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【大学本科毕业设计】基于PLC的变频调速恒压供水系统-----自动化等专业



摘要
本论文根据中国城市小区的供水要求,设计了一套基于 PLC 的变频调 速恒压供水系统, 并利用组态软件开发良好的运行管理界面。 变频恒压供水 系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。 本系统包含三台水泵电机,它们组成变频循环运行方式。采用变频器 实现对三相水泵电机的软启动和变频调速,运行切换采用“先启先停”的原 则。压力传感器检测当前水压信号,送入 PLC 与设定值比较后进行 PID 运 算,从而控制变频器的输出电压和频率,进而改变水泵电机的转速来改变 供水量, 最终保持管网压力稳定在设定值附近。 通过工控机与 PLC 的连接, 采用组态软件完成系统监控,实现了运行状态动态显示及数据、报警的查 询。

关键词:变频调速,恒压供水,PLC,组态软 关键词

1 绪论
1.1 课题的提出
水和电是人类生活、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源短缺的国家,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, 自动化程度较低,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。 传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水 箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速 供水系统等方式,其优、缺点如下[1]: (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) 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。 (3) 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
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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。 (4) 液力耦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着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[2]。 基于 PLC 和变频技术的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。

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1.3 PLC 概述
1.3.1 可编程控制器的定义 可编程控制器,简称 PLC(Programmable logic Controller),是指以 计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会 (International Electrical Committee)颁布的 PLC 标准草案中对 PLC 做 了如下定义:“PLC 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作 的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑 运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式 或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。 及其有关的外 PLC 围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原 则而设计。” 1.3.2 PLC 的发展和应用 世界上公认的第一台 PLC 是 1969 年美国数字设备公司(DEC)研制的。 限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的 PLC 主要由分立组件和 中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20 世纪 70 年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使 PLC 增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业 控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编 程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言[5] ,并将参 加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。此时的 PLC 为微机技术 和继电器常规控制概念相结合的产物。20 世纪 70 年代中末期,可编程控制 器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功 能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、
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模拟量运算、PID 功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20 世纪 80 年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时 期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这 个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日 益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期,可编程控 制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说,这个 时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特 殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产 品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程 控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,PLC 在国内外已广泛应用 于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化 娱乐等各个行业,被称为现代技术的三大支柱之一。 1.3.3 西门子 S7-200PLC 简介

西门子公司具有品种非常丰富的 PLC 产品。 系列是传统意义的 PLC, S7 S7-200 属于小型 PLC,在 1998 年升级为第二代产品,2004 年升级为第三 代产品,其特点如下[6]: (1) 功能强大。S7-200 有 5 种 CPU 模块,最多可扩展 7 个扩展模块, 扩展到 248 点数字量 I/O 或 38 路模拟量 I/O,最多有 30 多 KB 的程序存储 空间和数据存储空间; (2) 先进的程序结构,功能强大、使用方便的编程软件; (3) 灵活方便的寻址方法; (4) 强大的通信功能和品种丰富的配套人机界面; (5) 有竞争力的价格; (6) 完善的网上技术支持等。
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1.4 本课题的主要研究内容
本设计是以小区供水系统为控制对象,采用 PLC 和变频技术相结合技 术,设计一套城市小区恒压供水系统,并引用计算机对供水系统进行远程 监控和管理保证整个系统运行可靠,安全节能,获得最佳的运行工况。 PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器 和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,本设计中有 3 个贮 水池,3 台水泵,采用部分流量调节方法,即 3 台水泵中只有 1 台水泵在变 频器控制下作变速运行,其余水泵做恒速运行。PLC 根据管网压力自动控 制各个水泵之间切换, 并根据压力检测值和给定值之间偏差进行 PID 运算, 输出给变频器控制其输出频率,调节流量,使供水管网压力恒定。各水泵 切换遵循先起先停、先停先起原则。 根据以上控制要求,进行系统总体控制方案设计。硬件设备选型、PLC 选型,估算所需 I/O 点数,进行 I/O 模块选型,绘制系统硬件连接图:包 括系统硬件配置图、I/O 连接图,分配 I/O 点数,列出 I/O 分配表,熟练使 用相关软件,设计梯形图控制程序,对程序进行调试和修改并设计监控系 统。

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系统的理论分析及控制方案确定

系统的理论分析及控制方案 控制方案确定 2 系统的理论分析及控制方案确定
2.1 变频恒压供水系统的理论分析 变频恒压供水系统的理论分析
2.1.1 电动机的调速原理 水泵电机多采用三相异步电动机,而其转速公式为: n= 60 f (1 s ) p
(2.1)

