自来水厂恒压供水系统设计.doc

1、摘 要 随着社会的飞速发展，城市高层建筑的供水问题日益突出，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高。一些传统的供水方法不管是在可靠性、效率还是节能效果上都不能满足现在社会的要求，利用先进的自动化技术保证供水的可靠性和安全性、满足节能方面的要求，已经成为了一种不可避免的趋势。本系统利用变频器、PLC、传感器基于一体设计出的自动化系统。用于中小型自来水厂的控制需要，具有高效节能、恒压供水 、安全卫生、自动运行等优点。通过传感器把压力信号变换成标准模拟信号送给PLC，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级

2、调节相结合，控制水泵的循环投切，实现恒压供水且有效节能。 本设计采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。关键词：PLCs7-200，变频器，传感器，PID调节，恒压供水AbstractWith the rapid development of society, problems of urban water supply in high-rise buildings have become increasingly prominent, c

3、oncerns over water quality and reliability requirements of the water supply system continues to increase. Some traditional methods of water both in reliability, efficiency or cannot meet the Community requirements on energy saving effect, making use of advanced automation technology guarantees relia

4、bility and safety of the water supply, meet the energy-saving requirements, has become an inevitable trend. This system using inverter, PLC, sensors based on one design of automation systems. For small water treatment plant control needs, with high efficiency and energy saving, constant-pressure wat

5、er supply, health and safety, the advantages of automatic running. Pressure through the sensor signal into standard analog signals to the PLC, using remote pressure gauge water pressure feedback, form a closed-loop system, based on the change of water consumption, take the PID regulation mode, full-

6、flow continuous regulation using frequency conversion pump in the scope and frequency of pump combined classification regulation, control pump cycle switching, realization of constant pressure water supply and effective energy saving. Rationality of the design using multiple parallel pumps water sup

7、ply programmes, analysis of multi-pump water supply water supply status and transition conditions, analysis of the motor by the frequency goes frequency problems in switching process run method and realization of valid state loop transformations are given control and PLC control program design of el

8、ectrical design.Key words: PLCs7-200，converter， sensor ，PID regulation ，constant pressure water supplyII目录摘 要IIAbstractII第1章 绪论11.1课题背景及意义11.2系统简介21.3系统方案31.3.1 顺序控制方式31.3.2 循环控制方式41.3.3 多泵恒压供水的关键问题5第2章 恒压供水系统硬件的设计72.1压力传感器72.1.1 压力传感器工作原理72.1.2 系统压力传感器的选型72.2可编程序控制器82.2.1 可编程控制器简介92.2.2 PLC的选型112.2

9、.3 PID功能简介112.3执行机构152.3.1 变频器简介152.3.2 变频器选型及其参数172.3.3 水泵的选型及其参数18第3章 系统软件设计203.1主电路设计203.2系统控制及工作过程设计213.2.1 控制电路设计213.2.2 系统工作过程分析213.2.3 PLC配置233.3 PLC程序设计263.3.1 控制系统主程序设计263.3.2 PID控制器设计及实现28第4章 系统稳定性分析324.1电源抗干扰的基本方法324.2强电与弱电之间的隔离设计324.3信号传输抗干扰设计34第5章 展望36致 谢37参考文献38附录：39第1章 绪论 1.1课题背景及意义众所

10、周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求，小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供

11、水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下1恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，报损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。 2水塔高位水箱供水具有控制方式简单，运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大,维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。 3气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调

12、节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，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，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大,从而限制了其发展。 4压力祸合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉,结构简单明了，维修方便。 5单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。 综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可

13、靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，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，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及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。 PLC变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的

14、节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.2系统简介 经过系统的调研和分析，并结合供水厂的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒水压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能，运行参数有记录。具体而言，论文包括以下内容: 1.对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压

15、供水系统中的关键问题进行了论述；在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。 2.介绍了基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和PLC程序设计进行研究。根据现场需要，对上位机上的监控软件进行总体方案设计。 3.通过对PID控制器的基本原理的介绍，深入的分析德国SD以ENS公司的s7200系列CPU中的PID算法的实现。运用STEP7Microw

