【導(dǎo)讀】可靠性的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。針對(duì)目前的小區(qū)供水系統(tǒng)中存在的電能、水資源浪費(fèi)且供水質(zhì)量差等問(wèn)題,本文研究并設(shè)計(jì)了一種變頻調(diào)速恒壓供水控制器。該控制器是以三菱FX2NPLC. 該系統(tǒng)是以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，根據(jù)用水量的大小由PLC控制投入運(yùn)行的。水泵的數(shù)量及電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)恒壓供水。接著分析了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和控制流程。究了PID算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于變頻恒壓供水系統(tǒng)的PID控制器?？?，所設(shè)計(jì)的PID控制器正確有效，較好的保證了管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定性。一種較理想的控制系統(tǒng)。Keywords：PLC；Variablefrequency；Watersupply；Constantpressure；PID. 系統(tǒng)各部分的功能.......

　　

【正文】 換開(kāi)始；當(dāng) B2 位從 “1”變成 “0” D/A轉(zhuǎn)換低 8 位保持，其余各位沒(méi)有意義。 本章小結(jié) 該設(shè)計(jì)只是電氣控制系統(tǒng)的一部分，一個(gè)完整的電控系統(tǒng)還應(yīng)包括所有元器件的選型、電控柜的布置等內(nèi)容。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，還應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室里做模擬實(shí)驗(yàn)并最終到現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行無(wú)誤后，才能算做真正意義上設(shè)計(jì)任務(wù)的完成。 為了敘述方便，突出重點(diǎn)，我們選擇了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)作為示例，其硬件電路和梯形圖軟件都較為簡(jiǎn)單明了。實(shí)際應(yīng)用中 PLC 系統(tǒng)類(lèi)型更廣，軟件更為復(fù)雜。 熟悉工藝過(guò)程和控制任務(wù)是建立 I/O 表的基礎(chǔ)，也是關(guān)系到設(shè)計(jì)成敗的出發(fā)點(diǎn)。在操作方式選擇和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)最大限度地滿(mǎn)足 操作方便、功能齊全的設(shè)計(jì)目標(biāo)?？傮w設(shè)計(jì)是分配各個(gè)控制系統(tǒng)和軟、硬件任務(wù)劃分及聯(lián)系的核心，要在設(shè)計(jì)初期給予充分重視。應(yīng)避免在總體設(shè)計(jì)未完成的情況下，先動(dòng)手做細(xì)節(jié)問(wèn)題，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正確連接，成為一個(gè)個(gè)分散的小系統(tǒng)。 熟悉電氣制圖標(biāo)準(zhǔn)和元器件結(jié)構(gòu)、工作原理是設(shè)計(jì)硬件電路的基礎(chǔ)，其中的線號(hào)、端子、圖號(hào)及常開(kāi)觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、線圈等表示方法是在設(shè)計(jì)前應(yīng)補(bǔ)課的內(nèi)容。有關(guān)的規(guī)定可查閱電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)和相關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)。 PLC 的 I/O 模塊選好后，要進(jìn)行地址分配，這個(gè)地址應(yīng)與 I/O 表及梯形圖程序一一對(duì)應(yīng)，才能 將整個(gè)系統(tǒng)各部分正確地聯(lián)系在一起。 PLC 的 I/O 模塊中有些插槽內(nèi)沒(méi)有接任何的輸入和輸出，主要是預(yù)留出一定的裕量，為以后擴(kuò)展時(shí)使用。多余的指示燈是為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)需增加設(shè)備情況下的備用燈。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 第 5 章 PID 控制器的設(shè)計(jì) PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制力式之一。它的原理通過(guò)控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進(jìn)行比較。若有偏差，則通過(guò)此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也就是使反饋量與目標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制 等過(guò)程量的控制。在恒壓供水中常見(jiàn)的 PID控制器的控制形式主要有兩種：如圖 圖 PID控制原理圖 硬件型，即通用 PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和 P， I， D 參數(shù)及目標(biāo)值的設(shè)定。 