变频恒压供水系统plc控制-论文-学位论文

变频恒压供水系统PLC控制系别：专业班：姓名：学号：指导教师：PAGE变频恒压供水系统PLC控制TheControlofPLConWaterSupplySystemofConstantPressureandFrequencyConversionPAGE31摘要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。该课题分析变频调速恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，该课题采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。由变频器及PLC组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由两台水泵并联而成，由变频或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。该课题介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。系统通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。关键词：变频调速恒压供水自动调节AbstractWiththerapiddevelopmentofspcialeconomy,itdemandsthebetterofwatersupply’squalityandreliabilityofwatersupplysystem.Meanwhileenergyresourcesareseriouslylack.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell,withhelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadaptdifferentwatersupplyfields.ThispaperanalyzesthestructureofVFspeedregulatingconstant-pressurewatersupply,andproposesseveralcontrolmethods.Bycarefulstudyandcomparison,PLCandinverter'smethodfitswatersupplysystemanddatatransmissionverywell.ItisveryimportantoftheWaterSupplySysteminConstantPressureforthewatersupplyinindustrialandcitizenexistence.Itisconsistofthevariablefrequencyandspeedregulation,PLC,forthecontrolsystem.Itcontrolstheoutcomeofthepumps.Thegeneratorpumpsareconsistingofparallelthreepumps,andthepowercomefromvariablefrequencyandspeedregulationorpowergrid.Accordingtothewatersupplyofconstantperssure’soutcomewaterpressandflux,thecontrolthevariablefrequencyandspeedregulation,parallelpumps’speedandcutover,causethesystemmoveinthebestrationalsituation,assureaccordingtowantssupplywater.Thisdesignhasmanymeritssuchassaveenergy.Inthispaper,thecontrolprincipleofproviding-watersystemisintroduced,PLCisusedtocarryonlogiccontrolandovertiredtomodulatepressure.WerealizeClose-loopAutomaticadjustmentinProviding-waterSystem.Theresultindicatesthatthesystemhasthestablepressure,simplestructure,andreliablework.KeyWords：variablefrequencyspeed-regulatingconstantpressurewater-supplyautomaticadjustment目录摘要 IAbstract II绪论 11变频恒压供水系统 21.1变频恒压供水系统简介 21.1.1变频恒压供水系统特点 21.1.2变频恒压供水系统的结构 31.2变频恒压供水系统的要求 51.3变频恒压供水控制方式的选择 52电气元件的选用 72.1可编程控制器 72.1.1可编程控制器简介 72.1.2可编程控制器选型 72.2水泵的选择 92.3变频器的选型及接线 102.3.1变频器选型 102.3.2变频器的接线 122.4PID调节 122.5压力传感器 132.6FXON-3A模块 142.6.1模块介绍 142.6.2模块与PLC连接 142.6.3FROM/TO指令应用 153控制系统设计 183.1电气控制主电路 183.2PLC控制系统程序设计 193.2.1PLC控制流程 193.2.2控制系统的I/O分配及系统接线 193.2.3变频器参数的确定和设置 203.2.4 PLC控制程序设计 21结论 26致谢 27参考文献 28附录1主电路原理图 29附录2系统控制梯形图 30绪论众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己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。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用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、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。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性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。