16、in编程软件设计一个用于供水系统压力控制的PID控制器，并通过现场工业试验，调整和检验PID算法的重要参数。4. 针对大功率电机如何实现变频转换成工频的关键问题，首先在理论上作深入细致的研究，并在现场工业试验中引入鉴频鉴相控制器，当变频器输出频率达到50Hz时，在工频电源和变频输出电源相位一致时，PLC发出指令切断变频器输出，真正实现了大功率电机的无冲击起动，保证切换电流为额定电流的1.5倍左右，从而减少对电机设备的损坏和电网的冲击。5. 系统框图如1-1图1-1 系统结构1.3系统方案 水厂随着一天时间的变化用户所需要的供水量也在发生变化，随着季节的变化用水量也在发生变化。系统采用四台电机驱

17、动水泵，春秋季节使用三台泵就能维持供水，夏季需要四台泵来维持供水，以春秋季节为例，三台供水一台用来倒切，白天时候用水量较大，一般需要2-3台水泵运行，夜晚用水量较少一般两台水泵云行就足够供水。1.3.1 顺序控制方式 变频器连接在第一台水泵上，需要加泵或减泵时，通过PLC来控制启动或是停止其他的泵。这时水泵的启动采用自耦变压器降压启动或是用软启动器。这种方案的特点是不需要水泵在变频和工频之间切换；变频器永远连在第一台泵上，没有切换过程中的失压现象；由于变频器意外的泵上都有软启动器，所以不需要再做备用系统，当变频故障时，可手动启动水泵，保证供水不致中断；每台电机都有软启动器，初始投资比较大。系统

18、流程图如1-2所示 图1-2 顺序切换流程1.3.2 循环控制方式 循环投切方案的主要思路是：变频器连接在第一台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口输出信号到PLC，由PLC控制切换过程。切换开始时，变频器停止输出（变频器设置为自由停车），利用水泵的惯性将第一台水泵切换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上起动并运行，照此，将第二台水泵切换到工频运行，变频器连接到第三台水泵上起动并运行；需要减泵时，系统将第一台水泵停止，第二台水泵停止，这时，变频器连接在第三台水泵上。再需要加泵时，切换从第三台水泵开始循环。这种方式保证永远有一台水泵在变频运行，四台水泵中的任一台都可能变频

19、运行。这样，才能做到不论用水量如何改变都可保持管网压力基本恒定，且各台水泵运行的时间基本相同，给维护和检修带来方便。所以，大部分的供水厂家都钟情于循环投切方案。但此方案也有不足之处，就是在只有一台变频器运行并切换到工频过程中会造成管网短时失压，在设计时应充分的引起重视。另外，必须设置一套备用系统，图中的软启动器就是作为备用。当变频器或PLC故障时，可用软起动器手动轮流起动各泵运行供水。 系统将用变频器、PLC、PID、传感器以及相应的执行机构有机的结合起来来实现整套控制方案，系统流程图如图1-3所示。图1-3 循环投切流程顺序投切方案初始投资比较大，只有一台水泵处于变频工作，系统稳定性不高，而

20、循环投切方案是每一时刻都有一台水泵处于变频工作，并且每台泵工频运行一段时间后自动切换，保证每台泵不会因为运行时间太长而导致水泵发热严重损害水泵，能做到不论用水量如何改变都可保持管网压力基本恒定，且各台水泵运行的时间基本相同，给维护和检修带来方便故本系统采用循环投切方案。1.3.3 多泵恒压供水的关键问题 交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压/频率按比例控制

21、方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的大功率水泵电机。多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后,就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区:一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者象软起动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换；另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许

22、变频器在运行中进行切换的。这两种看法都不免有失偏颇，所以有关变频器在拖动系统应用的文章中，碰到变频器的切换问题时，要么有意回避，不作具体描述；要么一语带过，用简单的一句“切换到电网运行”了之。即使有此情况也只是停留在小功率电机上，大功率电机变频转工频并不成功。因此，如何在不停电的情况下，采用鉴频鉴相技术对变频器的输出电压进行跟踪，当变频器输出电压的频率、幅值和相位均保持与电网电压一致时，实现变频器与电网之间的同步平稳切换，是多泵恒压供水系统中的关键问题。第2章 恒压供水系统硬件的设计2.1压力传感器2.1.1 压力传感器工作原理压力变送器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自

