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基于西门子S7-200PLC的变频恒压供水系统设计

摘 要

随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。我国中小城市水厂尤其是老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时作出恰当的反应。为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大，而且城市管网长期处于超压运行状态，曝损也十分严重。本文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。

在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。

控制系统硬件采用了德国SIMENS公司S7-200PLC，基于STEP7 MicroWin4.0编程软件，设计了一套恒压变频控制供水系统，PID控制器采用软件实现，内置在PLC中。该控制器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。理论分析表明，该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效地降低能耗，保证了供水系统维持在最佳运行状况，提高生产管理水平；在实践上，该方案是切实可行的。

关键词：PLC；PID；变频调速；恒压供水；水泵

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***：基于S7-200PLC的变频恒压供水系统

Design of Constant Pressure Water Supply System by Using Variable Frequency Speed-regulating Technology Based on S7-200 PLC

Abstract

With the development of social economic and the construct scale of city continuously enlarging, increasing of population and standard of living of people continuously improving， more and more demanding to quantity， quality and stability of water supply brought forward in city. The automatic degree of waterworks in town is much lower than the correspondence in city. Especially in some old waterworks, the equipment of automatic control system is dropped behind. The control of unit is mainly depended on manual operating of watches. The process of control is very complicated and that manual control can't meet the change of pressure in the pipes and the water level of the pure pond. It also can't act the proper feedback in time. For the sake of water supply， the electromotor unit usually works in the state of over charge. Not only efficiency of electromotor is low and electricity consuming is bigger， but also the pressure of pipes is overload in long term. On the basis of analyzing status in quo of the waterworks in our country， this paper designs a suit of constant pressure water supply automatic control system by using variable frequency speed-regulating technology based on PLC.

To tune up the frequency of power supply by the transducer in the system，this adjusting make the speed of electromotor and performance curve of pump change. At last， it make the status of a pump alter. Through analyzing the figure of energy wasting of pump， the quality in pipes is direct proportion of the speed of pump if the speed of pump is reduced. The power of electromotor fell the cube of the speed of pump. So the energy wasting of constant pressure water supply based on variable frequency speed regulating technology is envident less than the traditional mode is used throttle to supply water.

The control system adopts S7-200 PLC of SIMENS Company in German，and STEP7 Micro/Win program is the software. According to it, I devise a suit of constant pressure water supply system. A PID controller within PLC uses the software realization. The controller can compare the measure value and the value in advance of pressure .Through real-time controlling the output voltage and frequency of transducer, The output quality of pump is changed along with the changing of pump's speed. It makes the pressure of pipe self-regulating and steady in the scheduled value. The theoretical analysis indicated that, the system can make the work of water supply automated and effectively reduce the energy consumption. Simultaneously, it can guarantee the water supply system maintains at the best movement condition and raise the level of production’s management. In the practice, this plan is practical feasible. Keywords：PLC；PID；variable frequency speed-regulating；constant pressure water-supply； pump

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目 录

引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 第1章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.1 概论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.2 问题提出及解决方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.3 相关技术发展概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3.1 交流调速的发展概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3.2 PLC技术的发展概况„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3.3 变频调速在恒压供水系统中的应用与发展概况„„„„„„„„„„„„„„5 第2章 变频调速技术和水泵工况点理论分析„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.1 变频调速技术的基本原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.2 水泵理论工况点的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.2.1 管路水力损失及性能曲线„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.2.2 水泵工作点的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.3 水泵工况的调节„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 第3章 变频调速恒压供水系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 3.1 系统的方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 3.1.1 CPS控制系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 3.1.2 PLC控制系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3.1.3 两种方案比较„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3.2系统硬件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.2.1 部分硬件介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.2.2 硬件选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 3.2.3 PLC I/O接线图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 3.2.4 I/O分配表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3.3 PLC软件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.3.1系统程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.3.2梯形图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.3.3 TD 200向导编程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 第4章 PID算法在变频调速恒压供水系统中的应用„„„„„„„„„„„„„„25 4.1 PID控制及其调节规律„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4.1.1 经典PID控制及调节„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4.1.2 数字PID控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 4.2 数字PID控制器的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 4.2.1 数字控制器的设计方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 4.2.2 PLC的PID模块分析研究„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 4.2.3 PID控制器的设计及实现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 第5章 控制系统的安装调试与总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37 5.1 控制系统的安装调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37 5.1.1 系统调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37

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5.1.2 系统应用总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38 5.2 本文总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 结论与展望„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„41 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42 附录A原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43 附录B主要参考文献及摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„44 附录C外文文献及译文„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„46 附录D源程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53

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插图清单

图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图

2-1 电动势原理图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2-2 电压与频率的关系„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2-3 水泵工作点的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2-4 恒速泵工况节流调节图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 3-1 CPS系统硬件连接框图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3-2 PLC系统硬件连接框图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 3-3 CPU224XP CN端子接线图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3-4 主程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3-5 子程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 3-6 中断服务程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3-7 主程序梯形图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3-8 子程序流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 3-9 中断服务程序梯形图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 4-1 PID控制系统原理框图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4-2 PID指令向导界面„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 4-3 PID控制回路选择界面„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„32 4-4 PID控制参数设置界面„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„33 4-5 输入输出控制参数设置界面„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 4-6 回路报警参数设置界面„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 4-7 计算临时存储区域设置界面„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 4-8 指定初始化程序和中断界面„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 4-9 文件列表界面„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 5-1 系统总体框图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38

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表格清单

表表表表

1-1 国外主要的PLC厂家„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 3-1 I/O分配表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3-2 变频器参数设定表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 4-1 PID参数控制表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„32

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引言

针对目前国内民用建筑行业的发展，特别是卫星城和小区建设的发展，给各个技术行业带来的许许多多的研究课题。小区供水系统的设计与研究，从工程而言是成熟的，己有规范的设计和施工标准，但从多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到用户的要求。

从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产上艺要求。因此利用微电脑与交流电机变频调速技术对管网供水进行自动控制，近几年在国内得到了极大发展。

采用变频调速可通过变频改变驱动电机速度来改变泵出口流量。由于流量与转速成正比，而电动机的消耗功率与转速的立方成正比，因此当需水量降低时，电动机转速降低，泵出口流量减少，电动机的消耗功率大幅度下降，从而达到节约能源的目的。为此出现了PLC和变频器组成的变频调速恒压供水系统。

目前在美国、英国、日本、法国等地的一些城市小区己基本上实现了供水系统的计算机优化管理，并取得了显著的社会效益。因此，面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水水量，水压等要求前提下，最大限度地提高供水系统的经济效益和社会效益，是摆在所有供水部门面前的重要课题。随着科学技术的不断进步，数学规划，现代控制理论及计算机技术等的不断发展，有力地促进了大型系统的控制和管理水平的提高，使供水系统借助计算机等高科技手段进行科学的管理成为可能。

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第1章 绪论

1.1 概论

电气传动技术以运动机械的驱动装置—电动机为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下完成电气传动自动控制系统，控制电动机的转矩和转速，将电能转换成机械能，实现工作机械的旋转运动或反复运动。因电机的种类的不同，我们可以将其分为直流电动机传动和交流电动机传动。自19世纪80年代起至19世纪末，工业上传动用的电动机一直被直流电机垄断，到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单且坚固耐用的交流鼠笼型电机以后，交流电机在变频调速的领域代替了直流电动机传动装置。随着生产的不断发展，速度可调节成了电动装置的一项基本要求，并且，除了满足一定的调速范围和连续可调的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。从20世纪50年代起，国外开始重视交流电机调速。随着电力电子学与电子技术的发展，使得采用半导体变频调速系统得以实现，尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电机拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及大量控制调速系统等的飞速发展。

1.2 问题的提出及其解决方案

随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、经济、稳定性提出了越来越高的要求。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)由175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全国的666个城市中有330个不同程度缺水，其中严重缺水的达108个；在百万人口以上的特大城市中有30个城期受缺水的困扰，特别是水资源短缺地区的城市，水的供需矛盾尤为突出。由于供水不足，城市工业每年的经济损失达2300亿元；同时给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市社会中的一种隐患。本课题采用PLC和变频调速技术研制PLC控制变频调速自动恒位、恒压供水系统，通过该项目的研制和应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本，而且提高了整个水厂的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景，本控制系统具有较大的发展潜力和较高的推广价值。

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1.3 相关技术发展概况 1.3.1交流调速的发展概况

交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就己被人们所认识，但受到器件的，未能推广。50年代初，中小型感应电动机多采用晶闸管调压调速；大中型绕线式感应电动机采用晶闸管静止型电气串级调速系统。70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好。

交流调速系统大致经历过以下几个阶段： (1)异步电动机调压调速系统：调压调速过去常用的方法是在定子回路中串入饱和电抗器，或在定子侧加自耗铜材料，体积小，控制方便。用晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的调压器，通过控制触发脉冲的相位角，便可控制加在负载上的电压大小，很快成为交流调压器的主要形式，但由于相位控制时，晶闸管导通后负载上获得的电压波形不是电网提供的完整的工频电压波形，因此产生了成分复杂的谐波。

(2)串级调速系统：绕线转子异步电动机串级调速是将转差功率加以利用的一种经济、高效的调速方法，改变转差率的传统方法是在转子回路中串入不同的电阻以获得不同斜率的机械特性，从而实现速度的调节。这种方法简单方便，但是调速是有级的、不平滑，并且转差功率消耗在电阻发热上，效率低，自大功率器件问世后，人们采用在转子回路中串联晶闸管功率变换器来完成馈送任务，这就构成了由绕线异步电动机与晶闸管变换器共同组成的晶闸管串级调速系统。由于晶闸管的逆变角的可以平滑连续的改变，使得电动机转速也能平滑连续的调节。另外转差功率又可以通过逆变器回馈到交流电网，提高了效率。串级调速的缺点是功率因数较低，采用强迫换流、改进型三相四线逆变器、逆变器的不对称控制以及转子直流回路加斩波器控制等，可以提高功率因数。其中采用强迫换流方式可使用门极可关断晶闸管(GTO)构成，这样可以省去关断晶闸管用的储能电路，使逆变电路简单、体积小。

