基于PLC的恒压供水系统设计与调试毕业设计论文.docx
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基于PLC的恒压供水系统设计与调试毕业设计论文
职业技术学院毕业设计（论文）
基于PLC的恒压供水系统设计与调试
摘要
本文介绍了恒压供水的基本原理以及系统构成的基础，说明了可编程控制器（PLC）在恒压供水系统中所担任的角色。
从系统的整体设计方案和实际需求分析开始，紧密的联系实际生活的需要，力求做到使系统运行稳定，操作简便，解决实际中问题，保证供水安全、快捷、可靠。
恒压供水保证了供水质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。
关键词：
恒压供水，变频器，压力传感器，PLC，组态软件
第一章恒压供水介绍
1.1恒压供水产生的背景和意义
供水系统在各行各业的生产和生活中起着至关重要的作用。
如何保证供水系统安全、可靠、稳定地运行是很多行业都关注的问题。
把先进的PLC控制技术和变频技术等自动化控制技术应用到供水领域，成为对供水系统的要求。
要保障供水网的末端工作压力和供水始端压力正常显得尤其重要和关键。
通常，供水系统全天各时段用水量变化较大，如果不及时对供水量及供水压力进行调节，会使整个供水管网的压力处于波动状态，严重的还会引发管网失压或爆管事故，将对供水质量造成极大不利影响。
在供水系统中，如果用户用水量需要变化时，利用改变阀门开度变化传统的调整方法，会造成供水压力不足或过大情况，容易造成资源浪费和产生安全隐患。
因此在一些用水量变化大、水压控制高，并且流量完全由用户确定的供水系统采用变频调速技术则显得尤为重要。
当前我国供水运行管理仍然比较落后，水资源浪费现象十分严重，不能适应现代社会发展的需求。
因此在供水网络中需要采用供水优化调整方案，引入计算机、变频器、可编程控制器等先进技术，使供水网络在最佳状态下运行，具有重要的现实意义。
只有强化水资源的同意管理，进行合理开发，才能促进国民经济的可持续发展。
1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状
二十世纪60年代在电子计算机的推广应用带动下，可编程控制器开始问世并被逐渐广泛应用于制造业的生产线继电器控制系统；随着时间的推移，在二十世纪90年代变频器开始应用在电气传动控制系统中，这种现代变频器的应用迅速成为国内外电气传动界的关注热点。
变频器目前被国内外厂家广泛应用于矿山机械、冶金、水泥、钢铁、化工、电力、机械制造、汽车、轻工、环保及自动恒压供水系统等领域。
在同一时期，PLC构成的PLC网络和变频器有机结合的应用飞跃式发展，使其日益成为工业现在化首选的控制装置，成为现代工业自动化的重大支柱之一。
在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾的变频恒压供水系统，逐渐越来越多运用在生活和生产实践中。
在英国、德国、每过、日本等发达国家的VVVF变频器在工业生产过程的自动控制领域中得到广泛应用。
考虑到传统的供水设备的不足之处，诸多国外生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，例如华为的TD2100;施耐德公司的Altivar58泵切换卡；ABB公司ACS600、ACS400系列产品；富士公司的G11S/P11S系列；西门子公司的MM420/MM440系列；SANKEN的SAMCO-Ⅰ系列产品等等。
上述产品将PID调节器以简易的可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成带有各种新型变频器。
由于PID运算在变频器内部，这样就省去了可对变成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，这不仅降低了成本，而且大大提高了工作效率。
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稳定。
还考虑到为了保证水压反馈信号的准确、不失真，又可以对该信号设置滤波时间常数，同时还可以对反馈信号进行换算，保证了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，但是功能却增强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出来的恒压供水设备，使设备成本大大降低。
在20世纪90年代初我国引进德国西门子公司的PLC技术，同时变频器也开始起步应用于我国，恒压调速供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，2008年至今中国变频恒压自动供水设备市场发展迅速，产品产出持续增长，国家产业政策鼓励变频恒压自动供水设备产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。
投资者对变频恒压自动供水设备行业的关注越来越密切，这使得变频恒压自动供水设备行业的发展需求迅速增大。
1.3全自动变频恒压供水系统特点及适用范围
1、系统特点
（1）高效节能。
按需要设定供水压力，根据管网用水量来变频调节水泵转速，使水泵始终在高效率工况下运行，同普通的无塔供水设备相比，节能效果达到20％。
（2）对电网冲击小，保护功能完善。
消除了水泵电机直接起动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。
（3）定时唤醒功能。
由于系统是根据管网用水量的多少来决定投入运行水泵的台数，所以当用水量长期在某一小范围内变化时就会使得某台水泵长期运行而磨损严重，而其他水泵长期不使用造成生锈，设定本功能后则可方便的解决该问题。
对于同流量的多台水泵，为使各泵平均工作时间相同，须设置定时换泵功能。
在设定了定时换泵功能后，当一台变量泵连续工作时间超过设定值后，且有变量泵处于“休息”状态，则变频器自动切换启动“休息”时间最长的变量泵，并停止原变量泵，以保证各台水泵运行时间均等，延长水泵使用寿命。
换泵时间可任意设定。
（4）当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。
突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。
2、适用范围:
广泛应用于居民区、宾馆及其它公共建筑的生活用水、锅炉补给水，加压泵站、各类工矿企业的生产用水、消防用水、锅炉恒压补水、输油管道增压、注水系统、农田灌溉等。
第二章PLC、变频器、MCGS组态软件介绍
2.1可编程控制器
2.1.1可编程控制器的介绍
可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC,主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但是实际上只能进行逻辑运算。
随着计算机技术的发展，PLC的功能不断扩展和完善，其功能远远超出了逻辑控制和顺序控制的范围，具备了模拟量的控制、过程控制以及远程通信等强大的功能。
