技术供水系统设计

1、西华大学毕业设计说明书 目 录1前言11.1课题研究的目的及意义11.2 设计的内容12总体方案设计32.1 技术供水系统简介32.2方案比较42.3方案论证与选择53系统设计63.1 轴流式水轮机63.1.1 ZZ560-LH1130水轮机63.1.2水轮机轴承73.2 可编程逻辑控制器PLC83.3 PLC通信模块103.4 温度检测模块113.5 流量控制模块163.5.1 模拟量输出模块173.5.2 电动调节阀193.6压力控制部分203.6.1压力传感器213.6.2模拟量输入模块213.6.3变频器223.6.4水泵的选择223.7 液位传感器及电磁阀的选型233.7.1 电磁阀

2、233.7.2液位传感器233.7.3接触器233.8各硬件模块的连接244软件设计254.1软件设计工具254.2主要软件设计流程框图254.3 PID控制及参数整定264.4上位机设计315结论366总结与体会377谢辞（致谢）388参考文献39 1前言1.1课题研究的目的及意义水电站自动化是电力系统自动化的组成部分，目的是提高发供电的可靠性，保证电能质量及电力系统经济安全运行，同时也有效地改善运行人员的工作条件，最终提高水电企业的市场竞争力。我国大中型水电厂自动化以计算机监控技术为平台,经过二十多年的发展已经日趋成熟,而我国农村中小水电厂的自动化正处于一个推广应用快速发展的阶段。中国农村

3、水电或中小水电起源于20世纪90年代，指总装机在5万kW以下水电站及其配套电网。中小水电站的自动化技术的发展大致分三个阶段：第一阶段为20世纪70年代以前，基本为传统的机电电磁技术。第二阶段大约为90年代期间，为计算机监控技术在中小水电站移植试点阶段，此阶段的状况是：模仿大中型水电厂的监控模式，将大中型水电厂的模式直接搬到中小水电站上来；将用于变电站中的综合自动化模式略加修改搬到水电站上来；少数厂家结合中小水电站的特点，研制开发出适合于中小水电站的计算机监控模式，并致力于推广应用。第三阶段为2001年以来，在全国农村水电领域展开了全面推广现代化技术的工作，经过十多年的试点，中小水电站自动化水平

4、已到一个关键的攻坚阶段。但是在设计、设备选型、设备管理、资金投入、人才水平等方面与大电网有较大的差距，因此迫切需要加强各方面的力量。而本次的技术供水系统是专门针对水电站的供水系统而做的，致力与提高水电站技术供水系统的监视和智能控制技术。技术供水系统中，水轮机设备、上导轴承、推力轴承、水导轴承、发电机空气冷却器等等在运行过程中会因为各种的机械损耗，电磁损耗和机械摩擦等等导致设备发热，散热不及时则会对设备甚至发电机设备的瘫痪，所以在处理设备冷却上是十分重要的，而技术供水就是为了解决这个问题的。1.2 设计的内容 本次设计的核心内容是通过三菱公司生产的功能最强、速度最快的FX系列的FX2N的微型PL

5、C来控制整个系统的稳定运行。具体是这样的，首先对于技术供水系统的了解，技术供水系统的各用水设备对水的要求。总的原则是，水量足够、水压合适、水质良好、水温适宜。在通常情况下，也就是根据我过大中型水电站的情况，水量的分配比例大致是空冷器为70%，推力和导轴承的油冷却基本是18%，水轮机的导轴承商瑞华用水是5%，水冷式变压器为6%，其他的用水大致是1%。由于自己的能力不足所以在这一块的控制上就没有去考虑，本次设计所做的重点是，对于机组轴承冷器、发电机空气冷却器等设备的流量控制、压力控制和温度检测。温度在这个系统里面是不能控制的，而本次设计的重点就是，通过实时的对设备温度进行检测，设备温度超过正常的工

6、作温度，通过温度检测模块读入的信号值反馈到PLC中通过PID调节器比较，然后给出一个调节值，这个调节值通过控制调节阀的开度控制管道中的水流量，从而通过增大管网中水的流量，加快设备的冷却，来达到设备降温的目的，保证水电站发电设备的正常运行和生产。而对于技术供水系统中管网中压力是有一定的要求的，轴承冷却器和发电机空气冷却器，水压不能超过0.3MPa，冷却其入口水压取决于冷却器和排水管的阻力，一般不能低于0.040.075MPa，水冷空压机的水压不能低于0.05MPa，水润滑导轴承的水压一般为0.150.20MPa，水压低就没润滑效果。通过资料等的查阅，对与压力控制要求非常高，控制起来复杂，但从数据

