基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計

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摘 要 I 摘 要 隨社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展 人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷 提高 再加上目前水電資源緊張 利用先進(jìn)的自動化技術(shù) 控制技術(shù)以及通 訊技術(shù) 設(shè)計高性能 高節(jié)能 能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨 勢 本設(shè)計選擇PLC和變頻器來構(gòu)成恒壓供水控制系統(tǒng) 完成了控制系統(tǒng)的 硬件選擇 資源分配以及控制系統(tǒng)程序設(shè)計與仿真等任務(wù) 闡述了系統(tǒng)的組 成 系統(tǒng)的功能 工作原理以及安全措施 利用變頻器和PLC技術(shù)相結(jié)合的 方式實現(xiàn)變頻恒壓供水 能取得恒壓供水的效果 能提高水泵的運行效率 滿足了自動化要求 甚至不需要人員的值守 也達(dá)要節(jié)能可靠的目的 可以 提供穩(wěn)定壓力的水源 關(guān)鍵詞 恒壓供水 變頻調(diào)速 S7 2OO PLC ABSTRACT II ABSTRACT With the rapid social and economic development people on water quality and water supply to demand for improved system reliability coupled with the current water resource constraints the use of advanced automation technology control technology and communication technology design high performance high energy able to adapt Water supply system in different fields has become an inevitable trend Select the PLC and frequency converter designed to form the constant pressure water supply control system of the control system hardware selection resource allocation and program design and simulation of control systems and other tasks The composition of the system are described the system function working principle and safety measures Use of inverter and PLC technologies to achieve a combination of constant pressure water supply can achieve the effect of constant pressure water supply pump efficiency can increase to meet the automation requirements even without staff on duty but also of the purpose to energy saving and reliablecan provide a stable source of water pressure Key words Constant pressure water supply frequency control s7 200 PLC 目 錄 1 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒 論 1 1 1 本課題研究的背景 1 1 1 1 恒壓供水的現(xiàn)狀 1 1 1 2 可編程控制器的重要性 2 1 2 可編程序控制器在恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用 3 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其控制要求 5 2 1 系統(tǒng)的工藝流程 5 2 1 1 系統(tǒng)工作原理 5 2 2 2 系統(tǒng)的工作流程 6 2 2 系統(tǒng)的控制要求 8 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 11 3 1 變頻器的選型 11 3 1 1 變頻器的原理 11 3 1 2 變頻器的特點 12 3 1 3 變頻器控制電動機的轉(zhuǎn)速原理 12 3 1 4 變頻器的選型 13 3 2 壓力傳感器的選擇 13 3 3 PLC 及擴展模塊的選擇 14 3 3 1 PLC 機型選擇 14 3 3 2 擴展模塊的選擇 15 3 3 3 PLC 的 I O 配置及外圍接線 15 4 PID 回路的計算 18 4 1 PID 控制算法及特點 18 4 2 PID 參數(shù)整定 20 5 程序設(shè)計及仿真 21 5 1 系統(tǒng)主程序設(shè)計及仿真 21 5 2 系統(tǒng)初始化程序及仿真 32 5 3 PID 子程序設(shè)計及仿真 34 目 錄 2 結(jié) 論 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 1 緒 論 1 1 緒 論 1 1 本課題研究的背景 1 1 1 恒壓供水的現(xiàn)狀 近年來我國社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展 城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速 人 們生活水平的大大提高 同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求 小區(qū)供水的可靠性 穩(wěn)定性 經(jīng)濟(jì)性能直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生 活 傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有 氣壓罐供水 恒速泵加壓供水 水塔高位水箱 供水 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式 其優(yōu) 缺點如下 氣壓罐供水的優(yōu)點 具有體積小 技術(shù)簡單 不受高度限制 氣壓罐供水的缺點 這種供水方式對水的調(diào)節(jié)量比較小 水泵電機是硬 起動并且起動頻繁 對電機耗損比較大 系統(tǒng)維護(hù)工作量巨大 對電器設(shè)備 要求較高 而且為減少水泵起動次數(shù) 停泵壓力往往比較高 致使水泵在低 效段工作 而出水壓力過高 也使電和水的浪費加大 從而限制了其發(fā)展 恒速泵加壓供水方式優(yōu)點 容易建設(shè)實現(xiàn) 設(shè)備簡單 容易操作 恒速泵加壓供水方式缺點 無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時快速的反應(yīng) 水泵的增減都需要依賴人工進(jìn)行手工操作 自動化程度過低 而且為了保證 供水 水泵電機組常處于滿負(fù)荷運行 不但效率低 耗電量巨大 而且在用 水量較少時 管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài) 管道爆損現(xiàn)象嚴(yán)重 破壞性非常 大 水塔高位水箱供水優(yōu)點 具有控制方式簡單 運行經(jīng)濟(jì)合理 短時間 維修或停電可不停水等 水塔高位水箱供水缺點 基建投資大 占地面積大 維護(hù)不方便 水泵 電機為硬起動 啟動電流過大 頻繁起動易損壞聯(lián)軸器 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)優(yōu)點 能做到變頻調(diào)速 自動化程度要優(yōu)于 上面 3 種供水方式 