【正文】 之一 .對(duì)變頻調(diào)速水位控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)在這方面普遍采用恒水位或恒壓力變頻調(diào)速 PID 控制技術(shù)，取得了一定的應(yīng)用效果 .但由于這類控制系統(tǒng)忽視了水泵 電機(jī)組效率，致使水泵 電機(jī)組經(jīng)常處于低效區(qū)運(yùn)行 [圖 11]；另外，單目標(biāo)的恒水位或恒壓力控制不能保 證電機(jī)經(jīng)常處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)以充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能功效，造成了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中效率不高，節(jié)能效果未能充分體現(xiàn) ,這也是變頻調(diào)速控制技術(shù)多年來一直難以大規(guī)模采用的原委之一 .水位控制類變頻調(diào)速效率優(yōu)化問題屬于一類復(fù)雜的多變量、離散性強(qiáng)的非線性系統(tǒng)控制問題， 要求控制 圖 11 水塔水位控制系統(tǒng)模型 系統(tǒng) 在滿足用水要求的同時(shí)，又要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，采用傳統(tǒng)的控制策略很難獲得簡便、實(shí)用的解決方法 .本文結(jié)合水位控制類系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)用水位控制理論與最優(yōu)控制方法，以系統(tǒng)效率最大及滿足用水要求為目標(biāo)， 設(shè)計(jì)一種水位控制以改善這類系統(tǒng)的控制策略與運(yùn)行方式，同時(shí)給出采用 PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)的此水位控制。 本論文側(cè)重介紹 “水塔 水位 PID 控制系統(tǒng) ”的軟件設(shè)計(jì)及 相關(guān)內(nèi)容，使 水塔 水塔 維持一定的水位。但其原理都大同小異。同時(shí)，又有 PID 控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個(gè)可靠安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究 的課題。就目前而言，多數(shù)工業(yè)、生活供水系統(tǒng)都采用水塔、層頂水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，水在人們正常生活和生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。s livelihood. With the social development and people39。這就需要有一個(gè)輸入控制液體閥以不同的速度給水 塔供水，以維持水位的變化，這樣才能使 水 塔 不斷水。隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)城市供水提出了更高的要求， 有一個(gè)水箱需要維持一定的水位，該水 塔 里的水以變化的速度流出。 關(guān)鍵詞： 可編程控制器 PLC， 水塔水位 ， PID 控制 II WATER TOWERS PID CONTROL SYSTEM DESIGN ABSTRACT Water supply is an important industry of the people39。其中，水位控制越來越重要。任何時(shí)候都能提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓、合格的水質(zhì)是對(duì)給水系統(tǒng)提出的基本要求。鑒于其種種優(yōu)點(diǎn)，目前水位控制的方式被 PLC 控制取代。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同，精度不同。采用 PLC 和 PID 技術(shù)能很好的解決以上問題，使水位控制在要求的位置。 采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、 降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 4 第 2 章 PLC 結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC 組成與基本結(jié)構(gòu) PLC 是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講， PLC 也是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只不過它比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的輸入 /輸出接口，具有更適用于控制要求的編程 語言，具有更適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的抗干擾性能。其內(nèi)部也是采用總線結(jié)構(gòu)來進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 PLC 的基本工作原理 由于 PLC 以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作 方式卻與微機(jī)有很大的不同。 PLC 的工作過程就是 PLC 的掃描循環(huán)工作過程，一個(gè)循環(huán)掃描周期主要可分為 3 個(gè)階段，輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。它為用戶提供幾十個(gè)甚至上千個(gè)計(jì)時(shí)器，其計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)定值既可以由用戶程序設(shè)定，也可以由操作人員在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通過人 ——機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)設(shè)定，計(jì)時(shí)器的實(shí)際計(jì)時(shí)值也可以通過人 ——機(jī)對(duì)話裝置實(shí)時(shí)讀出或 （ 3）計(jì)數(shù)控制 PLC 具有計(jì) 數(shù)功能。