【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本系統(tǒng)包含四臺水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運行方式。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，送入PLC與設(shè)定值比。改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。通過工控機(jī)與PLC的連接，采用。組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實現(xiàn)了運行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警的查詢。

　　

【正文】 度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。 PLC 主要是用于實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制 17 三臺水泵的投入運行；能在三臺 水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換； 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動 /自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。 如圖 33 為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中 SA 為手動 /自動轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA 打在 1 的位置為手動控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕 SB1~SB8控制四臺水泵的啟 /停；自動運行時，系統(tǒng)在 PLC 程序控制下運行。 圖 33 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC 各 I/O 端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O 端口分配中將詳細(xì)介紹。 本系 統(tǒng)在手動 /自動控制下的運行過程如下： (1) 手動控制：手動控制只 在檢查故障原因時才會用到，便于電機(jī)故障的檢測與維修。 接通 時開啟手動控制模式，此時可以通過按鈕 分別控制三臺水泵電機(jī)在工頻下的運行和停止。 按下時由于 常閉觸點接通電路使得 的線圈得電，電機(jī) M1 可以穩(wěn)定的運行 。只有當(dāng) 按下時才會切斷電路， 線圈失電，電機(jī) M1 停止運行。同理，可以通過按下 、 啟動電機(jī) M M3，通過按下 、 來使電機(jī) M M3 停機(jī)。 (2)自動控制： 在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。 接通 時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由 PLC 程序控制。 PLC 的 I/O端口分配及外圍接線圖 序號 輸入 輸出 地址 標(biāo)簽 定義 地址 標(biāo)簽 定義 1 手動模式 1泵機(jī)啟動 2 自動模式 2泵機(jī)啟動 3 自動啟動按鈕 3泵機(jī)啟動 18 4 自動停止按鈕 5 1泵機(jī)啟動按鈕 6 1泵機(jī)停止按鈕 7 2泵機(jī)啟動按鈕 8 2泵機(jī)停止按鈕 9 3泵機(jī)啟動按鈕 10 3泵機(jī)停止按鈕 11 表 32 輸入輸出點代碼及地址編號 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下： (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定 的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。 (3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。 (4) 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動 /自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報警功能。 根據(jù)以上控制要 求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表32所示。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 3 個數(shù)字量輸出信號和 3 個模擬量輸出信號。~ 分別輸出三 臺水泵電機(jī)的運行信號； AQW0AQW2 輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。 圖 34 只是簡單的表明 PLC 及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方面的抗干擾措施； (3) 輸出方面的保護(hù)措施； (4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。 19 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計 分析 硬件連接確定之后 ，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。判斷需啟動新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。 (2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動 電動機(jī)均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運要有個管理規(guī)范。在本設(shè)計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過 3h，因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。具體的操作是：將現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計中使用泵號加 1 的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn) 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn) PID 控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%。 20 PLC 程序設(shè)計 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計 PLC 主程序主要由系 統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動程序、水泵電機(jī)變頻 /工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值 ，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。 系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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， 置 1，使 1水泵變頻運行 。 (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(jìn)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，則 1， ，使得 常開觸點閉合， 1水泵運行 。 (6) 報警及故障處理程序 21 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。 22 圖 41 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 主程序流程圖如圖 41 所示。由于在圖 41 中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細(xì)介紹，因此圖 42 和圖 43 對其作了完整的補(bǔ)充。其中圖 42 是以 2泵為例的變頻運行控制流程圖，圖 43 是以 2泵為例的工頻運行控制流程圖。 4泵的運行控制情況與 2泵相似。 23 圖 42 2泵變頻運行控制流程圖 圖 43 2泵工頻運行控制流程圖 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計 24 圖 46 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖 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)： ( ) ( ) ( )e t y t r t?? （ 41） 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(jìn)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，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 47所示，圖中 u(t)為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 25 r ( t )e ( t )比 例積 分++++u ( t )水 泵 管 網(wǎng)y ( t )－實 際 壓 力給 定 壓 力頻 率轉(zhuǎn) 速壓 力 變 送 器微 分 圖 47 PID控制原理框圖 PID 控制規(guī)律為 ： 1 ( )( ) ( ) ( )pdid e ty t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? （ 42） 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： ( ) 1( ) (1 )() PdiUsG 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 ： (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(qiáng)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(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(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機(jī)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 (42)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(dá)式 ： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )n dP ji TTu n K e n e j e n e nTT???? ? ? ? ?????? （ 44） 26 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(n? l)為第n? 1 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(dá)式為： ? ?? ?( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 )( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )PIDu n u n u n K e n e nK e n K e n e n e n? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 45） 式中： ()un? 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 ；IPITKKT?； DDPTKKT?。 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