(3)变频调速系统：变频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从20世纪50年代提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交一交变频调速，交—直—交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制(SPWM)，矢量控制、直接转矩控制变频调速等，而且无速度传感技术日益成熟。许多智能技术逐步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些变频器调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平。20世纪80年代中期随着第三代电力半导体器件如门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT的相继出现，交流变频调速技术得到了飞速发展。日、美、德、英等国家在结合现代微处理器控制技术、电力电子技术、电机传动技术的基础上，相继推出了一系列的变频器，且不断进行更新换代。 1.3.2 PLC技术的发展概况

第一台可编程控制器(以下简称PLC)的设计规范是美国通用汽车公司提出的。当时

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的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的简单易懂。操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司(DEC)于1969年研制成第一台PLC，型号为PDP-14，投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满意的效果，从此开创了PLC的新纪元。

在短时间内，PLC在其他工业部门也得到应用。到20世纪70年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用PLC代替继电器控制设备，迈出其实用化阶段的第一步。

70年代中期，由于大规模集成电路的出现，使8位微处理器和位片处理器相继问世，在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德(原)和法国相继研制出自己的PLC，我国在1974年也开始研制。

70年代末由于超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。进入十年代后，PLC的软硬件功能进一步得到加强，PLC已发展成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。PLC未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于PLC与其他工业控制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC将在今后的工业自动化中扮演重要角色。在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱。

目前PLC朝以下几个方向发展：

(1)大型网络化：主要朝DCS方向发展，网络化和强通信能力是PLC发展的一个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成特殊的控制任务。

(2)多功能：为了适应特殊功能的需要，连续推出多种智能模块，如模拟量输入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。这些智能模块以为处理器为基础，其CPU与PLC的CPU并行工作，占用主机CPU时间很少，有利于提高PLC扫描速度和完成特殊的控制任务。

(3)高可靠性、好兼容性：由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的重视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠的冗余系统。

(4)编程语言向高级语言发展：PLC的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能块和指令表语言基础上，推出了可运行与计算机windows环境下，界面友好的强劲的梯形图和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能。SIMATIC则使用C/C++等高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。

表1-1 国外主要的PLC厂家

公司名称 AB公司 OMRON公司 德州仪器 国别 美国 日本 美国 公司名称 MITSUBISHI公司 GE公司 SIEMENS 国别 日本 美国 德国 - 4 -

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1.3.3 变频调速在恒压供水系统中的应用与发展概况

随着变频调速技术的发展和人们认识水平的提高，变频调速技术成为交流电动机调速的主流。根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定满足用户用水需求，使整个供水系统始终保持高效节能和运行的最佳状态。本世纪70年代初，变频技术迅速发展，已经成为集电力、电子、计算机技术于一体的高科技产品。全球一些著名的电气公司像西门子、ABB、东芝、三菱等，在这一领域的开发与研究都取得了巨大成就，使得变频调速技术迅速发展并日渐成熟，它较直流调速系统及其它类型的调速系统有以下3个最突出的特点：

(1)省电节能，可使电耗降低。这是因为，一方面，一个常识性的问题就是交流电机的效率比其它类型的电机都要高；另一方面，一般的电机控制回路中都有过流过压失相等安全保护元件，而“变频器—电机”控制回路则没有这些耗能元件，更不需要象直流元调速系统所必备的励磁电源变压器等。

(2)系统造价低，同直流传动系统相对比，异步电机的价格要比直流电机的价格低130%-350%；另外，技术的发展使得变频器成本逐年下降。

(3)维护工作量小，变频器普遍采用大规模、超大规模集成电路，没有附加的外围元器件，因此从某种意义上说，变频器是免费维护设备，直流电机的维护周期为1个月，而交流电机的维护周期为3个月以上，且维护工作量要小的多。

随着时间的推移，产品不断更新换代，矢量控制(Vector control)，IGBT（双极绝缘可关断晶闸管)、操作面板(OPRATE PANEL)等新技术不断在变频领域采用，最明显的特征是变频器的体积在变小，同时功能逐渐增强，维护操作更为方便。这一时期的代表产品有ABB公司的ACS400系列，日本三菱公司的MF，IF系列，富士公司的500系列等型号的变频器，此时控制系统多为双闭环结构，并开始采用模拟量速度链技术，同时在压榨部、施胶部也采用负荷分配技术。由于此时数字技术未在操作控制回路采用，所以变频器的抗干扰能力较以前没有太大的改善，通讯能力也比较差。

数字化技术的采用及模块化结构设计风格的出现使得更为高级的变频器诞生，内部采用模块化的结构，使得参数的配置与修改及各功能的实现乃至连接更为方便，速度链上传递扰能的为数频信号，使系统的抗干扰更强，故障的诊断，信号的检查也很方便。数频处理、速度设定、马达控制等模块的链接位置让操作者修改参数比较直观、简洁，同时也使得变频供水系统在水厂应用更加广泛。

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第2章 变频调速技术和水泵工况点理论分析

2.1 变频调速技术的基本原理

交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类型，其转速表达式分别为：

N060f/P （2-1）

N60f(1S)/P （2-2）

SF(U,R1,X1,R2,X2) （2-3）

式中： N0—同步电动机转数

N—异步电动机转数 f—电源频率

P—定子绕组级对数 S—异步电动机转差率 U—电源电压

R1—定子绕组电阻

X1—定子绕组电抗 R2—转子绕组电阻

X2—转子绕组电抗

根据式2-1和式2-2，交流电动机的转速与电源的频率成正比，通过变频装置将电网50Hz的固定频率转换成可调频率，即可实现交流电动机无级调速。

由电工学知，如图2-1所示，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：

E14.441fn1m （2-4）

式中： E1—定子每相自感电动势

n1—定子相绕组有效匝数 m—每极磁通量(Wb)

R1X1R2X2I0U1I2E1I1U2RlE2

图2-1 电动势原理图

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对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通m保持额定值不变。磁通太弱，电动机带负载能力下降，磁通太强，形成过饱和，将引起励磁电流，波形畸变。由式2-4可见，m值由E1和f进行适当控制，就可以使气隙磁通m保持额定值不变。

下面分两种情况进行说明：

（1）基频以下的恒磁通变频调速，即从电机额定频率f调速

为了保持电动机负载能力，应保持气隙磁通不变。由式子E14.441fn1m可知，

，既降低供电频率，同时降低供电电压。这种调速控制属于恒转矩调E1/fC（常数）

速方式。但是E1难以直接检测和直接控制。由等效电路图知，U1E1I0R1jI0X1。当E1和f值较高时，定子的漏阻抗压降相对较小时，可忽略不计，即E1约等于U1，只要保持U1/f=C即可。而U1容易测量，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降不能再忽略。这种情况下，可以适当提高定子电压以补偿定子电阻压降影响，如下图2-2所示。图2-2中1所示U1/f=C时电压频率关系，2为电压补偿时（E1/f=C）的电压—频率关系。

U121OF1Nf图2-2 电压与频率的关系

（2）基频以上的弱磁通变频调速

频率值由额定值向上增大，但电压受额定电压U1n的，不能再升高，保持U1U1n不变，必然会使主磁通随着f的上升而减小，相当于直流电动机弱磁通调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。

由以上讨论可知，异步电动机的变频调速必然按照一定的规律，同时改变定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF调速控制。

对于恒压供水系统来说，调速范围仅限于在基频下的恒磁通变频调速，即从电机额定频率f以下调速，设定变频器的上限速度为50HZ。

2.2 水泵理论工况点的确定

水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程。这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和水

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泵工况调节与这三者密切相关。 2.2.1 管路水力损失及性能曲线

管路水力损失分沿程损失和局部损失两种，

hshyhj （2-5）

沿程损失表达式为：

hyyLQ2式中

（2-6）

y——管路沿程摩擦损失系数

L——管路长度，包括进出水管总长，如进出水管管径不同时，

应分别计算其沿程损失。

局部损失之和的表达式：

j2v2hjjQ2g2gA2 （2-7）

hsyLQ222QSQ2gA2 （2-8）

j当上下水位确定后，管路所需要的水头就等于上下水位差（即实际扬程）加上管路损失

hxhsshs （2-9）

2.2.2 水泵工作点的确定

水泵工作点（工况点）是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。如果把某一水泵的性能曲线（即H-Q曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中（图2-3），则这两条曲线的交点A，就是水泵的工作点。工作点A是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非固定在A点。若把水泵的效率曲线Q也画在同一坐标系中，在图2-3中可以找出A点的扬程HA、流量QA以及效率A。

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Hn1AH0EHX-Q管路性能曲线H-Q水泵性能曲线ηOQAQ

图2-3 水泵工作点的确定

从图2-3中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水泵装置在高效率范围内运行。工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。

2.3 水泵工况的调节

在选择和使用水泵的实践中，常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点较远，以至引起水泵装置效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，这就必须采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。这种方法叫做水泵工况的调节。现将常用的几种调节方法分述如下：

1.车削调节

沿外径车小离心泵的叶轮，可以改变水泵的性能曲线，从而扩大水泵的使用范围，这种方法称为车削调节。离心泵叶轮车削不能超出某一范围，否则原来的构造被破坏，使叶片末端变粗，使叶轮和泵壳之间间隙过大，增加回流损失，以致水利效率降低。因而使用单位一般不采用这种调节方法来改变水泵工作点。

2.变角调节

通过改变叶片安装角，使水泵性能曲线改变的方法成为水泵工况的变角调节，它适用于叶片安放角可以改变的轴流泵及混流泵，并不适合离心泵，因此这里不作详述。

3.节流调节

对于出水管路中装有闸阀的水泵装置来说，当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，于是，其工作点就沿着水泵的H-Q曲线朝着流量

