【導(dǎo)讀】高樓供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)。濟(jì)性直接影響到用戶的正常工作和生活。境的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。本文首先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理；調(diào)速是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。電控系統(tǒng)和PID控制由PLC完成，達(dá)到控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和控制要求。水進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，分析的結(jié)果表明具有明顯的節(jié)能效益。

　　

【正文】 饋 的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個(gè)開環(huán)控制系 統(tǒng)。另例，當(dāng)一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （ 3） 階躍響應(yīng) 階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（ step function）加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤 差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字 來描述 。 穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性 (stability)， 一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的；準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控 制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來 (Steadystate error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差；快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來定量描述。 （ 4） PID 控制的原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或 不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD控制。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn) 單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 比例作用大 ,可以加快調(diào)節(jié) ,減少誤差 ,但是過大的比例 ,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降 ,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 積分（ I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng) ” 。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積 分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,提高無差度。因?yàn)橛姓`差 ,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行 ,直至無差 ,積分調(diào)節(jié)停止 ,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù) Ti,Ti 越小 ,積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti 大則積分作用弱 ,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降 ,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合 ,組成 PI調(diào)節(jié)器或 PID調(diào)節(jié)器 因此，比例 +積分 (PI)控制器 ，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分 項(xiàng) ” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率 ,具有預(yù)見性 ,能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì) ,因此能產(chǎn)生超前的控制作用 ,在偏差還沒有形成之前 ,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此 ,可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下 ,可以減少超調(diào) ,河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 33 減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用 ,因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié) ,對(duì)系 統(tǒng)抗干擾不利。此外 ,微分反應(yīng)的是變化率 ,而當(dāng)輸入沒有變化時(shí) ,微分作用輸出為 零。微分作用不能單獨(dú)使用 ,需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合 ,組成 PD 或 PID 控制器。