PLC控制的恒压供水系统

1、x毕 业 设 计 论 文plc控制的恒压供水系统the constant pressure water supply based on plc control学生姓名：指导教师： 信息工程学院本科毕业设计本 院 自动化 系 黄道义所提论文plc控制的恒压供水系统the constant pressure water supply based on plc control符合本科毕业设计论文要求、业经本委员会评审认可。答辩组成员：指导教师：院答辩委员会主任：教授plc控制的恒压供水系统 摘 要本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，开发出一种新型的并在这

2、三个方面都有所提高的plc控制的恒压供水系统。全文共分为五章。第一章阐明了恒压供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容。第二章对本系统的总体方案进行了介绍，其中包括系统的工艺要求，系统的组成和基本工作原理以及主要元器件的选型。第三章着重写控制系统的软硬件部分的基本原理。第四章介绍了系统的开发工作，对plc程序做了详细描述并介绍了过程控制中占据重要地位的pid调节原理及参数设置依据，方法。第五章是项目调试和小结部分，给出了调试结果。本论文综合运用了可编程控制器（plc）、变频器、传感器等现代工业控制常用的控制部件及其相关程序设计方法。所做的研究对同类系统的研究和开发具有一定的参考价值。关键词：

3、可编程序控制器 变频器 pidthe constant pressure water supply based on plc control abstractin the thesis, the disadvantages and problems need to be resolved of current supporting water system are briefly analyzed, and a new system, which has great advance in automation, reliability and saving energy, is studied

4、 and described.this thesis consists of five chapterschapter one clarifies the application background and significance of the supporting water system and main contents of research. chapter two introduces the overall project of the new autocontrol system, including craft demand, constitution, work pri

5、nciple and the selection of the main electrical deviceschapter three emphasizes the principle of the software and hardware part in control system. chapter four, we analyze the exploitation of control system, specifying on plc programmer and introduces the principle, parameter installation of pid con

6、trol. the last chapter is the conclusion of the whole research and presents some debug result.the research collectively utilized some modern control devices, such as plc, frequency conversion device, sensor, and their program control method, all of these are of some reference value to the study of r

7、elative control system. key words： plc frequency conversion pid目 录中文摘要i英文摘要ii目录iii第一章 绪论1-11.1 课题的意义及应用背景1.2 本文研究的内容第二章 恒压供水原理及工艺2-12.1 任务2.2 工艺要求2.3 系统的组成和基本工作原理2.4 主要元器件选型第三章 软硬件的基本原理介绍3-13.1 plc可编程控制器3.1.1 可编程控制器的特点3.1.2 可编程控制器的工作原理3.2 变频器的原理与特性3.2.1 变频器简介3.2.2 变频与变压(vvvf)原理3.2.3 变频调速的基本原理3.2.4 变

8、频调速的升速和启动3.2.5 变频调速的降速和制动3.2.6 变频后的电动机的机械特性3.2.7 水泵类平方律负载的机械特性3.2.8 v/f控制的概念3.2.9 矢量控制的概述3.2.10 atv38的特性3.3 压力传感器简介第四章 系统开发4-14.1 plc应用的开发步骤4.2 pid调节4.2.1 pid调节原理4.2.2 pid参数设置4.2.3 pid设定值的调整4.3 plc程序4.3.1 基本步骤4.3.2 指令术语4.3.3 基本梯形图4.3.4 基本术语4.3.5 定时器的使用4.3.6 程序中使用的继电器4.3.7 程序流程4.3.8 plc的运行和模拟调试第五章 现场

9、调试和小结5-15.1 硬件功能性测试5.1 系统总体调试5.3 小结致谢参考文献第一章 绪论1.1 课题的意义及应用背景在我国，节电节水的潜力非常大。据有关国际组织发表的资料显示:中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右,若推广新型电机调速技术,可节电40%左右,即可以节约全国发电量的1/5.由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在我国一方面水电供应紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人.节电节水,不仅潜力巨大,而且意义深远近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展

10、，并取得了良好的效果。可以说，变频技术已为大多数用户所接受。但是，不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距。目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6%左右，而工业发达国家已达60% 70%；日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10%，而我国还不足0.01%；在日本，空调器的70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术尚有很大的发展空间，我们应该锲而不舍地做好推广应用工作。变频控制技术的进步不仅仅是异步电动机结构简单、坚固、易于维护等优点，更主要的是采用变频调速技术的异步电动机的机械特性达到了直流电动机调压调速的特性。由于计算机技术的介入，

