【正文】 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD310變頻運行時間存儲器故障信號匯總T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 PLC程序設(shè)計PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7MicroWINV40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言[14]。語句表(STL)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運行維護人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。PLC控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI 電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在RUN模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。(1) 系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。(2) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序當(dāng)PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動脈沖信號。(3) 水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵時復(fù)位變頻器為軟啟動做準(zhǔn)備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。當(dāng)只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運行。(4) 各水泵變頻運行控制邏輯程序各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1水泵為例進行說明。當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1水泵變頻運行信號、1泵未工作在工頻狀態(tài)時，KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。(5) 各水泵工頻運行控制邏輯程序水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1水泵為例進行說明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖后，若當(dāng)前2泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。(6) 報警及故障處理程序本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及報警電鈴。當(dāng)故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。詳細的主程序梯形圖請參考附錄C。泵為例的變頻運行控制流程圖，泵為例的工頻運行控制流程圖。3泵的運行控制情況與2泵相似，在此就不再重復(fù)。本設(shè)計主程序大體包括以下幾部分：(1) 調(diào)用初始化子程序，設(shè)定各初始值；(2) 根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運行數(shù)；(3) 根據(jù)增泵、倒泵情況確定變頻泵號；(4) 通過工頻泵數(shù)和變頻泵號對各泵運行情況進行控制；(5) 進行報警和故障處理。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 2泵變頻運行控制流程圖 2泵工頻運行控制流程圖 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運行的上下限頻率，在第二章水泵切換分析中已說明水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。假設(shè)所選變頻器的輸出頻率范圍為0~100HZ，則上下限給定值分別為16000和6400。在初始化PID控制的各參數(shù)（Kc、Ts、Ti、Td），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細介紹。最后再設(shè)置定時中斷和中斷連接。 初始化子程序SBR_0梯形圖(2) PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過PID運算后，再將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號。 PID控制中斷子程序INT_0梯形圖 PID控制器參數(shù)整定 PID控制及其控制算法在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了含PID調(diào)節(jié)的PLC來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。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。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點。PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t)[15]： （）經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為： （）式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式： PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下：(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，但不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)Kp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)的時間有關(guān)。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，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。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti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，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)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。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)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。自從計算機進入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬調(diào)節(jié)器來實現(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()離散化來實現(xiàn)的。以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID位置控制算法表達式： （）式中：T為采樣周期；n為采樣序號；e(n)為第n時刻的偏差信號；e(nl)為第n1時刻的偏差信號。實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達式為： （）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型由于變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進行近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網(wǎng)壓力達到穩(wěn)定要求時經(jīng)歷兩個過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個階段管網(wǎng)壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比可忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成[16]： （）式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時間。 PID參數(shù)整定控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：理論計算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場經(jīng)驗整定法，本設(shè)計選用的是動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控對象WO(s)和測量變送Wm(s)）階躍響應(yīng)特性進行近似計算的方法[17]。本系統(tǒng)是一個單閉環(huán)系統(tǒng)。 恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由于本設(shè)計對壓力控制的要求較高，故選擇PI控制器，其傳遞函數(shù)為： （）本系統(tǒng)可近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，假設(shè)其過程傳遞函數(shù)為；變頻器可近似為一個比例環(huán)節(jié)，即；反饋回路傳遞函數(shù)為。由于本系統(tǒng)具有自衡能力，與公式()、()可求的PI控制器各參數(shù)。當(dāng)時， () ()計算的：，PI控制器的傳遞函數(shù)為：用matlab軟件仿真，編程如下：s1=tf(2,[300,1])。s2=tf([240,1],[720,0])。sk=s1*s2*50。s=feedback(sk,)。step(s)。 ， 142