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)缺點 系統(tǒng)開發(fā)周期比較長 對操作員的文化 素質(zhì)要求比較高 可靠性比較低 維修不方便 并且不適用于惡劣的環(huán)境 1 由此可知傳統(tǒng)的供水方式普遍存在不同程度的浪費水力 電力資源 可 靠性差 效率低 自動化程度不高等缺點 這樣的供水系統(tǒng)嚴(yán)重影響了居民 安全穩(wěn)定的用水 目前的居民的供水方式朝著高效節(jié)能 自動可靠 快速控 1 緒 論 2 制的方向發(fā)展 變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式 1 緒 論 3 在調(diào)速水泵效果上尤為突出 其優(yōu)越性表現(xiàn)在 一是節(jié)能十分明顯 二是在 開 停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊和供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊 三是能 減小水泵 電機自身的機械沖擊損耗 1 1 2 可編程控制器的重要性 PLC 已經(jīng)非常普遍的在現(xiàn)代自動化設(shè)備上使用 取代了很大一部分傳統(tǒng) 繼電器控制電路 這是因為 PLC 具有先天的綜合優(yōu)勢 功能強 性能價格比高 一臺小型 PLC 內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件 如計時器 計 數(shù)器 繼電器等 有很強的功能 可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能 PLC 與 相同功能的繼電器相比較 具有很高的性價比 硬件配套齊全 使用方便 適應(yīng)性強 可編程序控制器產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 系列化 模塊化 配備有品種齊全的 各種硬件裝置供用戶選用 用戶能夠靈活方便的進(jìn)行系統(tǒng)配置 組成不同的 功能 不規(guī)模的控制系統(tǒng) 可編程序控制器的安裝接線也很十分的方便 一 般用接線端子可以直接連接外部接線 PLC 具有很強的帶負(fù)載能力 不需要 驅(qū)動模塊 直接驅(qū)動一般的電磁閥和交流接觸器 可靠性高 抗干擾能力強 傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器 時間繼電器 由于 繼電器的觸點接觸不良 容易出現(xiàn)故障 PLC 用軟件代替大量的中間繼電器 和時間繼電器 僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量接觸點 接線可減少互繼電 器控制系統(tǒng)的 1 10 1 100 所以觸點接觸不良造成的故障大為減少 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施 具有很強的抗干擾能力 平 均無故障時間達(dá)到數(shù)萬小時以上 可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場 PLC 已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一 編程方法簡單 梯形圖是使用得最多的可編程序控制器的編程語言 其電路符號和表達(dá) 方式與繼電器電路原理圖相似 梯形圖語言形象直觀 易學(xué)易懂 熟悉繼電 器電路圖的電氣技術(shù)人員只要花幾天時間就可以熟悉梯形圖語言 并用來編 制用戶程序 梯形圖語言實際上是一種面向用戶的一種高級語言 可編程序控制器在 執(zhí)行梯形圖的程序時 用解釋程序?qū)⑺?翻譯 成匯編語言后再去執(zhí)行 體積小 能耗低 對于復(fù)雜的控制系統(tǒng) 使用 PLC 后 可以減少大量的中間繼電器和時間 繼電器 小型 PLC 的體積只有幾個繼電器大小 因此可將開關(guān)柜的體積縮小 1 緒 論 4 到原來的確 1 2 1 10 PLC 的配線比繼電器控制系統(tǒng)的配線要少得多 因此 可以省下大量的配線和其他的附件 減少大量的安裝接線工時 可以減少大 量費用 能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊 PLC 可以與電腦及智能儀表等通過通信聯(lián)網(wǎng) 實現(xiàn)分散控制 集中管理 的集散控制 并能實現(xiàn)地顯示出當(dāng)前機械設(shè)備的工作狀態(tài)和工作流程 對生 產(chǎn)管理和現(xiàn)場維修帶來極大的方便 1 2 可編程序控制器在恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用 可編程序控制器 PLC 是集計算機 儀器儀表 電氣控制等技術(shù)于一 身的電子設(shè)備 具有高可靠性 強抗干擾能力 編程簡單 低成本等特點 再加上 PLC 發(fā)展過程中產(chǎn)品的系列化 產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化 使 PLC 從早期的基 本邏輯控制 簡單的順序控制迅速發(fā)展到了現(xiàn)在的復(fù)雜的連續(xù)控制 開始進(jìn) 入批量控制和過程控制領(lǐng)域 并迅速成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的核心 由于 PLC 的強大功能和優(yōu)點 使 PLC 在我國的基礎(chǔ)水工業(yè)自動化控制系 統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用 PLC 在水工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有自來水 廠監(jiān)控系統(tǒng) 自動加氯加礬控制系統(tǒng) 水泵的變頻調(diào)速和水工業(yè)自動控制等 其他的系統(tǒng)中 其主要功能是采集工藝參數(shù) 控制生產(chǎn)過程 處理信息 監(jiān) 測設(shè)備運行狀態(tài)以及監(jiān)測水質(zhì)等 恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺電機和水泵 這比設(shè)單臺電機和水泵供水系 統(tǒng)可靠 穩(wěn)定 延長了電機和水泵的壽命 避免水泵長時間使用而快速老化 如果配單臺電機和水泵 它們的功率必須足夠的大 在用水量少時開一臺大 電機肯定是浪費 不僅浪費電能 也浪費水資源 也會造成管網(wǎng)的壓力過大 使管道有爆破的危險 如果電機選小了 當(dāng)用水量大時供水會不足 并且水 泵和電機都有維修的時候 備用電機泵是必要的 恒壓供水的主要目標(biāo)是保 持管壓網(wǎng)水壓的恒定 為用戶提供穩(wěn)定可靠的水源 變頻器可以使水泵電機 的轉(zhuǎn)速跟隨用水量的變化而變化 這就要用變頻器為水泵供可變頻率的電源 調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速 為水泵電機配變頻器有兩種配置方式 一是為每臺水泵電 機配一臺變頻器 這中配置很方便 電機與變頻器間不需要進(jìn)行切換 但是 購買變頻器的費用較高 成本很高 另一種方案是幾臺電機配一臺變頻器 變頻器與水泵電機見可以進(jìn)行切換 當(dāng)供水運行時 一臺水泵連接變頻器進(jìn) 行變頻運行 其余水泵工頻運行 以滿足不同用水兩的需求 2 基于 PLC 的恒壓供水自動控制系統(tǒng)原理 壓力傳感器把壓力傳給 PLC PLC 實時跟蹤管網(wǎng)當(dāng)前壓力值 并與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較 通過 PID 運 1 緒 論 5 算 PLC 輸出一個變化的直流電壓信號 直流電壓信號作為變頻器頻率給定 的輸入 調(diào)整電機輸入電源的頻率 控制水泵電機的轉(zhuǎn)速 從而達(dá)到保持供 水壓力恒定的目的 比如 當(dāng)管網(wǎng)水壓力下降時 PLC 通過 PID 運算 輸出 的直流電壓值會升高 變頻器的輸出頻率和電壓值會增加 水泵轉(zhuǎn)速加快 水管網(wǎng)水壓達(dá)到給定壓力值 當(dāng)管網(wǎng)壓力超過給定值時 PLC 輸出的直流電 壓會減小 變頻器的頻率和電壓值開始下降 水泵的轉(zhuǎn)速減慢 從而維持了 管網(wǎng)的壓力值恒定 