軟件型，使用離散形式的 PID控制算法在可編程序控制器上做 PID控制器。 在該系統(tǒng)中我們用硬件型設(shè)計(jì)這樣可以減少編程 PID 控制參數(shù)計(jì)算 PID控制算法的一般形式 PID控制器根據(jù)日標(biāo)值 (設(shè)定值 )r(t)與反饋值 (測(cè)量值 )c(t)構(gòu)成的控制偏差： e(t)=r(t)c(t) （ ） 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為： ])( )(0 )(11)([)( td tdet dTteTteKptu ? ??? （ ） 或 ])( )()(1)([1 0 td tdeTtete t d? ?? ?? （ ） 式中 + + + 驅(qū)動(dòng)部 控制對(duì)象 P I D 目標(biāo)值 + (給定值 ) 反饋值 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 CK ： 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) iT ： 調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 dT ： 調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間 e ： 調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào) δ： 比例帶，它是慣用增益的倒數(shù) u： 輸出 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) ， PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的： 比例環(huán)節(jié)： 即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。 積分環(huán)節(jié) ：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分 作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 微分環(huán)節(jié) ：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，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，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： )](11[1)( sTnsGc d??? ? （ ） 當(dāng)上述控制算法公式只包含第一項(xiàng)時(shí)，稱(chēng)為比例 (P)作用，只包含第二項(xiàng)時(shí)，稱(chēng)為積分 (I)作用 。但只包含第三項(xiàng)的單純微分 (D)作用是不采用的，因?yàn)樗荒芷鸬绞贡豢?變量接近設(shè)定值的效果，只包含第一、二項(xiàng)的是 PI作用 。只包含第一、三項(xiàng)的是 PD作用 。同時(shí)包含這三項(xiàng)的是 PID作用。 僅用 P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加 I動(dòng)作的 PI控制。用 PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。但是， I動(dòng)作過(guò)強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用 P動(dòng)作控制。 對(duì)于 PID控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú) D動(dòng)作還要大的操作量，以此來(lái)抑制偏差的增加。偏差小時(shí)， P動(dòng)作的作用減小?？刂茖?duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅 P動(dòng)作控制，有 時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使 P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。換言之，該種控制方式適用于過(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負(fù)載。 利用 I動(dòng)作消除偏差作用和用 D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合 P動(dòng)作就構(gòu)成了 PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用 PID控制較其它組合控制效果要好，基黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 本上能獲得無(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng) (即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類(lèi)系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié) )效果比較好。 PID 參數(shù)整定的原則 針對(duì)一個(gè)具體的系統(tǒng)，設(shè)置和調(diào)整 PID參數(shù)，使調(diào)節(jié)過(guò)程達(dá)到滿(mǎn)意的品質(zhì)，稱(chēng)為參數(shù)整定，不管是用常規(guī)調(diào)節(jié)器還是數(shù)字 PID調(diào)節(jié)器，統(tǒng)稱(chēng)為調(diào)節(jié)器參數(shù)整定。