摘要：水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度低。本論文結(jié)合我國中小城市多層住宅小區(qū)的用水現(xiàn)狀，設(shè)計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動控制供水系統(tǒng)，給出設(shè)計原理、控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，分析控制功能和控制過程，完成可編程控制電路、變頻器電路等具體電路設(shè)計，設(shè)計控制系統(tǒng)的程序框圖。采用PLC與變頻器作為控制核心，再加上壓力變送器，實現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓自動控制供水控制效果非常好，軟件設(shè)計簡單，硬件接口簡易可行、可靠性高，整個系統(tǒng)的性價比非常高。關(guān)鍵詞：PLC，變頻調(diào)速，恒壓，供水 1.緒論泵站擔負著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運行中需大量消耗能量，提高泵站效率，降低能耗，對國民經(jīng)濟有重大意義。目前， 泵站有很大一部分水泵電機是不變速拖動系統(tǒng)， 原先用人工進行水位控制， 由于無法每時每刻對水位進行準確的定位監(jiān)測， 很難準確控制水泵的起停， 雖然使用浮標或機械等水位控制裝置使供水狀況有了一些改變。 不變速電機的電能大多消耗在適應(yīng)供水量的變化而頻繁的開停水泵中。 這樣不但使電機工作在低效區(qū)、 減短電機的使用壽命， 而且電機的頻繁開停使設(shè)備故障率很高，機械裝置的故障多，可靠性差，導(dǎo)致水資源嚴重浪費，系統(tǒng)的維護、維修工作量較大。隨著高位生活用水和工業(yè)用水逐漸增多，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)落后。國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應(yīng)商之一)后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)，有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團森蘭牌變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2kw-30kw)，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán)(月麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實現(xiàn)七臺水泵機組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。PLC與變頻器結(jié)合為核心構(gòu)成的系統(tǒng)，可以解決水壓控制系統(tǒng)存在的問題，變頻技術(shù)以其在節(jié)能與恒壓方面的優(yōu)越性能達到較好的控制效果。與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機進行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點，如節(jié)電、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制、可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實現(xiàn)速度的精確控制。 變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相， 直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護”的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。由于要根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，而 PLC 在軟件設(shè)計上編程簡潔、直觀，PLC 的軟件中時間參數(shù)的調(diào)整更簡單，這樣更有利于運行人員掌握。2.恒壓供水系統(tǒng)2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點:(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。(2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。(3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。(4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。(5)當出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。(6)水泵的電氣控制柜，其有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。(7)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。2.2 課題研究的對象圖2.1 供水流程簡圖此次設(shè)計研究的對象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。這棟樓有24層，由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。如圖2.1所示，是這棟小樓的供水流程。