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基于PLC的恒压供水控制系统设计

摘 要

随社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前水电资源紧张，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。
本设计选择PLC和变频器来构成恒压供水控制系统，阐述了系统的组成，系统的功能、工作原理以及安全措施。利用变频器和PLC技术相结合的方式实现变频恒压供水，能取得恒压供水的效果，能提高水泵的运行效率，满足了自动化要求，甚至不需要人员的值守，也达要节能可靠的目的，可以提供稳定压力的水源。

关键词 恒压供水，变频调速，S7-2OO PLC

ABSTRACT

Key words Constant pressure water supply, frequency control, s7-200 PLC

目 录

摘 要 I
ABSTRACT II

1 绪 论 1
1.1 本课题研究的背景 1
1.1.1恒压供水的现状 1
1.1.2可编程控制器的重要性 2
1.2 可编程序控制器在恒压供水控制系统的应用 3
2 恒压供水系统工艺流程及其控制要求 5
2.1 系统的工艺流程 5
2.1.1 系统工作原理 5
2.2.2 系统的工作流程 6
2.2 系统的控制要求 8
3 系统的硬件设计 11
3.1变频器的选型 11
3.1.1 变频器的原理 11
3.1.2 变频器的特点 12
3.1.3 变频器控制电动机的转速原理 12
3.1.4 变频器的选型 13
3.2 压力传感器的选择 13
3.3 PLC及扩展模块的选择 14
3.3.1 PLC机型选择 14
3.3.2 扩展模块的选择 15
3.3.3 PLC的I/O配置及外围接线 15
4 PID回路的计算 18
4.1 PID控制算法及特点 18
4.2 PID参数整定 20
5 程序设计及仿真 21
5.1 系统主程序设计及仿真 21
5.2 系统初始化程序及仿真 32
5.3 PID子程序设计及仿真 34
结 论 37
参考文献 38
致 谢 39

1 绪 论

1.1 本课题研究的背景
1.1.1恒压供水的现状
近年来我国社会经济高速发展，城市中各类小区建设发展十分迅速，人们生活水平的大大提高，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水的可靠性、稳定性、经济性能直接影响到小区住户的正常工作和生活。
传统的小区供水方式有：气压罐供水、恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：
①气压罐供水的优点：具有体积小、技术简单、不受高度限制。
气压罐供水的缺点：这种供水方式对水的调节量比较小、水泵电机是硬起动并且起动频繁，对电机耗损比较大，系统维护工作量巨大，对电器设备要求较高，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力过高，也使电和水的浪费加大，从而限制了其发展。
②恒速泵加压供水方式优点：容易建设实现，设备简单，容易操作。
恒速泵加压供水方式缺点：无法对供水管网的压力做出及时快速的反应，水泵的增减都需要依赖人工进行手工操作，自动化程度过低，而且为了保证供水，水泵电机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量巨大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，管道爆损现象严重，破坏性非常大。
③水塔高位水箱供水优点：具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等。
水塔高位水箱供水缺点：基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流过大，频繁起动易损坏联轴器。
④单片机变频调速供水系统优点：能做到变频调速，自动化程度要优于上面3种供水方式。
单片机变频调速供水系统缺点：系统开发周期比较长，对操作员的文化素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，并且不适用于恶劣的环境。
由此可知传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费水力、电力资源；可靠性差；效率低；自动化程度不高等缺点，这样的供水系统严重影响了居民安全稳定的用水。目前的居民的供水方式朝着高效节能、自动可靠、快速控制的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，

在调速水泵效果上尤为突出，其优越性表现在：一是节能十分明显；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击和供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
1.1.2可编程控制器的重要性
PLC已经非常普遍的在现代自动化设备上使用，取代了很大一部分传统继电器控制电路，这是因为PLC具有先天的综合优势：
①功能强，性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件（如计时器，计数器，继电器等），有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。PLC与相同功能的继电器相比较，具有很高的性价比。
②硬件配套齐全，使用方便，适应性强
可编程序控制器产品已经标准化，系列化，模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。用户能够灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的控制系统。可编程序控制器的安装接线也很十分的方便，一般用接线端子可以直接连接外部接线。PLC具有很强的带负载能力，不需要驱动模块，直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。
③可靠性高，抗干扰能力强
传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于继电器的触点接触不良，容易出现故障，PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量接触点，接线可减少互继电器控制系统的1/10--1/100，所以触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
④编程方法简单
梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。
梯形图语言实际上是一种面向用户的一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。
⑤体积小，能耗低
对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积只有几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，因此可以省下大量的配线和其他的附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。
⑥能实现网络通讯
PLC可以与电脑及智能仪表等通过通信联网，实现分散控制，集中管理的集散控制。并能实现地显示出当前机械设备的工作状态和工作流程，对生产管理和现场维修带来极大的方便。