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减小的方向移动。闸阀关的越小，附加阻力越大，流量就变的越小。这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法，称为节流调节。

HHX-Q管路性能曲线2n1H1H0EFBHX-Q管路性能曲线1AH-Q水泵性能曲线ηOQBQAQ

图2-4 恒速泵工况节流调节图

从图2-4可以看出，恒速泵水泵的初始工作点在A点，水泵提供的扬程、流量恰好与管路所需的水头、流量相等。由AH0OQA四点所围的面积表示水泵在工作点A的轴功率。

当管网所需流量减少时，即从QA降至QB，必须把水泵出水口闸阀关小来减少水泵出水流量，使之与管网所需流量相等，否则会造成管网过载而造成爆管的危险。当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，管性曲线由曲线1变为曲线2，水泵的工作点则沿着水泵性能曲线由A点移至B点，此时工作点B的轴功率即为BH1OQB四点所围的面积。当把闸阀关小时，水泵所供应的能量有一部分消耗于克服闸阀的附加阻力，造成额外损失。节流调节虽不经济，也不准确，但由于简单、易行，在水泵性能试验中，仍被广泛使用。在实际生产中，可用来防止过载和气蚀。

4.变速调节

变速调节是通过改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况以扩大水泵使用范围的目的，变速调节就是对水泵相似理论的应用。

H1Q1H2Q2

2H1H22k22QQHkQ12即 （2-10） 上式所表示的曲线称为相似工况曲线。

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第3章 变频调速恒压供水系统设计

3.1 系统的方案设计

变频调速恒压供水系统采用一台变频器拖动电动机的启动、运行与调速，通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机信号，这两个信号反馈给PID模块，经PID运算后发出控制信号给变频器，变频器再调节电机的转速，从而实现恒压供水。 3.1.1 传统的PID仪表控制系统设计

CPS控制系统是利用CPS变频恒压供水控制器作为PID模块，实现PID控制。下面对CPS变频恒压供水控制器作简单介绍。 1、产品特点

CPS变频恒压供水控制器一般适用于工业、生活和消防供水控制系统。它是采用硬件设计实现PID功能，所以在应用中比较可靠、稳定，并且高度智能化，易于使用和维护，标准的MODBUS通讯协议，RS485接口，完全模块化设计，用户可随意搭配、组合，满足不同的系统大小和应用场合，即插即用功能，用户安装好扩展模块后系统自动识别，相应的功能代码也自动变化，使用简便，能完成普通PLC都不易完成的功能，例如同步切换模块、专用消防模块及运行数据记录（黑匣子）模块、手机短信模块等。 2、CPS系统硬件连接框图

CPS控制系统主要由CPS控制器、变频器、电机、水泵、压力变送器等组成。结构图如下：

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RVAST压力设定值变CPS变频恒压供水控制器压力反馈压力变送器频器UVWM水泵

图3-1 CPS系统硬件连接框图

3.1.2 PLC控制系统

1、产品特点

PLC控制系统是利用PLC的PID功能实现系统的PID算法控制。本设计中PLC选型为S7-200PLC，它具有如下特性： ① 快速的处理运算能力； ② 极丰富的编程指令集； ③ 响应快速的数字量和模拟量输入/输出通道； ④ 操作便捷，易于掌握； ⑤ 强大的通讯能力； ⑥ 丰富的扩展模块。 S7-200CPU集成了丰富的内置功能： ① ② ③ ④ ⑤

高速计数器输入；

短暂脉冲捕捉功能； 高速脉冲输出； I/O硬件中断事件；

特殊功能相关的中断功能；

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⑥ PID控制，PID自整定功能； ⑦ 支持多种生产工艺配方； ⑧ 数据记录（归档）。 2、PLC系统硬件连接框图

PLC控制系统主要由TD 200文本显示器、S7-200 PLC、变频器、电机、水泵、压力变送器等组成。结构图如下：

RSTVA压力设定值TD 200文本显示器S7-200 PLC压力反馈压力变送器变频器UVWM水泵 图3-2 PLC系统硬件连接框图

3.1.3 两种方案比较

在实际系统应用中，CPS变频恒压供水控制器进行系统设计是一种很好的设计方案，采用硬件实现PID功能，运行可靠、稳定，并且实际应用中非常灵活、方便。PLC是采用软件实现PID控制，工作更加稳定、可靠，另外它还支持一台变频器控制多台电机，即一控多、多控多等功能，并且PLC可通过软件编程实现许多扩展功能，它还支持上位机监控功能，通过上位机对系统进行运行状况实时监控。所以相比较而言，PLC控制系统更具优势，这使得PLC在工程应用中越来越广泛。近年来，一些大型的污水处理系统和城市供水系统都采用PLC来实现变频恒压供水控制。PLC控制的变频恒压供水系统，PLC承担的任务不仅仅实现较复杂的多泵切换和控制，而且还承担更为广泛的系统控制任务。

本次设计，采用PLC实现一控一单泵恒压供水系统控制，系统结构简单，并没有完全发挥PLC的强大功能，但是设计中考虑了PLC内置的PID功能，因此系统很完整，配置简单，并且保证了系统具有较高的可靠性。论文给出了详细的设计步骤和软件梯形图。

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3.2系统硬件设计 3.2.1 部分硬件介绍 1、TD 200文本显示器

TD 200（Text Display 200）是专用于S7-200PLC系列的文本显示和操作员界面。TD 200支持中文操作和文本显示。

TD 200是一个两行的文本显示器，每行20个字符。TD 200V3.0及以上版本支持菜单组态方式，最多可配置8个菜单，每个菜单下最多可以组态8个文本显示屏，最多可配置个文本显示屏，用户可以使用面板上的箭头按键在各菜单及显示屏之间自由切换。

TD 200还可以显示多达80条报警消息，报警消息的显示与否由TD 200的组态及CPU中的报警消息的使能位的状态决定。报警的配置与以前为TD 200V2.1版本配置消息文本的方式相似，报警画面中也可以嵌入数据变量。

无论是菜单屏还是报警消息，都可以嵌入S7-200数据变量，并且数据是作为地址单元间接访问的，因此数据地址是固定的，不会随消息文本的修改（甚至翻译）而改变。数据既可以显示，也可以由操作人员进行设置修改。

使用TD 200还可以设置CPU实时时钟，访问CPU内存变量，或对开关量输入/输出进行强制。在安全方面，TD 200可以设置密码，以对设备的操作。

西门子公司提供了两种TD 200设备：TD 200C和TD 200。TD 200C增加了个性化的功能，可由用户定义自己的标识，按键布局，按键的多少（最多20个键）、大小、位置、及颜色都可以改变。

TD 200包装中提供了专用电缆（TD/CPU电缆）用以与S7-200 CPU连接，电缆能从CPU通讯口上取得TD 200所需的24V直流电源。TD 200同时提供了24V直流电源输入接口，仅供通过PROFIBUS电缆连接到CPU或PPI网络上使用。

TD 200通过设定S7-200 CPU的地址决定访问哪个CPU，使用数据块偏移地址访问自身的组态信息（即TD参数块）。这些参数，包括TD 200自身的地址和通讯速率等在TD 200的系统菜单中设置。

TD 200为操作员提供了一个显示和控制的界面，既可以显示数据，同时操作员也可对数据进行设置修改。 2、压力变送器

过程压力通过两侧或一侧隔离膜片、灌充液作用在＆元件（即敏感元件）内张紧的测量膜片上，测量膜片与两侧绝缘体上的电容极板各组成一个电容器、在无压力通入或两侧压力均等时测量处于中间位置，两个电容器的电容量相等。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比、这种位移由电容极板转变成差动电容、通过电子线路把差动电容转换成4-20mADC的二线制电流信号。

压力变送器用于控制水管出口压力并将压力信号变换为4-20mA的标准模拟量信号，再输入PLC进行处理。

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3.2.2 硬件选型 1、PLC选型

根据控制系统实际所需端子数目，考虑到PLC端子数目要有一定的预留量，为今后新设备的介入或设备调整留有余地，此外还要考虑到系统有模拟量输入和输出，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU224XP，其开关量输出（DQ）为10点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入（DI）为14点，输入形式为+24V直流输入。由于CPU224XP CN的输入/输出点数已经满足系统设计要求，所以不需要扩展。 2、变频器选型

本设计采用TD2000系列通用变频器。TD2000是华为电气有限公司自主开发生产的高品质、多功能、低噪音变频器。其丰富的功能完全满足不同的需求，紧凑的结构设计，可以灵活的安装，先进的控制算法，空间电压矢量控制技术、停电再启动、自动电压调整、死区补偿、自动转差补偿、节能运行、内置PI，保证高精度的控制要求，按照国际标准进行设计和测试，保证产品的可靠性，丰富的选配件，可进行多种配置选择。 3、压力变送器选型

本设计采用1151系列电容式压力变送器。此产品具有设计原理新颖，品种规格齐全，安装使用方便，本质安全防爆等特点。尤以精度高，体积小，重量轻，坚固耐振，调整方便并以其优惠的价格供应国内外用户的系列产品。适用于石油、化工、冶金、造纸、纺织、医药、电力等领域的过程控制和测量。压力变送器的测量范围为0-1MPa，输出为4-20mA电流信号。 4、水泵的选型

水泵的类型很多，有离心式清水泵、深井泵、旋涡泵、离心旋涡泵、往复式泵等。本设计采用离心式清水泵，并且选用电机的额定功率为7.5KW。 3.2.3 CPU224XP CN端子接线图

接线图如下所示：

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VCIGND240V AC电源ACL1KA1KA2KA3L3KA4KA5L2AC1LQ0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6MAQW0VNL11MI0.1I0.2I0.3I0.4I0.5TCTAAIW0B+A+RMML+2504-20mAL+M24V DC传感器电源输出SB1SB2SB3SB4K1

