【正文】 同時(shí)，SIEMENS 公司的 PLC 不僅具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，而且又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。多種的性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的 I/O 擴(kuò)展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)較少，PLC 采用德國(guó) SIEMENS 公司S7－ 200 型。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入信號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。HL0 為自動(dòng)運(yùn)行指示燈。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，四臺(tái)泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。中間繼電器 KA 的常閉觸點(diǎn)接在四臺(tái)泵的手動(dòng)控制電路上，控制四臺(tái)泵的手動(dòng)運(yùn)行。在手動(dòng)狀態(tài)，通過P L CK A 1 K A 2K A 5 K A 6K A 3 K A 4K A 7K ANL 1自動(dòng)手動(dòng)K AK AH L 0F R 1F R 2F R 3F R 4K A 2K A 3K A 5S B 2S B 1K A 1K A 1S B 4S b 3K A 2K A 1K A 4K A 5S B 6S B 5K A 3S B 8K A 4S B 7K A 3K A 1K A 3K A 6S B 9K A 5S B 1 0K A 6S B 1 1S B 1 2K A 5K A 7S B 1 3S B 1 4Q 0 . 0Q 0 . 3 Q 0 . 1 Q 0 . 4Q 0 . 2Q 0 . 5Q 0 . 6 第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 33按鈕 SB1SB14 控制各臺(tái)泵的起停。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn) [23]。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn)。控制電路中還考慮了電機(jī)和閥門的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點(diǎn)的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機(jī)和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)和閥門的工作狀態(tài)。因此，在控制電路中多處對(duì)各主泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行接觸器作了互鎖設(shè)計(jì)；另外，變頻器是按單臺(tái)電機(jī)容量配置，不允許同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，為此對(duì)各電機(jī)的變頻運(yùn)行也作了互鎖設(shè)計(jì)?？刂齐娐分羞€要考慮電路之間互鎖的關(guān)系，這對(duì)于變頻器安全運(yùn)行十分重要。為了保護(hù) PLC 設(shè)備， PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC 輸出端RST變 頻 器UVW一 號(hào) 二 號(hào) 泵 三 號(hào) 泵 輔 助 泵FR1FR2FR3FR4廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進(jìn)而控制電機(jī)或者閥門的動(dòng)作。在電動(dòng)機(jī)三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機(jī)工作電流大小，設(shè)計(jì)三相電源信號(hào)指示。為了改善變頻器的功率因素，還應(yīng)在變頻器的（Pl、P+）端子之間接入需相應(yīng)的 DC 電抗器。變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的配線長(zhǎng)度應(yīng)控制在 100m 以內(nèi)。連線時(shí)一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動(dòng)機(jī)制容量來確定。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 51 所示。（3）變頻控制電路：根據(jù)壓力設(shè)定及壓力傳感器的壓力檢測(cè)信號(hào)，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動(dòng)頻率等信號(hào)；并能實(shí)現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)30第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 恒壓供水系統(tǒng)電控系統(tǒng)組成恒壓供水電氣控制系統(tǒng)可由以下幾部分組成：（1）主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供工頻及變頻電源。水 壓 P0 d調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t調(diào) 整 后 調(diào) 整 前水 壓 P t水 壓 P tac b水 壓 P調(diào) 整 前調(diào) 整 后調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t000 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 29 本章小結(jié)PID調(diào)節(jié)可以使供水系統(tǒng)快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。（2）變頻器的升、降速時(shí)間完全取決于由 P、I、 D 值所決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。設(shè)定 0 時(shí)，若仍有振蕩時(shí)，減小 H22（增益） ，如圖 d。（3）抑制比 H23（積分時(shí)間）長(zhǎng)的周期性振蕩增大 H23（積分時(shí)間） ，如圖 44 c。圖 44 PID 參數(shù)調(diào)整（1）抑制超調(diào)增大 H23（積分時(shí)間） ，減小 H24（微分時(shí)間） ，如圖 44 a。H22（增益 P） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；H23（積分時(shí)間 I） ，在不發(fā)生振蕩條件下減小其值；H24（微分時(shí)間 D） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；10%0%PID輸 出最 高頻 率 正 動(dòng) 作 反 動(dòng) 作變 頻 器 輸 出 頻 率廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)28用示波器監(jiān)視壓力表輸出電壓波形，根據(jù)波形情況做參數(shù)調(diào)整。其中 H22 用以設(shè)定 P 增益，設(shè)定范圍：～10 倍；H23 用以設(shè)定積分時(shí)間，設(shè)定范圍 ～3600s；H24 用以設(shè)定微分時(shí)間，設(shè)定范圍 ～ 。選擇 X1 端子功能，設(shè)定“E01 ”為 II，通過變頻器鍵盤面板操作直接輸入確定的壓力目標(biāo)值。其關(guān)系為: 壓力目標(biāo)值= （管道允許壓力／壓力表量程）100%。反饋方式預(yù)置系統(tǒng)采取的是電流輸入反動(dòng)作，設(shè)定 H21 為 2。其關(guān)系如圖 43。圖 43 PID 模式PID 模式預(yù)置H20 用以設(shè)置 PID 模式。這一動(dòng)態(tài)變化過程，如圖 42 中的 t3～t4 段，其中 t4 段以后為減少用水量后新的平衡狀態(tài)。