自來水廠送來的水先儲存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。2.3 變頻恒壓供水控制方式的選擇目前國內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有：1邏輯電子電路控制方式這類控制電路難以實現(xiàn)水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動時有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。2單片微機電路控制方式這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時，調(diào)試較麻煩；追加功能時往往要對電路進行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好。3帶PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器(PLC)的控制方式該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入PID回路調(diào)節(jié)器，由PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進行運算后，輸入給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。4新型變頻調(diào)速供水設(shè)備針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切換卡；SANKEN的SAMCO I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列產(chǎn)品；富士公司的GIISPIIS系列產(chǎn)品；等等。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。考慮以上四種方案后，此次計采用第四種方案。如圖2.2所示。圖2.2 供水系統(tǒng)方案圖2.4 變頻構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)的及工作原理2.4.1 系統(tǒng)的構(gòu)成圖2.3 系統(tǒng)原理圖如圖2.3所示，整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋05V電壓信號)或壓力變送器(反饋420mA電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。(1)執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖2.3中的3個水泵分為二種類型:調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。恒速泵:水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充。(2)信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號:水壓信號:它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。報警信號:它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。該信號為開關(guān)量信號。(3)控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵)進行控制。變頻器:它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換等。 (4)通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等(5)報警裝置作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。2.4.2 工作原理合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運行。將手動、自動開關(guān)打到自動上，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實際值(來自于壓力傳感器)的偏差進行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實現(xiàn)恒壓控制。同時變頻器在運行頻率到達上限，會將頻率到達信號送給PLC，PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵(或第3臺泵)。當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下1臺泵變頻運行。此時PID會繼續(xù)通過由遠傳壓力表送來的檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。增泵工作過程：假定增泵順序為l、2、3泵。開始時，1泵電機在PLC控制下先投入調(diào)速運行，其運行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當供水壓力小于壓力預(yù)置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達到預(yù)置值，則需進入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機連接， 控制2泵投入調(diào)速運行。