恒壓供水系統(tǒng)控制策略及其實(shí)現(xiàn)

1、恒壓供水系統(tǒng)控制策略及其實(shí)現(xiàn)摘要: 為了提高大范圍變負(fù)荷恒壓供水系統(tǒng)的控制精度和可靠性,提出了采用多臺(tái)水泵分級(jí)控制、輪流變頻的控制策略，結(jié)合大范圍變負(fù)荷供水系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)常規(guī)PID控制算法作了一些相應(yīng)的改進(jìn);通過(guò)基于USS協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和PLC的組合,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件、軟件和通信的設(shè)計(jì),從而改進(jìn)了大范圍恒壓供水系統(tǒng)的控制品質(zhì)。關(guān)鍵詞: 現(xiàn)場(chǎng)總線;USS協(xié)議;PLC;變頻器調(diào)速;聯(lián)鎖控制;PID控制;不完全微分Control strategy of water supplying system with constant pressure and its implement. Abstract:

2、In order to improve the control precision and stability, the control strategy that several bumps are cont rolled in grades and frequency conversion by turns, which is app lied to water supplying system switch constant pressure w ho se load varies in large range, is put forward; meanwhile, several im

3、provements ofthe PID algorithm are made according to the haracteristics of water supplying whoseload varies in large range; the practical result imp lies the control qualities of water supp lying systems with constant pressure are imp roved by the w ay of the skillful combination of standard driver

4、product based on USS protocol and PLC.Key words: field bus; USS protocol; PLC; inverters speed modultation; interlock control; PID control; differential inadequacy隨著城市的發(fā)展,人們的居住環(huán)境越來(lái)越集中,加之生活個(gè)性化的發(fā)展,使得城市供水系統(tǒng)的負(fù)荷變化很大。通常采用大型蓄水池的方式來(lái)緩解,該方法供水壓力穩(wěn)定,但存在水質(zhì)污染、浪費(fèi)嚴(yán)重,設(shè)備使用壽命不長(zhǎng),需派專人管理等弊端。近年來(lái)在供水系統(tǒng)中引入了變頻調(diào)速技術(shù),較好地解決了以上的問(wèn)題。

5、主要介紹利用西門子MICROMASTER VECTOR變頻器和SIMAT IC S7200型PLC組成新型、經(jīng)濟(jì)的恒壓供水系統(tǒng)。1恒壓供水系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)為達(dá)到大范圍恒壓供水的目的,供水系統(tǒng)由三臺(tái)水泵和一臺(tái)變頻器及控制器組成。這樣可以避免因一臺(tái)水泵故障,導(dǎo)致整個(gè)供水系統(tǒng)癱瘓的弊端,而且能利用水泵的運(yùn)行曲線和工作效率的關(guān)系,使得每臺(tái)水泵輪流處于節(jié)能高效運(yùn)行狀態(tài),既節(jié)約能源又延長(zhǎng)水泵壽命。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1Main structure diagram根據(jù)實(shí)際要求, 給恒壓供水系統(tǒng)設(shè)置了如下控制功能:1. 手動(dòng):轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置,能直接啟停每臺(tái)工頻水泵,每臺(tái)水泵狀

6、態(tài)由對(duì)應(yīng)手動(dòng)開(kāi)關(guān)位置決定。2. 停止:轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于停止位置,設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài),任何水泵都不能啟動(dòng)。3. 自動(dòng):轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位置,設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),PLC按變頻水泵循環(huán)工作方式對(duì)三臺(tái)水泵進(jìn)行自動(dòng)控制?？刂七^(guò)程可用圖2 所示的軟件流程框圖表示。在這種設(shè)想下,任何一臺(tái)水泵在程序的控制下,都可以工作在工頻或變頻狀態(tài)。進(jìn)一步通過(guò)控制算法設(shè)計(jì),可以保證三臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間和開(kāi)啟次數(shù)接近,從而延長(zhǎng)設(shè)備的整體使用壽命。圖2水泵控制流程框圖Fig.2Bump control flow chart diagram2恒壓供水系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)2. 1硬件線路設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)的水泵有三臺(tái),而變頻器只有一臺(tái),為了使三臺(tái)

7、水泵的使用工況接近,需要使三臺(tái)水泵能夠輪流進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài),而未按變頻運(yùn)行的水泵也要輪流的處于工頻運(yùn)行,使得各水泵的運(yùn)行時(shí)間接近,延長(zhǎng)水泵和系統(tǒng)的使用壽命。為此,在系統(tǒng)上需要進(jìn)行硬件和軟件的特殊設(shè)計(jì),其中硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3硬件設(shè)計(jì)圖Fig.3Hardware design diagram為了充分保障系統(tǒng)的安全,本系統(tǒng)采用以下措施:(1) 要求對(duì)工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實(shí)現(xiàn)互鎖。(2)當(dāng)水泵的功率較大時(shí),為防止直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大,需要采用軟啟動(dòng)的方法,即用變頻器來(lái)啟動(dòng)水泵。(3)原先變頻運(yùn)行的水泵在斷開(kāi)變頻器后,利用其運(yùn)行的慣性切換到工頻電源，避免切換過(guò)程中電流過(guò)大的問(wèn)題。為

