【文章內容簡介】 度值偏高時也可以用自動和手動的方式進行調節(jié)使一次供水側的溫度調節(jié)閥的閥門開度減小，來降低出水口的溫度值。為了保證溫度控制的穩(wěn)定性能，在這里還設置了溫度報警的功能，當溫度傳感器采集的溫度值高于設定值時就會產生報警信號。手動控制方式系統(tǒng)主要是利用上位機的組態(tài)軟件直接控制閥門的開度，來調整換熱器出水口的溫度值，讓系統(tǒng)在監(jiān)控中心里根據溫度傳感器的溫度值強制調節(jié)溫度調節(jié)閥的開度大小。在本系統(tǒng)里的組態(tài)軟件界面上設置了一個與現(xiàn)場溫度調節(jié)閥相對應的滑動塊，把滑動塊和現(xiàn)場的溫度調節(jié)閥建立連接通道，通過改變滑動塊的大小來控制溫度調節(jié)閥的開度。這樣系統(tǒng)就可以在PID發(fā)生故障或不想使用PID控制器的自動調節(jié)情況下也可以進行手動控制來調節(jié)閥門的開度從而來保證溫度值的恒定。圖42 手動控制程手動方式下的PLC程序如圖42所示，手動控制方式下PLC程序里的VD80是PLC內部的一個存儲單元，將這個存儲單元與組態(tài)畫面里的溫度調節(jié)閥滑動塊建立一個連接通道。在手動按鈕按下的時候，就可以通過組態(tài)界面上的滑塊給VD80一個值，將這個值送給PLC并通過數(shù)值轉換，再從PLC的模擬量通道AQW0輸出一個420mA的電流信號來直接控制閥門的開度。在通過組態(tài)軟件界面上的溫度調節(jié)閥進行手動控制時必須要解決組態(tài)界面上的滑動調節(jié)閥數(shù)值轉換成PLC能接收的數(shù)值，從而來控制調節(jié)閥[8]。本系統(tǒng)主要是要控制小區(qū)供暖的溫度值，溫度控制是一個慣性比較大的控制系統(tǒng)，而且還具有很大的偏差。本系統(tǒng)的自動控制方式采用了西門子S7200系列的 PLC內部經典的PID控制器來對溫度進行調整?？梢酝ㄟ^對PID內部的比例、積分和微分這些參數(shù)的設置來優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)實現(xiàn)有效，精確的控制。根據系統(tǒng)的工藝要求需要保證換熱器出口溫度大概在60℃左右，并且容許有一定的誤差2%。首先在換熱器的出水口安裝一個溫度傳感器，變送器將采集到的溫度值轉換為420mA的電流值，并將其傳送給 S7200 PLC的模擬量擴展模塊EM235的輸入通道AIW0。經過EM235對模擬量進行A/D轉換后送給PLC，通過PLC內部的PID控制器對采集值進行處理，將反饋值與給定值進行比較運算，輸出一個適合系統(tǒng)運行的參數(shù)然后通過模擬量輸出模塊對其進行D/A轉換，由AQW0輸出的模擬量就傳送給供水網回路的電動調節(jié)閥進行調節(jié)控制。這樣通過溫度傳感器，S7200和溫度調節(jié)閥組成了一個控制溫度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，由此來控制溫度恒定，流程圖如圖43所示。GPRSPLCD/A轉換調節(jié)閥溫度傳感器變送器A/D轉換圖43 自動控制的流程圖在自動運行控制方式下，主要是通過PID控制器來對系統(tǒng)的溫度值進行控制。在使用PID調節(jié)器的時候首先要對其有深刻的理解和認識并熟練的掌握運用方法，當前的PLC內部都有PID指令向導，而且還具有PID自整定參數(shù)的功能，這就為我們減輕了很大的工作量。在使用PID時在S7200的窗口里，打開工具里的PID向導，就會出現(xiàn)如圖44所示。圖44 PID選擇回路在這里選擇配置哪個回路注意如果系統(tǒng)里有好幾個PID時一定要記住回路數(shù)要不同。