PLC控制的變頻恒壓供水系統的的軟件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3802PLC控制的變頻恒壓供水系統的的軟件設計案例 144151.1系統軟件設計分析 1109321.2PLC程序設計 2172401.1.1控制系統主程序設計 3137201.1.2控制系統子程序設計 6104321.3PID控制器參數整定 9138851.1.1PID控制及其控制算法 9191611.1.2變頻恒壓供水系統的近似數學模型 11163761.1.3PID參數整定 111.1系統軟件設計分析硬件連接確定后，系統控制功能主要通過軟件實現。結合站用泵控制要求，泵軟件的設計分析如下。（1）恒壓工作泵組的定量管理為了保持水壓恒定，當水壓下降時，頻率轉換器的輸出頻率增加，當泵不能滿足恒壓要求時，必須啟動第二臺泵判斷是否需要啟動新泵的基準是頻率轉換器的輸出頻率達到設定的上限值。說明一下。為了評價頻率變換器的頻率是否達到上限，需要對頻率變動導致的頻率達到上限時進行濾波。（2）多泵站泵單元管理規范頻率轉換泵確認了各啟動的引擎容易啟動，各泵交替使用，所以多泵組的泵，泵組的運轉需要管理基準。有要求泵的頻率不能連續運轉3個小時以上。因此，如果需要啟動新泵，或者作為頻率轉換泵使用新泵是合理的。具體操作是，逆變器的電流操作從頻率變換器與頻率操作連接，頻率變換器被復位，新的電流泵被啟動。另外，泵組的管理還有一個問題。在泵的循環控制中加入泵的頻率，實現頻率轉換泵的循環控制，將頻率轉換泵的總臺數和泵的臺數組合起來，實現頻率轉換泵的旋轉。（3）方案的結構和方案功能的執行情況為了完成初始化和中斷程序，模擬單元和PID控制被分成主程序、子例程和中斷程序三個部分，一部分系統初始化工作在初始化子例程中完成利用計時器中斷功能對PID控制進行時間采樣和輸出控制，主程序中泵開關信號的產生、輸出、輸出等大部分功能是泵接觸器的邏輯控制信號的合成和警報處理。白天和晚上的模式所給予的壓力值是不同的。兩個定壓值直接用數字設定為程序。白天模式的系統設定值為90%的比例，夜間模式的系統設定值為70%的比例。程序中使用的PLC元件及其功能如表1.1所示。表1.1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調節結果存儲單元M1.0泵工頻/變頻轉換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號M1.1泵工頻/變頻轉換邏輯控制VB301工頻運行泵的總臺數M1.2泵工頻/變頻轉換邏輯控制VD310變頻運行時間存儲器M1.0故障信號匯總T33工頻/變頻轉換邏輯控制M1.1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1.2PLC程序設計PLC控制程序由西門子提供的phase7-microwin-v40編程軟件開發，SIMPATIC軟件指令組包括三種語言，即聲明列表語言（STL），比例圖（LAD）包括語言，功能框圖（FWD）包括語言[14]。聲明表（STL）的語言類似于計算機匯編語言。特別適合計算機領域的工程師。利用命令補碼生成用戶程序，屬于硬件語言，比例圖語言（LAD）是最常見的編程語言，最接近中繼控制系統的電控制原理圖。與計算機語言相比，boy被視為高級PLC語言，幾乎不考慮內部結構原理和系統硬件邏輯，易于被電氣設計和運行維護的一般人員所接受。這是初學者的理想編程工具。功能框圖的圖形構成與數字電路非常相似。FWD的各模塊有輸入輸出端子。輸出與輸入之間的函數關系不使用或不使用異種邏輯運算。模塊間的連接方式和電路基本相同。PLC控制程序由一個主程序和幾個子例程組成。這個程序是由計算機編譯的。編譯后，程序通過PC電纜/PPI下載到PLC。通過掃描主機周期，以當前模式連續執行用戶程序，完成控制活動。1.1.1控制系統主程序設計PLC主程序主要由系統初始化程序、泵啟動程序、泵轉換程序、泵交換程序、模擬量（壓力、頻率）比較程序和報警程序構成。