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，在達(dá)到新的平衡狀態(tài)之前，壓力反饋信號(hào) y、偏差 e，控制增量 Δu 均處于變化之中，其變化過程如圖 42 中的 tl～t3 段，其中 t2～ t3 段為增加用水量后新的平衡狀態(tài)。其具體調(diào)節(jié)過程如下 [22]：(1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行當(dāng)供水能力 QG=用水需求 QU，目標(biāo)壓力信號(hào)和壓力反饋信號(hào)相等，偏差e=yr，PID 輸出的控制增量 ΔU=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。在供水系統(tǒng)中，變頻器、PID 調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機(jī)、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。當(dāng)供水能力 QG 和用水需求 QU 之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。u?IDIT=KpP，增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 Δu (k)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)算本次與上次的偏差信號(hào)e(k)，e(k1)，而且還要把歷次的偏差信號(hào) e(j)相加，計(jì)算繁鎖，占用內(nèi)存大；另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量 u(k)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(k)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。數(shù)字 PID 控制算法是通過對(duì)式（ 42）離散化來實(shí)現(xiàn)的。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。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。但過大的 TD 對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力卻將減弱。（3）微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率）做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)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，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。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)。比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前變化的一種反映。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： （43 ）1())pUsGKTSE??比 例 P微 分 D積 分 I 驅(qū) 動(dòng) 被 控 對(duì) 象 r(t)e(t) u(t) d(t) y(t) 廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)24PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下。圖 41 PID 控制系統(tǒng)原理框圖圖中 u(t)PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。 模擬 PID 控制及算法PID 控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值 r(t)和實(shí)際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)[18][19]： （41）????etryt??經(jīng)比例（P） 、積分（ I）和微分（D）運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 23第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理。如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作 [17]。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在判別條件中加入延時(shí)的判斷就顯得尤為必要了。但這個(gè)判別條件的滿足也不能夠完全證明當(dāng)前確實(shí)需要進(jìn)行機(jī)組切換，因?yàn)橛袃煞N情況可能使判別條件的成立有問題:實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機(jī)組切換的誤操作。如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力大△P d /2 的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組的增加。考慮到只有當(dāng)變頻器的輸出頻率在上下限頻率時(shí)才可能發(fā)生切換，并且上限頻率時(shí)不可能減泵，下限頻率時(shí)不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進(jìn)行判別如圖 35 表示。相應(yīng)的判別條件是通過對(duì)上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。對(duì)于第二個(gè)判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。同時(shí)，在切換過程和變頻器從啟動(dòng)到穩(wěn)定的過程中，系統(tǒng)的供水情況是不穩(wěn)定的，實(shí)際供水壓力也會(huì)在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。假設(shè)這一段時(shí)間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變(其實(shí)在一個(gè)穩(wěn)定的供水時(shí)段可以看作這種情況)，那么按照要求停掉了一個(gè)工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組之后，機(jī)組的整體運(yùn)行情況與增加運(yùn)行機(jī)組之前完全相同。并且使新投入運(yùn)行的機(jī)組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運(yùn)行，對(duì)供水作用很小。首先把上面的判別條件簡(jiǎn)寫如下 [15]：f= （31 ）UPffS?f= （32 ）LOW?式中： ：上限頻率 ：下限頻率UPf f：設(shè)定壓力 ：反饋壓力S f對(duì)于第一個(gè)判別條件，可能出現(xiàn)這種情況:輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)下降到下限頻率，實(shí)際的供水壓力卻仍高于設(shè)定的供水壓力時(shí)，存在的壓力差不會(huì)使輸出頻率繼續(xù)降低，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)降低。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率 [14]。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到 0HZ。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過于頻繁的切換呢?盡管通用變頻器的頻率都可以在 0400HZ 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將先運(yùn)行的那臺(tái)恒速水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投入并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