11、使得变频器具有丰富的功能和方便好用的特点，因此人们才有可能按照实际要求，自行构成一个适用和可靠的调速系统。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。变频恒压供水控制系统主

12、要有：(1)带pid回路调节器和/或可编程序控制器(plc)的控制系统在该系统中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。传感器的任务是检测管网水压；压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值；压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部pid控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入pid回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或pid回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。

13、由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口端另接一块pwm调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为模拟量。这样，可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个pid回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，pid控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。(2)新型变频调速供水设备针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少

14、生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如华为的td2100，施耐德公司的altivar58泵切换卡，sanken的samco-i系列，abb公司的acs600、acs400系列，富士公司的g11s/p11s系列等。这些产品将pid调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于pid运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对pid算法的编程，而且pid参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的pid调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不

15、失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置pid功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。(3)供水专用变频器供水专用变频器是将普通变频器和plc控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用pid调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的pid调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入

16、。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值(mpa)。系统供水有两种基本运行方式：变频泵固定方式和变频泵循环方式。变频泵固定方式最多可以控制7台泵，可选择“先开先关”和“先开后关”(适用泵容量不同场合)两种水泵关闭顺序；变频泵循环方式最多可以控制4台泵，系统以“先开先关”的顺序关泵。 供水系统采用变频供水技术可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能浪费，因此设计人员在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力1.2 本

17、文研究的内容 本文介绍以可编程控制器(plc)为控制核心，atv38系列变频器为执行元件，采用pid算法控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力。其中主要内容包括恒压供水原理，plc原理，变频调速原理，通过设置几个主要器件i/o参数，实现plc，变频器，压力传感器之间的通讯、控制功能。第二章 恒压供水原理及工艺2.1 任务 用plc，变频器，压力传感器及低压部件组成plc控制变频调速恒压供水自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。2.2 工艺要求出口管网压力：恒定在400kpa（4公斤）左右，可调水泵运行时间：24h长期运行2.3 系统的组成和基本工作原理系统由

18、水泵机组、变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频器，plc低压电器等构成。系统控制75kw水泵3台， 系统控制组成框图如下：其工作情况如下： 1台泵供水不足时，该泵倒为工频运行，变频柜启动第2 台泵，若流量还不够，第2台泵倒为工频运行，变频柜再启动第3台泵。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压2.4 主要元器件选型plc：cpm1a-40cdr-a（欧姆龙）变频器：atv38(施耐德) 压力传感器：yyb-es（钱江仪器仪表厂）其他低压配件选择施耐德品牌为主第三章 软硬件的基本原理介绍3.1 plc可编程控制器(cpm1a-40cdr-a)1969年，在美国出

19、现第一台可编程序逻辑控制器（programmable logic controllerplc）以来，经过30多年的发展，现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的plc系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。初期的plc只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。随着微电子技术的发展，plc以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和

20、位置控制等场合的控制领域。目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，列如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。3.1.1 可编程控制器的特点1可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个plc生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使plc的平均无故障时间达到30万小时以上，使用寿命更长。2控制功能强。plc具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳

21、转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。3编程方便，易于使用。plc采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。plc可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。4使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。5具有各种接口，与外部设备连接非常方便。6采用积木式结构或模块式结构，具有较大的灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。7维修方便。plc上有i/o指示灯（led），哪个i/o元件有故障，一目了然。8可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。3.1

22、.2 可编程控制器的工作原理一、plc的等效工作电路plc是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把plc等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如下图所示。1输入部分这部分的作用是接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。输入接线端是plc与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由plc的电源部件提供(如直流24v)，也可由独立的交流电源(如交流110v)

23、供给。每个输入继电器可以有无穷多个内部触点(动合、动断形式均可)(这里使用的是计算机的“copy”概念)，供设计plc的内部控制电路(即编制plc控制程序)时使用。2内部控制电路这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。plc程序一般用梯形图形式表示。而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，pic程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。在plc内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在plc内部控制电路中使用，而不能与

