【正文】 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 ΔU=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 Δu0，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 y、偏差 e，控制增量 Δu 均處于變化之中，其變化過程如圖 42 中的 tl～t3 段，其中 t2～ t3 段為增加用水量后新的平衡狀態(tài)。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)26（3）用水量減少時(shí)當(dāng)用水量減少，用水需求 QU供水能力 QG，水壓上升，壓力反饋信號 y 增大，偏差 e=yr0，PID 輸出的控制增量 Δu0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，降低供水能力，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。這一動態(tài)變化過程，如圖 42 中的 t3～t4 段，其中 t4 段以后為減少用水量后新的平衡狀態(tài)。0000流量Q水壓PP I D輸出控制增量Δ u輸出頻率 f（ 轉(zhuǎn)速 ） nttttt 1t 2 t 3t 4 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 27圖 變頻調(diào)速恒壓供水 PID 調(diào)節(jié) 變頻器 PID 控制功能參數(shù)設(shè)置變頻器 PID 控制功能代碼有 HH21 、H2H2H2H25 共 6 個(gè)，通過對功能代碼的設(shè)定來保證合理的 PID 運(yùn)行。圖 43 PID 模式PID 模式預(yù)置H20 用以設(shè)置 PID 模式。設(shè)定值 0：不動作；1：正動作；2：反運(yùn)行。其關(guān)系如圖 43。在供水系統(tǒng)中，當(dāng)壓力增大（即用水量減少） ，水泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)下降，即變頻器輸出頻率與被控量（水壓）的變化趨勢相反，所以選取模式 2。反饋方式預(yù)置系統(tǒng)采取的是電流輸入反動作，設(shè)定 H21 為 2。壓力目標(biāo)值的預(yù)置壓力目標(biāo)值是一個(gè)比值，它和允許的管道壓力大小及選用的傳感器有關(guān)。其關(guān)系為: 壓力目標(biāo)值= （管道允許壓力／壓力表量程）100%。根據(jù)城區(qū)供水管網(wǎng)情況及水壓需要，確定總出水口水壓大小為 ，選用的遠(yuǎn)傳壓力表量程是 0～1MPa，則目標(biāo)值為 40%。選擇 X1 端子功能，設(shè)定“E01 ”為 II，通過變頻器鍵盤面板操作直接輸入確定的壓力目標(biāo)值。P、I 、D 參數(shù)預(yù)置P、I、D 參數(shù)通過 H2H23 、H24 來設(shè)定。其中 H22 用以設(shè)定 P 增益，設(shè)定范圍：～10 倍；H23 用以設(shè)定積分時(shí)間，設(shè)定范圍 ～3600s；H24 用以設(shè)定微分時(shí)間，設(shè)定范圍 ～ 。由于 P、I、D 的取值與系統(tǒng)的慣性大小有很大的關(guān)系，需經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)調(diào)試，可按以下總體原則來進(jìn)行整定。H22（增益 P） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；H23（積分時(shí)間 I） ，在不發(fā)生振蕩條件下減小其值；H24（微分時(shí)間 D） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；10%0%PID輸 出最 高頻 率 正 動 作 反 動 作變 頻 器 輸 出 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)28用示波器監(jiān)視壓力表輸出電壓波形，根據(jù)波形情況做參數(shù)調(diào)整。常見有下面幾種情況。圖 44 PID 參數(shù)調(diào)整（1）抑制超調(diào)增大 H23（積分時(shí)間） ，減小 H24（微分時(shí)間） ，如圖 44 a。（2）允許小量超調(diào)前提下加快響應(yīng)速度減小 H23（積分時(shí)間） ，增大 H24（微分時(shí)間） ，如圖 44 b。（3）抑制比 H23（積分時(shí)間）長的周期性振蕩增大 H23（積分時(shí)間） ，如圖 44 c。（4）抑制大約和 H24（微分時(shí)間）同樣長周期的振蕩減小 H24（微分時(shí)間） 。設(shè)定 0 時(shí)，若仍有振蕩時(shí)，減小 H22（增益） ，如圖 d。在 PID 功能有效且完成參數(shù)預(yù)置后，變頻器完全按用戶設(shè)定的 P、I、D 調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)行，其工作特點(diǎn)是：（1）變頻器的輸出頻率只根據(jù)水壓實(shí)際壓力大小與設(shè)定的目標(biāo)壓力的偏差進(jìn)行調(diào)整，與被實(shí)際水壓大小并無對應(yīng)關(guān)系。（2）變頻器的升、降速時(shí)間完全取決于由 P、I、 D 值所決定的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間。（3）變頻器的輸出頻率始終處于調(diào)整狀態(tài)，因此，其顯示的數(shù)值常不穩(wěn)定。水 壓 P0 d調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t調(diào) 整 后 調(diào) 整 前水 壓 P t水 壓 P tac b水 壓 P調(diào) 整 前調(diào) 整 后調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t000 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 29 本章小結(jié)PID調(diào)節(jié)可以使供水系統(tǒng)快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。本章的主要內(nèi)容有分析 PID控制器的基本原理和供水系統(tǒng)中 PID調(diào)節(jié)過程，討論了 PID參數(shù)的調(diào)節(jié)方法。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)30第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 恒壓供水系統(tǒng)電控系統(tǒng)組成恒壓供水電氣控制系統(tǒng)可由以下幾部分組成：（1）主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動電動機(jī)提供工頻及變頻電源。（2）電氣控制電路：成對主電路的繼電控制，實(shí)現(xiàn)手動或自動控制的切換。（3）變頻控制電路：根據(jù)壓力設(shè)定及壓力傳感器的壓力檢測信號，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動頻率等信號；并能實(shí)現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)。（4）PLC 控制系統(tǒng)：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對恒壓供水系統(tǒng)壓力設(shè)定、順序控制、信號指示報(bào)警及與上位機(jī)的通訊聯(lián)絡(luò)。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 51 所示。圖 51 供水系統(tǒng)圖 主電路設(shè)計(jì)三臺大容量的主水泵（1，2 ，3）根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工上 位 機(jī) 通 信 模 塊 PLC變 頻 器 PID調(diào) 節(jié) 器故 障 自 動 報(bào) 警 壓 力 變送 器清 水 池 用 戶 管 網(wǎng)工 頻 輸 入 變 頻 輸 出進(jìn) 水 管 電 動 閥 門 一 號 泵二 號 泵三 號 泵輔 助 泵 第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 31頻、停泵三種運(yùn)行方式，因此每臺主水泵均要求通過兩個(gè)接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運(yùn)行在工頻狀態(tài)，通過一個(gè)接觸器接入工頻。