图3-3 CPU224XP CN端子接线图

3.2.4 I/O分配表

表3-1 I/O分配表

输入 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 AIW0 变频器停止按钮SB1 变频器启动按钮SB2 变频器点动按钮SB3 变频器复位按钮SB4 变频器报警开关K1 压力变送器输入 Q0.1 Q0.1 Q0.5 Q0.6 Q0.2 Q0.3 Q0.4 AQW0 输出 变频器运行控制 变频运行指示灯 变频器点动 变频停止指示灯 变频器复位控制 变频器故障指示 风机控制 模拟量输出控制 3.2.5 变频器参数设定

变频器参数除了表中的设定外，其它的参数默认为出厂设定值。 参数设定表如下图所示：

表3-2 变频器参数设定表

功能号码 00 02 04

名称 运行频率设定方式选择 运行命令选择 最大输出频率 - 16 -

设定值 2 1 50Hz 安徽工程科技学院毕业设计（论文）

09 10 11 12 13 14 15 16 18 27 30 119 120 127 147 148 149 150 151 加速时间1 减速时间1 上限频率 下限频率 最小模拟输入量 最小模拟输入量对应频率 最大模拟输入量 最大模拟输入量对应频率 电机过载保护方式选择 防反转 停机方式 输入端子X1功能选择 输入端子X2功能选择 FWD/REV运转模式设定 电机额定频率 电机额定电压 电机额定电流 电机额定转速 电机额定功率 10s 10s 50 25 0 0 10 50 1 1 0 9 8 1 50Hz 380V 15A 1480 7.5kW 3.3 PLC软件设计

本系统的软件设计主要在开发环境STEP7-Micro/WIN 4.0编程软件中进行。

STEP7-Micro/WIN 4.0的基本功能是协助用户完成开发应用软件的任务，例如创建用户程序、修改和编辑原有的用户程序，编辑过程中编辑器具有简单的语法检查功能。同时它还有一些工具性的功能，例如用户程序的文档管理和加密等。此外，还可直接用软件设置PLC的工作方式、参数和运行控制等。

S7－200的编程软件STEP7－Micro/WIN 4.0配备了大量的编程向导，如PID、网络读写、高速计数器和高速输出指令的编程向导，位置控制模块、文本显示器TD200、调制解调器模块、以太网模块、互联网模块等的编程向导。使用这些编程向导时，只需要输入要求的数据或确定选项，编程软件就可以自动地生成用户程序。 3.3.1 系统程序流程图

本系统设计主要以实现PID算法，所以流程图也是主要为了实现PID指令。下面分主程序、子程序、中断服务程序分别加以介绍。 1、主程序流程图

主程序在不停的循环执行，主要完成对变频器启动、停止、点动、复位等操作。以达到对变频器远程控制的功能。

流程图如下所示：

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主程序开始设置PID回路参数设置定时器中断Y点动？N启动？N停止？N变频器工作正常？Y变频点动Y变频运行，风机开Y变频停止N故障指示变频复位？Y变频复位N 图3-4 主程序流程图

2、子程序流程图

此流程图主要是进行PID回路表的一些参数设置，完成PID初始化设置，并且设置定时中断，以执行PID程序。

流程图如下所示：

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子程序0开始装入设定值装入回路增益装入采样时间0.1s装入积分时间 关闭微分时间设定定时中断0的时间间隔为100ms设置定时中断，以执行PID程序子程序0结束图3-5 子程序流程图

3、中断服务程序流程图

此流程图主要是执行PID程序。首先接受模拟量数据，再进行数据转换，执行PID程序，输出结果，再经数据转换后写到模拟量寄存器，再把数据输出给变频器，从而控制变频器。

流程图如下所示：

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中断0开始把模拟量输入寄存器的值（单极性）转换成双字整数存入AC0双字整数转换为实数3.3.2 梯形图 1、主程序梯形图

梯形图如下图所示： 标准化AC0中的值将AC0中的值存入回路表VD100在自动方式下执行PID指令设定定时中断0的时间间隔为100ms将输出值刻度化将实数转换为双字整数将双字整数转换为整数将整数值写到模拟量输出寄存器中断0结束 图3-6 中断服务程序流程图

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SM0.1SBR_0ENM2.0I0.1Q0.1Q0.4Q0.5Q0.1I0.2I0.3I0.3I0.4I0.5Q0.1M2.0Q0.2Q0.3Q0.6 图3-7 主程序梯形图

2、子程序梯形图

梯形图如下图所示：

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SBR_0SM0.0MOV_R3、中断服务程序梯形图

梯形图如下图所示：

ENENOVD20INOUTVD104MOV_RENENOVD22INOUTVD112MOV_RENENO0.1INOUTVD116MOV_RENENOVD24INOUTVD120MOV_RENENO0.0INOUTVD124MOV_BENENO100INOUTSMB34ATCHENENOINT_0INT10EVNTENI图3-8 子程序流程图

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INT_0SM0.0AIW0I_DIENENOINOUTDI_RENENOINOUTDIV_RENENOIN1OUTIN2MOV_RENENOINOUTAC0AC0AC0AC032000.0AC0AC0VD100I0.0VB1000SM0.0VD10832000.0PIDENENOTBLLOOPMUL_RENENOIN1IN2OUTROUNDENENOINOUTDI_IENENOIN1OUTMOV_WENENOINOUTAC0AC0AC0AC0AC0AC0AQW0

图3-9 中断服务程序梯形图

3.3.3 TD 200向导编程

TD 200向导是利用STEP7-Micro/WIN 4.0编程软件中的TD 200向导进行设置，分

为配置TD 200、定义用户菜单、定义报警消息、语言切换、完成向导配置、设置TD 200内部参数等步骤。本设计中主要用到定义用户菜单功能，可通过TD 200对系统的一些参数进行实时的更改，不需要通过软件下载进行参数设置，这样会给系统调试提供很大的方便，节省系统调试时间，提高工作效率。

本设计中先完成TD 200的基本配置，然后利用定义用户菜单功能定义3个功能参

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数，即压力设定值、回路增益、积分时间。压力设定是作为PLC的PID功能的一个输入，通过TD 200可对设定值进行方便的更改。回路增益和积分时间，即参数P、I，这两个参数对系统的稳定性起关键作用，在对系统进行调试时，可通过改变这两个参数，直至系统达到稳定。主程序中分别设定3个参数的地址为VD20、VD22、VD24，控制的3个参数地址分别为VD104、VD112、VD120。

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第4章 PID算法在变频调速恒压供水系统中的应用

在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。PID控制具有很多优点：

①算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现； ②适应性强，可以广泛的应用于各种行业；

③鲁棒性强，它的控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

由于其有这些优点，PID控制直到现仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。 4.1 PID控制及其调节规律 4.1.1经典PID控制及调节

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。常规PID控制系统原理框图如图4-1所示。PID控制器综合了关于系统过去(I)、现在(P)和未来(D)三方面的信息，对动态过程无需太多的预先知识，控制效果能够满足要求。

r(t)e(t)PIDu(t)被控对象y(t)-

图4-1 PID控制系统原理框图

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的控制偏差

e(t)=y(t)-r(t) （4-1）

将偏差e(t)的的比例(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

u(t)Kp[e(t)对上式作拉氏变换可得：

1de(t)e(t)dtT]DT1dt （4-2）

E(S)TDSE(S))S （4-3）

U(S)Kp(E(S)TlPID控制器的传递函数形式由下式描述。

G(S)

KU(S)1Kp(1TDS)KplKDSE(S)TlSS （4-4）

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式中 Kp—称为比例系数；

KlT—称为积分系数； TfTD—称为微分系数； TKDTl—为积分时间常数； TD—为微分时间常数；

PID控制器各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T，T越大，积分作用越弱，反之则越强。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。

PID的三种作用是各自的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，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，PD控制算法和PID控制算法。 4.1.2 数字PID控制

随着计算机技术的发展，越来越多的系统采用数字控制。计算机对来自A/D转换器的信号进行比例、积分和微分变换处理，既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过渡过程和提高系统的稳定性，改善系统的动态特性。数字控制器的经典设计方法有两种：连续设计法和离散设计法。

通常在模拟PID算法的基础上，通过离散化处理就得到数字PID的公式。

Tu(n)Kp{e(n)Tie(i)i0nTd[e(n)e(n1)]}T （4-5）

式中，T为采样周期(或控制周期)，n为采样序号，n=1，2，...，e(n-l)和e(n)分别为第

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n-1和第n次采样所得的偏差信号，u(n)为第n时刻的控制量。

在模拟控制器中难以实现的理想微分的de/dt，在计算机中可以利用其差分方程很好的实现，因此式(4-2)也称为理想微分PID数字控制器。 1、位置式PID算式

模拟仪表调节器的动作是连续的，任何瞬间的控制量输出：都对应于执行机构的位置。从(4-5)可知，数字PID控制器的输出u(n)也和位置对应，因此称为位置型算式。 2、增量式PID算式

增量式PID算法就是让计算机输出相邻两次调节结果的增量。

Tu(n1)Kp{e(n1)Tle(i)j0n1TD[e(n1)e(n2)]}T

u(n)Kp{[e(n)e(n1)]Kje(n)Kd[e(n)2e(n1)e(n2)]}

u(n)u(n1)u(n) （4-6）

增量型算式仅仅是在计算方法上作了一点改变，并未改变增量型算式的本质。由于算式不进行累加计算，增量只与最近几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。 4.2数字PID控制器的设计 4.2.1数字控制器的设计方法

控制系统设计中最重要的一类就是如何根据控制目标，设计适当的控制算法使图4-1所示的闭环控制系统满足给定的系统性能指标。数字控制器的设计通常有两种方法：模拟设计法和离散设计法

模拟设计法是将数字控制器作为模拟控制器，采用连续系统的设计方法，首先设计模拟控制系统的模拟控制器，使模拟控制系统性能指标满足。然后采用离散化的方法将设计好的模拟控制器离散化成数字控制器，最后构成数字控制系统。该方法在采样周期较大时，系统实际达到的性能往往比预计的设计指标差。

