畢業(yè)設(shè)計（論文）變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)以西門子s7-200系列plc作為控制器，采用其擴(kuò)展模擬輸入輸出模塊em235，利用其內(nèi)部的pid控制指令，配合mm420型號的變頻器和電機(jī)，同時用kby壓力變送器來檢測管網(wǎng)壓力。構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機(jī)無級調(diào)速驅(qū)動技術(shù)，變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。壓力變送器的作用是檢測管網(wǎng)水壓。智能pid調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的pid調(diào)節(jié)。plc控制單元則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時還是變頻器的驅(qū)動控制，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，自動調(diào)整輸出模擬量，進(jìn)而控制變頻器。變頻恒壓供水控制系統(tǒng)通過測到的管

2、網(wǎng)壓力，經(jīng)plc內(nèi)置pid調(diào)節(jié)器運(yùn)算后,通過em235模擬輸出端傳送到變頻器，調(diào)節(jié)輸出頻率，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。 關(guān)鍵詞：恒壓供水、可編程控制器、無級調(diào)速、pid控制、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、 目錄1 緒論11.1 恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程11.2 恒壓供水系統(tǒng)研究的目的和意義21.3 恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用32 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計方案42.2 恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計總體方案設(shè)計42.3 變頻恒壓供水原理63 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計73.1 系統(tǒng)中硬件電路構(gòu)成73.2 plc型號選擇和系統(tǒng)硬件配置203.3 外部硬件電路設(shè)計224 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計244.1 系

3、統(tǒng)流程圖244.2軟件設(shè)計25結(jié)術(shù)語31致謝詞32參考文獻(xiàn)331 緒論 變頻恒壓供水系統(tǒng)成為現(xiàn)在建筑中普遍采用的一種水處理系統(tǒng)。隨著社會和變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展和人們節(jié)水節(jié)能意識的不斷增強(qiáng)，變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能特性使得其越來越廣泛用于工廠、住宅、高層建筑的生活及消防供水系統(tǒng)。恒壓供水是指用戶端在任何時候，不管用水量的大小，總能保持網(wǎng)管中水壓的基本恒定。同時要保證供水的可靠性和安全性。基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)利用plc、傳感器、變頻器及水泵組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水塔供水控制系統(tǒng)，既保證了供水質(zhì)量又豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高系統(tǒng)可靠性，達(dá)到節(jié)水節(jié)能的效果。1.1 恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程恒壓供

4、水系統(tǒng)是指通過閉環(huán)控制，使供水的壓力保持恒定。早期的恒壓供水系統(tǒng)是通過閥門的開斷來控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，自動化越來越占據(jù)主要地位。出現(xiàn)了基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)，即基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中為了滿足供水量大小需求不同時，保證管內(nèi)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。因此，當(dāng)變頻器應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中時僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都

5、采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。近年來，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程時，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管內(nèi)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(plc)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn);有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但隨著社會發(fā)展和進(jìn)步，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了所有用戶的要求，逐步實(shí)現(xiàn)了基于plc和變頻器技術(shù)設(shè)計的生活恒

6、壓供水控制系統(tǒng)即基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)。目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中可以看出，隨著社會的發(fā)展，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(emc)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。1.2 恒壓供水系統(tǒng)研究的目的和意義近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水）有175.7升增加到241.1升，增長了37.2%，與此同時我國城市家庭人均日生

7、活用水量也在逐年提高。而現(xiàn)階段我國在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)比較落后，自動化程度較低。這種情況容易造成用水高峰期時水位達(dá)不到要求，供水壓力不足；用水低峰期時供水水位超標(biāo)，壓力過高，不僅十分浪費(fèi)能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。變頻恒壓供水系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無級調(diào)速，可以根據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)被看做是今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有很大優(yōu)勢。基于plc

8、和變頻器技術(shù)設(shè)計的智能恒壓供水控制系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動態(tài)響應(yīng)速度快。因而實(shí)現(xiàn)了恒壓自動控制。對整個供水過程來說，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好，管理人員可根據(jù)每個季節(jié)的用水情況，選擇不同的壓力設(shè)定范圍，不但節(jié)約了用水，而且節(jié)約了電能，達(dá)到了更優(yōu)的節(jié)能方式，實(shí)現(xiàn)供水的最優(yōu)化控制和穩(wěn)定性控制，具有廣泛的應(yīng)用前景。 1.3 恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用基于plc和變頻器技術(shù)設(shè)計的智能恒壓供水控制系統(tǒng)，是在原有系統(tǒng)的技術(shù)改造下，提高生產(chǎn)過程的自動化水平。使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡便，解決實(shí)際中問題，保證供水安全、快捷、可靠。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于（1） 生產(chǎn)、生活用水，亦可用于熱水供應(yīng)，恒壓噴淋等系統(tǒng)（2） 工企業(yè)、