在恒壓供水系統(tǒng)中電機和變頻器是主要的控制對象 可以自動實現(xiàn)工作 水泵切換以及工作泵變頻和工頻工作狀態(tài)的改變 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 6 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其控制要求 2 1 系統(tǒng)的工藝流程 2 1 1 系統(tǒng)工作原理 整個系統(tǒng)由三臺水泵 一臺變頻調(diào)速器 一臺PLC和一個壓力傳感器及 其他輔助部件構(gòu)成 三臺水泵中每臺泵的出水管都裝有手動閥 以供維修和 調(diào)節(jié)水量手動控制使用 三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要 變頻供水系統(tǒng)中 檢測管路壓力的壓力傳感器 一般采用電阻式傳感器 反饋0 5V電壓信號 或壓力變送器 反饋4 20mA電流 變頻器是供水系統(tǒng)的核心 通過改變電 機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速 無波動穩(wěn)壓和其他的各項功能 該系統(tǒng)的原 理框圖如圖2 1所示 用戶 M 壓力變送器 變頻器 P L C 含 P I D 液位變送器 水池 水泵機組 管網(wǎng)壓力信號 報警信號 水池水位信號 圖 2 1 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理框圖 整個系統(tǒng)以 PLC 為核心 完成系統(tǒng)的控制功能 當(dāng)壓力傳感器傳送來的 標(biāo)準(zhǔn)電流信號后 PLC 將此電流信號與其內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好的初值進(jìn)行比較 若兩個值存在偏差 PLC 就會輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的電流控制信號 把信號傳送給 變頻器的模擬量調(diào)節(jié)控制端 變頻器根據(jù)送來的電流值的大小 產(chǎn)生一個與 之對應(yīng)的控制水泵速度的頻率值 使水泵的供電頻率發(fā)生變化 改變了水泵 的運轉(zhuǎn)速度 從而改變了向管道供水的壓力大小 使管道的實際水壓值恢復(fù) 到預(yù)先設(shè)定好的值上 PLC 在系統(tǒng)中另一個作用是控制變頻器的交流接觸器組進(jìn)行工頻 變頻 的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 7 2 2 2 系統(tǒng)的工作流程 本系統(tǒng)的工作流程如圖 2 2 所示 手動 自動 夜晚 白天 頻率下限 頻率上限 圖 2 2 程序流程圖 本 系 統(tǒng) 設(shè) 置 了 手 動 和 自 動 兩 種 工 作 運 行 方 式 手 動 運 行 方 式 選 擇 此 方 式 時 按 啟 動 按 鈕 或 停 止 按 鈕 可 根 據(jù) 需 要 而 分 別 啟 停 各 水 泵 這 種 方 式 可 以 供 檢 修 或 控 制 系 統(tǒng) 出 現(xiàn) 故 障 時 使 用 自 動 運 行 方 式 啟 動 程 序 在 自 動 運 行 方 式 下 開 始 啟 動 運 行 時 首 先 檢 測 水 池 水 位 若 水 池 水 位 符 合 設(shè) 定 水 位 要 求 1 水 泵 首 先 啟 動 如 果 檢 測 到 壓 力 值 達(dá) 不 到 要 求 將 變 頻 器 的 交 流 接 觸 器 吸 合 電 機 與 變 頻 器 連 通 水 泵 變 頻 啟 動 變 頻 器 輸 出 頻 率 從 0Hz 開 始 上 升 此 時 壓 力 變 送 器 檢 測 壓 力 信 號 反 饋 給 PLC 由 PLC 經(jīng) PID 運 算 后 控 制 變 頻 器 的 頻 率 輸 出 如 果 管 道 壓 力 不 夠 則 頻 率 上 升 最 大 達(dá) 到 50Hz 達(dá) 到 50Hz 時 壓 力 還 達(dá) 不 到 要 求 延 時 一 定 時 間 后 將 變 頻 泵 切 換 為 工 頻 另 一 變 頻 交 流 接 觸 器 吸 合 開始 手動 自動 手動模式 根據(jù)輸 入按鈕執(zhí)行相應(yīng)動 作 白天 夜晚 執(zhí)行夜晚壓力值 執(zhí)行白天壓力值 頻率變化執(zhí)行減泵程序 執(zhí)行增泵程序 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 8 變 頻 啟 動 2 水 泵 頻 率 逐 漸 上 升 直 至 管 道 壓 力 達(dá) 到 設(shè) 定 壓 力 依 次 類 推 增 加 水 泵 水 泵 切 換 程 序 如 若 用 水 量 減 小 出 水 壓 力 值 超 過 了 設(shè) 定 壓 力 則 PLC 控 制 變 頻 器 降 低 變 頻 器 的 輸 出 頻 率 控 制 水 泵 轉(zhuǎn) 速 減 少 出 水 量 來 穩(wěn) 定 出 水 壓 力 若 變 頻 器 輸 出 頻 率 低 于 設(shè) 定 值 而 出 水 壓 力 仍 高 于 設(shè) 定 壓 力 值 時 PLC 開 始 計 時 若 在 一 定 時 間 內(nèi) 出 水 壓 力 降 低 到 設(shè) 定 壓 力 PLC 放 棄 計 時 繼 續(xù) 變 頻 調(diào) 速 運 行 若 在 一 定 時 間 內(nèi) 出 水 壓 力 仍 高 于 設(shè) 定 壓 力 根 據(jù) 先 開 先 停 的 原 則 PLC 將 停 止 正 在 運 行 的 水 泵 中 運 行 時 間 最 長 的 工 頻 泵 直 至 出 水 壓 力 達(dá) 到 設(shè) 定 值 啟 動 夜 晚 模 式 對 于 居 民 生 活 供 水 或 其 它 用 水 時 段 性 較 強 的 供 水 系 統(tǒng) 可 設(shè) 置 的 壓 力 值 比 白 天 壓 力 值 小 例 如 在 晚 上 12 點 到 凌 晨 5 點 居 民 生 活 用 水 很 少 如 果 還 是 使 用 用 水 量 比 較 大 的 壓 力 值 的 話 會 造 成 電 能 和 水 源 的 浪 費 在 夜 晚 是 可 以 使 用 另 一 個 比 較 小 的 壓 力 值 水 池 水 位 檢 測 在 自 動 供 水 的 過 程 中 若 水 位 低 于 設(shè) 定 的 報 警 水 位 時 蜂 鳴 器 發(fā) 出 缺 水 報 警 信 號 若 水 位 低 于 設(shè) 定 的 停 機 水 位 時 停 止 全 部 水 泵 工 作 防 止 水 泵 干 抽 并 發(fā) 出 停 機 報 警 信 號 若 水 池 水 位 高 于 設(shè) 定 的 水 池 上 限 水 位 時 自 動 關(guān) 斷 水 池 給 水 管 電 動 閥 門 停 止 向 供 水 池 供 水 自 動 啟 動 有 時 候 會 停 電 若 無 人 值 班 恢 復(fù) 供 電 后 若 系 統(tǒng) 無 法 啟 動 而 造 成 斷 水 為 此 本 系 統(tǒng) 設(shè) 置 了 通 電 后 自 動 變 頻 啟 動 方 式 當(dāng) 電 源 恢 復(fù) 后 PLC 會 發(fā) 出 報 警 指 令 蜂 鳴 器 發(fā) 出 警 告 聲 音 然 后 按 自 動 運 行 方 式 變 頻 啟 動 1 泵 直 到 穩(wěn) 定 地 運 行 在 給 定 水 壓 值 故 障 處 理 變 頻 器 的 故 障 處 理 是 按 照 冗 余 設(shè) 計 原 則 考 慮 的 也 就 是 變 頻 器 發(fā) 生 故 障 時 系 統(tǒng) 也 要 不 間 斷 供 水 當(dāng) 變 頻 器 突 然 發(fā) 生 故 障 蜂 鳴 器 報 警 PLC 會 發(fā) 指 令 使 全 部 的 水 泵 停 止 工 作 然 后 使 1 泵 工 頻 運 行 經(jīng) 過 一 定 延 時 后 根 據(jù) 管 道 網(wǎng) 內(nèi) 水 壓 力 變 化 情 況 再 使 2 泵 工 頻 運 行 此 時 PLC 切 換 泵 則 根 據(jù) 實 際 水 壓 的 變 化 在 工 頻 泵 間 切 換 當(dāng) 出 現(xiàn) 水 池 無 水 停 機 電 動 機 欠 壓 過 壓 錯 相 電 機 故 障 等 情 況 時 蜂 鳴 器 均 能 發(fā) 出 警 報 聲 如 果 條 件 許 可 時 可 以 添 加 MODEM 模 塊 在 變 頻 器 電 動 機 發(fā) 生 故 障 時 能 通 過 遠(yuǎn) 程 通 信 口 撥 叫 值 班 人 員 電 話 通 知 有 關(guān) 人 