在新一代的 PLC中，還可以 IEC 規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言 ——順序功能圖（ SFC）編制用戶程序， PLC 在實(shí)現(xiàn)按照事件或輸入狀態(tài)的順序控制相應(yīng)輸出的場(chǎng)合更簡便。 （ 6）數(shù) 據(jù)處理 PLC 具有數(shù)據(jù)處理能力。它既可以對(duì)遠(yuǎn)程 I/O 進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn) PLC 和 PLC， PLC 和計(jì)算機(jī)之間的通信。其第一代可編程序控制器是于1975 年投放市場(chǎng)的 SIMATIC S3 系列控制系統(tǒng)。它具有四種不同結(jié)構(gòu)配置的 CPU單元： CPU 221， CPU 22CPU 224 和 CPU 226，除 CPU 221 之外，其他都可加擴(kuò)展模塊 。 2. 編程元件 （ 1） 輸入映像寄存器 I（輸入繼電器） 輸入映像寄存器的工作原理：輸入繼電器是 PLC 用來接收用戶設(shè)備輸入信號(hào)的接口?？梢源娣艛?shù)據(jù)運(yùn)算的中間運(yùn)算結(jié)果或設(shè)置參數(shù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，變量存儲(chǔ)器會(huì)被經(jīng)常使用。每個(gè)定時(shí)器可提供無數(shù)對(duì)常開和常閉觸點(diǎn)供編程使用。 （ 7） 累加器 AC 9 累加器是用來暫存數(shù)據(jù)的寄存器，它可以用來存放運(yùn)算數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)和結(jié)果。由于 PID 控制器算法簡單、魯棒性強(qiáng)，因 而被廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。因此，可以毫不夸張地說，隨著工業(yè)現(xiàn)代化和其他各種先進(jìn)控制技 術(shù)的發(fā)展，PID 控制技術(shù)仍然不過時(shí)，并且它還占著主導(dǎo)地位。 圖 25 PID 控制系統(tǒng) 原理 圖 10 整個(gè)系統(tǒng)主要由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。各種控制作用 (即比例作用、積分作用和微分作用 )的實(shí)現(xiàn)在表達(dá)式中表述的很清楚，相應(yīng)的控制器參數(shù)包括比例增益凡、積分時(shí)間常數(shù) Ti 和微分時(shí)間常數(shù)路。 PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。 11 圖 26 PID 控制原理圖 PID 控制器規(guī)律為： ?????? ??? ? dt tdeTdtteTteKty Dp )()(1)()(1 （ ） 式 中： pK 為比例系數(shù)； 1T 為積分時(shí)間常數(shù)； DT 為微分時(shí)間常數(shù)。 2)積分環(huán)節(jié) :表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系。 3)微分環(huán)節(jié) :對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào) 節(jié)作用。數(shù)字 PID 控制算法是通過對(duì)式 （ ） 離散化來實(shí)現(xiàn)的。e(n 一 l)為 第 n 一 1 時(shí)刻的偏差信號(hào)。DI P D P TTK K K KTT?? 增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 Au(n)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。 應(yīng)用中，位置式 PID 控制器和增量式 PID 控制器的算法實(shí)現(xiàn)分別如圖 27 和13 圖 2 圖 28 所示 。這種切換由一個(gè)輸入的數(shù)字量控制。當(dāng)水位高于 D 點(diǎn)時(shí)，水泵停止進(jìn)水，如圖 1（ c）。接通電源時(shí)，電源指示燈亮，當(dāng)水塔中水深處于不同位置時(shí)，水位指示燈 B、 C、 D、 E 情況不同。 ④ 當(dāng)水位處于 D、 E 之間，指示燈 B、 C、 D 滅， E 亮，停進(jìn)狀態(tài)，即水泵不工作。處理完故障時(shí)，必須關(guān)閉 報(bào)警 確認(rèn)燈， 報(bào)警 確認(rèn)電路復(fù)位，恢復(fù)其監(jiān)測(cè)故障的功能。試驗(yàn)證明，此水塔水位 控制 器不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)水塔水位的精確 控制 ，而且，此系統(tǒng)更具有工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際性。當(dāng) PLC 出現(xiàn)故障時(shí)，還有一套手動(dòng)控制來進(jìn)行對(duì)水塔水位控制。液位上升至 Y1 時(shí)， M1 也停止。 圖 34 水位閉環(huán) 控制 圖 PLC 的 選擇 由于該系統(tǒng)為中型 PLC 自動(dòng)控制系統(tǒng)，要求 PLC 能夠提供可編程邏輯分析和 PID 功能，故選用中達(dá)公司生產(chǎn)的臺(tái)達(dá) DVP14ES00R 可編程邏輯控制器。 18 供水的控制方法 圖 35 給水泵控 制原理圖 系統(tǒng)的硬件接線圖如圖 35 所示?，F(xiàn)在 1泵運(yùn)行的時(shí)候，按下起動(dòng)按鈕 SB2， 2泵起動(dòng)運(yùn)行向水塔注水。程序流程是：在水塔中無水時(shí)， 2泵同時(shí)開起，對(duì)水塔進(jìn)行注水；水位到達(dá)低水位時(shí)，控制臺(tái)上的低水位燈點(diǎn)亮；水位到達(dá)中水位時(shí)， 219 泵停止， 1泵繼續(xù)運(yùn)行，中水位燈點(diǎn)亮；水位到達(dá)高水位 時(shí)， 2泵都停止，高水位燈點(diǎn)亮。 2． 手動(dòng) /自動(dòng)功能 為了系統(tǒng)能正常運(yùn)行，設(shè)置兩套手動(dòng) /自動(dòng)運(yùn)行方式。 PID 控制算法一般由【比例項(xiàng) +積分 項(xiàng) +微分項(xiàng)】組成。