【正文】 系統(tǒng)的控制裝置采用 PLC 控制器，可實現(xiàn)泵組的邏輯控制、系統(tǒng)的數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)功能，并可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)控，但本文對系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控工作未作詳細(xì)講解，這是下一步研究的重點。在完成了硬件和軟件的設(shè)計之后，我對系統(tǒng)進行了調(diào)試，這是系統(tǒng)投入運行中一個重要環(huán)節(jié)，主要包括 PLC 程序調(diào)試與運行，變頻器參數(shù)的設(shè)置， PID 參數(shù)調(diào)整運行等。在軟件設(shè)計方面，我首先確定了本次設(shè)計中算選用了 PID 算法。試驗表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠而且經(jīng)濟性強。 調(diào)試步驟系統(tǒng)的調(diào)試主要包括 PLC、WINCC 和變頻器等設(shè)備的調(diào)試。本章結(jié)合供水系統(tǒng)的運行特征總結(jié)了 PID參數(shù)對 PID 算法的影響，分析了德國 SIMENS 公司的 s7300 系列 CPU314C2DP 中的 PID 算法的離散化實現(xiàn)方法，并運用該方法設(shè)計了一個用于溫度控制環(huán)節(jié)的 PD 控制器。圖 44 恒溫供水系統(tǒng)運行主畫面圖 45 恒溫供水系統(tǒng)自動控制主畫面圖 46 供水系統(tǒng)工藝流程圖圖 47 供水系統(tǒng)電氣接線圖圖 48 供水系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示畫面圖 49 系統(tǒng)手動控制主畫面 本章小結(jié)本章從程序設(shè)計理論著手，畫出了程序功能圖和系統(tǒng)自動控制過程列表，并對程序設(shè)計作了具體說明，根據(jù)以上理論，設(shè)計出了程序梯形圖，并做出了 wincc 上位機組態(tài)畫面。圖45 為恒溫供水系統(tǒng)自動控制主畫面，在初始畫面中點擊“歡迎進入自動主畫面”進入恒溫供水系統(tǒng)自動控制主畫面，點擊相應(yīng)的按鈕可進入相應(yīng)的畫面，可進入供水系統(tǒng)工藝流程圖畫面、供水系統(tǒng)電氣接線圖畫面、供水系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示畫面。Wincc 繼承西門子公司的全集成自動化（TIA）產(chǎn)品的技術(shù)先進和無縫集成的特點。P I W 7 5 2 → M W 2 0實際溫度是否低于給定值否否是是置溫度低于下限標(biāo)志實際溫度是否高于給定值置溫度高于上限標(biāo)志 置溫度正常標(biāo)志圖 43 溫度測算流程圖圖 44 頻率測算流程圖的工作過程：將采集到的頻率信號送入 PLC 內(nèi)存中，并判斷是否超限，如果頻率低于下限值使 得點并送入上位機顯示，頻率高于于上限值使 得點 得電，變頻器工作。自動時的溫度測算流程、頻率測算流程分別如圖 43 和圖 44 所示。選擇自動調(diào)節(jié)還是手動調(diào)節(jié)，如果是手動，工作人員可以手動操作泵的啟停。（1）SIMATIC 管理器在 step7 中，用于項目來管理一個自動化系統(tǒng)的硬件和軟件。表 41 采樣周期 T的經(jīng)驗數(shù)據(jù)被測參數(shù) 采樣周期 /s 備注流量 1～5 優(yōu)先選用 1s ～2s壓力 3～10 優(yōu)先選用 6～8s液位 6～8 優(yōu)先選用 7s溫度 15～20 取純滯后時間成分 15～20 優(yōu)先選用 18sPID 參數(shù)的整定的方法有擴充臨界比例帶法、擴充響應(yīng)曲線法、湊試法、仿真尋優(yōu)法。