国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义为：
PLC是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器，可以编制程序的控制器。
它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等的操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。
PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体，易于扩展其功能的原则设计。
事实上，PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以I/O等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。
因此，PLC实际上就是：
“工业专用计算机”
2.1.2可编程控制器PID控制原理与特点
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。
即当我们不能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。
（1）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）。
（2）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。
（3）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。
现在很多中小型PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令，它实际上是用于PID控制的子程序，与AD\DA模块一起使用，可以得到过程控制模块的效果。
FX2N的PID功能指令说明如图2-1所示。
图2-1PID功能指令说明
2.1.3PLC的基本结构和工作原理
1、PLC的基本结构
（1）.PLC的硬件组成
可编程控制器主要由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出接口（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。
PLC硬件结构如图2-2所示。
图2-2PLC硬件结构
①微处理器（CPU）
CPU是PLC的运算控制中心，PLC在CPU的控制下，协调系统内部各部分的工作，执行监控程序，进行信息和数据的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，实现对现场各个设备的控制。
②存储器
可编程控制器配有两种存储器：
系统存储器（ROM）和用户存储器（RAM）。
系统存储器：
存放系统管理程序。
用户存储器：
存放用户编制的应用程序和工作数据。
③输入输出接口
输入输出接口是PLC和现场输入与输出设备连接的部分。
A）输入接口输入接口电路用来接收和采集现场输入信号，输入回路中公共点COM通过输入元件连接到对应的输入点上，再通过输入继电器将输入元件的状态转换成CPU能够识别和处理的信号，并存储到输入映像寄存器中。
PLC输入回路接线如图2-3所示。
图2-3PLC输入回路接线
B）输出接口输出接口电路就是PLC的负载驱动回路，通过输出接口，将负载和负载电源连接成一个回路，这样负载就由PLC输出接口的ON/OFF进行控制，输出接口为ON时，负载得到驱动。
PLC输出回路接线如图2-4所示。
图2-4PLC输出回路接线
（2）.PLC的软件组成
PLC的软件由系统监控程序和用户软件程序组成。
1）系统监控程序是每一台PLC必须包括的部分，是由PLC的制造者编制的，用于控制PLC本身的运行。
系统监控程序分成管理程序、用户指令解释程序、标准程序或系统调用子程序。
2）用户程序是PLC的使用者编制的针对控制问题的程序。
它是用梯形图或某种PLC指令助记符编制而成的，可以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等，其助记符形式PLC型号的不同而略有不同。
用户程序是线性地存储在系统监控程序指令的存储空间内的，它的最大容量也是由监控程序限制的。
2、PLC的工作原理
（1）PLC控制逻辑的实现
PLC是一种工业控制计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理之上的，是通过执行反应控制要求的用户程序来实现控制的。
由于计算机在每一瞬间只能做一件事，其CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，所以程序的执行时按顺序依次完成相应的动作，这便形成时间上的串行，即串行工作方式。
（2）PLC的工作方式
采用循环扫描方式。
在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
注意：
由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。
PLC循环扫描过程如图2-5所示。
停止
图2-5PLC循环扫描过程
（3）PLC的工作过程
PLC的工作过程主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。
1）内部处理阶段
在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。
2）通信服务阶段
在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。
3）输入处理
输入处理也叫输入采样。
在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。
在此输入映象寄存器被刷新，接着进入程序的执行阶段。
4）程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。
根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。
5）输出处理
程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
2.24A/D及4D/A扩展模块
2.2.1模拟量输入模块FX2N-4AD
1、FX2N－4AD的功能
FX2N－4AD是FX系列PLC的模拟量输入模块，有四个输入通道，每个通道都可进行A/D转换。
即将模拟量信号转换成数字信号送给PLC,以实现对过程参数的控制。
2、FX2N－4AD的外部接线
FX2N-4AD外部接线如图2-6所示。
图中模拟量信号采用双绞屏蔽电缆输入FX2N－4AD中，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。
如果输入电压有波动，或在外部接线中有电气干扰，可以接一个0.1～0.47uF的平滑电容。