24、外部电路相连。3输出部分 这部分的作用是驱动外部负载。在plc内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器(有继电器、双向硅、晶体管三种形式)，它也有无限多软件实现的动合、动断触点，可在plc内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；如图23所示。外部负载的驱动电源接在输出公共端(com)上。 总之，在使用plc时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器接点(动合或动断)可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。 二、plc的工作过程 plc一般采用循环扫描方式工作。当plc加电后，首

25、先进行初始化处理，包括清除io及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查i/o单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段。 1公共处理阶段这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查io总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。这部分时间是固定的，对p型机来说，为1.26ms。 2执行外围设备命令阶段 当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与plc相连时，则plc在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。 3程序执行阶段 在

26、这个阶段，cpu将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据(输入和输出的状态)进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。 4输入、输出更新阶段 plc的cpu在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。cpu对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是plc工作的重要特点。 上图进一步说明了上述plc内部工作过程。plc工作时，上述过程周而复始，称为扫描周期。三、plc的扫描时间 plc完成一个扫描周期所需要的时间，称为

27、扫描周期时间，简称扫描时间。扫描时间地长短取决于系统的配置、io通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等，循环中每个阶段所需的时间加在一起就是扫描时间。各部分时间计算如下： (1)公共处理时间t1。对p型机来说，这部分时间是固定的，即:tl1.26ms (2)输入，输出更新时间t2。因为plc的输入通道数一般来说总是大于输出通道数，因此，在计算这部分时间时，可以输入通道数为准，即认为在输入更新时间内，输出一定会更新完毕。这部分时间可按下式计算：t20.29十0.07n(ms) 其中n为输入通道数减1。需要注意的是，若输出通道数大于输入通道数，则n应取输出通道数减1。 (3)程序执行时间t3。

28、这部分时间取决于在用户程序中使用的指令的类型和条数。把程序中使用的所有指今的执行时间加在一起，就等于t3。(4)执行外设命令所需时间t4。当有外部设备与plc相连时，其处理时间可按下述方法确定。首先，把上面算出的三个时间相加，再乘以0.05，即:t4(t1十t2十t3)0.05 当t41时，则t41ms；当t41时，则以0.5ms为单位，进行四舍五入。例如，当t4=1.65ms时，则t41.5ms；若t41.8ms时，则取t42ms。 注意：当没有外设与plc相连时t40ms。 将上面四部分时间算出后相加，即为扫描时间t，即 tt1十t2十t3十t4 在plc内部，系统定时器（俗称“看门狗”）

29、一般在上电时设为130ms，当扫描时间超过130ms时，cpu将停止工作。但是，既使扫描时间没有超过130ms，也可能对系统操作产生不良影响；扫描时间大于10ms时，高速定时器timh会出现故障；当扫描时间超过100ms时，普通定时器及0.1时钟脉冲发生器将会出错，并且报警。 四、plc的i/o响应时间 用plc设计一个控制系统时必须知道有了一个输入信号后plc经过多长时间才能有一个对应的输出信号，否则，就不能正确并精确地解决系统各部件之间的配合问题。从plc的工作过程可知当plc工作在程序执行阶段时，既使输入状态发生变化，即输入状态寄存器的内容发生变化，cpu执行的输入信号也不会变化，而要到

30、下个周期的输入、输出更新阶段，才能有效。同理，暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也要等到下个扫描周期的输入、输出更新阶段，才能集中输出给输出部件。从plc收到一个输入信号到plc向输出端输出一个控制信号所需的时间，就是plc的io响应时间。响应时间是可变的，例如，在一个扫描周期的io更新阶段开始前瞬间收到一个输入信号，则在本周期内该信号就起作用了，这个响应时间最短，它是输入延迟时间、个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和，如下图所示。如果在一个扫描周期的io更新阶段刚过就收到一个输入信号，则该信号在本周期内不能起作用，必须等到下一个扫描周期才能起作用，这时响应时间最长，它等于输入延迟时间、二个扫

31、描周期时间与输出延迟时间三者之和，如下图所示。 3.2 变频器的原理与特性(atv38)3.2.1变频器简介变频器的功能是将频率固定的(通常为50hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三相交流电，输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。变频器主要分为间接变频和直接变频两大类，而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器，中间直流环节和逆变器三个部分组成。相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压，经滤波由电容cd输出直流电压vd,逆变器将直流ud变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。