五、PID 參數(shù)的整定數(shù)字控制器與模擬控制器相比除了需要整定 PID 參數(shù)，即比例系數(shù) KP、積分時間 Ti 和微分時間 Td 外，還有一個重要參數(shù)—采樣周期 T。他適用于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大，控制要求較高的場合。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性減少動態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。比例積分控制規(guī)律：積分能消除余差。一、模擬 PID 調(diào)節(jié)器PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)的偏差的比例(P)、積分(I )、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制 [16]。 PID 算法簡介自動化控制系統(tǒng)的核心是控制器。最后就是在了解了系統(tǒng)的硬件組成后，在下一章的軟件設(shè)計上又是一個新的領(lǐng)域，需要積極查閱資料避免發(fā)生錯誤。由于大學(xué)的課程里主要涉及的是歐姆龍系列的 PLC 學(xué)習(xí)，開始接觸西門子系列的 PLC 還有些不適應(yīng)。 圖 32 控制電路原理圖 本章小結(jié)本章主要對系統(tǒng)的硬件部分進行了設(shè)計，并對系統(tǒng)的主電路和控制電路的硬件進行了選型。轉(zhuǎn)換開關(guān)同樣也有單極、雙極和三極。按鈕的形狀通常是圓形或方形。表 310 HH54P(MY4)小型電磁繼電器參數(shù)外形尺寸 21 觸點形式 4Z(C)。允許負(fù)載電壓一般為 DC5V～30V ，允許負(fù)載電流為 ～ ，不能直接驅(qū)動交流接觸器，需要通過控制中間繼電器控制交流接觸器。 繼電器的選擇及確定繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號的變化來接通或斷開控制電路，實現(xiàn)自動控制和保護的電器。PT100 的阻值與溫度變化關(guān)系為：當(dāng) PT100 溫度為 0℃時它的阻值為 100 歐姆，在 100℃時它的阻值約為 歐姆。所以數(shù)字式傳感器目前還不適合于對溫度變化敏感、環(huán)境惡劣的行業(yè)；數(shù)字式傳感器的價格比模擬式傳感器的高，做大范圍應(yīng)用時有一定的難度。 5％，空載狀態(tài)最大 輸出電流 5A，不能以并聯(lián)方式連接輸入電流230V 時 120V 時短路保護電子式，非鎖定，—IN起動電流（25℃時）20A 殘余紋波 最大 150mVssI2t（在起動電流時）1A2s 傳感器和變送器的選擇及確定溫度傳感器主要從輸出信號上分為數(shù)字式溫度傳感器和模擬式溫度傳感器。本次設(shè)計我選用的電源型號是 PS3075A。 ⑤中斷輸入（所有數(shù)字量輸入）：中斷輸入可以檢測過程事件，并在最時間內(nèi)對響應(yīng)進行觸發(fā)。 長期電流輸出時，最大 300 Ω0 至 +10 V 電流輸出時，最大感性負(fù)載 mH輸入范圍(額定值 )，電壓10 V 至 +10 V0 20 mA20 至 20 mA輸入范圍(額定值 )，電流4 20 mA(2)集成功能：①計數(shù)器：4 個計數(shù)器(最高 60kHz)，具有獨立方向的比較器，可直接連接到 24V 增量編碼器。 ⑤PROFIBUS DP 接口：帶有 PROFIBUS DP 主/從接口的 CPU 314C2 DP 可以用來建立高速、易用的分布式自動化系統(tǒng)。(1) CPU 314C2 DP 安裝有：①微處理器：處理器處理每個二進制指令的時間達(dá)到 100 200 ns． ②擴展存儲器：96 KB 高速 RAM (相當(dāng)于大約 32 K 的指令) 用于執(zhí)行相關(guān)的程序部分，為用戶程序提供充分的空間；微存儲卡（最大 8 MB）作為程序的裝載存儲器，也允許在 CPU 中保存項目（包括完整符號和注解） 。通過其擴展的工作存儲器，該緊湊型 CPU 也適用于中等規(guī)模的應(yīng)用。CPU3152DP、CPU3162DP、CPU3182DP 都具有現(xiàn)場總線擴展功能。