9、生活、生產(chǎn)供水系統(tǒng)及企業(yè)自備并改造工程，自來水廠、生活小區(qū)及消防供水系統(tǒng)。（3） 各種場合的恒壓、變壓、冷卻水和循環(huán)供水系統(tǒng)（4） 污水泵站、污水處理及污水提升系統(tǒng)。（5） 農(nóng)業(yè)排灌、園林噴淋、水景和音樂噴泉系統(tǒng)（6） 賓館、大型公共建筑供水及消防系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)采用plc控制，容易隨時修改程序，以改變工作狀況，滿足不同控制要求，有較大的靈活性和通用性，有一定的推廣應(yīng)用價值。2 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計方案2.1 恒壓供水系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1.1 總體方案簡介西門子s7-200型可編程控制器（simatic s7-200）是模塊化中小型plc系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用；大范圍的

10、各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之泛組合以用于擴(kuò)展；多種的性能遞增的cpu和豐富的且?guī)в性S多方便功能的i/o擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。因此，基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)以西門子s7-200系列plc作為控制器，采用其擴(kuò)展模擬輸入輸出模塊em235，利用其內(nèi)部的pid控制指令，配合mm420型號的變頻器和電機(jī)，同時用kby壓力變送器來檢測管網(wǎng)壓力，與設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時變頻器還可作為電機(jī)軟啟動裝置，限制電機(jī)的啟動電流。壓力變送器的作用是

11、檢測管網(wǎng)水壓；智能pid調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的pid調(diào)節(jié)；plc控制單元則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時還是變頻器的驅(qū)動控制，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，自覺調(diào)節(jié)輸出模擬信號數(shù)值。改變輸入變頻器值，即實(shí)現(xiàn)其對水泵電機(jī)的無級調(diào)速。 如下圖2.1整體方框圖和圖2.2控制部分方框圖所示： 水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速由變頻器調(diào)節(jié)，變頻器接受plc控制器的信號對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，plc控制器綜合給定和反饋信號（由plc擴(kuò)展模擬輸入輸出模塊接受信號）后，經(jīng)過pid調(diào)節(jié)，向變頻器輸出運(yùn)轉(zhuǎn)頻率指令，壓力傳感器檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為plc控制器可接受的數(shù)字信號，進(jìn)行調(diào)節(jié)。下圖 2.2控制部分方框圖所示。plc作為可編程控

12、制器，協(xié)調(diào)各元件順利運(yùn)行。 圖2.1 整體方框圖 圖2.2 控制部分方框圖2.1.2 系統(tǒng)控制要求本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實(shí)際應(yīng)用。本系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、壓力傳感器組成。本文研究的目標(biāo)是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速。該系統(tǒng)可以為生活和消防等供水的供水。 在恒壓供水系統(tǒng)中，在出水的管中設(shè)有一個ybt壓力傳送器，檢測水壓的大小，并將其轉(zhuǎn)化成模擬信號（電流信號）。通過plc設(shè)定一個恒定壓力值、變頻器上限（最高頻率）和下限（最低頻率）。利用pid計算形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)水量發(fā)生變化時，變頻器根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反

13、饋的實(shí)際壓力值之差，經(jīng)過模擬輸入、d/a轉(zhuǎn)換、pid計算、a/d轉(zhuǎn)換、模擬輸出等對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)管內(nèi)所測壓力值比實(shí)際壓力值大時，需要自動控制plc的模擬輸出模塊，控制變頻器的輸出頻率降低但不能低于變頻器的最低頻率（下限）；當(dāng)管內(nèi)所測壓力值比實(shí)際壓力值小時，需要自動控制plc的模擬輸出模塊，控制變頻器的輸出頻率升高但不能高于變頻器的最高頻率（上限）。從而保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。2.2 變頻恒壓供水原理 該系統(tǒng)的恒壓控制采用閉環(huán)控制，在水泵的輸出管網(wǎng)中安裝一個壓力變送器，將管內(nèi)水壓轉(zhuǎn)換成15v的信號輸入plc的擴(kuò)展模擬量輸入輸出模塊（em235）的模擬量輸入端并經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)