32、由于中间直流环节是cd低阻抗输出相当于是恒压源，故称电压型。电流型交一直一交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件用的是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源，故称电流型。3.2.2变频与变压(vvvf)原理当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当频率f下降时，定子绕组的反电动势e有所下降，定子电流增大，但是转子侧的负载并未增加，故转子段电流不变，根据电流平衡方程可知，励磁电流比增大，因而磁通增大。增加将导致铁芯的饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望的结果，因此希望可以保持基本不变。要实现这个目标，只要在变频过程中使变频器输出电压ul/f=cons

33、t，则磁通可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，常用vvvf表示。怎样实现vvvf是变频器必须解决的重要课题之一。vvvf实施的基本方法包括:脉幅调制(pam)和脉宽调制(pwm)。(1)脉幅调制(pam)实现方法就是调节频率的同时，也改变直流电压的振幅值。pam需要同时调节两个部分:整流部分和逆变部分，两者之间还必须满足一定的关系，故控制电路比较复杂，因此比较少用。(2)脉宽调制(pwm)实现方法就是在每半个周期内，把输出电压的波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为t1，每个脉冲间的间隔宽度为t2，则脉冲的占空比=tl/(t2+tl)。这时电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，不

34、改变直流电压的幅值，而是改变输出电压脉冲的占空比，同样可以实现变频也变压的效果。pwm只需控制逆变电路便可实现，与pam相比控制电路简化了许多，因此在变频调速中比较常用。3.2.3变频调速的基本原理异步电动机的等效变换异步电动机的电磁转矩公式： 其中:p为旋转磁场的磁极对数，s为转差率。(2)变频调速的原理异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生。异步电动机的定子主磁通是以一定的转速旋转，旋转磁场实际是三个交变磁场合成的结果。旋转磁场的转速=60f/p，其中f是电流频率，p是旋转磁场的磁极对数。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此转子的转速必须低于定子磁场

35、的转速 (即所谓的“异步，)。两者之间的差异可由转差率表示，转差率s=(-)/根据=60f/p可知，当频率f连续可调时，电动机的同步转速也连续可调，而异步电机的转子转速，总是比同步转速略低一点，所以当连续可调时，也是连续可调。3.2.4变频调速的升速和启动异步电动机在额定频率和电压下直接启动时，由于转子绕组以同步转速切割旋转磁场，转子电流都很大，故其启动电流可达额定电流的4-7倍。这将对电源形成冲击，引起电网电压的波动。此外，由于启动过程过于快捷，常常对机械负载形成冲击，影响其使用寿；在泵水管道系统中，还会引发水锤效应，使管道受到损害。使用变频器后，由于其输出频率可以从很低频率开始，频率上升的

36、快慢可以任意设定，从而可以有效地将启动电流限制在一定的范围内。设定升速时间的基本原则:在电动机的启动电流不超过允许值的前提下，尽可能地缩短升速时间。对于泵类负载升速方式选择半s型。3.2.5变频调速的降速和制动在泵水管道系统中，由于水的阻尼作用，电动机的转速能够十分迅速地降下来，而不会引起再生制动的过电流和过电压，但是降速太快，会导致管道系统出现“空化现象”，对管道有害无益，甚至会损害管道。因此，在降速停机时应设定足够的降速时间，使转速缓慢下降，从而保护管道。3.2.6变频后的电动机的机械特性: 设变频后的频率为，电压为，电动机的额定相电压和频率为和，则有其中为频率可调比，为电压可调比。将上述

37、两个公式代入异步电动机的电磁转矩公式可得变频后的转矩公式：其中：为频率为时的转差率。在变频器正常工作情况下，即1时的机械特性入下图所示由图可知随着f的下降，临界转矩逐渐减少，电动机的带负载能力也随之下降。这无疑给变频调速带来了瑕点。所以如何改变变频后的机械特性就成了关注的焦点。v/f控制是其中一种比较简便的方法。3.2.7水泵类平方律负载的机械特性其含义:负载的阻转矩与转速的平方成正比。其中:一空载转矩，一空载时的功率损耗，和为比例常数。平方律负载的机械特性和功率特性曲线图如下图所示。一机械特性 一功率特性平方律负载主要是泵类和风机，其工作特点是:(1)大多数在长期连续运行的状态下工作，属于连

