制器是60年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，简称plc。3.1.1 简介plc的产生20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通

35、用汽车公司（gm）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：（1）编程方便，可现场修改程序；（2）维修方便，采用插件式结构；（3）可靠性高于继电器控制装置；（4）体积小于继电器控制盘；（5）数据可直接送入管理计算机；（6）成本可与继电器控制盘竞争；（7）输入可以是交流市电（115v）（美国电压标准）（8）输出为交流115v，容量要求在2a以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；（9）扩展时原系统改变小；（10）用户程序存储器至少能扩展到4kb。这就是著名的“gm十条”。1969年美国数字设备公司（dec）中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器。（programmable logic

36、controller, 简称plc）。16位和32位微处理器的应用，使plc得到了惊人的发展，现在已经成为自动化技术的三大支柱之一。3.1.2 简介plc的发展状况及其发展趋势现在的plc产品已经使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通信技术使plc的应用得到进一步发展。plc的技术已经非常成熟。目前，世界上有200多个厂家生产plc产品。比较著名的有美国的ab、通用（ge）、莫迪康（modicon）、日本的三菱（mitsubishi）、欧姆龙（omron）、富士电机（fuji）、松下电工、德国的西门子（siemens）、法国的te、施耐德（schneider）、

37、韩国的三星（samsung）、lg等。plc总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几方面：(1). 向小型化、专用化、低成本方向发展(2). 向大容量、高速度方向发展(3). 智能型i/o模块的发展(4). 基于pc的编程软件取代编程器(5). plc编程语言的标准化(6). plc通信的易用化.(7). 组态软件与plc的软件化(8). plc与现场总线相结合3.1.4 简介plc的应用领域目前plc在国内外广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保和娱乐等行业。（1）顺序控制例如：注塑机械、印刷机械

38、、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等等。（2）运动控制（3）过程控制plc能控制大量的过程参数，例如：温度、流量、压力、液位和速度。（4）数据处理（5）通信联网3.1.5 plc的工作过程plc是在系统软件的控制和指挥下，采用循环顺序扫描的工作方式，其工作过程就是程序的执行过程，它分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，如图3.1所示。3.1 plc的扫描工作过程plc在i/o处理方面必须遵守的规则如下：输入映像寄存器的数据，取决于输入端子板在上一个刷新时间的状态；程序如何执行，取决于用户所编的程序和输入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需软元

39、件的状态；输出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的状态，由输出指令的执行结果决定。输出锁存器中的数据，由上一个刷新时间输出映像寄存器的状态决定；输出端子上的输出状态，由输出锁存器中的状态决定。3.1.6 plc的选型水泵m1、m2，m3可变频运行，也可工频运行，需plc的6个输出点，变频器的运行与关断由plc的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用plc2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机

40、是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需的输入输出点数量共为24个点。本系统选用fxos-30mr-d型plc。3.2 变频器3.2.1 变频器的构成通常由变频器主电路（igbt、bjt、或gto作逆变元件）给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还应包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损失外，还应保护异步电动机及传动系统等图3.2 变频器的构成1.主电路给异步电动机提供调压调频电源的电力变

41、换部分，称为主电路。图3.4所示是典型的电压逆变器的例子，其主电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆变时产生的电压脉动的“平波回路”以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加“制动回路”。 整流器最近大量使用的是二极管的交流器，图3.4所示，它把工频电源变换为直流电源。可用两组晶体管交流器构成可逆变流器，其功率方向可逆，可以再生运转。 平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电压吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路的

42、构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。 逆变器同整流器相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所需要频率的交流功率，根据pwm控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。图3.3以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。图3.3 电压型逆变器的输出电压制动回路异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量储存于平波回路电容器中，使直流电压升高。一般说来，由机械系统（含电动机）惯量积蓄的能量比电容能储存的能量大，需要快速制动时，可用由逆变流器向电源反馈或设置制动回路（开关和电阻）把再生功率消耗掉，以免直流电路电压上升。图3.4 典型的电压型逆变器一例2

