【正文】 示。P ID控制器的輸入輸出關(guān)系式為： （41）誤差： （42） PID控制器的輸出= 比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)+輸出的初始值，式中M ( t) 是控制器的輸出，是回路輸出的初始值；是PID回路的增益； 和分別是積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)[7]。當(dāng)需要較好的控制精度時(shí)可以選擇用PI控制方式，但是如果系統(tǒng)的慣性很大時(shí)就應(yīng)該選擇PID控制方式了。CPU實(shí)際改進(jìn)后的PID算法的算式為 （44） PID的指令向?qū)г谝郧皯?yīng)用PID時(shí)需要對(duì)PID的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，要先把給定值轉(zhuǎn)換為0到1之間的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后還要把回路輸出值轉(zhuǎn)換為模擬量模塊能夠接收的整數(shù)，編程和計(jì)算過(guò)程很復(fù)雜。完成設(shè)置后生成的PID就自動(dòng)的在子程序里出現(xiàn)，在編寫程序時(shí)只需要調(diào)用子程序就可以了。（1）采樣周期采樣周期可以反映出系統(tǒng)的變化情況，采樣周期越小，反映的變化越明顯。因此，采樣周期要適當(dāng)?shù)倪x擇。太小，雖然使超調(diào)變小但是系統(tǒng)的反映速度就變慢了；太大又會(huì)使的超調(diào)變大，震蕩次數(shù)增加，使得系統(tǒng)變的不穩(wěn)定。積分具有一定的滯后性，它需要與其他兩個(gè)參數(shù)相互配合，共同控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它可以對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生超前抑制的影響，這就為調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定節(jié)約了時(shí)間。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中換熱器出水口的溫度會(huì)因?yàn)楦鞣N原因出現(xiàn)上下波動(dòng)，而控制換熱器出口溫度主要是靠調(diào)節(jié)在一次供水管安裝的溫度調(diào)節(jié)閥的開度大小。為了保證溫度控制的穩(wěn)定性能，在這里還設(shè)置了溫度報(bào)警的功能，當(dāng)溫度傳感器采集的溫度值高于設(shè)定值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。在本系統(tǒng)里的組態(tài)軟件界面上設(shè)置了一個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)溫度調(diào)節(jié)閥相對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)塊，把滑動(dòng)塊和現(xiàn)場(chǎng)的溫度調(diào)節(jié)閥建立連接通道，通過(guò)改變滑動(dòng)塊的大小來(lái)控制溫度調(diào)節(jié)閥的開度。圖42 手動(dòng)控制程手動(dòng)方式下的PLC程序如圖42所示，手動(dòng)控制方式下PLC程序里的VD80是PLC內(nèi)部的一個(gè)存儲(chǔ)單元，將這個(gè)存儲(chǔ)單元與組態(tài)畫面里的溫度調(diào)節(jié)閥滑動(dòng)塊建立一個(gè)連接通道。在通過(guò)組態(tài)軟件界面上的溫度調(diào)節(jié)閥進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)必須要解決組態(tài)界面上的滑動(dòng)調(diào)節(jié)閥數(shù)值轉(zhuǎn)換成PLC能接收的數(shù)值，從而來(lái)控制調(diào)節(jié)閥[8]。本系統(tǒng)的自動(dòng)控制方式采用了西門子S7200系列的 PLC內(nèi)部經(jīng)典的PID控制器來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求需要保證換熱器出口溫度大概在60℃左右，并且容許有一定的誤差2%。經(jīng)過(guò)EM235對(duì)模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送給PLC，通過(guò)PLC內(nèi)部的PID控制器對(duì)采集值進(jìn)行處理，將反饋值與給定值進(jìn)行比較運(yùn)算，輸出一個(gè)適合系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)然后通過(guò)模擬量輸出模塊對(duì)其進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，由AQW0輸出的模擬量就傳送給供水網(wǎng)回路的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。GPRSPLCD/A轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)閥溫度傳感器變送器A/D轉(zhuǎn)換圖43 自動(dòng)控制的流程圖在自動(dòng)運(yùn)行控制方式下，主要是通過(guò)PID控制器來(lái)對(duì)系統(tǒng)的溫度值進(jìn)行控制。在使用PID時(shí)在S7200的窗口里，打開工具里的PID向?qū)В蜁?huì)出現(xiàn)如圖44所示。點(diǎn)擊下一步，進(jìn)入下一個(gè)界面，如圖45所示。表41是PID控制運(yùn)算器的采樣周期經(jīng)驗(yàn)值數(shù)據(jù)表，在設(shè)置PID參數(shù)時(shí)可以參考這些經(jīng)驗(yàn)值。