式中:f 表示电源频率,p 表示电动机极对数,s 表示转差率。 从上式可知,三相异步电动机的调速方法有: (l) 改变电源频率 (2) 改变电机极对数 (3) 改变转差率 改变电机极对数调速的调控方式控制简单,投资省,节能效果显著, 效率高,但需要专门的变极电机,是有级调速,而且级差比较大,即变速 时转速变化较大,转矩也变化大,因此只适用于特定转速的生产机器。改 变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式,其最 大优点是它可以回收转差功率,节能效果好,且调速性能也好,但由于线 路过于复杂, 增加了中间环节的电能损耗[7], 且成本高而影响它的推广价值。 下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。 根据公式可知,当转差率变化不大时,异步电动机的转速 n 基本上与 电源频率 f 成正比。连续调节电源频率,就可以平滑地改变电动机的转速。 但是,单一地调节电源频率,将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技 术的发展,已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置,它们 促进了变频调速的广泛应用。
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2.1.2 变频恒压供水系统的节能原理 变频恒压供水系统的节能原理 恒压供水 供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提,表 明水泵在某一转速下扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线,如图 2.1 所示。由 于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下,流量的大小主要取决于用户的 用水情况,因此,扬程特性所反映的是扬程 H 与用水流量 Qu 间的关系 H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提,表明阀门在某一开度下 扬程 H 与流量 Q 之间的关系曲线,如图 2.1 所示。管阻特性反映了水泵的 能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。 由于阀门开度的改变,实际上是改变了在某一扬程下,供水系统向用户的 供水能力。因此,管阻特性所反映的是扬程与供水流量 Qc 之间的关系 H=f(Qc)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点,称为供水系统的工作点, 如图 2.1 中 A 点。在这一点,用户的用水流量 Qu 和供水系统的供水流量 Qc 处于平衡状态,供水系统既满足了扬程特性,也符合了管阻特性,系统 稳定运行。

图 2.1 恒压供水系统的基本特征

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构 成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体, 通过变频器调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量而实现恒压供
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水的。因此,供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机 的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 在供水系统中,通常以流量为控制目的,常用的控制方法为阀门控制 法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量,水泵电机 转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量,因此, 管阻将随阀门开度的改变而改变,但扬程特性不变。由于实际用水中,需 水量是变化的,若阀门开度在一段时间内保持不变,必然要造成超压或欠 压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量,而阀 门开度保持不变,是通过改变水的动能改变流量。因此,扬程特性将随水 泵转速的改变而改变,但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制。 其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速,使管网 压力始终保持恒定,当用水量增大时电机加速,用水量减小时电机减速。 由流体力学可知,水泵给管网供水时,水泵的输出功率 P 与管网的水 压 H 及出水流量 Q 的乘积成正比;水泵的转速 n 与出水流量 Q 成正比;管 网的水压 H 与出水流量 Q 的平方成正比。由上述关系有,水泵的输出功率 P 与转速 n 三次方成正比,即: P = k1 HQ n = k2 Q
H = k 3Q 2 P = kn3
(2.2) (2.3) (2.4) (2.5)

式中 k、k1、k2、k3 为比例常数。

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H H2 H1 D H0 n1 b1 b2 b3 0 Q2 Q1 Q n2 E F

图 2.2 管网及水泵的运行特性曲线

当用阀门控制时,若供水量高峰水泵工作在 E 点,流量为 Q1,扬程为 H0,当供水量从 Q1 减小到 Q2 时,必须关小阀门,这时阀门的摩擦阻力变 大,阻力曲线从 b3 移到 b1,扬程特性曲线不变。而扬程则从 H0 上升到 H1, 运行工况点从 E 点移到 F 点,此时水泵的输出功率正比于 H1×Q2。当用调 速控制时,若采用恒压(H0),变速泵(n2)供水,管阻特性曲线为 b2,扬程特 性变为曲线 n2,工作点从 E 点移到 D 点。此时水泵输出功率正比于 H0× Q2,由于 H1>H0,所以当用阀门控制流量时,有正比于(H1-H0)×Q2 的功 率被浪费掉,并且随着阀门的不断关小,阀门的摩擦阻力不断变大,管阻 特性曲线上移,运行工况点也随之上移,于是 H1 增大,而被浪费的功率要 随之增加。所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多,节能 效果显著。

2.2.2 变频恒压供水系统的组成及原理图 变频恒压供水系统的组成及原理图 恒压供水系统的组成 PLC 控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器 和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统,该系统的控制流程
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图如图 2.3 所示:

图 2.3 变频恒压供水系统控制流程图

从图中可看出,系统可分为: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,其中由一台变频泵和两台工频泵构成,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;工频泵只运行于启、停两种工作状态,用以在用水量 很大(变频泵达到工频运行状态都无法满足用水要求时)的情况下投入工 作。 (2) 信号检测机构:在系统控制过程中,需要检测的信号包括管网水压 信号、水池水位信号和报警信号。管网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;水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时,控制系统
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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 安装于水池中的液位传感器;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,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 机组)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。 根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同,变频器有两种工作方 式即变频循环式和变频固定式,变频循环式即变频器拖动某一台水泵作为 调速泵,当这台水泵运行在 50Hz 时,其供水量仍不能达到用水要求,需要 增加水泵机组时,系统先将变频器从该水泵电机中脱出,将该泵切换为工 频的同时用变频去拖动另一台水泵电机;变频固定式是变频器拖动某一台 水泵作为调速泵,当这台水泵运行在 50Hz 时,其供水量仍不能达到用水要 求,需要增加水泵机组时,系统直接启动另一台恒速水泵,变频器不做切 换,变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择[9],本设计中采用前者。 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 止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障,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。 变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标,在控制上实现出 口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一
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个常数,也可以是一个时间分段函数,在每一个时段内是一个常数。所以, 在某个特定时段内,恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维 持在设定的供水压力上[10]。变频恒压供水系统的结构框图如图 2.4 所示:

图 2.4 变频恒压供水系统框图

恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参 考点的水压,检测管网出水压力,并将其转换为 4—20mA 的电信号,此检 测信号是实现恒压供水的关键参数。 由于电信号为模拟量, 故必须通过 PLC 的 A/D 转换模块才能读入并与设定值进行比较, 将比较后的偏差值进行 PID 运算,再将运算后的数字信号通过 D/A 转换模块转换成模拟信号作为变频 器的输入信号,控制变频器的输出频率,从而控制电动机的转速,进而控 制水泵的供水流量,最终使用户供水管道上的压力恒定,实现变频恒压供 水。 2.2.3 变频恒压供水系统控制流程 变频恒压供水系统控制流程如下: (l) 系统通电,按照接收到有效的自控系统启动信号后,首先启动变 频器拖动变频泵 M1 工作,根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定 压力的偏差调节变频器的输出频率,控制 Ml 的转速,当输出压力达到设定 值,其供水量与用水量相平衡时,转速才稳定到某一定值,这期间 Ml 工作
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在调速运行状态。 (2) 当用水量增加水压减小时,压力变送器反馈的水压信号减小,偏 差变大,PLC 的输出信号变大,变频器的输出频率变大,所以水泵的转速增 大,供水量增大,最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之,当用水 量减少水压增加时,通过压力闭环,减小水泵的转速到另一个新的稳定值。 (3) 当用水量继续增加,变频器的输出频率达到上限频率 50Hz 时,若 此时用户管网的实际压力还未达到设定压力,并且满足增加水泵的条件(在 下节有详细阐述)时,在变频循环式的控制方式下,系统将在 PLC 的控制下 自动投入水泵 M2(变速运行),同时变频泵 M1 做工频运行,系统恢复对水压 的闭环调节,直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加,满足增加 水泵的条件,将继续发生如上转换,将另一台工频泵 M3 投入运行,变频器 输出频率达到上限频率 50Hz 时,压力仍未达到设定值时,控制系统就会发 出水压超限报警。 (4) 当用水量下降水压升高,变频器的输出频率降至下限频率,用户 管网的实际水压仍高于设定压力值,并且满足减少水泵的条件时,系统将 工频泵 M2 关掉,恢复对水压的闭环调节,使压力重新达到设定值。当用水 量继续下降,并且满足减少水泵的条件时,将继续发生如上转换,将另一 台工频泵 M3 关掉。 2.2.4 水泵切换条件分析 在上述的系统工作流程中,我们提到当变频泵己运行在上限频率,此 时管网的实际压力仍低于设定压力,此时需要增加水泵来满足供水要求, 达到恒压的目的;当变频泵和工频泵都在运行且变频泵己运行在下限频率, 此时管网的实际压力仍高于设定压力,此时需要减少工频泵来减少供水流 量,达到恒压的目的。那么何时进行切换,才能使系统提供稳定可靠的供
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水压力,同时使机组不过于频繁的切换呢? 由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制, 50HZ 成为频率调 节的上限频率。另外,变频器的输出频率不能够为负值,最低只能是 0HZ。 其实,在实际应用中,变频器的输出频率是不可能降到 0HZ。因为当水泵 机组运行,电机带动水泵向管网供水时,由于管网中的水压会反推水泵, 给带动水泵运行的电机一个反向的力矩,同时这个水压也在一定程度上阻 止源水池中的水进入管网,因此,当电机运行频率下降到一个值时,水泵 就己经抽不出水了,实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。 这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于 0HZ, 具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关, 一般在 20HZ 左右。 所以选 择 50HZ 和 20HZ 作为水泵机组切换的上下限频率。 当输出频率达到上限频率时,实际供水压力在设定压力上下波动。若 出现 Ps > Pf 时就进行机组切换,很可能由于新增加了一台机组运行,供水 压力一下就超过了设定压力。在极端的情况下,运行机组增加后,实际供 水压力超过设定供水压力,而新增加的机组在变频器的下限频率运行,此 时又满足了机组切换的停机条件,需要将一个在工频状态下运行的机组停 掉。如果用水状况不变,供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这 样投入—切出—再投入—再切出地循环下去,这增加了机组切换的次数, 使系统一直处于不稳定的状态之中,实际供水压力也会在很大的压力范围 内震荡。这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力,也使得机组由 于相互切换频繁而增大磨损,减少运行寿命。另外,实际供水压力超调的 影响以及现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰,这两种情况都可能使机 组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足。所以,在实际应用中,相 应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的,其实质就是增加 了回滞环的应用和判别条件的延时成立。
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实际的机组切换判别条件如下[11]: 加泵条件: f = fUP 减泵条件: f = f LOW 式中: fUP :上限频率
Ps :设定压力 Pd 2 P Pf > Ps + d 2 Pf < Ps

且延时判别成立 且延时判别成立

(2.6) (2.7)

f LOW :下限频率
Pf :反馈压力

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系统的硬件设计

系统的 3 系统的硬件设计
3.1 系统主要设备的选型
根据基于 PLC 的变频恒压供水系统的原理,系统的电气控制总框图 如图 3.1 所示:

图 3.1 系统的电气控制总框图

由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下 几部分:(1) PLC 及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵机组、(4) 压力变 送器、(5) 液位变送器。主要设备选型如表 3.1 所示:
表 3.1 本系统主要硬件设备清单 主要设备 可编程控制器(PLC) 模拟量扩展模块 变频器 水泵机组 压力变送器及显示仪表 液位变送器 型号及其生产厂家 Siemens CPU 226 Siemens EM 235 Siemens MM440 SFL 系列水泵 3 台 (上海熊猫机械有限公司) 普通压力表 Y-100、XMT-1270 数显仪 分体式液位变送器 DS26(淄博丹佛斯公司)
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系统的硬件设计