下面簡(jiǎn)單列舉一些的準(zhǔn)則： 如果廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)是 )1/( 00 0 ?? sTeK s? ，調(diào)節(jié)器的比例增益是 Kc 整個(gè)系統(tǒng)總的開(kāi)環(huán)增益是 0KKC 。在其他因素相同的情況下，當(dāng)大的時(shí)候， CK 應(yīng)該小一些， 0K 小的時(shí)候， CK 應(yīng)該大一些。 2， 在動(dòng)態(tài)參數(shù)方面，可取 0/T??? 作為特征值越 0/T??? 大，系統(tǒng)越不易穩(wěn)定，因此 CK 應(yīng)該小一些。同時(shí)， iT 和 dT 也應(yīng)取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。經(jīng)驗(yàn)上常取 iT 為 2左右，dT 為 0。 5左右。因此，如有 T的估計(jì)值， iT 和 dT 值就不難定出了。 在 PID 三個(gè)作用中， P作用往往是最基本的控制作用。由這一點(diǎn)出發(fā)，可從兩條途徑之一進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)湊試： (1)先用單純的 P作用，選出合適的值 CK ，作為基礎(chǔ)，然后適當(dāng)引入 iT 和 dT ， Ti和 Td值進(jìn)行挑選。 (2)依據(jù)驗(yàn)前知識(shí) (如對(duì) T的了解 )，把 Ti和 Td置于合適的數(shù)值，然后主要對(duì) CK值進(jìn)行湊試，得出最合宜的數(shù)值。 以上兩條途徑表面上看來(lái)截然相反，但它們都是以承認(rèn) P作用為主體作為前提的。 積分 (I)作用的引入既有利又有弊。必須盡量發(fā)揮它能消除余差的利，盡量縮小它不利于穩(wěn)定的弊。一般取 iT =(0。 5～ 1) 0T ， ( 0T 是振蕩周期 )。在以上情況下，由 I作用引起的相位滯后不超過(guò) 400，幅值比增加不超過(guò) 20%。即使如此，在引入 I作用后， CK 應(yīng)比單純 P作用時(shí)減小 10%左右。 對(duì)于含有噪音的過(guò)程，不宜引入微分作用，否則高頻分量放大得很厲害。 在控制品質(zhì)方面，穩(wěn)定性的要求是前提。如果只有一個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)可以調(diào)整，則只能滿(mǎn)足一個(gè)品質(zhì)指示，通常就取衰減比作為指標(biāo)。如果有兩個(gè)參數(shù)可以調(diào)整，在可在衰減比之外，再添加一個(gè)指標(biāo)。 PID 指令的使用注意事項(xiàng) 1． PID 控制器的選取 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 PID 控制器的性能和處理速度只與所采用 的 CPU 的性能有關(guān)。對(duì)于任意給定的 CPU，控制器的數(shù)量和每個(gè)控制器被調(diào)用的頻率是相互矛盾的?？刂骗h(huán)執(zhí)行的速度，也即在每個(gè)時(shí)間單元內(nèi)操作值必須被更新的頻率決定了可以安裝的控制器的數(shù)量。對(duì)要控制的過(guò)程類(lèi)型沒(méi)有限制，遲延系統(tǒng)（溫度、液位等）和快速系統(tǒng)（流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等）都可以作為被控對(duì)象。 過(guò)程分析時(shí)應(yīng)注意：控制過(guò)程的靜態(tài)性能（比例）和動(dòng)態(tài)性能（時(shí)間延遲、死區(qū)和重設(shè)時(shí)間等）對(duì)被控過(guò)程控制器的構(gòu)造和設(shè)計(jì)以及靜態(tài)（比例）和動(dòng)態(tài)參量（積分和微分）的維數(shù)選取有著很大的影響。準(zhǔn)確地了解控制過(guò)程的類(lèi)型和特性數(shù)據(jù)是非常必要的。 控制器選取時(shí)應(yīng)注意：控制環(huán)的特性由被控過(guò)程或被控機(jī)械的物理特性決定，并且設(shè)計(jì)中可以改變的程度不是很大。只有選用了最適合被控對(duì)象的控制器并使其適應(yīng)過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間，才能得到較高的控制質(zhì)量。不用通過(guò)編程就可以生成控制器的大部分功能（構(gòu)造、參數(shù)設(shè)置和在程序中的調(diào)用等），前提是必須已經(jīng)掌握 STEP 7 的編程基礎(chǔ)知識(shí)。 正作用或反作用回路 如果增益為正，那么該回路為正作用回路。如果增益為負(fù)，那么是反作用回路。對(duì)于增益為正的積分或微分控制來(lái)說(shuō)，如果指定積分時(shí)間、微分時(shí)間為正，就是正作用回路；指定為負(fù)，則 為反作用回路。 本章小結(jié) 在許多控制系統(tǒng)中，只需要一種或兩種回路控制類(lèi)型。例如只需要比例回路或者比例積分回路。通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)．可先選用想要的回路控制類(lèi)型。 如果不想要積分回路，可以把積分時(shí)間設(shè)為無(wú)窮大。即使沒(méi)有積分作用，積分項(xiàng)還是不為 0 因?yàn)橛谐踔?MX，但積分作用可以忽略。