14、換將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。該數(shù)字信號與壓力給定值相比較，并經(jīng)過pid運(yùn)算，由plc輸出控制信號經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換通過em235的模擬量輸入端輸出420ma的控制信號送往變頻器，控制變頻器輸出頻率，從而控制水泵電動機(jī)轉(zhuǎn)速，使水壓穩(wěn)定在設(shè)定值。在恒壓供水系統(tǒng)中，當(dāng)水量發(fā)生變化時，變頻器根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反饋的實(shí)際壓力值之差，發(fā)生相應(yīng)的變化，保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。3 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成本設(shè)計論文包含的硬件主要有，plc（可編程控制器）、變頻器(mm420)、壓力傳感器、電動機(jī)（水泵）、和plc模擬量擴(kuò)展模塊em2353.1.1可編程控制器（

15、s7-200 ）（1） 可編程控制器（s7-200 ）原理可編程控制器（plc）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過程。采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要有cpu、電源、存儲器和專門設(shè)計的輸入/輸出接口電路組成。用plc實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按控制功能要求，通過程序按一定算法進(jìn)行輸入、輸出變換，并將這個變換給以物理實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。（2） 可編程控制器（s7-200 ）應(yīng)用目前plc在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化

16、工、制藥、電力、機(jī)械制造等各個領(lǐng)域。plc被稱為專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計，故其主要的應(yīng)用方面為:（1） 作為開關(guān)量控制。 是plc的基本功能，得力于plc具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算功能，可以實(shí)現(xiàn)各種簡單和復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。（2） 模擬量控制 因?yàn)閜lc只能處理數(shù)字量，為處理溫度、壓力、流量、液位、速度等模擬量，plc中專門配置了a/d、d/a轉(zhuǎn)換模塊（例如em235），將模擬信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換后送plc處理，將plc處理后所得數(shù)字量經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備（本課題是控制變頻器），來完成現(xiàn)場連續(xù)控制。（3） 閉環(huán)過程控制 plc配置pid控制單元用來實(shí)現(xiàn)對控制現(xiàn)場的某些變量（電壓、電流、溫度、速

17、度等）的閉環(huán)pid控制。（用課題是用自編的程序?qū)崿F(xiàn)pid閉環(huán)控制）（4） 定時/計數(shù)控制 plc具有定時/計數(shù)控制，具有專門的功能指令。（本課題中未用該指令）（5） 數(shù)據(jù)處理 現(xiàn)在plc不僅具備數(shù)字運(yùn)算（包含四則運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算）和數(shù)據(jù)傳送功能，而且還具有數(shù)據(jù)比較、轉(zhuǎn)換、通信、顯示等功能。（本課題中大量用到數(shù)據(jù)傳送可運(yùn)算功能）（3） 可編程控制器（s7-200 ）特點(diǎn) （1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) （2）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)（3）編程方便，易于使用 （4） 功能強(qiáng)，擴(kuò)展能力強(qiáng)（5） plc控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便 （6）系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造

18、 （7）體積小，重量輕，能耗低 ，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 （四） 可編程控制器（s7-200 ）接線方式24v電源圖3.1 cpu224接線方式（五） 可編程控制器（s7-200 ）通訊口的引腳分配連接器針號信號1屏蔽機(jī)殼地224v返回邏輯地3rs-485信號brs-485信號b4請求發(fā)送rts(ttl)55v返回邏輯地6+5v+v,1000串聯(lián)電阻7+24v+24v8rs-485信號ars-485信號a9未用選擇十位協(xié)議（輸入）連接器外殼屏蔽機(jī)殼地表3.1 s7-200 通訊口的引腳分配3.1.2變頻器(mm420) 變頻器（mm420）全稱micromaster420系列變頻器（一）變頻器（m

19、m420）工作原理 micromaster420是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列。該變頻器由微處理器控制，并采用絕緣柵雙極性晶體管（igbt）作為功率輸出器件。為交-直-交變頻器，即先把頻率、電壓都固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率、電壓都可調(diào)的三相交流電源。該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖為：整流電路直流中間電路 控制電路交流電源逆變電路頻率和電壓可調(diào)的交流電 圖3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) （1） 整流電路交-直部分 整流電路通常由二極管或晶閘管構(gòu)成的橋式電路組成，把頻率、電壓都固定的交流電整流成直流電（2） 直流中間電路部分濾波電路 根據(jù)儲能元件不同，濾波電路分為電容濾波和電感濾