點擊下一步，進入下一個界面，如圖45所示。圖45 參數(shù)設置在界面上填寫PID運算里的各個參數(shù)值，這些參數(shù)也是PID控制運算里最核心的部分，這些值的大小直接影響著系統(tǒng)的運行情況。表41是PID控制運算器的采樣周期經驗值數(shù)據表，在設置PID參數(shù)時可以參考這些經驗值。表41 采樣周期的經驗數(shù)據表被控制量流量壓力溫度液位成分采樣周期1—53—1015—206—815—20設置完上述參數(shù)點擊下一步進入下面得界面，如圖46所示。圖46 回路報警選項可以在此頁面設置輸出的上限報警和下限報警等信息。設置完成后點擊下一步進入以下界面，如圖47所示。圖47 地址選擇在此界面里可以選擇PID的存儲區(qū)地址，在選擇其地址的時候一定要注意如果會用到好幾個PID的話就要避免地址不能重復，否則PID運算就會出現(xiàn)錯誤。然后可以點擊下一步進入下面的界面，如圖48所示。圖48 PID命名在上面的界面中點擊下一步就進入下面的界面，如圖49所示。圖49 PID完成界面在上面界面中點擊完成，生成了一個PID子程序并且完成了對PID的設置，在編寫程序時就可以在子程序里直接調用，自動運行情況下的程序如圖410所示。圖410 溫度自動控制在程序里的AIW0是溫度傳感器把采集到的溫度值轉換為420mA的電流值，通過PLC的EM235模擬量輸入通道送給PLC里的PID控制器進行運算，將給定值setpoin與系統(tǒng)的反饋值進行比較運算，找到一個合適的輸出值送給電動調節(jié)閥來控制其開度的大小。通過系統(tǒng)的給定值PID會自動的將過程量進行處理，使其達到系統(tǒng)的給定值。在小區(qū)供暖系統(tǒng)中不僅要保證換熱站出水口的溫度保持在一定的范圍內，二次管網的水要往居民小區(qū)輸送這就要求必須保證二次管網的壓力保持恒定。在二次管網中的壓力是時刻在變化的如果在這里采用恒定轉速的泵對其進行補水，很明顯的不能保證時刻在變化的壓力保持恒定；如果采用閥門對其進行恒壓補水，會造成對電能的很大浪費，還會使電機受到沖擊，水錘和頻繁啟動的影響，所以在這里采用了變頻補水泵對其進行隨時的補水保證管道壓力值恒定。使用變頻器的恒壓供水與傳統(tǒng)的補水方法相比不僅使系統(tǒng)的供水質量提高，靈活性變強，節(jié)約能源還在一定程度上保護了電機，使其起制動平穩(wěn)。本系統(tǒng)用壓力傳感器，PLC和變頻器組成一個控制壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)，這樣的控制方式不僅使硬件運行可靠，還使軟件編程更簡單。在這里也如溫度控制一樣有手動和自動兩種方式來對壓力進行控制。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將50HZ的工頻電源變換成另一種頻率可變的控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要是采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過三相不可控的整流橋轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機[9]。對于恒壓補水，實際上就是利用三相電動機帶動水泵的轉動，來進行補水。所以對二次管網壓力的控制也就是對電機轉速的控制。三相異步電動機的轉速公式: （31）三相異步電機的轉差率定義為： （32） 同步電機的同步轉速： （33）n1為異步電動機的理想空載轉速；n為異步電動機轉子轉速；f是供電電源頻率；p為異步電動機的磁極對數(shù)；s為轉差率。