23、控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。应变片压力变送器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力变送器、半导体应变片压力变送器、压阻式压力变送器、电感式压力变送器、电容式压力变送器、谐振式压力变送器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力变送器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式压力变送器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变变送器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最

24、多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。2.1.2 系统压力传感器的选型1传感器选型：HXYB3000 恒压供水压力传感器专业为恒压供水以及变频供水系统设计。采用全不锈钢焊接外壳，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性

25、。2产品简介：恒压供水压力传感器HXYB3000专业为恒压供水以及变频供水系统设计。采用全不锈钢焊接外壳，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。HXYB3000 恒压供水压力传感器针对在供水系统中变频器的使用，采用抗变频干扰电路，保证输出信号的稳定性。同时，专用电路中对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行精密补偿，使之具有集成度高、体积小、精度高、一致性好、抗干扰能力强、响应速度快等特性。 3产品特点：（1）抗变频干扰设计。（2）多种压力接口，根据客户需要定制压力接口。（3）可选复合压力量程，如-100Kpa1Mpa1.6Mpa10MPa。（4）体积小、易安装。（5）9-32V宽电源供电。（

26、6）优秀的长期稳定性。4应用领域：变频供水系统 水泵 供水设备 自动化机5技术参数：（1）测量压力 0.1 0.7 1 1.6 3.5 5 10Mpa （2）过载能力 0.2 1.5 2 3.5 7 10 15 （3）外 壳 不锈钢（4）精 度 0.5% 0.2%（5）测量介质 对316L不锈钢无腐蚀的介质（6）供电电源 9-32 VDC（7）信号输出 4-20mA /0-5V（8）负 载 RA(UB-8V)/0.02A（9）绝缘电阻 10M 500VDC激励下（10）长期稳定性 0.25FSO/year（11）介质温度 -2085（12）储存温度 -20110（13）补偿温度范围 -2080

27、（14）零点平均温度系数 Typ 0.2/10k（15）量程的平均温度系数 Typ 0.15/10k（16）响应时间 1ms（17）CE-一致性 抗干扰性（18）接线保护 反极性和短路保护（19）密封性能 优于IP65（20）防爆类型 本安防爆ExiallCT6（21）接口尺寸 M201.5 G1/4 NPT1/4 （22）接线方式 DIN/直出/航插2.2可编程序控制器2.2.1 可编程控制器简介可编程序控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC。是一种专为在工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它是以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信

28、技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自动控制装置，是当今工业发达国家自动控制的标准设备之一。由于PLC采用了“三机一体化”的综合技术即集计算机、仪器仪表、电气控制于一身，具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，因而与其它控制器相比它更加适合工业控制环境和市场的要求；再加上PLC发展过程中产品的系列化、产业化和标准化，使之从早期的逻辑控制、顺序控制迅速扩展到了连续控制，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支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃。可编程控制器PC或PLC是一种以微处理器为核心的用于工程自动控制

29、的工业控制机，其本质是一台工业控制专用计算机。它的软、硬件配置与计算机极为类似，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。PLC机硬件主要由中央处理单元(CPU)、存贮器、输入/输出单元以及编程器、电源和智能输入/输出单元等构成。PLC可分为以下几个部分： （1）中央处理单元(CPU) 同一般微处理机一样，中央处理单元是可编程控制的核心部件，它通过输入装置将外设的状态读入并按照用户程序去处理，根据处理结果通过输出装置去控制外设。常用的CPU有通用微处理器，如MOTOROLA6800，单片机有8031，8051和双极型位式微处理器，如AMD2903。

30、目前，小型PLC为单CPU系统，而中型及大型PLC则为双CPU甚至多CPU系统。对于双CPU来说，一般具有一个位处理器和一个字处理器。字处理器是CPU这个核心的核心，常由通用的8位、16位或32位微处理器担任，位处理器也称布尔处理机，它不仅使PLC增加了功能，提高了速度，也加强了PLC的保密性能。（2）中央处理器的功能 CPU按系统程序所赋予的功能，接收并存贮从编程器输入的用户程序和数据；CPU按扫描方式工作，从存贮器中逐条读取指令，并存入CPU内的指令寄存器中；指令寄存器的指令操作码进行译码，执行指令规定的任务，产生相应的控制信号，启闭有关控制门电路，并根据运算结果更新有关标志和输出映像寄存

