【導(dǎo)讀】學(xué)習(xí)可編程序控制器及組態(tài)王監(jiān)控軟件;設(shè)計(jì)基于“組態(tài)王”的泵站監(jiān)測系統(tǒng);設(shè)計(jì)以西門子S7-200為下位機(jī)的泵站控制系統(tǒng)；編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書;查閱20篇以上參考文獻(xiàn)，其中外文文獻(xiàn)不少于5篇并翻譯1篇。圖紙、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)資料的運(yùn)用和引用符合學(xué)校和學(xué)科(專。業(yè))國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本設(shè)計(jì)是針對居民生活用水而設(shè)計(jì)的。在對茂名河?xùn)|水廠進(jìn)行調(diào)研，對工業(yè)。究的基礎(chǔ)上，本文提出西門子S7-200系列作為下位機(jī)的方案。及PID調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)水泵的輸出流量。電動(dòng)機(jī)泵組由三臺水泵和一。低能耗，保證了供水系統(tǒng)維持在最佳運(yùn)行狀況，提高生產(chǎn)管理水平。安裝維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠;監(jiān)控軟件功能齊全，人機(jī)界面友好，使用方便。

　　

【正文】 水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了 ，實(shí)際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在 20HZ 左右。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率 [14]。 從上面的分析可以看出，當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)上限頻率，而實(shí)際的供水壓力仍然低于設(shè)定壓力時(shí)，存在的實(shí)際供水壓力差己經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實(shí)際供水壓力也不會提高。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)下降到下限頻率，實(shí)際的供 水壓力卻仍高于設(shè)定的供水壓力時(shí)，存在的壓力差不會使輸出頻率繼續(xù)降低，實(shí)際的供水壓力也不會降低。所以，選擇這兩個(gè)時(shí)刻作為水泵機(jī)組切換的時(shí)機(jī)是合理的，但要做以下考慮。 首先把上面的判別條件簡寫如下 [15]： f= UPf fS PP? （ 31） f= LOWf fS PP? （ 32） 式中 ： UPf ： 上限頻率 LOWf ： 下限頻率 SP ： 設(shè)定壓力 fP ： 反饋壓力 對于第一個(gè)判別條件，可能出現(xiàn)這種情況 :輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。并 且使新投入運(yùn)行的機(jī)組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運(yùn)行，對供水作用很小。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時(shí)又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個(gè)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉。假設(shè)這一段時(shí)間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變 (其實(shí)在一個(gè)穩(wěn)定的供水時(shí)段可以看作這種情況 )，那么按照要求停掉了一個(gè)工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組之后，機(jī)組的整體運(yùn)行情況與增加運(yùn)行機(jī)組之前完全相同?？梢灶A(yù)見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)組將一直這樣投入分切出崢再投入分再切 出地循環(huán)下去，這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。同時(shí)，在切換過程和變頻器從啟動(dòng)到穩(wěn)定的過程中，系統(tǒng)的供水情況是不穩(wěn)定的，實(shí)際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠 的供水壓力，也使得機(jī)組由 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21 于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命 [16]。對于第二個(gè)判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實(shí)需要機(jī)組進(jìn)行切換的時(shí)候才進(jìn)行機(jī)組的切換。相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí) 成立。在恒壓供水中，機(jī)組的切換為機(jī)組增加與機(jī)組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關(guān)系相對應(yīng)?？紤]到只有當(dāng)變頻器的輸出頻率在上下限頻率時(shí)才可能發(fā)生切換，并且上限頻率時(shí)不可能減泵，下限頻率時(shí)不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進(jìn)行判別如圖 35 表示。 圖 35 用于壓力判斷的回滯環(huán) 如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力小 △ Pd/2的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組增加 。如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當(dāng)實(shí)際的供 水壓力比設(shè)定壓力大 △ Pd /2 的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組的增加?；?滯環(huán)的應(yīng)用提供了這樣一個(gè)保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時(shí)實(shí)際供水壓力在當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行狀況下滿足不了設(shè)定的要求。但這個(gè)判別條件的滿足也不能夠完全證明當(dāng)前確實(shí)需要進(jìn)行機(jī)組切換，因?yàn)橛袃煞N情況可能使判別條件的成立有問題 :實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實(shí)際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機(jī)組切換的誤操作。這兩種情況有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即創(chuàng)門維持的時(shí)間短，只能夠使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)瞬間滿足。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在判別條件中加入延 時(shí)的判斷就顯得尤為必要了。 所謂延時(shí)判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進(jìn)行機(jī)組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時(shí)間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作 。如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作 [17]。 設(shè)定壓力 實(shí)際壓力Δ Pd / 2減泵下限頻率增泵設(shè)定壓力 實(shí)際壓力上限頻率廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 22 經(jīng)過上面的討論，將實(shí)際的機(jī)組切換的實(shí)際條件定為 ： 增泵條件 ： f = UPf 2dsf PPP ??? 并且延時(shí)判別成立 減泵條件： f = LOWf 2dSf PPP ??? 并且延時(shí)判別成立 本章小結(jié) 本章首先分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學(xué)模型 。確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理 。