【導(dǎo)讀】速恒壓供水系統(tǒng),并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運(yùn)行管理界面。本系統(tǒng)包含兩臺(tái)水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號(hào)，送入PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)。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，在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度較低，而隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，

　　

【正文】 處理程序 本系統(tǒng)中包括水池水位越限報(bào)警指示燈、變頻器故障報(bào)警指示燈白天模式運(yùn)行指示燈以及報(bào)警電鈴。當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時(shí)報(bào)警電鈴響起。而試燈按鈕按下時(shí)，各指示燈會(huì)一直點(diǎn)亮。 故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號(hào)和工頻泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號(hào)。 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(xì)的主程序梯形圖請(qǐng)參考附錄 C。 主程序流程圖如圖 所示。由于在圖 中并未對(duì)各臺(tái)水泵的變頻和工頻運(yùn)行控制做詳細(xì)介紹，因此圖 和圖 對(duì)其作了完整的補(bǔ)充。其中圖 是以 2泵為例的變頻運(yùn)行控制流程 圖，圖 是以 2泵 為例的工頻運(yùn)行控制流程圖。 1泵的運(yùn)行控制情況與 2泵相似，在此就不再重復(fù)。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 31 開 始調(diào) 用 初 始 化子 程 序設(shè) 置 兩 種 模 式下 水 壓 給 定 值設(shè) 定 變 頻 泵 號(hào)變 頻 器 頻率 達(dá) 上 限定 時(shí) 5 m i n , 濾 波YN工 頻 泵 數(shù) 加 1 ， 產(chǎn)生 變 頻 啟 動(dòng) 脈 沖變 頻 器 頻率 達(dá) 下 限Y定 時(shí) 5 m i n , 濾 波N工 頻 泵 數(shù) 減 1 ， 產(chǎn)生 變 頻 啟 動(dòng) 脈 沖是 否 增 泵 或 倒 泵復(fù) 位 變 頻 器 ，變 頻 泵 號(hào) 加 1YN調(diào) 整 變 頻 泵號(hào) ， 遇 4 變 1產(chǎn) 生 當(dāng) 前 泵 工 頻運(yùn) 行 ， 下 臺(tái) 泵 變頻 運(yùn) 行 啟 動(dòng) 脈 沖變 頻 泵 單 獨(dú) 運(yùn)行 時(shí) 間 達(dá) 3 hYN產(chǎn) 生 倒 泵 信 號(hào)1 、 2 泵 變 頻 運(yùn) 行控 制1 、 2 泵 工 頻 運(yùn) 行控 制水 池 水 位 越 限YN水 位 越 限 報(bào) 警變 頻 器 故 障YN變 頻 器 故 障 報(bào) 警是 否 有 報(bào) 警YN變 頻 泵 號(hào) 置 1工 頻 泵 數(shù) 置 0產(chǎn) 生 故 障 結(jié) 束脈 沖程 序 結(jié) 束 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 32 是 否 有 變 頻啟 動(dòng) 脈 沖 信 號(hào)YN變 頻 泵 號(hào)是 否 為 2YN系 統(tǒng) 是 否 無 故 障YN是 否 無 變 頻 器復(fù) 位 脈 沖YN2 泵 是 否工 頻 運(yùn) 行NY2 泵 變 頻 運(yùn) 行開 始結(jié) 束開 始是 否 有 工 頻運(yùn) 行 啟 動(dòng) 脈 沖YN工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 11 泵變 頻 運(yùn) 行YN2 泵 是 否變 頻 運(yùn) 行NY2 泵 工 頻 運(yùn) 行結(jié) 束 圖 2泵變頻運(yùn)行控制流程圖 圖 2泵工頻運(yùn)行控制流程圖 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì) (1) 初始化子程序 SBR_0 首先初始化變頻運(yùn)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(yùn)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)中詳基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 33 細(xì)介紹。最后再設(shè)置定時(shí)中斷和中斷連接。具體程序梯形圖如圖 所示。 圖 初始化子程序 SBR_0 梯形圖 (2) PID 控制中斷子程序 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 34 首先將由 AIW0 輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過 PID 運(yùn)算后，再將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化成輸出值，由 AQW0 輸出模擬信號(hào)。具體程序梯形圖如圖 所示。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 35 圖 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(jì)中，選用了 含 PID 調(diào)節(jié)的 PLC 來實(shí)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(diǎn) 。 PID 控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值 r(t)和實(shí)際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)[15]： ( ) ( ) ( )e t y t r t?? （ ） 經(jīng)比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 36 u(t)，對(duì)被控對(duì)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(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，圖中 u(t)為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 r ( t )e ( t )比 例積 分++++u ( t )水 泵 管 網(wǎng)y ( t )－實(shí) 際 壓 力給 定 壓 力頻 率轉(zhuǎn) 速壓 力 變 送 器微 分圖 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??? ? ?????? （ ） 式中： Kp 為比例系數(shù)； Ti 為積分時(shí)間常數(shù)； Td 為微分時(shí)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? ? ? ? （ ） 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(hào)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(shí)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(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 37 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(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)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(hào)，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。 