FX2N-4AD的4个输入通道（CH1～CH4）通过输入端子接线，可以选择为电压输入或电流输入。
如果是电流输入，应将端子V+和I+连接。
FX2N-4AD接地端应与PLC主单位接地端连接，如果存在过多的电气干扰，还应将外壳地端FG和FX2N-4AD接地端连接。
其外部接线如图2-6所示。
图2-6FX2N-4AD外部接线
在A/D转换过程中，输入的是时间上、幅值上都是连续的模拟量，而输出的则是时间上，幅值上均离散的数字量，因此，要把模拟量转换成数字时需经采样、保持、量化、编码四个步骤。
A/D转换原理框图如图2-7所示。
图
2-7A/D转换原理框图
2.2.2模拟量输出模块FX2N-4DA
1、FX2N－4DA的功能
FX2N－4DA是FX系列PLC的模拟量输出模块，有四个输入通道，每个通道都可进行D/A转换，即将PLC处理后的数字信号转换成模拟量信号输出，以实现对现场过程参数的控制。
2、FX2N-4DA的外部接线
FX2N－4DA的外部接线如图2-8所示。
图中模拟量输出信号采用双绞屏蔽电缆传输，电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的导线。
如果输出电压波动或在外部接线中有电气干扰，可以接一个0.1～0.47uF的平滑电容。
FX2N－4DA的4个输出通道（CH1～CH4）通道输出端子接线，可以独立的选择为电压输出或电流输出。
电压输出端子为V+和VI-；电流输出端子I+和VI-。
FX2N－4DA接地端应与PLC主单元接地端连接；双绞屏蔽电缆应在负载端使用单点接地。
其外部接线如图2-8所示。
图2-8FX2N－4DA的外部接线
在D/A转换过程中，输入的是幅值上均离散的数字量，输出的是时间上、幅
值上都是连续的模拟量，因此，要把数字量转换成模拟量时需经控制对象、检测对象、A/D转换、数字系统、D/A转换、执行机构六个步骤。
D/A转换原理
框图如图2-9所示。
图2-9D/A转换原理框图
2.3变频器
2.3.1变频器的工作原理及其组成结构
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2-10所示.
图2-10变频器基本结构
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，其性能的优劣决定了变频器的性能。
一般三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成．直流中间电路的储能元件在整流电路是电压源时是大容量的电解电容，在整流电路是电流源时是大容量的电感。
为了电动机制动的需要，中间电路中有时还包括制动电阻及一些辅助电路。
逆变电路最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三桥式逆变电路。
有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。
现代变频器控制电路的核心器件是微型计算机，全数字化控制为变频器的优良性能提供了硬件保障。
2.3.2变频控制恒压供水控制方式
众所周知，水泵消耗功率与转速的三次方成正比。
即N=KN3N：
为水泵消耗功率；n：
为水泵运行时的转速；K为比例系数。
而水泵设计是按工频运行时设计的，但供水时除高峰外，大部分时间流量较小，由于命名用了变频技术及微机技术有微机控制，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。
实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%-40%。
目前国内各厂家生产的供水设备电控柜，除采用落后继电接触器控制方式外，大致有以下四类：
逻辑电子电路控制方式、单片微机电路控制方式、带PID回路调节器或可编程序控制器（PLC）的控制方式和新型变频调速供水设备。
变频控制恒压供水的控制方式是带有PID回路调节器和可编程序控制器（PLC）的控制方式。
该方式中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制器后，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。
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计时，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节。
2.3.3变频器的系统组成及接口定义
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成的。
变频器的接口组成如图2-11所示。
图2-11变频器的接口组成
我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60f（1－s）/p
（1）
式中n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由式
（1）可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
2.4MCGS组态软件
MCGS（MonitorAndControlGeneratedSystem,通用监控系统）是一套全中文工控组态软件,用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件,它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行,可以以Microsoft的Windows95,98,Me,Nt或windows2000为操作系统.通过对现场数据的采集处理,以动画显示,报警处理,流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案,有着广泛的应化领域用.它功能齐全，便于方案设计。
MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件能快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。
用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。
具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。
2.4.1MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。
两部分互相独立，又紧密相关
图2-12MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。
用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程”。
MCGS工程的五大部分
图2-13MCGS的工程组
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