【正文】 運行環(huán)境是一個獨立的運行系統(tǒng)， 在用戶對組態(tài)畫面進(jìn)行設(shè)置后，可以按照自己的控制要求來模擬系統(tǒng)的運行方式 ，在 組態(tài)環(huán)境 里設(shè)計系統(tǒng)的畫面及各個器件，在 運行環(huán)境 里根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求通過所寫的腳本程序來完成對系統(tǒng)的模擬運行。并能同時支持各種硬件廠家的計算機(jī)和 I/O 產(chǎn) 品 [11]。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 28 6 通用 組態(tài)軟件 關(guān)于 MCGS 組態(tài)軟件 MCGS[11](Monitor and Control Generated System)是 在軟件領(lǐng)域內(nèi)，工作人員根據(jù)控制對象及工藝要求， 配置用戶應(yīng)用軟件的過程，即使用軟件工具對計算機(jī)和軟件的各種資源進(jìn)行配置，實現(xiàn)用軟件按照預(yù)先設(shè)定的要求滿足使用者的要求目的。它結(jié)構(gòu)簡單，易操作，體積小，重量輕很符合本系統(tǒng)的控制要求 。 為了保證二次側(cè) 管網(wǎng)的壓力恒定在這里采用了自控控制的閉環(huán)系統(tǒng)，反饋裝置用了 PID調(diào)節(jié)，為了滿足工藝要求在這里可以選擇 施耐德的 ATV38 變頻恒壓供水控制器 ，它的功率為 22KW， 擁有 40mA 的電流信號輸出端。 HQUHZ 液位計的技術(shù)參數(shù)：測量范圍 015000mm，公稱壓力為 ，輸出信號為 420mA 的電流信號，電源電壓可以為 24DC 或 220V，可以采用法蘭式唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 27 接法。 HQLUGB 型流量計的技術(shù)參數(shù)：介質(zhì)溫度范圍是 50℃ ～ +400℃，壓力等級為PN25，連接方式有夾持式、法蘭式或插入式的，供電電壓為 12～ 36VDC 或 的電池，輸出信號為兩線制的 4～ 20mA 的電流輸出，通訊方式為 RS485。 在本系統(tǒng)里選用的是 HQLUGB 穩(wěn)壓補(bǔ)償智能型渦街流量計。 量程 ： 0～ 1～ 150（ MPa） 輸出的信號為 4～ 20mA（ 二線制 ） 、 0～ 5V、 1～ 5V、 0～ 10V(三線制 )、 供電電壓 ：24DCV(9～ 36DCV)、 介質(zhì)溫度 ： 20～ 85℃ 環(huán)境溫度 ： 常溫 (20～ 85℃ ) （ 3） 渦街式流量計 渦街式流量計耐高溫高壓，不易結(jié)垢，抗干擾性強(qiáng) 溫壓補(bǔ)償一體化設(shè)計 ； 電流輸出均為電隔離型 ， 具有良好的共模干擾抑制能力 ； 能同時顯示流量值與累計流量值。 （ 1） 溫度傳感器 pt100 Pt100 是現(xiàn)在比較常用的鉑電阻溫度傳感器，它主要使用于 60℃到 +400℃之間的溫度值，在本系統(tǒng)里測量范圍大概在 0℃ 100℃之間 [10]。 現(xiàn)在的大多數(shù)的傳感器有輸出 05V 的還有 420mA 的電流信號， 但 如果在 信號需要遠(yuǎn)距離傳輸或 在使用現(xiàn)場 環(huán)境中電網(wǎng)干擾較大的場合， 最好還是選擇420mA 的電流信號，電流型的傳感器里有恒流源可以保持電流的不變，而電壓型的會隨著距離的增加，電壓會產(chǎn)生壓降，而且 電壓輸出型傳感器抗干擾能力較差 。 圖 52 系統(tǒng)的 I/O分配表 傳感器 的選擇 在本系統(tǒng)的現(xiàn)場控制中應(yīng)用了許多的傳感器來采集信號，例如溫度傳感器、壓力傳感器，流量計，液位計等?？梢酝ㄟ^模塊上的 DIP 開關(guān)設(shè)置來選擇輸入模式和單雙極性。 下圖是模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 的接線 方法，對于電壓信號，按照電壓的正、負(fù)極直接接入 X＋和 X－就可以；對于電流信號，一定要將 RX 和 X＋短接后才能接電流輸入信號的“＋”端；沒有連接傳感器的通道要將 X＋和 X－短接。 