【正文】 層頂水箱等作為基本儲(chǔ)水設(shè)備，由一級(jí)或二級(jí)水泵從地下市政水管補(bǔ)給?？删幊炭刂破鳎≒LC ）是根據(jù)順序邏輯控制的需要而發(fā)展起來(lái)的，是專門(mén)為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。同時(shí)，又有 PID 控制技術(shù)的發(fā)展，因此，如何建立一個(gè)可靠安全、又易于維護(hù)的給水系統(tǒng)是值得我們研究的課題。比如自動(dòng)控制水塔、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動(dòng)補(bǔ)水控制、自動(dòng)電熱水器、電開(kāi)水機(jī)的自動(dòng)進(jìn)水控制等。但其原理都大同小異。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)精度高、穩(wěn)定性好的水位控制系統(tǒng)就顯得日益重要。本論文側(cè)重介紹“ 水塔水位 PID 控制系統(tǒng)”的軟件設(shè)計(jì)及相關(guān)內(nèi)容，使水塔水塔維持一定的水位。水位 PID 控制系統(tǒng)集 PLC 控制技術(shù)、PID 技術(shù)、電子電力技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)于一體。 第 1 章 水塔水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的概述 水位控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與民用生活，其用電量大，水位控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況研究發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)在這方面普遍采用恒水位或恒壓力變頻調(diào)速 PID 控制技術(shù)，取得了一了水泵 電機(jī)組效率，致使水泵電機(jī)組經(jīng)常處于低效區(qū)運(yùn)行[圖 11]；另外，單目標(biāo)的恒水位或恒壓力控制不能保證電機(jī)經(jīng)常處于節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)以充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能功效，造成了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中效率不高，節(jié)能效果未能充分體現(xiàn),這也是變頻調(diào)速控制技術(shù)多年來(lái)一類變頻調(diào)速效率優(yōu)化問(wèn)題屬于一類復(fù)雜的多變量、離散性強(qiáng)的非線性系統(tǒng)控制問(wèn)題，要求控制 圖 11 水塔水位控制系統(tǒng)模型系統(tǒng)在滿足用水要求的同時(shí)，又要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)，采用傳統(tǒng)的控制策略很難獲得簡(jiǎn)便、運(yùn)用水位控制理論與最優(yōu)控制方法，以系統(tǒng)效率最大及滿足用水要求為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種水位控制以改善這類系統(tǒng)的控制策略與運(yùn)行方式，同時(shí)給出采用 PLC 控制程序?qū)崿F(xiàn)的此水位控制。 水位控制系統(tǒng)效率及運(yùn)行模式分析水位控制系統(tǒng)的效率主要由水泵的效率、電動(dòng)機(jī)的效率和管道損失決定，本文主要研究水泵 、滯后性與時(shí)變性，采用傳統(tǒng)的 PID 控制容易實(shí)現(xiàn)單目標(biāo)，即水位恒定或水泵電機(jī)組高效運(yùn)行，使系統(tǒng)能夠最快地響應(yīng)用戶的用水要求并最大限度地工作在高效區(qū)，以期能充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能功效，進(jìn)一步提高系統(tǒng)，以不同轉(zhuǎn)速下提供相同容積圖 12 控制系統(tǒng)框圖的水作比較得出[圖 12]：水泵消耗的軸功率與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，由此可知，水泵電機(jī)組的效率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成反比；其次，結(jié)合水泵與電機(jī)的效率特性，為使系統(tǒng)經(jīng)常高效運(yùn)行，不失一般性，設(shè)：水泵電機(jī)組的高效率區(qū)為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n=～ N(n N 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速)；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 n= N時(shí)， 1 給出了水位控制系統(tǒng)控制模型圖，H 表示水位高度，依水位高度將水箱劃分為 A、B、C 、C 區(qū)分別為水位極高、極低區(qū)域，是高位、低位警戒區(qū)；B 區(qū)為高效運(yùn)行區(qū)，控制模式為：當(dāng) H∈A 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行減機(jī)模式；當(dāng) H∈B 時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能模式；當(dāng) H∈C 時(shí)， η∝K∫n3dtn∈～ N 系統(tǒng)節(jié)能模式是本文的研究重點(diǎn)，根據(jù)此圖可設(shè)計(jì)一個(gè)水位控制器，使變頻器的輸出頻率即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著水位的變化而自動(dòng)改變，使系統(tǒng)能夠在最快地響應(yīng)用戶用水要求的同時(shí)，在時(shí)間上最大限度地工作在高效區(qū)，這樣，系統(tǒng)運(yùn)行的效率就可以提高，此時(shí)的系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性與快速性的較好結(jié)合。