3.1.1 PLC 及其扩展模块的选型 PLC 是整个变频恒压供水控制系统的核心,它要完成对系统中所有 输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。 因此我们在选择 PLC 时,要考虑 PLC 的指令执行速度、指令丰富程度、 内存空间、 通讯接口及协议、 带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等 多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少,因此 PLC 选用德国 SIEMENS 公司的 S7-200 型。S7-200 型 PLC 的结构紧凑,价格 低廉,具有较高的性价比,广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS 公 司的 PLC 具有可靠性高,可扩展性好,又有较丰富的通信指令,且通信 协议简单等优点;PLC 可以上接工控计算机,对自动控制系统进行监测 控制。 PLC 和上位机的通信采用 PC/PPI 电缆, 支持点对点接口(PPI)协议, PC/PPI 电缆可以方便实现 PLC 的通信接口 RS485 到 PC 机的通信接口 RS232 的转换,用户程序有三级口令保护,可以对程序实施安全保护[12]。 根据控制系统实际所需端子数目,考虑 PLC 端子数目要有一定的预 留量,因此选用的 S7-200 型 PLC 的主模块为 CPU226,其开关量输出为 16 点,输出形式为 AC220V 继电器输出;开关量输入 CPU226 为 24 点, 输入形式为+24V 直流输入。由于实际中需要模拟量输入点 1 个,模拟量 输出点 1 个,所以需要扩展,扩展模块选择的是 EM235,该模块有 4 个 模拟输入(AIW),1 个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口 时能够自动完成 A/D 的转换,标准输入信号能够转换成一个字长(16bit) 的数字信号;输出信号接出端口时能够自动完成 D/A 的转换,一个字长 (16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。 EM235 模块可以针对不同的 标准输入信号,通过 DIP 开关进行设置。

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系统的硬件设计

3.2 系统主电路分析及其设计 系统主
基于 PLC 的变频恒压供水系统主电路图如图 3.2 所示:三台电机分 别为 M1、M2、M3,它们分别带动水泵 1#、2#、3#。接触器 KM1、KM3、 KM5 分别控制 M1、M2、M3 的工频运行;接触器 KM2、KM4、KM6 分 别控制 M1、M2、M3 的变频运行;FR1、FR2、FR3 分别为三台水泵电 机过载保护用的热继电器;QS1、QS2、QS3、QS4 分别为变频器和三台 水泵电机主电路的隔离开关;FU 为主电路的熔断器。 本系统采用三泵循环变频运行方式, 3 台水泵中只有 1 台水泵在变 即 频器控制下作变速运行, 其余水泵在工频下做恒速运行, 在用水量小的情 况下,如果变频泵连续运行时间超过 3h,则要切换下一台水泵,即系统 具有“倒泵功能” ,避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只 能有一台水泵工作在变频下,但不同时间段内三台水泵都可轮流做变频 泵。

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系统的硬件设计

图 3.2 变频恒压供水系统主电路图

三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的 R、S、T 端,变频 器的输出端 U、V、W 通过接触器的触点接至电机。当电机工频运行时, 连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开, 接通工频运行的 接触器和隔离开关。 主电路中的低压熔断器除接通电源外, 同时实现短路 保护,每台电动机的过载保护由相应的热继电器 FR 实现。变频和工频两 个回路不允许同时接通。 而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源, 故 必须经过接触器的触点, 当电动机接通工频回路时, 变频回路接触器的触 点必须先行断开。同样从工频转为变频时,也必须先将工频接触器断开, 才允许接通变频器输出端接触器, 所以 KM1 和 KM2、 KM3 和 KM4、 KM5 和 KM6 绝对不能同时动作,相互之间必须设计可靠的互锁。为监控电机 负载运行情况,主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将
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4~20mA 电流信号送至上位机来显示。 同时可以通过通过转换开关接电压 表显示线电压。 并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电 压。 初始运行时, 必须观察电动机的转向, 使之符合要求。 如果转向相反, 则可以改变电源的相序来获得正确的转向。 系统启动、 运行和停止的操作 不能直接断开主电路(如直接使熔断器或隔离开关断开),而必须通过变频 器实现软启动和软停。为提高变频器的功率因数,必须接电抗器。当采用 手动控制时,必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流, 本系统采用软启动器。

3.3 系统控制电路分析及其设计 系统控制电路分析及其 电路分析及
系统实现恒压供水的主体控制设备是 PLC,控制电路的合理性,程 序的可靠性直接关系到整个系统的运行性能。本系统采用西门子公司 S7-200 系列 PLC,它体积小,执行速度快,抗干扰能力强,性能优越。 PLC 主要是用于实现变频恒压供水系统的自动控制,要完成以下功 能: 自动控制三台水泵的投入运行; 能在三台水泵之间实现变频泵的切换; 三台水泵在启动时要有软启动功能;对水泵的操作要有手动/自动控制功 能, 手动只在应急或检修时临时使用; 系统要有完善的报警功能并能显示 运行状况。 如图 3.3 为电控系统控制电路图。 图中 SA 为手动/自动转换开关, SA 打在 1 的位置为手动控制状态; 打在 2 的状态为自动控制状态。 手动运行 时,可用按钮 SB1~SB6 控制三台水泵的启/停;自动运行时,系统在 PLC 程序控制下运行。 图中的 HL10 为自动运行状态电源指示灯。 对变频器频率进行复位是 只提供一个干触发点信号, 本系统通过一个中间继电器 KA 的触点对变频 器进行复频控制。图中的 Q0.0~Q0.5 及 Q1.1~Q1.5 为 PLC 的输出继电器
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触点,他们旁边的 4、6、8 等数字为接线编号,可结合下节中图 3.4 一起 读图。

