毕业设计 恒压供水系统的PLC控制与远程监控文档格式.docx
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PIDcontrolsystem；
PLC；
第1章绪论
1.1变频恒压供水的目的和意义
随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。
把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。
变频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，方便地实现供水系统的集中管理与监控；
同时系统具有良好的节能效果，这在能量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。
希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。
克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。
在相当比较大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点：
1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。
2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。
3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。
从上即可结论：
以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，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。
1.2变频恒压供水系统的国内研究现状
变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。
在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。
应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果。
目前国内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，有的采用可编程控制器（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。
艾默生电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出恒压供水专用变频器（5.5kW-22kW），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
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（EMC），的变频恒压供水系统的研究还不够。
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。
1.3毕业设计的主要内容
1.3.1课题来源
本课题来源于生产、生活供水的实际应用。
1.3.2毕业设计的主要任务
本系统做主要由主供水回路、清水池及泵房组成。
如图1-1为变频恒压供水控制系统，其中，泵房装有1#~3#共三台泵机，还有多个电动阀门控制各回路和水流量。
控制系统采用了已具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统。
恒压供水的主要目的是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就需要用变频器为水泵电机供电。
这里采用数台电机配一台变频器，变频器与电机之间可以切换，供水运行时，只有一台泵变频运行，以满足不同用水量的需求。
图1-1变频恒压供水控制系统
第2章恒压供水系统的基本构成
2.1恒压供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需设多台水泵电机，这比设单台水泵及电机节能而可靠。
配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够的大，在用水量少时开一台大电机肯定是浪费的。
电机选小了用水量大时供水会不足。
而且水泵与电机都有维修的时候，备用泵是必要的。
恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵电机供电。
这方案是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换，供水运行时，一台水泵变频运行。
其余水泵工频运行，以满足不同用水量的需求。
图2-1为恒压供水系统构成示意图。
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。
水压传感器将水压转变为电流或电压的送给调节器。
图2-1恒压供水系统示意图
调节器是一种电子装置，在系统中完成以下几种功能：
（1）设定水管压力的给定值。
恒压供水水压的高低依需要设定。
供水距离越远，用水地点越高，系统所需供水压力越大。
给定值即是系统正常工作时的恒压值。
另外有些供水系统可能有多种用水目的，如将生活用水与消防用水共用一个泵站，水压的设定值可能不止一个，一般消防用水的水压要高一些。
大部分调节器用数字量进行设定，也有的调节器以模拟量方式设定。
（2）接收传感器送来的管网水压的实测值。
管网实测水压回送到泵站控制装置成为反馈，调节器是反馈的接收点。
（3）根据结定值与实测值的综合，依一定的调节规律发出系统调节信号。
调节器接收了水压的实测反馈信号后，将它与结定值比较，得到给定值与实测值之差。
如给定位大于实际值，说明系统水压低于理想水压，要加大水泵电机的转速．如水压高于理想水压，要降低水泵电机的转速。
这些都由调节器的输出信号控制。
为了实现调节的快速性与系统的稳定性，调节器工作中还有个调节规律问题，传统调节器的调节规律多是比例-积分-微分调节，俗称PID调节器。
调节器的调节参数，如P、I、D参数均是可以由使用者设定的。
PID调节过程视调节器的内部构成有数字式调节及模拟量调节两类，以微计算机为核心的调节器多为数字式调节。
调节器的输出信号一船是模拟信号，4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号。
信号的量值与前边提到的差值成比例，用于驱动执行设备工作。
在变频恒压供水系统中，执行设备就是变频器。
第3章变频器和压力传感器
3.1变频器的基本结构和原理
交流变频器是微计算机及现代电力电子技术高度发展的结果。
微计算机是变频器的核心，电力电子器件构成了变频器的主电路。
众所周知，从发电厂送出的交流电的频率是恒定不变的，在我国是50Hz。
而交流电动机的同步转速。
（3.1.1）
式中
---同步转速，r/min；
---定子频率，Hz；
---电机的磁极对数。
而异步电动机转速
（3.1.2）
---异步电机转差率，
，一般小于3%。
均与送入电机的电流频率与电机的转速成正比例或接近于正比例。
因而，改变频率可以方便地改变电机的运行速度，也就是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。
从频率变换的形式来说．变频器分为交-交和交-直-交两种形式。
交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电，称为直接式变频器。
而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流变成直流电。
然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电．又称间接式变频器。
市售通用变频器多是交-直-交变频器，其基本结构图如图3-1所示。
图3-1交-直-交变频器的基本结构
由主回路，包括整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现将各部分的功能分述如下：