20、波兩種，分別構(gòu)成電壓型變頻器和電流型變頻器。 （3） 逆變電路直-交部分 逆變電路是交-直-交變頻器的核心部分， 把直流電逆變成頻率、電壓都可調(diào)的三相交流電源，直接控制電機(jī)。（二）變頻器（mm420）參數(shù)表參數(shù)號參數(shù)名稱defaultleveldsqcr0000驅(qū)動裝置只讀參數(shù)的顯示值.2.p0003用戶的參數(shù)訪問級11cut.p0004參數(shù)過濾器01cut.p0010調(diào)試用的參數(shù)過濾器01ctnp3950訪問隱含的參數(shù)04cut.p3900“快速調(diào)試結(jié)束”01cqp0970復(fù)位為工廠設(shè)定值01c.表3.2 變頻器常用參（三）變頻器（mm420）應(yīng)用及特點(diǎn) 變頻器不僅可以用于標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)調(diào)速，而

21、且可以用于其他調(diào)速電動機(jī)，在節(jié)能、較少維修、提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量等方面都取得良好經(jīng)濟(jì)效益。變頻器的應(yīng)用幾乎包含所有工業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵、有色冶金、油田、煉油、石化、化工、制藥、造紙等行業(yè)。例如在機(jī)床上，變頻器能使其選擇無級的最佳速度運(yùn)轉(zhuǎn)；在各種搬運(yùn)機(jī)械中，調(diào)節(jié)多臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻或者工頻運(yùn)轉(zhuǎn)。（四）變頻器（mm420）與電機(jī)連接方式及接線圖圖3.3 接單相電源時，變頻器與電機(jī)連接圖3.4 接三相電源時，變頻器與電機(jī)連接圖3.5 變頻器（mm420）接線圖3.1.3 kyb壓力變送器（一） kyb壓力變送器工作原理 壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水

22、電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)壓力變送器被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在即敏感元件的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器。兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。壓力變送器和絕對壓力變送器的工作原理和差壓變送器相同，所不同的是低壓室壓力是大氣壓或真空，內(nèi)含有 a/d轉(zhuǎn)換器、d/a轉(zhuǎn)換器。a/d轉(zhuǎn)換器將解調(diào)器的電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，其值被微處理器用來判定輸入壓力值。

23、微處理器控制變送器的工作。另外，它進(jìn)行傳感器線性化。重置測量范圍。工程單位換算、阻尼、開方，傳感器微調(diào)等運(yùn)算，以及診斷和數(shù)字通信。d/a轉(zhuǎn)換器把微處理器來的并經(jīng)校正過的數(shù)字信號微調(diào)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用變送器軟件修改。數(shù)據(jù)貯存在eeprom內(nèi)，即使斷電也保存完整。 kyb壓力變送器變送器由擴(kuò)散硅壓力芯片和信號處理電路組成，當(dāng)外加壓力時，將引起壓力芯片的輸出電壓以生變化，再經(jīng)信號處理電路將其放大，并轉(zhuǎn)換為與輸入壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。kyb-800kt型壓力變送器由壓力敏感部件、恒流源供電電路、信號放大處理電路組成。壓力敏感部件采用國際高品質(zhì)擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器，其利用兩個單晶硅片結(jié)

24、合在一起，上面硅片通過微機(jī)械加工工藝構(gòu)成一個惠斯通電橋，該電橋電壓輸出與作用在硅片上的壓力差成比例；恒流源供電電路可產(chǎn)生2madc的電流，用于激勵壓力傳感器工作。信號放大處理電路用于將惠斯通電橋產(chǎn)生的電壓信號線性放大處理后并轉(zhuǎn)換成0-5vdc4-20madc等多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化信號。（二） kyb壓力變送器技術(shù)特點(diǎn) kyb-800kt系列產(chǎn)品采用國際先進(jìn)生產(chǎn)工藝及電子元部件，在嚴(yán)格的質(zhì)量保證體系的保障下生產(chǎn)制造，具有精度高、體積小、重量輕、安裝方便、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。主要性能特點(diǎn)（1） 穩(wěn)定性高（2） 溫度誤差?。?） 實(shí)用性強(qiáng)（4） 安裝維修方便（三） kyb壓力變送器接線方式二線制電流輸出端

