基于PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設計

一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。直流中間電路的儲能元件在整電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大容量的電感。逆變電路最常見的結構形式是利用6個半導體主開關器件組成的三橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。圖2--4為電流型變頻器主電路基本結構示意圖。電源M~電源M~電動機平滑電容+-M~電動機平滑電感電源（a）（b）圖2-4電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結構電壓型變頻器主電路；(b)電流型變頻器主電路3系統(tǒng)硬件選擇及系統(tǒng)電路設計根據基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3-1所示：圖3-1系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設備應包括以下幾部分：(1)PLC及其擴展模塊、(2)變頻器、(3)水泵機組、(4)壓力變送器、(5)液位變送器。主要設備選型如表3.1所示：表3-1本系統(tǒng)主要硬件設備清單主要設備型號及其生產廠家可編程控制器（PLC）SiemensCPU226模擬量擴展模塊SiemensEM235變頻器SiemensMM440水泵機組SFL系列水泵3臺（上海熊貓機械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數顯儀液位變送器分體式液位變送器DS263.1硬件選擇3.1.1PLC及其擴展模塊的選型PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。因此在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少，因此PLC選用SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)；又具有可靠性高，可擴展性好，有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點。根據控制系統(tǒng)實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入為24點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入和輸出信號，可自動完成A/D轉換，標準輸入信號可以轉換成一個字數字信號，輸出信號則可以自動完成端口的D/A轉換，一個字的數字信號轉換成標準的輸出信號。EM235模塊由DIP設置不同的標準，切換輸入信號。3.1.2變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構的硬件，通過頻率的改變實現對電機轉速的調節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據水泵電機的功率和電流進行選擇。由于本設計中PLC選擇的西門子S7-200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，選擇西門子的MicroMaster440變頻器。它是用于三相交流電動機調速的系列產品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。它采用模塊化結構，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能，有內置的RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據用戶的特殊需要對I/O端子進行功能自定義。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0.75~90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75KW的水泵電機的輸入信號。3.1.3水泵機組的選型水泵機組選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設計的要求為：電動機額定功率75KW，供水壓力控制在0.3±0.01Mpa。根據本設計要求并結合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定采用3臺上海熊貓機械有限公司生產的SFL系列水泵機組（電機功率75KW）。它可用在城市給排水、鍋爐給水、空調冷卻系統(tǒng)、消防給水等。3.1.4壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入。在選型時，為防止傳輸過程中的干擾與損耗，通常采用4~20mA輸出壓力變送器。在運行過程中，當壓力變送器出現故障時，系統(tǒng)有可能啟動所有的水泵，如果此時的用水量又達不到，則會造成水壓過高。為防止爆管和超高水壓損壞用水設備，本設計中的供水系統(tǒng)采用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個數字量輸入，當壓力超出上限時，系統(tǒng)關閉所有水泵并報警輸出。供水系統(tǒng)的壓強是，下面單位都是估計標準單位，g=9.8，一般情況下，h<60米，所以本系統(tǒng)供水系統(tǒng)輸出壓力一般小于或等于0.6Mpa，據以上綜合分析，系統(tǒng)選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數顯儀實現壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0~1Mpa，精度0.01；數顯儀輸出一路4~20mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調節(jié)的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。3.1.5液位變送器選型考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設計要求貯水池水位：2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉換成標準信號（4~20mA電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC。綜合以上因素：本設計選擇淄博丹佛斯公司生產的型號為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m~200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部可調；供電電源：24VDC；輸出信號：兩線制4~20mADC；精度等級：0.25級。3.2系統(tǒng)主電路分析及其設計基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.2所示：三臺電機分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制水泵機組M1、M2、M3工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制水泵機組M1、M2、M3變頻運行；FR1、FR2、FR3為過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4為主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器。圖3-2變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖本設計采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內三臺水泵都可輪流做變頻泵。三相電源經低壓熔斷器、隔離開關接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。