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定 PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是 依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn) 行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主 要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需 要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié) ，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。 在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。 對(duì)于溫度系統(tǒng)： P（ %） 2060， I（分） 310， D（分） 對(duì)于流量系統(tǒng)： P（ %） 40100， I（分） 對(duì)于壓力系統(tǒng)： P（ %） 3070， I（分） 對(duì)于液 位系統(tǒng)： P（ %） 2080， I（分） 15 參數(shù)整定找最佳，從小到大 順序查 。 先是比例后積分，最后再把微分加 。 曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大 。 曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳 。 曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降 。 曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng) 。 曲線振蕩頻率快，先把微分降下來 。 動(dòng)差大來波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng) 。 理想曲線兩個(gè)波，前高后低 4比 1 。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 34 一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低 。 系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控界面 目前，自動(dòng)化產(chǎn)品呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，并且逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件規(guī)范，這使得自動(dòng)化系統(tǒng)的 “水平”和“垂直”集成變得更加容易。同時(shí)對(duì)自動(dòng)化工程技術(shù)也提出 了新的要求，那就是充分利用市場(chǎng)上功能完善、合乎工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的工控產(chǎn)品，選擇使用方便、功能齊全、性能價(jià)格比高的監(jiān)控組態(tài)軟件，快速地進(jìn)行系統(tǒng)集成、構(gòu)造符合要求的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。 在本次設(shè)計(jì)中，我們利用了力控組態(tài)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行界面進(jìn)行了模擬。 PCAuto 是北京三維力控科技有限公司“管控一體化解決之道”產(chǎn)品線的總稱，是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，最大特點(diǎn)是有靈活多樣的“組態(tài)方式”。它不是一以編程方式來進(jìn)行系統(tǒng)集成，它提供了良好 的用戶開發(fā)界面和簡(jiǎn)潔的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，縮短了自動(dòng)化工程師的系統(tǒng)集成時(shí)間，大大地提高了集成效率。 在自動(dòng)化控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)上，它能同時(shí)和國(guó)內(nèi)外的各種工業(yè)控制廠家的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，可以與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，這樣便可以達(dá)到集中管理和監(jiān)控的目的，同時(shí)還可以方便地向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，實(shí)現(xiàn)與第三方的軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行集成。 下圖 49是本次設(shè)計(jì)中的監(jiān)控界面，從界面上我們可以清晰地看出本供水 系統(tǒng)控制界面比較簡(jiǎn)單，由四個(gè)開關(guān)和十個(gè)信號(hào)燈組成。整個(gè)運(yùn)行情況是這樣的 ，正常運(yùn)行時(shí)，工作指示燈按照當(dāng)前的泵組工作 情況進(jìn)行顯示，一旦發(fā)生故障或者緊急情況時(shí)，指示燈會(huì)顯示出來。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 35 圖 49 下 圖 410 是整個(gè)恒壓供水系統(tǒng)的力控組態(tài)設(shè)備界面，其中 1泵和 2 泵為 I組，3和 4泵為 II 組，白天是由 I組泵和 II 組 泵輪流工作并互為備用。夜間運(yùn)行時(shí)，所有泵組停止工作，由氣壓罐進(jìn)行供水。 圖 410河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 36 5 提高系統(tǒng)的整體節(jié)能效率 壓力傳感器的最佳安裝點(diǎn)選取 在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中雖然我們是采用了恒壓變頻供水，相對(duì) 于以前的恒速供水是可以節(jié)約很多電能，但是我們?yōu)榱艘M(jìn)一步提高節(jié)能效率，在選擇壓力傳感器安裝點(diǎn)必須要符合節(jié)能的最佳效果。譬如說，我們?cè)谌粘５墓┧到y(tǒng)設(shè)計(jì)安裝時(shí)，很多人為了方便，直接把壓力傳感器安裝在泵站內(nèi)，沒有顧及其他的因素。