7、来看，用水设备的水压有一个共同的区间，0.2MPa这个水压合适各个用水设备的要求，所以这次的设计决定对压力控制是保证供水水压在0.2MPa左右。2总体方案设计 2.1 技术供水系统简介技术供水系统主要是为水轮机发电机组和水轮机的辅助设备的提供冷却水的一个水路管网系统，另外还有部分的用水是用于机组的润滑用，有一些水电站的技术用水还会给消防水补充供水以及生产人员平时的生活提供水。本次设计的技术供水主要是围绕发电机组水轮机各重要部件的冷却用水，以及提供给消防水池补给水。在这个系统中水轮机设备冷却的主要的用水设备是发电机空气冷却器，上导轴承油冷却器，推力轴承的油冷却器以及水导轴承的油冷却器，这几个部件

8、是水轮机整个设备中冷却水用量相当大的部分，这些部分因为各种电磁损耗和机械磨损等等产生大量的热量，如果不能够及时的的对设备进行散热，会造成机组温度升高，就会对电气设备造成极大的损失，严重时会破坏整个电力资源的生产。本次设计的技术供水系统由技术供水的水源、水轮机的冷却器用水设备和温度、压力模拟量测控制元件等主要部分构成成，技术供水系统的主要水源从上面技术供水图里面看到是蜗壳的水源，当这些水源不足以满足用水设备需求的时候，系统就会通过检测切换到蓄水池水源供水，而蓄水池里面的水源通过一个液位信号器检测反馈蓄水池的水位水量，保证蓄水池水量足够。在这个技术供水系统里面还增加了一个消防池的功能，同样是通过一

9、个液位信号器，实时的检测水池的水位，水位降低，电气控制系统及时的给出信号通过水泵向水池里面抽水，这部分的管道开断选择的是一个电磁阀，两个状态开关。在主要的水轮机冷却器里面的用水系统中，根据各个设备的要求温度、供水压力、水流量等等，在水管路上装设压力表，流量表，以及相应的传感器实现对这些参数进行监控，冷却器设备主要的参数就是温度，在设备上面装设温度传感器通过特殊的功能模块对温度监视，通过反馈的信号控制系统对温度值高于预设值的设备所在的水管网路通过控制电动调节阀，增加水路上的水流量，加快设备的冷却。用水设备对水的要求，基本上满足是水量足够、水压适宜、水温合适和水质较好就可以了。2.2方案比较2.2

10、.1方案一 这个方案一单片机为核心控制整个系统，原理框图如下图所示：图2.1 单片机控制系统原理框图2.2.2方案二 在这个方案中，用到的是PLC作为控制核心，其原理框图如下所示：图2.2 PLC控制系统原理框图2.3方案论证与选择 在以上所介绍的两种方案中，第一中方案选择的是以51或者52单片机作为技术供水系统电气控制的核心控制器，通过A/D模块接受来自压力传感器和温度传感器的信号然后通过单片机的控制程序，调节控制技术供水系统的流量、压力等，这种方案单片机控制颇为麻烦，而且效率不高，处理器要求高，I/O控制点数太少，另外单片机的稳定性不好，外围电路繁琐，一不小心就容易出现故障，单片的内部可扩

11、展的功能模块相对不多，性价比相对来说比较低。方案二中，选择以PLC作为技术供水系统电气控制的核心控制器，PLC的整体结构比起单片机更加的模块化，封装良好，没有很多的外围电路，对于三菱公司的PLC还有很多结构化的特殊功能模块，对于模块扩展非常容易。PLC相对单片机有很大的储存能力，分用户储存器和系统储存器，系统储存器，用于放置生产厂商预置的程序，是PLC的基础功能，而用户储存器包含了程序储存器和数据储存器，这些储存器的容量小的有1K，大的则可以达到几兆，当然这是根据厂家技术和需要来生产的，PLC拥有很多的I/O口完全能够满足本次的设计需求，在编程语言方也是比较简单易懂的，加上其丰富的控制指令，与

12、方案一相比的方案二，通过PLC作为核心控制器控制整个系统，方案二更具有优势，控制也更加的稳定、可靠、方便，所以本次技术供水系统电气控制选择方案二作为本次的最终设计方案。3系统设计本次设计的技术供水系统电气控制是PLC控制电机水泵、阀门达到控制冷却水流量、温度，在本系统中采用特殊功能模块，温度模拟量输入模块FX2N-4AD-PT对温度进行采集反馈给读入PLC，压力变送器通过调节器A/D模块读入PLC,通过PLC某种控制方式程序计算比较与设定值的关系，输出信号通过模拟量输出模块输出模拟点信号控制阀门、电机的动作从而控制整个技术供水系统的稳定运行，保证发电站电气设备正常生产。本次设计的技术供水对象主

13、要是水轮机中的各个冷却器，所以对水轮机需要一个基本的认识，对其基本的机构有基础的了解。下面会稍微介绍本次技术供水系统原型的水轮机的一个大概。3.1 轴流式水轮机3.1.1 ZZ560-LH1130水轮机如下图所示，ZZ560-LH1130轴流式水轮机结构，立轴、混凝土蜗壳，转轮直径1130cm。水轮机基本参数：最大水头27m,最小水头10.6m，额定转速54.6r/min，飞逸转速120r/min，额定输出功率175.3MW，额定流量1130m，安装高程36.6m。图3.1 ZZ560-LH-1130型水轮机蜗壳为混凝土蜗壳，蜗壳包角180度。导水机构的型式为径向式，活动导叶32个，导叶不知圆

