PID恒压供水控制系统.docx

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PID恒压供水控制系统

毕业设计说明书

课题名称  PID恒压供水控制系统_               

系  别               

专  业                

班  级                

姓  名                

学  号                

指导教师                

起讫时间：

2010年1月6日～2010年4月6日（共8周）

PID变频恒压供水控制系统

学生：

方旭颖 指导教师：

程文锋

摘 要

PID恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水压力不足或短时间断水，可能会影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。

以可编程逻辑控制器与变频器为控制核心，据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，从而达到控制管网中水压恒定。

系统具有自动和手动两种控制方式,便于对系统进行维护修理,并能通过应用软件对供水系统进行监控和远距离控制.提高效率,实现自动化供水。

关键词:

 PID  PLC   变频器   触摸屏 

摘 要  1

第一章绪论  4

1.1PID变频恒压供水系统的研究意义  4

1.2现代的几种供水方式探讨  5

1.2.1变频恒压供水系统  5

1.2.2生活无负压供水系统  5

第二章系统简介  6

2.1系统基本内容  6

2.1.1系统的构成与原理  6

2.1.2系统主要性能与特点  6

2.2系统结构框图  7

第三章系统设计方案  8

3.1系统控制方案  8

3.2系统主电路设计  9

3.3系统控制电路设计  9

3.4系统的功能阐述  9

3.4.1全自动平稳切换，恒压控制  9

3.4.2手动控制  9

3.4.3实施效果  10

第四章硬件的组成及选型  11

4.1可编程控制器（PLC）  11

4.1.1FX系列的特点  11

4.1.2一般元件和编号  11

4.1.3  AC电源，DC输入型如下  13

4.1.4FX2N-4AD特殊模块  13

4.1.5FX2N-4DA特殊模块  13

4.1.6配线如图3.1  14

4.1.7缓冲存储器（BFM）的分配如下表  14

4.2变频器  16

4.2.1变频器的介绍  16

4.2.2操作模式  17

4.2.3变频器FR-E500端子接线  18

4.3触摸屏  19

4.4压力传感器  19

第五章软件设计  20

5.1系统工作流程图设计  20

5.2部分主要程序模块分析  21

5.2.1A/D模块程序  21

5.2.2D/A模块程序  21

5.2.3PID模块程序  22

5.3触摸屏画面设计  24

5.3.1触摸屏选型画面  24

5.3.2欢迎进入画面  25

5.3.3系统主画面  25

5.3.4手动控制画面  26

5.3.5自动控制画面  26

5.3.6电机运行监视画面  27

5.3.7输出异常监视画面  28

结束语  28

致谢  29

参考文献  30

附录一：

程序  32

附录二：

硬件接线图  42

第一章绪论

1.1PID变频恒压供水系统的研究意义

恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。

供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。

传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。

随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。

该技术以在供水行业普及。

传统定压方式的弊病：

1、 管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀；

2、 由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验；

3、 定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置；

4、 高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下；

5、 系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命；

采用变频器和可编程控制器等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的必然趋势，以往采用的水塔供水既不卫生又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，本文介绍的变频调速恒压供水系统以其有效的实用性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用价值的调速系统，为已有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。

随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市供水不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市发展和人民生活的需要。

自八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市的自来水公司。

变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能源。

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,而且意义深远。

1.2现代的几种供水方式探讨

1.2.1变频恒压供水系统

变频恒压供水系统（自动恒压供水系统）变频恒压供水系统由蓄水池、变频水泵、传感器、控制系统等组成，通常以供水管网中最高位置的水压值为参照，以该处正常用水所需的压力及流量为为设计参数，通过控制系统调整水泵电机转速调整水泵的输出，从而将该位置的水压控制在设定水压、实现恒压，保证正常供水。

需要说明的时，这种恒压是相对的，实际水压是在接近设定水压值附近不断变化。

1.2.2生活无负压供水系统

近年来又一新型的供水系统——无负压变频供水，它是在变频恒压供水上发展起来的，它的先进之处在于供给用户的水是通过一个密封的环境，所以避免了生活用水的二次污染，并且它实现了无池供水与变频恒压供水的结合，能够达到比其他的供水方式更环保更节能的效果。