當電機工頻運行時，應先斷開變頻器的隔離開關和其輸出端的接觸器，再把工頻回路的接觸器和隔離開關接通。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，還可實現短路保護，每臺水泵的過載保護由相應的熱繼電器FR實現。變頻和工頻兩個回路決不能同時接通，而且變頻器的輸出端絕不能直接接電源，必須經過接觸器的觸點。當電動機接通工頻回路時，應先斷開變頻回路接觸器的觸點。相應地從工頻轉換為變頻時，工頻接觸器也應先斷開，才可接通變頻器輸出端接觸器，因此KM1和KM2，KM3和KM4，KM5和KM6不允許同時動作，相互之間必須有可靠的互鎖。為監(jiān)視電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將4~20mA電流信號送至上位機來顯示。系統(tǒng)啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路，而需通過變頻器實現軟啟動和軟停。手動控制系統(tǒng)時，必須采用降壓啟動或軟啟動的方式以降低啟動電流，本設計采用軟啟動器。3.3系統(tǒng)控制電路分析及其設計系統(tǒng)實現恒壓供水的主體控制設備是PLC，采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強，性能優(yōu)越。PLC用于實現變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要實現以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能。如圖3.3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉換開關，SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1~SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。圖3-3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端口分配中將詳細介紹。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復位是只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點，他們旁邊的4、6、8等數字為接線編號，可結合下節(jié)中圖3-4一起讀圖。本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運行過程如下：(1)手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機故障的檢測與維修。單刀雙擲開關SA打至1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關分別控制三臺水泵電機在工頻下的運行和停止。SB1按下時由于KM2常閉觸點接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開觸點閉合從而實現自鎖功能，電機M1可以穩(wěn)定的運行在工頻下。只有當SB2按下時才會切斷電路，KM1線圈失電，電機M1停止運行。同理，可以通過按下SB3、SB5啟動電機M2、M3，通過按下SB4、SB6來使電機M2、M3停機。(2)自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。單刀雙擲開關SA打至2端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運行信號，Q0.1輸出1#水泵變頻運行信號，當Q0.0輸出1時，KM1線圈得電，1#水泵工頻運行指示燈HL1點亮，同時KM1的常閉觸點斷開，實現KM1、KM2的電氣互鎖。當Q0.1輸出1時，KM2線圈得電，1#水泵變頻運行指示燈HL2點亮，同時KM2的常閉觸點斷開，實現KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當Q1.1輸出1時，水池水位上下限報警指示燈HL7點亮；當Q1.2輸出1時，變頻器故障報警指示燈HL8點亮；當Q1.3輸出1時，白天供水模式指示燈HL9點亮；當Q1.4輸出1時，報警電鈴HA響起；當Q1.5輸出1時，中間繼電器KA的線圈得電，常開觸點KA閉合使得變頻器的頻率復位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運行狀態(tài)電源指示燈HL10一直點亮。3.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計的基本要求如下：(1)由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。(2)在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)變頻運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵”功能，以防止某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。(3)考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。(4)三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。(5)系統(tǒng)要有完善的報警功能。根據以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址如表3-2所示。表3-2輸入輸出點代碼及地址編號名稱代碼地址編號輸入信號供水模式信號(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號SLHLI0.1變頻器報警信號SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電流值IpAIW0輸出信號1#泵工頻運行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號水池水位上下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1.2白天模式運行指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號UfAQW0結合系統(tǒng)控制電路圖3.3和PLC的I/O端口分配表3-2，畫出PLC擴展模塊外圍接線圖，如圖3-4所示：圖3-4PLC及擴展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括4個數字量和1個模擬量。壓力變送器將測得的管網壓力輸入PLC的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關量輸入I0.0；液位變送器把測得的水池水位轉換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；開關SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個數字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。Q0.0~Q0.5分別輸出三臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q1.1輸出水位超限報警信號；Q1.2輸出變頻器故障報警信號；Q1.3輸出白天模式運行信號；Q1.4輸出報警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器復位控制信號；AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。圖3.4只是簡單的表明PLC及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴格意義上的外圍接線情況。