1.2 可编程序控制器在恒压供水控制系统的应用
可编程序控制器（PLC）是集计算机、仪器仪表、电气控制等技术于一身的电子设备，具有高可靠性、强抗干扰能力、编程简单、低成本等特点，再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使PLC从早期的基本逻辑控制、简单的顺序控制迅速发展到了现在的复杂的连续控制，开始进入批量控制和过程控制领域，并迅速成为工业自动化系统的核心。
由于PLC的强大功能和优点，使PLC在我国的基础水工业自动化控制系统中得到广泛的应用，PLC在水工业自动化控制系统中的应用主要有自来水厂监控系统、自动加氯加矾控制系统、水泵的变频调速和水工业自动控制等其他的系统中。其主要功能是采集工艺参数、控制生产过程、处理信息、监测设备运行状态以及监测水质等。
恒压供水泵站一般需设多台电机和水泵，这比设单台电机和水泵供水系统可靠、稳定、延长了电机和水泵的寿命，避免水泵长时间使用而快速老化。如果配单台电机和水泵，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，不仅浪费电能，也浪费水资源，也会造成管网的压力过大，使管道有爆破的危险。如果电机选小了，当用水量大时供水会不足。并且水泵和电机都有维修的时候，备用电机泵是必要的。恒压供水的主要目标是保持管压网水压的恒定，为用户提供稳定可靠的水源。变频器可以使水泵电机的转速跟随用水量的变化而变化，这就要用变频器为水泵供可变频率的电源，调节水泵的转速。为水泵电机配变频器有两种配置方式，一是为每台水泵电机配一台变频器，这中配置很方便，电机与变频器间不需要进行切换，但是购买变频器的费用较高，成本很高。另一种方案是几台电机配一台变频器，变频器与水泵电机见可以进行切换，当供水运行时，一台水泵连接变频器进行变频运行，其余水泵工频运行，以满足不同用水两的需求。
基于PLC的恒压供水自动控制系统原理：压力传感器把压力传给PLC,PLC实时跟踪管网当前压力值，并与压力设定值进行比较，通过PID运算，PLC输出一个变化的直流电压信号，直流电压信号作为变频器频率给定的输入，调整电机输入电源的频率，控制水泵电机的转速，从而达到保持供水压力恒定的目的。比如：当管网水压力下降时，PLC通过PID运算，输出的直流电压值会升高，变频器的输出频率和电压值会增加，水泵转速加快，水管网水压达到给定压力值；当管网压力超过给定值时，PLC输出的直流电压会减小，变频器的频率和电压值开始下降，水泵的转速减慢，从而维持了管网的压力值恒定。
在恒压供水系统中电机和变频器是主要的控制对象，可以自动实现工作水泵切换以及工作泵变频和工频工作状态的改变。

2 恒压供水系统工艺流程及其控制要求

2.1 系统的工艺流程
2.1.1 系统工作原理
整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及其他辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管都装有手动阀，以供维修和调节水量手动控制使用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈0～5V电压信号)或压力变送器(反馈4～20mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压和其他的各项功能。该系统的原理框图如图2.1所示：

图2.1变频恒压供水系统原理框图
PLC在系统中另一个作用是控制变频器的交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整。
2.2.2 系统的工作流程
本系统的工作流程如图2.2所示：
开始