14、直径1.31m，导叶高度4.54m。导叶密封采用橡胶密封，防止沙进入轴颈，导叶中下轴都采用了橡胶密封。导水机构的传动机构为叉头式，保护装置为剪断销导水机构接力器2只900mm的环形接力装置，活塞与控制环直接连在一起。主轴型式为双法兰空心结构，轴的中心有操作用的油管，与轴领分段加工后接成整体。水导轴承瓦式导轴承，在油槽的下面部分装设有油冷却器。在轴承下面装置可调的水压密封，为防止移动时顺坏，在密封盖设置减压排水阀，这样设置自动补偿密封块的磨损量，还能够保值密封面的压力恒定，另外还可以阻挡泥沙进入密封面。3.1.2水轮机轴承 导轴承是为了保持主轴中心位置平衡，承受径向力而存在的轴承。水轮机导轴承的

15、主要作用承受机组运行中主轴传来的振摆力和径向力限制主轴轴线的位置，在布置上靠近转轮，保证主轴稳定性、可靠性。根据润滑介质不一样，有水润滑和油润滑导轴承，下面分别介绍。水润滑导轴承主要固定在顶盖上的铸铁轴承体和固定在轴承体顶部的水箱组成。轴体内壁装设橡胶轴瓦，和主轴形成的间隙经过螺钉调节，轴瓦上有沟槽，方向与轴的转动方向适应，清洁水经沟槽进入瓦面，形成润滑水膜，从而起到润滑和冷却轴瓦的功能。水润滑导轴承轴瓦材料都用的是橡胶，结构简单安装方便而且成本不高。结构如下图所示：图3.2水润滑导轴承结构油润滑导轴承的结构型式有分块轴瓦式、圆筒瓦式导轴承。主要由轴承体、轴瓦和调整螺钉构成轴承体安装在顶盖，轴

16、瓦浸入油中，水轮机运行时冷油浸入轴瓦面形成油膜。对轴瓦润滑和冷却，此时油的温度上升从轴承体顶流出，然后经它们之间的通道回到轴领，形成一个自循环的系统，轴承体内设冷却器对回流的油进行降温，在内部还装设有温度信号器，过高及报警，这个型的导轴承受力均匀，轴瓦块有自动调节力，安装、检修间隙调节方便，但成本较高。圆筒瓦式导轴承的结构常见三种，带转动油盆的圆筒式导轴承、导轴领的圆筒式导轴承和带毕托管的圆筒式导轴承，主要结构和工作原理相似。这种轴承的特点是在主轴旋转时，转动油盆的油受旋转离心力的作用从油嘴进入轴瓦下部的环状油槽，然后沿轴瓦面斜油沟导全部瓦面，热油排进油箱，经过冷却器从回油管道流回油盆，形成循

17、环。工作可靠，使用寿命长成本低，被广泛接受使用。如下图所示，导水机构的工作原理图：图3.3导水机构工作原理图图示两个接力器的工作情况，导叶此时处于中间开度，档接力器腔体收到调速系统过来的压力油后，便能控制接力器的推拉杆运动从而改变导叶的开度达到调节水轮机流量的效果。3.2 可编程逻辑控制器PLC可编程逻辑控制器，也就是PLC，它是以微处理器为基础出现的通用工业控制系统装置，其应用范围广大，是当代工业自动化控制系统的核心支柱之一，在民用和家庭自动化方面也有了飞速的发展。PLC的出现，带来了新的控制理念、全新的控制系统结构和继电-接触器控制系统没有办法可以相比较的各种强大的功能。基于在大学期间自己

18、学习的基础是三菱公司PLC，而且对于本次设计技术供水控制系统相对不大，三菱公司 生产PLC是能够完全可以满足本次设计的需求，在本次的设计中选用的是三菱公司生产的FX系列中功能强大、速度极高的FX2N微型PLC作为本次设计的核心控制器。FX2N 外形结构图如下图所示：图3.4 FX2N外形结构图 FX系列各子系列FX1S、FX1N、FX2N和FX2NC的PLC的外观、高度、深度没有太大的差别，高度90mm，深度75mm(FX1S 和FX1N系列)、87mm（FX2N和FX2NC系列），内置DC 24V电源可以作为输入回路的电源与传感器电源使用，很合适在机电一体化的产品中使用。表3.1 FX各子系

19、列的性能比较型号I/O点数用户程序步数应用指令通信功能基本指令执行时间FX1S10302K步EEPROM85条较强0.550.7sFX1N141288K步EEPROM89条强0.550.7sFX2N和FX2NC16256内置8K步RAM，最大16K步128条最强0.08sFX1S的功能简单实用，价格低适用于小的开关量控制系统；FX1N最多能够配置128个I/O点，适用于要求高的中小系统；FX2N的功能是最强的，能用于要求极高的控制系统中，有很强的通信功能，内置8K步RAM，支持扩展，最大可以达到16K步，I/O口可以扩展到256个，机内有实时钟，PID指令用于模拟量闭环控制。FX系列体积小，功

