生活给水控制系统设计

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1、山东科技大学成人教育学院学生毕业设计目 录摘要- 3 -第一章 绪论- 5 -1.1 项目的意义及应用背景- 5 -1.2 课题的方案设计- 7 -1.3 本文研究的内容- 8 -第二章 恒压供水原理及工艺- 9 -2.1 任务- 9 -2.2 工艺要求- 9 -2.3 系统的组成和基本工作原理- 9 -2.3 系统框图及工作模式- 12 -2.4 主要元器件选型- 13 -2.5 该系统的特点- 14 -第三章 控制系统分析与设计- 15 -31 低压电器设备部分- 15 -32 控制柜面板设计- 19 -33 PLC控制部分- 21 -第四章 软硬件的基本原理介绍- 22 -4.1 PLC

2、可编程控制器(三菱 FX2n-32MR-001)- 22 -4.1.1 可编程控制器的特点- 23 -4.1.2 可编程控制器的工作原理- 23 -4.2 变频器的原理与特性(ATV38)- 31 -4.2.1 变频器简介- 31 -4.2.2 变频与变压(VVVF)原理- 32 -4.2.3 变频调速的基本原理- 33 -4.2.4 变频调速的升速和启动- 34 -4.2.5 变频调速的降速和制动- 34 -4.2.6 变频后的电动机的机械特性:- 35 -4.2.7 水泵类平方律负载的机械特性- 36 -4.2.8 V/F控制的概念:- 37 -4.2.9 矢量控制的概述- 37 -4.2

3、.10 ATV38的特性- 39 -4.3 压力传感器简介- 42 -第五章 系统开发- 43 -5.1 PLC应用的开发步骤- 43 -5.2 PID调节- 44 -5.2.1 PID调节原理- 44 -5.2.2 PID参数设置- 45 -5.2.3 PID设定值的调整及控制算法- 46 -5.3 PLC程序- 49 -5.3.l 基本步骤- 49 -5.3.2 指令术语- 50 -5.3.3 基本梯形图- 50 -5.3.4 基本术语- 51 -5.3.5 定时器的使用- 53 -5.3.6 程序中使用的继电器- 54 -5.3.7 PLC I/O表- 59 -5.3.8 程序流程- 6

4、0 -5.3.9 PLC程序的运行和模拟调试- 70 -第六章 现场调试和小结- 70 -6.1 硬件功能性调试- 70 -6.2 系统总体调试- 71 -6.3 实习报告- 72 -致 谢- 74 -参考文献- 74 -附录1 PLC 梯形图- 75 -附录2 英文翻译- 82 -摘要在本次设计中，主要基于PLC生活给水控制系统的设计，利用三菱FX2N-32MR PLC 和ATV38(施耐德) 变频器实现对生活给水控制系统的手动、自动控制，达到变频恒压的理想状态。可编程控制器(PLC)为控制核心，在三菱的PLC GX Developer7上进行编程，施耐德公司的ATV38系列带内置 PID

5、功能的变频器为执行元件，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。关键词 PLC可编程控制器 变频器 压力传感器 电机水泵AbstractThis paper is mainly based on the design of PLC control system of domestic water supply,which achieves the ideal state of conversion frequenc

6、y and constant pressure by taking advantage of Mitsubishi FX2N-32MR PLC and ATV38 (Schneider) to enable to control the system automatically or manually. Programmable controller (PLC) which programming on Mitsubishis PLC GX Developer7 is the core of the control, then the frequency changer of Schneide

7、r ATV38 series with PID function, controlling the rotational speed of the electrical machinery of water pump by adopting PID algorithm which can adjust the pressure of the pipe exports network to achieve the expected constant pressure of the user, is the execution part . By configuring several I/O p

8、arameters of the main apparatus, it realizes the communication and control function among the PLC、the frequency changer and the pressure transmitter.Key word ：PLC Frequency changer Pressure transmitter Electrical machinery water pump第一章 绪论1.1 项目的意义及应用背景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

9、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，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

10、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

11、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。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

