毕业论文--恒压供水系统资料Word文件下载.doc
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华南理工大学出版社,1999.
[3]马云峰、徐群岭.PLC的PID功能在恒压供水系统中的应用,潍坊:
潍坊高等专科学校.
[4]FX-20MX可编程控制器操作手册及编程手册
[5]YASKAWACIMRG7变频器用户手册、产品目录、编程手册
[6]滑海穗、郎宏仁.可编程控制全自动恒压供水系统,哈尔滨:
哈尔滨市自来水公司.
[7]陈少波.带PID功能的变频器在恒压供水系统中的应用,广东:
广东汕头大学机电系.
[8]韩焱青.PLC控制变频调速恒压供水系统，武汉化工学院学报2000年04期
恒压供水系统的设计
内容摘要：
本文主要针对当前供水系统中存在的自动化程度不高、能耗严重、可靠性低的缺点加以研究，开发出一种新型的并在这三个方面都有所提高的PLC控制的恒压供水系统。
全文共分为五章。
第一章阐明了恒压供水系统的应用背景、选题意义及主要研究内容。
第二章对本系统的总体方案进行了介绍，其中包括系统的工艺要求，系统的组成和基本工作原理以及主要元器件的选型。
第三章着重写控制系统的硬件部分的基本原理。
第四章介绍了系统的软件开发工作，对PLC程序做了详细描述并介绍了过程控制中占据重要地位的PID调节原理及参数设置依据，方法。
第五章是项目调试和小结部分，给出了调试结果。
本论文综合运用了可编程控制器（PLC）、变频器、PID调节仪、传感器等现代工业控制常用的控制部件及其相关程序设计方法。
所做的研究对同类系统的研究和开发具有一定的参考价值。
关键词：
可编程序控制器变频器PID
目录
第一章绪论 -6-
1.1课题的意义及应用背景 -6-
1.2本文研究的内容 -7-
第二章恒压供水原理及系统的技术指标 -8-
2.1任务 -8-
2.2系统技术指标 -8-
2.3系统的组成和基本工作原理 -8-
2.4主要元器件选型 -8-
第三章硬件的基本原理及其应用 -9-
3.1PLC可编程控制器（FXos—20MR） -9-
3.1.1可编程控制器的特点 -9-
3.1.2可编程控制器的工作原理 -10-
3.2变频器的原理与特性（CIMRG7） -13-
3.2.1变频器简介 -13-
3.2.2变频与变压（VVVF）原理 -13-
3.2.3变频调速的基本原理 -14-
3.2.4变频调速的升速和启动 -14-
3.2.5变频调速的降速和制动 -15-
3.2.6变频后的电动机的机械特性:
-15-
3.2.7V/F控制的概念:
-16-
3.2.8矢量控制的概述 -17-
3.2.9CIMRG7的特性 -18-
3.3PID调节仪 -20-
3.3.1PID调节原理 -20-
3.3.2PID参数设置 -22-
3.3.3PID设定值的调整 -23-
第四章软件设计 -24-
4.1PLC程序 -24-
4.1.1基本步骤 -25-
4.1.2程序中使用的继电器 -25-
4.1.3程序流程 -26-
4.2PLC程序的运行和模拟调试 -27-
4.3系统总体调试 -28-
致谢 -29-
参考文献 -29-
第一章绪论
1.1课题的意义及应用背景
在我国，节电节水的潜力非常大。
据有关国际组织发表的资料显示:
中国的单位国民经济总产值所消耗的电是美国、德国等的4倍左右，消耗的水是他们的2倍左右。
我国的大量用电设备中，风机和泵类电机的耗电量占全国发电量的50%左右,若推广新型电机调速技术,可节电40%左右,即可以节约全国发电量的1/5.由于我国人均占有水、电资源相对于别国又少很多,因此,在我国一方面水电供应紧张,而另一方面,水电的浪费又十分惊人.节电节水,不仅潜力巨大,而且意义深。
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。
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，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，在实际应用中得到了很大的发展。
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。
（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，如华为的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切换卡，SANKEN的SAMCO-I系列，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。
（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。
1.2本文研究的内容
本文设计了一个以可编程控制器（PLC）为控制核心，CIMRG7系列变频器为执行元件，采用PID调节仪控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户期望的恒定压力的系统。
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系统的技术指标
2.1任务
用PLC，变频器，PID调节仪，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系统技术指标
出口管网压力：
恒定在400KPa（4公斤）左右，可调
水泵运行时间：
全天候长期运行
2.3系统的组成和基本工作原理
系统由水泵机组、变频器，控制柜（内含PID控制器、PLC低压电器和变频器）、压力传感器、管路系统等构成。
系统控制75KW水泵2台，
基本工作原理：
水路管网压力低时，变频器启动1#泵，至全速运行一段时间后，由远传压力表来的压力信号仍未到达设定值时，PLC控制1#泵由变频切换到工运行，然后变频启动2#泵运行，据管网压力情况随机调整2#泵的转速，来达到恒压供水的目的。
当用水量变小，管网压力变高时，2#泵降为零速时，管网压力仍高，则PLC控制停掉1#工频泵，由2#泵实施恒压供水。
至管网压力又低时，将2#泵由变频切为工频运行，变频器启动1#泵，调整1#泵的转速，维修恒压供水。
如此循环不已。
2.4主要元器件选型
PLC：
FXos—20MR（三菱）
变频器：
CIMRG7（安川）
压力传感器：
TGK（意大利）
PID调节仪：
JC—33A（日本神港）
其他低压配件选择施耐德品牌为主
第三章硬件的基本原理及其应用
3.1PLC可编程控制器（FXos—20MR）
1969年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController－PLC）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。
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，列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。
3.1.1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，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。
3.1.2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，如下图所示。
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。
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。
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负载；
如图2—3所示。
外部负载的驱动电源接在输出公共端（COM）上。
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。
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工作的重要特点。
三、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I／O响应时间。
响应时间是可变的，例如，在一个扫描周期的I／O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、—个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和，如下图所示。
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，如下图所示。
应用：
在本系统中主要用起控制电气开关作用，控制该系统中的逻辑电平。
并且手动控制两台电机的起停。
3.2变频器的原理与特性（CIMRG7）
3.2.1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。
3.2.2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:
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Υ=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。
3.2.3变频调速的基本原理
异步电动机的等效变换
异步电动机的电磁转矩公式：
其中:
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。
3.2.4变频调速的升速和启动
由于异步电动机在额定频率和电压下直接启动时，其绕组以同步转速切割旋转磁场，转子电流都很大，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；
而且启动过程过于快捷，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。
本次系统能够中启动时间设定为30s，并且负载升速方式选择半S型。
3.2.5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。
在本系统中降速时间设定为30s。
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。
将上述两个公式代入异步电动机的电磁转矩公式可得变频后的转矩公式：
其中：
为频率为时的转差率。
在变频器正常工作情况下，即＝<
1时的机械特性入下图所示
由图可知随着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。
在这里我们采用V/F控制方法。
（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。
（2）完全补偿U/f
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