【文章內(nèi)容簡介】 度值偏高時也可以用自動和手動的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)使一次供水側(cè)的溫度調(diào)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(shè)置了溫度報警的功能，當(dāng)溫度傳感器采集的溫度值高于設(shè)定值時就會產(chǎn)生報警信號。手動控制方式系統(tǒng)主要是利用上位機(jī)的組態(tài)軟件直接控制閥門的開度，來調(diào)整換熱器出水口的溫度值，讓系統(tǒng)在監(jiān)控中心里根據(jù)溫度傳感器的溫度值強(qiáng)制調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)閥的開度大小。在本系統(tǒng)里的組態(tài)軟件界面上設(shè)置了一個與現(xiàn)場溫度調(diào)節(jié)閥相對應(yīng)的滑動塊，把滑動塊和現(xiàn)場的溫度調(diào)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(diào)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(diào)節(jié)情況下也可以進(jìn)行手動控制來調(diào)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(nèi)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(diào)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)閥進(jìn)行手動控制時必須要解決組態(tài)界面上的滑動調(diào)節(jié)閥數(shù)值轉(zhuǎn)換成PLC能接收的數(shù)值，從而來控制調(diào)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(nèi)部經(jīng)典的PID控制器來對溫度進(jìn)行調(diào)整。可以通過對PID內(nèi)部的比例、積分和微分這些參數(shù)的設(shè)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(jù)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(zhuǎn)換為420mA的電流值，并將其傳送給 S7200 PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235的輸入通道AIW0。經(jīng)過EM235對模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送給PLC，通過PLC內(nèi)部的PID控制器對采集值進(jìn)行處理，將反饋值與給定值進(jìn)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(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，由AQW0輸出的模擬量就傳送給供水網(wǎng)回路的電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。這樣通過溫度傳感器，S7200和溫度調(diào)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(zhuǎn)換調(diào)節(jié)閥溫度傳感器變送器A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行控制。在使用PID調(diào)節(jié)器的時候首先要對其有深刻的理解和認(rèn)識并熟練的掌握運用方法，當(dāng)前的PLC內(nèi)部都有PID指令向?qū)?，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?qū)В蜁霈F(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(jìn)入下一個界面，如圖45所示。圖45 參數(shù)設(shè)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(jīng)驗值數(shù)據(jù)表，在設(shè)置PID參數(shù)時可以參考這些經(jīng)驗值。表41 采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)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(shè)置完上述參數(shù)點擊下一步進(jìn)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(shè)置輸出的上限報警和下限報警等信息。設(shè)置完成后點擊下一步進(jìn)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(fù)，否則PID運算就會出現(xiàn)錯誤。然后可以點擊下一步進(jìn)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(jìn)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(shè)置，在編寫程序時就可以在子程序里直接調(diào)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(zhuǎn)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(jìn)行運算，將給定值setpoin與系統(tǒng)的反饋值進(jìn)行比較運算，找到一個合適的輸出值送給電動調(diào)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(jìn)行處理，使其達(dá)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(nèi)，二次管網(wǎng)的水要往居民小區(qū)輸送這就要求必須保證二次管網(wǎng)的壓力保持恒定。在二次管網(wǎng)中的壓力是時刻在變化的如果在這里采用恒定轉(zhuǎn)速的泵對其進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行恒壓補(bǔ)水，會造成對電能的很大浪費，還會使電機(jī)受到?jīng)_擊，水錘和頻繁啟動的影響，所以在這里采用了變頻補(bǔ)水泵對其進(jìn)行隨時的補(bǔ)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(bǔ)水方法相比不僅使系統(tǒng)的供水質(zhì)量提高，靈活性變強(qiáng)，節(jié)約能源還在一定程度上保護(hù)了電機(jī)，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(jìn)行控制。變頻器是利用電力半導(dǎo)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(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機(jī)[9]。對于恒壓補(bǔ)水，實際上就是利用三相電動機(jī)帶動水泵的轉(zhuǎn)動，來進(jìn)行補(bǔ)水。所以對二次管網(wǎng)壓力的控制也就是對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式: （31）三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為： （32） 同步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速： （33）n1為異步電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速；n為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f是供電電源頻率；p為異步電動機(jī)的磁極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。由以上的公式可知，在調(diào)速方面異步電動機(jī)可以有三種方式:可以改變轉(zhuǎn)差率、電源的頻率和異步電動機(jī)的磁極對數(shù)。