因此在某些設(shè)計(jì)中會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的節(jié)能效果下降或者由于參數(shù)設(shè)置麻煩導(dǎo)致根本不能實(shí)現(xiàn)實(shí)際要求，只能增加成本來 解決 。這些問題本來是可以避免的，就是因?yàn)閴毫鞲衅鞯陌惭b位置不佳而導(dǎo)致的。在一般的供水系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)的供水壓力和壓力傳感器的位置安裝關(guān)系如圖 51 圖 51 由上圖可知，一般我們假 設(shè)管網(wǎng)（在沒有用水時(shí)）所需壓力設(shè)為 1 時(shí)，當(dāng)用水量增大時(shí)，管網(wǎng)壓力會(huì)小于 1，當(dāng)我們用水泵增加供水量時(shí)，管網(wǎng)壓力會(huì)大于 1 的。就是說管網(wǎng)的壓力在水泵的作用下處于設(shè)定值上下波動(dòng)。整個(gè)壓力曲線應(yīng)該符合 H2 曲線，如果我們壓力傳感器安裝位置不佳會(huì)使得我們的曲線低于設(shè)定值，這樣就會(huì)使得成本加大，反之，會(huì)造成設(shè)備使用壽命減少。 對(duì)于這個(gè)問題，我們 通過 經(jīng)驗(yàn)所得，壓力傳感器應(yīng)安裝在最不利供水點(diǎn)的主干道上，盡量有避免最不利供水點(diǎn)的主干道前還有其他分支。如果的確有，那我們可以采用雙傳河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 37 感器來解決。 優(yōu)化系統(tǒng)的靈敏度 由于供水系統(tǒng) 采用的是 PID控制，而 PID 調(diào)節(jié)器本身在供水系統(tǒng)中會(huì)暴露出固有的缺點(diǎn)。主要有 ： 參數(shù)調(diào)節(jié)困難，經(jīng)常變化。 ，超調(diào)不斷。 、減速，使得節(jié)電大打節(jié)扣。 ，減少設(shè)備的使用壽命。 除此之外， 在一般的供水系統(tǒng)來說是一個(gè)比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而且它要求的性能比也高，所以我們?cè)谑褂霉┧到y(tǒng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些 難以避免的難題。譬如說，在 PID 運(yùn)算時(shí)，管網(wǎng)壓力的稍微變少都會(huì)造成水泵迅速啟動(dòng)，一旦壓力有減少，水泵又要馬上作出相應(yīng)的動(dòng)作。這樣水泵會(huì)頻繁啟動(dòng)并且處于極低頻狀態(tài)下運(yùn) 行，很容易造成電機(jī)的堵轉(zhuǎn)，使得使用壽命大大減少。 出現(xiàn)這種情況主要有兩個(gè)原因： 。 、關(guān)閉或者機(jī)械振動(dòng)等也會(huì)引起壓力傳感器波動(dòng)，其特點(diǎn)是幅度較少，頻率較高。 因此我們?yōu)榱吮M量減少設(shè)備的故障率和提高節(jié)能效率，就需要一套可行的解決方案。 ，使得系統(tǒng)的動(dòng)作值在一個(gè)范圍內(nèi)是出于不動(dòng)作，這樣有利于防止由于管網(wǎng)壓力變化很小和頻繁變化引起水泵頻繁啟動(dòng)。如下圖 52所示 。由于管網(wǎng)內(nèi)的壓力值是由壓力傳感 器檢測(cè)的并送到 PLC 上，而且檢測(cè)的壓力值我們可以看作 為一條變化的曲線，然后在變化曲線的某些域中設(shè)置 A,B 兩點(diǎn)，而由 A,B兩點(diǎn)和曲線圍成的陰影區(qū)域就是我們要設(shè)置的死區(qū)。 這樣使得當(dāng)前壓力值處于死區(qū)時(shí)，系統(tǒng)可以不做反應(yīng)，直到壓力值不在死區(qū)時(shí)，系統(tǒng)才動(dòng)作調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力。通過這種方法是可以有效的避免水泵電機(jī)由于管網(wǎng)壓力的微少變化而頻繁動(dòng)作。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 38 圖 52 ，而且這個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)特點(diǎn)就是用水時(shí)間相對(duì) 集中，這樣我們也可以設(shè)計(jì)出一個(gè)按時(shí)間段來供水的方案或者在用水量 集中的時(shí)間段里進(jìn)一 步 縮少 系統(tǒng)動(dòng)作的死區(qū)域。假設(shè)我們一般用水相對(duì)集中的時(shí)間段一般是 6點(diǎn) — 8點(diǎn)、 11 點(diǎn) — 13 點(diǎn)、 18點(diǎn) — 22 點(diǎn)。 陰影部分為系統(tǒng)動(dòng)作的死區(qū)區(qū)域，如下 圖 53 所示 圖 53 系統(tǒng)的 EMC 要求及規(guī)范 EMC 的解決方法 隨著 科學(xué) 技術(shù)的迅速 發(fā)展 ， 現(xiàn)代 各種電子、電氣、信息設(shè)備的數(shù)量和種類越來越多，性能越來越先進(jìn)，其使用場(chǎng)合和數(shù)量密度也越來越高。這就使得電子設(shè)備工作時(shí)常受到各種電磁干擾，包括自身干擾和來自其它設(shè)備的干擾，同時(shí)也對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。在這種情況下，要保證設(shè)備在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中正常工作，則在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段就必須18 點(diǎn) — 22 點(diǎn) 6 點(diǎn) — 8 點(diǎn) 11 點(diǎn) — 13 點(diǎn) 時(shí)間 T/S 壓力值 P/MPa 死區(qū) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 39 認(rèn)真考慮電磁兼容性設(shè)計(jì)。如果忽視了這一問題 ,到新產(chǎn)品使用時(shí)，干擾問題就會(huì)暴露出來。因此及早地解決電磁干擾問題是電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要環(huán)節(jié)。 電磁兼容性 EMC（ Electro Magic Compatibility），是指設(shè)備