【正文】 本系統(tǒng)是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)。 PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為： （）式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)是實(shí)現(xiàn)的。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中使用泵號(hào)加1的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。(4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。本系統(tǒng)在手動(dòng)/自動(dòng)控制下的運(yùn)行過(guò)程如下：(1) 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測(cè)與維修。并通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。壓力表測(cè)量范圍0~1Mpa，；數(shù)顯儀輸出一路4~20mA電流信號(hào)，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門(mén)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(mén)子的MicroMaster440變頻器。實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下[11]：加泵條件： 且延時(shí)判別成立 ()減泵條件： 且延時(shí)判別成立 ()式中： ：上限頻率 ：下限頻率 ：設(shè)定壓力 ：反饋壓力3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，： 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,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) 壓力變送器、(5) 液位變送器。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)工頻泵M3關(guān)掉。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。由于在閥門(mén)開(kāi)度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Q u間的關(guān)系H=f(Qu)。S7200有5種CPU模塊，最多可擴(kuò)展7個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或38路模擬量I/O，最多有30多KB的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；(2) 先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件；(3) 靈活方便的尋址方法；(4) 強(qiáng)大的通信功能和品種豐富的配套人機(jī)界面；(5) 有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格；(6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究與現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。(2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，對(duì)電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無(wú)謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。1964年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制PWM技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中的是德國(guó)人。可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級(jí)調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過(guò)于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗[7]，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。所以調(diào)速控制方式要比閥門(mén)控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。(2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò)PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。當(dāng)輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(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，最終確定確定采用3臺(tái)上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率75KW）。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，連接至變頻器的隔離開(kāi)關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開(kāi)，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開(kāi)關(guān)。同理，3水泵的控制原理也是如此。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下：(1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為了恒定水壓，在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)水泵工作不能滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表(STL)語(yǔ)言、梯形圖(LAD)語(yǔ)言、功能塊圖(FWD)語(yǔ)言[14]。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖后，若當(dāng)前2泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，KM1線圈得電，使得KM1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，1水泵工頻運(yùn)行，同時(shí)KM1常閉觸點(diǎn)打開(kāi)防止KM2線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開(kāi)觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。 初始化子程序SBR_0梯形圖(2) PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，再將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號(hào)。數(shù)字PID控制算法是通過(guò)對(duì)式()離散化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。step(s)。微分環(huán)節(jié)主要用來(lái)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。在初始化PID控制的各參數(shù)（Kc、Ts、Ti、Td），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹。(5) 各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序水泵的工頻運(yùn)行不但取決于變頻泵的泵號(hào)，還取決于工頻泵的臺(tái)數(shù)。 只是簡(jiǎn)單的表明PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。水泵工頻運(yùn)行信號(hào)，水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，KM1線圈得電，1水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1點(diǎn)亮，同時(shí)KM1的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)KMKM2的電氣互鎖。本系統(tǒng)采用西門(mén)子公司S7200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7200型PLC的主模塊為CPU226，其開(kāi)關(guān)量輸出為16點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開(kāi)關(guān)量輸入CPU226為24點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20HZ左右。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓持在設(shè)定的供水壓力上[10]。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門(mén)等構(gòu)成。2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： () 式中：f表示電源頻率，p表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。昌寧集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器(~22kw)，無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。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) 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對(duì)一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，維修方便。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中有3個(gè)貯水池，3臺(tái)水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵做恒速運(yùn)行。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇[9]，本設(shè)計(jì)中采用前者。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換呢?由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。因此我們?cè)谶x擇PLC時(shí)，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的R