图 3.3 变频恒压供水系统控制电路图 注: PLC 各 I/O 端口、 各指示灯所代表含义在下一节 I/O 端口分配中将详细介绍。

本系统在手动/自动控制下的运行过程如下: (1) 手动控制:手动控制只在检查故障原因时才会用到,便于电机故
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障的检测与维修。单刀双掷开关 SA 打至 1 端时开启手动控制模式,此时 可以通过开关分别控制三台水泵电机在工频下的运行和停止。 SB1 按下时 由于 KM2 常闭触点接通电路使得 KM1 的线圈得电,KM1 的常开触点闭 合从而实现自锁功能,电机 M1 可以稳定的运行在工频下。只有当 SB2 按下时才会切断电路,KM1 线圈失电,电机 M1 停止运行。同理,可以 通过按下 SB3、SB5 启动电机 M2、M3,通过按下 SB4、SB6 来使电机 M2、M3 停机。 (2) 自动控制: 在正常情况下变频恒压供水系统工作在自动状态下。 单刀双掷开关 SA 打至 2 端时开启自动控制模式, 自动控制的工作状况由 PLC 程序控制。Q0.0 输出 1#水泵工频运行信号,Q0.1 输出 1#水泵变频 运行信号,当 Q0.0 输出 1 时,KM1 线圈得电,1#水泵工频运行指示灯 HL1 点亮,同时 KM1 的常闭触点断开,实现 KM1、KM2 的电气互锁。 当 Q0.1 输出 1 时,KM2 线圈得电,1#水泵变频运行指示灯 HL2 点亮, 同时 KM2 的常闭触点断开,实现 KM2、KM1 的电气互锁。同理,2#、 3#水泵的控制原理也是如此。当 Q1.1 输出 1 时,水池水位上下限报警指 示灯 HL7 点亮;当 Q1.2 输出 1 时,变频器故障报警指示灯 HL8 点亮; 当 Q1.3 输出 1 时,白天供水模式指示灯 HL9 点亮;当 Q1.4 输出 1 时, 报警电铃 HA 响起;当 Q1.5 输出 1 时,中间继电器 KA 的线圈得电,常 开触点 KA 闭合使得变频器的频率复位; 处于自动控制状态下, 自动运行 状态电源指示灯 HL10 一直点亮。

3.4 PLC 的 I/O 端口分配及外围接线图
基于 PLC 的变频恒压供水系统设计的基本要求如下: (1) 由于白天和夜间小区用水量明显不同,本设计采用白天供水和夜 间供水两种模式,两种模式下设定的给定水压值不同。白天,小区的用水
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量大,系统高恒压值运行;夜间,小区用水量小,系统低恒压值运行。 (2) 在用水量小的情况下, 如果一台水泵连续运行时间超过 3h, 则要 切换下一台水泵,即系统具有“倒泵功能” ,避免某一台水泵工作时间过 长。倒泵只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。 (3) 考虑节能和水泵寿命的因素,各水泵切换遵循先启先停、先停先 启原则。 (4) 三台水泵在启动时要有软启动功能, 对水泵的操作要有手动/自动 控制功能,手动只在应急或检修时临时使用。 (5) 系统要有完善的报警功能。 根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、 代码及地址 编号如表 3.2 所示。
表 3.2 输入输出点代码及地址编号 名 输 入 信 号 称 SA1 SLHL SU SB7 Up KM1、HL1 KM2、HL2 KM3、HL3 KM4、HL4 KM5、HL5 KM6、HL6 代 码 地址编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 AIW0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5

供水模式信号(1-白天,0-夜间) 水池水位上下限信号 变频器报警信号 试灯按钮 压力变送器输出模拟量电压值 1#泵工频运行接触器及指示灯

输 出 信 号

1#泵变频运行接触器及指示灯 2#泵工频运行接触器及指示灯 2#泵变频运行接触器及指示灯 3#泵工频运行接触器及指示灯 3#泵变频运行接触器及指示灯

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水池水位上下限报警指示灯 输 出 信 号 变频器故障报警指示灯 白天模式运行指示灯 报警电铃 变频器频率复位控制 变频器输入电压信号

HL7 HL8 HL9 HA KA Uf

Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 AQW0

结合系统控制电路图 3.3 和 PLC 的 I/O 端口分配表 3.2, 画出 PLC 及 扩展模块外围接线图,如图 3.4 所示:

图 3.4 PLC 及扩展模块外围接线图

本变频恒压供水系统有五个输入量, 其中包括 4 个数字量和 1 个模拟 量。 压力变送器将测得的管网压力输入 PLC 的扩展模块 EM235 的模拟量 输入端口作为模拟量输入;开关 SA1 用来控制白天/夜间两种模式之间的
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切换,它作为开关量输入 I0.0;液位变送器把测得的水池水位转换成标准 电信号后送入窗口比较器, 在窗口比较器中设定水池水位的上下限, 当超 出上下限时,窗口比较其输出高电平 1,送入 I0.1;变频器的故障输出端 与 PLC 的 I0.2 相连,作为变频器故障报警信号;开关 SB7 与 I0.3 相连作 为试灯信号,用于手动检测各指示灯是否正常工作。 本变频恒压供水系统有 11 个数字量输出信号和 1 个模拟量输出信号。 Q0.0~Q0.5 分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号;Q1.1 输出水位 超限报警信号;Q1.2 输出变频器故障报警信号;Q1.3 输出白天模式运行 信号;Q1.4 输出报警电铃信号;Q1.5 输出变频器复位控制信号;AQW0 输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。 图 3.4 只是简单的表明 PLC 及扩展模块的外围接线情况,并不是严 格意义上的外围接线情况。它忽略了以下因素:(1) 直流电源的容量;(2) 电源方面的抗干扰措施;(3) 输出方面的保护措施;(4) 系统的保护措施 等。