31、器的内容，以实现输出控制、制表!打印或数据通讯；行系统诊断程序，诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。 （3）存贮器 可编程控制器中存贮器主要用于存放系统程序!用户程序和数据。常用的存贮器形式有CMOSROM、EPROM和EEPROM。系统存贮器用以存贮制造厂家编写的系统程序。所谓系统程序是指控制和完成PC机各种功能的程序，如控制器的监控程序、基本指令和功能指令翻译程序、系统诊断程序、通信管理程序等。机器出厂时，厂家把这些程序存入EPROM存贮器或EEPROM存贮器。用户不能访问和修改存贮器这部分的内容。 （4）用户存贮器 主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序是指使用户

32、根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。此程序由使用者通过编程器输入到PLC机的CMOSRAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。为确保PLC机控制系统的可靠性，CMOSRAM存贮器有预防电源，掉电故障的铿电池保护措施,以防电源掉电后破坏它的存贮内容。 数据存贮器用来存放PLC的数据。包括输入、输出、辅助继电器状态的映像区，定时器、计数器、移位寄存器、状态寄存器、数据寄存器和特殊功能寄存器等状态的映像寄存器。由于数据在控制器应用中是经常变化、经常存取的，因此数据存贮器一般选用CMOSRAM，以满足随机存取的要求。（5）输入/输出模块 输入/输出模块是可编程

33、控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的接口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量(压力、流量、温度、电压、电流)等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输出模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接受的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块，其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块又分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的

34、参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块，部件上都设有输入接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有光电藕合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离开来，以提高PLC的抗千扰能力。数字量输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量/数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电祸合器

35、和输入锁存缓冲器与PLC的1/0总线挂接。模拟量输出模块D/A转换前的二进制数字量，经光电祸合器和输出锁存器与PLC的I/O总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是0-5伏和0-10伏两种，模拟电流主要是0-20mA和4-20mA两种。另外还有0-50mV，0-1V、-5-+5V、-10-+10V，0-10mA等。模拟量输入模块接收到标准量程的模拟电压或电流后，把它转换成8位、10位或12位的二制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给执行机构。（6）扩展模块 当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩

36、展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，各可编程控制器制造厂家已经开发出一系列的智能接口模块，使可编程控制器的功能更加强大和完善。智能I/O接口模块种类很多，例如高速技术模块、PLC控制模块、数字位置译码模块、阀门控制模块、中断控制模块、智能存贮模块以及智能I/O模块等。（7）编程器 它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。目前编程器主要有以下三种类型：便携式编程器(也叫简易编程器)；图形编程器；用于IBM-PC

37、及其兼容机的编程器。2.2.2 PLC的选型根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，为以后新设备的介入或设备调整留有余地，因此选用的s7-200型PLC的主模块为CPU266，其开关量输出(DQ)为16点，输出形式为AC220V继电器输出：开关量输入CPU：226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际的开关量输出有22点，所以需要扩展，扩展模块选择的是两个EM222型模块，该模块有8个开关量输出点，输出形式为AC220V继电器输出。此外，为了方便的将管网压力信号、电机频率信号和同相比较信号传输给PLC，经比较计算后转换为相应的控制信号，选择了EM235模拟量扩

38、展模块。该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成户了D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。系统PLC的选型包括一个CPU266主模块，两个EM222扩展模块，一个EM235模拟量扩展模块。如此PLC总共有24个数字信号输入，32个数字信号输出，以及4个模拟输入信号，1个模拟输出信号。输入和输出均有余量，可以满足日后系统扩充的要求。2.2.3 PI

39、D功能简介1PID控制PID控制是一种负反馈控制，它所组成的控制系统由PID控制器和被控对象组成，具有一般闭环反馈控制系统的结构，通过负反馈作用使被控系统趋于稳定。 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差 （2-1）将偏差e(t)的比WIJ(proportion)、积分(Integral)和微分(Differential)，通过线性组合构成控制器,对被控对象进行控制，故称PID控制器。其理想的控制规律为 （2-2） 经变换传递函数为： (2-3) 式中:- 称为比例系数； - 称为积分系数； - 称为微分系数； - 为积分时间常数； - 为微分时间常数； PID控制器各