12、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，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如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、不失值，可对该信号设

13、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，而压力设定即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。每日可设定多段压

14、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。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 课题的方案设计 根据该题目的要求: 有四台水泵电机构成次基于PLC的生活给水控制系统,实现两种工作模式,即手动模式和自动模式。1、手动模式：按照工作人员的自由操作，可以只启动水泵电机组的任何

15、水泵电机；2、自动模式：（1）自动轮换（2）备用自投（3）先启先停（4）故障检测和指示方案一: 这四台水泵电机直接启动,无变频调节作用. 按照“先启先停”、“备用自投”运行,这个方案主要没有变频调节作用,这样对水资源不能合理的分配利用,会浪费电力,这个方案仅对用户需求流量较为稳定的情况应用.方案二: 由三台主泵和一个变频泵构成，三台主泵按照“先启先停”、“备用自投”运行，具有变频调节作用,相对地合理的分配利用水资源,相对节约了电力,对整个系统是一个较为合理的解决方案.本课题主要采用方案二,后面我们将做详细的介绍.1.3 本文研究的内容 本文介绍可编程控制器(PLC)为控制核心，施耐德公司的AT

16、V38系列带内置 PID 功能的变频器为执行元件，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变频恒压供水成套设备主要由主泵组、变频恒压供水

17、控制系统、稳压泵组（可选组件）、稳压气压罐（可选组件）等组成。主泵组 供水主泵组主要由DL型立式多级离心泵、DFL型立式多级管道离心泵或DFP型屏蔽式管道离心泵和以槽钢和钢板焊接制成的钢制基础构成，一般由四台同一型号的水泵组成。变频恒压供水控制系统 主要由交流变频调速器、可编程控制器、数字PID调节器、外围操作执行机构及保护电路、压力传感器、蓄水池液位控制器（水源缺水保护用）等组成。稳压泵组 稳压泵组主要由三台主泵和一个变频泵构成，三台主泵按照“先启先停”、“备用自投”运行，其变频泵供水扬程大于或等于主泵的供水扬程。它只在管网用户流量需求变化时自动投入变频运行，维持管网的压力，补充小流量用水或

18、管网的渗漏，同时使主泵在管网小流量和零流量时处于停机状态。系统由水泵机组、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25KW水泵4台。系统控制示意图如图2.3.1：图2.3.1 变频恒压供水系统控制示意图变频恒压供水自动控制系统工作原理如下：系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，并将压力信号转换为电压信号，通过PLC的数模转化模块FX2N-4DA，PLC每秒钟从4DA采集5次数据，并把这5次数据的平均值求出，然后与用户设定的压力值设定的分界值进行比较运算，有PLC计算出水泵启动台数信号，并将变频信号值计算出来，该结果通过P

19、LC的数模转化模块FX2N-4AD结果传送至变频器中PID调节器，变频器根据PID调节器调整变频水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速；通过对水泵的启动和停止台数及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒稳于用户预先设定的压力值，使供水泵组“提升”的水量与用户管网不断变化的用水量保持一致，达到“变量恒压供水”的目的。PID调节器：该给水设备采用四台水泵，由可编程控制器定时切换。若用水量大，变频器也可以通过可编程接口向可编程控制器发出信号，由可编程控制器控制几台泵同时工作，一台变频运行，其他工频运行。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 AI2+ 、 AI2- ，而压

20、力设定即可以使用变频器的键盘以数字量的形式设定，也可以采用一只电位器以模拟量的形式送入 AI1+ 、 AI1- 。这样通过变频器的控制面板，在变频器的 PID 选项中选择合适的 PID 参数，并经过现场调试校正，设备就可以正常运行了。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

21、系统的调试非常简单、方便。2.3 系统框图及工作模式如图2.3所示其工作情况如下： 有两种工作模式：手动模式和自动模式1、 手动模式：按照工作人员的自由操作，可以只启动水泵电机组的任何水泵电机；2、 自动模式：当液位浮力开关有信号（为ON）时，先启动变频水泵电机；如果供水不足时，再启动1台主泵，变频水泵电机起着对流量调节,在运行过程中水泵电机按照“先启先停”、“备用自投”运行；如果还是供水不足时，启动2台主泵，变频水泵电机起着对流量调节；在运行过程中水泵电机按照“先启先停”、“备用自投”运行;如果还是供水不足时， 3台主泵都启动，变频水泵电机起着对流量调节。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频

