自动恒压供水的控制系统(plc)
一、绪论
(一) 课题的意义及应用背景
近十年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果。采用变频器和可编程控制器等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的必然趋势，以往采用的水塔供水既不卫生又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，本文介绍的变频调速恒压供水系统以其有效的实用性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用价值的调速系统，为已有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。
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，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，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，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。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，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。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，新产品将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，使系统的调试非常简单、方便,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。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，但若选择使用不当，又会造成电能"浪费"，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
（二）本文研究的内容
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。
（三）任务及工艺要求
用PLC，变频器，压力传感器及低压部件组成PLC控制的变频调速恒压供水自动控制系统，并使系统达到恒压及自动控制的工艺要求。利用恒压供水原理、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。以MCS-51系列单片机为核心器件，通过外围硬件电路来实现控制目的。可根据需要设定压力控制高度，同时具备报警、高度显示等功能的性能指标。
（四）系统的组成和基本工作原理
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75KW水泵3台，
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台泵变频恒压达到一定时才可以停止工作。
系统控制组成框图如下：
图1-1系统控制组成框图（五）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
二、变频调速控制系统设计
（一）系统的方案设计及工作过程
1.系统的方案设计
变频调速恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、工控机以及接触器控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动3台电动机的起动、运行与调速。通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给PLC的PID模块，PLC根据这两个信号经PID运算，发出控制信号，控制水泵电机进行切换。PLC上接工控计算机，上位机装有监控软件，对恒压供水系统进行监测控制。
2.控制系统硬件设计
（1）主电路设计
在硬件系统设计中，采用一台变频器连接3台电动机，其中1#，具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联,变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。
由于每台电机的工作电流都在几百安以上，为了显示电机当前的工作电流，必须在每台电机三相输入电源前面都接入两个电流互感器，电流互感器和热继电器、两个电流表连接。两个电流表一个安装在控制柜上，另一个安装在控制台上，可以方便的观察电机的三相工作电流，便于操作人员监测电机的工作状态。同时热继电器可以实现对电动机的过热保护。
图2-1主电路图
变频器主电路电源输入端子(R, S, T)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U. V, W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子(U. V, W)的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。另外为了改善变频器的功率因素，还需配置相应的DC电抗器，变频器的[P，，P+]端子是连接DC电抗器之用。
水泵阀门主电路用两个交流接触器来控制电动机的正反转，实现阀门的开
启和关闭。对于系统中真空泵控制电路，使用一台三相交流异步电动机和4个
两位两通电磁换向气阀组成抽取真空的回路。每次抽真空的时候，需要预先决定需要抽真空的水泵，然后先开启真空抽取电动机，接着开启控制要抽真空的水泵的电磁换向气阀，这样就能实现系统要求的抽取真空的功能。如有必要，在系统中这样还可以安装多台真空泵，实现同时抽取多台水泵真空，确保系统的正常工作。
（2）控制电路设计
在控制电路的设计中，首先要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。在整个控制系统中，所有控制电机、阀门接触器的动作，都是按照PLC的程序逻辑来完成的。为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是通过中间继电器去控制电机或者阀门的动作。在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，其目的是为了实现系统中的强电和弱电之间的隔离，保护系统，延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。
控制电路之中存在电路之间互锁的问题，由于控制系统是实现分组的组内自动循环，所以电路的自锁包括组内互锁和组间互锁。组内互锁是指同一组中电动机的互锁，组间互锁是指不同机组之间电动机的互锁。在实现组内互锁的时候，严禁出现一台电动机同时接在工频电源和变频电源的情况，同时要求变频器始终只与一台电动机相连，而且当大容量电动机变频工作的时候，小容量电动机要么是工频工作运行，要么是停止工作。所以在大容量电动机变频工作的时候，要自动切断小容量电动机的变频控制电路。控制电路的组间互锁是通过输入按钮，控制PLC的输入端口来实现的，当选择一组机组运行时，按下另一组起动按钮则为无效操作。
PLC控制系统设计步骤如图所示：
图2-2 PLC控制系统设计图
控制电路中还必须考虑系统电机和阀门的当前工作状态指示灯的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。
（二）PLC可编程控制器(CPM1A-40CDR-A)部分
可编程序逻辑控制器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,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。
1.可编程控制器的工作原理
（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。
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。
图2-3 PLC内部控制电路
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设备。
（2）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I／O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I／O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。
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（3）PLC的扫描时间
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I／O响应时间。
PLC的I/O响应时间如下图所示：
图2-5I/O响应图
如果在一个扫描周期的I／O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。
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、I／O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。
图2-4PLC内部扫描周期工作过程图
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。
（三）变频器(ATV38)部分
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。通常由鼠笼式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水的(具体原理将在下一章阐述)。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。
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。
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。
2. 变频调速的基本原理
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0n=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1n必须低于定子磁场的转速0n (即所谓的“异步，’)。
3.变频后的电动机的机械特性分析
在变频器正常工作情况下，即f k＝m k<1时的机械特性入下图所示
图2-8特性曲线
由图可知随着f的下降，临界转矩kx T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. ATV38的特性
我们采用的变频器是施耐德（Schneider）公司的Altivar38异步电动机变频器简称ATV38。是一种用于三相异步电动机的变频器，由360V至460V三相电源供电，功率范围0.75kW至315kW。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。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。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下图所示
图2-9变频器接线方式图
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
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。（四）压力传感器的选择
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（0～10 mA / 4～20mA）
5.负载阻抗： 0～600Ω ( 4～20 mA);0～1.5kΩ ( 0～10 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(Ⅱ型)或4mA(Ⅲ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(Ⅱ型)或20mA(Ⅲ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。
三、系统软件开发设计
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。
（一）.PLC应用的开发步骤
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，明确控制任务。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，根据要求所需全自动控制。还要确定电控系统应有的其他功能，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。
(二) PID 调节
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。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。PID 调节器的动作规律是
01[]t c d i de U K e edt T T dt =++?
或
011
[]t d i de U e edt T T dt σ=++?
式中 c K ：调节器的比例系数
i
T ：调节器的积分时间 d T ：调节器的微分时间
σ ：比例带，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
'''11()11d i c c d
i i d T s T s G s K T s K T s K +
+=++
其中 '
c K ＝c FK ；'i T ＝i F T ；'
d d T T F
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：i K 为积分增益；d K 为微分增益。
2.PID 参数设置
（1）P 增益：
设定范围：0.01～10.0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。
（2）积分时间：
设定范围：0.1～3600s ， 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。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 。
（3）微分时间：
设定范围：001～10.0s 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。
3.PID 设定值的调整
图3-1PID设置响应图
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。
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。（三）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