如果還沒到達設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當供水壓力大于預(yù)置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調(diào)速運行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機并啟動輔泵投入調(diào)速運行，從而達到節(jié)能效果。2.4.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當一臺調(diào)速水泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的。當調(diào)速水泵和恒速水泵都在運行且調(diào)速水泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，刁能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換。盡管通用變頻器的頻率都可以在0-400Hz范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，但當它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在50Hz時進行。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達50Hz時，即使實際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機組切換，增加運行機組數(shù)量來實現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0Hz。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到0Hz。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網(wǎng)，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于0Hz,具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20Hz左右。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。在實際應(yīng)用中，應(yīng)當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時的時間內(nèi)切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作;如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。2.5 PID控制原理將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制的控制器，簡稱PID控制器或PID調(diào)節(jié)器，是生產(chǎn)過程中應(yīng)用最普遍的控制方法。它的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，可靠性高，特別是在控制對象的數(shù)學(xué)模型難以建立的工業(yè)控制過程中，應(yīng)用更為廣泛。事實上， PID是一種負反饋控制，它以設(shè)定的控制目標值與反饋值的差值作比例、微分、積分后用來控制受控對象。 圖2.4常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖 (2-1)其系統(tǒng)原理框圖如圖2.4所示連續(xù)系統(tǒng)的PID控制算式表示為： 其中e(t)為偏差，e(t)=r(t)-y(t) r(t)設(shè)定值，y(t)實際值 Kp，Ti，Td分別為控制式的比例、積分、微分系數(shù) 簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： (1)比例環(huán)節(jié)，即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(0)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 (2)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(shù)Ti、Ti越大，積分作用越弱；反之則越強。 (3)微分環(huán)節(jié)，能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，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(diào)節(jié)時間.對于計算機采樣控制系統(tǒng)，使用的是數(shù)字PID。數(shù)字PID又分為位置式算法和增量式算法。 將式中的積分用求和代替，微分用增量代替，則得到位置式PID算式為： (2-2)式中：Kp為比例系數(shù)； Ki=KpT/Ti為積分系數(shù)，T為采樣周期； Kd=KpTd/T為微分系數(shù) 次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(kt)進行累加，計算機運算工作量大。而且，因為計算機輸出的u(t)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障， u(t)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PD控制的控制算法。所謂增量式PD是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Au(kt)。 