离散设计法则首先将图4-1所示系统中的被控对象加上保持器一起构成的广义对象离散化，得到相应的以脉冲传递函数，差分方程或离散系统状态方程表示的离散系统模型。然后利用离散控制系统理论，直接设计数字控制器。这种方法是目前采用较为广泛的控制器设计方法。

4.2.2 PLC的PID模块分析研究

西门子公司从S7-200系列PLC中的CPU215，CPU216开始增加用于闭环控制的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CPU224XP CN。

在我们使用的PLC中，是通过PID调节器来调节输出，保证偏差值为零，使系统达到稳定状态。在系统中，偏差是给定值SP(希望值)和过程变量PV(实际值)的差。PID控制的原理基于下式所示的方程，它描述了输出M(t)作为比例项、积分项和微分项的运

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算参数关系。

tM(t)KCeKCedtKC0deMinitialdt （4-7）

其中： M(t) PID回路的输出，是时间的函数

KCc PID回路增益

e PID回路的偏差(给定值与过程变量之差)

Minitial PID回路输出的初始值

为了在计算机中实现这一这个控制功能，式(4-7)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。离散式方程如式(4-8)所示：

MnKCenKleiMinitialKD(enen1)1n （4-8）

其中： Mn 采样时刻n计算出的PID回路输出值

KCc PID回路增益 en 采样时刻n的偏差值

en1 采样时刻n-1的偏差值(偏差前项) Kl 积分项的比例系数 Minitial PID回路输出的初始值 KD 微分项的比例系数

从式(4-8)可以看出，积分项包括从第一次采样到当前采样时刻的所有误差项，微分项由本次采样和前一次采样值来决定，比例项仅由本次采样值决定。所以在计算机的PID运算中，没有必要保存所有的误差项。

由于计算机从第一次采样开始，每获得一个偏差采样值必须计算一次输出值，但是系统中只需要将上一次的偏差值和积分项的存储下来。利用计算机处理数据的迭代运算，可以将上式简化为CPU实际使用的递推形式，如式(4-9)所示：

MnKCenKlenMXKD(enen1) （4-9）

其中： MX 采样时刻n-1的积分项。

CPU将上述形式再进一步的组合、简化，可得如式(4-10)所示方程

MnMPnMInMDn （4-10）

其中： Mn 第n采样时刻的计算值

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MPn 第n采样时刻比例项的值 MIn 第n采样时刻的积分项值 MDn 第n采样时刻的微分项值

1、比例项：

比例项MP是增益KC和偏差e的乘积。其中KC决定系统输出对偏差的灵敏度，偏差e是给定值SP与过程变量PV之差。CPU采用的计算比例项的方程如下：

MPnKC(SPnPVn) （4-11）

n 第n采样时刻比例项的值 其中： MPKC 增益

SPn 采样时刻n的给定值 PVn 采样时刻n的过程变量值

2、积分项：

积分项值MIn与偏差的累积和成正比。CPU采用的计算积分项的方程如下：

MInKCTS/Tl(SPnPVn)MX （4-12）

其中： MIn 第n采样时刻的积分项值

KC 增益

TS 采样周期 Tl 积分时间常数

SPn 采样时刻n的给定值积分时间常数 PVn 采样时刻n的过程变量值

MX 采样时刻n-1的积分项(积分项前值)(也称积分和或偏置)

积分和MX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KC，采样时间间隔Ts和积分时间Tl，还有积分初值Minitial。其中，采样时间是

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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MIn，积分和MX就以MIn的值更新一次。 3、微分项：

微分项值MD与偏差的变化成正比。其方程如下：

MDnKC(TD/TS)[(SPnPVn)SPn1PVn1)] （4-13）

为了实现在给定值改变时控制输出的无扰动切换，假定给定值为常数(SPnSPn1)，可以将式(4-13)化为计算过程变量的变化，如下：

MDnKCTD/TS(PVn1PVn) （4-14）

其中： MDn 第n采样时刻的微分项值

KC 回路增益

TS 回路采样周期 TD 微分时间常数

PVn 采样时刻n的过程变量 PVn1 采样时刻n-1的过程变量

从式(4-14)可以看出，为了计算下一采样时刻的微分项值，必须保存过程变量，而不是偏差。在第一采样时刻，初始化为PVn1PVn。

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中己经技术成熟，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，扩展了它的功能。

在本次设计的控制系统当中，PID技术主要是通过PLC的PID处理模块来完成，

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所计算的对象主要是变频器的工作频率，根据这些采样得到的数据进行PID运算，从而控制变频器的输出频率。 4.2.3 PID控制器设计及实现

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指令。西门子公司的S 7-200系列的PLC都有配套的STEP7 Micro/WIN40编程软件，该软件可以在PC机上运行，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。STEP 7-Micro/WIN提供了PID指令向导，指导使用者定义一个闭环控制过程的PID算法，该算法程序由编程软件自动插入到主程序中。PID的组态设计包括以下内容：①确定所要控制的PID指令编号(回路编号)；②选择参数控制表存放的位置以及闭环控制的参数；③确定PID回路的输入和输出控制参数；④确定PID回路的报警选项以及报警参数；⑤指定用于计算的数据存储区域；⑥指定初始化子过程和中断的名称⑦确认设计的PID算法名称。

图4-2 PID指令向导界面

PID指令的设计过程如下：

1．在TEP7 Micro/WIN32的命令菜单中选择“Tools/Instruction Wizard.. . \"，然后在指令向导窗口中选择PID指令，如图4-2所示，即可根据系统提示进行PID指令的设计。 2．确定所要控制的PID指令编号

PID指令编号(即控制回路编号)可以是0到7的整数。在程序中最多可以同时使用PID指令。如果两个或两个以上的PID指令使用了相同的指令编号，即使这些指令的参数表不同，这些PID运算之间也会互相干涉，产生不可预料的结果。因此在使用PID指令时，不同的PID必须使用不同的指令编号。本系统中使用了回路编号为0和1的PID指令，如图4-3所示。

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图4-3 PID控制回路选择界面

3.选择参数控制表存放的位置以及闭环控制的参数

PID所有的控制参数都存放在回路参数表中，参数表的大小为36字节。使用PID指令以前必须指定参数表的存放位置，存放位置是以\"V”开头的存储区域。本系统中的存放位置为VB21~VB46。

用户通过在PID指令向导中指定PID回路参数表(Table )中的各项参数，然后执行下面的指令即可使用PID控制。

PID Table， Loop；

其中操作数Table使用变量存储器VBx，用来指明参数控制表的表头字节，它所指定的回路参数表包含9个参数，用来控制和监视PID运算，其结构如表4-1所示；操作数Loop只可选择0~7的整数，表示此次PID闭环控制所针对的环路编号。

表4-1 PID参数控制表

参数标号 1 2 3 4 5 地址偏移（字节） +0 +4 +8 +12 +16 变量名 变量类型 in in In/out in in 注释 调节量，即被控对象的输出量 给定量，即被控对象的给定输出控制量 控制量，用于输出到被控对象 增益，即比例常数，可正可负 采样时间（s），必须为正数 PVn SPn Mn KC TS - 32 -

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6 7 8 9 +20 +24 +28 +32 TI TD MX in in in/out in/out 积分时间常数（s），必须为正数 微分时间常数（s），必须为正数 累积偏移量，即累积误差 上次执行PID指令时的调节量 PVn1

回路参数设置如图4-4所示，有“Gain”、“IntegralTime”、“Sample Time”和\"Derivative Time”四项。增益(Gain)：PID控制的比例常数，可正可负。采样时间(SampleTime)：必须为正数，单位为

秒。积分时间(IntegralTime )：必须为正数，单位为秒。微分时间(Derivative Time)：必须为正数，单位为秒。

图4-4 PID控制参数设置界面

4.确定PID回路的输入和输出控制参数(如图4-5)

回路的输入和输出选项用于指定PID算法的数据输入和数据输出的变量以及输入输出数据的类型和范围控制参数。

（1）输入回路控制参数设置包括缩放比例选择（Scaling )、输入变量选择 ( Loop Process Variable)以及输入变量的最低范围(LowRange)和最高范围(HighRange)设置。

输入变量的选择：指定输入变量。输入变量可以是一个地址字或者一个已经定义的变量。

缩放比例选择：指定输入数据在参与回路计算时的缩放倍数的大小。有单极性和双极性两种。

输入变量的范围选择：指定输入数据的最大值和最小值。

(2)输出回路控制参数设置包括输出类型选择(Output Type)、缩放比例选择、输出变

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量选择(Loop Output Variable)以及输出变量的最低范围(LowRange)和最高范围(HighRange)设置。

输出类型选择：指定输出信号的形式是模拟量形式还是数字量形式。

输出变量选择：如果输出是模拟量形式，输出变量可以是一个地址字或者一个己经定义的变量。如果输出是数字量形式，输出变量可以是一个地址位或一个已经定义的变量。

图4-5 输入输出控制参数设置界面

5.确定PID回路的报警选项以及报警参数(如图4-6)

PID回路的报警选项有低于下限报警、超过上限报警和模拟量输入模块错误报警三项。

低于下限报警：用于选择是否允许为低于设定下限的错误设置一个报警位。设计者通过输入一个位地址或一个己定义的变量作为报警地址，同时指定报警的下限值。

超过上限报警：用于选择是否允许为超过设定下限的错误设置一个报警位。设计者可以输入一个位地址或一个已定义的变量作为报警地址，同时指定报警的上限值。

模拟量输入模块错误报警：用于选择是否允许为模拟量输入模块发生的错误设置一个报警位。设计者可以指定一个位地址或者一个已定义的变量来指示错误的发生，而且必须指定输入模块和PLC连接的位置。

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图4-6 回路报警参数设置界面

6.指定用于计算的数据存储区域(如图4-7)

PID在根据公式进行计算时，需要一些存储区域用来存放计算的中间结果。在设计时需要指定以“V”字开头的存储区域地址，该地址表示存放临时计算结果的存储区域的起始地址。