20、能强大，内置高速计数器，有输入输出刷新、中断、输入滤波事件调整、恒定扫描时间的功能，有高速计数器的专用比较指令。FX1N和FX2N系列的扩展模块比较如下表所示：表3.2 FX1N和FX2N系列的扩展模块输入模块继电器输出模块晶体管输出模块输入点数输出点数FX0N-8ER-44FX0N-8EX-8-FX0N-16EX-16-FX2N-16EX-16-FX0N-8EYRFX0N-8EYT-8-FX0N-16EYRFX0N-16EYT-16-FX2N-16EYRFX2N-16EYT-16上表中的扩展模块都可以用于FX2N 和FX1N ，FX系列的系统配置非常灵活，除了可以选择不一样的子系列，还能够选

21、用多种的基本单元、扩展单元和扩展模块，构成不同功能和I/O点的系统。同样FX2N系列还有多种功能扩展板和特殊功能模块，可实现多轴定位控制。如模拟量输入输出模块、温度传感器用模拟量输入模块、高速计数模块、RS-232C通信接口模块、RS-232C/RS-485转换接口等。表3.2 FX2N系列基本单元AC电源，DC 24V输入DC电源，DC 24V输入输入点数输出点数继电器输出晶体管输出继电器输出晶体管输出FX2N-16MR -001FX2N-16MT-88FX2N-32MR-001FX2N-32MTFX2N-32MR-DFX2N-32MT-D1616FX2N-48MR-001FX2N-48MT

22、FX2N-48MR-DFX2N-48MT-D2424FX2N-64MR-001FX2N-64MTFX2N-64MR-DFX2N-64MT-D3232FX2N-80MR-001FX2N-80MTFX2N-80MR-DFX2N-80MT-D4040FX2N-128MR-001FX2N-128MT-6464根据本次设计输入输出总点数、单元类型和输出形式，选用的PLC型号是FX2N-64MR-001，AC电源，DC 24V输入，继电器输出。3.3 PLC通信模块FX系列PLC有强大的通信功能，通信模块用来完成与其他PLC、其他智能控制设备或猪计算机之间的通信。FX系列有多种通信功能扩展模块、适配器和通

23、信模块，在通过功能扩展板加各种通信模块，通过这个模块就实现了数据链接和外部串行接口设备的通信。远程I/O系统也需要配备相应的通信接口模块。下面是FX系列支持的五种通信方式：（1）并行链接，使用RS-485通信适配器或者是功能扩展版，实现两台FX系列PLC之间的信息自动交换，一台作为主站，另一台PLC为从站。用户不需要编写通信程序，只需设置和通信有关的参数，两台计算机之间就能够自动传送数据。（2）N:N链接网络，使用RS-485通信适配器或者是功能扩展板，实现最多8台FX系列PLC之间的信息自动交换。一台是主站，其余的是从站，数据为自动传送。 （3）计算机链接，采用专用通信协议，由计算机发出读写

24、PLC数据的命令帧，PLC收到后自动生成和返回响应帧，但计算机的程序由用户编写。可以用于一台计算机与一台配有RS-232C通信接口的PLC通信，也可以通过RD-485通信网络和最多16台PLC通信。 （4）I/O链接，采用远程I/O控制方式，CPU单元附近的称为本地I/O，远离CPU单元的I/O称为远程I/O，两者之间的信息交换只需要少量的通信电缆线。 （5）无协议通信，这种通信方式能够实现PLC与各种有RS-232C接口设备之间通信，通信方式通过RS指令实现。这种方式灵活，PLC与RS-232C设备之间能够使用用户自定义的通信规约。· 本次设计会用到一个通信，选用的是FX2N-48

25、5-BD模块，这种通信不需要通信协议，直接采用RS指令就可以完成外部设备和PLC的数据传输通信功能。FX2N-485-BD通信板如下图所示： 图3.5 FX2N-485-BD通信板3.4 温度检测模块本次设计的技术供水系统中，温度的采集反馈回到PLC控制系统中和控制拥有极其重要的作用，对设备温度的监视及时从而通过PLC调节比较控制冷却水的流量等，从而保证水轮机、发电机电气设备的正常运行，温度对于各个设备的运行相当的重要。图3.6 温度读取反馈图本次设计选用的是特殊功能模块中的PT-100型温度传感器用模拟量输入模块FX2N-4AD-PT，FX2N-4AD-PT供三线式铂电阻PT-100用，有1

26、2位4通道，恒流方式下驱动电流为1mA，分辨率为0.20.3oC，综合精度达到1%。内部装有温度变送器和模拟量输入电路，对传感器的非线性进行了校正，额定温度范围-100+600oC，数字输出量-1000+6000，转换速度15ms/通道，数字和模拟电路之间有光隔离，在整个的程序中占用8个I/O点。表3.3 FX2N-4AD-PT的技术指标项目摄氏度oC华氏度oF模拟量输入信号箔温度PT100传感器（100W），3线，4通道传感器电流PT100传感器100W是1mA补偿范围100+ 600oC148+ 1112oF数字输出1000+ 60001480+ 1112012转换（11位数据为+1个符号