(4) 口令保護。(2) 人機界面(HMI)。它的主要組成部分有導(dǎo)軌(RACK )、電源模塊(PS)、中央處理單元模塊(CPU)、接口模塊(IM)、信號模塊(SM) 、功能模塊(FM)等。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。目前，PLC 接點的響應(yīng)快、速度高，每條二進制指令執(zhí)行時間約 /As，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。根據(jù)工藝要求有必要選擇大中型 PLC 作為控制器。（4 ）編程功能PLC 的編程有離線編程和在線編程兩種。（3 ）通信功能大中型 PLC 系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議(如 TCP/IP),需要時應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)(TCP/IP)相連接。我們需要 PID 運算，即需要選擇中型 PLC 作為此次設(shè)計的控制器。 /M=+%~20IO總 實（ 1）存儲器容量存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。根據(jù)控制要求，估算了輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。?(3)熔斷器之間的配合：為了防止發(fā)生超級熔斷，上、下級（即供電干、支線） 。用于保護頻繁起動的電動機(即供電支線)的熔斷器，考慮頻繁起動時的發(fā)熱，熔斷器也不應(yīng)熔斷，即 ereII)~(?式中： —熔體的額定電流；reI—電動機的額定電流。用于車間低壓供電線路的保護熔斷器，一般是考慮短路時候的分?jǐn)嗄芰?，?dāng)短路電流較大時，宜采用具有較高分?jǐn)嗄芰Φ?RL1 系列熔斷器，當(dāng)短路電流相當(dāng)大時，宜采用有限流作用的 RT0 及 RT12 系列熔斷器。 熔斷器的選擇熔斷器是根據(jù)電流超過規(guī)定值一段時間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開；運用這種原理制成的一種電流保護器 [12]。（4）欠電壓脫扣器的額定電壓等于線路的額定電壓。 低壓斷路器的選擇低壓斷路器又稱自動空氣開關(guān)，可用來分配電能、不頻繁地起動異步電動機、保護電動機及電源等，具有過載、短路、欠電壓等保護功能 [11]。本次設(shè)計采用 CJX21810. 其參數(shù)見表 34。（5）接觸器的觸點數(shù)量、種類選擇。接觸器如使用在電動機頻繁起動、制動或正反轉(zhuǎn)的場合，一般將接觸器的額定電流降一個等級來使用。接觸器的額定電壓應(yīng)大于或等于負(fù)載回路電壓。接觸器按流過主觸點電流性質(zhì)的不同，可分交流接觸器和直流接觸器。因為熱繼電器的操作頻率是很有限的，如果用來保護操作頻率較高的電動機，效果很不理想，有時甚至不起作用。對于過載能力較差的電動機，其配用的熱繼電器（主要是發(fā)熱元件的額定電流）為電動機的額定電流 60%80%。三相式熱繼電器常用于三相交流電動機的過載保護，按功能不同可分為帶斷相保護和不帶斷相保護兩種類型。變頻器使用時，首先應(yīng)該結(jié)合實際應(yīng)用對其功能參數(shù)進行設(shè)置，因此，本次設(shè)計中選用的變頻器參數(shù)設(shè)置如表 33 所示。由于電動機的額定功率為 ，所以變頻器的容量 即可。在選用變頻器時除了考慮技術(shù)性和可靠性外還應(yīng)考慮經(jīng)濟性，一般不要留有太大功率余量，變頻器與電動機兩者的功率應(yīng)相匹配，不但經(jīng)濟性好而且輸出波型更好。表 32 電動機的參數(shù)電機名稱： Y 系列三相異步電機 型號： Y90S2額定功率 kw： 轉(zhuǎn)速 r/min： 2840電流： 效率： 78功率因數(shù)： 堵轉(zhuǎn)電流額定電流： 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩： 最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩： 重量： 21 噪音： 75類別： Y 系列 變頻器的選擇及確定變頻器的選擇及確定應(yīng)充分考慮到所應(yīng)用場合使用工況條件的最惡劣情況，留有足夠的設(shè)計裕度和必要的保護措施 [8]。