圖46 回路報(bào)警選項(xiàng)可以在此頁(yè)面設(shè)置輸出的上限報(bào)警和下限報(bào)警等信息。圖47 地址選擇在此界面里可以選擇PID的存儲(chǔ)區(qū)地址，在選擇其地址的時(shí)候一定要注意如果會(huì)用到好幾個(gè)PID的話就要避免地址不能重復(fù)，否則PID運(yùn)算就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖48 PID命名在上面的界面中點(diǎn)擊下一步就進(jìn)入下面的界面，如圖49所示。圖410 溫度自動(dòng)控制在程序里的AIW0是溫度傳感器把采集到的溫度值轉(zhuǎn)換為420mA的電流值，通過(guò)PLC的EM235模擬量輸入通道送給PLC里的PID控制器進(jìn)行運(yùn)算，將給定值setpoin與系統(tǒng)的反饋值進(jìn)行比較運(yùn)算，找到一個(gè)合適的輸出值送給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制其開度的大小。在小區(qū)供暖系統(tǒng)中不僅要保證換熱站出水口的溫度保持在一定的范圍內(nèi)，二次管網(wǎng)的水要往居民小區(qū)輸送這就要求必須保證二次管網(wǎng)的壓力保持恒定。使用變頻器的恒壓供水與傳統(tǒng)的補(bǔ)水方法相比不僅使系統(tǒng)的供水質(zhì)量提高，靈活性變強(qiáng)，節(jié)約能源還在一定程度上保護(hù)了電機(jī)，使其起制動(dòng)平穩(wěn)。在這里也如溫度控制一樣有手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式來(lái)對(duì)壓力進(jìn)行控制。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要是采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻)，先把工頻交流電源通過(guò)三相不可控的整流橋轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)[9]。所以對(duì)二次管網(wǎng)壓力的控制也就是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。由以上的公式可知，在調(diào)速方面異步電動(dòng)機(jī)可以有三種方式:可以改變轉(zhuǎn)差率、電源的頻率和異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。如果保持電源頻率和轉(zhuǎn)差率不變，改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)，那樣只能通過(guò)改變電機(jī)繞組的接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法是一種有級(jí)調(diào)的速不適合供水的恒壓調(diào)速。所以本系統(tǒng)采用了改變電源的頻率來(lái)控制補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速。保證系統(tǒng)既可以應(yīng)用PID進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)直接控制變頻器的頻率信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速。圖411 壓力手動(dòng)控制在自動(dòng)方式控制二次管網(wǎng)壓力恒定時(shí)采用的方法和對(duì)溫度控制一樣采用是的PID運(yùn)算方式，補(bǔ)水泵的補(bǔ)水情況完全由PLC根據(jù)壓力狀況和內(nèi)部PID的設(shè)定參數(shù)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)管網(wǎng)的壓力過(guò)高時(shí)，通過(guò)降低補(bǔ)水泵的頻率來(lái)降低轉(zhuǎn)速?gòu)亩箟毫档?；?dāng)壓力過(guò)低時(shí)通過(guò)PID運(yùn)算來(lái)控制變頻器的信號(hào)變高，來(lái)提過(guò)補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)的壓力變大，控制流程如圖412所示。通過(guò)給PID一個(gè)給定值，PID會(huì)把從模擬量輸入通道AIW2采集來(lái)的壓力值和給定值進(jìn)行比較計(jì)算，給出一個(gè)比較合適的參數(shù)值，送給輸出通道到達(dá)變頻器來(lái)控制補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，就把PLC從壓力傳感器采集來(lái)的壓力值不僅送給PID還同時(shí)送到PLC內(nèi)部的一個(gè)存儲(chǔ)單元，設(shè)定一個(gè)上限值，使得管道的壓力在超過(guò)上限值由PLC輸出報(bào)警信號(hào)，壓力報(bào)警程序如下412所示。本系統(tǒng)主要是利用液位記采集補(bǔ)水箱的液位信號(hào)，送給PLC內(nèi)部的存儲(chǔ)單元，通過(guò)設(shè)定上限值和下限值，在補(bǔ)水箱的水位超過(guò)或低于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)PLC輸出報(bào)警信號(hào)，對(duì)補(bǔ)水箱的控制的程序如圖413所示。通過(guò)安裝的流量計(jì)采集的流量信號(hào)傳送給PLC內(nèi)部的一個(gè)存儲(chǔ)單元，在這里要解決的就是數(shù)值轉(zhuǎn)換的問題，要使工作人員能在監(jiān)控室的上位機(jī)上直觀的看到供水的流量值。