采用增量式PID算法，式(2-2)改寫為： (2-3) 曝氣池污水處理是一個復(fù)雜的大滯后的生化反應(yīng)過程，如果通過機理的方法，建立精確的數(shù)學(xué)模型是很困難復(fù)雜的。采用一般的控制方法，大滯后問題又很難被解決，為了解決系統(tǒng)滯后問題，本系統(tǒng)采用 PID 控制的方法。由 PID 控制原理可知，比例增益（KP）可以加快響應(yīng)速度，提高調(diào)節(jié)精度，但是如果過大，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。積分增益可以消除靜差，提高系統(tǒng)控制的精度，但是如果過大，可能會引起積分飽和，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩頻率較低，調(diào)節(jié)緩慢，且超調(diào)量過大。 PID 參數(shù)整定原則 根據(jù) A/A/O活性污泥法污水處理的特點，結(jié)合 PID 的三個系數(shù)（KP 、KI 、KD），對系統(tǒng)控制的作用，可以確定如下三條整定原則：(1) E 很大時,說明實際值與參考值相差很大，此時應(yīng)采取最強的控制，使誤差絕對值以最大速度減小，這樣在 PID 控制參數(shù)方面，要求 KP 取較大值，同時為避免積分和微分飽和，KD 可取較小值，KI 取 0。 (2) 若 EEC>0,說明誤差在向絕對值增大的方向變化，即實際值與參考值的差距在變大。此時，當誤差絕對值較大時，應(yīng)采取較強的控制以改變誤差的變化趨勢，迅速減小誤差絕對值，在 PID 控制參數(shù)方面，KP 可取較大值，同時可取較小的 KI和中等的 KD，以提高動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能；當誤差絕對值較小時，可采取普通控制，取中等的 KP，同時取較大的 KI 和較小的 KD，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，避免產(chǎn)生振蕩。 (3) 若 EEC<0，說明誤差在向絕對值減小的方向變化，即實際值與參考值的差距在變小。此時，當誤差絕對值較大時，應(yīng)采取普通的控制，迅速減小誤差絕對值，在 PID 控制參數(shù)方面，可取中等的 KP，同時可取較小的 KI 和中等的 KD，以提高動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能；當誤差絕對值較小時，誤差變化率絕對值也較小時，可采取強度較低的控制，取較小的 KP，同時取較大的 KI 和較小的 KD，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，避免產(chǎn)生振蕩。同時，因為系統(tǒng)存在較大的滯后，當誤差絕對值較小，誤差變化率絕對值較大時，可以認為系統(tǒng)實際值與參考值的差距在變大，因為在接下來的時間里，實際值將越過參考值，背向參考值快速變化，所以此時應(yīng)采取普通的控制，迅速降低誤差變化率的絕對值，在 控制參數(shù)方面，可取中等的，同時可取較小的誤差變化率的絕對值，在 PID 控制參數(shù)方面，可取中等的 KP，同時可取較小的 KI和中等的 KD，以提高動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。 3. 器件的選型及介紹3.1 PLC的概述 可編程控制器簡稱PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)過程和位置的自動控制中。據(jù)統(tǒng)計，可編程控制器是工業(yè)自動化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專家認為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，PLC、機器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。（1）PLC的主要功能PLC是八十年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置，在實踐中通過不斷完善，已具備比較理想的功能，可以滿足各種不同控制領(lǐng)域的需要。目前典型的LPC的功能有以下十種:1.開關(guān)量控制; 6.步進控制;2.模擬量控制; 7.數(shù)據(jù)處理;3.定時控制; 8.自診斷功能;4.計數(shù)控制; 9.定位控制;5.通訊聯(lián)網(wǎng)功能; 10.顯示、打印功能。（2）PLC的特點PLC作為工業(yè)生產(chǎn)過程控制的專用計算機，與通常在實驗室環(huán)境下使用的微機不同。由于控制對象的復(fù)雜性，使用環(huán)境的特殊性和運行的長期連續(xù)性，使PLC在設(shè)計上有許多明顯的特點?？煽啃愿摺⒕幊讨庇^簡單、通用性強、適應(yīng)性好、接口能力強、模塊化結(jié)構(gòu)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便等。3.2本設(shè)計系統(tǒng)PLC功能PLC在系統(tǒng)中的主要實現(xiàn)的功能： (1) 實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)(2)對變頻器的驅(qū)動控制。變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端接收壓力變送器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)PID處理后得出的模擬量控制信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。