【文章內容簡介】 PLC 也具有此功能模塊。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。 5. 數(shù)據(jù)處理 ： 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系 統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 6. 通信及聯(lián)網 ： PLC 通信含 PLC 間的通信及 PLC 與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。新近生產的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。 P L C 的特點 PLC 的特點 主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 可靠性高，抗干擾能力強 ： 高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。 PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部 電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。從 PLC的機外電路來說，使用 PLC構成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外， PLC 帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 7 靠性也就不奇怪了。 2. 配套齊全，功能完善，適用性強 ，性價比高 ： PLC 發(fā)展到今天，已經形成了大、中、小各種規(guī)模的 系列化產品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領域。近年來 PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使 PLC 滲透到了位置控制、溫度控制、 CNC 等各種工業(yè)控制中。加上 PLC 通信能力的增強及人機界面技術的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。 3. 易學易用，深受工程技術人員歡迎 ： PLC 作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語言易于為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用 PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。 4. 系統(tǒng)的設計、 安裝、調試 工作量小，維護方便，容易改造 ： PLC 用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。 5. 體積小，重量輕，能耗低 ： 復雜的控制系統(tǒng)使用 PLC 后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼 電器，小型的 PLC 的體積僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關柜的體積縮小到原來的 1/2 至 1/10。 PLC 是配線比繼電器控制系統(tǒng)的配線少的多，故可以節(jié)省大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，加上開關柜體積的縮小，可以節(jié)省大量的費用。 P L C 的應用 PLC 通電后，需要對硬件和軟件作一些初始化工作。為了使 PLC 的輸出及時地響應各種輸入信號，初始化后 PLC要反復不停地分階段處理各種不同的任務， 這種周而復始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式（ 見圖 12 所示 ）。 當 PLC投入運行后，其工作過程一般 分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC的 CPU 以一定的掃描速度重復執(zhí)行上述三個階段。 1. 輸入采樣階段 ： 在輸入采樣階段， PLC 以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入 I/O映象區(qū)中的相應得單元內。輸入采樣結束后，轉入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化， I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情 況下，該輸入均能被讀入。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 8 圖 12 PLC的掃描工作過程 2. 用戶程序執(zhí)行階段 ： 在用戶程序執(zhí)行階段， PLC 總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序 (梯形圖 )。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序對由觸點構成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。 在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在 I/O 映象區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在 I/O映象區(qū)或系統(tǒng) RAM存儲區(qū)內的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。 3. 輸出刷新階段 ： 當掃描用戶程序結束后， PLC 就進入輸出刷新階段。在此期間， CPU按照 I/O映象區(qū)內對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是 PLC 的真正 輸出。 同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結果也不同。另外，采用掃描用戶程序的運行結果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結果有所區(qū)別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。一般來說， PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如圖 3 所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。 在本系統(tǒng)中， P L C 控制單元 是泵組管理的執(zhí)行設備，同時還是變頻器的驅動控制，根據(jù)用水量的實際變化，自動調整 抽水 泵的運行 情況 。變頻器和 P L C 的應用為水泵轉速的平滑性連續(xù)調節(jié)提供了方便。水泵電機實現(xiàn)變頻軟啟動 , 消除了對電網、電氣設備和機械設備的沖擊，延長機電設備的使用壽命。 根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況， PLC 我們采用西門子S7200 系列的相關產品。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 9 變頻器 的介紹 變頻調速技術 近十年來，隨著電力電子技術、計算機技術、 數(shù)字化 自動控制技術的迅速的發(fā)展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速、計算機數(shù)字控制技術 取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境 、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優(yōu)異的調速起動、制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點而被國內外公認為最優(yōu)發(fā)展前途的調速方式。 據(jù)統(tǒng)計，我國的發(fā)電總量的 70%左右消耗在電動機上，風機、水泵消耗我國發(fā)電總量的 40%左右。用電機變頻調速來代替原有閥門調節(jié)流量，我國每年可節(jié)約用電 300400 億千瓦小時。在自來水行業(yè)，變頻器主要應用在取水泵房、送水泵房，除了可以節(jié)電，還可以平滑調節(jié)取水流量、送水壓力，滿足制水、供水工藝要求。 變頻器是把電壓、頻率固定的交流電變成電壓、頻率可調的交流電的變換器。與外界的聯(lián)系基本上分為三部分：一是主電路接線端，包括工頻電網的輸入端（ R、 S、 T） ，接電動機的輸出端（ U、 V、 W）；二是控制端子，包括外部信號控制變頻器的端子，變頻器工作狀態(tài)指示端子，變頻器與微機或其他變頻器的通訊接口；三是操作面板，包括液晶顯示屏和鍵盤。 交流異步電動機變頻調速控制的原理可由交流異步電動機的轉速公式得知： 60(1 ) fnsp?? 式中， f— 定子供電頻率（ Hz） ； p— 磁極對 數(shù)； s— 轉差率； n— 電動機轉速（ r/min）。 由公式可知，只要平滑地調節(jié)異步電動機的供電頻率 f，就可以平滑地調節(jié)異步電動機的轉速。 PID 調節(jié)技術 智能 PID 調節(jié)器實現(xiàn)管網水壓的 PID 調節(jié)。 PID 控制屬于閉環(huán)控制， 閉環(huán)控制系統(tǒng)（ closedloop control system）的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋（ Negative Feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 10 PID 控制的原理和特點 ： 在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調節(jié)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。即當我們 不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。 1. 比例（ P）控制 ： 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 2. 積分（ I）控制 ： 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤 差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項 ” 。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 3. 微分（ D）控制 ： 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。 自動控制系統(tǒng)在 克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由 于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項 ” ，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯 后的被控對象，比例+微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設計的核心內容。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)學模型，經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行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，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，然后按照工程經驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 11 數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下： 1. 首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； 2. 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； 3. 在一定的控制度下通過公式計算得到 PID 控制器的參數(shù)。 變頻調速技術與 PID 調節(jié)技術的應用 對水 源 地抽水 泵的控制采取變頻調速技術。 變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調速，從而使管網水壓連續(xù)變化，同時變頻器還可作為電機軟啟動裝置，限制電機的啟動電流。 水泵屬于典型的二次方律負載，其轉矩與轉速的二次方成正比，機械特性曲線如圖 13（ A）所示；其功率與轉速的三次方成正比，功率特性曲線如圖（ B）所示。 （ A）機械特性 （ B）功率特性 圖 13 水泵機械特性圖 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程