所以在這里系統(tǒng)選擇了EM235 作為模擬量擴(kuò)展模塊來輔助運行。 模擬量輸入輸出模塊的選型 由于本系統(tǒng)要對現(xiàn)場的溫度，壓力，流量，液位等進(jìn)行采集，還要求對許多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，而這些量都是模擬量。 DC10V)，一路模擬量輸出 (10bit，DC 010V 或 020mA)，有兩 個 RS485 通信口，高速脈沖輸出頻率提高到 20kHz，有 PID 自整定功能。S7200 可以代替許多繼電器 工作，減少了觸點，使得系統(tǒng)的抗干擾性增強(qiáng)還可以有很廣泛的通訊能力 。要想 把流量值在組態(tài)軟件的界面上顯示出來， 就要在組 態(tài)界面上添加一個顯示輸出，將它與換熱站的流量傳感器在 PLC 內(nèi)部的存儲單元建立一個連 接通道，流量的程序如圖 414 所示 。 圖 413 補(bǔ)水箱的控制程序 供水流量的控制 系統(tǒng) 在 對流量 方面的控制沒有具體的要求，只是要在一次的供水網(wǎng) 側(cè)安裝一個流量計來顯示一次側(cè)的供水流量。 圖 412 壓力報警 補(bǔ)水箱液位控制 系統(tǒng)對于補(bǔ)水箱的液位的控制沒有特殊的要求，就是要保證系統(tǒng)在變頻恒壓補(bǔ)水的時候，保證水箱的水位總在一定的 范圍內(nèi)。 為了防止在 系統(tǒng)運行過程中變頻器發(fā)生故障，導(dǎo)致管道壓力過大，使管道爆破等造成不必要的損失，本系統(tǒng)還涉及到了管道壓力過高時的報警系統(tǒng)。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 21 圖 412 自動控制流程圖 自動方式的恒壓供水的 PID 設(shè)置向?qū)Ш蛯囟瓤刂频念愃?，只是?PLC 內(nèi)部的存儲單元必須保證不重復(fù)。 上 電后，首先 PLC 采集壓力傳感器的管網(wǎng) 壓力值送給模擬量的輸入通道，經(jīng)過模擬量擴(kuò)展模塊的 A/D 轉(zhuǎn)換送到 PLC 的 CPU 內(nèi)經(jīng)過 PID 和給定值進(jìn)行比較運算， 得出一個合適的調(diào)節(jié)參數(shù)，將 結(jié)果再送給模擬量的輸出模塊進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換輸出給變頻器的信號口，來控制補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速。在設(shè)計手動方式的時候最主要是要解決數(shù)值轉(zhuǎn)換的問題，手動方式是在不 采用 PLC 內(nèi)部 的 PID運算 控制器情況下根據(jù)壓力傳感器的壓力值直接改變 組態(tài)軟件的界面上 對應(yīng) PLC內(nèi)部單元的 VD556 的滑塊 值來控制頻率信號， 把滑塊的值送到 存儲單元 VD556 內(nèi) ，直接通過模擬量的輸出通道輸出給變頻器， PLC 只能處理 032020 的數(shù)值， 所以將唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 20 組態(tài)軟件上的滑塊 值轉(zhuǎn)換成與之成比例的數(shù) ，以便通過滑塊來直接改變變頻器的頻率信號， 手動壓力控制如圖 411 所示 。 壓力手 動運行方式 在對二次管網(wǎng)壓力手動控制方面，本系統(tǒng)采用的是在組態(tài)界面上有一個與變頻器相對應(yīng)的滑動塊，讓滑塊與 PLC 的變頻器信號建立一個連接通道， 使 工作人員可以直接改變滑塊 大小 來控制變頻器的頻率信號。改變轉(zhuǎn)差率的方式 會 使電機(jī)的運行效率變低， 還會影響經(jīng)濟(jì)性 ，也不適合在恒壓供水的系統(tǒng)上使用。 當(dāng)電機(jī)的極對數(shù) P 不變時 ,電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電源的頻率 f 成正比，通過對電源的頻率進(jìn)行改變來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速可 以實現(xiàn)連續(xù)平滑的變化。 