22、泵，直到最后1台泵变频恒压。当无液位浮力开关信号（为OFF）时，此系统水泵电机处于停机状态。图2.3 变频恒压供水系统控制框图2.4 主要元器件选型器件：使用国产配置功率：30KW 电流：62A器件名称数量货品型号规格可编程控制器1FX2N -32MR-001变频器 1 ATV38(施耐德)PLC数模转化模块 1FX2N-4DAPLC模数转化模块 1FX2N-4AD空气开关3DZ47 63/3P 50A交流接触器 4CJ X1-45/22 220V热继电器33U A59 25-40A压力传感器 1YYB-ES（钱江仪器仪表厂）中间继电器 2JZ C1-22 22V万能转换开关1LW 5-16/

23、3II旋钮3LA Y37-D-01-10DB01红按钮 3LA Y16-A-01R绿按钮3LA Y16-A-10G红指示灯5AD 16-22R31绿指示灯4AD 16-22G31熔断器1HG 30-1P/32熔芯1RT 14-20 6A电流表16L 2 100/5A电压表16L 2-450V电流互感器1LM K-0.66 100/5A液位控制器261/F-GP-N8 OMRON接线端子5JH9-15A接线端子13JH9-100A浮动开关1精士5M控制柜壳11200*600*3702.5 该系统的特点1 结构紧凑，体积小，占地少，毋须建造高位水箱或水塔，投资省，安装快，便于集中管理。2 采用进口

24、变频器及相关元器件，设计合理，操作简便，性能可靠，全自动运行无人值守。3 具备多种故障显示及备查记录，完善的欠压、过压、过流、过载、短路、缺相、水源缺水自动保护停机等保护功能，使用安全，维护简便。4 自由设定管网压力，按实际用水量来调节水泵转速，使其始终处于高效运转状态；采用多台小功率水泵电机成泵组代替大功率泵更能适合流量的急剧变化，避免“大马拉小车”现象，节能效果更为显著。与恒速泵供水相比，消除了超压和回流的无功损耗，节能率达到2050%。5 由变频器或软起动器实现水泵软起动软停止，使电网和管网免受冲击；无水锤现象，大大降低设备运行噪音，延长相关设备的使用寿命。6 多台泵有多种循环运行方式，

25、均衡各泵运行时间，避免其中某台水泵因闲置而锈蚀。7 直接向用户供水，水质无二次污染。8 品种规格齐全，可任意组合配套，应用范围广。9 控制程序化，可按用户需要实现多种控制方式。例如：定时开关系统、消防联动、小流量和零流量自动关机睡眠、上位机集中管理等。10 管网常压供水，可避免外露管路冻裂；可按需要任意调节设备供水压力，满足用水高峰期建筑顶层的水压要求。第三章 控制系统分析与设计31 低压电器设备部分该基于PLC生活给水控制系统设计具有手动模式和自动模式，那我们的手动模式主要是通过低压电器设备来控制，该低压电器设备的控制示意图由两部分组成，图3.1.1和图3.1.2，如下：图3.1.1 低压电

26、器电气原理图 主电路图3.1.2 低压电器电气原理图 控制电路如图3.1.1和图3.1.2所示当拨动开关拨到“停止”时，其整个系统位于停止状态；当拨动开关拨到“自动”时，及实现自动工作模式；当拨动开关拨到“手动”时，及实现手动工作模式；2SB、4SB、6SB分别手动控制1# 、2# 、3# 泵 启动；1SB、2SB、3SB分别手动控制1# 、2# 、3# 泵 停止；1HG、2HG、3HG分别是1# 、2# 、3# 泵的工作指示灯；1KA分别是有液位控制的中间继电器当想手动启动1# 泵时，按下2SB，2SB接通1KM接通1#水泵电机启动当想手动停止1# 泵时，按下1SB，1SB断开1KM断开1#

