【正文】 壓力變送器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)改變水泵性能曲線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)。 圖47 恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由于本設(shè)計(jì)對(duì)壓力控制的要求較高，故選擇PI控制器，其傳遞函數(shù)為： （）5 結(jié)束語(yǔ)和展望 結(jié)束語(yǔ)針對(duì)城市小型自來(lái)水廠(chǎng)供水的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)。 PID參數(shù)整定控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類(lèi)：理論計(jì)算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法，本設(shè)計(jì)選用的是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程（包括調(diào)節(jié)閥、被控對(duì)象和測(cè)量變送）階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_(kāi)始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持初始?jí)毫?，這是一個(gè)純滯后的過(guò)程；其次是水泵將水充滿(mǎn)整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性過(guò)程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測(cè)環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測(cè)等的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為： （）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。數(shù)字PID控制算法是通過(guò)對(duì)式()離散化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。微分環(huán)節(jié)的功能是控制被調(diào)量的振蕩//降低超調(diào)量、加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。(3) 微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)的改變趨向做出相應(yīng)動(dòng)作，并可在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)早期的有效修正信號(hào)。積分環(huán)節(jié)的作用是提高系統(tǒng)的無(wú)差度，消除靜差。(2) 積分環(huán)節(jié)：反映控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有一定的聯(lián)系。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式： （）PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下：(1) 比例環(huán)節(jié)：有比例的表征控制系統(tǒng)信號(hào)偏差的功能。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖46所示，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。具有理論相對(duì)較為成熟，算法十分簡(jiǎn)單，控制效果絕佳，人們方便學(xué)習(xí)和掌握等優(yōu)點(diǎn)。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用比例、積分、微分三種控制方式，稱(chēng)之為PID控制。圖35 PID控制中斷子程序INT_0梯形圖 PID控制器參數(shù)整定 PID控制及其控制算法為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。圖34 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(guò)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)。最后再設(shè)置定時(shí)中斷和中斷連接。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。本設(shè)計(jì)主程序大體包括以下幾部分：(1) 調(diào)用初始化子程序，設(shè)置各初始值；(2) 根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運(yùn)行數(shù)；(3) 根據(jù)增泵、倒泵情況確定變頻泵號(hào)；(4) 利用工頻泵數(shù)和變頻泵號(hào)對(duì)各泵運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；(5) 進(jìn)行報(bào)警和故障處理。3泵的運(yùn)行控制情況與2泵相似，在此就不再重復(fù)。由于在圖41中并未對(duì)各臺(tái)水泵的變頻和工頻運(yùn)行控制做詳細(xì)介紹，因此圖42和圖43對(duì)其作了完整的補(bǔ)充。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖相對(duì)繁瑣，不方便全部畫(huà)出，在此僅畫(huà)出其控制過(guò)程的流程圖。而試燈按鈕按下時(shí)，各指示燈會(huì)一直點(diǎn)亮。（6）報(bào)警及故障處理程序本系統(tǒng)中含有水池水位越限報(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。由于各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1水泵為例進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)并且系統(tǒng)無(wú)故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)、1泵未工作在工頻狀態(tài)時(shí)，KM2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合接通變頻器，使1水泵變頻運(yùn)行，同時(shí)KM2常閉觸點(diǎn)打開(kāi)防止KM1線(xiàn)圈得電，進(jìn)而在變頻和工頻之間完成良好的電氣互鎖，KM2的常開(kāi)觸點(diǎn)還可完成自鎖性能。若只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，對(duì)持續(xù)工作時(shí)間進(jìn)行判斷，超過(guò)3h則自動(dòng)倒泵為變頻運(yùn)行。（2）增、減泵判斷和實(shí)際操作過(guò)程當(dāng)PID運(yùn)算結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率（或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)5min（以便消除水壓波動(dòng)的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺(tái)數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)是完成的。