三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 : )1(60)1(1 sp fsnn ???? （ 31） 三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為： 11nnns ?? （ 32） 同 步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速： pfn 60? （ 33） n1為異步電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速 ； n 為異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ； f 是供電電源頻率 ； p 為異步電動機(jī)的磁極對數(shù) ； s 為轉(zhuǎn)差率 。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 19 對于恒壓補(bǔ)水，實 際上就是利用 三相電動機(jī)帶動水泵的轉(zhuǎn)動 ，來進(jìn)行補(bǔ)水。 變頻器 變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將 50HZ 的工頻電源變換成另一種頻率可變的控制裝置。 本系統(tǒng)用壓力傳感器， PLC 和變頻器組成一個控制壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)，這樣的控制方式不僅使硬件運行可靠， 還使 軟件編程 更 簡單 。在二次管網(wǎng)中的壓力是時刻在變化的如果在這里采用恒 定轉(zhuǎn)速的泵對其進(jìn)行補(bǔ)水，很明顯的不能保證時刻在變化的壓力保持恒定 ；如果采用閥門對其進(jìn)行恒壓 補(bǔ)水 ，會造成對電能的很大浪費，還會使電機(jī)受 到 沖擊，水錘和頻繁啟動的影響 ， 所以在這里采用了變頻補(bǔ)水泵對其進(jìn)行隨時的補(bǔ)水保證管道壓力值恒定。通過系統(tǒng)的給定值 PID 會自動的 將過程量 進(jìn)行處理， 使其達(dá)到系統(tǒng)的給定值。 圖 49 PID完成界面 在 上面界面中 點擊完成， 生 成了一個 PID 子程序并且 完成了對 PID 的設(shè)置，在編寫程序時就可以在 子 程序 里直接調(diào)用 ， 自動運行情況下的程序如圖 410 所示 。 然后可以 點擊下一步進(jìn)入下面的界面，如圖 48 所示 。 設(shè)置完成后 點擊下一步進(jìn)入以下界面，如圖 47 所示 。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 16 表 41 采樣周期的經(jīng)驗數(shù)據(jù)表 被控制量 流量 壓力 溫度 液位 成分 采樣周期 1—5 3—10 15—20 6—8 15—20 設(shè)置完上述參數(shù)點擊下一步進(jìn)入下面得 界面， 如圖 46 所示 。 圖 45 參數(shù)設(shè)置 在界面上填寫 PID 運算里的各個參數(shù)值，這些參數(shù)也是 PID 控制運算里最核心的部分，這些值的大小直接影響著系統(tǒng)的運行情況。 GPRS PLC D/A 轉(zhuǎn)換 調(diào)節(jié)閥 溫度傳感器 變送器 A/D 轉(zhuǎn)換 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 15 圖 44 PID選擇回路 在這里選擇配置哪個回路注意 如果系統(tǒng)里有好幾個 PID時一定要記住回路數(shù)要不同。在使用 PID 調(diào)節(jié) 器的時候首先要對其有深刻的理解和認(rèn)識并熟練的掌握運用方法，當(dāng)前的 PLC 內(nèi)部都有 PID 指令向?qū)?，而且還具有 PID 自整定參數(shù)的功能，這就為我們 減輕了很大的工作量。這樣通過溫度傳感器 ，S7200 和 溫度調(diào)節(jié)閥組成了一個控制溫度的閉環(huán)控制系統(tǒng) ，由此來控 制溫度恒定 ，流程圖如圖 43 所示 。