在这里还可以选择是否在PID回路中加入手动控制。

图4-7 计算临时存储区域设置界面

7.指定初始化子过程和中断的名称(图4-8)

这里可以给由PID向导生成的控制程序中的初始化子程序和中断执行过程命名。本

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次设计的初始化子程序为SubPID中断讨程为InitPID。

图4-8 指定初始化程序和中断界面

8.产生PID程序

S7-200的指令向导会按照以上选择的配置生产PID算法程序，并将这些程序插入到当前项目中。点击“Finish”按钮完成PID的设计。使用这个PID配置时，在主程序“Main\"模块里调用SubPID子程序。运用SM0.0调用这个子程序，SubPID会产生InitPID中断，InitPID中断会循环的执行相应的PID函数。

图4-9 文件列表界面

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第5章 控制系统的安装调试与总结

5.1控制系统的安装调试 5.1.1系统调试

系统在经过分析和设计之后，需要进行系统调试。为了使系统能在现场环境中可靠的运行，我们在实验室中进行了各种模拟试验，以及硬件和软件的调试工作。

为了设计出更好更可靠的系统，我们根据泵房的恒压供水控制系统的运行特征，在实验室建立了一个模拟试验系统：采用拨位开关模拟控制台的控制信号，利用电位器模拟现场的模拟量信号，采用小型变频器和电动机代替现场的变频器和水泵电机。在此试验系统上进行整个控制系统的调试。实验室的系统调试主要包括PLC的检测和调试、控制系统的模拟调试。控制系统的模拟调试中采用电位器代替模拟量的输入，拨位开关代替数字量的输入，1Kw的小电机代替现场的水泵电机。将所有设备按照设计的接线图连接，然后对进行模拟调试。目的是验证PLC中的梯形图程序的工作流程和切换逻辑是否正确；计算机中的各种控制命令以及参数的调整是否能够实现；验证控制系统的意外和错误处理功能是否完善。软件调试包括串口通信组件、系统流程界面、数据库管理、串口通信函数、数据处理函数以及各种分析程序，在调试过程中改正了很多错误，使系统得到了完善。

系统的总体框图如图5-1所示。图中I为开发环境，II为实际应用系统，两部分由通信电缆以及接口转换模块连接。在接好控制线、通信线和电源线以后，需要对系统进行现场调试。

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键盘输入PC 机RS-232/RS-485转换模块压力变送器压力反馈信号PLCTD 200变频器M1 图5-1 系统总体框图

（1）PLC的梯形图程序的正确性调试和检查。尽管PLC的程序经过人工检查和 模拟调试，但是有很多现场因素是无法预料的。必须通过PLC和现场控制台控制电 机的启动、切换和停止，发现错误后立即停止调试进行修正。调试要达到的目的就 是使电机能够按照设计的步骤运行，并且能够对各种意外情况进行处理。

（2）控制系统参数的确定。控制参数对于生产来说是很重要的，必须通过调试选择合适的参数，保证系统处于一个比较理想的运行状态。

（3）手动控制的调试。通过模拟控制台来控制机组的启动和停止，以及阀门的开和关。

5.1.2系统应用总结

水厂原有的供水生产系统主要依赖人工控制，由于控制过程繁琐，手动控制系统无法对供水管网的压力及时做出恰当的反应。机组的启动采用的是自藕降压启动方式，电流对机组及配电设备冲击较大。由于一天之中的用水量随着用水情况不断变化的，水泵机组按工频运行，造成供水系统中压力波动很大。流量较小时，管网压力经常超标；流量较大时，管网中水压经常低于规定压力。为了保证供水，机组通常处于满负荷运行状态，不但效率低、耗电量大，而且城市管网长期处于超压运行状态，曝损也十分严重。

本系统设计完成后，经过反复的试验和现场调试，控制系统能够在自来水厂供水生产线上安全、稳定、可靠的运行。使用该系统后，供水生产过程主要由变频调速恒压供水系统完成，能够保持管网压力的恒定，避免了机组长期处于满负荷状态，提高了供水设备的寿命。由于管网压力保持恒定，大大减少了供水管网处于超压运行状态的情况，

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有效的减少了爆管现象的发生。水泵机组采用变频器拖动进行软启动后，启动电流由原来额定电流的5-10倍减少到1.5倍以内，有效的解决了冲击电流对供水设备、配电设备和电网的冲击问题。同时，采用变频调速技术后，供水生产的能源消耗明显降低，水资源的浪费明显减少。不仅提高了生产效率，节约了水电资源，还降低了生产单耗，有较大的经济效益。

运行情况表明，恒压供水系统安全可靠，维修率低，水压基本保持恒定，管网及阀门损坏率明显减少，节水节电效果明显。

在此，提出一个在系统运行中需要注意的问题，就是变频器的频率范围在20-50Hz，若小于20Hz，长时间低速运行容易造成变频器损坏；若大于50Hz，会带来震动、噪音增大等一系列问题，另外还要确保电机轴承及机械装置的使用速度范围。所以要使系统安全、稳定的运行，必须要注意变频器的工作频率范围。 5.2全文总结

本文针对我国中小城市水厂供水的特点，设计开发了一套基于PLC的变频调速恒压供水自动控制系统。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。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，通过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。

在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，可以减少能量损耗，节能效果十分明显。水泵转速的工况调节必须在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵 在低效率段运行。

通过对PID控制器的基本原理的介绍，分析了德国SIMENS公司的S7 200系列CPU中的PID算法的实现。运用STEP7 MicroWin编程软件设计了一个用于供水系统压力控制的PID控制器，该控制器对压力给定值与测量值的偏差进行处理，实时控制VVVF的输出电压和频率，进而改变水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近。通过现场工业试验此PID控制器对不同过程的适应性强，提高了控制精度。

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结论与展望

三个月的毕业设计综合了大学期间所学知识，并将其付诸于实际工程应用之中，使我受益匪浅，从中学到了很多东西，不仅是专业知识，还有专业以外的知识，更关键的是在设计期间，我的思考、分析解决问题能力有了很大的提高。

在专业方面，本设计用到了PLC、TD-200、变频器、电机、压力变送器等设备及其相关技术。这些知识以前只是围绕书本学习过，现要将其应用于实际工程，因此，在设计前，我进行了深入系统的学习。

另一方面，变频恒压供水系统是实际的工程应用，涉及实际问题很多，锻炼了我的实践能力，树立了工程观念。毕业设计经历了选题、资料收集、选择方案、系统设计、编写程序、数据处理等，使我理解了理论和实际的区别和联系，以及应如何发现、分析、并解决问题。

再次，锻炼了我的自学能力，另外本设计涉及大量的图表文档等，要用到VISIO、OFFICE WORD、POWER POINT等绘图软件和办公软件，提高了我的计算机操作能力和英文能力。

可以说，毕业设计是大学期间的知识汇总和加强提高，也是接触实际工程设计的序曲，为以后的学习和工作做了铺垫。

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致谢

为期三个月的毕业设计即将结束，我首先要感谢 老师给予我的指导和帮助。在此期间， 老师不仅指导我学习课题相关专业知识，同时我也学到了对人真诚、对事认真负责的做人原则。

本设计也得到了电气系其他老师的悉心指导和帮助，在他们那里我也学到了很多专业知识，使得我对整个设计掌握更多，论文才能更加完美完成。同时，我也要感谢电气系在设计期间为我们提供了一个良好的设计环境。

最后，对所有给予我帮助的老师和同学致以最诚挚的谢意！

作者：

年 月 日

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参考文献

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附录A 原理图

CPU224XP CN端子接线图：

VCIGND240V AC电源ACL1KA1KA2KA3L3KA4KA5L2AC1LQ0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6MAQW0VNL11MI0.1I0.2I0.3I0.4I0.5TCTAAIW0B+A+RMML+2504-20mAL+M24V DC传感器电源输出SB1SB2SB3SB4K1

系统原理图：

RSTVA压力设定值TD 200文本显示器S7-200 PLC压力反馈压力变送器变频器UVWM水泵 - 43 -

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附录B 主要参考文献及摘要

[1] 深入浅出西门子S7-200PLC/西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团编.—2版.—北京：北京航空航天大学出版社，2003.12 【内容简介】：本书主要介绍了西门子公司小型可编程序控制器S7-200PLC的软硬件功能，以实用、易用为主线，涉及S7-200PLC的方方面面；同时编者也将多年宝贵的应用经验贯穿内容始终，使读者能够有所借鉴。

[2] 可编程序控制器选择、设计与维护/殷洪义主编.—北京：机械工业出版社，2002.11 【内容简介】：可编程序控制器（PLC）是一种通用的自动控制装置。它将计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体，成为现代工业实现自动化的核心设备。为了满足广大自动化工作者的需要，本书从工程应用出发，介绍了PLC的种类、特点及基础知识，并以德国西门子公司新近推出的S7-200系列PLC为背景，系统介绍了PLC的指令系统、系统设计方法、典型的应用实例和系统的检修维护方法。

[3] 现代电气控制及PLC应用技术/王永华等编著. —北京：北京航空航天大学出版社，2003.9

【内容简介】：本书从实际工程应用和便于教学需要出发，介绍和讲解了继电接触式控制系统和可编程序控制器控制系统的工作原理、设计方法和实际应用。本书具有以下特点：（1）介绍了一些新型器件，讲解了软启动器和变频器的使用；（2）对传统的电气控制系统的内容进行了较大幅度的删节，给出并讲解了电气控制线路和可编程序控制器程序的简单设计法（3）对S7-200PLC的功能指令和通信功能进行了详细的讲解，并简单介绍了S7-200PLC新模块的特点（4）介绍了S7-200PLC上机编程软件的使用 [4] PLC分析与设计应用/周万珍，高鸿斌编著. —北京：电子工业出版社，2004.1

【内容简介】：本书从从实际工程应用出发，系统阐述了PLC（可编程序控制器）的工作原理、功能、发展过程，以及PLC控制系统的结构、设计方法和应用实例。本书内容由浅入深，指令讲解透彻，剖析了许多典型控制电路和实际应用系统，提出了实际应用中应注意的若干问题和处理方法，还对最具前景的联网控制进行了详细的介绍。 [5] 变频调速控制系统的设计与维护/曾毅等编著.—济南：山东科学技术出版社，2002（第二版）

【内容简介】：本书是作者多年来从事通用变频器控制系统设计与维护的教学和科研工作的总结。它介绍了交流调速自动控制系统设计的基础知识，着重讲述了通用变频器的工作原理及控制系统的构造方法；从实际工程出发，既介绍了单机控制系统的组成，又介绍了多机同步传动变频器的应用方法、注意事项和维修方法，通过应用实例都做了详细的介绍。

[6] 张美英，屈飞. 基于PLC的双恒压供水控制系统设计[J].机电产品开发与创新,2006,11.