圖414 流量處理5 硬件及設(shè)備選型本系統(tǒng)的控制器選用的是西門子的S7200系列的 PLC，由于本系統(tǒng)是對(duì)六個(gè)小區(qū)的換熱站的控制，所以在這里選用了六個(gè)S7200來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行采集。在PLC中，CPU 224XP數(shù)字量有14入/10出，最大可擴(kuò)展的數(shù)字量點(diǎn)數(shù)為168，模擬量點(diǎn)數(shù)為35，還有兩路模擬量輸入(10bit，177。這些參數(shù)都符合本系統(tǒng)的運(yùn)行，所以本系統(tǒng)選用了CPU 224XP來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)的采集、控制。單獨(dú)的CPU只能處理數(shù)字量不能完成對(duì)模擬量的處理，模擬量擴(kuò)展模塊可以把從各種傳感器送來(lái)的模擬量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成PLC能接受的032000的數(shù)字量，還可以把PLC內(nèi)的數(shù)字量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換變成05V或420mA的電流信號(hào)，來(lái)控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。EM235里有4路模擬量輸入/1路模擬量的輸出，本系統(tǒng)需要四個(gè)模擬量輸出，一個(gè)PLC最多可以擴(kuò)展7個(gè)模擬量模塊，這里只需要選擇4個(gè)EM235就可以完成對(duì)系統(tǒng)模擬量的處理[10]，EM235的結(jié)構(gòu)圖如圖51所示。在選擇量程和輸入格式的時(shí)候必須要符合一致的原則，根據(jù)EM235的技術(shù)參數(shù)，在這里我們選用的是的電流信號(hào)，因?yàn)殡娏餍盘?hào)傳輸具有一定的穩(wěn)定性好，可以遠(yuǎn)距離的傳輸。圖51 EM235結(jié)構(gòu)圖 I/O分配I/O分配表如圖52所示。這些傳感器就是要將溫度、壓力和流量等信號(hào)轉(zhuǎn)換成05V或420mA的電流信號(hào)送給PLC的模擬量擴(kuò)展模塊。 考慮到本系統(tǒng)是將各個(gè)小區(qū)的換熱站的參數(shù)傳送到監(jiān)控室里需要各個(gè)部件及控制器間的遠(yuǎn)距離傳送，因此，在本系統(tǒng)中選用的傳感器均選用輸出420mA電流信號(hào)的電流輸出型的傳感器。要把溫度傳感器pt100隨著溫度變化采集來(lái)的電阻轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值，利用下面的溫度公式可以求得：T℃=(溫度數(shù)字量0℃的偏置量)/1℃數(shù)字量溫度數(shù)字量為存儲(chǔ)在PLC內(nèi)部存儲(chǔ)單元的值0℃偏置量為在0℃測(cè)出的數(shù)字量1℃的數(shù)字量為溫度每升高1℃的數(shù)字量[9]（2）壓力傳感器PTJ205PTJ205具有不銹鋼封焊的結(jié)構(gòu)，有很強(qiáng)的抗干擾能力。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(jì)渦街式流量計(jì)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(jì)；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(shí)顯示流量值與累計(jì)流量值。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(jì)。HQLUGB型流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)：介質(zhì)溫度范圍是50℃～+400℃，壓力等級(jí)為PN25，連接方式有夾持式、法蘭式或插入式的，供電電壓為12～，輸出信號(hào)為兩線制的4～20mA的電流輸出，通訊方式為RS485。HQUHZ液位計(jì)的技術(shù)參數(shù)：測(cè)量范圍015000mm，輸出信號(hào)為420mA的電流信號(hào)，電源電壓可以為24DC或220V，可以采用法蘭式接法。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(hào)輸出端。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，體積小，重量輕很符合本系統(tǒng)的控制要求。6通用組態(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(duì)象及工藝要求，配置用戶應(yīng)用軟件的過(guò)程，即使用軟件工具對(duì)計(jì)算機(jī)和軟件的各種資源進(jìn)行配置，實(shí)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。并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和I/O產(chǎn)品[11]。運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，在用戶對(duì)組態(tài)畫面進(jìn)行設(shè)置后，可以按照自己的控制要求來(lái)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行方式，在組態(tài)環(huán)境里設(shè)計(jì)系統(tǒng)的畫面及各個(gè)器件，在運(yùn)行環(huán)境里根據(jù)系統(tǒng)的工藝要求通過(guò)所寫的腳本程序來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)的模擬運(yùn)行。主控窗口：是組態(tài)工程的主窗口。工作臺(tái)界面如圖61所示。