27、水泵电机停止当想手动启动2# 泵时，按下4SB，4SB接通2KM接通2#水泵电机启动当想手动停止2# 泵时，按下3SB，3SB断开2KM断开2#水泵电机停止当想手动启动3# 泵时，按下6SB，6SB接通3KM接通3#水泵电机启动当想手动停止3# 泵时，按下5SB，5SB断开3KM断开3#水泵电机停止低压电器设备主要元件及其作用：元件名作用1SB手动模式 1# 泵 停止按钮2SB手动模式 1# 泵 启动按钮3SB手动模式 2# 泵 停止按钮4SB手动模式 2# 泵 启动按钮5SB手动模式 3# 泵 停止按钮6SB手动模式 3# 泵 启动按钮1HG1 # 泵 工作模式指示灯2HG2 # 泵 工作模

28、式指示灯3HG3 # 泵 工作模式指示灯4HG4 # 变频泵 工作模式指示灯1KH1 # 电机热电保护的热继电器2KH2 # 电机热电保护的热继电器3KH3 # 电机热电保护的热继电器4KH4 # 电机热电保护的热继电器1KA水位控制的中间继电器1FQ水位控制的浮力开关32 控制柜面板设计根据上面的低压电器设备主要元件，我们可以大致设计为如图3.2所示：图3.2 控制柜面板示意图33 PLC控制部分PLC基本是实现自动工作模式，根据该系统的要求：我们的PLC端口的大致分为如图3.3所示：PID调节器图3.3 PLC端口分配示意图注：s0为变频器的故障输出s1为在变频器上的4#水泵电机的控制接口

29、第四章 软硬件的基本原理介绍4.1 PLC可编程控制器(三菱 FX2n-32MR-001)1969年，在美国出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

30、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，例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。4.1.1 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

31、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

32、，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。4.1.2 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4.1.2所示；图4.1.2.1 PLC的等效工作电路 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

33、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)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。

34、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)，它也有无限个软件实现的动合、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)

35、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1.26m

36、s。 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

37、重要特点。 图4.1.2.2 PLC内部工作过程图4.1.2.2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

38、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。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

39、.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”）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

40、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

41、周期时间、输出延迟时间三者之和，如图4.1.2.3所示。图4.1.2.3 PLC的I/O响应时间(1)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、二个扫描周期时间与输出延迟时间三者之和，如下图所示。图4.1.2.4 PLC的I/O响应时间(2) 4.2 变频器的原理与特性(ATV38)4.2.1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

42、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。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。4.2.2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

43、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=const，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:

44、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。4.2.3变频调速的基本原理异步电动机的等效变换图4.2.3 异步电动机的等效变换异步电动机的电磁转矩公式： Tm=其

45、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。4.2.4变频调速的升

46、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。4.2.5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

47、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。4.2.6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。图4.2.6 1时的机械特性由图4.2.6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。4.2.7水泵类平方律负载的机械特性

48、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图4.2.7所示。图4.2.7 机械特性 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

49、。电动机要能够稳定运行的条件是:升速时，)4.2.8 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，因为是通过提高U/F比而得到，故又称为V/F控制或电压补偿。4.2.9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

50、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

51、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。图4.2.9 矢量控制基本设想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。无反馈矢量控制在改善异步电动机在

52、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。4.2.10 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，同时提高了用户的舒适程度。大量的集成化选

53、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 PID 控制，带有预置 PID 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保护 通过频率跳跃功能进

54、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4.2.10 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 (89/336/CE

55、E) 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交流接触器

56、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。4.3 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 / 420Ma）5.负载阻抗： 0600 ( 4

57、20 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。第五章 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标，在

58、计算机上先编辑好PLC软件，然后传给PLC的方法，所用软件是三菱GX Developer7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。5.1 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、气动的控

59、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、转换和联系

60、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。5.2 PID调节5.2.1 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P