27、位）最小分辨率0.20.3 oC0.360.54 oF整体精度满量程±1%转换速度15ms电源主单元提供5V/30mA直流，外部提供24V/50mA直流占用I/O点数占用8个点，可分配为输入或输出适用PLCFX1N，FX2N，FX2NCFX2N-4AD-PT使用的是PT-100传感器的专用电缆，或这是选择双绞屏蔽电缆作为模拟输入电缆，这样就和和那些可能产生电气干扰的线线路隔开。FX2N-4AD-PT的接下图如下图所示：图3.7 FX2N-4AD-PT模块接线图该模块在运行的过程中，会占8个I/O口能使用FROM/TO指令与可逻辑编程器PLC进行数据传输。下图为FX2N-4AD模块的连

28、接方法：图3.8通用FX2N-4AD模块连接方法在外来的干扰信号较强时，将FG端接地，这样可以消除大部分的干扰信号。 下表为FX2N-4AD-PT的BFM分配表：表3.4 BFM分配表BFM内容说明#14CH1CH4的平均温度值的采样次数（14096），默认值8（1）平均温度的采样次数被分配给BFM#14。只有14096的范围是有效的，溢出的值将被忽略，默认值为8（2）最近转换的一些可读值被平均后，给出一个平均的可读值保存在#58和#1316中（3）BFM#912和#1720保存输入数据的当前值。这个数值以0.1oC或0.1oF为单位，可用的分辨率为0.2oC0.3oC或0.36oF0.54o

29、F#58CH1CH4在0.1oC单位下的平均温度#912CH1CH4在0.1oC单位下的平均温度#1316CH1CH4在0.1oF单位下的平均温度#1720CH1CH4在0.1oF单位下的平均温度#2127保留#28数字范围错误锁存#29错误状态#30识别号K2040#31保留BFM#28是数字范围错误锁存，锁存每个通道的错误状态如下表所示：表3.5 BFM#28位信息b15到b8b7b6b5b4b3b2b1b0未用高低高低高低高低CH4CH3CH2CH1根据上表可检查热电偶是否断开。“低”表示测量温度下降，低于可测最低温度时对应位为ON，“高”表示当测量温度升高，高于最高可测温度或热电偶断开

30、时，对应位为ON。如果出现错误，那么在出现错误之前的温度数据被锁存。如果测量值返回到有效范围内问温度数据返回正常运行，错误状态依然锁存与BFM#28之中。在错误消除以后，可以使用TO指令向BFM#28写入K0或者关闭电源，从而清除错误的锁存。BFM#29中的各位的状态是FX2N-4AD-PT运行正常与否的信息，具体信息如下表所示：表3.6 FX2N-4AD-PT BFM#29位信息BFM#29的各位的功能ON(1)OFF(0)b0：错误如果b1b3中任何一个为ON，出错通道的A/D转换停止无错误b1：保留保留保留b2：电源故障DC 24V电源故障电源正常b3：硬件错误A/D转换器或其他硬件故障

31、硬件故障b4b9：保留保留保留b10：数字范围错误数字输出/模拟量输入值超出指定范围数字输出值正常b11：平均值的采样次数错误采样次数超出范围参BFM#1#4正常（14096）b12b15：保留保留保留FX2N-4AD-PT模块的识别码是K2040，存放在缓冲储存器BFM#30中，在传输/接受数据之前，可以使用FROM指令独处特殊功能模块的识别码，从而确认正在对此特殊功能模块进行操作。而对于特殊功能模块三菱PLC有对这个模块的相对应的读写指令，如下图所示：图3.9特殊功能模块的读写指令当上图中X3位ON时将编号为m1(07)的特殊功能模块内编号为m2(032767)开始的n个缓冲寄存器BFM的

32、数据读入PLC并且存入从D开始的n个数据寄存器之中。当图中X0为ON时将从PLC基本单元中S指定的元件开始n个字的数据写到编号为m1的特殊功能模块中编号为m2的n各缓冲寄存器之中。 初始化程序：图3.10初始化程序本次设计的技术供水系统中会有检测4个冷却器设备通道上的温度，上导轴承油冷却器、发电机空气冷却器、推力轴承油冷却器、水导轴承油冷却器，分别对这几个设备冷却器进行温度的检测，实时的读入PLC，当读出的温度大于预设值时，为保证系统的稳定运行，以便PLC发出控制信号，通过控制下面介绍的流量控制模块，增大流量从而达到及时降温的作用，也可以叫控制温度。3.5 流量控制模块本次设计的技术供水系统中