4系統(tǒng)的軟件設計4.1系統(tǒng)軟件設計分析硬件連接好之后，系統(tǒng)的控制功能要由軟件實現，結合系統(tǒng)的控制要求，對泵站軟件設計分析如下：(1)由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數量管理為了實現水壓恒定，在水壓降落時需升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。判斷是否需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出頻率是否達到設定的上限值，可通過比較指令實現這一功能。為正確判斷變頻器工作頻率達上限值，應排除偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應考慮采取時間濾波。(2)多泵組運行管理規(guī)范因為希望每一次啟動電機實現變頻泵軟啟動,而且每臺泵必須交替使用,多泵組泵站泵投運必須具備的管理標準。在本設計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3h，因此每次啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。具體操作是:將當前運行的水泵從變頻器切除,并連接到的工頻電源運行,并將變頻器復位用于新運行泵的啟動。泵組管理的另外一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設計中采用泵號加1的方法實現變頻泵循環(huán)控制；用工頻運行泵的總數結合泵號實現工頻泵的輪換工作。(3)程序的結構及程序功能的實現因為模擬單元和PID調節(jié)都需要初始化和中斷控制,本程序主要分為三個部分:主程序、子程序和中斷程序。為了節(jié)省掃描時間，可采用初始化子程序完成系統(tǒng)初始化工作。使用定時器中斷功能實現PID控制定時采樣和輸出控制。泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等由主程序控制實現。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數字方式直接在程序中設定。白天模式系統(tǒng)設定值為滿量程的90%，夜間模式系統(tǒng)設定值為滿量程的70%。程序中使用的PLC元件及其功能如表4-1所示。表4-1程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標準化值T37工頻泵增泵濾波時間控制VD104壓力給定值T38工頻泵減泵濾波時間控制VD108PID計算值M0.0故障結束脈沖信號VD112比例系數KcM0.1水泵變頻啟動脈沖(增泵)VD116采樣時間TsM0.2水泵變頻啟動脈沖(減泵)VD120積分時間TiM0.3倒泵變頻啟動脈沖VD124微分時間TdM0.4復位當前變頻泵運行脈沖VD204變頻運行頻率下限值M0.5當前泵工頻運行啟動脈沖VD208變頻運行頻率上限值M0.6新泵變頻啟動脈沖VD250PID調節(jié)結果存儲單元M2.0泵工頻/變頻轉換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號M2.1泵工頻/變頻轉換邏輯控制VB301工頻運行泵的總臺數M2.2泵工頻/變頻轉換邏輯控制VD310變頻運行時間存儲器M3.0故障信號匯總T33工頻/變頻轉換邏輯控制M3.1水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉換邏輯控制T35工頻/變頻轉換邏輯控制4.2PLC程序設計PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-MicroWIN-V40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表語言、梯形圖語言、功能塊圖語言。最接近于電氣控制原理圖的是梯形圖語言，它是應用最多的一種編程語言，無需考慮系統(tǒng)內部結構原理和硬件邏輯便可完成系統(tǒng)控制設計。PLC控制程序由一個主程序、若干子程序組成，編制程序在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC，控制任務的完成，是通過軟件在RUN模式下，由主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現的。4.2.1控制系統(tǒng)主程序設計本系統(tǒng)控制的主程序由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機換機程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、模擬量(水壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構成。系統(tǒng)初始化程序啟動系統(tǒng)工作時，需對系統(tǒng)進行初始化，即啟動時，應檢測系統(tǒng)各個部分的當前工作狀態(tài)進行，若出錯則報警。接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調用子程序來是實現的。在初始化后緊接著要設定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數。增、減泵判斷和相應操作程序當PID調解結果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min（以消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數加一（或減一）操作，并產生相應的泵變頻啟動脈沖信號。(3)水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵時復位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產生當前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。當只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運行。(4)各水泵變頻運行控制邏輯程序各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的，現在只以1#水泵為例進行說明。當第一次上電、故障消除或者產生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產生、未產生復位1#水泵變頻運行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時，Q0.1置1，KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可實現自鎖功能。(5)各水泵工頻運行控制邏輯程序水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現在只以1#水泵為例進行說明。產生當前泵工頻運行啟動脈沖后，若當前2#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數大于0，或者當前3#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數大于1，則Q0.0置1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1#水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現變頻和工頻之間實現良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點還可實現自鎖功能。(6)報警及故障處理程序本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及報警電鈴。當故障信號產生時，相應的指示燈會出現閃爍的現象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。故障發(fā)生后重新設定變頻泵號和工頻泵運行臺數，在故障結束后產生故障結束脈沖信號。