无负压供水最突出的优点是这种供水方式健康卫生，非常安全，而且节约投资。

因为它可以直接实现与自来水管网串联对接，在自来水厂一次供水管网压力的基础上叠加所需的压力，差多少，补多少，能充分利用管网的余压，用水低峰期，设备甚至不需要运行，节能效果显著，与传统给水设备比，节能达30%-90%。

不建水池水箱，不仅节省投资，而且从根本上杜绝了原有水池、水箱的渗、冒、滴、漏和跑水现象，可节水20％以上。

采用无负压供水设备，不用建泵房、水池、水箱和上水处理设备等，因此大大降低了工程造价，可节约投资60％以上。

这种供水方式水压稳定，没有污染，没有鼠、蛇和杂物进入，使供水非常安全，而且水质好。

该设备实现了电脑智能化，不做无用功，因此设备使用寿命长。

同时，使用该设备可以实现停电不停水。

这种先进的供水方式，在国家和人民越来越重视饮用水健康问题的的今天，其市场前景将非常广阔。

第二章系统简介

2.1系统基本内容

2.1.1系统的构成与原理

PID调节变频调速恒压供水控制系统由PLC、变频器、压力传感器、触摸屏、控制切换电路以及电动机泵组等构成。

系统采用1台变频器拖动2台水泵电机，以循环使用的方式运行。

压力传感器负责对管网压力采样，变频器对水泵电机变频调速。

水泵电机是输出环节。

安装在供水管上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20mA的标准信号反馈给PLC的PID模块进行PID调节。

经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数发出控制信号，控制变频器及水泵电机的切换与运行。

变频器控制水泵的转速调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。

当用水量发生变化时，PLC根据用水量的大小自动控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。

2.1.2系统主要性能与特点

一、该系统特点1、变频恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。

2、电机启动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。

3、采用变频恒压供水可以节省传统供水中的水箱，节省了投资及空间，避免了水质的二次污染。

4、变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。

5、可根据用户需要，选择各种附加功能，如电机定时轮换，休眠等功能。

                                                                                                      二、适用范围1、宾馆、写字楼、高层建筑、居民小区、企事业单位生活用水。

2、各种类型厂矿的工业用水。

3、各类型自来水厂、供水站、污水处理厂。

4、工业锅炉供水系统，热水供应系统。

2.2系统结构框图

图2.1系统框图

根据上面的框图该系统的主要元器件清单如表2.2所示

表2.2

序号

元件名称

元件型号

数量

备注

1

PLC

FX2N-16MR

1

三菱

2

模拟量模块

FX2N-4AD

1

三菱

3

模拟量模块

FX2N-4DA

1

三菱

4

变频器

FR-E540-3KW

1

三菱

5

传感器

BP800

1

利河伯

6

接触器

CJ20-25A

4

正泰

7

热继电器

JR20-25A

2

正泰

8

熔断器

RT14-63A

3

正泰

第三章系统设计方案

3.1系统控制方案

在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失ΔP和流量Q之间存在着如下关系：

ΔP=KQ2；

式中K—为系数

设PL为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力P应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。

P=PL+ΔP=PL+KQ2；

因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。

系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器（PLC）的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。

系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。

3.2系统主电路设计

系统主电路。

二台电机分别为M1、M2。

接触器KM2、KM4，分别控制M1、M2的工频运行；接触器KM1、KM3，分别控制M1、M2的变频运行；FR1、FR2分别为二台水泵电机过载保护用的热继电器；QF1、QF2和QF3分别为变频器和二台泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器；FR-E540变频器。

3.3系统控制电路设计

控制电路部分采用PLC控制。

控制两泵的切换及两泵的工作时间。

输入点采用触摸屏作为输入.