33、的流量控制通过是一个PLC的模拟量闭环控制，在模拟量闭环控制系统中，被控制量流量，它是一个变化的模拟量，执行机构电动调节阀要求的是要PLC输出模拟信号，而PLC的CPU却只能够处理数字量，首先被测量模块温度模块FX2N-4AD-PT测量转换为标准的电压信号或电流信号，然后在PLC中通过测量的信号值与预设的值PID的控制比较，模拟量输出模块的D/A转换器将PID控制器输出的数字量mv(n)转换为模拟电压信号或电流信号mv(t)，然后再去控制执行机构电动调节阀控制阀门的3种不同状态，关闭、中间位置、全开，从而达到控制流量的效果。闭环控制系统框图入下所示：图3.11 流量闭环控制框图3.5.1 模拟

34、量输出模块本次设计有4路输入而对应的会有4路输出，所以模拟量输出模块选的是FX2N-4DA模块，FX2N-4DA模块用来将12位数字信号转换成模拟电压或电流输出，FX2N -4DA安装时装在FX2N基本单元的右边，FX2N -4DA将消耗基本单元或电源扩展单元的+5VDC电源单元的（内部电源）20mA电流，+24V DC电源5mA电流。FX2N-4DA接线图如下图所示：图3.12 FX2N-4DA接线图它具有2个模拟量输出通道。这两个通道都可以输出010V DC(分辨率为2.5mV)、05V（分辨率为1.25mV）的电压信号，或者420mA（分辨率为4A）的电流信号，D/A转换时间为4ms/通

35、道，模拟量输出端通过双绞线屏蔽电缆与负载相连，在整个的程序中占用8个I/O点。FX2N-4DA的技术指标如下表所示：表3.11 FX2N-4DA的技术指标项目输出电压输出电流模拟量输出范围010V直流，05V直流420mA数字输出12位分辨率2.5mV（10V/4000）1.25 mV（10V/4000）4 mA（20mA/4000）总体精度满量程1%转换速度4ms/通道电源规格主单元提供5V/30mA和24V/85mA占用I/O点数占用8个I/O点，可分配为输入或输出适用的PLCFX1N，FX2N，FX2NC在使用电压输出的时候，负载的一端接在“VOUT”端，另一端“COM”和“IOUT”需

36、要短接,另一端就接在短接后的“COM”和“IOUT”端。电流型负载接在“IOUT”和“COM”端。3.13 图模拟量与数字量的对应关系FX2N-4DA模块在出厂时，调整为输入数字值04000对应于输出电压010V。如果用在电流输出，那么久需要FX2N-4DA上的调节电位器对偏置值和增益值重新进行调整，电位器想顺时针方向旋转时，数字值增加。增益是可以设定为任意的值，但是为了能够充分的利用好12位的数字值，比较合适的输入数字范围为04000。比如420mA电流输出时，调节20mA模拟输出量对应的数字输入为4000。电压输出时，它的偏置值是0，电流输出时4mA模拟输出量对应的数字输入值就是0。FX2

37、N-2DA模块总共拥有32个缓冲储存器（BFM），FX2N-2DA的BFM分配如下表所示：表3.12 FX2N-4DA的BFM分配表BFM编号b15b8b7b3b2b1b0#0#15保留#16保留输出数据的当前值，8位数据#17保留D/A低8位数据保持通道1的D/A转换开始通道2的D/A转换开始#18#32保留但是在通常的情况下只会使用两个BFM#16和BFM#17：（1） BFM#16，BFM#16的低8位b7b0用于输出数据的当前值，高8位保留。存放由BFM#17指定通道的D/A转换数据，D/A数据以二进制形式出现，并以低8位和高4位两部分顺序存放和转换。（2） BFM#17，BFM#17

38、的b0位从“1” 变为“0”时，通道2的D/A转换开始；b1位从“1” 变为“0”时，通道1的D/A转换开始；b2位从“1” 变为“0”时，D/A转换的低8位数据被锁存保持，其余的各位都没有意义。3.5.2 电动调节阀 本次技术供水系统的流量控制这个部分，通过资料的查询和老师的指导，用到的是电动调节阀，通过控制阀门的开度，来控制水流量。ZDGT电动隔膜调节阀由PLS系列和3810系列直行程电动执行结构和隔膜阀组成，这种电动阀门可以达到控制阀门开度，控制流量，液位，温度一些参数，但这种阀门属于耐腐蚀电动隔膜阀，这个阀稳定性不高，而对另一种阀门电动单座调节阀ZDLP，一样由PLS系列和3810L系

39、列电子式的执行机构与单座调节阀构成的。ZDLP电动阀，它的供电的电源为220V AC、50Hz电源，内设有伺服放大器、位置信号发生器以及阀门位置显示和位置限位开关等等，这种电动阀门它能够直接的接受来自控制仪表或者计算机CPU等输出的模拟电信号，420mA DC或者是电压信号15V DC的控制，对调节阀门的开度进行控制，就能够达到控制调节介质水的流量控制了。本次设计选用的电动调节阀就是ZDLP，下面会介绍一下ZDLP的具体参数等。ZDLP电动调节阀除了可以几首点信号外，还能反馈相应的阀门位置电信号，阀们体为低阻流直通单座上导向的结构，控制的精度较高，流量大，而泄漏量非常小等优点。下表为ZDLP电