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。本设计针对恒压供水控制系统包括软硬件方面在工业实际应用中具体作用进行详细的介绍。系统将PLC、变频器、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，这个操作方便的自动控制系统，以变频调速为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。1变频恒压供水系统变频恒压供水系统简介1.1.1变频恒压供水系统特点随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，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着高可靠性、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。变频恒压供水系统能适用生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:(1)供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。(2)用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。(3)变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。(6)水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。(7)用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。1.1.2变频恒压供水系统的结构图1-1系统结构图变频恒压供水系统如图1-1所示，整个系统由二台水泵，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。两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，两台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0～5V电压信号)或压力变送器(反馈4～20mA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极调速、无波动稳压的效果和各项功能。变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及时间报警装置等部分组成。(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。(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:①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。②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。①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。②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。③电控设备:它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。(4)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压力，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示，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，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，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。由于本系统能水泵切换后启动和停电后需5s报警，运行要自动切换到备用泵，并报警，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。1.2变频恒压供水系统的要求(1)两台水泵分别有两台电动机拖动，要求一台运行，一台备用。(2)自动运行时泵运行累计100小时轮换一次，手动时不切换。(3)完成恒压供水系统的硬件配置。(4)完成供水系统PLC程序设计。(5)实现PLC与变频器、PLC与触摸屏之间的通信参数的设定。1.3变频恒压供水控制方式的选择目前国内变频恒压供水设备电控柜的控制方式有：(1)逻辑电子电路控制方式这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节，往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此，控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动时有冲击、抗干扰能力较弱，其成本较低。(2)单片微机电路控制方式这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时，调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不太好。(3)带PID回路调节器或可编程序控制器(PLC)的控制方式该方式变频器的作用是为电机提供可变频率的电源。实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。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在输入可编程控后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出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PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。(4)新型变频调速供水设备新产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合在变频器内，形成了不同作用的新型变频器。由于PID运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对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稳。