在MCGS組態(tài)軟件的主控窗口中建立新的用戶窗口，將新建的用戶窗口進(jìn)行屬性設(shè)置，將其保存在D盤得MCGS文件夾中。在小區(qū)的換熱站控制系統(tǒng)里涉及到了一個(gè)加熱器（來(lái)交換熱水與冷水的熱量）、一個(gè)溫度調(diào)節(jié)閥、一個(gè)溫度傳感器和壓力傳感器、一個(gè)補(bǔ)水泵、一個(gè)補(bǔ)水箱和報(bào)警指示燈組成，組態(tài)完成后界面如圖62所示。在用戶窗口里把系統(tǒng)所涉及到得元器件都放置在畫面上，并對(duì)其進(jìn)行布局完成后。建立好這些數(shù)值對(duì)象后就可以在用戶窗口里對(duì)其進(jìn)行屬性設(shè)置，在屬性里設(shè)置對(duì)象連接。圖63 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行策略：通過(guò)建立運(yùn)行策略可以完成對(duì)系統(tǒng)的模擬運(yùn)行的本窗口。在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，建立新的用戶策略，在用戶策略里添加腳本程序，腳本程序時(shí)MCGS為用戶提供的編程功能構(gòu)件（稱之為“腳本程序”功能構(gòu)件），編寫工程控制程序。腳本程序是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流程的控制和操作處理，在腳本程序中包括幾種簡(jiǎn)單的語(yǔ)句：賦值語(yǔ)句、條件語(yǔ)句、退出語(yǔ)句和注釋語(yǔ)句。腳本程序編輯環(huán)境主要由腳本程序編輯處、功能按鈕、操作對(duì)象列表和函數(shù)列表、腳本語(yǔ)句和表達(dá)式等4個(gè)部分組成。在運(yùn)行策略里，雙擊循環(huán)策略進(jìn)入策略屬性設(shè)置窗口中，把循環(huán)時(shí)間設(shè)置為200ms，溫度腳本程序如圖65所示。圖66 設(shè)備窗口在設(shè)計(jì)上位機(jī)系統(tǒng)的時(shí)候首先要分析系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)組成、工藝流程和控制要求，明確控制要求和動(dòng)畫顯示效果，分析系統(tǒng)中的各個(gè)元器件的控制對(duì)象建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，弄清哪些是數(shù)值量，哪些是模擬量，正確的選擇連接通道設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在用戶窗口里設(shè)計(jì)好組態(tài)界面并與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系起來(lái)后就可以在設(shè)備組態(tài)窗口中選擇適當(dāng)?shù)拇谕ㄓ嵲O(shè)備，可以添加用戶需要的各種通訊父設(shè)備和子設(shè)備，正確的設(shè)置其屬性及通道連接就可以實(shí)現(xiàn)GPRS與組態(tài)軟件的連接。7系統(tǒng)調(diào)試在完成了GPRS的學(xué)習(xí)、組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序的編寫后，然后就可以在PLC實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試了。根據(jù)EM235的使用手冊(cè)選擇好輸入量程和單雙極性，設(shè)置好后就可以按照使用說(shuō)明進(jìn)行連線了，對(duì)于模塊上的驅(qū)動(dòng)正好用的是024V的電壓信號(hào)，可以用PLC模塊的電壓源直接引出就可以使用，把AIW0連到上，輸出AQW0連到05V的反饋端。檢查線路的連接沒有問題后就可以進(jìn)行編譯下載，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分步的調(diào)節(jié)了。實(shí)際的溫度控制系統(tǒng)里是采用的420mA的電流輸出信號(hào)，但實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)于PT100和加熱器采用的是05V的電壓信號(hào)，所以在調(diào)試過(guò)程中也采用的是05V的電壓信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)試。現(xiàn)在的PLC內(nèi)部的PID都具有自整定的功能，本系統(tǒng)采用的就是PID自整定的方法，這種方法為我們?cè)趹?yīng)用PID的過(guò)程中提供了很大的方便，也節(jié)省了很多的時(shí)間。但自動(dòng)整定結(jié)束后，確定了各個(gè)參數(shù)值后，再調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)就可以很迅速的達(dá)到給定的值。參數(shù)自整定界面如圖71所示。點(diǎn)擊手動(dòng)整定將整定出來(lái)的參數(shù)值輸入進(jìn)去，設(shè)定一個(gè)給定值，再次進(jìn)行調(diào)整觀察調(diào)整到給定值的時(shí)間大概在5分鐘，超調(diào)大約177。圖72 調(diào)試結(jié)果（2）壓力部分自動(dòng)行方式調(diào)試過(guò)程和溫度的調(diào)試過(guò)程是大體一樣的，只是壓力調(diào)整的PID參數(shù)和溫度調(diào)整的參數(shù)因?yàn)閿?shù)學(xué)模型不一樣而不 同，但方法是一樣的。壓力報(bào)警也是在實(shí)驗(yàn)臺(tái)面板上有指示燈來(lái)顯示報(bào)警信號(hào)，在壓力過(guò)高時(shí)通過(guò)PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)使指示燈變亮，同時(shí)組態(tài)界面上的壓力報(bào)警指示燈變綠表示壓力過(guò)高產(chǎn)