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4 系统的软件设计
4.1 系统软件设计分析
硬件连接确定之后, 系统的控制功能主要通过软件实现, 结合泵站的 控制要求,对泵站软件设计分析如下: (1) 由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理 为了恒定水压, 在水压降落时要升高变频器的输出频率, 且在一台水 泵工作不能满足恒压要求时, 需启动第二台水泵。 判断需启动新水泵的标 准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实 现。 为了判断变频器工作频率达上限值的确实性, 应滤去偶然的频率波动 引起的频率达到上限情况,在程序中应考虑采取时间滤波。 (2) 多泵组泵站泵组管理规范 由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动, 又规定各台水泵 必须交替使用,多泵组泵站泵组的投运要有个管理规范。在本设计中,控 制要求中规定任一台泵连续变频运行不得超过 3h,因此每次需启动新水 泵或切换变频泵时,以新运行泵为变频泵是合理的。具体的操作是:将现 行运行的变频器从变频器上切除, 并接上工频电源运行, 将变频器复位并 用于新运行泵的启动。 除此之外, 泵组管理还有一个问题就是泵的工作循 环控制, 本设计中使用泵号加 1 的方法实现变频泵的循环控制, 用工频泵 的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。 (3) 程序的结构及程序功能的实现 由于模拟量单元及 PID 调节都需要编制初始化及中断程序,本程序 可分为三部分:主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在 初始化子程序中完成, 这样可以节省扫描时间。 利用定时器中断功能实现 PID 控制的定时采样及输出控制。主程序的功能最多,如泵切换信号的生
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成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等都在主程序。白天、夜 间模式的给定压力值不同, 两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定 的。白天模式系统设定值为满量程的 90%,夜间模式系统设定值为满量 程的 70%。

4.2 PLC 程序设计
PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7-MicroWIN-V40 编 程软件开发。该软件的 SIMATIC 指令集包含三种语言,即语句表(STL) 语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FWD)语言[14]。语句表(STL)语言类 似于计算机的汇编语言, 特别适合于来自计算机领域的工程人员, 它使用 指令助记符创建用户程序,属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言 最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图, 是应用最多的一种 编程语言,与计算机语言相比,梯形图可以看作是 PLC 的高级语言,几 乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑, 因此, 它很容易被一般的 电气工程设计和运行维护人员所接受, 是初学者理想的编程工具。 功能块 图(FWD)的图形结构与数字电路的结构极为相似, 功能块图中每个模块有 输入和输出端, 输出和输入端的函数关系使用与、 或、 非、 异或逻辑运算, 模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。 PLC 控制程序由一个主程序、若干子程序构成,程序的编制在计算 机上完成, 编译后通过 PC/PPI 电缆把程序下载到 PLC, 控制任务的完成, 是通过在 RUN 模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。 4.2.1 控制系统主程序设计 PLC 主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机 变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程 序和报警程序等构成。
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(1) 系统初始化程序 在系统开始工作的时候, 先要对整个系统进行初始化, 即在开始启动 的时候,先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测,如出错则报警, 接着对变频器变频运行的上下限频率、PID 控制的各参数进行初始化处 理,赋予一定的初值,在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初 始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。 在初始化后紧接着要设定 白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台 数。 (2) 增、减泵判断和相应操作程序 当 PID 调解结果大于等于变频运行上限频率(或小于等于变频运行 下限频率)且水泵稳定运行时,定时器计时 5min(以便消除水压波动的 干扰)后执行工频泵台数加一(或减一)操作,并产生相应的泵变频启动 脉冲信号。 (3) 水泵的软启动程序 增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备, 同时变频泵号加一, 并 产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号, 延时后启 动运行。 当只有一台变频泵长时间运行时,对连续运行时间进行判断,超过 3h 则自动倒泵变频运行。 (4) 各水泵变频运行控制逻辑程序 各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的,现在只以 1#水泵为例进 行说明。当第一次上电、故障消除或者产生 1#泵变频启动脉冲信号并且 系统无故障产生、未产生复位 1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频 状态时,Q0.1 置 1,KM2 常开触点闭合接通变频器,使 1#水泵变频运行, 同时 KM2 常闭触点打开防止 KM1 线圈得电,从而在变频和工频之间实
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现良好的电气互锁,KM2 的常开触点还可实现自锁功能。 (5) 各水泵工频运行控制逻辑程序 水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号,还取决于工频泵的台数。 由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的,现在只以 1#水泵为例进 行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后,若当前 2#泵处于变频运行状 态且工频泵数大于 0, 或者当前 3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于 1, 则 Q0.0 置 1,KM1 线圈得电,使得 KM1 常开触点闭合,1#水泵工频运 行,同时 KM1 常闭触点打开防止 KM2 线圈得电,从而实现变频和工频 之间实现良好的电气互锁,KM1 的常开触点还可实现自锁功能。 (6) 报警及故障处理程序 本系统中包括水池水位越限报警指示灯、 变频器故障报警指示灯白天 模式运行指示灯以及报警电铃。 当故障信号产生时, 相应的指示灯会出现 闪烁的现象,同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时,各指示灯会一直点 亮。 故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数, 在故障结束后产生 故障结束脉冲信号。 由于变频恒压供水系统主程序梯形图比较复杂, 不方便全部画出, 在 此仅画出其控制过程的流程图。详细的主程序梯形图请参考附录 C。 主程序流程图如图 4.1 所示。由于在图 4.1 中并未对各台水泵的变频 和工频运行控制做详细介绍,因此图 4.2 和图 4.3 对其作了完整的补充。 其中图 4.2 是以 2#泵为例的变频运行控制流程图, 4.3 是以 2#泵为例的 图 工频运行控制流程图。1#、3#泵的运行控制情况与 2#泵相似,在此就不 再重复。