同时，为了保证水压反馈信号的准确，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[4]。考虑以上四种方案后，此次设计采用第四种方案。如图1-2所示图1-2供水系统方案图在供水系统方案图中，压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。2电气元件的选用2.1可编程控制器2.1.1可编程控制器简介可编程控制器是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(ProgrammableLogicController)，简称PLC。可编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入/输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。2.1.2可编程控制器选型目前市场上的PLC种类繁多，近年来，从美国、日本、德国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列，上百种型号。其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有自己的特点，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。一般选择机型要以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。机型的选择可从以下几个方面来考虑。世界各国生产厂家生产的PLC虽然外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构都大体相同。主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）接口、电源及外围设备等几大部分构成。PLC的硬件结构框图如图3-1所示：图2-1PLC的硬件结构框图在选择PLC的型号时一般从以下几个方面来考虑：(1)功能要适当。PLC的选型基本原则是满足控制系统的功能需要。控制系统需要什么功能，就选择具有什么样功能的PLC，当然要兼顾维修、备件的通用性。(2)I/O点数是基础。准确地统计出被控设备对输入输出点数的总需要量是PLC选型的基础。把各输入设备和被控设备详细列出，然后在实际统计出I/O点数的基础上加15%～20%的备用量，以便今后调整和扩充。(3)估算系统对PLC响应时间的要求。对于大多数应用场合来说，PLC的响应时间不是主要的问题。响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。PLC的顺序扫描工作方式使它不能可靠地接收持久时间小于扫描周期的输入信号。为此，需要选取扫描速度高的PLC，像FX2N型PLC能处理速度达0.08µs/步的顺控指令。(4)根据程序存储器容量选型。PLC的程序存储器容量通常以字或步为单位。PLC的程序步是由一个字构成的，即每个程序步占一个存储器单元。用户程序所需存储器容量可以预先估算。对于开关量控制系统，用户程序所需存储器的字数等于I/O信号总数乘以8。(5)编程器与外围设备的选择。小型PLC控制系统通常都选用价格便宜的简易编程器。如果系统大，用PLC多，选一台功能强、编程方便的图形编程器也不错，如果有现成的个人计算机，也可选用能在个人计算机上运行的编程软件包[1]。三菱FX2N的主要特点：较高的可靠性；丰富的指令集；丰富的内置集成功能；实时特性强和强大的通信能力。PLC容量的选择：PLC容量主要是指是PLC的I/O点数，I/O点数也应留有适当裕量。由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的I/O点是数量太多，将使成本增加。根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常I/O点数按实际需要的考虑留10%～15%点数备用量。根据系统要求和功能，本系统选用FX2N-32MR型PLC。2.2水泵的选择工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求:(1)水泵扬程应大于实际供水高度；(2)水泵流量总和应大于实际最大供水量；(3)水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量；(4)水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价；(5)水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失；(6)安装管理方便。安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在该设计中要求两台主泵，主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水，使得系统瘫痪。一般最优的水泵台数为2～6台。综合上述，对水泵进行选用时，要根据供水系统对流量的大小、扬程的高低和实际需要进行选择。水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。在本设计中，采用ISG型立式离心泵40-160(I)，其参数如下表所示：表2-1水泵的参数型号流量(m3/h)扬程(m)转速(r/min)电机功率(kw)40-160(I)12.53229003.02.3变频器的选型及接线2.3.1变频器选型变频器是把工频电源(50Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用，是水泵电机调速的执行者。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两类。交-直-交变频器是先将工频交流电通过整流器整流成直流；再把直流电经逆变器变成频率可调的交流电。交-交变频器将电网的交流电直接变为电压和频率都可调的交流电。由于交-交变频器的输出频率一般最高只能达到电源频率的1/2～1/3，所以它适用于低速大功率的传动，在泵与风机的调速节能中迄今很少使用。本文选用交-直-交变频器[4]。图2-2变频器的结构图其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。变频器的型号很多，选择合适的变频器对系统的稳定运行有很大的帮助。变频器容量的选择归根到底是选择其额定电流，总的原则是变频器的额定电流一定要大于拖动系统在运行过程中的最大电流。