【導(dǎo)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(shè)計(jì)了組態(tài)界面監(jiān)控程。在本設(shè)計(jì)了主要分為三個(gè)部分：上位機(jī)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(jìn)行控制，保證其安全可靠的運(yùn)行。DTU是數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊，在網(wǎng)絡(luò)中主要完成下位機(jī)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。任?wù)，同時(shí)也是與移動GPRS網(wǎng)絡(luò)的工作接口。

　　

【正文】 （ 32） 同 步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速： pfn 60? （ 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(shí) ,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(shí)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(shí)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(yùn)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。 壓力手 動運(yùn)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(gè)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(gè)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(jì)手動方式的時(shí)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(yùn)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 032020 的數(shù)值， 所以將唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 20 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 壓力自動運(yùn)行方式 在 自動 方式 控制二次管網(wǎng)壓力恒定時(shí) 采用的方法和對溫度控制 一樣 采用是 的PID 運(yùn)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(yùn)算， 得出一個(gè)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(shí)， 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(shí)通過 PID 運(yùn)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 。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 21 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?PLC 內(nèi)部的存儲單元必須保證不重復(fù)。通過給 PID 一個(gè)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(jì)算， 給出一個(gè)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(yùn)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(shí)的報(bào)警系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，就把 PLC 從壓力傳感器采集來的壓力值不僅送給 PID 還同時(shí)送到 PLC 內(nèi)部的一個(gè)存儲單元，設(shè)定一個(gè)上限值，使得管道的壓力在超過上限值由 PLC 輸出報(bào)警信號 ， 壓力報(bào)警程序如下 412 所示 。 圖 412 壓力報(bào)警 補(bǔ)水箱液位控制 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(shí)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 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 22 水位 超過或低于設(shè)定值 時(shí)，通過 PLC 輸出報(bào)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 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(cè)安裝一個(gè)流量計(jì)來顯示一次側(cè)的供水流量。通過安裝的流量計(jì)采集的流量信號傳送給 PLC 內(nèi)部的一個(gè)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(gè)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(gè)連 接通道，流量的程序如圖 414 所示 。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 23 圖 414 流量處理 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 24 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(gè)小區(qū)的換熱站的控制，所以在這里選用了六個(gè) 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(diǎn)，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(diǎn)數(shù)為 168，模擬量點(diǎn)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(gè) 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(yùn)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(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(dú)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 032020 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(gè)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(yùn)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(gè)模擬量輸出，一個(gè) PLC 最多可以擴(kuò)展 7 個(gè)模擬量模塊，這里只需要選擇 4 個(gè) 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(shí)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?yàn)殡娏餍盘杺鬏斁哂幸欢ǖ姆€(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。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 25 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 傳感器 的選擇 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(jì)，液位計(jì)等。這些傳感器就是要將溫度 、 壓力 和 流量等信號轉(zhuǎn)換唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 26 成 05V 或 420mA 的電流信號 送給 PLC 的模擬量擴(kuò)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(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(gè)小區(qū)的換熱站的參數(shù)傳送到監(jiān)控室里需要 各個(gè)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 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(zhuǎn)換成相應(yīng)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(jié)構(gòu)， 有很強(qiáng)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(jì) 渦街式流量計(jì)耐高溫高壓，不易結(jié)垢，抗干擾性強(qiáng) 溫壓補(bǔ)償一體化設(shè)計(jì) ； 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(shí)顯示流量值與累計(jì)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(bǔ)償智能型渦街流量計(jì)。這種流量計(jì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的流量。 HQLUGB 型流量計(jì)的技術(shù)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(jì) 在本系統(tǒng)里采用的是 HQUHZ 水箱液位計(jì) ， 它采用了浮力原理和磁性耦合作用，彌補(bǔ)了玻璃管液位計(jì)的顯示不清晰和易破碎的不足 ， 顯示范圍大。 HQUHZ 液位計(jì)的技術(shù)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(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 27 接法。 變頻器的選擇 補(bǔ) 水泵是最普通的負(fù)載，對變頻器的要求也很 簡單， 變頻器給電機(jī)的脈動電流比工頻時(shí)的電流值大，所以只要變頻器容量稍微小于 電動機(jī)的容量即可。 為了保證二次側(cè) 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(cè)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(jié)構(gòu)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(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 28 6 通用 組態(tài)軟件 關(guān)于 MCGS 組態(tài)軟件 MCGS[11](Monitor and Control Generated System)是 在軟件領(lǐng)域內(nèi)，工作人員根據(jù)控制對象及工藝要求， 配置用戶應(yīng)用軟件的過程，即使用軟件工具對計(jì)算機(jī)和軟件的各種資源進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)用軟件按照預(yù)先設(shè)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(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和 I/O 產(chǎn) 品 [11]。 MCGS 軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分，組態(tài)環(huán)境相當(dāng)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(shè)計(jì)自己的應(yīng)用系統(tǒng)。 運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)， 在用戶對組態(tài)畫面進(jìn)行設(shè)置后，可以按照自己的控制要求來模擬系統(tǒng)的運(yùn)行方式 ，在 組態(tài)環(huán)境 里設(shè)計(jì)系統(tǒng)的畫面及各個(gè)器件，在 運(yùn)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(yùn)行。 的組成部分 MCGS 通用 組態(tài)軟件 由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)