(3) 因為本系統(tǒng)設(shè)計所需的輸入輸出點較多所選PLC要有充足的輸入輸出點。通過PLC的功能需求，我們選用德國SIEMENS公司的S7-200(CPU 226)型PLC。本設(shè)計考慮到兩種方式下的輸入點共有30個（輸入端子有24個，輸出端子有6個），超出PLC本身24個輸入點，由于手動和自動只能以一種方式工作，故某些輸入點可以分時復(fù)用，一點頂兩點用，所以本系統(tǒng)選用40點I/O端子的PLC。輸入單元：撥盤開關(guān)4個分別為小數(shù)位、個位、十位、百位；接近開關(guān)SW 1個，選擇開關(guān)S1 1個；磨刀開關(guān)S2 1個；按鈕SB0SB9 10個；限位開關(guān)ST1ST4 4個。3.3 變頻器的選型變頻器選擇中，應(yīng)按電動機的額定功率及額定電流、額定電壓綜合考慮，合理選擇變頻器的參數(shù)，與用電設(shè)備配套。污水廠中有些機械配套的電動機屬于大電流、低轉(zhuǎn)速電機，在選擇變頻器時在按額定功率選擇變頻器時，必須校核變頻器的額定電流要與設(shè)備配套。由于變頻器產(chǎn)生的高次諧波的影響，對補償電容的影響較大，在選擇電容器時需選擇帶電抗器的電容器，最好選擇帶消諧裝置的電容器組。污水廠控制的參數(shù)較多，需綜合各種信息綜合確定控制模型，變頻裝置應(yīng)充分考慮與其它控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息通訊地能力，以便更好監(jiān)測變頻器的各種工況及更合理的控制，充分發(fā)揮各種裝置在同一系統(tǒng)中綜合應(yīng)用的潛力，達到動態(tài)、互補、經(jīng)濟運行的目的。變頻器安裝及接線中，應(yīng)嚴格按照產(chǎn)品安裝使用手冊進行，各種輔助措施，如裝置環(huán)境條件的保證，接地安全措施均應(yīng)預(yù)留到位，否則會直接影響變頻器的使用壽命和效率，還會造成對其它系統(tǒng)干擾現(xiàn)象。尤其環(huán)境溫度的要求，尤其重要，變頻器發(fā)熱量較大，安裝在柜內(nèi)時要考慮散熱的要求，必要時需增設(shè)通風設(shè)備，對大功率變頻器尤為重要。變頻器主要優(yōu)點：（1）省電：20%-50%。（2）壓力精確度0.1Bar。（3）提高馬達功率因素。（4）降低啟動電流，減少對電網(wǎng)沖擊。（5）降低設(shè)備運轉(zhuǎn)噪音，提供良好工作環(huán)境。（6）降低能源消耗和生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力,延長空壓機使用壽命。（7）降低故障率，減少維修成本。（8）提供穩(wěn)定之排氣壓力，有利于提高產(chǎn)品的合格率。（9）變頻和工頻可任意切換（不改變電動機原有操作模式）變頻器是變頻凋述系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。變頻器的選擇必頒根據(jù)電動機的功率和電流進行選擇。本系統(tǒng)選用的變頻器為SIEMENS公司的MM440系統(tǒng)。MM440是一種集多種功能于一體的變頻器，該系列有多個型號供用戶選擇，其恒定轉(zhuǎn)矩控制方式的額定功率范圍為120W200kW，可變轉(zhuǎn)矩控制方式的額定功率可達250kw，他適用于電動機調(diào)速的場合，的通過數(shù)字操作面板或通過遠程操作器方式，修改其內(nèi)置參數(shù)，即可滿足各種調(diào)速場合的需要。MM440變頻器的型號有8種：A-F、FX和GX。每種變頻器的額定功率按字母順序排列越來越大，另外每種型號種都有單相和三相兩種輸入電壓。（1）主要特點1）內(nèi)置多種運行方式；2）快速電流限制，實現(xiàn)無跳閘運行；內(nèi)置式制動斬波器，實現(xiàn)直流注入制動;3）內(nèi)置式制動斬波器，實現(xiàn)直流注入制動;具有PID功能的閉環(huán)控制，控制器參數(shù)可自動整定；4）具有PID功能的閉環(huán)控制，控制器參數(shù)可自動整定；5）多組參數(shù)設(shè)定且可相互切換，變頻器可用于多個交換工作的生產(chǎn)過程；6）多功能數(shù)字、模擬輸入輸出口，可任意定義其功能和具有完善的保護功能。（2）控制方式變頻器控制運行方式，即變頻器輸出電壓與頻率的控制關(guān)系。控制方式的選擇，可通過變頻器相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置選擇。MM440系列變頻器主要有以下幾種控制方式：1）線性VF控制 變頻器輸出電壓與頻率為線性關(guān)系，用于恒轉(zhuǎn)矩負載。2）帶磁通電流控制（FFC）的線性控制在這種模式下，變頻器根據(jù)電動機特性實時計算所需要的輸出電壓，以此來保持電動機的磁通處于最佳狀態(tài)。此方式可提高電動機的效率和改善電動機動態(tài)相應(yīng)特性。3）平方VF控制 變頻器的輸出電壓平方與頻率為線性關(guān)系，用于變轉(zhuǎn)矩負載。4）特性曲線可編程的VF控制變頻器輸出電壓與頻率為分段線性關(guān)系，此種控制方式可用于在某一特定頻率下為電機提供特定的轉(zhuǎn)矩。5）帶“能量優(yōu)化“控制的線性VF控制此方式的特點是電動機自動增加或降低電動機電壓，搜尋并使電動機運行在最小損耗的工作點上。6）有/無傳感器矢量控制用固有的滑差補償對電動機的速度進行控制。采用這一控制方式時，可以得到大的轉(zhuǎn)矩，改善瞬態(tài)響應(yīng)特性和具有優(yōu)良的速度穩(wěn)定性，而且在低頻是可以提高電動機的轉(zhuǎn)矩。7）有/無傳感器的矢量轉(zhuǎn)矩控制 變頻器可以直接控制電動機的轉(zhuǎn)矩。當負載要求具有恒定的轉(zhuǎn)矩是，變頻器通過改變向電動機輸出的電流，使轉(zhuǎn)矩維持在設(shè)定的數(shù)值。