【正文】 PID運(yùn)算程序圖 第六章 PLC程序仿真及調(diào)試 本次設(shè)計(jì)PLC程序的調(diào)試共分為仿真軟件調(diào)試和實(shí)驗(yàn)室調(diào)試兩部分， 版完成的，實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過(guò)程是在實(shí)驗(yàn)室完成的，實(shí)際的輸入信號(hào)可以用鈕子開(kāi)關(guān)和按鈕來(lái)模擬，各輸出量的通／斷狀態(tài)用PLC上有關(guān)的發(fā)光二極管來(lái)顯示，一般不用接PLC實(shí)際的負(fù)載(如接觸器、電磁閥等)。開(kāi)始變量表清零是否采樣向變量表中移入當(dāng)前采樣值，移除最早一次采樣值結(jié)束是否結(jié)束計(jì)算平均值采樣值總和中減去最早一次的采樣值，加上當(dāng)前采樣值開(kāi)始變量表清零否是 采樣值總和中減去最早一次的采樣值，加上當(dāng)前采樣值否是 采用平移式平均值濾波法，對(duì)五次采樣進(jìn)行處理， 表 平移式平均值濾波法處理壓力信號(hào)存儲(chǔ)器地址所存內(nèi)容存儲(chǔ)器地址所存內(nèi)容存儲(chǔ)器地址所存內(nèi)容存儲(chǔ)器地址所存內(nèi)容VW110所存內(nèi)容個(gè)數(shù)數(shù)據(jù)VW114第一次采樣值VW118第三次采樣值VW122第五次采樣值VW112實(shí)際數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)VW116第二次采樣值VW120第四次采樣值VW162平均值 L+ N CPU226 AC/DC/RelayM L1M RA EM235 A+ 4AI/1AO AL+ 220V AC 壓力傳感器 壓力信號(hào)采集電氣接線圖 本次壓力采樣中對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行5次采樣，取其平均值為當(dāng)前壓力值，即平移式平均值濾波法，將采集到的模擬量AIW0填寫到數(shù)據(jù)表中，并將數(shù)據(jù)表中的5個(gè)數(shù)進(jìn)行累加，計(jì)算5個(gè)數(shù)的平均值，保存到VD160單元，最后累加器清零。 這里采用PLC中常用的平移式平均值法，其基本原理為：若要采樣N次，則用這N次采樣值的的平均值代替當(dāng)前值。RETI是無(wú)條件返回指令，CRETI是有條件返回指令 供水壓力采集程序 壓力采集的平移式平均值濾波法 由于壓力管道的原因，在實(shí)際壓力信號(hào)采集過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些無(wú)效的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致壓力PID控制失控，這在遠(yuǎn)傳壓力表信號(hào)中尤為明顯。即保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。 （2）中斷隊(duì)列在PLC中，CPU一般在指定的優(yōu)先級(jí)內(nèi)按照先來(lái)先服務(wù)的原則響應(yīng)中斷事件的中斷請(qǐng)求，在任何時(shí)刻，CPU只執(zhí)行一個(gè)中斷程序。 中斷程序的調(diào)用原則 （1）中斷優(yōu)先級(jí) 在PLC控制系統(tǒng)中通常有多個(gè)中斷源，中斷源可大致分為三類：通信中斷、I/O中斷、時(shí)基中斷。子程序嵌套深度最多為8級(jí)。在子程序執(zhí)行過(guò)程中，如果滿足條件返回指令的返回條件，結(jié)束子程序，返回到原調(diào)用處執(zhí)行。 子程序的調(diào)用指令和返回指令子程序的調(diào)用指令CALL的功能是將正在執(zhí)行的程序轉(zhuǎn)移到編號(hào)為n的子程序。所謂中斷是當(dāng)控制系統(tǒng)執(zhí)行正常程序時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)了某些急需處理的情況或特殊請(qǐng)求，這時(shí)系統(tǒng)暫時(shí)中斷現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去對(duì)隨機(jī)發(fā)生的更緊迫的事件進(jìn)行處理（執(zhí)行中斷服務(wù)程序），當(dāng)該事件處理完后，系統(tǒng)自動(dòng)回到原來(lái)被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。程序開(kāi)始程序結(jié)束調(diào)用初始化子程序報(bào)警指示燈點(diǎn)亮設(shè)置兩種工作方式下水壓給定值NY是否有報(bào)警設(shè)定泵號(hào)規(guī)律NJ變頻器頻率達(dá)上限變頻器故障報(bào)警YNY 變頻器故障5min后，增泵，工頻泵數(shù)加1水位上下限報(bào)警N變頻器頻率達(dá)下限 YN水位越位Y切換運(yùn)行規(guī)律5min后，減泵，工頻泵數(shù)減1N規(guī)律自動(dòng)行 1h產(chǎn)生水泵運(yùn)行規(guī)律切換信號(hào) Y子程序在結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)中是一種方便有效地工具。增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào) 。 生活、消防模式的給定壓力值不同，兩個(gè)恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。這一功能將通過(guò)比較指令加以實(shí)現(xiàn)。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須使工頻接觸器斷開(kāi)，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以QA0和QAQA1和QAQA2和QA5絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入電路進(jìn)行光電隔離、濾波、電平轉(zhuǎn)換等處理后，變成CPU可以接受和處理的信號(hào)。 