38、续恒定负载。(2)大多数该类产品都和电动机连成一体，成为整体产品。(3)因为负载转矩是和转速的平方成正比，所以一旦转速超过额定转速，就会造成电动机严重过载。因此，在变频调速时，应该禁止在额定频率以上运行。(注:变频调速(即f改变)瞬间时，负载特性曲线不变，转速n不变，负载的阻转矩不变;但是电动机机械特性曲线改变，从而电动机转矩改变。电动机要能够稳定运行的条件是:升速时，)3.2.8 v/f控制的概念:(1)基本思想针对时，当频率下降，在中所占的比例增大，造成了和下降的情况，采取适当提高调压比而使的方法，来抵偿比值的增大，从而保持，最终使电动机的临界转矩得到补偿。这种方法称为转矩补偿，因为是通过

39、提高u/f比而得到，故又称为v/f控制或电压补偿。(2)完全补偿u/f线完全补偿的含义是，不论多大(在的范围内)，通过补偿都能使临界转矩与额定频率时的临界转矩相等，简称全补偿。此时的关系如下:由上式作出的的曲线通常称为u/f线。满足上式的机械特性曲线在所有频率下的临界转矩都与相等。新系列的变频器一般都提供了设置自动转矩补偿功能。变频器可以根据电流的大小自动地决定补偿的程度。3.2.9矢量控制的概述矢量控制的成功实施，使得异步电动机变频调速后的机械特性以及动态特性能达到足以和直流电动机调压时的调速性能相媲美，从而使异步电动机变频调速在电动机的调速领域全方位地处于优势地位。现在许多新型的变频器都提

40、供了相应的矢量控制的功能。1.矢量控制基本设想根据一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，以两相系统作过渡，可以相互进行等效变换的原理，所以将变频器的给定信号变换成类似直流电动机磁场系统的控制信号，也就是说，假设有两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上，两个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号和转矩电流信号，并且和作为基本控制信号，则通过等效变换，可以得到与基本控制信号等效的三相交流控制信号,去控制逆变电路。对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据，又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到给定控制部分，用以修正基本控制信号和。进行矢量控制时，可以和直流电动

41、机一样，使其中一个磁场电流信号不变，而控制另一个磁场电流信号，从而获得和直流电动机类似的控制功能。2.基本框图如下图所示，给定控制器将信号分解成两个相互垂直且独立的直流信号和，然后通过直/交变换将和变换成两相直流电流信号和，又经过2/3变换，得到三相交流控制信号，去控制逆变桥。电流反馈用于反映负载的状况，使直流信号的转矩分量能随负载而变，从而模拟出类似于直流电动机的工作状况。速度反馈用于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异，并使之以最快的速度进行校正，从而提高系统的动态特性。现在许多新系列的变频器设置了“无反馈矢量控制”功能，这里“无反馈”是指不需要由用户在变频器外部另行设置反馈环节。无反

42、馈矢量控制在改善异步电动机在低频时的机械特性方面，己经取得了令人满意的结果，故对于一些在动态特性方面无严格要求的场合，速度反馈可以不用。3.2.10 atv38的特性我们采用的变频器是施耐德（schneider）公司的altivar 38 异步电动机变频器，简称atv38。 altivar 38 是一种用于三相异步电动机的变频器，由 360 v 至 460 v 三相电源供电，功率范围 0.75 kw 至 315 kw。altivar 38 设计用于工业或商用建筑中的加热、通风以及空气调节 (hvac) 方面的现代化应用场合。altivar 38 通过对能耗进行优化可以降低运行成本，同时提高了用

43、户的舒适程度。大量的集成化选件可让它与电气设备和复杂的控制系统进行适配和集成。变频器在最初设计中就已经考虑了电磁兼容性的要求。altivar 38 的成品可直接用于泵类和通风应用中。它有一个操作盘可用于修改编程、调整、控制或检测功能，以便适应和优化应用以满足不同客户的要求。altivar 38 用于泵 / 通风应用的专用功能有： 节能 使用速度检测自动捕捉旋转负载 (飞车起动) 根据速度调整电流限制 快 / 慢、预置速度 内置 pi 控制，带有预置 pi 给定 电气和运行时间仪表 电机降噪altivar 38 的保护功能有: 使用 ptc 热传感器的电机和风扇热保护 连续运行中防过载和过电流的