8、了實(shí)現(xiàn)恒壓供水,首先將供水管道的出口壓力值經(jīng)壓力傳感器檢測(cè),并變送成010V 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),送入變頻器,經(jīng)變頻器內(nèi)部A/D采樣和PID運(yùn)算,控制變頻器的輸出頻率,從而控制供水的壓力平衡。由于在現(xiàn)場(chǎng)一般存在著各種各樣的干擾,為了使控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確、穩(wěn)定的運(yùn)行,啟用了變頻器內(nèi)部在A/D之前的一級(jí)一階低通濾波器,其傳遞函數(shù)為 (1)式中,為0 255 Ts, 采樣時(shí)間Ts=25ms。在PLC軟件之中采用平均值濾波的算法去除干擾, 具體算式如下: (2)式中, i,j為自然數(shù), n為樣本數(shù)。2.2 恒壓供水算法設(shè)計(jì)為了保證恒壓供水,系統(tǒng)采用了閉環(huán)PID調(diào)節(jié)算法。PID算法是在一種常規(guī)位置式算式的基礎(chǔ)上作了

9、改進(jìn),常規(guī)位置式算式如下: (3)式中, k為采樣序號(hào), k=0,1,2,···U(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值; e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;e(k-1)為第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;為積分系數(shù), ;為微分系數(shù), 。根據(jù)大范圍變負(fù)荷恒壓供水系統(tǒng)的控制特性,對(duì)上述PID算法作了如下改進(jìn)。改進(jìn)一: 引入分段積分的思想, 并通過(guò)在PID框圖中改變積分區(qū)限的功能來(lái)實(shí)現(xiàn), 具體如下: 設(shè)定一個(gè)閾值,> 0。 | e( k) | >時(shí), 即偏差值|e( k) |比較大時(shí), 采用PD ( 比例/微分) 控制,既可避免過(guò)大的超調(diào), 又使系統(tǒng)有較快

10、的響應(yīng)。 當(dāng)| e( k) | <時(shí), 即偏差值| e( k) |比較小時(shí),采用PID控制, 可保證系統(tǒng)的控制精度。以上用公式表達(dá)時(shí), 在積分項(xiàng)乘一個(gè)系數(shù), 定義為: 對(duì)于式( 3) : 在=0 時(shí), 進(jìn)行PD 控制, 算法為: 其中，在=1時(shí),進(jìn)行PD控制,采用增量式不完全微分PID算法: 其中: 上式中, Ti, Td 分別為積分和微分時(shí)間;為控制器靜態(tài)增益,r為微分增益。改進(jìn)二:在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),由于不同臺(tái)數(shù)水泵運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的控制壓力不同,加入控制回差,以適應(yīng)快速、平穩(wěn)切換的要求。具體如下: 人為設(shè)定一個(gè)控制回差>0,可從變頻器的P47參數(shù)區(qū)設(shè)定,并被PLC讀取、保存。在無(wú)水泵運(yùn)行

11、時(shí), 控制系統(tǒng)的PID控制被關(guān)閉,系統(tǒng)只監(jiān)測(cè)水壓。在一臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，PID控制的設(shè)定值為第一恒壓值, 此時(shí)若水壓> -,則PID功能起作用;反之,< -并經(jīng)延時(shí)確認(rèn)條件為真,則PID功能關(guān)閉,并進(jìn)行相應(yīng)的水泵臺(tái)數(shù)控制。兩臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí),條件表達(dá)式的改為,其它與相同。在三臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí),條件表達(dá)式的改為,其它與相同。系統(tǒng)所有水泵都開(kāi)啟時(shí),PID關(guān)閉的條件表達(dá)式為>+,其它與相同。2.3 PLC與變頻器的通信設(shè)計(jì)西門子變頻器可掛接的總線包括Profibus-DP總線、CAN總線和AS- I總線,在歐洲現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)EN50170定義的分布式I / O現(xiàn)場(chǎng)總線中,Profibus-DP以

12、其開(kāi)放、明確的定義獲得眾多廠商的支持,更由于它能支持高通訊速率而廣泛應(yīng)用。因此在通信設(shè)計(jì)時(shí)首選DP總線。但DP的報(bào)文結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在單變頻器的應(yīng)用場(chǎng)合,用戶應(yīng)用DP協(xié)議開(kāi)發(fā)控制程序非常復(fù)雜。為此西門子公司將DP定義進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化形成了USS協(xié)議,并定義USS協(xié)議以字符信息為基本單元。這樣在用戶編寫(xiě)應(yīng)用程序時(shí)就可方便地使用ASCII碼形式來(lái)發(fā)送信息,使之非常簡(jiǎn)單、方便。因此在本系統(tǒng)中通信設(shè)計(jì)時(shí)選擇了USS協(xié)議。USS協(xié)議為主-從式結(jié)構(gòu): 從站變頻器只是對(duì)主站( 控制器如PC、PLC等)發(fā)來(lái)的報(bào)文作出回應(yīng),并發(fā)送報(bào)文。每個(gè)從站都有唯一的從站號(hào),主站依靠它來(lái)識(shí)別從站( 變頻器)。USS協(xié)議由14個(gè)字節(jié)組