【摘要】：该双恒压供水控制系统是以PLC控制为核心,变频调速技术为基础,并结合压力传感器、变频器、水泵、继电器、接触器等组成.在此系统中,PLC将压力设定值与测量值的偏差经PID运算后得到的控制量作用到变频器,从而通过变频器控制水泵的转速调节管网的压力,实现恒压供水的目的.

【关键词】：恒压供水；变频调速；PLC；PID

[7] 宁耀斌，明正峰.变频调速恒压供水系统的原理与实现[J] .西安理工大学学报，2001，3，17(3)：305-308.

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【摘要】：对城镇住宅电力驱动恒压供水的原理及几种实用化方案进行了深入的讨论,以变频器为主体的恒压供水系统对供水水泵实现全方位的保护.该系统不但能最大限度地节约水资源,而且能够节约电能、延长供水水泵的使用寿命,并在紧急情况下(消防、减灾)能够做到重点供水.最后,对几种实用化供水方案进行了详细的讨论. 【关键词】：变频器； 恒压供水； 节能

[8] PLC入门/严盈富主编.—北京：人民邮电出版社，2005.8

【内容简介】：本书以S7-200系列PLC为例，简要介绍了PLC的工作原理、基本指令系统、编程软件STEP7-Micro/WIN32的安装、编程、调试及运行，并在此基础上详细介绍了PLC控制系统的软、硬件设计，用举例的方法、图形的形式由浅入深地介绍PLC的应用实例，最后介绍了PLC网络通信方面的知识。

[9] 可编程控制器应用技术与设计实例/高钦和编著.—北京：人民邮电出版社，2004.7 【内容简介】：本书从工程实践应用的角度出发，在介绍了可编程控制器（PLC）的功能和特点、工作机理、指令系统和编程语言的基础上，重点介绍PLC控制系统的硬件设计及软件开发方法，并给出了大量的设计实例。全书的主要内容为：PLC的基础知识，包括PLC的主要功能与特点、硬件结构、指令系统与编程语言；PLC的应用技术，包括PLC控制系统的设计及应用程序设计方法；PLC的应用实例，包括电气控制类应用、工业生产控制类应用、机电设备控制类应用、模拟量检测与控制类应用、网络通信类应用。

[10] 伺服系统/钱平主编.—北京：机械工业出版社，2005.1

【内容简介】：本书以数控机床伺服系统为对象，在阐述伺服系统原理等基础上，重点介绍了交直流电动机的速度控制系统、步进式伺服系统、直流伺服系统、交流伺服系统。还介绍了位置伺服系统的典型实例。

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附录C 外文文献及译文

外文文献

TD 200 synopsis

The Text Display 200 (TD 200) is a text display and operator interface for the S7-200 family of programmable logic controllers.

The following is a list of TD 200 features. Displays messages read from the S7-200 CPU. Allows adjustment of designated program variables. Provides ability to force/unforce I/O points. Provides ability to set the time and date for CPUs that have real-time clocks. Provides menus and prompts in six languages (English, German, French, Spanish, Italian, and Chinese) Provides multiple character sets to support English, Western European, Slavic, and Chinese languages.

The TD 200 receives its power either from the S7-200 CPU through the TD/CPUcable or from a separate power supply.

The TD 200 functions as a network master when it is connected to one or moreS7-200 CPUs. The TD 200 is also designed to operate with other masters in a network. Multiple TD 200s can be used with one or more S7-200 CPUs connected to the same network.

This manual provides you with hardware configuration directions and programming

examples that require additional equipment. The following is a list of additional equipment that is necessary to set up and use your TD 200. It’s S7-200 series programmable logic controller,S7-200 programming device and Programming cable appropriate for your programming device.

The TD 200 is a small, compact device that provides all the necessary components for interfacing with your S7-200 CPU.

TD 200 is made up of Text display area、Gasket、Communication port and others. The TD 200 keyboard has a total of nine keys. Table 1-2 describes the five predefined, context-sensitive command keys.

Table 1-3 describes the four user-defined function keys (F1, F2, F3, F4). You define these four function keys in your S7-200 CPU program. Pressing a function key sets an M bit. Your program can use this bit to trigger a specific action.

You can customize the TD 200 keyboard by designating up to 4 keys for particular functions. The TD 200 has nine keys. Five of these keys provide predefined context-sensitive functions, and four keys provide user-defined functions. The keyboard has a removeable label insert (shown in Figure 1-2), so that you can supply a custom keyboard template. Figure 1-3 shows the TD 200 keyboard label insert dimensions.

Follow these steps to remove and insert the TD 200 label insert.

1. Remove the label insert by pulling the label insert tab out of the semi-circularcutout with a pair of pointed tweezers. See Figure 1-2.

2. Pull the label insert over the edge of the plastic housing.

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3. Customize the label insert on the reverse side, or create a custom keyboard template following the dimension guide in Figure 1-3.

4. Insert the customized label insert by placing the corner of the insert in the semi-circular cutout (shown in Figure 1-4). Rotate the label insert so that it is oriented correctly.

The TD 200 communicates to the S7-200 CPU through the TD/CPU cable. You can configure the TD 200 using the TD/CPU cable in the following ways.

Use a one-to-one network configuration when you have just one S7-200 CPU to connect to one TD 200. A one-to-one configuration consists of a TD 200, an S7-200 CPU, and a TD/CPU cable that is supplied with the TD 200.

The TD 200 receives power either from the S7-200 CPU or from an external plug-in power supply unit. Use this type of power supply when the distance between theTD 200 and the S7-200 CPU is less than 2.5 m (8.2 ft.), the length of the TD/CPU cable. Use this type of power supply when the distance between the TD 200 and the S7-200 CPU is greater than 2.5 m (8.2 ft.). The TD 200 requires 120 mA at 24 VDC to operate.

Do not supply power to the TD 200 on both the communications connector and the external power connector. If you do so, the TD 200 may draw power from both the S7-200 CPU and the external power connector.

Supplying power to the TD 200 on both the communications connector and the external power connector may cause overheating of the S7-200 CPU. This may cause damage to your CPU.

The TD 200 is delivered with a self-adhesive protective film on the display window to protect it from dirt or scratches. The film partially covers the front plate and should be removed before you use the TD 200.

To clean the TD 200, use a soft cotton cloth and a neutral cleaning agent. Ensure that the cleaning agent liquid does not get into the TD 200 device. The TD 200 is a text display device that displays messages enabled by the S7-200 CPU. You do not have to configure or program the TD 200. The only operating parameters stored in the TD 200 are the address of the TD 200, the address of the CPU, the baud rate, and the location of the parameter block. The configuration of the TD 200 is stored in a TD 200 parameter block located in the variable memory (V memory) of the CPU. The operating parameters of the TD 200, such as language, update rate, messages, and message-enabled bits, are stored in the TD 200 parameter block in the CPU.

Upon power-up, the TD 200 reads the parameter block from the CPU. All of the parameters are checked for legal values. If everything is acceptable, the TD 200 starts actively polling the message-enabled bits to determine what message to display, reads the message from the CPU, and then displays the message.

STEP 7-Micro/WIN provides a “wizard” that makes it easy to configure the parameter block and the messages in the data memory area of the S7-200 CPU. The TD 200 Configuration Wizard automatically writes the parameter block and message texts to the data block editor after you finish choosing the options and creating the messages. This data block can then be downloaded to the CPU.

1、Selecting Language and Character Set

The first dialog box in the TD 200 Configuration Wizard allows you to select the

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language and character set. Use the drop-down list box shown in Figure 2-2 to select the language in which the TD 200 menus display. This selection does not affect the text of the user messages displayed on the TD 200.

2、Enabling Time-of-Day, Force Function, and Password Protection

The Time-of-Day (TOD) and force menu selections allow you to selectively enable the TOD Clock menu and/or the Force menu. Once a selection is enabled, you are allowed to access that menu in the TD 200. If the menu is not enabled, it does not appear in the TD 200 Menu mode.

3、Specifying Function Key Memory Bits and Display Update Rate

You must reserve eight bits of internal memory (M bits) for the TD 200 to use when a function key is pressed. Your program can inspect these bits and take an action when a key is pressed. One M bit is set by the TD 200 each time the corresponding function key is pressed. Always reserve an M Area address even when your program does not utilize function keys. Valid address values for specific CPUs are defined in the SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual.