手动模式，根据输入按钮执行相应动作
手动/自动

手动

自动
白天/夜晚

执行夜晚压力值
夜晚

白天
执行白天压力值

频率变化

执行增泵程序
执行减泵程序
频率下限 频率上限

图2.2 程序流程图
本系统设置了手动和自动两种工作运行方式：
手动运行方式:选择此方式时，按启动按钮或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式可以供检修或控制系统出现故障时使用。
自动运行方式：
①启动程序。在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1#水泵首先启动，如果检测到压力值达不到要求，将变频器的交流接触器吸合，电机与变频器连通，水泵变频启动，变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈给PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如果管道压力不够，则频率上升，最大达到50Hz，达到50Hz时压力还达不到要求，延时一定时间后，将变频泵切换为工频，另一变频交流接触器吸合，变频启动2#水泵，频率逐渐上升，直至管道压力达到设定压力，依次类推增加水泵。
②水泵切换程序。如若用水量减小，出水压力值超过了设定压力，则PLC控制变频器，降低变频器的输出频率，控制水泵转速，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于设定值，而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；若在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先开先停的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。
③启动夜晚模式。对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置的压力值比白天压力值小。例如在晚上12点到凌晨5点，居民生活用水很少，如果还是使用用水量比较大的压力值的话，会造成电能和水源的浪费。在夜晚是可以使用另一个比较小的压力值。
④水池水位检测。在自动供水的过程中，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号；若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号；若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门，停止向供水池供水。
⑤自动启动。有时候会停电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动而造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。当电源恢复后，PLC会发出报警指令，蜂鸣器发出警告声音，然后按自动运行方式变频启动1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。
⑥ 故障处理。变频器的故障处理是按照冗余设计原则考虑的，也就是变频器发生故障时，系统也要不间断供水。当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC会发指令使全部的水泵停止工作，然后使1#泵工频运行，经过一定延时后根据管道网内水压力变化情况再使2#泵工频运行。此时，PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，蜂鸣器均能发出警报声。如果条件许可时可以添加MODEM模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。

2.2 系统的控制要求
变频恒压供水系统能适用多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:
①系统的控制对象是用户管网的水压力值，压力是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、速度、湿度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于控制水泵转速的变频器也存在一定的滞后性。
②自来水管网中因为存在阻力和水锤效应等因素的影响，同时水泵自身有一些固有的特性，使水泵转速快慢的的变化与管网压力大小的变化成正比，因此本次设计的供水系统是一个线性系统。
③在变频调速恒压供水系统中，由于有工频泵的加入到系统中，而工频泵的控制停止和运行是时时发生的，同时工频泵的运行状态也直接影响供水系统的中的模型参数，使系统不确定性地发生变化，因此可以这样认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
④当出现意外的情况(比如突然停水、断电，泵、变频器或软启动器出现故障等)时，系统能可以根据泵及变频器状态、电网状况、水源水位及管网压力等工况点自动进行切换、停止及报警，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能为用户进行供水。
⑤水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。
⑥用变频器、调节泵和固定泵的相组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
结合以上特点本系统设计的基本要求如下：
①由于白天和夜间居民小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，两种模式下设定的水压值不同。在白天，小区的用水量大，系统在高恒压值下运行；在夜晚，小区的用水量小，系统在低恒压值下运行。
②在用水量比较小的情况下，如果一台水泵连续运行工作时间超过了3小时，需要切换下一台水泵运行，避免因一台水泵工作时间过长而使水泵寿命受损。换泵的条件只用于系统只有一台变频泵长时间工作的情况下。
③ 考虑到节能和水泵寿命等因素，各个水泵切换顺序应该遵循先启先停、先停先启原则，有效避免单个水泵长时间工作。
④ 系统中的三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动、自动控制的功能，手动可以在应急或检修时临时使用。
⑤ 系统要有完善的报警功能。
该系统电控系统主电路图如下图2.3所示为。三台电机分别为M1、M2、M3。M1、M2、M3三台电机的工频运行接触开关分别是KM1、KM3、KM5；M1、M2、M3的变频运行分别由接触器KM2、KM4、KM6控制，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关，VVVF为变频器。
图2.3 电控系统主电路
热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，电流过大温度升高而自动断开，它在电路中的用作电动机的过载保护。
熔断器（FU）是电路中的的短路保护装置。使用中，由于电路中电流过大超过允许值产生的热量可以使串连在主电路中的熔体熔化而切断电路供电，防止电气设备短路和严重过载。
由于变频器泵站希望每一次启动电机都为软启动，又规定各台水泵必须交替使用以保护水泵，延长水泵寿命，多泵组的投运需要要有一个合理的水泵切换方案。控制要求中规定如果系统中任意一台水泵连续工作运行时间不得超过三个小时，因此每次启动的新泵或切换的变频泵后，新运行泵为变频运行是合理的。具体的运行操作是：将现行运行的变频泵从变频器上切除下来，并接上工频电源工作运行，将变频器复位并接上新的运行泵，使新运行泵变频运行。此外，泵组管理方案中应还有一个问题就是泵的工作循环控制，这里我们的方案是使用泵号加1的方法来实现变频泵的循环工作控制（3加1等于1），用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的切换、循环工作。系统通电后，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力值的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定运行在某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。
当用水量增加管网水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速开始增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值使压力达到设定值。反之，当用水量减少水压管网增加时，通过压力闭环反馈，减小水泵的转速到另一个新的稳定值使压力达到设定值。
如果当用水量继续增加时，变频器的输出频率达到上限频率50Hz，此时用户管网的实际压力值还是没有达到设定压力值，并且满足了增加水泵运行的条件，在变频循环方式的控制下，在PLC的系统控制下自动把投入水泵M2变频运行，同时切换变频泵M1进行工频运行，系统是对水压进行闭环反馈调节的，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，压力小于设定值，满足了增加水泵的条件，这时PLC会将另一台泵M3投入变频运行，如果变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍然没有达到设定的压力值时，控制系统就会发出报警。
当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率时，用户管网的实际水压值仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复系统对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M1关掉。