圖 是常見閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用來對(duì)誤差進(jìn)行放大、積分、微分等處理的裝置稱為 “調(diào)節(jié)器 ”，當(dāng)調(diào)節(jié)器具有 “放大 ”、 “積分 ”、 “微分 ”功能時(shí)，即成為 PID 調(diào)節(jié)器。 PID 控制簡單易懂，使用中不必能清楚系統(tǒng)的數(shù)字模型。對(duì)于這一類系統(tǒng)，使用 PID 控制可以得到比較滿意的效果。 （ 3） PID 控制器的結(jié)構(gòu)典型，程序簡單，工程上易于實(shí)現(xiàn) ，參數(shù)調(diào)整方便。它們實(shí)際上是用于 PID 控制的子程序，與模擬量的輸入 /輸出模塊一起使用，可以得到類似于是用 PID 過程控制模塊的效果，但是價(jià)格便宜得多。 在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖 31 所示。 假設(shè)采樣周期為 ST ，系統(tǒng)開始運(yùn)行的時(shí)刻為 t=0，用矩形積分來近似精確積分，用差分近似精確微分，將上式離散化，第 n 次采樣時(shí)控制器的輸出為： 1 1 01 ()nn c n j D n njM K e K e K e e M??? ? ? ? ?? 式中， 1ne? — 第 n1 次采樣誤差值。 這 圖中的nsp 、 npv 、 ne 、 nM 分別為模擬量 ()spt 、 ()pvt 、 ()et 、 ()Mt在第 n 次采樣的數(shù)字量。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口。 圖 44 PID 指令圖 指令中 TBL 是回路表的起始地址， LOOP 是回路編號(hào)。每次完成 PID 運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值 nM ，它被限制在 ～ 之間。本設(shè)計(jì)選用西門子公司的 S7200 PLC系列，其具結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，有極高的性價(jià)比，適用于小型控制系統(tǒng)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口（ PPI）可以連接編程設(shè)備、操作員界面和具有串行接口的設(shè)備，用戶程序有三級(jí)口令保護(hù)。 S7200 系列有 CUP21X 和 CPU22X兩代產(chǎn)品。 CPU226 主機(jī)共有 24 個(gè)輸入點(diǎn)和 16 個(gè)輸出點(diǎn)，可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 248 路數(shù)字量 I/O 或 35 路模擬 I/O 點(diǎn)。 CPU226 可用于較高要求的控制系統(tǒng)，更多的 I/O 點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能使其完全適應(yīng)于復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。 EM235 模塊的上部端子排為標(biāo)注 A、 B、 C、 D 的四路模擬量輸入接口，可分別接入標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)。若 4 個(gè)接口未能全部使用，如 C 口所示，未用的接口要將 C+與 C端用短路子短接，以免收到外部干擾。 （ 1） 傳感器接線的長度應(yīng)盡可能的短，并使用屏蔽雙絞線。 EM235 的安裝使用 EM235 安裝使用的一般過程如下 : (l)根據(jù)輸入信號(hào)的類型及變化范圍設(shè)置 DIP 開關(guān)，完成模塊的配置工作。為防止空置端對(duì)接線端的干擾，空置端應(yīng)短接。模塊安裝完畢后，將模塊自帶的接線排插入主機(jī)上的擴(kuò)展總線插口。擴(kuò)展模塊的編址方法依 57 一 200 系列 PLC 技術(shù)手冊(cè)中有關(guān)規(guī)定。該子程序檢查模塊的連接正確性及模塊工作的正確性。 30 硬件連接圖 圖 53 硬件接線圖 控制系統(tǒng) I/O 地址分配 PLC 的輸入 /輸出分配表（如表 51 所示 ） 表 21 I/O 分配表 編號(hào) 地址 說明 功能 1 路模擬量輸出 1 AQW0 輸出模擬量 控制輸入控制液壓閥 1 路數(shù)字輸入， 1 路模擬量輸入 1 按鈕，手動(dòng)自動(dòng)切換 0 為手動(dòng)， 1 為自動(dòng) 2 AIW0 輸入模擬量 液位傳感器的值 31 第 6 章 系 統(tǒng) 軟件 應(yīng)用 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的 ,結(jié)合前面所述變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制要求 ,利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn) PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制 ,三臺(tái)水泵切換信號(hào)的生成、接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都由程序控制。 PID 回路增益和時(shí)間常數(shù)初步設(shè) 定為 :增益 kc=、采樣時(shí)間 ts= s、積分時(shí)間 ti=30 效果。變頻器控制水泵電機(jī)的每一次 啟動(dòng)均為軟啟動(dòng) ,并規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用 ,任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過 3 h,因此每次需啟動(dòng)新水泵時(shí) ,將現(xiàn)行運(yùn)行的水泵從變頻器上切除 ,并換上工頻電源運(yùn)行 ,將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行水泵的啟動(dòng)。 生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的 70%，本系 統(tǒng)中的增益和時(shí)間常數(shù)為 :增益 Kc=，采樣時(shí)間 Ts=1s，積分時(shí)間Ti=30min。 （ 2） 子程序 SBR_0。關(guān) 閉微分作用 VD124。 自動(dòng)方式下將