13、成一個(gè)報(bào)文。在系統(tǒng)選型時(shí)選用了一種把PID調(diào)節(jié)器、壓力檢測(cè)4、USS協(xié)議等功能集成為一體的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。它是變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的核心設(shè)備。因此對(duì)系統(tǒng)的操作主要集中在對(duì)變頻器的操作上。操作內(nèi)容主要有以下4個(gè)方面: 設(shè)定或查看變頻器的有關(guān)功能參數(shù)+設(shè)定或查看變頻器的運(yùn)行特性;發(fā)送變頻器啟動(dòng)和停止運(yùn)行命令;設(shè)定壓力傳感器的量程范圍等監(jiān)控參數(shù)。用上位機(jī)或用PLC對(duì)變頻器進(jìn)行監(jiān)控,主要解決的問(wèn)題是: PLC對(duì)變頻器設(shè)置信息,此類信息包括設(shè)置功能參數(shù)和命令兩大類,例如發(fā)送變頻器的運(yùn)行頻率值, 或啟停命令等2。變頻器獲取所需的信息。在上位機(jī)上進(jìn)行工程組態(tài)設(shè)計(jì)5。為了節(jié)省系統(tǒng)的投資和充分利用變頻器的資源,控

14、制器PLC的操作面板由變頻器的面板來(lái)代替,即PLC控制軟件所需的參數(shù)均由變頻器的面板輸入,通過(guò)以USS協(xié)議的方式由PLC存取。所用變頻器的資源為變頻器的參數(shù)區(qū)。系統(tǒng)是DCS ( 集散控制系統(tǒng)) 的分支, 也可以在上位機(jī)上編程、組態(tài)。為了保證通訊或PLC出現(xiàn)故障時(shí),供水系統(tǒng)仍能暫時(shí)穩(wěn)壓運(yùn)行, 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)功能。2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件主要有兩大塊,一塊用于處理PLC從變頻器讀取控制變量和設(shè)定變量。由于USS協(xié)議是主-從式協(xié)議,所以在PLC軟件中,需首先發(fā)送一個(gè)讀取參數(shù)的指令,然后進(jìn)入查詢狀態(tài), 當(dāng)變頻器收到指令,并返回相應(yīng)的參數(shù)時(shí),軟件放置好參數(shù)值,并發(fā)送讀取下一個(gè)參

15、數(shù)的指令。若軟件在發(fā)出指令之后的255ms之內(nèi)沒(méi)有收到反饋指令,則認(rèn)為通訊故障,要重新發(fā)送指令, 如果重發(fā)三次都不能正常收到反饋指令,則報(bào)警處理。具體流程如圖4所示。第二塊是處理水泵運(yùn)行順序、控制啟停和控制算法的實(shí)現(xiàn)。在編制該子塊時(shí)關(guān)鍵的問(wèn)題是對(duì)各水泵進(jìn)行編號(hào), 并實(shí)時(shí)的記憶當(dāng)前的狀態(tài), 尤其是在切換變頻泵到工頻泵時(shí),軟件必須有一個(gè)時(shí)延確認(rèn)的處理,這樣可以避免發(fā)生變頻器受電流沖擊的危險(xiǎn)。在處理采樣各開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)時(shí), 都附加了一個(gè)時(shí)延確認(rèn),以避免頻繁的啟/停某一水泵。圖4發(fā)送和接收流程圖Fig.4Transmit and receive flow chart diagram3結(jié)論本文從大范圍變

16、負(fù)荷恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā),提出了多臺(tái)水泵分級(jí)控制,每臺(tái)水泵等時(shí)運(yùn)行的控制策略,進(jìn)行了硬件、軟件和通訊的設(shè)計(jì),并在SIEMENS的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品和PLC上得到實(shí)現(xiàn).由于對(duì)常規(guī)PID算法作了改進(jìn),實(shí)際系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試,運(yùn)行超調(diào)很小,控制精度為0.02 kPa,系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間一般在1520s內(nèi),滿足應(yīng)用的實(shí)際要求.實(shí)踐證明運(yùn)行穩(wěn)定可靠,在恒壓供水狀況下不但能節(jié)約能源,降低設(shè)備維修費(fèi)用,而且由于軟件自我聯(lián)鎖保護(hù)豐富,無(wú)論在自動(dòng)或手動(dòng)狀態(tài)下,都十分可靠,是一種新穎的恒壓供水系統(tǒng)。參考文獻(xiàn):1 SIEMENS A D. Siemens Micro master Operating Instructions M .

17、England: Siemens House, 1999.2 SIEMENS A D. Siemens PLC System ManualM . Beijing: Siemens House, 2000.3 陳少波. 帶PID功能變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用J . 自動(dòng)化與儀表, 2000.CHEN Shao2bao. The application of inveter with PID function in the water supplying system of constant.pressureJ . Automation and Instruction, 2000 15 (1) : 67- 69.4 宋德玉. 可編程序控制器原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)M . 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1999.SONG