PLC控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編寫(xiě)在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過(guò)PC/PPI 電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成，是利用在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并持續(xù)執(zhí)行用戶(hù)程序來(lái)完成的。梯形圖(LAD)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是運(yùn)用最廣的一種編程語(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言比較，梯形圖可以當(dāng)成是PLC的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它十分容易被普遍的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，也是初學(xué)者理想的編程工具。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表(STL)語(yǔ)言、梯形圖(LAD)語(yǔ)言、功能塊圖(FWD)語(yǔ)言。程序中使用的PLC元件及其功能如下表所示。白天、夜間模式的給定壓力值各異，采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)置的兩個(gè)恒壓值。實(shí)現(xiàn)PID控制是利用了定時(shí)器中斷功能。(3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn)因?yàn)槟M量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三大部分：主程序、子程序和中斷程序。實(shí)際的過(guò)程是：將正在運(yùn)行的水泵從變頻器上摘除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新水泵的啟動(dòng)。(2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范因?yàn)楸谜鞠Ｍ袉?dòng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)均是軟啟動(dòng)，又要求各臺(tái)水泵必須交替使用，故多泵組泵站泵組的投運(yùn)應(yīng)該有個(gè)明確的管理規(guī)范。判斷是否需要啟動(dòng)新水泵的依據(jù)是變頻器的輸出頻率是否達(dá)到設(shè)置的上限頻率，該功能可利用比較指令完成。它忽略了以下因素：(1) 直流電源的容量；(2) 電源方面的抗干擾措施；(3) 輸出方面的保護(hù)措施；(4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施。~；；；；；；AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力輸入PLC的擴(kuò)展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開(kāi)關(guān)SA1用來(lái)控制白天/夜間兩種模式之間的切換，；液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸出高電平1，；，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；，用于手動(dòng)檢測(cè)各指示燈是否正常工作。依據(jù)以上控制需求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱(chēng)、代碼及地址編號(hào)如下表。(4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)需具備有軟啟動(dòng)功能，水泵的操作需有手動(dòng)/自動(dòng)的切換模式，手動(dòng)模式在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)啟用。(2) 在用水量相對(duì)比較小的條件下，假使某臺(tái)水泵持續(xù)工作時(shí)間大于3小時(shí)，則必須要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)必須具備“倒泵功能”，這樣可避免某一臺(tái)水泵的工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，增加水泵的使用壽命。 PLC的I/O分配及外圍接線(xiàn)圖(1) 根據(jù)白天與夜晚間小區(qū)用水量之間的顯著不同，本設(shè)計(jì)采取白天和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值并不相同。同理，3水泵的控制原理同樣如此。水泵工頻運(yùn)行信號(hào)，水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，KM1線(xiàn)圈得電，1水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1點(diǎn)亮，同時(shí)KM1的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，完成KMKM2的電氣互鎖。（2）自動(dòng)控制：在常規(guī)情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。唯有當(dāng)SB2按下時(shí)才會(huì)切斷電路，KM1線(xiàn)圈失電，電機(jī)M1停止運(yùn)行。單刀雙擲開(kāi)關(guān)SA打至1端時(shí)為手動(dòng)控制模式，在此時(shí)能夠利用開(kāi)關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。圖36 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細(xì)介紹。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，能用按鈕SB1~SB6調(diào)節(jié)三臺(tái)水泵的啟/停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。如圖35為電控系統(tǒng)控制電路圖。本系統(tǒng)使用西門(mén)子公司生產(chǎn)的S7200系列PLC，它體積相對(duì)較小，運(yùn)算速度較快，抗干擾能力強(qiáng)，性能卓越。若采用手動(dòng)控制，則必須采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低電流，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開(kāi)主電路(如直接使熔斷器或隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi))，而必須利用變頻器完成軟啟動(dòng)和軟停。初始運(yùn)行時(shí)，必須查看電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。同時(shí)可以通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接電壓表顯示線(xiàn)電壓。同理從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須先將工頻接觸器斷開(kāi)，才能夠接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KMKM3和KMKM5和KM6絕對(duì)不可能同時(shí)動(dòng)作，相互間必須設(shè)置可靠的互鎖。變頻和工頻兩個(gè)回路禁止同時(shí)接通。若電機(jī)工頻運(yùn)行，則連接至變頻器的隔離開(kāi)關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開(kāi)，連通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開(kāi)關(guān)。