4、Selecting Message Size and Number of Messages

The dialog box shown in Figure 2-6 allows you to set the message size and quantity of messages. Select a 20- or 40-character size for your messages. (For Chinese characters, you select one row of text or two rows of text.) The TD 200 supports up to 80 messages. Enter a number from 1 to 80 in the text field to specify the number of messages you want to create. 5、Specifying Parameter Block Address, Message Enable Address, and Message Location

The starting byte for the message enable flags defines the location in V memory at which the message enable flags begin. The default location is 14. There are eight message enable flags stored in each byte. Whole bytes must be allocated for message enable flags even if all the bits are not used. The “Starting byte for enable flags” field specifies how many bytes of V memory are needed for message enable flags. 6、Creating A Text-Only Message

The dialog box allows you to enter the text for a TD 200 message. The dialog box shows you the starting address of the message (Message beginning address). It also shows you the address of the message-enabled bit for this message. Your program uses this message-enabled bit to control the display of this message on the TD 200. Setting the message-enabled bit to a 1 causes the TD 200 to read and display this message. 7、Embedding Data Values in a Text Message

You can place a data value within the message that displays on the TD 200. In order to display a data value, you must reserve space in the message for the data value and for format information. The format information tells the TD 200 how to display and edit the data value. The format information requires the space of two characters in your message. Word data values require the space of two characters in addition to the format information (four characters total). Double word or real (floating point) values require the space of four characters in addition to the format information (six characters total). 8、Formatting the Embedded Data Value

This dialog box allows you to specify the data type, format, and display characteristics of an embedded data value. You can also select whether or not the message requires acknowledgement, whether the data value can be edited, and whether or not editing requires a

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password. Some options depend on the selections you make and do not appear when the dialog box opens.

9、Creating a Message That Requires Acknowledgement

To ensure that important messages are displayed and acknowledged by an operator, you can configure a message to require acknowledgement. This message flashes when displayed on the TD 200. The operator must press the ENTER key on the TD 200 to acknowledge the message.

10、Viewing the TD 200 Parameter Block and Messages

The TD 200 Configuration Wizard creates a data block containing the TD 200 parameter block and messages. You can open the data block editor to view the TD 200 parameter block and messages that were formatted by the wizard.

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外文文献译文

TD200 简介

Text Display 200(TD 200)是可编程序逻辑控制器S7-200系列文本显示和操作员界面。

下面是对TD 200特点的说明：显示从S7-200CPU读来的信息,可以调整选定的程序变量，提供强制/非强制I/O点能力，提供为具有实时时钟的CPU设置时间和日期的能力，提供六种语言形式的菜单和提示（英、德、法、西班牙、意大利及中文），提供多种字符集以支持中文及英文。

TD 200既可以单独供电，也可由S7-200CPU通过TD/CPU电缆供电。当TD 200与一个或几个S7-200CPU连接时，其作用是一个网络的主站。在网络中TD 200的设计使其可以与其他主站一起工作。多个TD 200可以与连接在同一网络上的一个或几个S7-200CPU一起使用。

配置和使用TD 200所需要的其他设备的目录：S7-200系列可编程序控制器，S7-200编程器，适合于编程器的编程电缆。

TD 200是一个小巧紧凑的设备，配备有与S7-200CPU连接所需的全部部件。TD 200主要由文本显示区、垫圈、通讯端口、电源连接、TD/CPU电缆、用户标签、键、垫片。

TD 200共有9个键，分别为ENTER、ESC、UP ARROW、DOWN ARROW、SHIFT、F1、F2、F3、F4。

可通过为特殊功能指示至多4个键来实现客户化TD 200键盘。TD 200有9个键，其中5个键提供预定义的与上下文有关的功能，另4个键则提供用户定义的功能。键盘具有可移动的标号插件，这样就可提供一个用户键盘样板。

按照下列步骤取出和插入TD 200标号插件：

1、用一把尖头镊子从半圆形开口处取出标号插件； 2、将标号插件取出至塑料外壳的边缘处；

3、在反面客户化标号插件，或按照尺寸建立客户键盘样板；

4、将插件的一角放在半圆形插口处，插入客户化的标准插件，转动标号插件使其对正方向。

TD 200通过TD/CPU电缆与S7-200CPU通讯。可以按下列方式用TD/CPU电缆配置TD 200：一对一配置、多S7-200CPU配置。

当只有一个S7-200CPU连接到一个TD 200时，采用一对一网络配置。一对一配置由一个TD 200、一个S7-200CPU和一根与TD 200一起提供的TD/CPU电缆组成。

当有几个S7-200CPU连接到一个或多个TD 200时，采用多CPU网络配置，TD 200缺省地址为1，尽量将与之通讯的CPU设为地址2。

TD 200既可由S7-200CPU供电，也可由一个外部插入式电源供电。当TD 200与S7-200CPU之间的距离小于2.5m时，采用S7-200CPU供电方式；当TD 200与S7-200CPU之间的距离大于2.5m时，采用24V DC外部电源供电方式。TD 200需要120mA,24VDC进行工作，如果想采用较长的电缆（>2.5m）连接TD 200到CPU，需应用PROFIBUS部件。

不要通讯连接器和外部电源连接器上同时对TD 200供电，如果这样做，TD 200就会从S7-200CPU和外部电源同时吸收电源。在通讯连接器和外部电源连接器上同时对TD 200供电会引起S7-200过热，这会损坏CPU。外部电源必须满足NEC class 2要求，为了连接插入式电源装置，在电源电缆上的插头必须断开。TD 200在供货时在显示窗

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口贴有自粘的保护膜以保护显示窗口不被弄脏或划伤，该薄膜部分地盖住面板，在使用TD 200之前要将它取下。为了清洁TD 200，可使用柔软的棉织物和中性的清洁剂，要确保清洁剂液体不要流入TD 200装置中。

TD 200是一个文本显示设备，显示S7-200CPU允许的信息，不必对TD 200组态和编程，唯一存储在TD 200里的操作参数是TD 200的地址，CPU的地址，波特率和参数块的位置。TD 200的组态存储在CPU可变存储区里的一个TD 200参数块中。TD 200的操作参数，例如语言、更新速率、信息和信息使能位，存储在CPU中TD 200参数块内。

上电后，TD 200从CPU读取参数块。对所有参数均进行合理化检查。如果一切合格，TD 200开始主动轮询信息使能为以决定要显示的信息，并从CPU读取信息，然后显示信息。

STEP7-Micro/WIN提供一个向导，它便于在S7-200CPU数据存储区中组态参数块和信息，在完成选择项的选择和信息的建立之后，TD 200组态向导自动把参数块和信息文本写入数据块编辑器，然后数据块将下装到CPU。

1、选择语言和字符集

TD 200组态向导的第一个对话框，用来选择语言和字符集，这个选择不影响显示在TD 200上的用户消息文本。

2、启用Time-of-Day,Force功能和口令保护 利用Time-of-Day,Force（TOD）和强制菜单的选择，可以分别启用TOD Clock菜单，选择项起用后，即可访问TD 200里的相应菜单。如果此菜单没有启用，它将不在TD 200Menu方式里出现。

3、确定功能键存储位和显示更新速率

当按功能键时，必须保留标志存储器的8个位供TD 200使用。当按一个键时，程序检查这些位置并完成一个动作，每按一次相应的功能键，TD 200就置位一个M位。甚至在程序不使用功能键时，也应经常保留一个M Area地址。

4、选择消息的长度和消息的数量

可供选择的消息长度为20或40个字符，TD 200最多可以支持80条消息，输入一个1-80之间的数到文本字段，以确定要建立的消息数目。

5、指定参数块地址、消息使能地址和消息位置

TD 200在CPU的V存储器里寻找参数块，参数块的缺省位置是VB0。消息使能标志的起始字节决定了V存储器里消息使能标志开始的位置。缺省位置是14，每个字节存储有8个消息使能标志。即使不是所有的位都使用，全部字节也必须分配给消息使能标志。

6、建立只有文本的消息

对话框给出消息的起始地址，它还给出消息的使能位地址，程序用消息使能位控制消息在TD 200上的显示，将此消息使能位置为1，使TD 200读取和显示消息。

7、把数据值嵌入文本消息

数值可以放在TD 200显示的消息中间。为显示数据值，必须在消息中为数据值和格式消息留有空间。格式消息告诉TD 200如何显示和编辑数据值，格式消息要求在消息中有2个字符的空间，数据值除格式信息外还2个字符的空间，双字或实数值除格式信息外还要求4个字符的空间。

8、格式化嵌入数据值

对话框可以指定一个嵌入数据值的数据值的数据类型、格式和显示特性。还可以选

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择消息是否需要确认，数据值是否可以编辑和编辑是否需要口令，你可以决定一些选择项，在对话框打开时不出现。

9、建立要确认的消息

为了确保操作员对消息的显示和确认，可以组态一个要确认的消息。此消息在TD 200上显示时闪烁，操作员按TD 200上的ENTER键确认此消息。

10、TD 200参数块和信息

TD 200组态向导建立了一个包括TD 200参数块和消息的数据块。可以打开数据块编辑器来浏览Wizard格式化了的TD 200参数块和消息。

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附录D 源程序

**************************************主程序*****************************************

LD SM0.1

CALL SBR_0； 调用初始化子程序 LD Q0.1 AN M2.0 O I0.2 A I0.1 O I0.3 =Q0.1 LD I0.3 = M2.0 LD I0.4 = Q0.2 LD I0.6 = Q0.4 **************************************子程序*****************************************

LD SM0.0

MOVR VD20，VD104； 装入设定值 MOVR VD21，VD112； 装入回路增益 MOVR 0.1，VD116； 装入采样时间0.1s MOVR VD22，VD120； 装入积分时间 MOVR 0.0，VD124； 关闭微分作用

MOVB 100，SMB34； 设定定时中断0的时间间隔为100ms ATCH INT_0，10； 设置定时中断，以定时执行PID指令 ENT； 允许中断 *******************************中断服务程序*****************************************

LD SM0.0

ITD AIW0，AC0； 把模拟量输入寄存器的值（单极性）

转换成双字整数存入AC0

DTR AC0，AC0； 双字整数转换为实数 /R 32000.0，AC0； 标准化AC0中的值

MOVR AC0，VD100； 将AC0中的值存入回路表VD100 LD I0.0

PID VB100，0； 在自动方式下执行PID指令 LD SM0.0

MOVR VD108，AC0

*R 32000.0，AC0； 将输出值刻度化

ROUND AC0，AC0； 将实数转换为双字整数 DTI AC0，AC0； 将双字整数转换为整数

MOVW AC0，AQW0； 将整数值写到模拟量输出寄存器

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