44、保护 通过频率跳跃功能进行的对设备的机械保护 通过多重故障状态管理和可配置警报进行的保护同时，altivar 38 还容易集成到控制系统中，它配备了:4 个逻辑输入，2 个继电器输出， 2 个模拟输入和 1 个模拟输出 ；插入式 i/o 接头 ；电气参数显示及运行指示 ；内置emc滤波器，内置制动单元；变频器中标准配置一个符合 modbus 协议的 rs485 多点串口连接。同时，altivar 38 有多种可选件（远程控制盘，制动电阻，进线电抗，rfi滤波器等）图.变频器输入输出接线图altivar 38按照欧洲低压 (73/23/cee 和 93/68/cee) 标准和 emc (89/3

45、36/cee) 规范设计。因此，altivar 38 变频器具有欧盟认可的标志。它也严格执行了国际及国内有关电子工业控制装置的标准及规范 (iec， en， nfc，vde)。变频器在接线时，必须接地。动力电缆和设备中的弱电信号（如plc信号等）电路要保持分隔，以免干扰。变频器的接线方式如上图所示输入方面，主电路的电源端子l1、l2、l3通过线路带漏电保护的断路器连接至380v的三相交流电源。对于压力信号，则通过ai1或ai2口输入。对所有位于变频器附近的或连接在同一电路上的专门电路如继电器、接触器、电磁阀、荧光灯等均应安装干扰抑制器。输出方面，变频器的输出端子（u，v，w）按正确的相序连接至

46、交流接触器的输入电源端子上。如果电机旋转方向不对，则说明连接相序有错，则改变u、v、w中的任意两相的接线。ao1可接电动机频率输出。变频器系统应连接专用接地极，不要和别的系统串联接地或共同接地。3.3 压力传感器简介本系统采用钱江仪器仪表厂生产的yyb-es型压力变送器，yyb-es型压力变送器为四线制带现场led数字显示的压力变送器，其供电电源和输出信号分别传送。主要性能有：1.抗干扰能力强（电源地与信号地隔离），特别适合变频器应用场合 2.现场3 1/2位led数字显示 3.供电电源可选（交流220v / 直流24v）4.输出信号可选（010 ma / 420ma5.负载阻抗： 0600

47、( 420 ma);01.5k ( 010 ma)校验与调整：通电预热15分钟后，分别在零压力和满量程压力下，检验输出电流值。 下显示面端盖，在零压力下调整输出零位电位器，使输出电流为0(型)或4ma(型)或规定值；调整显示零位电位器，使数字显示值为000 或规定值。在满量程压力下，调整输出量程电位器，使输出电流为10ma(型)或20ma(型)或规定值；调整显示量程电位器，使数字显示值为满量程压力值。 变送器经校验标定后，现场不需要重新标定，一般运行半年至一年，做一次基本性能检查，并可按要求调整标定。第四章 系统开发本系统的程序开发主要是plc的程序开发，我们采用的是根据系统的控制流程和控制目

48、标，在计算机上先编辑好plc软件，然后传给plc的方法，所用软件是cx-programmer 3.1版本。这是整个供水系统软件开发的重点，系统的重要功能实现和顺序控制都依靠它，它的开发好坏直接影响对了整个控制系统的质量好坏和功能实现，下面就详细叙述。4.1 plc应用的开发步骤plc的应用设计，一般应按下述几个步骤进行。1.熟悉被控制对象首先要全面详细地了解被控对象的机械结构和生产工艺过程，了解机械设备的运动内容、运动方式和步骤，归纳出工作循环图或状态（功能）流程图。2.明确控制任务与设计要求要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对电控系统的控制要求。例如机械部件的传动与驱动，液压

49、、气动的控制，仪表、传感器的连接与驱动等。归纳出电气执行元件的动作节拍图。 电控系统的根本任务就是实现这个节拍图。以上两个步骤得到的图、表，综合而完整地反映了被控对象的全部功能和对被控系统的全部要求，是整个系统设计的依据，也是系统设计的目的和任务所在，必须仔细分析和掌握。3制定电气控制方案根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电控系统的工作方式，例如全自动、半自动、手动、单机运行和多机联线运行等。还要确定电控系统应有的其他功能，例如故障诊断与显示报警、紧急情况的处理、管理功能、联网通信功能等。4确定电控系统的输入输出信号通过研究工艺过程和机械运动的各个步骤、各种状态、各种功能的发生、维持、结束