因此，PLC 是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)，它的實(shí)際組成與一般微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本相同，也是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。主要包括 CPU、存儲(chǔ)器 RAM 和 ROM、輸入輸出接口電路、電源、I/O 擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。圖 23 PLC 結(jié)構(gòu)示意圖如圖 11 所示。由此可見(jiàn)，PLC的基本結(jié)構(gòu)由控制部分、輸入和輸出部分組成。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式，如常見(jiàn)的鍵盤(pán)掃描方式或 I/O 掃描方式，若有鍵按下或 I/O 變化，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，若無(wú)則繼續(xù)掃描等待。對(duì)每個(gè)程序，CPU 從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行，按指令步序號(hào)做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無(wú)跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開(kāi)始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符號(hào)后返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個(gè)循環(huán)稱為一個(gè)掃描周期。如圖 12 所示 PLC 的掃描工作過(guò)程。（2）定時(shí)控制 PLC 具有定時(shí)功能。它為用戶提供幾十個(gè)甚至上千個(gè)計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)設(shè)定值的設(shè)定方式同計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)定值一樣。（4）步進(jìn)（順序）控制 PLC 具有步進(jìn)（順序）控制功能。（5）PID 控制 PLC 具有 PID 控制功能。通常采用專門(mén)的 PID 控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。它能進(jìn)行自述運(yùn)算數(shù)據(jù)比較，數(shù)據(jù)傳送，數(shù)制轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)顯示和打印，數(shù)據(jù)通信等功能。（7）通信和聯(lián)網(wǎng) 新一代的 PLC 都具有通信功能。因此，可以方便地構(gòu)成“集中管理，分散控制” 的分布式控制系統(tǒng)。 S7200 系列可編程控制器 德國(guó)的西門(mén)子（SIEMENS）公司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的 SIMATIC 可編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)先地位。 1979 年微處理器技術(shù)被應(yīng)用到可編程序控制器中后，產(chǎn)生了 SIMATIC S5 系列，隨后在 20 世紀(jì)末又推出了S7 系列產(chǎn)品。第二代產(chǎn)品其 CPU 模塊為 CPU 22X，是在 21 世紀(jì)初投放市場(chǎng)的，速度快，具有較強(qiáng)的通信能力。2． 輸入輸出擴(kuò)展模塊 （1） 設(shè)備連接 圖 23 I/O 擴(kuò)展示意圖（2） 最大 I/O 配置的預(yù)算 在進(jìn)行 I/O 擴(kuò)展時(shí),各擴(kuò)展模塊在 5VDC 下所消耗的電流應(yīng)不大于 CPU 主機(jī)模板在 5VDC 下所能提供的最大擴(kuò)展電流. 各 CPU 在 5VDC 下所能提供的最大擴(kuò)展電流如表 24 所示。布爾型數(shù)據(jù)指字節(jié)型無(wú)符號(hào)整數(shù)；整數(shù)型數(shù)包括 16 位符號(hào)整數(shù)（INT ）和 32 位符號(hào)整數(shù)（DINT ） 。PLC 中的繼電器與繼電器控制系統(tǒng)中的繼電器有本質(zhì)性的差別，是軟繼電器，它實(shí)質(zhì)是存儲(chǔ)單元 輸入映像寄存器的地址分配：S7200 輸入映像寄存器區(qū)域有 IB0～I(xiàn)B15 共 16 個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)單元。 （2） 變量存儲(chǔ)器 V 變量存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)變量。