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图 4.1 变频恒压供水系统主程序流程图
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图 4.2 2#泵变频运行控制流程图

图 4.3 2#泵工频运行控制流程图

4.2.2 控制系统子程序设计 (1) 初始化子程序 SBR_0 首先初始化变频运行的上下限频率, 在第二章水泵切换分析中已说明 水泵变频运行的上下限频率分别为 50HZ 和 20HZ。假设所选变频器的输 出频率范围为 0~100HZ,则上下限给定值分别为 16000 和 6400。在初始
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化 PID 控制的各参数(Kc、Ts、Ti、Td) ,各参数的取值将在下一节中详 细介绍。 最后再设置定时中断和中断连接。 具体程序梯形图如图 4.4 所示。

图 4.4 初始化子程序 SBR_0 梯形图
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(2) PID 控制中断子程序 首先将由 AIW0 输入的采样数据进行标准化转换,经过 PID 运算后, 再将标准值转化成输出值,由 AQW0 输出模拟信号。具体程序梯形图如 图 4.5 所示。

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图 4.5 PID 控制中断子程序 INT_0 梯形图

4.3 PID 控制器参数整定
4.3.1 PID 控制及其控制算法 在供水系统的设计中,选用了含 PID 调节的 PLC 来实现闭环控制保 证供水系统中的压力恒定。 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。具有理论成熟,算 法简单,控制效果好,易于为人们熟悉和掌握等优点。PID 控制器是一种 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)[15]:
e(t ) = y (t ) r (t )
(4.1)

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
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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 4.6 所示,图中 u(t)为 PID 调 节器输出的调节量。

图 4.6 PID 控制原理框图

PID 控制规律为:

1 de(t ) y (t ) = K p e(t ) + ∫ e(t )dt + Td Ti dt

(4.2)

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 应的传递函数形式:
G (s) = U (s) 1 = K P (1 + + Td s ) E (s) Ti s
(4.3)

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)一

旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差,但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。只要偏差

存在,控制就要发生改变,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 Ti,Ti 越
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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。 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 (4.2)离散化来实现的。以一阶后向差分近似代替连续系统的微分,得到 PID 位置控制算法表达式:

T u ( n ) = K P e ( n ) + Ti

∑ e( j ) + T [e(n) + e(n 1)]
j =0

n

Td



(4.4)

式中:T 为采样周期;n 为采样序号;e(n)为第 n 时刻的偏差信号; e(n l)为第 n 1 时刻的偏差信号。 实际控制中多采用增量式 PID 控制算法,其表达式为:
u (n) = u (n) u (n 1) = K P [ e(n) e(n 1)] + K I e(n) + K D [ e(n) 2e(n 1) + e(n 2) ]
(4.5)

式中: u (n) 为调节器输出的控制增量; K I = K P 4.3.2 变频恒压供水系统的近似数学模型 4.3.3 PID 参数整定

T T ; KD = KP D 。 TI T

控制器参数整定的方法很多, 归纳起来可分为两大类: 理论计算整定 法与工程整定法,常用的工程整定法有:动态特性参数法、稳定边界法、 阻尼振荡法和现场经验整定法, 本设计选用的是动态特性参数法, 就是根
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据系统开环广义过程(包括调节阀 WV(s)、被控对象 WO(s)和测量变送 Wm(s))阶跃响应特性进行近似计算的方法[17]。 本系统是一个单闭环系统,结构框图如图 4.7 所示。

图 4.7 恒压供水系统结构框图

由于本设计对压力控制的要求较高,故选择 PI 控制器,其传递函数 为:

WC ( s ) =

1 1 1 + δ TI s

(4.7)

本系统可近似为带纯滞后的一阶惯性环节,假设其过程传递函数为
WO ( s ) = 2 e 300 s ;变频器可近似为一个比例环节,即 WV ( s ) = 50 ;反 300 s + 1

馈回路传递函数为 Wm ( s ) = 0.03 。由于本系统具有自衡能力,与公式(4.8)、
(4.9)可求的 PI 控制器各参数。

当 0.2 ≤

τ
T

≤ 1.5 时,

τ
1 δ = 2.6 T

0.08
(4.8)

ρ τ + 0.6
T

TI = 0.8T 计算的: δ = 3 , TI = 240

(4.9)

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1 1 240 s + 1 PI 控制器的传递函数为: WC ( s ) = 1 + = 3 240 s 720 s

用 matlab 软件仿真,编程如下: s1=tf(2,[300,1]); s2=tf([240,1],[720,0]); sk=s1*s2*50; s=feedback(sk,0.03); step(s); 运行后得到的仿真波形图如图 4.8 所示,