25、子連接圖3.6 二線制電流輸出端子連接三線制電流輸出端子連接圖3.7 三線制電流輸出端子連接二線制電壓輸出端子連接圖3.8 二線制電壓輸出端子連接3.1.4 plc模擬量擴(kuò)展模塊（em235）em235是常用的模擬量擴(kuò)展模塊，它具有4路模擬量輸入和一路模擬量輸出的功能。（一） plc模擬量擴(kuò)展模塊（em235）的接線方式圖3.9 plc模擬量擴(kuò)展模塊（em235）的接線方式 對于電壓信號，按正負(fù)直接接入×和×；對于電流信號將r×和×+短接后接入電流輸入信號的“+”端；未連接傳感器的通道要將×和×短接。 對于某一模塊，只能將輸入端同時設(shè)

26、置為一種量程和格式，即相同的量程和分辨率。（二） plc模擬量擴(kuò)展模塊（em235）的技術(shù)參數(shù)常用技術(shù)參數(shù)：模擬量輸入特性模擬量輸入點(diǎn)數(shù)4 輸入范圍電壓（單極性）010v、05v、01v、0500mv、0100mv、050mv電壓（雙極性）10v、5v、2.5v、1v、500vmv、250mv、100mv、50mv、25mv電流020ma數(shù)據(jù)字格式單極性 全量程范圍-32000+32000雙極性 全量程范圍032000分辨率12位a/d轉(zhuǎn)換器模擬量輸出特征模擬量輸出點(diǎn)數(shù)1信號范圍電壓輸出10v電流輸出020ma數(shù)據(jù)字格式電壓 -32000+32000電流 032000分辨率電流電壓 12位電流

27、11位 表3.3 plc模擬量擴(kuò)展模塊（em235）常用技術(shù)參數(shù)：em235開關(guān)單/雙極性選擇sw1sw2sw3sw4sw5sw6單極性on雙極性offoffoffx1offonx10onoffx100onon無效onoffoff0.8offonoff0.4offoffon0.2表3.4 em235擴(kuò)展模塊開關(guān)設(shè)置 上表說明如何用dpi開關(guān)設(shè)置em235擴(kuò)展模塊，開關(guān)1到6可選擇輸入模擬量的單/雙極性、增益和衰減。由該表得，dip開關(guān)sw6決定模擬量輸入的單雙極性，當(dāng)sw6為on時，模擬量輸入為單極性輸入，sw6為off時，模擬量輸入為雙極性輸入。sw4和sw5決定輸入模擬量的增益選擇，而sw

28、1,sw2,sw3共同決定了模擬量的衰減選擇。根據(jù)表3.5可得所有的輸入設(shè)備 如下表單極性滿量程輸入分辨率sw1sw2sw3sw4sw5sw6onoffoffonoffon050mv12.5uvoffonoffonoffon0100mv25uvonoffoffoffonon0500mv125uvoffonoffoffonon01v250uvonoffoffoffoffon05v1.25mvonoffoffoffoffon020ma5uvoffonoffoffoffon010v2.5mv雙極性滿量程輸入分辨率sw1sw2sw3sw4sw5sw6onoffoffonoffoff25mv12.5uv

29、offonoffonoffoff 50mv、25uvoffoffonononoff 100mv50uvonoffoffoffonoff 250mv、125uvoffonoffoffoffoff500vmv250uvoffoffonoffoffoff1v500uvonoffoffoffoffoff2.5v1.25maoffonoffoffoffoff5v2.5maoffoffonoffoffoff10v 5ma表3. 5 em235擴(kuò)展模塊所有的輸入設(shè)備 （三） plc模擬量擴(kuò)展模塊（em235）輸入數(shù)據(jù)字格式圖3.10 12位數(shù)據(jù)值在cpu的模擬量輸入字中的位置圖3.11 12位數(shù)據(jù)值在cpu

30、的模擬量輸出字中的位置 3.1.5 pid閉環(huán)控制模塊pid控制器是比例-積分-微分控制(proportional-integral-de-rivative)的簡稱。其優(yōu)點(diǎn)是不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，而且pid控制器的結(jié)構(gòu)典型、程序設(shè)計簡單、工程上易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)調(diào)整方便。（一） pid閉環(huán)控制系統(tǒng)原理本系統(tǒng)的pid閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖如下圖。圖3.12 pid閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 其中是sp(t)給定值、pv(t)是反饋量，由壓力變送器測得。c(t)為輸出。pid控制器的輸入輸出關(guān)系為式中e(t)=sp(t)-pv(t)稱為偏差值，m(t)為pid控制器的輸出，kp為比