如果不想要微分回路，可以把微分時(shí)間設(shè)為 0，如果不想要比例回路，但需要積分或微分回路，分項(xiàng)和微分項(xiàng)時(shí)，把增益當(dāng)作 1 看待。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 第 6章 供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的 I/O 及地址分配 將系統(tǒng)所有的輸入信 號(hào)和輸出信號(hào)統(tǒng)一進(jìn)行編址，該系統(tǒng)有 7 個(gè)輸入信號(hào)和13 個(gè)輸出信號(hào)，表 61 是將控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱(chēng)、代碼及地址編號(hào)。水位上下限信號(hào)分別為 X X2 它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為 0，時(shí)為 1 表 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào) 名 稱(chēng) 代碼 地址編號(hào) 輸入信號(hào) 手動(dòng)和自動(dòng)消防信號(hào) SA1 X0 水池水位下限信號(hào) SLL X1 水池水位上限信號(hào) SLH X2 變頻器報(bào)警信號(hào) SU X3 消鈴按鈕 SB9 X4 試燈按鈕 SB10 X5 遠(yuǎn)程壓力表模擬量電壓值 Up 模擬量輸入模塊電流通道 輸出信號(hào) 1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM1,HL1 Y0 1泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM2,HL2 Y1 2泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM3,HL3 Y2 2泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM4,HL4 Y3 3泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM5,HL5 Y4 3泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM6,HL6 Y5 生活消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥 YV2 Y10 水池水位下限報(bào)警指示燈 HL7 Y11 變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 Y12 火警報(bào) 警指示燈 HL9 Y13 報(bào)警電鈴 HA Y14 變頻器頻率復(fù)位控制 KA Y15 控制變頻器頻率用電壓信號(hào) U f 模擬量輸入模塊電流通道 系統(tǒng) 基本 要求 對(duì)三泵生活 /消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： (1)生活供水時(shí)，系統(tǒng)低恒壓值遠(yuǎn)行，消防供水時(shí)高桓壓值遠(yuǎn)行。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 (2)三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要．采取 “先開(kāi)先停 ”的原則接人和退出。 (3)在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 3h，則要切換下即系統(tǒng)具有 “倒泵功能 ”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 (4)三臺(tái)泵在啟 動(dòng)時(shí)都要有軟啟動(dòng)功能。 (5)要有完善的報(bào)警功。 (6)對(duì)泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。 PLC 系統(tǒng)選型 從上面分析可以知道，系統(tǒng)共有開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn) 6 個(gè)、開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn) 12 個(gè)；模擬量輸入點(diǎn) 1 個(gè)、模擬量輸出點(diǎn) 1 個(gè)。選用 FX N2 32MR 主機(jī)一臺(tái)，加上一個(gè)模擬量輸入擴(kuò)展模塊 FX N2 4N，再擴(kuò)展一個(gè)模擬量輸出擴(kuò)展模塊 FX N2 2N。這樣的配置是最經(jīng) 濟(jì)的。整個(gè) PLC 系統(tǒng)的配置如圖 51 所示。 圖 PLC系統(tǒng)的組成 電氣控制系統(tǒng)原理圖 電氣控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖。 主電路圖 如圖 所示為電控系統(tǒng)的主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為 M M M3。接觸器 KM KM KM5 分別控制 M M M3 的工頻運(yùn)行；電機(jī)分別為 MM M3。接觸器 KM KM KM6 分別控制 M M M3 的變頻運(yùn)行； FRl、FR FR3 分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器： QS QS QS QS4別為變頻器和三合泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)； FU1 為主電路的熔斷器；CIMRP5A45P5