員 前 來 維 修 所 有 故 障 解 決 恢 復(fù) 正 常 后 自 啟 動 前 也 要 發(fā) 出 報 警 信 號 3 2 2 系統(tǒng)的控制要求 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用多種場合的供水要求 該系統(tǒng)具有以下特點 系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓力值 壓力是一個過程控制量 同 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 9 其他一些過程控制量 如 溫度 速度 濕度等 一樣 對控制作用的響應(yīng)具 有滯后性 同時用于控制水泵轉(zhuǎn)速的變頻器也存在一定的滯后性 自來水管網(wǎng)中因為存在阻力和水錘效應(yīng)等因素的影響 同時水泵自身 有一些固有的特性 使水泵轉(zhuǎn)速快慢的的變化與管網(wǎng)壓力大小的變化成正比 因此本次設(shè)計的供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng) 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中 由于有工頻泵的加入到系統(tǒng)中 而工頻 泵的控制停止和運行是時時發(fā)生的 同時工頻泵的運行狀態(tài)也直接影響供水 系統(tǒng)的中的模型參數(shù) 使系統(tǒng)不確定性地發(fā)生變化 因此可以這樣認(rèn)為 變 頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的 當(dāng)出現(xiàn)意外的情況 比如突然停水 斷電 泵 變頻器或軟啟動器出 現(xiàn)故障等 時 系統(tǒng)能可以根據(jù)泵及變頻器狀態(tài) 電網(wǎng)狀況 水源水位及管 網(wǎng)壓力等工況點自動進(jìn)行切換 停止及報警 保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定 在故障 發(fā)生時 執(zhí)行專門的故障程序 保證在緊急情況下的仍能為用戶進(jìn)行供水 水泵的電氣控制柜 其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口 能 與控制信號或控制軟件相連 能對供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳送 以便顯示 和監(jiān)控以及報表打印等功能 用變頻器 調(diào)節(jié)泵和固定泵的相組合進(jìn)行恒壓供水 節(jié)能效果顯著 對每臺水泵進(jìn)行軟啟動 啟動電流可從零到電機額定電流 減少了啟動電流 對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊 延長了設(shè)備 的使用壽命 結(jié)合以上特點本系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下 由于白天和夜間居民小區(qū)用水量明顯不同 本設(shè)計采用白天供水和夜 間供水兩種模式 兩種模式下設(shè)定的水壓值不同 在白天 小區(qū)的用水量大 系統(tǒng)在高恒壓值下運行 在夜晚 小區(qū)的用水量小 系統(tǒng)在低恒壓值下運行 在用水量比較小的情況下 如果一臺水泵連續(xù)運行工作時間超過了 3 小時 需要切換下一臺水泵運行 避免因一臺水泵工作時間過長而使水泵壽 命受損 換泵的條件只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下 考慮到節(jié)能和水泵壽命等因素 各個水泵切換順序應(yīng)該遵循先啟先 停 先停先啟原則 有效避免單個水泵長時間工作 系統(tǒng)中的三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能 對水泵的操作要有手 動 自動控制的功能 手動可以在應(yīng)急或檢修時臨時使用 系統(tǒng)要有完善的報警功能 該系統(tǒng)電控系統(tǒng)主電路圖如下圖 2 3 所示為 三臺電機分別為 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 10 M1 M2 M3 M1 M2 M3 三臺電機的工頻運行接觸開關(guān)分別是 KM1 KM3 KM5 M1 M2 M3 的變頻運行分別由接觸器 KM2 KM4 KM6 控制 FR1 FR2 FR3 分別為三臺水泵電機過載保護(hù)用的熱繼電器 QS1 QS2 QS3 QS4 分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關(guān) VVVF 為變頻器 圖 2 3 電控系統(tǒng)主電路 熱繼電器 FR 是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路 電流過大溫度 升高而自動斷開 它在電路中的用作電動機的過載保護(hù) 熔斷器 FU 是電路中的的短路保護(hù)裝置 使用中 由于電路中電流過 大超過允許值產(chǎn)生的熱量可以使串連在主電路中的熔體熔化而切斷電路供電 防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過載 由于變頻器泵站希望每一次啟動電機都為軟啟動 又規(guī)定各臺水泵必須 交替使用以保護(hù)水泵 延長水泵壽命 多泵組的投運需要要有一個合理的水 泵切換方案 控制要求中規(guī)定如果系統(tǒng)中任意一臺水泵連續(xù)工作運行時間不 得超過三個小時 因此每次啟動的新泵或切換的變頻泵后 新運行泵為變頻 運行是合理的 具體的運行操作是 將現(xiàn)行運行的變頻泵從變頻器上切除下 來 并接上工頻電源工作運行 將變頻器復(fù)位并接上新的運行泵 使新運行 泵變頻運行 此外 泵組管理方案中應(yīng)還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制 2 恒壓供水系統(tǒng)工藝流程及其要求 11 這里我們的方案是使用泵號加1的方法來實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)工作控制 3加1 等于1 用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的切換 循環(huán)工作 系統(tǒng)通 電后 按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后 首先啟動變頻器拖動變頻泵 M1工作 根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力值的偏差調(diào)節(jié) 變頻器的輸出頻率 控制Ml的轉(zhuǎn)速 當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值 其供水量與用 水量相平衡時 轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定運行在某一定值 這期間Ml工作在調(diào)速運行狀態(tài) 當(dāng)用水量增加管網(wǎng)水壓減小時 壓力變送器反饋的水壓信號減小 偏差 變大 PLC的輸出信號變大 變頻器的輸出頻率變大 所以水泵的轉(zhuǎn)速開始 增大 供水量增大 最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個新的穩(wěn)定值使壓力達(dá)到設(shè)定 值 反之 當(dāng)用水量減少水壓管網(wǎng)增加時 通過壓力閉環(huán)反饋 減小水泵的 轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值使壓力達(dá)到設(shè)定值 如果當(dāng)用水量繼續(xù)增加時 變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz 此時 用戶管網(wǎng)的實際壓力值還是沒有達(dá)到設(shè)定壓力值 并且滿足了增加水泵運行 的條件 在變頻循環(huán)方式的控制下 在PLC的系統(tǒng)控制下自動把投入水泵M2 變頻運行 同時切換變頻泵M1進(jìn)行工頻運行 系統(tǒng)是對水壓進(jìn)行閉環(huán)反饋調(diào) 節(jié)的 