31、例系數(shù)，回路增益kc、采樣時間ts、積分時間ti、微分時間td。cpu只處理數(shù)字信號，故必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換，采樣時間t第n次采樣得到的偏差e(n),控制器輸出m（n），則微分用差分代替，積分用求和代替。則數(shù)字化的pid計算為可寫成可得：為微分系數(shù)（二） plc實(shí)現(xiàn)pid控制的方式 用plc對模擬量進(jìn)行pid控制大致有如下幾種方法： (1) 使用pid過程控制模塊：這種模塊的pid控制程序是plc廠家設(shè)計的，并放在模塊中，用戶使用時只需要設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便。 (2) 使用pid功能指令：它是用于pid控制的子程序，與模擬量輸入輸出模塊一起使用，可以得到類似于使用pid過程控制的效果，但價格

32、便宜得多。如s7-200的pid指令 (3) 用自編的程序?qū)崿F(xiàn)pid閉環(huán)控制：在沒有pid過程控制模塊和功能指令的情況下，仍希望采用某種改進(jìn)的pid控制算法，此時用戶需要自己編制pid控制程序。 本設(shè)計中采用plc的cpu為s7-200，s7-200中具有pid指令。故該設(shè)計中利用pid指令實(shí)現(xiàn)pid閉環(huán)控制。（三） 輸入輸出變量的轉(zhuǎn)換 pid控制有輸入量2個：給定值sp和過程變量pv。給定值通常是固定值，過程變量通常是經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換和計算后得到的被控量的實(shí)測值。給定值和過程變量都是和被控對象有關(guān)的值，對于不同的系統(tǒng)，它們的大小、范圍與工程單位有很大的不同。應(yīng)用plc的pid指令對這些量進(jìn)行運(yùn)算

33、之前，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))。同樣，對于pid指令的輸出，在將其送給da轉(zhuǎn)換器之前，也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 （四） pid指令及其回路表 s7-200的pid指令如下圖所示。圖3.13 pid 指令表 指令中tbl是回路表的起始地址，loop是回路編號。編譯時如果指令指定的回路表起始地址或回路號超出范圍，cpu將生成編譯錯誤(范圍錯誤)，引起編譯失敗。pid指令對回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量、定值等不超限?；芈繁砣缦卤硭酒频刂纷兞扛袷筋愋兔枋?過程變量雙字節(jié)數(shù)輸入應(yīng)在.0.01.0之間4給定值雙字節(jié)數(shù)輸入應(yīng)在.0.01.0之間8輸出值雙字節(jié)數(shù)輸入/輸出應(yīng)在.0

34、.01.0之間12增益雙字節(jié)數(shù)輸入比例常數(shù)，可正可負(fù)16采樣時間雙字節(jié)數(shù)輸入單位s，必須為正20積分時間雙字節(jié)數(shù)輸入單位min，必須為正24 微分時間雙字節(jié)數(shù)輸入單位min，必須為正28上一次的積分值雙字節(jié)數(shù)輸入/輸出應(yīng)在.0.01.0之間32上一次過程變量雙字節(jié)數(shù)輸入/輸出最后一次運(yùn)算過程變量值表3.6 回路表 過程變量與給定值是pid運(yùn)算的輸入值，在回路表中他們只能被pid指令讀取而不能改寫。每次完成pid運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸入值mn，它被限制在0.01.0之間如果pid指令中的算術(shù)運(yùn)算發(fā)生錯誤，特殊存儲器位sm 1.1(溢出或非法數(shù)值)被置為1，并將中止pid指令的執(zhí)行，想要消除

35、這種錯誤，在下一次執(zhí)行pid運(yùn)算之前，應(yīng)改變引起運(yùn)算錯誤的輸入值，而不是更新輸出值。3.2 plc型號選擇和系統(tǒng)硬件配置3.2.1變頻調(diào)速工作過程及控制要求 在恒壓供水系統(tǒng)中，在出水的管中設(shè)有一個ybt壓力傳送器，檢測水壓的大小，并將其轉(zhuǎn)化成模擬信號（電流信號）。通過plc設(shè)定一個恒定壓力值、變頻器上限（最低頻率）和下限（最低頻率）。利用pid計算形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)水量發(fā)生變化時，變頻器根據(jù)管內(nèi)的壓力設(shè)定值和變頻器反饋的實(shí)際壓力值之差，經(jīng)過模擬輸入、d/a轉(zhuǎn)換、pid計算、a/d轉(zhuǎn)換、模擬輸出等對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)管內(nèi)所測壓力值比實(shí)際壓力值大時，需要自動控制plc的模擬輸出模塊，控