3.4系统的功能阐述

3.4.1全自动平稳切换，恒压控制

主水管网压力传感器的压力信号4~20mA送给数字PLC控制器，根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。

当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压和稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。

若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。

当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。

当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用主频器恒压供水。

另外，控制系统设计六台泵为两组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24小时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。

3.4.2手动控制

当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，2台泵可分别以手动工频方式运行。

3.4.3实施效果

①采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。

②拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。

③电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。

④由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作，系统的PLC预留有RS485接口，可与计算机网络进行连接。

⑤由于系统采用闭环恒压控制，电机在满足主水很容易网的压力的前提下，节能效果显著，年节电61万度，折合为人民币36万元。

⑥通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、日夜及上下班等全面调控水量，按日节水100吨计，则年可节水36500吨。

第四章硬件的组成及选型

4.1可编程控制器（PLC）

4.1.1FX系列的特点

本系统采用FX2N-16MR可编程控制器。

FX系列是由电源，CPU、存储器、输入输出器组

的，单元型可编程控制器，基本单元和扩展单元采用了利于维修的装卸式端子台，在编程

子罩内装RUN/STOP开关，它内装有8K-16K步进自备用电池的RAM存储器，并内有计时

能，可进行时间控制，并且可接各种输入输出扩充设备，用于特殊控制。

4.1.2一般元件和编号

表3.1

输入继电器（X）

输出继电器（Y）

辅助继电器（M）

状态（S）

X000～x007

8点

Y000～y007

8点

M0～m499

500点

初始用S0～S9

返回原点S10~S19

定时器（T）

计数器（C）

嵌套指针

常数

T0～T199

200点

C0～C99

100点

N0～N78点主控用

K16位

-32.768～32.768

H16位0~FFFFH

A：

输入（X）输出（Y）继电器

各基本单元分配着X000～X007这样的八进制输入继电器、输出继电器编号。

B：

辅助继电器（M）

在可编程控制内部的继电器叫辅助继电器，与输入输出继电器不同，它是一种程序用继电器，所以不能读取外部输入，不能直接驱动外部负载。

C：

定时器（T）

是将可编程控制器内部的1ms\10ms\100ms等时间脉冲进行加法计数，当它达到一定设定值时，输出接点就工作。

定时器利用脉冲可测量范围为0.001～3276.7秒。

D：

计数器（C）

计数器设备如下，根据目的和用途可以分为如下几种:

内部计数用：

通用停电保持16位计数器，这些计数器可是编程控制器内部信号用的，其应答速度通常为10HZ。

高速计数器：

停电保持用，高速计数器和编程控制器的运算无关，最高计数为60KHZ

E:

常数（K）（H）

可编程控制器使用的各种数值中，K为十进整数值，H为16进制数值，这些可作为定时器和计数器的设定值和当前值，以及应用指令的操作数来使用。

F:

状态条件（S）

是一种步进梯形图或SFC表达工序号用的继电器，不做工序时，也可作为与辅助继电器相同的一般接点，线圈来编程使用，也可以用作信号器，用来外部故障诊断使用。

J:

指针（P）（I）

指针有分支用和中断用的两种，分支用指针用于FNC00（CJ）条件转。

或FNC01（CALL）子程序调入地址。

中断指针用于指定的输入中断定时中断，计数中断的中断子程序。

H:

数据寄存器（D）（V）（Z）

数据寄存器是存储数值数据的元件，FX可编程控制器的数据寄存器全是16位的，用二个寄存器组合就可以处理32位数值。

与其它元件一样它也分一般用和停电用两种。

数据寄存器中还有寻址用的V、Z寄存器（V0～V7，Z0～Z7，共16点）。

它们都用于计时器，计数器的设定值的间接指定、应用指令中。

4.1.3AC电源，DC输入型如下

表3.2

Com

X0

X2

X4

X6

X10

X12

X14

X16

L

N

24+

X1

X3

X5

X7

X11

X13

X15

X17

.

Y0

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

Y7

.

.

Y0

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

Y7

.

4.1.4FX2N-4AD特殊模块

FX2N-4AD模块有四个输入通导，输入通道接收模拟信号并将其转换为数字信号，这叫A/D转换。

FX2N-4AD最大的分率是12位，可选用的模拟值范围是-10V到10VDC（分率为5MA），并且4到20MA或-20到20MA（分率为20MA）

性能指标

表3.3

项目

电压输入

电流输入

电流或电压输入的选择基于你对端子先择用时可4个

模拟输入

DC–10到10V输入阻抗200K

DC–20到20MA输入阻抗20250

数字输入

12位转换结果以16位二制补码方式存储+2047~-2047

分率

50MA（10V默认1/2000）

20MA（20MA默认1/1000）

总体精度

1%（对于-10V到10V）

1%对于（-20MA到20MA

转换速度

15ms/通道（常数），6ms/通道（高速）

4.1.5FX2N-4DA特殊模块

由于变频器的输出频率用模拟量控制而PLC输出的控制信号是数字量所以需要用到D/A模块将PLC输出的数字量转换为模拟量送至变频器的模拟量输入端子来控制变频器的频率输出。