由以上的公式可知，在調速方面異步電動機可以有三種方式:可以改變轉差率、電源的頻率和異步電動機的磁極對數(shù)。當電機的極對數(shù)P不變時,電機轉子的轉速與電源的頻率f成正比，通過對電源的頻率進行改變來控制電機的轉速可以實現(xiàn)連續(xù)平滑的變化。如果保持電源頻率和轉差率不變，改變電機的極對數(shù)，那樣只能通過改變電機繞組的接線方式來實現(xiàn)，這種方法是一種有級調的速不適合供水的恒壓調速。改變轉差率的方式會使電機的運行效率變低，還會影響經濟性，也不適合在恒壓供水的系統(tǒng)上使用。所以本系統(tǒng)采用了改變電源的頻率來控制補水泵的轉速。在對二次管網壓力手動控制方面，本系統(tǒng)采用的是在組態(tài)界面上有一個與變頻器相對應的滑動塊，讓滑塊與PLC的變頻器信號建立一個連接通道，使工作人員可以直接改變滑塊大小來控制變頻器的頻率信號。保證系統(tǒng)既可以應用PID進行自動調節(jié)，也可以通過直接控制變頻器的頻率信號來調節(jié)補水泵的轉速。在設計手動方式的時候最主要是要解決數(shù)值轉換的問題，手動方式是在不采用PLC內部的PID運算控制器情況下根據壓力傳感器的壓力值直接改變組態(tài)軟件的界面上對應PLC內部單元的VD556的滑塊值來控制頻率信號，把滑塊的值送到存儲單元VD556內，直接通過模擬量的輸出通道輸出給變頻器，PLC只能處理032000的數(shù)值，所以將組態(tài)軟件上的滑塊值轉換成與之成比例的數(shù)，以便通過滑塊來直接改變變頻器的頻率信號，手動壓力控制如圖411所示。圖411 壓力手動控制在自動方式控制二次管網壓力恒定時采用的方法和對溫度控制一樣采用是的PID運算方式，補水泵的補水情況完全由PLC根據壓力狀況和內部PID的設定參數(shù)來進行自動控制。上電后，首先PLC采集壓力傳感器的管網壓力值送給模擬量的輸入通道，經過模擬量擴展模塊的A/D轉換送到PLC的CPU內經過PID和給定值進行比較運算，得出一個合適的調節(jié)參數(shù)，將結果再送給模擬量的輸出模塊進行D/A轉換輸出給變頻器的信號口，來控制補水泵的轉速。當管網的壓力過高時，通過降低補水泵的頻率來降低轉速從而使壓力降低；當壓力過低時通過PID運算來控制變頻器的信號變高，來提過補水泵的轉速，使管網的壓力變大，控制流程如圖412所示。開始PID自整定PID調整大于設定值加大頻率信號減小頻率信號否是圖412 自動控制流程圖自動方式的恒壓供水的PID設置向導和對溫度控制的類似，只是在PLC內部的存儲單元必須保證不重復。通過給PID一個給定值，PID會把從模擬量輸入通道AIW2采集來的壓力值和給定值進行比較計算，給出一個比較合適的參數(shù)值，送給輸出通道到達變頻器來控制補水泵的轉速。為了防止在系統(tǒng)運行過程中變頻器發(fā)生故障，導致管道壓力過大，使管道爆破等造成不必要的損失，本系統(tǒng)還涉及到了管道壓力過高時的報警系統(tǒng)。在系統(tǒng)運行時，就把PLC從壓力傳感器采集來的壓力值不僅送給PID還同時送到PLC內部的一個存儲單元，設定一個上限值，使得管道的壓力在超過上限值由PLC輸出報警信號，壓力報警程序如下412所示。圖412 壓力報警系統(tǒng)對于補水箱的液位的控制沒有特殊的要求，就是要保證系統(tǒng)在變頻恒壓補水的時候，保證水箱的水位總在一定的范圍內。本系統(tǒng)主要是利用液位記采集補水箱的液位信號，送給PLC內部的存儲單元，通過設定上限值和下限值，在補水箱的水位超過或低于設定值時，通過PLC輸出報警信號，對補水箱的控制的程序如圖413所示。圖413 補水箱的控制程序系統(tǒng)在對流量方面的控制沒有具體的要求，只是要在一次的供水網側安裝一個流量計來顯示一次側的供水流量。