（3）保護功能MM440系列的變頻器所具有的保護功能有：過電壓及欠電壓保護、變頻器過熱保護、接地故障保護、短路保護、I2T電動機過熱保護和PTC /KTY電動機過載保護。（4）MM440變頻器的功能方框圖圖3.1 MM440內(nèi)部功能圖圖3.2為MM440變頻器的內(nèi)部功能方框圖。其控制電路由CPU、模擬輸入/輸出、數(shù)字輸入輸出、操作面板等組成。該變頻器共有20多個控制端子，分為四類：輸入信號端子、頻率設(shè)定輸入端子、監(jiān)視信號輸出端子和通信端子。(1)輸入信號：DIN1、DIN1為PLC的控制信號輸入； L1、L2、L3為電源輸入。 (2)輸出信號：U，V，W為接三相異步電動機。DIN1-DIN6為數(shù)字輸入端子，一般用于變頻器的外部控制，其具體功能由相應(yīng)設(shè)置決定。例如出廠設(shè)置時DIN1為正向運行、DIN2為反向運行，根據(jù)需要修改參數(shù)可以改變其相應(yīng)的功能。使用輸入信號端子可以完成對電動機的正反轉(zhuǎn)控制、復(fù)位、多級速度設(shè)定、自由停車、電動控制等操作，PTC端子為PTC傳感器輸入端子，用于電動機內(nèi)置PTC測溫保護。AIN1、AIN2為模擬信號輸入端子，分別作為頻率給定信號和閉環(huán)時反饋信號輸入。變頻器提供了三種頻率設(shè)定的方式：外接電位器設(shè)定、0-10V電壓設(shè)定和4-20mA電流設(shè)定。當用電壓或電流設(shè)定時，最大電壓或電流應(yīng)對應(yīng)于變頻器頻率輸出的最大值。變頻器有兩路頻率設(shè)定通道，開環(huán)時只用AIN1通道，閉環(huán)時使用AIN2通道作為反饋輸入端。端子1、2提供了一個高精度的10V直流電源，當使用模擬電壓信號方式設(shè)定頻率時，為了提高變頻器的控制精度，最好使用這樣的高精度的電源。輸出信號的作用就是對變頻器運行狀態(tài)的顯示，或向上位機提供這些信息。針對本系統(tǒng)的應(yīng)急情況，可將變頻器端子上的信號分為輸入信號、輸出信號。3.4 PLC擴展模塊EM235的IO點及地址分配3.4.1 EM235的簡介EM235模塊是組合強功率精密線性電流互感器、意法半導(dǎo)體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC420mA（通過250電阻轉(zhuǎn)換DC 15V或通過500電阻 轉(zhuǎn)換DC210V）恒流環(huán)標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置（計算機或顯示儀表）。1.主要特點（1）專為電力電氣自動化5060Hz交流電流測量而設(shè)計的真有效值兩線制隔離變送器模塊；（2）采用印制板直插安裝型模塊結(jié)構(gòu)，將精密電流互感器和單片集成電流變送器兩部分組合為一體化設(shè)計；（3）具有國內(nèi)首創(chuàng)4種補償措施：零位補償、線性補償、溫度漂移補償、頻率帶寬補償；（4）具有國內(nèi)首創(chuàng)6大全面保護功能：輸入過載保護；輸出過流限制保護；輸出電流長時間短路保護；兩線制端口瞬態(tài)感應(yīng)雷與浪涌電流TVS抑制保護；工作電源過壓極限保護35V；工作電源反接保護；（5）原副邊高度絕緣隔離；（6）高可靠性，高穩(wěn)定性，高性價比；（7）特別適用于將發(fā)電機、電動機、智能低壓配電柜、空調(diào)、風機、路燈等饋電電流互感器的二次側(cè)1A、5A、10A電流隔離轉(zhuǎn)換為標準兩線制DC420mA直流信號，輸入智能監(jiān)控系統(tǒng)； （8）超低功耗，單只靜態(tài)時0.096W，滿量程功耗為0.48W，輸出電流內(nèi)部限制功耗為0.6W。 （9）頻率帶寬：AC401000KHz 2.主要功能與特性（1）將被測工頻交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的兩線制DC420mA標準直流信號；（2）優(yōu)良的溫度特性和長期工作穩(wěn)定性；（3）第3代定型設(shè)計采用意法半導(dǎo)體（ST）單片集成變送器ASIC芯片(絕非LM324或LM258廉價運放搭成)；（4）第3代定型設(shè)計采用強功率線性變壓原理,抗干擾能力較第2代增強10倍；（5）精確度高,線性度優(yōu)良；（6）兩線端口具有輸出過流過壓極性保護功能,具有感應(yīng)雷擊波和突波保護能力；3.4.2 EM235的技術(shù)規(guī)范 S7200系列PLC的模擬量擴展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中表3.1中，輸入、輸出信號范圍欄給出了EM235的輸入、輸出信號規(guī)格，以供選用。4路端子可分別接入4路輸入，當信號的類型(電流或電壓)不同時，接線方法不一樣，輸出是電流量還是電壓量在接法上有區(qū)別。 表3 .1 EM235輸入/輸出技術(shù)規(guī)范輸入技術(shù)規(guī)范輸出技術(shù)規(guī)范最大輸入電壓30VDC隔離（現(xiàn)場到邏輯）無最大輸入電流32Ma信號范圍輸入濾波衰減-3Db電壓輸出10V分辨率12位A/D轉(zhuǎn)換器電流輸出0-20mA隔離否分辨率，滿量程輸入類型差分電壓12位輸入范圍電流11位電壓單極性0-10V，0-5V電壓-32000-320000-1V,0-500mV0-100mV，0-50mV電壓雙極性10V，5V，2.5V電流0-320001V, 500mV, 250mV最差情況0-25100mV50mV,25mV電壓輸出2%滿量程電流0-20mA電流輸出2%滿量程A/D轉(zhuǎn)換時間<250us經(jīng)典25模擬輸入階躍應(yīng)1.5ms到95%電壓輸出100us共模電壓信號電壓加共模電壓必須12V電壓輸出100us24DC電壓范圍20.4-28.8V電流輸出2us數(shù)據(jù)字格式雙極性，滿量程-3200-320000最大驅(qū)動單極性，滿量程0-32000電壓輸出5000最小共模抑制40dB，DC到60HzDC輸入阻抗10M電壓輸出電流輸出5000最小250電流輸入3.4.3 EM235的校準及配置 模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置及校準，配置指根據(jù)實際需接入的信號類型對模塊進行的一些設(shè)定。