在选择变频器容量时，有以下情况需要考虑：(1)变频器驱动的是单一电动机，还是驱动多个电动机。(2)电动机是直接在额定电压、额定频率下直接启动，还是软启动。(3)驱动多个电动机时，是同时启动还是分别启动，大多数情况下是使用变频器驱动单一的电动机，并且是软启动，这时候变频器额定电流选择为电动机的额定电流的1.05～1.1倍。当一台变频器驱动多台电动机时，多数情况下也是分别单独进行软启动。这时候变频器额定电流的选择为多个电动机中最大电动机额定电流1.05～1.1倍。总的来说，变频器的选用应该满足以下原则：变频器的容量应大于负载所需的输出；变频器的电流大于电机的电流。因电机的计算功率小于所选用功率，根据变频器的容量的选择方法进行计算。根据设计的要求，本系统选用FR-E540系列变频器。该变频器采用先进磁通矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1：120（0.5～60Hz）；可拆御风扇和接线端子，维护方便；柔性PWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口，可插扩展卡符合全世界主要通信标准；PID等各种功能适合各种应用场合。应用三菱FR-E540系列变频器内置PID功能的PLC控制恒压供水系统，效率高，损耗小，调速供水节能效果突出，运行稳定，可靠性高，抗干扰能力强，精度高，动态响应快，体现了变频调速恒压供水的技术优势，实现恒压供水，成为供水网的换代产品。表2-2变频器的参数表变频器适用电机容量（KW）输出额定容量(KVA)输出额定电流（A）过载能力电源额定输入交流电压/频率冷却方式FR-E540（三菱）5.59.112150%60s，200%0.5s3相，380V~480V50Hz/60Hz强制风冷2.3.2变频器的接线管脚STF接PLC的Y7管脚，控制电机的正转。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FU和OL输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。图2-3变频器的接线图2.4PID调节仅用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，以此来抑制偏差的增加。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[8]。图2-4PID控制框图通过对被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。也就是使反馈量与日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。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。(2)软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器上做PID控制器。此次使用硬件型控制形式。本系统的PID调节器内置于变频器中。2.5压力传感器压力传感器作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA变化的电流信号或0～5V间变化的电压信号的标准信号进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。压力传感器使用CY-YZ-1001型绝对压力传感器。该传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力－电转换。传感器由敏感芯体和信号调节电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的电桥的输出电压发生变化，信号调节电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。该传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3V（图2-5传感器的接线图FXON-3A模块2.6.1模块介绍FXON-3A模拟特殊功能模块有两个输入通道和一个输出通道。输入通道接受模拟信号并将模拟信号转换成数字信号，输出模块采用数字值并输出等量模拟信号。FXON-3A的最大分辨率为8位。可以连接到FX2N、FXONC、FX1N、FXON系列的可编程控制器上。所有数据传输和参数设置都是通过应用到PLC中的TO/FROM指令，通过FXON-3A的软件控制调节的。PLC和FXON-3A之间的通信由光耦合器保护。FXON-3A在PLC扩展木线上占用8个I/O点，8个I/O点可以分配给输入或输出。2.6.2模块与PLC连接(1)最多4个FXON-3A模块可以连接到FXON系列PLC,最多5个可以连接到FX1N系列，最多8个可以连接到FX2N系列，最多4个可以连接到FX2NC系列PLC,全部需和带有电源的扩展单元配套使用。然而，在连接了下述特殊功能块的情况下，有下列限制。FX2N：I/O点数小于等于32的主单元和带电源的扩展单元。可供下述特殊功能块的消耗电流≦190mA。FX2N：I/O点数大于等于48的主单元和带电源的扩展单元。可供下述特殊功能块的消耗电流≦300mA。FX2NC：不管系统I/O如何，下述特殊功能块至少可以连接4个。FX0N/1N：主单元和带电源的扩展单元.不管系统I/O如何，可供下述特殊功能块至少可以连接2个。(2)FXON-3A消耗5VDC30mA。连接到FX2N或FX2NC主单元或FX2N扩展单元的所有特殊功能块总共5V的消耗绝不能超过系统的5V电压电源容量。(3)FXON-3A和主单元是通过主单元右边的电缆连接的。2.6.3FROM/TO指令应用FXON-3A是一种模拟量输入输出模块，它应用时作为特殊功能模块与可编程控制器相连接。使用应用指令FROM/TO与可编程控制器进行数据传输。(1)读特殊功能模块（FROM指令）。功能号FNC78，助记符FROM。(2)16位/32位指令。脉冲/连续执行。操作数如图2-6所示。图2-6FROM指令操作数m1：特殊功能模块号（范围0～7）。特殊功能模块应用时是连接在可编程控制器右边的扩展总线上的。不同系列的可编程控制器可以连接的特殊功能模块的数量是不一样的，这时从最靠近可编程控制器那个模块开始，按NO.0→NO.1→NO.2……的顺序编号如图2-7所示。图2-7特殊功能模块号m2：缓冲存储器（BFM）号（范围0～31）。特殊功能模块内有32点16位RAM存储器，这叫做缓冲存储器，其内容根据各模块的控制目的而决定。缓冲存储器的编号为#0-#31。在32位指令中，指定的BFM为低16位，在此之后的BFM为高16位。n：传送点数，用n指定传送的字点数。