【正文】 PI PID 模擬控制器 PI PID （ 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，是一種開環(huán)整定方法。 。 。 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。 (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。本次設(shè)計(jì)中需要擴(kuò)展一個(gè)采集處理壓力信號的模擬信號，應(yīng)擴(kuò)展一個(gè)模擬量輸入 /輸出（ AI/AO）模塊。 (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。變頻器須根據(jù)水泵電機(jī)的電流和功率進(jìn)行選擇。另外選擇西門子的變頻器可以通過 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。 所謂揚(yáng)程 即 所需揚(yáng)程，并不是 所需 提水高度，明確這一點(diǎn)對選擇水泵 相當(dāng) 重要。 （ 5） 根據(jù)實(shí)際供水系統(tǒng)的規(guī)模即所帶負(fù)荷情況，合理確定水泵的臺數(shù)。水泵采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配備泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低 、磨損更小、壽命更長。 （ 2） 最大壓力范圍 在 不引起輸出特性永久性改變 的情況下， 傳感器能長時(shí)間承受的最大壓力 稱為最大壓力范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍 。 （ 3 ） 損壞壓力 損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。 壓力傳感器的性能參數(shù) 壓力傳感器種類 很多 ，其性能也 具有 有較大差異，選擇 比較合適 的 傳感器，做到經(jīng)濟(jì)、合理的使用 ，必須考慮性能參數(shù)。流量參看《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中有詳細(xì)的計(jì)算方法。 水泵的流量，即出水量，一般不宜選得過大，否則會增加購買水泵的費(fèi)用。首先按下 P 鍵對變頻器進(jìn)行復(fù)位，使變頻器的參數(shù)值回到出廠時(shí)的狀態(tài)。 由于本設(shè)計(jì)中 PLC 選擇的西門子 S7200 型號，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。 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)信號通道。 3) 最大輸入電壓 30VDC，最大輸入電流 32mA。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。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。限定了計(jì)算機(jī)發(fā)揮運(yùn)算功能、完成復(fù)雜控制的能力。與其他控制方式相比，性價(jià)比較高。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(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)過程?？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)與模擬控制器對同一對象的控制效果。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)的動態(tài)特性。 PID 控制器作為一種線性控制器，它是對設(shè)定值r(t)和實(shí)際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)： ?? ?? ??trtyte ?? （ ） 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)，對被控對象進(jìn)行控制，所以稱之為 PID 控制器。外接數(shù)字量信號接口可用來設(shè)定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，以及完成分段頻率的控制。目前，變頻調(diào)速給水在建筑給水中應(yīng)用越來越廣，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。 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。 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。改變閥門開度，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。 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。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，通過變頻器軟啟動另一臺供水泵。若出現(xiàn)電源瞬時(shí)停電的情況，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。應(yīng)用于在供水控制器的控制下實(shí)現(xiàn)對水泵的切換、手動 /自動切換等。 2) 報(bào)警信號 :它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水庫液位是否超限、變頻器是否有異常。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，自動控制水泵電機(jī)投運(yùn)臺數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水 [5]。追求高度的智能化、系列的標(biāo)準(zhǔn)化將是未來供水設(shè)備滿足城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度等方面的提高以及其顯著的節(jié)能效果被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外眾多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并生產(chǎn)出一系列具有恒壓供水功能的變頻器，像 日本 Samco 公司， 其 推出 的 恒壓供水基板， 具 有 “變頻泵固定方式 ”、 “變頻泵循環(huán)方式 ”兩種模式 ， 它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器 等 相關(guān) 硬件集成 到 變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼 就可以 實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電 控 系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，就可以直接控制各個(gè)內(nèi)置的 電磁接觸器工作 ， 可構(gòu)成多 達(dá) 7臺電機(jī) (水泵 )的供水系統(tǒng)。 (5) 恒速泵十氣壓罐供水方式 ：這種方式是利用封閉的氣壓罐替代高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力以控制泵的開、停。 (2) 恒速泵 +水塔的供水方式：這種方式是水泵首先向水塔供水，然后由水塔向用戶供水。 伴隨著住房政策改革的不斷深入，城市中各種類型小區(qū)建設(shè)發(fā)展非常迅速，同時(shí)也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。 此變頻恒壓供 水系統(tǒng)由水泵機(jī)組，共包括四臺水泵電機(jī)，其中三臺為常規(guī)水泵，一臺為輔助水泵，其與可編程序控制器、變頻器、壓力傳感器等相關(guān)器件組成了一個(gè)變頻循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng) 。 inverter。 