40、个部分的作用及其在控制中的调节规律如下： （1）比例增益部分(P)用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。 （2）积分部分(I)表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差；提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱,反之

41、则越强。然而,单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。（3）微分部分(D)可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特性。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如PI控制算法，P

42、D控制算法和PID控制算法。2PLC中的PID算法西门子公司从s7-200系列PLC中的CPU215、CPU216开始增加了用于闭环控制的PID模块。本系统使用的是德国西门子公司的s7-200型PLC主模块为CPU226。在前面使用的PLC中，是通过PID调节器来调节输出，保证偏差值e为零，使系统达到稳定状态。在系统中，偏差e是给定值SP(希望值)和过程变量PV(实际值)的差。下式描述了输出作为比例项、积分项和微分项的运算参数关系。 （2-4） 其中： - PID回路的输出,是时间的函数； - PID回路的增益； - PID回路的偏差(给定值与过程变量之差)； - PID回路输出的初始值； 为

43、了在计算机中实现这一这个控制功能，式（2-4）所描述的连续函数必须进行离散化，即对误差进行周期性的采样并计算输出值。经离散化化处理后如（2-5）所示 ： (2-5)其中： - 采样时刻n计算出的PID回路输出值； - PID回路增益； - 采样时刻n的偏差值； - 采样时刻n-1的偏差值(偏差前项)； - 积分项的比例系数； - PID回路输出的初始值； - 微分项的比例系数；1比例项： 比例项是增益和偏差e的乘积。其中决定系统输出对偏差的灵敏度，偏差e是给定值过程变量之差。CPU采用的计算比例项的方程如下： （2-6） - 第n采样时刻比例项的值； - 增益； - 采样时刻n的给定值； -

44、采样时刻n的过程变量值；2 积分项：CPU的采样公式如下： (2-7) - 第n采样时刻的积分项值； - 增益； - 采样周期； - 积分时间常数； - 采样时刻n的给定值； - 采样时刻n的过程变量值； - 采样时刻n-1的积分项(积分项前值) 积分和是所有采样时刻的积分项的总和，积分项中包括了如下几个常数：增益，采样时间间隔和积分时间，还有积分初值。其中，采样时间是重新计算输出的时间间隔，而积分时间控制积分项在整个输出结果中影响的大小。每计算一次，积分前项和跟值更新一次。微分项：微分项与偏差的变化成正比。其方程如下： （2-8）其中： - 第n采样时刻的微分项值； - 回路增益； - 回路

45、采样周期； - 微分时间常数； - 采样时刻n-1的过程变量； - 采样时刻n的过程变量；对于不同的控制系统，需要根据不同的控制对象，选用不同的控制环节。而且，不同控制对象的给定值和过程变量都是现实世界的值，他们的大小、范围和工程单位都可能不一样。所以在进行PID指令对这些值进行计算之前，必须把他们转换成标准的浮点型实数，这样才能进行PID运算。同样，经过了PID运算以后的回路输出值一般为控制变量，而且输出的也是经过标准化了的实数，所以在回路输出驱动模拟输出之前，必须把回路输出转换为相应的16位整数，即通过标准化过程的逆过程，将回路输出值转换位相应的能驱动模拟输出的值。在控制系统中，模拟式PID控制调节器的应用已经非常广泛，由于它已经形成了典型结构，参数易于调整且结构简单，结构灵活，可以是其中的一部分，所以在大多数工业生产过程(如冶金，石油，化工，电站，造纸，供水等过程)的控制中，获得了良好的效果，对于那些数学模型不易精确求得，参数变化较大的被控对象，采用PID调节器往往也能得到满意的控制效果。PID控制在经典控制理论已经技术成熟，现在正广泛应用于实际生产的控制中。今天，随着计算机技术的迅速发展，出现了取代模拟PID控制的数字式PID调节器，并且功能不断完善，使经典的PID控制算法结合先进的计算机技术，促进了PID控制理论的发展，扩