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1、 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。全文共分为四章。第一章介绍了基于PLC恒压供水系统在小区中的应用意义、建立了恒压供水系统的控制原理框图。第二章介绍PID调节概念及基本原理。第三章对基于三菱FX2N型PLC的恒压变频供水系统的设计实例做了详细的描述,画出了本系统的电气控制系统原理图，包括主电路图、控制电路图、PLC系统外部接线图和变频器电气原理图。第四章是系统的程序设计部分。本设计综合运用了可编程控制器（PLC）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，实现
2、了小区的恒压供水。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1第二章 PID调节概念及基本原理32.1 PID调节概述32.1.1自动控制系统的分类32.2 PID控制的原理和特点42.2.1 PID控制的原理和特点的概念42.2.2 PID控制的分类52.3 PID控制器的参数整定6第三章 三菱FX2N型PLC的恒压变频供水系统设计实例83.1系统的主要控制要求93.2系统的硬件选型93.2.1 系统的控制器- FX2n32MR103.2.2 系统的模拟量输入、输出模块103.2.3 变频器FRA500103.2.4 压力传
3、感器TPT503113.3控制系统的I/O点及地址分配113.3.1 PLC系统的选型133.4 恒压供水系统的电气控制系统133.4.1 主电路图133.4.2控制电路图143.4.3 PLC系统外部接线图15第四章 恒压供水系统的程序设计174.1 系统的程序结构说明及流程图174.1.1初始化子程序174.1.2 定时中断程序184.1.3 主程序194.2程序中使用的编程组件及其含义21第五章 总结23参考文献24谢 辞25附录： 控制系统的梯形图程序26 / / 第一章 绪 论近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括
4、城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，和此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。要解决这些问题，用基于PLC控制变频调速恒压供水能实现。变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、智能PID调节器、压力变送
5、器、PLC控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1.1所示。图1.1 控制系统原理图其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，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能PID调节器实现管网水压的PID调节。PLC控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和PLC的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动, 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。 第二章 PID调节概念及基本原理2
6、.1 PID调节概述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。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）
7、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(intelligent regulator)，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。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接和ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的
8、Logix产品系列，它可以直接和ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。2.1.1自动控制系统的分类一、开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。二、闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号和系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative
9、Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。2.2 PID控制的原理和特点 2.2.1 PID控制的原理和特点的概念在工程实际中，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7
10、0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。 2.2.2 PID控制的分类1、 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出和输入误差信号成比例关系
11、。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2、积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出和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（System with Steady-state Error）。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
12、。 3、微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出和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
13、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。 2.3 PID控制器的参数整定 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，
14、主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。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和完善。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。第三章 三菱FX2N型PLC的恒压变频供水系统设计实例本设计以三台泵组构成的生活/消防双恒压无塔供水泵站控制系统的实
15、例。3此供水泵站为双恒压供水系统，系统的构成示意图如图4-1所示。消防用水生活用水市网自来水YV1 蓄水水池1#泵2#泵3#泵YV2SL-HSL-L图3-1 系统构成示意图市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满蓄水水池，只要水位低于高水位，则自动往水池注水。水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为高/低水位报警。为了保证供水的连续性，水位的上下限传感器高低相距距离较小。生活用水和消防用水共享三台泵，平时电磁阀YV2处于断电状态，关闭消防管网。三台泵根据生活用水量的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压值。当有火灾发生时，电磁阀YV2通电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵再改为生活用水使用。3.1系统的主要控制要求对三台泵生活/消防供水系统的基本要求是：（1）生活供水时，系统低恒压运行，消防供水时系统高恒压运行。（2）三台泵根据恒压的需要，采取先开先停的原则接入和退出。