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(duì)式()離散化來實(shí)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???? ? ? ? ?????? （ ） 式中 ： T 為采樣周期 ； n 為采樣序號(hào) ； e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信號(hào) ；e(n? l)為第 n? 1 時(shí)刻的偏差信號(hào) 。 實(shí)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? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ ） 式中： ()un? 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 ；IPITKKT?； DDPTKKT?。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 38 5 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件簡介 組態(tài)軟件一般有圖形界面系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、第三方程序接口組件和控制功能組件組成。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場過程圖形畫面；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)存 儲(chǔ)現(xiàn)場控制點(diǎn)的參數(shù)；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。本設(shè)計(jì)中選擇北京亞控公司的“組態(tài)王”軟件制作監(jiān)控系統(tǒng)。 . 監(jiān)控系統(tǒng)界面 在本系統(tǒng)中，根據(jù)需要共開發(fā)了 5 個(gè)界面，包括啟動(dòng)界面 (包含系統(tǒng)所有菜單 )、 系統(tǒng)運(yùn)行主界面 、 歷史和實(shí)時(shí)趨勢曲線 、 數(shù)據(jù)報(bào)表 、 報(bào)警界面。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)還為不同的用戶設(shè)置了相應(yīng)的權(quán)限。通過主菜單界面可以調(diào)用不同的界面，也可根據(jù)需要在系統(tǒng)運(yùn)行主界面中改變 壓力給 定值。 系統(tǒng)運(yùn)行主監(jiān)控界面如圖 所示，主界面實(shí)時(shí)顯示了 當(dāng)前時(shí)間，設(shè)定的水 壓值和當(dāng)前水壓值，系統(tǒng)的自動(dòng) /手動(dòng)運(yùn)行情況，兩 臺(tái)水泵變頻 /工頻運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行頻率， 各設(shè)備的故障報(bào)警顯示等。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 39 圖 城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控界面基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 結(jié)束語 40 6 結(jié)束語 本文針對(duì) 城市小區(qū) 供水的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于 PLC 的變頻 恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)利用單臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵電機(jī)的軟起動(dòng)和調(diào)速，摒棄了原有的自 耦 降壓起動(dòng)裝置，同時(shí)把水泵電機(jī)控制納入自動(dòng)控制 系統(tǒng)。壓力 變送 器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng) PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大 小調(diào) 節(jié) 電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)， 保證管網(wǎng)壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且 具有 工作可靠、施工簡單、節(jié)能效果顯著、全自動(dòng)控制、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。 本文主要的工作如下 ： (1) 由 PLC、變頻器實(shí)現(xiàn)生活用水的恒壓控制。系統(tǒng)采用 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)多泵切換的控制。通過變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓的調(diào)節(jié)。 (2) 通過對(duì)控制過程和原理的分析，利用西門子 STEP7 MicroWIN 編程軟件設(shè)計(jì)了一個(gè) 用于恒壓供水系統(tǒng)的程序，本程序包括順序控制主 程序，初始化子程序和中斷子程序三部分。 (3) 對(duì)上位機(jī)組 態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì) 。 根據(jù)泵站監(jiān)控要求， 利用組態(tài)王軟件 完成了泵站組態(tài)監(jiān)控畫面的 各個(gè)功能的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)界面清楚明了，易于操作，能動(dòng)態(tài)地顯示當(dāng)前運(yùn)行情況、當(dāng)前水壓以及故障情況。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅使我鞏固了對(duì)原有知識(shí)的掌握，還拓寬了我的知識(shí)面。在提高自己的同時(shí)，我也更加清楚的認(rèn)識(shí)到自己的一些不足之處。比如： 在 硬件設(shè)備之間的連接， I/O 端口的分配，地址的分配這幾方面自己起初不是很了解，但經(jīng)過這半年的自學(xué)，以及向老師、同學(xué)們請(qǐng)教，我對(duì)這些知識(shí)有了更深入的理解。 通過這半年的實(shí)踐和學(xué)習(xí)，我學(xué)到了很基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 結(jié)束語 41 多課本中無法涉及到的 知識(shí)，體會(huì)到了工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜與困難，也感受到了親自做出成績的成功與喜悅，這些都為即將開始的研究生生活打 下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在以后的學(xué)習(xí)和生活中，我會(huì)不斷的提高、充實(shí)自己，爭取獲得更大的成績?；?PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 附錄 42 參考文獻(xiàn) .變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討 [J],蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào) ,20xx,1:8488 .變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,20xx,135137 ,毛宗源 .變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J],電子技術(shù)應(yīng)用 ,20xx,2:3839 4. 張燕賓 .SPWM 變頻 調(diào) 速 應(yīng)用 技 術(shù) [M]. 北京 : 機(jī)械 工 業(yè)出 版社 ,20xx,244251 Logic Controller[J],the free wikipedia encyclopedia,20xx,3:18 .PLC 編程及