36、制變頻器的輸出頻率（降低）但不能低于變頻器的最低頻率（下限）；當(dāng)管內(nèi)所測壓力值比實(shí)際壓力值小時，需要自動控制plc的模擬輸出模塊，控制變頻器的輸出頻率（升高）但不能高于變頻器的最高頻率（上限）。從而保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。3.2.2 系統(tǒng)i/o確定 ybt壓力傳送器檢測到的管內(nèi)水壓需轉(zhuǎn)換為模擬信號輸送到plc,同時經(jīng)過pid計算，a/d轉(zhuǎn)換后得到模擬量輸出plc，所以系統(tǒng)需要一個模擬輸入輸出模塊。該模塊只需要一個模擬輸入模塊一個模擬輸出模塊，故選用模擬輸入輸出模塊（em235）。根據(jù)該工作過程及控制要求可知，系統(tǒng)中只需要自動啟動、自動停止、手動啟動、手動停止按鍵四個數(shù)字量輸入點(diǎn)，

37、一個接受壓力傳感器數(shù)值的模擬輸入信號?？刂齐妱訖C(jī)的是plc提供給變頻器的模擬信號與確定電動機(jī)啟動或停止的一個數(shù)字量輸出點(diǎn)。 3.2.3 plc型號選擇，輸入輸出點(diǎn)分配 s7-200cpu22*系列plc共有5種cpu模塊。分別是cpu221、cpu222、cpu224、cpu226及cpu226xm。其中cpu221無擴(kuò)展功能，cpu222最多能帶兩個模塊的擴(kuò)展模塊，不滿足本系統(tǒng)要求。cpu224是具有較強(qiáng)控制功能的控制器，其i/o點(diǎn)數(shù)為14輸入和10輸出，最多7個擴(kuò)展模塊，能滿足系統(tǒng)要求。故選用s7-200cpu224型號。輸入輸出點(diǎn)分配 輸入 輸出i0.0自動啟動q0.0電動機(jī)啟動i0.1

38、自動停止aqw0模擬量輸出i0.2手動啟動i0.3手動停止aiw0模擬量輸入表3.7系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)分配輔助繼電器表格vd101壓力設(shè)定值vd112比例系數(shù)vd204頻率上限vd116采樣時間vd208頻率下限vd120積分時間vd100處理后模擬量輸入值vd124 微分時間vd250pi調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元vd108pi計算值表3.8輔助繼電器表格3.3 外部硬件電路設(shè)計3.3.1 主電路圖如圖3.15所示為系統(tǒng)的主電路圖。m為電機(jī)。km為接觸器；fr為水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器：qs為變頻器和泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；fu為主電路的熔斷器；vvvf是通用變頻器fufur s tu v wnl1l

39、2l3km qsvvvf 3m13fr圖3. 15 主電路圖3.3.2 控制電路圖圖3.16為系統(tǒng)的控制電路圖，按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要控制水泵的啟動或停止，方便排除故障用；自動運(yùn)行時，系統(tǒng)在plc程序控制下運(yùn)行。sb1為自動啟動、sb2為自動停止、sb3為手動啟動、sb4為手動停止。圖3. 16 控制電路圖 3.3.3 plc外圍接線圖3. 17 plc外圍接線圖4 基于變頻器的智能恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)控制要求，系統(tǒng)有兩種工作方式：手動和自動。手動工作方式主要完成電動機(jī)的啟動和停止，以及出現(xiàn)不正常工作情況時通過手動操作使系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。自動工作方式是自動完成各個流程。k