图 4.8 恒压供水系统阶跃响应仿真波形图

加入纯滞后环节后的仿真波形图如图 4.9 所示。

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图 4.9 加入纯滞后环节后的仿真波形图

从图中不难看出,系统的调节时间较快,且能输出稳定的压力信号, 完全符合设计的要求。

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监控系统的设计

5 监控系统的设计
5.1 组态软件简介
组态软件一般有图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口 组件和控制功能组件组成。 图形界面系统用于生成现场过程图形画面; 实 时数据库系统用于实时存储现场控制点的参数; 第三方程序接口组件用于 组态软件与其他应用程序交换数据; 控制功能组件用于生成监控所需的控 制策略。本设计中选择北京亚控公司的“组态王”软件制作监控系统。

5.2 监控系统的设计
5.2.1 组态王的通信参数设置 本设计中用 S7-200 的 PPI 编程电缆实现计算机与 CPU 模块的通信。 由于使用串行通信接口 1, 故双击工程浏览器的设备文件夹中的 “COM1” 图标,在出现的对话框中设置波特率为 19200bit/s,如图 5.1 所示。

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监控系统的设计

图 5.1 串行通信接口参数设置

选中“COM1”后,双击右侧工作区出现的“新建…”图标,在出现 的对话框的“PLC”文件夹中选择西门子的 S7-200 系列,通信协议为 PPI (见图 5.2),设置好单击“下一步”直至“完成”,这样在右侧会出现 刚生成的“新 IO 设备”图标,通信设置结束。

图 5.2 通信协议的设置

5.2.2 新建工程与组态变量 新建工程与组态变量 双击“组态王 6.52”启动工程管理器,新建一个工程,名为“恒压供 水系统”,双击新建工程打开工程浏览器,点击工程浏览器中的“数据词 典”图标,右面工作区会出现系统定义好的内存变量。双击最下面的“新 建…”图标,弹出“定义变量”对话框(见图 5.3),开始定义输入输出 变量。用同样的方法组态所有变量(见图 5.4)。
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监控系统的设计

图 5.3 定义变量对话框

5.2.3 组态画面 (1) 建立新画面 单击工程浏览器左侧的“画面”图标,双击工作区“新建…”图标, 弹出“新画面”对话框,输入名称点击确定进入组态王的开发系统。 (2) 制作动态监控画面 利用工具箱中各画图工具绘制监控系统界面,然后进行动画连接。 (3) 编写控制流程程序 双击工程浏览器左边窗口“\文件\命令语言\应用程序命令语言”进行 编程。 (4) 按钮、指示灯组态 设定按钮或文字链接的对象, 按钮既可以用来执行某些命令, 还可以
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监控系统的设计

图 5.4 数据词典中的变量列表

输入数据给某些变量,当和外部的一些智能仪表、PLC 等进行连接 时, 会大大增加其数据传输的简洁性; 指示灯组态后用于显示系统的工作 状态。 5.2.4 监控系统界面 在本系统中,根据需要共开发了 5 个界面,包括启动界面(包含系统 所有菜单)、系统运行主界面、历史和实时趋势曲线、数据报表、报警界
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监控系统的设计

面。为了加强系统的安全性,系统还为不同的用户设置了相应的权限。通 过主菜单界面可以调用不同的界面, 也可根据需要在系统运行主界面中改 变压力给定值。 系统运行主监控界面如图 5.5 所示, 主界面实时显示了当前时间, 设 定的水压值和当前水压值,系统的自动/手动运行情况,三台水泵变频/ 工频运行状态、转速、运行频率,各设备的故障报警显示等。

图 5.5 城市小区恒压供水系统监控界面

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结束语

6 结束语
本文针对城市小区供水的特点,设计开发了一套基于 PLC 的变频恒 压供水自动控制系统。 该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动 和调速, 摒弃了原有的自耦降压起动装置, 同时把水泵电机控制纳入自动 控制系统。压力变送器采样管网压力信号经 PID 处理传送给变频器,变 频器根据压力大小调节电机转速, 通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流 量调节, 保证管网压力恒定。 该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力 恒定,而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二 次污染等优点。 本文主要的工作如下: (1) 由 PLC、变频器实现生活用水的恒压控制。系统采用 PLC 实现 对多泵切换的控制。 通过变频器实现对三相水泵电机的软启动, 由电动机 的变频调速实现对水压的调节。 (2) 通过对控制过程和原理的分析,利用西门子 STEP7 MicroWIN 编 程软件设计了一个用于恒压供水系统的程序,本程序包括顺序控制主程 序,初始化子程序和中断子程序三部分。 (3) 对上位机组态监控系统进行了设计。根据泵站监控要求,利用组 态王软件完成了泵站组态监控画面的各个功能的设计,系统界面清楚明 了,易于操作,能动态地显示当前运行情况、当前水压以及故障情况。 通过本次毕业设计, 不仅使我巩固了对原有知识的掌握, 还拓宽了我 的知识面。 在提高自己的同时, 我也更加清楚的认识到自己的一些不足之 处。比如:在硬件设备之间的连接,I/O 端口的分配,地址的分配这几方 面自己起初不是很了解, 但经过这半年的自学, 以及向老师、 同学们请教, 我对这些知识有了更深入的理解。 通过这半年的实践和学习, 我学到了很
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结束语

多课本中无法涉及到的知识, 体会到了工程设计的复杂与困难, 也感受到 了亲自做出成绩的成功与喜悦, 这些都为即将开始的研究生生活打下了坚 实的基础。在以后的学习和生活中,我会不断的提高、充实自己,争取获 得更大的成绩。

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附录

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