（1）整流器。
电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。
（2）直流中间电路。
直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路及控制电源得到质量较高的直流电源。
由于逆变器的负载多为异步电动机，属于感性负载。
无论是电动机处于电动或发电制动状态其功率因数总不会为1。
因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。
这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。
所以又常称直流中间环节为中间直流储能环节。
（3）逆变器。
负载侧的变流器为逆变器。
逆变器的主要作用是在控制电路的控制下将直流平滑输出电路的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。
逆变电路的输出就是变频器的输出。
（4）控制电路。
变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路及保护电路等几个部分。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。
控制电路是变频器的核心部分的性能的优劣决定了变频器的性能。
（5）变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；
二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。
3.2压力传感器的概念
在自动控制系统中检测环节是非常重要的一部分，它将检测到的控制量反馈回输入端，才能实现自动调节，本系统所用的检测的是水压，采用压力传感器，它通常安装在出水管网上，其功能是把出口压力信号变成4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号的标准信号送入PLC的端口进行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；
当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加减泵。
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。
此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。
第4章系统的硬件电路设计
4.1系统总体上的规划
恒压供水要求用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费。
为实现上述要求，需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号，调节水泵转速，从而达到控制管网中水压恒定的目的。
变频器恒压供水系统如图4-1所示。
图4-1变频器恒压供水系统连接图
该系统主要由3台水泵（两台生活水泵，一台备用泵）、1台变频器（内带PID调节功能）、PLC、及线性压力传感器等组成。
PLC控制各台水泵的运行状态（如工频运行、变频运行、停止），从而控制水泵的运行台数，在供水中利用PID回路调节功能将检测到的现场压力值与整定值进行比较，比较后的信号送至变频器，对变频器进行调节，从而达到控制电泵速度的目的。
水泵的速度具体的调节是采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制。
4.2系统工作流程
（1）系统工作流程如图4-2所示
图4-2工作流程图
（2）系统工作过程
首先开主电源和PLC电源，然后根据需要选择手动或自动，如果选择手动，则根据需要选择各泵的运行，如果选择自动，开变频器后，系统会自动根据水压情况调节水泵的运行，当用水量大，水压过小的时候，PLC和变频器配合工作，根据需要来投入各泵的运行，变频调速无法满足时，PLC将各泵调整为工频运行。
当水压变大时，PLC和变频器配合工作，切除相应的泵运行，如果水压一直过大时，PLC则调整1泵为变频运行。
4.3系统主电路的设计
该系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，其中M3为备用，系统为一台变频器依次控制每台水泵实现转速的调节，并实现恒压控制。
系统具有变频及工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指示下一台泵为变频泵。
主电路如图4-3所示。
图4-3恒压供水系统主电路
其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3工频运行，KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3变频运行，KM0控制变频器的工作，热继电器FR起热保护作用。
第5章PID的控制原理与理论设计
5.1PID调节原理和特点
PID（比例积分微分）英文全称为ProportionIntegrationDifferentiation，它是一个数学物理术语。
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制:
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
积分（I）控制:
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的，或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分（D）控制:
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
5.2PID调节参数的调整
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
5.3PID调节的控制
根据反馈原理：
要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。
我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。
但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；
在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。
这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。
实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。
要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。
5.4PID回路类型的选择
在许多控制系统中，只需要一种或两种回路控制类型。
例如只需要比例回路或者比例积分回路。
通过设置常量参数．可先选用想要的回路控制类型。
如果不想要积分回路，可以把积分时间设为无穷大。
即使没有积分作用，积分项还是不为0因为有初值MX，但积分作用可以忽略。
如果不想要微分回路，可以把微分时间设为0，如果不想要比例回路，但需要积分或微分回路，分项和微分项时，把增益当作1看待。
5.5正作用或反作用回路
如果增益为正，那么该回路为正作用回路。
如果增益为负，那么是反作用回路。
对于增益为正的积分或微分控制来说，如果指定积分时间、微分时间为正，就是正作用回路；
指定为负，则为反作用回路。
第6章系统的软件与仿真设计
6.1系统设计的要求
对变频恒压供水系统的基本要求是：
1）供水运行时，系统恒压运行。
2）通过调节电磁阀的开度，控制供水罐的进水速度。
3）三台电机按顺序进行切换，如果压力低于设定值，则切换为工频运行同时开启下一台电机变频运行。
4）同时变频器有报警信号和报警指示灯。
6.2控制系统的I/O及地址分配
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