變量存儲(chǔ)器可以是位尋址，也可按字節(jié)、字、雙字為單位尋址，其位存取的編號(hào)范圍根據(jù) CPU 的型號(hào)有所不同，CPU221/222 為 ～ 共 2KB 存儲(chǔ)容量，CPU224/226 為～ 共 5KB 存儲(chǔ)容量 （3） 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器（中間繼電器）M 內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器，用來(lái)保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)，其作用相當(dāng)于繼電器控制中的中間繼電器，內(nèi)部標(biāo)志位存儲(chǔ)器在 PLC 中沒(méi)有輸入/輸出端與之對(duì)應(yīng)，其線圈的通斷狀態(tài)只能在程序內(nèi)部用指令驅(qū)動(dòng)，其觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，只能在程序內(nèi)部驅(qū)動(dòng)輸出繼電器的線圈，再用輸出繼電器的觸點(diǎn)去驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。（5） 定時(shí)器 T PLC 所提供的定時(shí)器作用相當(dāng)于繼電器控制系統(tǒng)中的時(shí)間繼電器。其設(shè)定時(shí)間由程序設(shè)置。計(jì)數(shù)器可提供無(wú)數(shù)對(duì)常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)供編程使用，其設(shè)定值由程序賦予。CPU 提供了 4 個(gè) 32 位的累加器，其地址編號(hào)為 AC0～AC3 。 PID 控制器簡(jiǎn)介基于偏差的比例(Proportlonal)、積分(Integral) 和微分 (Derivative)的控制器簡(jiǎn)稱為 PDI 控制器，它是工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的一種過(guò)程控制器。盡管工業(yè)自動(dòng)化飛速發(fā)展，但是 PID 控制技術(shù)仍然是工業(yè)過(guò)程控制的基礎(chǔ)。如果把 PID 控制技術(shù)和優(yōu)化 PID 控制技術(shù)加起來(lái)，則占到了 90%以上，而文獻(xiàn)指出，工業(yè)過(guò)程控制中，95%以上的回路具有 PID 結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于工業(yè)過(guò)程對(duì)象的精確模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，因而在用 PID 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，又往往難以得到最佳的控制效果。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理圖如圖 25 示。作為一種線性控制器，PID 控制器根據(jù)給定值 SV 和實(shí)際輸出值 PV 構(gòu)成控制偏差， 即 e(t)=r(t)y(t) (2. 1)然后對(duì)偏差按比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。式()和式 ()是我們?cè)诟鞣N文獻(xiàn)中最經(jīng)常看到的 PID 控制器的兩種表達(dá)形式。這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到 PID 控制系統(tǒng)的控制效果好壞。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 proportional(比例) 、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為 pID控制。具有以下優(yōu)點(diǎn):理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。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 26 所示，圖中 u(O 為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。pK1T相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： （）)()(G1ssEUDp??PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下:l)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差 e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比例系數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。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)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)不，不越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。微分環(huán)節(jié)主要用來(lái)控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(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。