當(dāng)電機(jī)的極對數(shù)P不變時,電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電源的頻率f成正比，通過對電源的頻率進(jìn)行改變來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)連續(xù)平滑的變化。如果保持電源頻率和轉(zhuǎn)差率不變，改變電機(jī)的極對數(shù)，那樣只能通過改變電機(jī)繞組的接線方式來實現(xiàn)，這種方法是一種有級調(diào)的速不適合供水的恒壓調(diào)速。改變轉(zhuǎn)差率的方式會使電機(jī)的運行效率變低，還會影響經(jīng)濟(jì)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(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速。在對二次管網(wǎng)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(yīng)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(yīng)用PID進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，也可以通過直接控制變頻器的頻率信號來調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計手動方式的時候最主要是要解決數(shù)值轉(zhuǎn)換的問題，手動方式是在不采用PLC內(nèi)部的PID運算控制器情況下根據(jù)壓力傳感器的壓力值直接改變組態(tài)軟件的界面上對應(yīng)PLC內(nèi)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(nèi)，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(zhuǎn)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(wǎng)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(bǔ)水泵的補(bǔ)水情況完全由PLC根據(jù)壓力狀況和內(nèi)部PID的設(shè)定參數(shù)來進(jìn)行自動控制。上電后，首先PLC采集壓力傳感器的管網(wǎng)壓力值送給模擬量的輸入通道，經(jīng)過模擬量擴(kuò)展模塊的A/D轉(zhuǎn)換送到PLC的CPU內(nèi)經(jīng)過PID和給定值進(jìn)行比較運算，得出一個合適的調(diào)節(jié)參數(shù)，將結(jié)果再送給模擬量的輸出模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換輸出給變頻器的信號口，來控制補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)管網(wǎng)的壓力過高時，通過降低補(bǔ)水泵的頻率來降低轉(zhuǎn)速從而使壓力降低；當(dāng)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(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)的壓力變大，控制流程如圖412所示。開始PID自整定PID調(diào)整大于設(shè)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(shè)置向?qū)Ш蛯囟瓤刂频念愃?，只是在PLC內(nèi)部的存儲單元必須保證不重復(fù)。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(jìn)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(dá)變頻器來控制補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速。為了防止在系統(tǒng)運行過程中變頻器發(fā)生故障，導(dǎo)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(nèi)部的一個存儲單元，設(shè)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(bǔ)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(bǔ)水的時候，保證水箱的水位總在一定的范圍內(nèi)。本系統(tǒng)主要是利用液位記采集補(bǔ)水箱的液位信號，送給PLC內(nèi)部的存儲單元，通過設(shè)定上限值和下限值，在補(bǔ)水箱的水位超過或低于設(shè)定值時，通過PLC輸出報警信號，對補(bǔ)水箱的控制的程序如圖413所示。圖413 補(bǔ)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(wǎng)側(cè)安裝一個流量計來顯示一次側(cè)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(nèi)部的一個存儲單元，在這里要解決的就是數(shù)值轉(zhuǎn)換的問題，要使工作人員能在監(jiān)控室的上位機(jī)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(nèi)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(shè)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(jìn)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(qiáng)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(kuò)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(jìn)行采集，還要求對許多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)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(kuò)展模塊可以把從各種傳感器送來的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換變成PLC能接受的032000的數(shù)字量，還可以把PLC內(nèi)的數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換變成05V或420mA的電流信號，來控制各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所以在這里系統(tǒng)選擇了EM235作為模擬量擴(kuò)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(kuò)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(jié)構(gòu)圖如圖51所示。下圖是模擬量擴(kuò)展模塊EM235的接線方法，對于電壓信號，按照電壓的正、負(fù)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(jù)EM235的技術(shù)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(yuǎn)距離的傳輸?？梢酝ㄟ^模塊上的DIP開關(guān)設(shè)置來選擇輸入模式和單雙極性。圖51 EM235結(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhuǎn)換成05V或420mA的電流信號送給PLC的模擬量擴(kuò)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(yuǎn)距離傳輸或在使用現(xiàn)場環(huán)境中電網(wǎng)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(chǎn)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(yuǎn)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