直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止 如果用水量繼續(xù)增加 壓力小于設(shè)定值 滿足了增加水泵的條件 這時PLC會將另一臺泵M3投入變頻運行 如果變頻 器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時 壓力仍然沒有達(dá)到設(shè)定的壓力值時 控制 系統(tǒng)就會發(fā)出報警 當(dāng)用水量下降水壓升高 變頻器的輸出頻率降至下限頻率時 用戶管網(wǎng) 的實際水壓值仍高于設(shè)定壓力值 并且滿足減少水泵的條件時 系統(tǒng)將工頻 泵M2關(guān)掉 恢復(fù)系統(tǒng)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié) 使壓力重新達(dá)到設(shè)定值 當(dāng)用水量 繼續(xù)下降 并且滿足減少水泵的條件時 將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換 將另一臺工 頻泵M1關(guān)掉 4 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 12 控制指 令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控 制 指 令 控 制 指 令 網(wǎng)側(cè)變流器 整流器 逆變器 AC M 運行指令 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3 1 變頻器的選型 3 1 1 變頻器的原理 從頻率變換的形式來說 變頻器可以分為交流 交流和交流 直流 交流兩 種形式 交流 交流變頻器可以將工頻交流電直接變換成頻率 電壓都可以 控制的交流電 這種變頻器稱為直接式變頻器 而交流 直流 交流變頻器則 是先把工頻交流電通過整流器整流變成直流電 再把直流電變換成頻率 電 壓都可以控制的交流電 這種變頻器稱間接式變頻器 通用的變頻器多是交 流 直流 交流變頻器 其基本結(jié)構(gòu)圖如圖 3 1 所示 圖3 1 交 直 交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻器由整流器 中間直流環(huán)節(jié) 逆變器和控制回路組成 現(xiàn)在將各個 部分的功能分述如下 整流器 電網(wǎng)側(cè)的變流器稱為整流器 它的功能是可以把三相 也可 以是單相 的交流電整流成直流電 直流中間電路 直流中間電路的作用是對整流電路的輸出電壓進(jìn)行平 滑過濾 以保證逆變電路和控制電源能夠得到比較穩(wěn)定的直流電源 由于逆 變器的負(fù)載大多是異步電動機 而異步電動機屬于感性負(fù)載 無論是電動機 處于電動或者發(fā)電制動狀態(tài)其功率因數(shù)不可能總不會為 1 因此 在中間的 直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會是有無功功率的交換 這種無功能量需要靠中間 直流環(huán)節(jié)的儲能元件 電容器或電抗器 來緩沖一下 所以又常把直流中間環(huán) 節(jié)稱為中間直流儲能環(huán)節(jié) 逆變器 負(fù)載側(cè)的變流器稱為逆變器 逆變器的主要作用是將在控制 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 13 電路的控制下的直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意 調(diào)節(jié)的交流電源 逆變電路的輸出頻率和電壓就是變頻器的輸出頻率和電壓 控制電路 變頻器的控制電路主要包括主控制電路 信號檢測電路 門極驅(qū)動電路 外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個部分 控制電路的主要任 務(wù)是對逆變器進(jìn)行開關(guān)控制 對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù) 控制 電路是變頻器的核心部分 其性能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能 5 3 1 2 變頻器的特點 變頻器具有過壓 欠壓 過流 過載 短路等自動保護(hù)功能 能夠?qū)崿F(xiàn) 電機的軟起動 減小電氣和機械對電機的沖擊 延長設(shè)備使用壽命等 變頻器在恒壓供水系統(tǒng)主要具有以下幾個特點 節(jié)能 變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備可以使整個供水系統(tǒng)始終保持在最優(yōu)工 作狀態(tài)下 節(jié)電率可以達(dá)到 35 60 這一特點已被廣大用戶所認(rèn)識并 帶來明顯的效益 占地面積小 投人少 效率高 設(shè)備結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)木o湊 占地面積少 維護(hù)十分的方便 維護(hù)費也很低 安裝方便快速 如僅供幾棟居民樓生活用 水的小型供水設(shè)備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方就可以安裝 配置靈活 功能齊全 自動化程度高 供水清潔 無污染 由于變頻恒壓調(diào)速是直接從水源供水 減少了原 有供水方式的二次污染 大大降低水質(zhì)污染的可能性 大家都知道南方的氣 候炎熱潮濕 細(xì)菌和微生物極易繁殖和滋生 尤其是高位水箱很容易生紅蟲 這就需要定期的清洗 通過通信控制 可以實現(xiàn)無人值守 節(jié)省了人力物力 6 3 1 3 變頻器控制電動機的轉(zhuǎn)速原理 水泵電機大多是采用三相異步電動機 而電動機的轉(zhuǎn)速公式為 式 3 1 60 1 fnsp 式中 f 表示電源頻率 p 表示電動機極對數(shù) s 表示轉(zhuǎn)差率 從上式可知 三相異步電動機的調(diào)速方法有 改變電源頻率 改變電機極對數(shù) 改變轉(zhuǎn)差率 采用專門的變極電機進(jìn)行調(diào)控方式控制最簡單 投資省 節(jié)能效果顯著 效率高 但是專門的變極電機是有級調(diào)速 而且級差比較大 即變極控制變 速時轉(zhuǎn)速變化較大 轉(zhuǎn)矩也有很大的變化 因此變極電機只適用于特定轉(zhuǎn)速 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 14 的場合 為了保證較大的調(diào)速范圍可以采用改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 其最大優(yōu)點是 它可以回收轉(zhuǎn)差功率 節(jié)能效果明顯 并且調(diào)速的效果也很好 但是由于線 路過于復(fù)雜 組建和維護(hù)都不方便 也增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 并且成 本也會高 下面重點分析改變供電電源頻率調(diào)速的方法及特點 根據(jù)公式可以知到 當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化很小時 電動機的旋轉(zhuǎn)速度 n 基本上 與電源頻率 f 成正比 連續(xù)調(diào)節(jié)電源的頻率 就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn) 速 但是 只調(diào)節(jié)電源頻率 將導(dǎo)致電機運行性能降低 隨著現(xiàn)在電力電子 技術(shù)的不斷發(fā)展 現(xiàn)在已出現(xiàn)了各種性能良好 工作可靠的變頻調(diào)速電源設(shè) 備 它們促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用 7 3 1 4 變頻器的選型 根據(jù)本次系統(tǒng)的設(shè)計要求 可以選擇德國 Siemens MM440 系列變頻器 的 MICROMASTER 440 該型號的變頻器是西門子 SIMATIC S7 200 SIMATIC S7 300 400 TIA 或 SIMOTION 自動化系統(tǒng)的理想配套設(shè)備 MICROMASTER 440 的功率范圍 0 12KW 至 250KW 內(nèi)部有 PID 控制器 6 個數(shù)字輸入 2 個模擬輸入 1 個用于電動機過熱保護(hù)的 