【導讀】閉環(huán)的供暖控制系統(tǒng)。通過組態(tài)控制方法和PID控制策略，設計了組態(tài)界面監(jiān)控程。在本設計了主要分為三個部分：上位機通用組態(tài)軟件、GPRS無線傳。的畫面顯示組態(tài)功能。在組態(tài)界面上主要顯示各小區(qū)換熱站的網(wǎng)管溫度、壓力、流。量等參數(shù)并對其進行控制，保證其安全可靠的運行。DTU是數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊，在網(wǎng)絡中主要完成下位機與上位機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。任務，同時也是與移動GPRS網(wǎng)絡的工作接口。

　　

【正文】 （ 32） 同 步電機的同步轉速： pfn 60? （ 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(diào)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(diào) 的 速不適合供水的恒壓調(diào)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(jīng)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。 壓力手 動運行方式 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(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(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 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 032020 的數(shù)值， 所以將唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 20 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 壓力自動運行方式 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，補水泵的 補水情況完全由 PLC 根據(jù)壓力狀況和內(nèi)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(wǎng) 壓力值送給模擬量的輸入通道，經(jīng)過模擬量擴展模塊的 A/D 轉換送到 PLC 的 CPU 內(nèi)經(jīng)過 PID 和給定值進行比較運算， 得出一個合適的調(diào)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(wǎng)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(wǎng)的壓力變大 ， 控制流程如圖 412所示 。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 21 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(nèi)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(nèi)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 補水箱液位控制 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(nèi)。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(nèi)部的存儲單元，通過設定上限值和下限值，在補水箱的開始 PID 自整定 PID 調(diào)整 大于 設定值 加大頻率信號 減小頻率信號 否 是 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 22 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 供水流量的控制 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(nèi)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(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 。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 23 圖 414 流量處理 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 24 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。 模擬量輸入輸出模塊的選型 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 032020 的數(shù)字量，還可以把 PLC 內(nèi)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(jù) 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。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 25 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 傳感器 的選擇 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 流量等信號轉換唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 26 成 05V 或 420mA 的電流信號 送給 PLC 的模擬量擴展模塊。 現(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(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 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 pt100 Pt100 是現(xiàn)在比較常用的鉑電阻溫度傳感器，它主要使用于 60℃到 +400℃之間的溫度值，在本系統(tǒng)里測量范圍大概在 0℃ 100℃之間 [10]。要把溫度傳感器 pt100隨著溫度變化采集來的電阻轉換成相應的溫度值，利用下面的溫度公式可以求得： T℃ =(溫度數(shù)字量 0℃的偏置量 )/1℃數(shù)字量 溫度數(shù)字量為存儲在 PLC 內(nèi)部存儲單元的值 0℃偏置量為在 0℃測出的數(shù)字量 1℃的數(shù)字量為溫度每升高 1℃的數(shù)字量 [9] （ 2） 壓力傳感器 PTJ205 PTJ205 具有不銹鋼封焊的結構， 有很強的抗干擾能力 。 量程 ： 0～ 1～ 150（ MPa） 輸出的信號為 4～ 20mA（ 二線制 ） 、 0～ 5V、 1～ 5V、 0～ 10V(三線制 )、 供電電壓 ：24DCV(9～ 36DCV)、 介質(zhì)溫度 ： 20～ 85℃ 環(huán)境溫度 ： 常溫 (20～ 85℃ ) （ 3） 渦街式流量計 渦街式流量計耐高溫高壓，不易結垢，抗干擾性強 溫壓補償一體化設計 ； 電流輸出均為電隔離型 ， 具有良好的共模干擾抑制能力 ； 能同時顯示流量值與累計流量值?？梢詼y量介質(zhì)的溫度為 – 25℃～ 100℃，輸出 420mA 的電流信號。 在本系統(tǒng)里選用的是 HQLUGB 穩(wěn)壓補償智能型渦街流量計。這種流量計是將壓力、溫度、流量信號綜合起來通過智能數(shù)字的處理后輸出一個標準的流量。 HQLUGB 型流量計的技術參數(shù)：介質(zhì)溫度范圍是 50℃ ～ +400℃，壓力等級為PN25，連接方式有夾持式、法蘭式或插入式的，供電電壓為 12～ 36VDC 或 的電池，輸出信號為兩線制的 4～ 20mA 的電流輸出，通訊方式為 RS485。 （ 4） 液位計 在本系統(tǒng)里采用的是 HQUHZ 水箱液位計 ， 它采用了浮力原理和磁性耦合作用，彌補了玻璃管液位計的顯示不清晰和易破碎的不足 ， 顯示范圍大。 HQUHZ 液位計的技術參數(shù)：測量范圍 015000mm，公稱壓力為 ，輸出信號為 420mA 的電流信號，電源電壓可以為 24DC 或 220V，可以采用法蘭式唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 27 接法。 變頻器的選擇 補 水泵是最普通的負載，對變頻器的要求也很 簡單， 變頻器給電機的脈動電流比工頻時的電流值大，所以只要變頻器容量稍微小于 電動機的容量即可。 為了保證二次側 管網(wǎng)的壓力恒定在這里采用了自控控制的閉環(huán)系統(tǒng)，反饋裝置用了 PID調(diào)節(jié)，為了滿足工藝要求在這里可以選擇 施耐德的 ATV38 變頻恒壓供水控制器 ，它的功率為 22KW， 擁有 40mA 的電流信號輸出端。 電動閥門 的選擇 在本系統(tǒng)里控制的換熱站出水口的溫度值，主要是調(diào)節(jié)一次側供水網(wǎng)的溫度調(diào)節(jié)閥閥門的開度，使用 PID 的溫度控制系統(tǒng)必須保證閥門可以調(diào)節(jié)大小，所以選擇了 電動蝶閥 。它結構簡單，易操作，體積小，重量輕很符合本系統(tǒng)的控制要求 。 調(diào)節(jié)型是以 AC220V 電源作為動力，接收 為了滿足控制要求的 420mA（ 05V等弱電控制 ） 的電流 信號來完成調(diào)節(jié)動作。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 28 6 通用 組態(tài)軟件 關于 MCGS 組態(tài)軟件 MCGS[11](Monitor and Control Generated System)是 在軟件領域內(nèi)，工作人員根據(jù)控制對象及工藝要求， 配置用戶應用軟件的過程，即使用軟件工具對計算機和軟件的各種資源進行配置，實現(xiàn)用軟件按照預先設定的要求滿足使用者的要求目的。MCGS 是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，能以靈活多樣的組態(tài)方式為用戶提供良好的用戶開發(fā)界面， 具有豐富的畫面顯示組態(tài) 功能。并能同時支持各種硬件廠家的計算機和 I/O 產(chǎn) 品 [11]。 MCGS 軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分，組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件， 工作人員可以在組態(tài)環(huán)境里設計自己的應用系統(tǒng)。 運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)， 在用戶對組態(tài)畫面進行設置后，可以按照自己的控制要求來模擬系統(tǒng)的運行方式 ，在 組態(tài)環(huán)境 里設計系統(tǒng)的畫面及各個器件，在 運行環(huán)境 里根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求通過所寫的腳本程序來完成對系統(tǒng)的模擬運行。 的組成部分 MCGS 通用 組態(tài)軟件 由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實