校準可以簡單地理解為儀器儀表使用前的調(diào)零及調(diào)滿度。要配置調(diào)節(jié)使用的6只開關(guān)的狀態(tài)組合所對應(yīng)的輸入范圍及分辨率，分成單極性輸入及雙極性輸入兩種情況。校準輸入的步驟如下： (1)切斷模塊電源。使用配置開關(guān)選擇需要的輸入范圍。 (2)接通CPU各模塊電源，并穩(wěn)定15min。 (3)用一個傳感器、一個電壓源或電流源，將零值信號加到一個輸入端。 (4)讀出CPU中測量值。 (5)調(diào)節(jié)偏置電位器，使讀數(shù)為零或為一個所需要的數(shù)據(jù)值。 (6)將一個滿刻度信號接入某個輸入端，讀取CPU的值。 (7)調(diào)節(jié)增益電位器，直到CPU的讀數(shù)為32000，或所需要的數(shù)據(jù)值。必要時，重復(fù)偏置及增益的校準過程。 4.控制系統(tǒng)設(shè)計及編程4.1 控制系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)控制電氣系統(tǒng)控制原理圖包括主電路，控制電路圖以及PLC外圍接線圖。（1）主電路圖圖4.1 控制系統(tǒng)的主電路電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。KM1、 KM3、 KM5 分別為電動機M1 、M2 、M3 工頻運行時接通電源的控制接觸器，KM0、 KM2 、KM4 分別為電動機M1、M2、 M3 變頻運行時接通電源的控制接觸器。熱繼電器(FR)是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護電路，它在電路中的用作電動機的過載保護。熔斷器（FU）是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設(shè)備短路和嚴重過載。（2）控制電路圖圖4.2所示電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，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SB1SB2控制三臺泵的啟/停和電磁閥YV2的通斷；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)的電源指示燈。對變頻器頻率進行復(fù)位時只提供一個干觸電信號，由于PLC為4個輸出點位一組共用一個COM端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨的COM端口，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復(fù)位控制。圖中的Q0.0Q0.5及Q1.0Q1.5為PLC輸出繼電器觸點，它們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線號，可結(jié)合PLC外圍接線圖一起讀圖。4.2 電控系統(tǒng)控制電路4.2 PLC編程及介紹系統(tǒng)條件確定后，系統(tǒng)得控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合前述泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下：前面已經(jīng)說過了，為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺不能滿足要求時，需要啟動第二臺或第三臺泵。判斷需啟動新泵的標準時變頻器的輸出頻率達到設(shè)定的上限值。這一功能可以通過比較指令來實現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達到上限的確定性，應(yīng)該濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中考慮采取時間濾波。4.2.1 多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動電機都為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組站泵組的投運要有一個管理規(guī)范。控制要求中規(guī)定任意一臺泵連續(xù)運行時間不得超過3h，因此每次需要啟動新泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵時合理的。具體的操作時，將現(xiàn)行運行的變頻泵從變頻器切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，這里我們使用泵好加1的方法來實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。4.2.2 程序的結(jié)果以及程序功能的實現(xiàn)由于PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，泵程序可分為三個部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合以及報警處理都在主程序中。邏輯運算及報警處理等放在主程序中。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣機輸出控制。