通過安裝的流量計采集的流量信號傳送給PLC內部的一個存儲單元，在這里要解決的就是數(shù)值轉換的問題，要使工作人員能在監(jiān)控室的上位機上直觀的看到供水的流量值。要想把流量值在組態(tài)軟件的界面上顯示出來，就要在組態(tài)界面上添加一個顯示輸出，將它與換熱站的流量傳感器在PLC內部的存儲單元建立一個連接通道，流量的程序如圖414所示。圖414 流量處理5 硬件及設備選型本系統(tǒng)的控制器選用的是西門子的S7200系列的 PLC，由于本系統(tǒng)是對六個小區(qū)的換熱站的控制，所以在這里選用了六個S7200來對現(xiàn)場的參數(shù)進行采集。S7200可以代替許多繼電器工作，減少了觸點，使得系統(tǒng)的抗干擾性增強還可以有很廣泛的通訊能力。在PLC中，CPU 224XP數(shù)字量有14入/10出，最大可擴展的數(shù)字量點數(shù)為168，模擬量點數(shù)為35，還有兩路模擬量輸入(10bit，177。DC10V)，一路模擬量輸出(10bit，DC 010V或020mA)，有兩個RS485通信口，高速脈沖輸出頻率提高到20kHz，有PID自整定功能。這些參數(shù)都符合本系統(tǒng)的運行，所以本系統(tǒng)選用了CPU 224XP來完成對系統(tǒng)的采集、控制。由于本系統(tǒng)要對現(xiàn)場的溫度，壓力，流量，液位等進行采集，還要求對許多的執(zhí)行機構進行控制，而這些量都是模擬量。單獨的CPU只能處理數(shù)字量不能完成對模擬量的處理，模擬量擴展模塊可以把從各種傳感器送來的模擬量通過A/D轉換變成PLC能接受的032000的數(shù)字量，還可以把PLC內的數(shù)字量通過D/A轉換變成05V或420mA的電流信號，來控制各個執(zhí)行機構。所以在這里系統(tǒng)選擇了EM235作為模擬量擴展模塊來輔助運行。EM235里有4路模擬量輸入/1路模擬量的輸出，本系統(tǒng)需要四個模擬量輸出，一個PLC最多可以擴展7個模擬量模塊，這里只需要選擇4個EM235就可以完成對系統(tǒng)模擬量的處理[10]，EM235的結構圖如圖51所示。下圖是模擬量擴展模塊EM235的接線方法，對于電壓信號，按照電壓的正、負極直接接入X＋和X－就可以；對于電流信號，一定要將RX和X＋短接后才能接電流輸入信號的“＋”端；沒有連接傳感器的通道要將X＋和X－短接。在選擇量程和輸入格式的時候必須要符合一致的原則，根據EM235的技術參數(shù)，在這里我們選用的是的電流信號，因為電流信號傳輸具有一定的穩(wěn)定性好，可以遠距離的傳輸?？梢酝ㄟ^模塊上的DIP開關設置來選擇輸入模式和單雙極性。圖51 EM235結構圖 I/O分配I/O分配表如圖52所示。圖52 系統(tǒng)的I/O分配表在本系統(tǒng)的現(xiàn)場控制中應用了許多的傳感器來采集信號，例如溫度傳感器、壓力傳感器，流量計，液位計等。這些傳感器就是要將溫度、壓力和流量等信號轉換成05V或420mA的電流信號送給PLC的模擬量擴展模塊?，F(xiàn)在的大多數(shù)的傳感器有輸出05V的還有420mA的電流信號，但如果在信號需要遠距離傳輸或在使用現(xiàn)場環(huán)境中電網干擾較大的場合，最好還是選擇420mA的電流信號，電流型的傳感器里有恒流源可以保持電流的不變，而電壓型的會隨著距離的增加，電壓會產生壓降，而且電壓輸出型傳感器抗干擾能力較差。 考慮到本系統(tǒng)是將各個小區(qū)的換熱站的參數(shù)傳送到監(jiān)控室里需要各個部件及控制器間的遠距離傳送，因此，在本系統(tǒng)中選用的傳感器均選用輸出420mA電流信號的電流輸出型的傳感器。（1）溫度傳感器pt100Pt100是現(xiàn)在比較常