PLC要能夠識(shí)別和接受描述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)量，同時(shí)要能夠發(fā)出信號(hào)控制執(zhí)行設(shè)備，以達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。 三相電源經(jīng)熔斷器FU0、隔離開(kāi)關(guān)QS接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)，控制變頻器的啟動(dòng)與停止。、MM3的工頻運(yùn)行；、MM3的變頻運(yùn)行；；FUFUFUFU4分別為四臺(tái)水泵電機(jī)短路保護(hù)用的熔斷器；FU0為主電路的熔斷器 ，BBBBBBBB4分別為四臺(tái)水泵電機(jī)的過(guò)載保護(hù)的熱繼電器。 （2）按性能指標(biāo)要求選用 變頻恒壓供水應(yīng)用非常廣泛，比如小區(qū)多層、小高層，還有高壓工業(yè)用水，選擇壓力傳感器必須考慮到量程、準(zhǔn)確度和溫度補(bǔ)償。（6）溫度范圍 壓力傳感器的溫度范圍分為工作溫度范圍和補(bǔ)償溫度范圍。一般最大壓力是額定壓力最大值的2－3倍。在實(shí)際應(yīng)用中傳感器所測(cè)壓力在該范圍之內(nèi)。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況， AFAE HE，其余條件也均符合，輔助泵選擇CR156 ，其額定流量15m3/h，6級(jí)葉輪的多級(jí)離心水泵，揚(yáng)程60~70米，符合要求，以上水泵外殼、軸上均采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)靜電噴塑處理，效率提高 5%以上。假如該棟小區(qū)有用戶100戶，樓層高度為12層，每層3米 水泵安裝在地下室一樓 地下室三米高，對(duì)水泵型號(hào)進(jìn)行選擇， 因?yàn)榭倶菍痈叨葹?2*3+3=39m，計(jì)算出水壓頭，也就是出水壓力，現(xiàn)在的規(guī)范要求居民出水壓頭設(shè)計(jì)為15米，建筑總揚(yáng)程在54米。 （5） 根據(jù)實(shí)際供水系統(tǒng)的規(guī)模即所帶負(fù)荷情況，合理確定水泵的臺(tái)數(shù)。 （3）要適當(dāng)超標(biāo)選水泵。 首先按下P鍵對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位，使變頻器的參數(shù)值回到出廠時(shí)的狀態(tài)。另外選擇西門子的變頻器可以通過(guò)RS485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門子S7200型號(hào)，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。變頻器須根據(jù)水泵電機(jī)的電流和功率進(jìn)行選擇。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是EM235，該模塊具有4個(gè)模擬輸入(AIW)通道，1個(gè)模擬輸出(AQW)信號(hào)通道。 (3) EM235：模擬量混合輸入/輸出(AI/AO)模塊， 1) 4路模擬量輸入，一路模擬量輸出。 3) 最大輸入電壓30VDC，最大輸入電流32mA。本次設(shè)計(jì)中需要擴(kuò)展一個(gè)采集處理壓力信號(hào)的模擬信號(hào)，應(yīng)擴(kuò)展一個(gè)模擬量輸入/輸出（AI/AO）模塊。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。 (2) SIMENS S7200可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。由于目前I/O點(diǎn)數(shù)較多的PLC價(jià)格也較高，若備用的I/O點(diǎn)是數(shù)量太多，將使成本增加。 可編程序控制器（PLC）的選型 機(jī)型的選擇：PLC機(jī)型的選擇應(yīng)是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性能價(jià)格比。功能更改靈活。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 擴(kuò)充臨界比例帶法PID參數(shù)整定控制度調(diào)節(jié)規(guī)律Ts/TcrKc/KcrTi/TcrTd/TcrPIPIDPIPIDPIPIDPIPID模擬控制器PIPID（3）擴(kuò)充響應(yīng)曲線法擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是模擬控制器響應(yīng)曲線補(bǔ)充，是一種開(kāi)環(huán)整定方法?？刂贫仁且阅M控制器為基礎(chǔ)，定量衡量計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制器對(duì)同一對(duì)象的控制效果。 表 被控過(guò)程特點(diǎn)和控制器參數(shù)項(xiàng)目流量、液體壓力氣體壓力液位溫度、蒸汽壓力成分時(shí)滯容量數(shù)周期噪聲無(wú)多容量1~10s有無(wú)單容量0無(wú)無(wú)單容量1~10s有變動(dòng)3~6Min~h無(wú)恒定1~100Min~h往往存在比例度積分作用微分作用100%~500%50%~200%重要不用0~5%不必要不必要5%~100%少用不用10%~100%用重要100%~1000%重要可用 （2） 擴(kuò)充臨界比例法 這是一種基于系統(tǒng)臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)控制法，實(shí)際上也是模擬控制器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來(lái)整定數(shù)字PID算式中的Ts、Kc、Ti和Td。微分環(huán)節(jié)主要作用是控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。(2) 積分環(huán)節(jié)：只要偏差存在，控制就會(huì)發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差變?yōu)榱?。