因此在同一時(shí)間內(nèi)有且只有一臺(tái)水泵在變頻運(yùn)行，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可用做變頻泵。接觸器KMKMKM5分別控制MMM3的工頻運(yùn)行；接觸器KMKMKM6分別控制MMM3的變頻運(yùn)行；FRFRFR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器；FU為主電路的熔斷器；QSQSQSQS4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)。依據(jù)上述的分析：本設(shè)計(jì)選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為DS26分體式液位變送器，其量程為0m~200m，適合用于水池、深井以及其他各種液位測(cè)量；零點(diǎn)和滿(mǎn)量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號(hào)：兩線(xiàn)制4~20mADC精度等級(jí)：。三、液位變送器的選型考慮到水泵電機(jī)空載時(shí)會(huì)縮短電機(jī)使用壽命，所以必須對(duì)水池水位作必要的檢測(cè)和控制。液位變送器是基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國(guó)外領(lǐng)先的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線(xiàn)性修正，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(一般為4～20mA)。壓力表測(cè)量的范圍0~1Mpa，；數(shù)顯儀輸出一路4~20mA電流信號(hào)，送至與CPU226相連的模擬量模塊EM235，當(dāng)做PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。在工作工程中，若壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)則有可能開(kāi)啟所有的水泵，而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的壓力升高，為了避免爆管和超高水壓損壞居民的用水設(shè)備(熱水器、抽水馬桶等)，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入，若壓力超過(guò)上限，則會(huì)關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出。由此推出一個(gè)壓力和電壓或電流的線(xiàn)性關(guān)系式。 該原理大體是：將水壓這種壓力的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)（420mA），通常壓力和電壓或電流大小成線(xiàn)性關(guān)系，一般是正比關(guān)系。壓力變送器依據(jù)檢測(cè)范圍一般可分成壓力變送器、微差壓變送器和負(fù)壓變送器三類(lèi)。 壓力變送器的選型一、壓力變送器定義和分類(lèi)壓力變送器一般由測(cè)量電路、過(guò)程連接件和測(cè)壓元件傳感器三模塊組成。MicroMaster440變頻器的適用于要求高、功率大的情形，恰好其輸出信號(hào)能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)十分靈活，有完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，內(nèi)置的RS485/232C接口和PI閉環(huán)控制器能夠依據(jù)用戶(hù)的特殊需要對(duì)I/O端子完成許多功能自定義。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中PLC選用的型號(hào)是西門(mén)子S7200，為了方便于PLC與變頻器之間的通信，變頻器選擇西門(mén)子的MicroMaster440。依據(jù)控制功能區(qū)別，具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器、普通功能型U/f控制變頻器、以及矢量控制高功能型變頻器是通用變頻器3個(gè)基本組成部分。變頻器的選擇必須依據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行適當(dāng)選擇。 （4）控制器：按設(shè)定好的程序開(kāi)始運(yùn)行，控制輸出方波的幅度與脈寬使之疊加為相近正弦波的交流電，進(jìn)而帶動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。 （2）高容量電容：將轉(zhuǎn)換后的電能存儲(chǔ)起來(lái)。四、變頻器的基本組成部分整流單元、高容量電容、逆變器和控制器4個(gè)部分組成了變頻器。 從理論上分析，變頻器可以用在所有帶有電機(jī)的機(jī)械生產(chǎn)裝置中，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)電流會(huì)高出額定值56倍，電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常是保持不變的，但在具體使用過(guò)程中，有時(shí)要以較低或者較高的速度運(yùn)行，因此進(jìn)行變頻改造是非常有必要的。然而采用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零增大，最大電流值也低于額定電流，從而減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的苛刻要求，大大延長(zhǎng)設(shè)備和閥門(mén)的使用年限。由于變頻器內(nèi)部濾波電容的功能，從而也增加了電網(wǎng)的有功功率。注意使用場(chǎng)合和使用條件才能正確運(yùn)用，反之就是盲目跟從、不注重實(shí)際。假使不加前提條件的盲目探討變頻器工頻運(yùn)行的節(jié)能性，就是夸大變頻器的作用或者商業(yè)炒作。 這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個(gè)基本條件。相當(dāng)于一盞長(zhǎng)明燈. 工頻下運(yùn)行的變頻器具有節(jié)能功能是事實(shí)。 變頻不是處處可以省電，且有許多場(chǎng)合用變頻并不一定能省電。通常變頻電源的價(jià)格是變頻器的15－20倍。對(duì)于主要用在儀器儀表的檢測(cè)設(shè)備中，對(duì)波形要求相對(duì)較高的可變頻率逆變器，要對(duì)波形進(jìn)行相應(yīng)的處理工作。逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們將它稱(chēng)之為變頻器。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，術(shù)語(yǔ)稱(chēng)之為為“inverter”(逆變器)。 電動(dòng)機(jī)使用變頻器的目的就是為了降低啟動(dòng)電流并調(diào)速。風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等設(shè)備過(guò)去的調(diào)速方法是通過(guò)調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制給風(fēng)量和給水量，輸入功率一般較大，并且大量能源消耗在多余的擋板、閥門(mén)截流的過(guò)程中。為了確保生產(chǎn)的可靠性這個(gè)關(guān)鍵前提，各類(lèi)不同的生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，一般都設(shè)有一定的富余量。 三、變頻器的節(jié)能變頻節(jié)能、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能和軟啟動(dòng)節(jié)能這三個(gè)方面的節(jié)能構(gòu)成了變頻器節(jié)能的內(nèi)容。 （4）速度檢測(cè)電路：用安裝在異步電