PID 的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) nT 代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式: （）?????????????? )1())()()(0neTjeneKuDnjIp式中:T 為采樣周期。e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信號(hào)。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(n)和 e(n 一 l)，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。為此實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達(dá)式為（）:??1()(1)())()pUnunKenKen?????? （）?()2)(2)DKe??式中： 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量：()Un?1。 數(shù)字式 PID 控制的實(shí)現(xiàn)PID 控制器是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制器，在工業(yè)過(guò)程控制中得到了普遍的應(yīng)用。數(shù)字 PID 控制器在實(shí)際應(yīng)用中可分為兩種:位置式 PID控制器和增量式 PID 控制器。圖 27 位置式 PID 算法實(shí)現(xiàn) 圖 28 增量式 PID 算法實(shí)現(xiàn)第 3 章 水塔水位控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的水塔、水箱供水的基礎(chǔ)上，加入了 PLC 及液壓變送器等器件．利用PLC 和組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)水塔水位的控制．提供了一種實(shí)用的水塔水位控制方案。 系 統(tǒng) 啟 動(dòng) 時(shí) ， 關(guān) 閉 出水 口 ， 用 于 動(dòng) 控 制 輸 入 控 制 液 體 閥 ， 使 水 位 達(dá) 到 滿 水 位 的 75%， 然 后 打 開(kāi) 出 水口 ， 同 時(shí) 輸 入 控 制 液 體 閥 從 手 動(dòng) 方 式 切 換 到 自 動(dòng) 方 式 。 設(shè)計(jì)分析圖 31 設(shè)計(jì)分析示意圖“水塔水位自動(dòng) 控制系統(tǒng)”的控制對(duì)象為水泵，容器為水塔或儲(chǔ)液罐。當(dāng)水位在低于 C 點(diǎn)時(shí)，水泵開(kāi)始進(jìn)水，如圖 1（b） 。當(dāng)水位低于C 點(diǎn)并到達(dá) B 點(diǎn)時(shí)就報(bào)警 ，采取手動(dòng)啟動(dòng)水泵，如圖 1（d） 。 可行性試驗(yàn)圖 32 為水塔水位控制器的外觀正視圖，由電源指示燈、報(bào)警確認(rèn)燈、水位指示燈以及報(bào)警確認(rèn)開(kāi)關(guān)組成。圖 32 水塔水位控制器外觀圖①當(dāng)水位處于 B 點(diǎn)之下，指示燈 B、C、D、E 全亮， 報(bào)警電路開(kāi)始報(bào)警，即下限報(bào)警?！? ③當(dāng)水位處于 C、D 之間，指示燈 B、C 滅，C、D 亮，保持狀態(tài)，即保持進(jìn)水?！? ⑤當(dāng)水位處于 E 點(diǎn)之上，指示燈 B、C、D、 E 全滅，水泵不工作，報(bào)警電路開(kāi)始溢出報(bào)警，即上限報(bào)警。此時(shí)，報(bào)警確認(rèn)燈亮起。 可行性分析 此方案采用純硬件電路設(shè)計(jì)，避免了軟件程序設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定因素，提高了實(shí)際運(yùn)用中的可靠性。當(dāng)水塔中液體改變時(shí)，只需要將電位器中的阻值和該液體的阻值調(diào)節(jié)到一個(gè)數(shù)量級(jí)上就可以很方便的實(shí)現(xiàn)此液體的水位控制操作。 水位閉環(huán)控制系統(tǒng)圖 33 供水系統(tǒng)控制原理圖MM2—水泵 Y0Y3—液位開(kāi)關(guān) F1—手閥 F2—電磁閥 為了精確的實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，必須建立閉環(huán)控制系統(tǒng)。供水系統(tǒng)的基本原理如圖 1 所示，水位閉環(huán)調(diào)節(jié)原理是：通過(guò)在水塔中的三個(gè)液壓變送器，將水位值變換為 4～20 mA 電流信號(hào)進(jìn)入 PLC，把該信號(hào)和 PLC 中的設(shè)定值的程序進(jìn)行比較，并執(zhí)行較后程序，通過(guò)水泵的開(kāi)關(guān)對(duì)水塔中的水位進(jìn)行自動(dòng)控制。手動(dòng)控制采用交流接觸器。液位上升至 Y2 時(shí)，M2 停止，F(xiàn)2 關(guān)閉， M1 繼續(xù)工作。打開(kāi) F1 手閥使上水箱放水，液位下降。Y0 為下水箱缺水報(bào)警開(kāi)關(guān)下水箱液位低于 Y0 時(shí)意味著水泵進(jìn)水口缺水，此時(shí)應(yīng)自動(dòng)切斷電源并報(bào)警。臺(tái)達(dá) DVP14ES00R 具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入、輸出及通信單元，可用于較為惡劣的環(huán)境中。包括數(shù)字輸入板 IDPG、數(shù)字輸出板 ODPG、附屬單元。從整個(gè)流程中