3 系统的硬件设计

3.1变频器的选型
3.1.1 变频器的原理
从频率变换的形式来说，变频器可以分为交流-交流和交流-直流-交流两种形式。交流-交流变频器可以将工频交流电直接变换成频率、电压都可以控制的交流电，这种变频器称为直接式变频器。而交流-直流-交流变频器则是先把工频交流电通过整流器整流变成直流电，再把直流电变换成频率、电压都可以控制的交流电．这种变频器称间接式变频器。通用的变频器多是交流-直流-交流变频器，其基本结构图如图3.1所示。
控制指令
中间直流环节
AC
控制指令
控制指令
网侧变流器

整流器
逆变器
AC
M
运行指令

图3.1 交-直-交变频器的基本结构
变频器由整流器、中间直流环节、逆变器和控制回路组成，现在将各个部分的功能分述如下：
①整流器。电网侧的变流器称为整流器，它的功能是可以把三相(也可以是单相)的交流电整流成直流电。
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电压进行平滑过滤，以保证逆变电路和控制电源能够得到比较稳定的直流电源。由于逆变器的负载大多是异步电动机，而异步电动机属于感性负载。无论是电动机处于电动或者发电制动状态其功率因数不可能总不会为1。因此，在中间的直流环节和电动机之间总会是有无功功率的交换。这种无功能量需要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲一下。所以又常把直流中间环节称为中间直流储能环节。
③逆变器。负载侧的变流器称为逆变器。逆变器的主要作用是将在控制
电路的控制下的直流平滑输出电路的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出频率和电压就是变频器的输出频率和电压。
④控制电路。变频器的控制电路主要包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分。控制电路的主要任务是对逆变器进行开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护。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。
3.1.2 变频器的特点
变频器具有过压、欠压、过流、过载、短路等自动保护功能。能够实现电机的软起动，减小电气和机械对电机的冲击，延长设备使用寿命等。
变频器在恒压供水系统主要具有以下几个特点：
①节能：变频调速恒压供水设备可以使整个供水系统始终保持在最优工作状态下，节电率可以达到35%—60% ，这一特点已被广大用户所认识并带来明显的效益。
②占地面积小，投人少，效率高：设备结构相当的紧凑，占地面积少，维护十分的方便，维护费也很低，安装方便快速。如仅供几栋居民楼生活用水的小型供水设备在楼梯间楼梯下几平方米的地方就可以安装。
③配置灵活，功能齐全，自动化程度高。
④供水清洁，无污染：由于变频恒压调速是直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，大大降低水质污染的可能性。大家都知道南方的气候炎热潮湿，细菌和微生物极易繁殖和滋生，尤其是高位水箱很容易生红虫这就需要定期的清洗。
⑤通过通信控制，可以实现无人值守，节省了人力物力。
3.1.3 变频器控制电动机的转速原理
水泵电机大多是采用三相异步电动机，而电动机的转速公式为：
式（3.1）
式中：f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。
从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：
① 改变电源频率；② 改变电机极对数；③ 改变转差率。
采用专门的变极电机进行调控方式控制最简单，投资省，节能效果显著，效率高，但是专门的变极电机是有级调速，而且级差比较大，即变极控制变速时转速变化较大，转矩也有很大的变化，因此变极电机只适用于特定转速的场合。为了保证较大的调速范围可以采用改变转差率调速，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果明显，并且调速的效果也很好，但是由于线路过于复杂，组建和维护都不方便，也增加了中间环节的电能损耗，并且成本也会高。下面重点分析改变供电电源频率调速的方法及特点。
根据公式可以知到，当转差率变化很小时，电动机的旋转速度n基本上与电源频率f成正比。连续调节电源的频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，只调节电源频率，将导致电机运行性能降低。随着现在电力电子技术的不断发展，现在已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源设备，它们促进了变频调速技术的广泛应用。
3.1.4 变频器的选型
根据本次系统的设计要求，可以选择德国Siemens MM440系列变频器的MICROMASTER 440，该型号的变频器是西门子SIMATIC S7-200，SIMATIC S7-300/400(TIA)或SIMOTION自动化系统的理想配套设备。MICROMASTER 440的功率范围0.12KW至250KW，内部有PID控制器，6个数字输入，2个模拟输入，1个用于电动机过热保护的PTC/KTY输入。

