【正文】 了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵機組的轉速減小，實際供水壓力因此而減小。 變頻恒壓供水的近似數(shù)學模型 由于變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象，我們難以得出它的精確數(shù)學模型，只能進行近似等效。 ●水泵將水充滿整個管網，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過程。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成： ? ? 1sKGS Tse ??? ? （ 31） K 為系統(tǒng)的總增益， T 為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)， ? 為系統(tǒng)滯后時間。系統(tǒng)主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，根據系統(tǒng)的設計任務要求，結合系統(tǒng)的使用 環(huán)境的條件 ，有以下 兩 種 設計思路的 選擇： 有供水基板的變頻器十水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結構簡單，它將 PID 調 節(jié) 器和 PLC 可編程 序 控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數(shù)據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。在硬件設計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部 接線，當控制要求發(fā)生改變時可以方便地通過 PC 機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調試 比較 方便。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，圖中的 4 個水泵分為 三種類型： (1)調速泵：是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定。當水泵采用循環(huán)的控制方式時， M1,M2,M3既可以做調速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式時， M1,M2,M3 中只有一臺可以調速泵，其余兩臺為恒速泵 ，因為當?shù)谝慌_達到額定功率時還不能滿足供水要求時這時第二臺水泵開始運行，依此類推第三臺水泵開始運行，這樣第一和第二臺水泵就處于工頻運行狀態(tài)是恒速泵，第三臺仍由變頻器控制調節(jié)屬于調速泵。 信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號 和 液位信號： (1)水壓信號：它反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測。 (2)液位信號：它反映水泵的進水水源是否充足。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器。 (1)供水控制器：它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。 (2)變頻器：它是對水泵進行轉速控制的單元。根據水泵機組中水泵 被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式： ●變頻循環(huán)式：變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。 (3)電控設備：它是由一組接觸器、保護繼電器、 轉換開關等電氣元件組成。 PID 控制算法及 控制器的設計 PID 控制算法及 特點 張濤：基于 PLC 和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)的設計 12 PID 控制算法的一般形式 PID 控制器根據目標值 (設定值 )r(t)與反饋值 (測量值 )c (t)構成的控制偏差： e(t)=r(t)c(t) (32) 將偏差的比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制。 簡單來說， PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的： ●比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產生控制器立即產生控制作用以減小誤差。 ●微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。但只包含第三項的單純微分 (D)作用是不采用的，因為它不能起到使被控變量接近設定值 的效果，只包含第一、二項的是 PI 作用 。同時包含這三項的是 PID 作用。為了消除殘留偏差，一般采用增加 I 動作的P+I 控制。但是，I 動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。 對于 PD 控制，發(fā)生偏差時，很快產生比單獨 D 動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負載場合，僅 P動作控制，有時由于 此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。 利用 I 動作消除偏差作用和用 D 動作抑制振蕩作用，在結合 P 動作就構成了 PID 控制，本 次設計 就是采用了這種方式。這種控制方式用于從產生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng) ， 調節(jié) 的 效果比較好。直接數(shù)字控制方式的特點 是采樣控制，每個被控制變量的測量值隔一定時間與設定值比較一次，按照預定的控制算法得到輸出值，通常把它保留到下一采樣時刻。 ●在用 PLC 或單片機實施時，等效的 Ti 和 Td 可以在更大的范圍內自由選擇，但在模擬式調節(jié)器中，由于線路和元件性能上的限制，可調范圍要小得多。考慮到離散的PID 具有以上的優(yōu)點，同時結合本 次設計 的特點，我們采用離散的 PID 對水壓進行恒定控制。它的原理 如圖33 所示： 圖 33 PID 控制原理圖 通過控制對象的傳感器等檢測控制量，將其與目標值 (流量、壓力等設定值 )進行比較。也就是使反饋量與目標值相一致的一種通用控制方式。在恒壓供水中常見的 PID 控制器的控制形式主要有兩種： ●硬件型，即通用 PID 控制器，在使用時只需要進行線路的連接和 P、 I、 D 參數(shù)及目標值的設定。