首先在換熱器的出水口安裝一個溫度傳感器，變送 器將采 集到的溫度值 轉(zhuǎn)換為 420mA的電流值 ，并將其傳送 給 S7200 PLC的模擬量擴(kuò)展模塊 EM235的輸入通道 AIW0?？梢酝ㄟ^對 PID 內(nèi)部的比例、積分和微分這些參數(shù)的設(shè)置 來優(yōu)化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)實現(xiàn)有效 ，精確的控制。 自動運行方式 本系統(tǒng) 主要 是 要 控制小區(qū)供暖的溫度值， 溫度控制是一個慣性比較大的控制系統(tǒng)，而且還具有很大的偏差。在手動按鈕按下的時候，就可以通過組態(tài)界面上的滑塊給 VD80一個值，將這個值送給 PLC 并通過數(shù)值轉(zhuǎn)換，再從 PLC 的模擬量通道 AQW0 輸出一個 420mA 的電流信號來 直接控制閥門的開度。這樣 系統(tǒng) 就可以 在 PID 發(fā)生故障或 不 想 使用 PID 控制器的自動調(diào)節(jié) 情況下也 可以進(jìn)行 手動控制 來調(diào)節(jié) 閥門的開度從而來 保證 溫度 值的 恒 定 。 手動控制方式 手動控制方式系統(tǒng)主要是利用 上位機(jī)的 組態(tài)軟件 直接控制閥門的開度，來調(diào)整換熱器 出水口的溫度值 ，讓系統(tǒng) 在監(jiān)控中心 里 根據(jù)溫度傳感器的溫度值 強(qiáng)制 調(diào)節(jié) 溫度 調(diào)節(jié)閥 的開度大小。當(dāng)換熱器 出 水 口的溫度 值低 于設(shè)定值時 就可以利用 PID 控制器自動調(diào)節(jié) 一次供水的閥門開度 來提高溫度值，也可以通過手動調(diào)節(jié)閥門的大小來直接調(diào)大閥門的開度；當(dāng)換熱器 出口的溫度值偏高時 也可以用自動和手動的方式進(jìn)行調(diào)節(jié) 使一次供水側(cè)的溫度調(diào) 節(jié)閥的閥門開度減小，來降低出水口的溫度值。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 13 溫度控制 本系統(tǒng)在溫度控制部分主要是控制換熱器 出水口的溫度恒定，以滿足居民室內(nèi)的供暖溫度需求。 （ 4） DT 微分時間 微分時間在 PID 的控制器里反映的是被控對象的變化趨勢，它的作用主要是阻礙被控量的變化，而且具有一定的預(yù)測性。 （ 3） IT 積分時間 在 PID 控制器里，積分時間不僅和當(dāng)前的誤差相 關(guān)，還與以前的誤差有關(guān)系，只要系統(tǒng)存在誤差，系統(tǒng)的輸出就會隨著積分的作用產(chǎn)生一定的變化。 （ 2） CK 比例增益 在 PID里的比例部分是與誤差同步的，與積分相比它對系統(tǒng)的變化反映比較快，在產(chǎn)生誤差時能很快的做出反映，使誤差量朝著減小的方向很快的變化。但是采樣周期 太小 ，采 樣頻率也高，這樣會影響 PLC 內(nèi)部 CPU 的。 PID 的參數(shù) 在 PID 運算中 有 四個參數(shù) ST 、 CK 、 IT 和 DT ， 它們之間既相互獨立，又互相影響， 會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響 [7]。為了減少使用 PID 控制器的難度， 在 S7200 的程序指令中現(xiàn)在已經(jīng)有 PID的指令向?qū)?，這就為我們的設(shè)計和運用提供了很大的方便，在使用 PID 時我們只需要先打開工具里的 PID 向?qū)Ы⒁粋€ PID，但是在建立時一定要注意 PID 的回路編號和回路給定的地址范圍不能重復(fù)。 在使用 PID 時可以將上式離散化，第 n次采樣的輸出為 PID 調(diào)節(jié)器 執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu) 被控對象 測量元件 sp(t) e(t) c(t) M(t) _ 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 12 )()(11 ?? 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