生活供水時系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的90%。在本系統(tǒng)中，知識用比例P和積分I控制，其回路增益和時間常數(shù)可以通過工程計算的方法初步確定，但還要進一步調(diào)整達到最優(yōu)控制效果。表4.1 程序中使用的元器件及功能器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標準化值T38工頻泵減泵濾波時間控制VD104壓力給定值T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PI計算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號VD112比例系數(shù)M0.1泵變頻啟動脈沖VD116積分時間M0.3復(fù)位當前變頻運行泵脈沖VD120積分時間M0.4復(fù)位當前變頻運行泵脈沖VD124積分時間M0.5當前泵工頻運動啟動脈沖VD204變頻起運動頻率下限值M0.6新泵變頻啟動脈沖VD208生活供水變頻器頻率上限值M2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD212消防供水變頻器頻率上限值M2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD250PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元M2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD300變頻工作泵的泵號M3.0故障信號總匯VD301工頻運行的泵的總臺數(shù)M3.1水池水位下限故障邏輯VD310倒泵時間存儲器M3.2水池水位下限故障消鈴邏輯T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.3變頻器故障消鈴邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.4火災(zāi)消鈴邏輯T37工頻泵增泵濾波時間控制雙恒壓供水系統(tǒng)的梯形圖程序以及程序注釋如下圖所示。對程序有幾點說明：（1）因為程序較長，所以讀圖時請按照網(wǎng)絡(luò)標號的順序進行；（2）本程序的控制邏輯設(shè)計針對的是較少的泵數(shù)供水系統(tǒng)。 5.結(jié)論本文闡明了恒壓供水系統(tǒng)基于PLC的變頻調(diào)速節(jié)能原理，接著分析了系統(tǒng)原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出不同的控制方案。系統(tǒng)由PLC及擴展模塊；變頻器、電機組；PLC用隔離變壓器、低壓電器以及控制柜等構(gòu)成。主要介紹了PLC控制系統(tǒng)的系統(tǒng)配置方案、軟件設(shè)計思想和程序結(jié)構(gòu)PLC實現(xiàn)變頻器的啟動制動和故障處理和各種電器控制，電控單元由低壓電器具體實現(xiàn)過載等保護和通斷電源控制，變頻器則完成風機的驅(qū)動。該系統(tǒng)由變頻器拖動電機變頻運行，根據(jù)供系統(tǒng)的變化配合其他工頻電機使用。同時經(jīng)PLC內(nèi)的PID處理的信號傳送給變頻器，變頻器輸出電機頻率信號，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機的工頻與變頻運行的調(diào)節(jié)。由于本設(shè)計基于數(shù)量較少的泵組運行，因此具有一定的局限性，分析設(shè)計與測試中仍存在一些問題，還需進一步優(yōu)化完善控制系統(tǒng)的功能設(shè)計。參考文獻1汪志峰.可編程序控制器原理與應(yīng)用M.西安電子科技大學(xué)出版社,20042皮壯行.可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實例M.機械工業(yè)出版社,20003 劉洪濤.PLC應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實踐M電子工業(yè)出版社,20074 于海生.計算機控制技術(shù)M.機械工業(yè)出版社,20085 張選正，張金遠.變頻器應(yīng)用經(jīng)驗M.中國電力出版社, 20066 孫洪程,李大字.過程控制工程M.高等教育出版社, 20067 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)M.機械工業(yè)出版社, 20038 張春霞.變頻調(diào)速及PLC技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用J.礦業(yè)快報,20049 常斗南.可編程序控制器機M.械工業(yè)出版社,200710 魏召剛.工業(yè)變頻器原理及應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社, 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250mV最差情況0-25100mV50mV,25mV電壓輸出2%滿量程電流0-20mA電流輸出2%滿量程A/D轉(zhuǎn)換時間<250us經(jīng)典25模擬輸入階躍應(yīng)1.5ms到95%電壓輸出100us共模電壓信號電壓加共模電壓必須12V電壓輸出100us24DC電壓范圍20.4-28.8V電流輸出2us數(shù)據(jù)字格式雙極性，滿量程-3200-320000最大驅(qū)動單極性，滿量程0-32000電壓輸出5000最小共模抑制40dB，DC到60HzDC輸入阻抗10M電壓輸出電流輸出5000最小250電流輸入