3.2 压力传感器的选择
在自动控制系统中传感器检测是非常重要的组成部分，传感器将检测到控制量反馈给系统，系统才能实现自动控制，本系统所用的检测控制量是水压，所以系统中选用压力传感器，它的作用是通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口水压力信号转换成4～20mA变化的电流信号或0～10V间变化的电压信号，再将这些标准信号送入PLC的输入端口进行PID调节，经运算与给定压力参数进行比较计算，得出一个调节参数，送给变频器，由变频器控制供电电源频率改变水泵的转速，从而控制了管网的供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过了当前的供水量或供水量过剩时，传感器将信号传给PLC，PLC通过控制切换器进行加减泵。根据管网压力值的大小由PLC控制工作泵数量的增减和变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水量变化时，输入电机的电源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。除此之外，系统中还设置了很多种保护功能，可以充分保证水泵能够及时的维修和系统的稳定正常的供水。
供水系统的压强可以根据液体压强公式计算，下面单位都是估计标准单位kg/m3，g=9.8kg*m2/s，一般情况下居民的楼高h<60米，所以本系统供水系统管网输出压力值一般小于或等于0.6Mpa，本系统选用YTZ-150型带电接点式的压力传感器，该传感器水压检测压力范围为0～1MPa，检测精度为土0.01MPa，可以将0～1MPa范围的压力对应转换成0～10V的电压信号。该传感器还具有重量轻、体积小、结构简单、工作可靠等特点。压力传感器的接线图如3.2所示：

图3.2 压力传感器的接线图

3.3 PLC及扩展模块的选择
3.3.1 PLC机型选择
西门子公司的生产的S7-200系列可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化系统中。S7-200系列的PLC具有强大功能使其无论在独立运行中，还是相连成网络都能够实现复杂控制功能。S7-200系列PLC出色表现在以下几个方面： 　
①极高的可靠性； 　　
②极丰富的指令集； 　　
③易于掌握； 　　
④便捷的操作； 　　
⑤丰富的内置集成功能； 　　
⑥实时特性； 　　
⑦强劲的通讯能力； 　　
⑧丰富的扩展模块。
由于西门子的S7-200 PLC具有以上优点以及S7-200主机型号规格种类较多，适用不同需求的控制场合。
根据控制系统实际所需输入输出端口的数目，还需要考虑到PLC端口数目要有一定的预留量，所以选用的西门子S7-200型PLC的主模块为CPU226，CPU226的开关量输入为24点，输出为16点。输入形式为+24V直流输入，输出形式为AC220V继电器输出。
3.3.2 扩展模块的选择
由于该系统中有压力模拟量输入，而S7-200 PLCPLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了完成模拟的输入，需要一个模拟量的扩展模块。模拟量扩展模块可以将外部的模拟量转化为PLC可处理的数字量，也可将PLC内部运算结果的数字量转换为模拟量进行输出。EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出的功能。EM235模拟扩展模块接线图3.3所示：

图3.3 EM235模拟量扩展模块接线图
3.3.3 PLC的I/O配置及外围接线
本恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0~Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。
系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的压力值输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；手动按钮用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入比较器，在比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；I0.3作为试灯信号输入口，用于手动检测各个指示灯是否正常工作。
根据控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称地址编号如下表3.3所示。
表3.1 输入输出点地址编号
名 称
地址编号
输入信号
供水模式信号(1-白天，0-夜间)
I0.0
蓄水池的水位上下限信号
I0.1
测试变频器报警信号
I0.2
指示灯测试信号
I0.3
压力传感器输出模拟量电压值
AIW0