40、动阀额技术参数：表ZDLP电动单座调节阀技术参数公称通径DN(mm)253240506580100125150200阀座直径mm263240506580100125150200额定流量系数Kv81322325080120200280450额定行程L(mm)16254060配用电动执行机构型号381LSA/381-20381LSA/381-30381LSA/381-50381LSA/381-65允许压差(MPa)3.02.01.81.051.160.670.470.390.260.16下表为ZDLP电动阀的执行机构的参数：型号381LSA-08381LSA-20381LSA-30381LSA-5

41、0381LSA-65381LSA-99381LSA-160隔爆型号381-08381-20381-30381-50381-65381-99381-160输出力推(N)80020003000500065001000016000最大行程L(mm)3060100工作速度(mm/S)4.22.13.51.72.82.01.0主要技术参数电源电压：220V/50Hz 输入信号420mA或15V DC，输出信号：420 mA DC 防护等级：相当于IP55，隔爆标志ExdIIBT4，手操作功能：手柄环境温度：-25+70oC环境湿度95%ZDLP电动调节阀的外形结构，如下图所示：图3.13 ZDLP电动调

42、节阀的外形结构3.6压力控制部分对于本次设计的压力控制部分，是采用恒压供水控制，如下框图所示：图3.14 压力控制框图这部分控制用到的两台水泵，相互为备用，为了达到控制要求的水压力，是通过压力传感器实时的检测出水口的水压力，然后通过A/D模块读入到PLC中然后通过与PLC中的设定值比较，当水压达不到要求时，PLC控制变频器，通过变频器改变水泵电机的转速，到达稳定压力的目的。上图中的压力传感器检测管中的水压。水压传感器将检测到的水压信号转变为电流或电压信号送到PLC。3.6.1压力传感器在现代的自动化智能系统中，检测非常重要，本设计之中的一个检测就是压力检测，将检测到的压力反馈给系统，达到自动控

43、制。将压力传感器安装在水管网上，把出口压力信号变成420mA变化的电流信号或者是010V变化的电压信号送入PLC的端口进行PID调节经过运算后和预设的压力参数进行比较得到一个调节参数送到变频器，从而变频器控制调节水泵的转速，调节水量，达到供水管网中压力恒定的控制目的。本次设计选用的是YTZ-150型带电接点式的压力传感器，YTZ-150压力传感器水压的检测范围是01MPa，它检测的精度达到了0.01MPa，将检测到的压力信号转换成010V的电信号。这种传感器体积小、重量轻、工作可靠。3.6.2模拟量输入模块压力信号是连续变化的模拟量，而PLC的CPU智能处理数字量，模拟量扩展单元可将外部模拟量

44、转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果转换为机外所需的模拟量，在这个模块上，选用的是FX2N-2AD模拟量输入模块。AD转换模块是将压力传感器提供的模拟量的电信号转换为数字量的信号输入到PLC中，供PLC对数据进行处理和计算。此次选择的AD转换模块为三菱公司的FX2N-2AD模数转换模块，它可以将2点的模拟输入量转换成12位的数字量，并将这个值输入到可编程逻辑控制器中。图3.15 FX2N-2AD模块接线图该转换模块有两个模拟输入通道，可以选择电压输入或者是电流输入，这两个模拟通道可以接受的输入为010VDC、05VDC或者是420mA；此模块共占用8个I/O口，能够使用FROM/T

45、O指令与PLC进行数据的传输，除此之外，该模块的输入与PLC的电源间还采用了光耦及DC/DC转换器进行隔离，同时在使用时还应注意两个通道不能同时一个输入电流和另一个输入电压。3.6.3变频器根据设计需要，变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品。该产品可以和三菱PLC工作协调。变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品，适配电机15 kW ，该变频器基本配置中带有PID功能。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号(010 V)接至变频器的辅助输入端FI、FC，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速

46、，控制管网压力保持在给定压力值上。 图3.16 基本接线图3.6.4水泵的选择水泵是把机械能转变为水流势能或动能的电机。离心泵是水电站用的较多的一种水泵。水泵的选择决定了这个系统的品质，水量的需求。推力轴承冷却器，机组稳定运行时，轴承达到热平衡状态，全部摩擦损失都变成热量被带走冷却水用量QT=3600NTCt式中C水的比热，25oC，C=4186.8 (J/kgoC)；t水在冷却器内的温升，一般为t=24oC；NT推力轴承损耗功率（kW）由下面公式决定NT=PfV1000P推力轴承总负荷；f镜钣与推力瓦的摩擦系数；V推力瓦表面的平均圆周速度（m/s）。不同的需求经过上面相关的公式计算可以得到相