43、. 控制电路给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.2所示，控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。在图3.2点划线内，仅以控制电路a部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制。在控制电路b部分增加了速度检测电路，即增加了速度指令，可以对异步电动机的速度进行控制更精确的闭环控制。控制电路主要包括：运算电路将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、功率。 电压/

44、电流检测电路与主电路电位隔离，检测电压、电流等。 驱动电路为驱动主电路 器件的电路。它使主电路器件导通、关断。 速度检测电路以装在异步电动机轴上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 保护电路检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。保护回路主要包括：（1）逆变器保护1）瞬时过电压保护。由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。2）过载保护。逆变器

45、输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。过负载是由于负载的gd2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。3）再生过电压保护。采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。4）瞬时停电保护。对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。5）接地过电流保护。逆变器负载侧接地时，为了保护逆变

46、器，有时要有接地过电流保护功能。但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。6）冷却风机异常。有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。（2）异步电动机的保护1）过载保护。过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。2）超频（超速）保护。逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。（3）其他保护1）防止失速过电流。急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路

47、动作，运转就不能继续进行（失速）。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。2）防止失速再生过电压。减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。3.2.2 变频器的特点变频调速特别是变频调速技术的发展，已使世界范围内的电气传动控制领域发生了根本性的变革，它是计算机控制技术、智能控制技术、电力电子技术等的综合产物。由于变频器具有高动态、高性能、大容量、节能等显著的特点，并以其优越的调速性能和节能优势得到广泛应用，并取得了客观的经济效益。国内外

48、的资料表明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能效率可达20%40%。节约了电费、降低了生产成本、减少了启动时对电网的冲击，改善了工作环境，并易于实现自动化，同时可根据生产工艺的要求控制的更准确、更快速。变频恒压供水系统主要有以下几个特点:1）高效节能变频调速恒压供水设备使整个供水系统始终保持最优工作状态节电率可达35%60% ，这一特点已被广大用户所认识并带来效益2）占地面积小，投人少，效率高采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地面积非常小，可以节省投资。另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低

49、等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了此变频恒压供水系统占地面积小，投人少，效率高。3）配置灵活，功能齐全，自动化程度高。4）安全卫生系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。5）管理简便变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、主泵定时轮换控制等功能，功能完善，自动运行，可以实现无人值守，节省了人力物力根据设计的要求，本系统选用fr-a540系列变频器3.2.3 变频器的接线管脚stf接plc的y7管脚，控制电

50、机的正转。x2接变频器的fu接口，x3接变频器的ol接口。频率检测的上/下限信号分别通过ol和fu输出至plc的x2与x3输入端作为plc增泵减泵控制信号。图3.5 变频器接线图3.3 pid调节器 在供水系统的设计中，选用了具有pid调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。在连续控制系统中，常采用proportional (比例)、integral(积分)、derivative(微分)控制方式，称之为pid控制。pid控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点:理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。pid控制器

51、是一种线性控制器，它是对给定值:r(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t) , e(t)= y(t)-r(t) (3-6)经比例(p)、积分(i)和微分(d)运算后通过线性组合构成控制量u(t)对被控对象进行控制，故称pid控制器。系统由模拟pid控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4.5所示，图中u(t)为pid调节器输出的调节量。图3. 7 pid控制原理框图pid控制规律为:（3-8）式中:kp为比例系数;ti为积分时间常数;td为微分时间常数。相应地传递函数形式:(3-9)pid控制器各环节的作用及调节规律如下: 1)比例环节:成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e(t

52、)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数kp的增大而减少比例系数过大将导致系统不稳定。 2)积分环节:表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数t , t,越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。 3)微分环节:对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个

53、有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的td对于干扰信号的抑制能力却将减弱。 pid的三种作用是相互独立，互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现pid控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字pid控制算法是通过对式离散化来实现的。用一系列的采样时刻点nt代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近