PTC KTY 輸入 3 2 壓力傳感器的選擇 在自動控制系統(tǒng)中傳感器檢測是非常重要的組成部分 傳感器將檢測到 控制量反饋給系統(tǒng) 系統(tǒng)才能實現(xiàn)自動控制 本系統(tǒng)所用的檢測控制量是水 壓 所以系統(tǒng)中選用壓力傳感器 它的作用是通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力 傳感器 把出口水壓力信號轉(zhuǎn)換成 4 20mA 變化的電流信號或 0 10V 間 變化的電壓信號 再將這些標(biāo)準(zhǔn)信號送入 PLC 的輸入端口進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié) 經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較計算 得出一個調(diào)節(jié)參數(shù) 送給變頻器 由 變頻器控制供電電源頻率改變水泵的轉(zhuǎn)速 從而控制了管網(wǎng)的供水量 使供 水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上 當(dāng)用水量超過了當(dāng)前的供水量或供 水量過剩時 傳感器將信號傳給 PLC PLC 通過控制切換器進(jìn)行加減泵 根據(jù)管網(wǎng)壓力值的大小由 PLC 控制工作泵數(shù)量的增減和變頻器對水泵的調(diào) 速 實現(xiàn)恒壓供水 當(dāng)供水量變化時 輸入電機的電源電壓和頻率也隨之變 化 這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng) 除此之外 系統(tǒng)中還 設(shè)置了很多種保護(hù)功能 可以充分保證水泵能夠及時的維修和系統(tǒng)的穩(wěn)定正 常的供水 供水系統(tǒng)的壓強可以根據(jù)液體壓強公式 計算 下面單位都是估gh P 計標(biāo)準(zhǔn)單位 kg m3 g 9 8kg m 2 s 一般情況下居民的樓高 h 60 米 10 所以本系統(tǒng)供水系統(tǒng)管網(wǎng)輸出壓力值一般小于或等于 0 6Mpa 本系統(tǒng)選用 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 15 YTZ 150 型帶電接點式的壓力傳感器 該傳感器水壓檢測壓力范圍為 0 1MPa 檢測精度為土 0 01MPa 可以將 0 1MPa 范圍的壓力對應(yīng)轉(zhuǎn)換 成 0 10V 的電壓信號 該傳感器還具有重量輕 體積小 結(jié)構(gòu)簡單 工作 可靠等特點 壓力傳感器的接線圖如 3 2 所示 圖 3 2 壓力傳感器的接線圖 3 3 PLC 及擴展模塊的選擇 3 3 1 PLC 機型選擇 西門子公司的生產(chǎn)的 S7 200 系列可編程序控制器 適用于各行各業(yè) 各種場合中的檢測 監(jiān)測及控制的自動化系統(tǒng)中 S7 200 系列的 PLC 具有 強大功能使其無論在獨立運行中 還是相連成網(wǎng)絡(luò)都能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜控制功能 S7 200 系列 PLC 出色表現(xiàn)在以下幾個方面 極高的可靠性 極豐富的指令集 易于掌握 便捷的操作 豐富的內(nèi)置集成功能 實時特性 強勁的通訊能力 豐富的擴展模塊 由于西門子的 S7 200 PLC 具有以上優(yōu)點以及 S7 200 主機型號規(guī)格種類 較多 適用不同需求的控制場合 8 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需輸入輸出端口的數(shù)目 還需要考慮到 PLC 端口 數(shù)目要有一定的預(yù)留量 所以選用的西門子 S7 200 型 PLC 的主模塊為 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16 CPU226 CPU226 的開關(guān)量輸入為 24 點 輸出為 16 點 輸入形式為 24V 直流輸入 輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 3 3 2 擴展模塊的選擇 由于該系統(tǒng)中有壓力模擬量輸入 而 S7 200 PLCPLC 的普通輸入輸出端口均 為開關(guān)量處理端口 為了完成模擬的輸入 需要一個模擬量的擴展模塊 模 擬量擴展模塊可以將外部的模擬量轉(zhuǎn)化為 PLC 可處理的數(shù)字量 也可將 PLC 內(nèi)部運算結(jié)果的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量進(jìn)行輸出 EM235 是最常用的模擬量擴 展模塊 它實現(xiàn)了 4 路模擬量輸入和 1 路模擬量輸出的功能 EM235 模擬 9 擴展模塊接線圖 3 3 所示 圖3 3 EM235模擬量擴展模塊接線圖 3 3 3 PLC 的 I O 配置及外圍接線 本恒壓供水系統(tǒng)有 11 個數(shù)字量輸出信號和 1 個模擬量輸出信號 Q0 0 Q0 5 分別輸出三臺水泵電機的工頻 變頻運行信號 Q1 1 輸出水位超 限報警信號 Q1 2 輸出變頻器故障報警信號 Q1 3 輸出白天模式運行信號 Q1 4 輸出報警電鈴信號 Q1 5 輸出變頻器復(fù)位控制信號 AQW0 輸出的模擬 信號用于控制變頻器的輸出頻率 系統(tǒng)有五個輸入量 其中包括 4 個數(shù)字量和 1 個模擬量 壓力變送器將 測得的壓力值輸入 PLC 的擴展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 17 手動按鈕用來控制白天 夜間兩種模式之間的切換 它作為開關(guān)量輸入 I0 0 液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號后送入比較器 在比 較器中設(shè)定水池水位的上下限 當(dāng)超出上下限時 窗口比較其輸出高電平 1 送入 I0 1 變頻器的故障輸出端與 PLC 的 I0 2 相連 作為變頻器故障 報警信號 I0 3 作為試燈信號輸入口 用于手動檢測各個指示燈是否正常 工作 根據(jù)控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱地址編號如下表 3 3 所示 表 3 1 輸入輸出點地址編號 名 稱 地址編號 供水模式信號 1 白天 0 夜間 I0 0 蓄水池的水位上下限信號 I0 1 測試變頻器報警信號 I0 2 指示燈測試信號 I0 3 輸 入 信 號 壓力傳感器輸出模擬量電壓值 AIW0 1 泵工頻運行接觸器及指示燈 Q0 0 1 泵變頻運行接觸器及指示燈 Q0 1 2 泵工頻運行接觸器及指示燈 Q0 2 2 泵變頻運行接觸器及指示燈 Q0 3 3 泵工頻運行接觸器及指示燈 Q0 4 3 泵變頻運行接觸器及指示燈 Q0 5 蓄水池水位上下限報警指示燈 Q1 1 變頻器故障報警指示燈 Q1 2 白天模式運行指示燈 Q1 3 報警電鈴 Q1 4 變頻器頻率復(fù)位控制 Q1 5 輸 出 信 號 變頻器輸入電壓信號 AQW0 PLC 及擴展模塊外圍接線圖如圖 3 4 所示 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 18 圖 3 4 只是簡單的描繪出 PLC 及擴展模塊的外圍接線情況 并不是本 系統(tǒng)具體的外圍接線情況 它忽略了很多因素 直流電源的容量 電 源方面的抗干擾措施 輸出方面的保護(hù)措施 系統(tǒng)的保護(hù)措施等 1 M 0 0 0 1 1 0 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 7 1 6 2 M 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 1 L 0 0 L M 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 3 L 1 0 0 7 0 6 0 5 2 L 0 4 0 3 0 2 0 1 地 1 7 1 6 L 1 N A C C P U 2 2 6 C N 2 R S 4 8 5 M V 0 M 0 地 L R A A I 0 B B R B A D D R D C C R C 偏移 配置增益 E M 2 3 5 I 0 I 1 I 2 Q 0 Q 1 S A 1 窗口 比較器 液位 