FROM指令的使用说明如图2-8所示。图2-8FROM指令使用说明（3）FROM指令的说明当X0=OFF时，FROM指令不执行。当X0=ON时，将0号特殊功能模块内10号缓冲存储器（BFM#10）开始的2个数据读到可编程控制器中，并存入以D10开始的寄存器中。表示如图2-9所示。图2-9FROM指令的表现形式（4）写特殊功能模块（TO指令）功能号FNC79，助记符TO。16位/32位指令。脉冲/连续执行。操作数如图2-10所示。图2-10TO指令操作数其中m1、m2和n的说明与FROM指令相同。TO指令的使用说明如图2-11所示。图2-11TO指令的使用说明当X0=OFF时，TO指令不执行。当X0=ON时，将可编程控制器中以D10开始的2个数据写入0号特殊功能模块内以10号缓冲存储器（BFM#10）开始的2个缓冲存储器中。表示如图2-12所示。图2-12T0指令表现形式3控制系统设计3.1电气控制主电路图3-1电气控制图电机有两种工作模式：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1分别为电动机M1工频运行时接通电源的控制接触器，KM0分别为电动机M1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（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。系统中共有两台电动机，图3-1为其中一台电动机的控制图，另一台电动机及变频器见附录1主电路原理图。.3.2PLC控制系统程序设计3.2.1PLC控制流程PLC工作流程如图3-2所示。图3-2PLC程序流程图系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。3.2.2控制系统的I/O分配及系统接线(1)I/O分配PLC输入、输出分配表见表3-1。表3-1I/O设备及I/O点分配PLC输入、输出PLC输入PLC输出输入设备输入继电器输出设备输出继电器泵水流开关X1KM1（控制泵接触器）Y0泵水流开关X2KM2（控制泵接触器）Y1过压保护开关X3报警器HAY2变频器正转启动端子STFY3(2)系统接线根据控制要求，PLC选用FX2N-32MR型，变频器选用三菱FR-E540,模拟量处理模块选用输入输出混合模块FX0N-3A，变频器通过模拟量处理模块的模拟输出来调节电动机的转速。根据控制要求及I/O分配，控制系统的接线图如图3-2所示。图3-3控制系统接线图3.2.3变频器参数的确定和设置(1)上限频率Pr.l=50Hz；设定范围0-120Hz；(2)下限频率Pr.2=30Hz；设定范围0-120Hz；(3)变频器基准频率Pr.3=50Hz；设定范围0-400Hz；(4)加速时间Pr.7=3s；0.4K-3.7K时为5s设定范围0-3600s，5.5K-7.5K时为10s设定范围0-360s；(5)减速时间Pr.8=3s；0.4K-3.7K时为5s设定范围0-3600s，5.5K-7.5K时为10s设定范围0-360s；(6)电子过电流保护Pr.9=电动机的额定电流；设定范围0-500A；

(7)起动频率Pr.l3=10Hz；设定范围0-60Hz(8)设定端子2-5间的频率设定为电压信号0-10VPr.73=1；(9)允许所有参数的读／写Pr.l60=0；(10)操作模式选择(外部运行)Pr.79=2；设定范围0-4,6-8。PLC控制程序设计图3-4启动控制如图3-4所示，M8002常开触点，仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期。把M50寄存器置为1，完成初始化启动，把K5赋值给D10，完成设置时间参数。把K50赋值给T1，设置启动报警时间5s。当5s运行结束，T1常开触点闭合，把M50复位。同时，语句转到P20地址，启动报警,或者过压时同样启动报警。图3-5读写模拟量如图3-5所示，M8000常开触点，PLC运行时一直接通。把k0写入0#模块BFM17中，设置通道CH0，把k2赋值给0#模块BFM17中，实现模数转换，把转化成的数据量0#模块BFM0中的数据读取到D160中。完成读取模拟量。M8000常开触点，PLC运行时一直接通。把D150写入0#模块BFM16中，设置通道CH1，把k4赋值给0#模块BFM17中，实现数模转换，把转化成的数据量D150转化成模拟量0写到0#模块BFM17中。完成模拟量输出。图3-6压力值校正如图3-6所示，M8000常开触点，PLC运行时一直接通。把D160的数据除以k25，把余数存到D102中，商存到D101中，进行压力值校正。把D150除以k50，把商存到D102中，余数存到D103中，完成转速值的校正。图3-7PID运算如图3-7所示，M8000常开触点，PLC运行时一直接通。把k30赋值给D120，完成了采样时间的设定。把k1赋值给D121，设定动作方向。把k10赋值给D122，设定滤波系数。把k70赋值给D123，设定比例系数。把k10赋值给D124，设定积分时间。把K10赋值给D125，设定积分增益。完成PID的设定，把转化成的数据转化到D150中。图3-8手动与自动跳转如图3-8所示，通过触摸屏手动启动1#泵（M100为1），M501自锁保护。启动手动运行模式，程序跳转到P10地址。M500为1，进入自动启动模式。如果触摸屏没有自动启动命令，程序结束。

图3-9指示灯及故障报警如图3-9所示，Y000为1，（1#泵启动），1#泵水流开关闭合，把T20的时间设为3s，同理，Y001为1，（2#泵启动），2#泵水流开关闭合，把T21的时间设为3s。实现无水流指示延时。延迟时间到，T20、T21产生一个上升沿脉冲信号，Y004设为1（报警器警报），同时设定计数器。M104清除报警。重置Y004和C100都为0。图3-10自动运行如图3-10所示，系统进入自动运行画面后，按下“启动”按钮，M500得电，供水系统自动运行。当T20或T21接受到上脉冲时，系统故障报警。按下“清除报警”M104得电，Y004和C100复位，系统消除故障报警。1#泵运行，或2#泵运行，把D10的值赋值给T10设定时间，预置时间结束，T10接触器为1，变频器正转启动端子STF。对应自动运行模式触摸屏界面如图3-10所示：图3-11自动运行模式触摸屏界面图3-12手动运行如图3-12所示，在触摸屏上，当按下画面中的“1号按钮”，PLC中M100得电同时M504得电自锁，1号水泵启动；同理当按下画面中的“2号按钮”，PLC中M101得电同时M505得电自锁，2号水泵延时10秒后启动。1号水泵和2号水泵不能同时运行。设定T30时间为1s，预置时间到，变频器正转启动端子STF。按下“停止”，M102得电断开，1号水泵或2号水泵停止运行。对应手动运行模式触摸屏界面如图3-12所示：