47、应的水量，导轴承需要的冷却水较少，一般就是可以按照推力用水量的10%20%计算。因为本次设计的重点在与温度和压力的控制，而且在水量的控制上十分的复杂，所以本次设计对于积水供水泵的选型就根据通常满足的要求选择的是单级单吸卧式离心泵IS65-40-250，转速2900m/s，叶轮直径250mm，效率48%，扬程80m，吸上真空高度为7m，配备的是型号Y160M22，功率15KW的电动机。深井泵选择国产XBD17.6/10-DLL水泵，流量10(L/s)，压力1.764(MPa)，额定功率37KW，转速2950（r/min），效率65%，对于蓄水池在水位降低时需要及补给水，从水井或上游抽水，扬程和功

48、率相对就取的大一点。3.7 液位传感器及电磁阀的选型 3.7.1 电磁阀电磁阀选用的是VF-50，其中“V”表示电磁阀，“F”表示防腐蚀，50表示口径（mm）宽度，使用电压是AC 220V 50Hz/60Hz DC 24V，功率AC 2.5KW，介质温度150，环境温度-2060，操作方式常闭，通电打开、断电关闭，动作响应迅速，高频率。3.7.2液位传感器本次的液位传感器选用的LSF-3型液位传感器，“L”表示是光电的，“S”表示传感器，“F”表示是防腐蚀的，3为最大工作压力。LSF系列液位开关可提供非常准确、可靠的液位检测。其原理是依据光电反射折射原理，当没有液体时，光被

49、前端的凌镜面或球面反射回来；有液体覆盖光电探头球面时，光被折射出去，这使得输出发生变化，相应的晶体管或继电器动作并输出一个开关量。应用此原理可制作成单点或多点液位开关。LSF光电液位开关具有较高的适应环境的能力，在耐腐蚀方面有较好的抵抗能力。工作温度上限为125，工作压力3Mpa，触点容量为70W，触点寿命为100万次，切换电流为0.5A，开关电压为DC24V。3.7.3接触器 本次选用的接触器是CJ-15型接触器，“C”表示接触器，“J”表示交流，15为主触头额定电流。相关技术参数，操作频率为1200/h，机电寿命为1000万次，主触头额定电流为15(A) ，额定电压为380/220(V)，

50、功率为2.5KW。3.8各硬件模块的连接在经过和完成了上面的硬件选型后，系统的整体结构如下图所示：图3.17硬件连接框图各个部分的连接可以从上图看出，整个技术供水系统开始运行时，温度检测模块FX2N-4AD-PT实时对各个部分上导轴承油冷却器、发电机空气冷却器、推力轴承油冷却器、水导轴承油冷却器等设备进行检测，对检测到的数据信号送回到PLC中在同过三菱PLC对读入的信号与预设的值进行比较，通过比较，如果大于预设值PLC则输出一个信号，通过D/A模块转换成模拟量电压或电流信号，当电动调节阀ZDLP接受到电信号时，阀门做出动作调节阀门开度变大，流量增加，从而使得设备温度下降，而温度检测模块一直在检

51、测温度的变化，直到检测温度等于预设值时，阀门回到中间位置，当然这也是通过PLC实现的，在同时系统还在通过压力传感器检测入水口的压力，然后通过A/D模块实时的传回PLC中，在PLC中一样会有一个预设值进行比较，同过比较PLC会控制变频器，通过变频器改变技术供水泵电机的转速然后提高水位来提升稳定系统的水压，同样压力检测实时检测，反馈PLC处理，控制压力输出。 4软件设计4.1软件设计工具在本次设计中，使用的PLC编程软件为GX Developer。该软件为三菱可编程逻辑控制器的编程软件，可以用来编写三菱各个系列的程序，支持梯形图、SFC等语言的程序设计，同时还可以对程序进行在线的更改、调试及监控。

52、4.2主要软件设计流程框图技术供水系统温度检测和流量控制程序流程框图如下图所示： 图4.1 系统温度检测流量控制程序流程框图技术供水系统压力控制程序流程图如下图所示：图4.2 系统压力控制程序流程图4.3 PID控制及参数整定4.3.1 PID介绍PID是比例、微分、积分的缩写。PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制力式之一。PID控制不需要被控的对象的数学模型，具有结构简单，容易实现的特点，有良好的灵活性和适应性能。它的原理通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目

53、标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。PID控制原理如下图所示：图4.3 PID控制原理图PID控制算法的一般形式 ，PID控制器根据日标值(设定值)r(t)与反馈值(测量值)c(t)构成的控制偏差： e(t)=r(t)-c(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：ut=Kpet+1TiOtet+Tddetdt或者1et+10tet+Tdde(t)d(t)式中KP ：调节器的比例系数Ti ：调节器的积分时间Td ：调节器的微分时间e ：调节器的偏差信号u ：输出 ：比例带，它是惯用

54、增益的倒数（1）比例环节： 即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。（2）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Ti， Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节 ：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 PID调节器的传递函数是：Gc s=11+1n+Tds当上述控制算法公式只包含第一项时，称为比例(P)作用，只包含第二项时，称为积分(I)作用;但只包含第三项的单纯微分(D)作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果，只包含第一、二项的是PI作用;只包含第一、三项的是PD作用;同时包含这三项的是PID作用。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PI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PID控制