4.1.6配线如图3.1

图3.1AD与DA配线

4.1.7缓冲存储器（BFM）的分配如下表

表3.4

BFM

内容

*#0

通道初始化，缺少2值=H0000

*#1

通道1

包含体采样数（1~4096），用于得到的平均结果，缺省值设为8~正常速度，高速操作可选1。

*#2

通道2

*#3

通道3

*#4

通道4

#5

通道1

这些缓冲区包含采样数的平均输入值，这些采样数分别输入#1~#4缓冲区中的通道数据。

#6

通道2

#7

通道3

#8

通道4

#9

通道1

些缓冲区包含每个输入通道读入的当前值。

#10

通道2

#11

通道3

#12

通道4

#13~#14

保留

#15

选AD转换速度

如设0，则正常速度，15MS通道

如设为1，则选高速，6MS通道

带*号的缓冲器（BFMS）可以使用T0指令从PC写入。

不带*号的缓冲存储器的数据可以用FROM抱住读入PC

在从模拟特殊功能模拟块中读出数据之前，确保这些设置已送入模块特殊模拟功能中，否则将使用模拟块里的以前保存的数值

（2）通道选择：

通道的初始化由缓冲存储器BFM#0中的16进制数字H0000控制，弟一位字符控制通道一，面弟4个字符控制通道4，设置一个字符的方式如下:

O=0 设范围为（-10V~10V）   O=2 设范围（-20MA~20MA）

O=1 设范围为（+4MA~20MA） O=3 通道关闭OFF

（3）调整增益和偏移值：

a、当通过将BFM#20高为K1而将其激活后，包括模拟特殊功能模块在内的所有设置将复位成缺省值，对于消除不希望的增益和偏移调整，这是一种快速的方法。

b、如果BFM#21的（B1、B2）高为（0、1）增益和偏移的调整将被禁止，以防止操作者不正确的改动。

若需要改变增益和偏移，（b）,（b0）必须设为（0，1）缺省值是（0,1）。

c、BFM#23和24的增益和偏移量被送进指定输入通道的增益与偏移的稳定寄存器.待调整的输入通道可以由BFM#22设当的a-0（增益-偏移）位来指定。

BFM#24中的增益和偏移量的单位是MV或UA。

由于单位的分辨率，实际的响以5mv或20uA的最小刻度。

（4）控制系统的I/O接口地址分配

由于该设备要求输入有开关量和模拟量，而输出为开关量，根据组态图和实际需要其点数选用三菱FX2N系列交流电源24V直流输入类型的FX2N—16MR可编程序控制器。

扩展模块Fxon-8ER、I/O总数为16点，输入点数为8点，类型为漏型，输出点数为8点，类型为继电器。

PLC的I/O点分配如下表3.5

表3.5

输入设备

输入点

输出设备

输出点

选择自动

M417

电机正转信号

Y15

选择手动

M415

1号泵变频运行　

Y10

自动启动

M418

1号泵工频运行

Y13

自动停止

M409

2号泵变频运行　

Y12

M1手动变频启动

M402

2号泵工频运行

Y11

M1手动工频启动

M404

变频器异常输出指示

Y14

M2手动变频启动

M403

M2手动工频启动

M405

M1手动停止

M406

M2手动停止

M407

变频异常输出

X0

4.2变频器

4.2.1变频器的介绍

1）小心使用变频器使用的塑料零件,因此,为了不造成破损,请小心地使用,其次,不要仅在前盖板上使用太大的力。

2）请安置在不易受震动的地方。

（5.9m/s2以下。

）　请注意台车，冲床等的震动。

3）注意周围的温度

周围温度对变频器的寿命影响很大,因此,安装场所的周围温度不能超过允许温度

（10°C～50°C）。

检查图3）所示位置的周围温度是否在允许值以内。

4）请安装在不可燃的表面上。

变频器可能达到很高的温度（大约最多到15