PID控制器作為一種線性控制器，它是對(duì)設(shè)定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)： （）經(jīng)比例(P) 、積分(I) 和微分(D) 運(yùn)算后經(jīng)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，所以稱之為PID控制器。 （3）通信接口方式 可以通過(guò)通信接口，如RS48PROFIBUS等，來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程的頻率給定。外接數(shù)字量信號(hào)接口可用來(lái)設(shè)定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，以及完成分段頻率的控制。變頻應(yīng)用大大提高了工藝的高效性，使變速不依賴于機(jī)械部分，同時(shí)可以比原來(lái)的定速運(yùn)行電機(jī)更加節(jié)能。目前，變頻調(diào)速給水在建筑給水中應(yīng)用越來(lái)越廣，其主要原因是: （1）變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào)，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。此情況下水泵輸出功率正比于H0Q2，由于H1H0，所以當(dāng)使用閥門控制流量時(shí)，有正比于(H1－H0)Q2的功率被損耗，并伴隨著閥門開(kāi)度減小，閥門摩擦阻力變大，管阻特性曲線將上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也將隨之上移，于是H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。從流體力學(xué)可得，水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率P與出水流量Q和管網(wǎng)的水壓H的乘積成正比；水泵轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)水壓H與出水流量Q的平方成正比。轉(zhuǎn)速控制法則是通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)供水流量，不改變閥門開(kāi)度，是通過(guò)改變水的動(dòng)能來(lái)改變流量。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。 恒壓供水系統(tǒng)基本特征水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)供水部分。改變閥門開(kāi)度，實(shí)際上改變的是在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)面向用戶的供水能力。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開(kāi)度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q兩者之間的關(guān)系曲線。由公式可得，轉(zhuǎn)差率基本不變的情況下，三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本與電源頻率f成正比。而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 （）式中異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率，一般小于3%。當(dāng)正在運(yùn)行的供水泵全速運(yùn)行，但仍未達(dá)到給定壓力值時(shí)，切換變頻泵到工頻運(yùn)行，通過(guò)變頻器軟啟動(dòng)另一臺(tái)供水泵。(3) 停止轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于停止位置，設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動(dòng)。若出現(xiàn)電源瞬時(shí)停電的情況，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。(5) 通訊接口通訊接口作為本系統(tǒng)的重要組成部分，借助于該接口，系統(tǒng)能夠和組態(tài)軟件以及其他的工控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)通訊接口，還可以把現(xiàn)代較為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，類似于可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等。應(yīng)用于在供水控制器的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換等。供水控制器直接采集系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)，對(duì)人機(jī)接口和通訊接口所提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案，通過(guò)變頻器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (水泵) 進(jìn)行規(guī)律控制。2) 報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水庫(kù)液位是否超限、變頻器是否有異常。 (1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由水泵組構(gòu)成，它們用于將水供給用戶管網(wǎng)，:調(diào)速泵:是由變頻器控制可以變頻調(diào)速的水泵，根據(jù)用水量的變化情況改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用以維持管網(wǎng)水壓的恒定。系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)計(jì)值偏差變化情況，經(jīng) PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定，由PLC控制變頻與工頻切換，自