【正文】 得 KM1 常開觸點(diǎn)閉合， 1水泵工頻運(yùn)行，同時(shí) KM1 常閉觸點(diǎn)打開防止 KM2 線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖， KM1的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。 (6) 報(bào)警及故障處理程序 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。 29 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) [9]。 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。 主程序流程圖如圖 所示。由于在圖 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。 3泵的運(yùn)行控制情況與 2泵相似，在此就不再重復(fù)。 30 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 、 3 泵 變 頻運(yùn) 行 控 制1 、 2 、 3 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 31 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幾 號(hào) 泵變 頻 運(yùn) 行 ？工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 0工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 13 泵變 頻 運(yùn) 行1 泵變 頻 運(yùn) 行YNYN2 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， 一般 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。 32 圖 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(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。 33 34 圖 PID控制中斷子程序 INT_0梯形圖 PID 設(shè)計(jì) PID 控制 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方式之一。它的原理如圖所示：比 例積 分微 分驅(qū) 動(dòng) 控 制 對(duì) 象y ( t )U ( t )++e ( t )r ( t )+ 圖 PID 控制 原理圖 35 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 y(t)構(gòu)成的控制 偏差 [10] e(t)=y(t)一 r(t) （ 41） 將偏差 e(t)的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 PID 控制 器各個(gè)部分的作用及其在控制中的調(diào)節(jié)規(guī)律如下： 比例增益部分 (P)用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關(guān)系的分量，能夠快速反應(yīng)系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。由經(jīng)典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)的增大而減少，但比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 積分部分 (I)表明控制器的輸出不僅與輸入控制的系統(tǒng)偏差的大小有關(guān)，還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。因此積分作用主要是用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差， 提高精度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)。然而，單純的積分作用速度太慢，無法及時(shí)對(duì)系統(tǒng)的偏差變化做出快速反應(yīng)。 微分部分 (D)可以對(duì)輸入的變化趨勢做出反應(yīng)，即它的輸入與輸出的大小無關(guān)，但與輸入量的導(dǎo)數(shù)成線性關(guān)系。它是用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，用來改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特特性。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個(gè)零點(diǎn)，如果使用不當(dāng)會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 PID 的三種作用是各自獨(dú)立的，互不影響的。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。顯 然，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用上面任意一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。一般來說，系統(tǒng)是使用它們的組合，如 PI控制算法， PD控制算法和 PID 控制算法。 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析 恒壓供水的目的就使要保證供水能力 QG適應(yīng)用水需求 QU 變化。當(dāng)供水能力 36 和用水需求之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。因此，可根據(jù)壓力的變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力和用水需求之間的平衡。 在供水系統(tǒng)中，變頻器、 PID 控制器 、壓力變送器、水泵等構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對(duì)供水能力實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。其實(shí)現(xiàn)方法是，首先根據(jù)用戶對(duì)水壓的要求，給 PID 控制器預(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(hào)反饋給 PLC 內(nèi)置的PID 控制器， PID 控制器根據(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(dòng)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(dòng)態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下： 1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行：當(dāng)供水能力等于用水需求，目標(biāo)壓力信號(hào) r 和壓力反饋信號(hào)y相當(dāng)，偏 差 e=yr=0， PID 輸出的控制增量Δ u=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。 2）用水量增加時(shí)：當(dāng)用水量增加時(shí)，用水需求大于供水能力，水壓下降，壓力反饋信號(hào) y減小，偏差 e=yr0， PID 輸出的控制增量Δ u0，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。 3）當(dāng)用水量減小時(shí)：當(dāng)用水量減小時(shí)，用水需求小于供水能力，水壓上升，壓力反饋信號(hào) y增大，偏差 e=yr0， PID 輸出的控制增量Δ u0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，減弱 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 。 PID 控制器的應(yīng)用 通過控制對(duì)象的傳感器等檢測控制量 (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、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的 PID 控制器的控制形式主要有兩種 ： 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。 37 軟件型，使用離散形式的 PID 控 制算法在可編程序控制器 (或單片機(jī) )上做 PID 控制器。 本設(shè)計(jì)中選用連續(xù) PID 控制器 FB41， 壓力設(shè)定值與反饋值進(jìn)行運(yùn)算，將出口壓力控制到設(shè)定值附近。 38 第五章 總 結(jié) 全文總結(jié) 本 文針對(duì)我國中小城市水廠供水的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器以及接觸器控制柜等。采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng) 3臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速。壓力傳感器采樣 管網(wǎng)輸出點(diǎn)的壓力 信號(hào)， 壓力傳感器輸出的是 4~20mA 的電信號(hào)，將這個(gè)輸出與 PLC 的模擬量輸入端相連，同時(shí) 變頻器輸 出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給 PLC 的 PID 模塊， PLC 根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng) PID 運(yùn)算，發(fā)出指令，對(duì)水泵電機(jī) 的 啟動(dòng) 、停止， 工頻和變頻之間的切換 進(jìn)行控制。 采用模塊化的編程方式進(jìn)行了 PLC 程序的設(shè)計(jì)、編寫、調(diào)試，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能、程序控制算法都基本達(dá)到系統(tǒng)工藝的要求。 . 研究展望 本次設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：恒壓供水系統(tǒng)原理、系統(tǒng)的 元件 選型、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和 PLC 軟件編程等。由西門子 S7 200 系列 PLC、變頻器和壓力傳感器等組成的恒壓供水系統(tǒng) ,充分發(fā)揮了 PLC 內(nèi)置的 PID 運(yùn)算模塊 ,自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸 出頻率、投入使用泵數(shù) ,達(dá)到恒壓供水的目的 。通過泵號(hào)管理程序 ,實(shí)現(xiàn)泵號(hào)自動(dòng)切換 ,使每臺(tái)水泵工作狀況基本相同 ,提高設(shè)備利用率并減少維修費(fèi)用 。同時(shí)通過變頻器自帶保護(hù)功能可輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷。實(shí)際運(yùn)行情況證明了本系統(tǒng)具有可靠性高、自動(dòng)化程度高、便于維護(hù)和高節(jié)能性等特點(diǎn) ,具有很大的應(yīng)用價(jià)值。隨著各方面技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)能量卻日益緊缺，在這種情況下，變頻恒壓供水系統(tǒng)的使用肯定會(huì)越來越普及，當(dāng)然對(duì)恒壓供水控制技術(shù)將提出更高的要求。如對(duì)系統(tǒng)采用基于 GPRS 的無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等。另外本文的設(shè)計(jì)、控制方法完全可以用于恒風(fēng)壓控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)和水泵的能耗大約占整個(gè)電能能耗的三分之一左右。所以變頻恒壓供水技術(shù)在逐走向成熟的過程中，仍然有必要對(duì)其進(jìn)行更深入的研究。 39