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制流程 整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據檢測到的輸入信號的狀態(tài)、按照系統(tǒng)的控制流程、通過 變 頻調速器和執(zhí)行元件對水泵組進行控制實現(xiàn)恒壓供水目的。 ●當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定 值，反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值。在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機 M1 切換至工頻電網供電后， M1 恒速運行，同時使第二臺水泵M2 投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，直到水壓達到設定值為止。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，直到剩下一臺變頻泵運行為止。系統(tǒng)進入靠附屬小泵進行少量補水的狀態(tài)。待實際壓力再次低于設定壓力后，重復上述過程。選擇變頻恒壓供水的方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理 ， 最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵機組增加和減少的條件。 (FX2N48MR)是整個控制系統(tǒng)的核心控制部件，其豐富齊備的控制運算指令、優(yōu)越的性能、現(xiàn)場編程調試的方便已使其成為深受現(xiàn)場技術人員歡迎的控制設備。 FX2N 系列的簡單介紹 FX2N 系列可編程序 控制器是 FX 系列中最高級的模塊。 由于 FX2N 系列具備如下特點：最大范圍包容了標準特點、程式執(zhí)行更快、全面補充了通信功能、適合世界各國不同電源以及滿足單個需要的大量特殊功能模塊，它可以為工廠自動化應用提供大的靈活性和控制能力。 ●定位控制達到 16 軸，脈沖串輸出或為 J 和 K 型熱電偶或 Pt 傳感器開發(fā)了溫度模塊。 網絡和數(shù)據通信 連接到世界上最流行的開放式網絡 CCLink， Profibus Dp 和 DeviceNet 或者采用傳感器層次的網絡解決您的通信需要。 ●快速斷開端子塊：因為采用了優(yōu)良的可維護性快速斷開端子塊，即使接著電纜也可以更換單元。時間設置和比較指令易于操作。 持續(xù)掃描功能 ●為應用所需求的持續(xù)掃描時間定義操作周期。 ●注解記錄功能 元件注解可以記錄在程序寄存器中。 RUN/STOP 開關 面板上運行 /停止開關易于操作。 MicroMaster430 全新一代標準變頻器中的風機和泵類變轉矩負載專家。它按照專用要求設計，并使用內部功能互聯(lián)（ BiCo）技術，具有高度可靠性和靈活性。 西門子 MicroMaster430 泵類專用變頻器的主要特征： ●380V480V177。 西門子 MicroMaster430 泵類專用變頻器的 控制功能： ●線性 v/f 控制，并帶有增強電機動態(tài)響應和控制特性的磁通電流控制（ FCC），多點 v/f 控制； ●內置 PID 控制器； ●快速電流限制，防止運行中不應 有的跳閘； ●數(shù)字量輸入 6 個，模擬量輸入 2 個，模擬量輸出 2 個，繼電器輸出 3 個； ●具有 15 個固定頻率， 4 個跳轉頻率，可編程； FX2N—48MR X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 平滑濾波 Y0 Y10 Y9 Y8 Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 L H V/F V/F 010V 010V 變頻器 控制 PWM 輸出 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 KM8 壓力設定 壓力變送器 供水起動 供水停止 一號泵電機過載 二號泵電機過載 三號泵電機過載 四號泵電機過載 水位低 水位高 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 19 ●采用 BiCo 技術，實現(xiàn) I/O 端口自由連接； ●集成 RS485 通訊接口，可選 PROFIBUSDP 通訊模塊； ●靈活的斜坡函數(shù)發(fā)生器，可選平滑功能； ●三組參數(shù)切換功能：電機數(shù)據切換，命令數(shù)據切換。 西門子 MicroMaster430 泵類專用變頻 器的 保護功能： ●過載能力為 140％額定負載電流，持續(xù)時間 3 秒和 110％額定負載電流，持續(xù)時間60 秒； ●過電壓、欠電壓保護； ●變頻器過溫保護； ●接地故障保護，短路保護； ●12t 電動機過熱保護； ●PTC/KTY 電機保護。敏感元件采用擴散或離子注入等工藝形成電阻并連接成惠斯通電橋，用微機械加工技術在電橋下形成壓力敏感膜 片。我們在惠斯通電橋上加上直流電源，就會產生一個直流電壓信號的輸出。 圖 42 壓力傳感器原理圖 YZDF 變送器，符合 《爆炸性氣體環(huán)境用防爆電氣設備第 1 部分：通用要求》和 《爆炸性氣體環(huán)境用防爆電氣設備第 4 部分：本質安全型 “ i ”》規(guī)定，防爆標志 Ex ia Ⅱ CT5 。 基本技術指標： ●標準量程： MPa,16kPa ， 35 k Pa ， ， ， ， ， ， 7MPa ， 35MPa ； ●防爆標志為 Ex ia Ⅱ CT5 ，關聯(lián)設備號： KAS903H ； ●最大過載：標準量程的 2 倍； ●壓力形式：表壓； ●精度等級： % 、 %： (1) ； ●供電電源：變送器的工作電壓為 U= ~ ， 與安全限能器（如 KAS9002i+ 型）配套后 工作電壓 U= ~ ，建議使用 ； ●測量介質 ： 非腐蝕性氣體、液體。 %； ●補償溫度： 0 ~ 70 ℃ ；工作溫度： 10 ~ 70 ℃ ； ●壓力傳感器 溫度性能： 表 41 壓力傳感器 溫度性能 表 ： 最小值 典型值 最大值 零點溫漂 % % +% 靈敏度溫漂 % % +% 注： (1)、包括遲滯、重復性和非線性。（沒有其他說明，所有測試值相對 25 ℃ ） (3)、在補償溫度范圍之外性能有所下降。 (5)、兩線制線路最大負載： R Lmax = （ V SS 8V ） /20mAR ；建議使用 250 Ω或 500 Ω 。 安徽工程科技學院畢業(yè)設計（論文） 21 ●接電纜穿過壓線螺母與三針接線端子（ YZDF1 型）或赫斯曼插頭（ YZDF2 型）連接，接線端子 1 接電源正端，接線端子 2 接電源負端。 ●安全區(qū)與爆炸環(huán)境之間通過安全限能器連接，連接方式請參考安全限能器使用說書。 圖 44 壓力傳感器原理圖 圖 45 傳感器電氣連接圖 調試方法 變送器零點偏移、滿度校準通過變送器內電路板上電位器螺釘調節(jié)。 YZDF2 型擰松插頭上的螺釘，旋開插頭螺冒，取出接線端子，可以調節(jié)電位器。 ●變送器加壓到滿量程，調節(jié)靈敏度電位器，使之輸出 20mA 。 YZDF2 型安上接線端子