供水系統(tǒng)發(fā)展歷程 恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)了水箱和水塔或氣罐式增壓設(shè)備等供水方式時(shí)，在造成水的二次污染、造成水質(zhì)變差的同時(shí)，由于它們必須由水泵以高出實(shí)際用水高度的壓力來提升水量，結(jié)果造成了水泵電機(jī)的 軸功率和能量損耗。 (4) 恒速泵十高位水箱的供水方式 ：這種供水方式原理與水塔供水方式是相同的，區(qū)別僅在于水箱設(shè)在建筑物的頂層。 恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水方式是在變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展以后逐漸發(fā)展起來的。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)正在經(jīng)歷一個(gè)逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵恒壓系統(tǒng)正在被多泵恒壓系統(tǒng)取代。 完成 硬件設(shè)備選型、 PLC 選型，估算所需 I/O 點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行 I/O 模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、 I/O 連接圖，分配 I/O點(diǎn)數(shù)，列出 I/O 分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)梯 形圖控制程序，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改。 S7200 PLC 壓力傳感器 變頻器 1泵 2泵 3泵 輔助泵 6 恒速泵 :水泵只工作在工頻狀態(tài)，速度恒定。 2）變頻器 :主要作用是實(shí)現(xiàn)對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。 (6) 報(bào)警裝置 在一個(gè)控制系統(tǒng)中，報(bào)警必須是不可或缺的組成部分。 (4) 采用 “規(guī)律自動切換” 原則 “規(guī)律自動切換”原則指水泵運(yùn)行連續(xù)在某一種控制規(guī)律下時(shí)間達(dá)到所設(shè)定時(shí)間時(shí)自動換泵運(yùn)行。 從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有 [6][7]： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機(jī)極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速變化大，轉(zhuǎn)矩變化也大，因此僅在特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器中適用。因?yàn)樵陂y門開度和水泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，流量的值主要取決于用戶的用水量，因此，揚(yáng)程特性反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu間的關(guān)系 H=f(Qu)。通過異步電動機(jī)驅(qū)動供水泵旋轉(zhuǎn)供水，將電機(jī)和水泵做成一個(gè)整體， 通過變頻器改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水量以實(shí)現(xiàn)恒壓供水。因而，揚(yáng)程特性隨水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，其管阻特性沒有發(fā)生變化。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著 [8]。使用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)如下 (1) 控制電機(jī)的啟動電流； (2) 降低電力線路電壓波動； (3) 啟動時(shí)需要的功率更低； (4) 可控的加速功能； (6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限； 12 (7) 受控的停止方式； (8) 節(jié)能； (9) 可逆運(yùn)行控制； (10) 減少機(jī)械傳動部件。 本次課程設(shè)計(jì)中將使用外接給定方式的外接模擬量信號實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速 控制系統(tǒng) PID 原理及整定 PID 控制原理 在變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)功能的 PLC 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。積分環(huán)節(jié)主要作用在于消除靜差。具體如下 1）選擇合適的采樣周期，控制器做純比例 Kc 作用，使系統(tǒng)閉環(huán)工作。 16 第四章 控制系統(tǒng)硬件電 路設(shè)計(jì) 根據(jù)基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣控制總框圖可以看出 ,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分： (1) PLC 及其擴(kuò)展模塊 (2) 變頻器 (3) 水泵機(jī)組 (4) 壓力傳感器。 報(bào)警控制輸出 A/D 模塊 PLC 通訊模塊 變頻器 壓力變送器 人機(jī)界面 水泵機(jī)組 故障狀態(tài)輸入 17 部設(shè)備連接方便。 。 (1) 結(jié)構(gòu)合理 對于工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場合，由于 整體式每一 I/O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，所以人們一般傾向于在小型控制系統(tǒng)中采用整體式PLC。 (3) 與擴(kuò)展模塊組成的 I/O 端子排可以很容易的整體拆卸。故主要對此類擴(kuò)展模塊進(jìn)行簡要介紹。 2) 差分輸入，電壓 0~10V、 0~5V、 0~1V、 0~500mV、 0~100mV、 0~50mV、 ? 10V、? 5V、 ? 、 ? 1V、 ? 500mV、 ? 250mV、 ? 100mV、 ? 50mV 和 ? 250mV；電流：0~20mA。要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。 變頻器與模擬量擴(kuò)展擴(kuò)展的連接 在恒壓供水電路中，變頻器與 S7200PLC 配合使用，要求控制系統(tǒng)能夠平滑地調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。水泵揚(yáng)程大 體 為 所需 提水高度的 ～ 倍。（本課題所考慮的三臺水泵通過變頻器控制工頻 /變頻切換組合運(yùn)行， 另一臺輔助泵協(xié)助運(yùn)行，保障了系統(tǒng)的供水能力）。下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長。為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍 ， 半導(dǎo)體壓力傳感器 尤其明顯 。 補(bǔ)償溫度范圍是由于施加了溫度補(bǔ)償，精度 24 進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍 [13]。一般最大壓力是額定壓力最 大 值的 2－ 3倍。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個(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。 水泵機(jī)組選型 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 水泵 型號進(jìn)行選擇 ， 因?yàn)榭倶菍痈叨葹?12*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。 （ 2） 根據(jù)水泵抽水的流量選擇流量合適的水泵。 整個(gè)系統(tǒng)接線原理圖如圖所示 精密電位器 380V 三相電源 24V 接地 MA 圖 模擬量擴(kuò)展模塊和 MM440 變頻器接線原理圖 變頻器參數(shù)設(shè)定