50、、转换和联系信号来确定哪些信号需要输入plc，哪些信号需要plc输出或者哪些负载要由plc驱动，分类统计出各种输入输出量的性质与参数，做好plc的i/o点数统计。4.2 pid调节4.2.1 pid调节原理仅用p动作控制，不能完全消除偏差。为了消除残留偏差，一般采用增加i动作的 p+i控制。用 pi控制时，能消除由改变目标值和经常的外来扰动等引起的偏差。但是，i动作过强时，对快速变化偏差响应迟缓。对有积分元件的负载系统可以单独使用p动作控制。 对于pd控制，发生偏差时，很快产生比单独d动作还要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差小时，p动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅p动作控

51、制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使p动作的振荡衰减和系统稳定，可用pd控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。 利用i动作消除偏差作用和用d动作抑制振荡作用。在结合p动作就构成了pid控制，本系统就是采用了这种方式。采用pid控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合pid调节）效果比较好。 pid调节器的动作规律是或式中 ：调节器的比例系数 ：调节器的积分时间 ：调节器的微分时间 ：比

52、例带，它是惯用增益的倒数e : 调节器的偏差信号u ：输出pid调节器的传递函数是不难看出，由上式表示的调节器动作规律在物理上是不能实现的。工业上实际采用的pid调节器的传递函数一般为其中 ；式中带的量是调节器参数的实际值，不带的为参数的刻度值。f成为相互干扰系数：为积分增益；为微分增益。4.2.2 pid参数设置p增益：设定范围：0.0110.0倍这是操作量和偏差之间有比例关系的动作。增益取大时，响应快，但过大将产生振荡。增益取小时，响应迟后。实际中我们取10。积分时间：设定范围：0.13600s， 0.0：不动作。操作量（输出频率）的变化速度和偏差成比例关系的动作，即输出按偏差积分的动作。

53、积分时间大时，响应迟后，另外，对外部扰动的控制能力变差。积分时间小时，响应速度快，但过小将产生振荡。实际中我们取150s。微分时间：设定范围：00110.0s 0.0：不动作。操作量（输出频率）和偏差的微分值成比例动作（d动作）。微分时间大时，能使发生偏差时p动作引起的振荡很快衰减。微分时间小时，发生偏差时的衰减作用小。我们取0.4。4.2.3 pid设定值的调整 pid值可以在用示波器监视响应波形的同时进行调整。可作如下总体调整： p增益，在不发生振荡条件下增大其值 i积分时间，在不发主振荡条件下减小其值 d微分时间，在不发生振荡条件下增大其值 对于抑制超调，可以增大积分时间，减小微分时间，

54、 对于加快响应速度，如果允许有小量超调的话，可以减小积分时间，增大微分时间， 抑制比积分时间长的周期振荡，增大积分时间抑制大约和微分时间同样长周期的振荡，减小微分时间。设定0.0仍有振荡时，减小增益4.3 plc程序可编程控制器是按照用户的要求编写程序来进行工作的。程序的表达方式基本有四种：梯形图、指令表、逻辑功能图和高级语言。绝大多数plc是使用梯形图和指令表编程。梯形图是一种图形语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，而且加入了许多功能强而又使用灵活的指令，将微机的特点结合进去，使得编程容易。梯形图比较形象、直观，对于熟悉继电接触器控制系统的人来说，也容易

55、接受，世界上的各生产厂家都把梯形图作为第一用户编程语言。本系统所使用的方法就是将控制任务用梯形图编程实现，离线灌入plc，携带至现场实现其现场功能，下面我们开始介绍梯形图编程德基本步骤和概念。4.3.l 基本步骤编写程序可分为几个基本步骤：1. 首先列出所有i/o设备和分配给他们的i/o点的目录，并且写好分配给每一个i/o设备i/o位的表格。2. 确定工作位用什么字，写出使用它们时能分配它们的表格。3. 准备一张tc编号和跳转编号的表格。一张tc号程序中仅能定义一次；跳转号0199在每个程序也只能使用一次。4. 画梯形图。5. 将程序输入到cpu单元。6. 检查程序有无语法错误并更正错误。7. 运行改程序以检查是否存在运行错误并更正错误。8. 当整个控制系统安装好并准备使用时，运行该程序并按要求仔细调试。4.3.2 指令术语有两类基本