國產(chǎn)電動機按發(fā)熱與冷卻情況不同，分為九種工作制，如連續(xù)工作制、短時工作制、斷續(xù)周期工作制等等。（6）安裝形式的選擇根據(jù)電動機在生產(chǎn)機械中的安裝方式來選擇電動機的安裝型式。額定功率相同的電動機額定轉(zhuǎn)速高，電動機的重量輕、體積小、價格低、效率和功率因數(shù)（對三相異步電動機而言）也較高。（2）功率的選擇正確地選擇電動機的額定功率非常重要，額定功率選擇得過大，電動機長期在欠載狀態(tài)下運行，不僅增加設(shè)備投資，還會降低其效率和功率因數(shù)（對異步電動機而言）等指標(biāo)，增加運行費用；額定功率選擇太小，電動機長期在過載狀態(tài)下運行，會使電動機過熱而降低使用壽命，甚至拖動不了生產(chǎn)機械，因此應(yīng)使所選電動機的額定功率等于或稍大于生產(chǎn)機械所需要的功率。水泵參數(shù)如表 31。(3)水泵型號應(yīng)使泵站建筑面積和泵站的基礎(chǔ)埋深為最小，以降低泵站造價。 主電路的設(shè)計MM 1K M 1MM 3MM 2MM 4Q S L 1 L 2 L 3A O U T 1A O U T 2A I N 1 A I N 1 +R L 1 BR L 1 CM M 4 4 0R L 2 BR L 2 CR L 3 BR L 3 C U V WF U 1F R 1K M 2F U 2F R 2K M 3F U 3F R 3K M 4F U 4F R 4FU5KM5K M 6K M 7F U 0NL 3L 2L 1圖 31 主電路電氣原理圖電氣控制系統(tǒng)主電路包括兩臺水泵電機、兩臺其他控制用電機，刀開關(guān)，交流接觸器，電機過載保護用的熱繼電器、熔斷器以及變頻器。3 變頻調(diào)速恒溫系統(tǒng)硬件設(shè)計該系統(tǒng)硬件主要有兩大部分組成：主電路和控制電路。若當(dāng)前溫度沒有達(dá)到給定值，而水泵運行頻率已經(jīng)達(dá)到最高值 50Hz，則此時應(yīng)將工作泵切換至工頻運行，并將另一待用泵投入變頻運行狀態(tài)，此時系統(tǒng)為第一臺泵工頻、第二臺泵變頻（簡稱“3 工 4 變” ）工作方式。如果室外溫度和室內(nèi)溫度降了很多，使變頻器的輸出頻率達(dá)到最大值，仍不能使水溫達(dá)到設(shè)定值，則 PLC 就發(fā)出控制信號，再啟動一臺工頻泵。當(dāng)用室外溫度減少時，鍋爐的加熱狀態(tài)也會降下來，變頻泵的頻率也將自動減小，降到某一設(shè)定值時，如果管道溫度仍高于設(shè)定值，則切除一臺工頻泵，切除后如果管道溫度仍然過高，再切除一臺工頻泵，直到管道溫度等于設(shè)定值。根據(jù)當(dāng)前的供水量和泵站出口處的溫度，控制工頻運行的水泵臺數(shù)，對供水量和流量進行粗調(diào)，用變頻電動機進行細(xì)挑。在控制系統(tǒng)中，溫度變送器將泵站出口管道的溫度和室內(nèi)室外的溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓或電流，這些反饋量直接送給 EM 模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換再送給 PLC，PLC 根據(jù)室外溫度和室內(nèi)溫度和供水溫度的偏差變化情況，經(jīng) PLC 內(nèi)部的 PID 運算，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制變頻及工頻電源供電的水泵臺數(shù)。變頻恒溫供水是使用變頻器通過調(diào)節(jié)供水水泵的轉(zhuǎn)速，以維持供水溫度，并使其保持相對恒定，因此又簡稱恒溫供水。這種方法操作簡單，節(jié)電效果明顯，是控制溫度較理想的方法。目前普遍采用這種方法，質(zhì)調(diào)是通過