變送器 水位上下 限信號 S U S L H L S B 7 4 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1 壓力變送器輸 出壓力信號 輸入變頻器 圖 3 4 PLC 及擴展模塊外圍接線圖 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單如表 3 2 表 3 2 硬件型號選擇 主要設(shè)備 型號及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器 PLC Siemens CPU 226 模擬量擴展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 壓力傳感器 YTZ 150 型帶電接點式的壓力傳感器 4 PID 回路的計算 19 4 PID 回路的計算 PID回路控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制方式之 一 它的控制原理是通過傳感器等檢測控制量 反饋量 將控制量與目標(biāo)值 溫度 流量 壓力等 進(jìn)行比較 結(jié)果若有偏差 則通過PID運算結(jié)果控制 系統(tǒng)動作使偏差達(dá)到零 也就是使控制量與設(shè)定的目標(biāo)值相結(jié)果一致 它比 較適用于流量控制 壓力控制 溫度控制等過程量的控制 PID控制的原理 圖如圖4 1所示 在恒壓供水中通過PID控制形式主要有以下兩種 圖4 1 PID 控制原理圖 硬件型 即通用專門的PID控制器 在使用時只需要在PID控制器上 進(jìn)行線路的連接以及P I D 參數(shù)和目標(biāo)值的設(shè)定 軟件型 就是通過使用PLC自身所帶的PID功能 進(jìn)行編程控制內(nèi)部 PID控制器 10 在該系統(tǒng)中我們用軟件型設(shè)計這樣比較經(jīng)濟(jì) 也可充分利用PLC的功能 4 1 PID 控制算法及特點 PID控制根據(jù)目標(biāo)值 設(shè)定值 r t 與控制量 反饋量 y t 相比較 運算出控 制偏差 e t r t y t 將偏差的比例 P 積分 I 和微分 D 通過線性組合 構(gòu)成控制量 對受控對象進(jìn)行控制 其控制規(guī)律為 式 0 1 tdetTeTteKptu 4 1 或 4 PID 回路的計算 20 式 1 0tdeTtte 4 2 式中 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) CK 調(diào)節(jié)器的積分時間 iT 調(diào)節(jié)器的微分時間 d 調(diào)節(jié)器的偏差信號 e 比例帶 它是慣用增益的倒數(shù) u 輸出 PID控制器各個校正環(huán)節(jié)的功能作用有以下3點 比例環(huán)節(jié) 快速即時的成比例地反應(yīng)出控制系統(tǒng)中設(shè)定值與測量值的 偏差信號e t 偏差一旦產(chǎn)生 控制器會馬上產(chǎn)生一個控制信號以減小偏差 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差 提高系統(tǒng)的無差度 積分 作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti Ti越大 積分作用越弱 Ti越小 積 分作用越強 微分環(huán)節(jié) 能反應(yīng)偏差信號的變化速率 并且能夠在偏差信號值變的 超過一定限度之前 系統(tǒng)中會引入一個有效的修正信號 從而加快系統(tǒng)的調(diào) 節(jié)動作速度 減小調(diào)節(jié)時間 1 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是 式 sTnsGcd 4 3 當(dāng)上述控制算法公式中只是包含第 項時 這種稱為比例 P 作用 只 包含第 項時 這種稱為積分 I 作用 但是如果只包含第 項的單純微分 D 作 用是不能采用的 因為它不能調(diào)節(jié)控變量的值達(dá)到設(shè)定值的效果 如果只包 含第 項的稱為PI作用 只包含第 項的稱為 PD作用 同時包含 這三項的稱為PID作用 如果只是用P動作控制 這樣是不能完全消除偏差的 為了消除殘留偏 差 一般采用增加I動作的 采用P I進(jìn)行控制 用PI控制時 能夠有效的消 除由于改變目標(biāo)值和外部環(huán)境的偶然擾動等引起的偏差 但是如果I動作過 強時 會對快速變化偏差響應(yīng)比較遲緩 如果負(fù)載系統(tǒng)有積分元件的可以單 4 PID 回路的計算 21 獨使用P動作控制 對于PD控制 發(fā)生偏差時 很快產(chǎn)生比單獨D動作還要大的操作量 以 此抑制偏差的增加 偏差小時 P動作的作用減小 控制對象含有積分元件 的負(fù)載場合 僅P動作控制 有時由于此積分元件的作用 系統(tǒng)發(fā)生振蕩 在該場合 為使P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定 可用PD控制 換言之 該種 控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負(fù)載 利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用 在結(jié)合P動作就構(gòu)成 了PID控制 本系統(tǒng)就是采用了這種方式 采用PID控制較其它組合控制效果 要好 基本上能獲得無偏差 精度高和穩(wěn)定的控制過程 這種控制方式用于 從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時間的負(fù)載系統(tǒng) 即實時性要求不高 工業(yè) 上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng) 本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié) 效果比 較好 4 2 PID 參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容 它是根據(jù)被控過程 的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù) 積分時間和微分時間的大小 PID 控制 器參數(shù)整定的方法很多 概括起來有兩大類 一是理論計算整定法 它主要 是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù) 這種方法所得到的 計算數(shù)據(jù)未必可以直接用 還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改 二是工程 整定方法 它主要依賴工程經(jīng)驗 直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行 且方法簡 單 易于掌握 在工程實際中被廣泛采用 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法 主要有臨界比例法 反應(yīng)曲線法和衰減法 三種方法各有其特點 其共同點 都是通過試驗 然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定 但無論 12 采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù) 都需要在實際運行中進(jìn)行最后調(diào)整與 完善 現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法 利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的 整定步驟如下 首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作 僅加入比例控制環(huán)節(jié) 直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩 記 下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期 在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù) PID 控制器參數(shù)的工程整定 