输出信号

1#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.0
1#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.1
2#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.2
2#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.3
3#泵工频运行接触器及指示灯
Q0.4
3#泵变频运行接触器及指示灯
Q0.5
蓄水池水位上下限报警指示灯
Q1.1
变频器故障报警指示灯
Q1.2
白天模式运行指示灯
Q1.3
报警电铃
Q1.4
变频器频率复位控制
Q1.5
变频器输入电压信号
AQW0
PLC及扩展模块外围接线图如图3.4所示。
图3.4 只是简单的描绘出PLC及扩展模块的外围接线情况，并不是本系统具体的外围接线情况。它忽略了很多因素：①直流电源的容量；② 电源方面的抗干扰措施；③输出方面的保护措施；④系统的保护措施等。

图3.4 PLC及扩展模块外围接线图
本系统主要硬件设备清单如表3.2
表3.2 硬件型号选择
主要设备
型号及其生产厂家
可编程控制器（PLC）
Siemens CPU 226
模拟量扩展模块
Siemens EM 235
变频器
Siemens MM440
压力传感器
YTZ-150型带电接点式的压力传感器

4 PID回路的计算

PID回路控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的控制原理是通过传感器等检测控制量(反馈量)，将控制量与目标值(温度、流量、压力等)进行比较。结果若有偏差，则通过PID运算结果控制系统动作使偏差达到零，也就是使控制量与设定的目标值相结果一致。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。PID控制的原理图如图4.1所示。在恒压供水中通过PID控制形式主要有以下两种：

图4.1 PID控制原理图
①硬件型：即通用专门的PID控制器，在使用时只需要在PID控制器上进行线路的连接以及P，I，D 参数和目标值的设定。
②软件型：就是通过使用PLC自身所带的PID功能，进行编程控制内部PID控制器。
在该系统中我们用软件型设计这样比较经济，也可充分利用PLC的功能。

4.1 PID控制算法及特点
PID控制根据目标值(设定值)r(t)与控制量(反馈量)y(t)相比较，运算出控制偏差： e(t)=r(t)-y(t)。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控制。其控制规律为：
式（4.1）
或 ：
式（4.2）
式中：
： 调节器的比例系数；
： 调节器的积分时间；
： 调节器的微分时间；
： 调节器的偏差信号；
δ： 比例带，它是惯用增益的倒数；
u： 输出。
PID控制器各个校正环节的功能作用有以下3点：
①比例环节：快速即时的成比例地反应出控制系统中设定值与测量值的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器会马上产生一个控制信号以减小偏差。
②积分环节：主要用于消除系统的静态误差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti， Ti越大，积分作用越弱，Ti越小，积分作用越强。
③微分环节：能反应偏差信号的变化速率，并且能够在偏差信号值变的超过一定限度之前，系统中会引入一个有效的修正信号，从而加快系统的调节动作速度，减小调节时间。
PID调节器的传递函数是：
式（4.3）
当上述控制算法公式中只是包含第①项时，这种称为比例(P)作用；只包含第②项时，这种称为积分(I)作用；但是如果只包含第③项的单纯微分(D)作用是不能采用的，因为它不能调节控变量的值达到设定值的效果；如果只包含第①、②项的称为PI作用；只包含第①、③项的称为PD作用；同时包含这三项的称为PID作用。
如果只是用P动作控制，这样是不能完全消除偏差的。为了消除残留偏差，一般采用增加I动作的，采用P+I进行控制。用PI控制时，能够有效的消除由于改变目标值和外部环境的偶然扰动等引起的偏差。但是如果I动作过强时，会对快速变化偏差响应比较迟缓。如果负载系统有积分元件的可以单独使用P动作控制。
对于PD控制，发生偏差时，很快产生比单独D动作还要大的操作量，以此抑制偏差的增加。偏差小时，P动作的作用减小。控制对象含有积分元件的负载场合，仅P动作控制，有时由于此积分元件的作用，系统发生振荡。在该场合，为使P动作的振荡衰减和系统稳定，可用PD控制。换言之，该种控制方式适用于过程本身没有制动作用的负载。
利用I动作消除偏差作用和用D动作抑制振荡作用。在结合P动作就构成了PID控制，本系统就是采用了这种方式。采用PID控制较其它组合控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统（即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节）效果比较好。

4.2 PID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，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