連線時(shí)一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動機(jī)制容量來確定。變頻器的主電路輸出端子（U、V 、W ）經(jīng)接觸器接至三相電動機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子（U、V、W）的相序，否則無法工作。變頻器和電動機(jī)之間的配線長度應(yīng)控制在 100m 以內(nèi)。在變頻器起動、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子FWD（ REV）來操作，不得以主電路空氣開關(guān) Q7 的通斷來進(jìn)行。為了改善變頻器的功率因素，還應(yīng)在變頻器的（Pl、P+）端子之間接入需相應(yīng)的 DC 電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。在電動機(jī)三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機(jī)工作電流大小，設(shè)計(jì)三相電源信號指示。圖 52 主電路 電氣控制電路設(shè)計(jì)在控制電路的設(shè)計(jì)中，必須要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題。為了保護(hù) PLC 設(shè)備， PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC 輸出端RST變 頻 器UVW一 號 二 號 泵 三 號 泵 輔 助 泵FR1FR2FR3FR4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)32口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進(jìn)而控制電機(jī)或者閥門的動作。通過隔離，可延長系統(tǒng)的使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性?？刂齐娐分羞€要考慮電路之間互鎖的關(guān)系，這對于變頻器安全運(yùn)行十分重要。變頻器的輸出端嚴(yán)禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺電機(jī)同時(shí)接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)。因此，在控制電路中多處對各主泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行接觸器作了互鎖設(shè)計(jì)；另外，變頻器是按單臺電機(jī)容量配置，不允許同時(shí)帶多臺電機(jī)運(yùn)行，為此對各電機(jī)的變頻運(yùn)行也作了互鎖設(shè)計(jì)。為提高互鎖的可靠性，在 PLC 控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)一步通過 PLC 內(nèi)部的軟繼電器來作互鎖。控制電路中還考慮了電機(jī)和閥門的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點(diǎn)的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機(jī)和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)和閥門的工作狀態(tài)。出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計(jì)了手動/自動轉(zhuǎn)換控制電路。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn)。出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計(jì)了手動/自動轉(zhuǎn)換控制電路。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn) [23]。圖 53 電氣控制線路圖圖 53 中，SA 為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，KA 為手動/自動轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在①位置為手動狀態(tài)，打在②位置 KA 吸合，為自動狀態(tài)。在手動狀態(tài)，通過P L CK A 1 K A 2K A 5 K A 6K A 3 K A 4K A 7K ANL 1自動手動K AK AH L 0F R 1F R 2F R 3F R 4K A 2K A 3K A 5S B 2S B 1K A 1K A 1S B 4S b 3K A 2K A 1K A 4K A 5S B 6S B 5K A 3S B 8K A 4S B 7K A 3K A 1K A 3K A 6S B 9K A 5S B 1 0K A 6S B 1 1S B 1 2K A 5K A 7S B 1 3S B 1 4Q 0 . 0Q 0 . 3 Q 0 . 1 Q 0 . 4Q 0 . 2Q 0 . 5Q 0 . 6 第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 33按鈕 SB1SB14 控制各臺泵的起停。在自動狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC 的控制程序，自動控制泵的起停。中間繼電器 KA 的常閉觸點(diǎn)接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運(yùn)行。中間繼電器 KA 的常開觸點(diǎn)接 PLC 的 X0，控制自動變頻運(yùn)行程序的執(zhí)行。在自動狀態(tài)時(shí)，四臺泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。電動機(jī)電源的通斷，由中間繼電器 KA1KA7 控制接觸器 KM1KM7 的線圈來實(shí)現(xiàn)。HL0 為自動運(yùn)行指示燈。FRFR2 、FR3 、FR4 為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，對電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇 PLC 時(shí)，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)設(shè)備相對較少，PLC 采用德國 SIEMENS 公司S7－ 200 型。 S7－200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性能價(jià)格比，是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用；大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之泛組合以用于擴(kuò)展；簡單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活；方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計(jì)；當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可以自由擴(kuò)展；大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。多種的性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的 I/O 擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大，可隨時(shí)使用附加模塊對 PLC 進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，SIEMENS 公司的 PLC 不僅具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，而且又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)；PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。PLC 和上位機(jī)的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對點(diǎn)接口（ PPI