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復雜，不便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。詳細的主程序梯形圖請參考附錄。主程序流程圖如圖4-1所示。由于在圖4-1中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細介紹，因此圖4-2和4-3對其作了完整的補充。其中圖4-2是以2#泵為例的變頻運行控制流程圖，圖4-3是以2#泵為例的工頻運行控制流程圖。1#、3#泵的運行控制情況與2#泵相似，在此就不再重復。如圖4-1所示。本設計主程序大體包括以下幾部分：(1)調用初始化子程序，設定各初始值；(2)根據增、減泵條件確定工頻泵運行數；(3)根據增泵、倒泵情況確定變頻泵號；(4)通過工頻泵數和變頻泵號對各泵運行情況進行控制；(5)進行報警和故障處理。圖4-1變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖圖4-22#泵變頻運行控制流程圖圖4-32#泵工頻運行控制流程圖4.2.2控制系統(tǒng)子程序設計(1)初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運行的上下限頻率，在水泵切換分析中已說明水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。假設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。在初始化PID控制的各參數（Kc、Ts、Ti、Td），各參數的取值將在下一節(jié)中詳細介紹。最后再設置定時中斷和中斷連接。具體程序梯形圖如圖4-4所示。圖4-4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輸入的采樣數據進行標準化轉換，經過PID運算后，再將標準值轉化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號。具體程序梯形圖如圖4-5所示。圖4-5PID控制中斷子程序INT_0梯形圖4.3PID控制器參數整定4.3.1PID控制及其控制算法在供水系統(tǒng)的設計中，采用了含PID調節(jié)的PLC來實現閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。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。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點。PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t)：（4.1）經比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構成控制量u(t)，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-6所示，圖中u(t)為PID調節(jié)器輸出的調節(jié)量。圖4-6PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為：（4.2）式中：Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數。相應的傳遞函數形式：（4.3）PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調節(jié)規(guī)律如下：(1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(t)一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差，但不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數Kp的增大而減少，比例系數過大將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。(3)微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，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，減少調節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快系統(tǒng)響應時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。4.3.2系統(tǒng)的近似數學模型及參數取值由于變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變，非線性，遲滯，模型不穩(wěn)定的對象，很難得出精確的數學模型而只能近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網進行恒壓供水，供水管網從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網壓力達到穩(wěn)定要求時需經歷兩個過程：首先是水泵將水送到管網中，這個階段管網壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；其次是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的慣性過程；由于系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉換、壓力檢測等的時間常數和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數和滯后時間相比可忽略不計，所以可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數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：（4.4）式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時間常數，為系統(tǒng)滯后時間。本設計中的PID參數值采用恒壓供水系統(tǒng)行業(yè)中的經驗值，以省去繁瑣而不必的工程計算。取系統(tǒng)比例系數Kc=0.33，采樣時間Ts=0.2s，積分時間Ti=180min，微分時間取零值。5總結本文針對城市小區(qū)供水的特點，設計開發(fā)了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用一臺變頻器實現多臺水泵電機的軟起動和調速，棄用原有的自耦降壓起動方式，同時水泵電機實現了自動控制。壓力變送器采樣后的管網壓力信號經過PID處理傳送給變頻器，變頻器根據壓力大小調節(jié)電機轉速，通過改變水泵性能曲線來實現水泵的流量調節(jié)，保證管網壓力恒定。該系統(tǒng)不但有效地保證了供水系統(tǒng)管網壓力恒定，而且使系統(tǒng)工作可靠、節(jié)能效果顯著、實現了全自動控制、且無二次污染。本設計主要經歷的工作如下：(1)通過PLC、變頻器實現對生活用水的恒壓控制。利用PLC實現對多泵切換的控制，通過變頻器實現對三相水泵電機的軟啟動，由電動機的變頻調速實現對水壓的調節(jié)。(2)通過對控制過程和原理的分析，利用西門子STEP7MicroWIN編程軟件設計了一個用于恒壓供水系統(tǒng)的程序，本程序包括順序控制主程序，初始化子程序和中斷子程序三部分。(3)系統(tǒng)的運行仿真。通過本次畢業(yè)設計，不僅使我鞏固了對原有知識的掌握，還拓寬了我的知識面。在提高自己的同時，我也更加清楚的認識到自己的一些不足之處。比如：在硬件設備之間的連接，I/O端口的分配，地址的分配這幾方面自己起初不是很了解，但經過這半年的自學，以及向老師、同學們請教，我對這些知識有了更深入的理解。通過這半年的實踐和學習，我學到了很多課本中無法涉及到的知識，體會到了工程設計的復雜與困難，也感受到了親自做出成績的成功與喜悅，這些都為即將開始的碩士研究生學習打下了堅實的基礎。在以后的學習和生活中，我會不斷的提高、充實自己，爭取獲得更大的成績。參考文獻豈興明.PLC與變頻器[M].人民郵電出版，2011李方園.西門子S7