40、yb壓力變送器測定值 b4.1 系流程圖圖4.1 系統(tǒng)流程圖4.2 軟件設(shè)計4.2.1 電機(jī)啟動模塊設(shè)計電機(jī)啟動分為自動啟動手動啟動和自動停止手動停止。plc輸入端只有四個數(shù)字量輸入，一個模擬量輸入。一個模擬量輸出一個數(shù)字量輸出。其數(shù)字量輸入輸出部分 圖4.3數(shù)字量輸入輸出部分程序圖4.2.2 pid控制模塊軟件設(shè)計 （一） 回路輸入的轉(zhuǎn)換(ad)首先，將給定值或ad轉(zhuǎn)換后得到的整數(shù)值由16位整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，可以用下面的程序?qū)崿F(xiàn)這種轉(zhuǎn)換：xord ac0,ac0 /清除累加器movw aiw0,ac0 /將待轉(zhuǎn)換的模擬量存入累加器ldw>=ac0,0 /如果模擬量為正dtr ac0,a

41、c0 /直接轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)nop /否則ord 16#ffff0000,ac0 /將ac0內(nèi)數(shù)值進(jìn)行符號位擴(kuò)展成32位負(fù)數(shù)lbl 0dtr ac0,ac0 /將32位整數(shù)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)然后，將實(shí)數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成0.01.0之間的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)，可用下式對給定值及過程變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：式中：rnorm為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)值；rraw為標(biāo)準(zhǔn)化前的值；offset為偏移量，對單極性變量為0.0，對雙極性變量為0.5；span為取值范圍，等于變量的最大值減去最小值，單極性變量的典型值為32 000，雙極性變量的典型值為64 000。下面的程序?qū)⑸鲜鲛D(zhuǎn)換后得到的ac0中的雙極性數(shù)(其中span=64 000)轉(zhuǎn)換為0.01.0之間

42、的實(shí)數(shù)的轉(zhuǎn)換程序?yàn)椋?r 64000.0,ac0/將累加器中的實(shí)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化 +r 0.5,ac0、加上偏移量，使其在0.0-1.0之間 movr ac0,vd100/將標(biāo)準(zhǔn)化的值存入回路表中 （二） 回路輸出的轉(zhuǎn)換(da) 回路輸出即pid控制器的輸出，它是標(biāo)準(zhǔn)化的0.01.0之間的實(shí)數(shù)。將回路輸出送給da轉(zhuǎn)換器之前，必須轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制數(shù)，這一過程是將pv與sp轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值的逆過程。用下面的下式將回路輸出轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)：式中，rscal是回路輸出對應(yīng)的實(shí)數(shù)值；mn是回路輸出標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)數(shù)值。將回路輸出轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的實(shí)數(shù)的程序?yàn)椋?movr vd108,ac0 /將回路輸出送入累加器 r 6400

43、0.0,ac0 /單極性變量乘以32000.0將代表回路輸出的實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為16位整數(shù)的指令為： round ac0,ac0 /將實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)化為32位整數(shù) movw ac0,aqw0 /將16為整數(shù)寫入模擬輸出（d/a）寄存器（三） pid計算 因?yàn)樵撛O(shè)計中利用pid指令實(shí)現(xiàn)pid閉環(huán)控制。所以在軟件設(shè)計中，只需要設(shè)定pid中控制器參數(shù)初值如壓力設(shè)定值、回路增益kc、采樣時間ts、積分時間ti、微分時間td等。使用pid指令，在自動方式下運(yùn)行。4.2.3 整體軟件設(shè)計（整體程序） / 電動機(jī)的停、轉(zhuǎn) /初始化程序 上限vd204=1800；下限vd208=22400； 比例系數(shù)vd112=0.25；采

44、樣時間vd1160=2；積分時間vd120=30； 微分時間vd124=0；采用pi調(diào)節(jié)器，壓力設(shè)定值vd101=0.7/整數(shù)至雙整數(shù)，雙整數(shù)至實(shí)數(shù)，實(shí)數(shù)相除，實(shí)數(shù)傳送等一系列轉(zhuǎn)換，將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)化的浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))。/ 設(shè)定值與實(shí)際值比較， 起始位置vb100 回路號0 。實(shí)現(xiàn)pi計算/pi計算值與頻率的上下限值進(jìn)行比較，判斷出進(jìn)行d/a轉(zhuǎn)換值/ 實(shí)數(shù)相乘 ，取舍， 雙整數(shù)變整數(shù) ，字傳送。實(shí)現(xiàn)d/a轉(zhuǎn)換圖4.4 程序設(shè)計梯形結(jié)束語 隨著變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)普遍使用。用變頻器和plc來實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與其它供水方式相比較而言，其優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。節(jié)能效果十分顯著，啟動平穩(wěn)，啟動電流