各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 P I D 參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)以下 可參照 溫度 T P 20 60 T 180 600s D 3 180s 壓力 P P 30 70 T 24 180s 4 PID 回路的計算 22 液位 L P 20 80 T 60 300s 流量 L P 40 100 T 6 60s 5 程序設(shè)計及仿真 23 5 程序設(shè)計及仿真 5 1 系統(tǒng)主程序設(shè)計及仿真 系統(tǒng)運行主程序首先要進(jìn)行一系列的初始化工作 并使擴展模塊 通訊 模塊 A D模塊等 變頻器等設(shè)備與PLC的數(shù)據(jù)傳輸正常 在系統(tǒng)運行過程 中要及時進(jìn)行故障檢測 防止設(shè)備損壞和意外發(fā)生 當(dāng)出現(xiàn)故障時 及時報 警 方便維修人員維修 系統(tǒng)自動啟動后 進(jìn)行恒壓控制 其流程框圖如圖 5 1所示 手動 自動 圖 5 1 PLC 程序流程圖 系統(tǒng)起動之后 檢測是自動運行模式還是手動運行模式 如果是手動運 行模式則進(jìn)行手動操作 人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕 系統(tǒng)根據(jù)按 鈕執(zhí)行相應(yīng)操作 如果是自動運行模式 則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號 執(zhí)行相應(yīng)的操作 手動模式主要是解決系統(tǒng)出錯或器件出問題 在自動運行模式中 如果 PLC 接到頻率上限信號 則執(zhí)行增泵程序 增加水泵的工作數(shù)量 如果 PLC 接到頻率下限信號 則執(zhí)行減泵程序 減 少水泵的工作數(shù)量 沒接到信號就保持現(xiàn)有的運行狀態(tài) 開始 系統(tǒng)初始化 調(diào)用壓力設(shè)定子程序 調(diào)用 PID 子程序 調(diào)用泵切換子程序 自動 手動 檢測 執(zhí)行手動命令 5 程序設(shè)計及仿真 24 利用定時器中斷功能實現(xiàn) PID 控制的定時采樣及輸出控制 白天供水時 系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90 夜晚供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70 在本 系統(tǒng)中 只是用比例 P 和積分 I 控制 其回路增益和時間常數(shù)可通過 工程計算初步確定 根據(jù)系統(tǒng)的要求 采用增益 K 0 25 采樣時間 T 0 2s 積分時間 T 30min 完成一個水壓數(shù)據(jù)采集的任務(wù) 每 200ms 采集 一個數(shù)據(jù) PID 功能 系統(tǒng)采用的是單極性模擬量 遠(yuǎn)程壓力表對水管的水 壓進(jìn)行采樣 利用定時器中斷功能實現(xiàn) PID 控制的定時采樣及輸出控制 程序中使用的 PLC 元器件及其功能如下表 5 1 所示 表 5 1 程序中使用的元器件及功能 器件地址 功能 器件地址 功能 VD100 過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值 T38 工頻泵減泵濾波時間控制 VD104 壓力給定值 T39 工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD108 PI 計算值 M0 0 故障結(jié)束脈沖信號 VD112 比例系數(shù) M0 1 泵變頻啟動脈沖 VD116 積分時間 M0 3 復(fù)位當(dāng)前變頻運行泵脈沖 VD120 積分時間 M0 4 復(fù)位當(dāng)前變頻運動泵脈沖 VD124 微分時間 M0 5 當(dāng)前泵工頻運動啟動脈沖 VD204 變頻起運動頻率下限值 M0 6 新泵變頻啟動脈沖 VD208 白天變頻器運動頻率上限值 M2 0 泵工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD212 夜晚供水變頻器運動頻率上限值 M2 1 泵工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD250 PI 調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元 M2 2 泵工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD300 變頻工作泵的泵號 M3 0 故障信號總匯 VD301 工頻運行的泵的總臺數(shù) M3 1 水池水位上下限故障邏輯 VD310 倒泵時間存儲器 M3 2 水池水位上下限故障消鈴邏輯 T33 工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3 3 變頻器故障消鈴邏輯 T34 工頻 變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3 4 消鈴邏輯 T37 工頻泵增泵濾波時間控制 5 程序設(shè)計及仿真 25 系統(tǒng)的主程序如下圖 5 2 所示 5 程序設(shè)計及仿真 26 5 程序設(shè)計及仿真 27 5 程序設(shè)計及仿真 28 5 程序設(shè)計及仿真 29 5 程序設(shè)計及仿真 30 5 程序設(shè)計及仿真 31 圖 5 2 系統(tǒng)主程序梯形圖 當(dāng)輸入端口 I0 0 為 1 時 即白天模式下 白天指示燈 Q1 3 正常工作 5 程序設(shè)計及仿真 32 1 泵進(jìn)行變頻運行 仿真結(jié)果如圖 5 3 所示 圖 5 3 白天模式下仿真結(jié)果 當(dāng)輸入端口 I0 1 為 1 時 即水池的水超過上限或低于下限 這時應(yīng)該報 警 仿真結(jié)果如圖 5 4 所示 仿真結(jié)果與設(shè)計一致 水泵停止運行 報警信 號燈發(fā)出警告 圖 5 4 水位達(dá)到上下限仿真結(jié)果 本系統(tǒng)要求當(dāng)一臺水泵運行時間超過 3 個小時 會自動切換到另一臺水 泵工作運行 為了快速的得出仿真結(jié)果 我們把程序時間設(shè)置成為一分鐘 這樣不會影響仿真結(jié)果 開始運行時 1 水泵變頻運行 如圖 5 5 所示 當(dāng) 時間到后會自動切換到 2 水泵 如圖 5 6 所示 再等時間到后 系統(tǒng)會自動 5 程序設(shè)計及仿真 33 切換到 3 水泵 如圖 5 7 所示 圖 5 5 1 水泵變頻運行 圖 5 6 2 水泵變頻運行 圖 5 7 3 水泵變頻運行 5 程序設(shè)計及仿真 34 5 2 系統(tǒng)初始化程序及仿真 在系統(tǒng)開始工作的時候 先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化 即在開始啟動的 時候 先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測 如出錯則報警 接著 對變頻器變頻運行的上下限頻率 PID 控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理 賦予 一定的初值 在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接 系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主 程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的 在初始化后緊接著要設(shè)定白天 夜間兩 種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵號和工頻泵投入臺數(shù) 程序梯形圖如 圖 5 8 所示 5 程序設(shè)計及仿真 35 圖 5 8 程序初始化梯形圖 系統(tǒng)調(diào)用初始化子程序后 對一些內(nèi)部寄存器設(shè)置了不同的初值 仿真 結(jié)果如圖 5 9 所示 圖 5 9 初始化子程序仿真內(nèi)存地址的值 5 程序設(shè)計及仿真 36 5 3 PID 子程序設(shè)計及仿真 在系統(tǒng)中 只需選擇一個 它同樣通過定時中斷來調(diào)用 通過對水泵轉(zhuǎn) 速的調(diào)節(jié)