最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件 。 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 23 第四章 變頻調(diào) 速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié) 在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保 證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。 PID 控制及其控制算法 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional（比例）、 Integral（積分）、 Derivative（微分）控制方式，稱之為 PID 控制。 PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn)：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。 模擬 PID 控制 及算法 PID 控制器是一種線性控制器，它是對給定值 r(t)和實(shí)際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)[18][19]： ? ? ? ? ? ?e t r t y t?? （ 41） 經(jīng)比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 系統(tǒng)由擬 PID 控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 41。 圖 41 PID 控制系統(tǒng)原理框圖 圖中 u(t)PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 PID 控制規(guī)律為： p 11 ( )u ( t ) = K [ ( ) ( ) ]D d e te t e t d t TT d t??? （ 42） 式（ 42）中， Kp 表示比例系數(shù)； T1 表示積分時(shí)間常數(shù)； TD 表示微分時(shí)間常數(shù) 。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式 ： 1( ) 1( ) (1 )() pDUsG s K T SE s T S? ? ? ? （ 43） PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下 。 比例 P微分 D積分 I 驅(qū)動(dòng) 被控對象 r ( t ) e ( t ) u ( t )d ( t )y ( t )廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計(jì) )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 24 （ 1）比例環(huán)節(jié)；成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差 e (t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù) K 的增大而減少。比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 （ 2）積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對時(shí)間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)。直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) T1， T1 越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。 （ 3）微分環(huán)節(jié) ：對偏差信號的變化趨勢（變化速率）做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過大的 TD 對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。 PID 的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn) 行，從而獲得滿意的控制效果 。 數(shù)字 PID 控制算法 [20][21] 自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字 PID 控制算法是通過對式（ 42）離散化來實(shí)現(xiàn)的。 用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式： 0( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }kDDp jTTu k K e k e j e k e k?? ? ? ? ?? （ 44） 式 (44)中， T 表示采用周期， k 表示采用序號， e(k)表示 第 k 時(shí)刻的偏差信號， e(k1)表示第 k1 時(shí)刻的偏差信號， u(k)表示第 k 時(shí)刻的控制量。 PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)算本次與上次的偏差信號e(k)， e(k1)， 而且還要把歷次的偏差信號 e(j)相加，計(jì)算繁鎖，占用內(nèi)存大；另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量 u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置 傳感器出現(xiàn)故障， u(k)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是 不允許的。為此實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達(dá)式為 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 25 1[ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]pDK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 45） 式 ()中， ()uk? 表示調(diào)節(jié)器輸出的控制增益，IDI TTK = K p K = KT PP T。 增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量Δ u (k)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程分析 變頻調(diào)速恒壓供水的目的就是要保證供水能力 QG適應(yīng)用水 QU需求變化。當(dāng)供水能力 QG和用水需求 QU之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。因此，可根據(jù)壓力的變化，來實(shí)現(xiàn)對供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力 QG和用水需求 QU之間的乎衡。 在供水系統(tǒng)中，變頻器、 PID 調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機(jī)、水泵等構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對供水能力實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。其實(shí)現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對水壓的要求，給 PID 調(diào)節(jié)器預(yù)置一個(gè)目標(biāo)壓力值，管道中的實(shí)際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 的模擬電流信號反饋 給變頻器內(nèi)置的 PID 調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動(dòng)態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下 [22]： (1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 當(dāng)供水能力 QG=用水需求 QU，目標(biāo)壓力信號 和壓力反饋信號相等，偏差e=yr， PID 輸出的控制增量Δ U=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變，處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如圖 42 中的 0～ t1 段 （ 2）用水量增加時(shí) 當(dāng)用水量增加，用水需求 QU供水能力 QG，水壓下降，壓力反饋信號 y 減少，偏差 e=yr0， PID 輸出的控制增量Δ u0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。 這是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，在達(dá)到新的平衡狀態(tài)之前，壓力反饋信號