（1）系統初始化程序系統開始動作時，需要初始化整個系統。即系統開始動作時，首先檢測系統各部分的當前運行狀態。如果發生錯誤，會發生警報。然后，設定頻率轉換器的頻率轉換功能的上下限和PID控制參數，給出一定的初始值，在初始化子例程的末尾切斷連接，系統的初始化通過調用主程序的子例程來進行初始化后需要設定規定的水壓值，設定2個日/夜的供水方式的頻率轉換泵頻率和頻率泵數。（2）決定泵增減及操作規程如果PID調節結果大于頻率轉換操作的上限頻率（或低于下變頻操作的下限頻率），則如果泵永久操作，則計時器計數5min（除去水壓波動的干擾），然后將頻率泵的個數加（或減），生成對應的頻率泵脈沖信號。（3）泵的軟啟動方案增加或減少泵，或反轉泵，為了準備穩定的啟動，將變頻器復位。同時，頻率轉換泵的編號加1，產生當前的泵點火頻率的脈沖信號和下一個泵的脈沖速率轉換信號，延遲后開始運行。當單個頻率轉換泵長時間工作時，檢查連續運行時間，超過3小時設置自動下變頻泵。（4）各泵的頻率轉換運轉邏輯控制程序各泵的頻率轉換運轉的控制邏輯基本上相同。現在只以一臺泵為例進行說明。發生泵1啟動脈沖信號的故障取消信號或頻率轉換信號，系統無故障，無復位，泵1頻率轉換信號和泵1不工作。q0.1設置為1，始終閉合k2觸點，將頻率轉換器轉換為泵頻率。km2即使經常打開接點也可以自動鎖定。（5）控制各泵的電頻率的邏輯程序泵的運轉不僅取決于頻率轉換泵的數量，還取決于泵的數量。各泵的頻率控制邏輯基本上相同?，F在只以一臺泵為例，如果發生電流泵啟動脈沖，電流是2'35。泵處于頻率轉換狀態，并且頻率泵頻率在0或3’35；由于泵處于頻率變換狀態，頻率功率泵的個數大于1，所以q0.0設定為1，KML線圈通電，始終限制開啟觸點。泵的頻率起作用，KML1接點是常閉接觸點，防止k2活性化，頻率變換和頻率之間可以得到良好的電聯鎖。KM1常開觸點也可達到自動鎖定功能。（6）警報和問題解決步驟系統包含水位限制警報燈、頻率變換器的錯誤警報燈、白天模式運轉指示燈和警報鈴，發生故障信號時相應的燈熄滅。一按照明測試按鈕，指示燈就一直亮著。發生故障后，頻率轉換泵頻率和頻率泵頻率復位，故障后會發生故障停止信號。恒頻供水系統的主要轉換程序比比例圖復雜，對所有繪制都不方便。這里只描繪了控制過程的流程圖。主程序的詳細比例圖請參照附錄C。程序的主要流程圖如圖1.1所示。在圖1.1中，由于沒有詳細說明各泵的頻率轉換和頻率控制，所以圖1.2是以泵2為例的頻率轉換流程圖，圖1.3是以泵2為例的頻率轉換流程圖。泵1和3的運轉控制與泵2的運轉控制相似，這里不重復。如圖1.1所示。本設計主程序大體包括以下幾部分：（1）調用首字母子例程，設置初始值。（2）泵的運轉臺數必須根據泵的運轉狀況增減。（3）頻率轉換泵的數量必須通過泵的增加和泵的反轉來確定。（4）每臺泵的運轉由頻率轉換泵的臺數和頻率轉換泵的臺數來控制。（5）警告和故障問題處理。圖1.1變頻恒壓供水系統主程序流程圖圖1.22#泵變頻運行控制流程圖圖1.32#泵工頻運行控制流程圖1.1.2控制系統子程序設計（1）SBR_0初始化子程序首先，啟動頻率轉換操作的高頻。在第二章泵切換分析中，泵的頻率的高度、低頻分別為50Hz和20Hz，所選擇的頻率轉換器的輸出范圍為0~100Hz，上限和下限分別為16000和6400，在初始化PID控制參數（KC、TS、Ti、TD）時在下一節中詳細說明各參數的值，最后設定連接停止時間。具體程序梯形圖如圖1.4所示。圖1.4初始化子程序SBR_0梯形圖(2)PID控制中斷子程序首先，將aiw0的采樣數據輸入標準化，進行轉換。PID運算后，標準值轉換為輸出值，模擬信號從aqw0發送。具體程序梯形圖如圖1.5所示。圖1.5PID控制中斷子程序INT_0梯形圖1.3PID控制器參數整定1.1.1PID控制及其控制算法在供水系統的設計中，使用帶PID調整的PLC進行閉環控制，保證供水系統的恒壓。在連續控制系統中，經常使用比例控制、集成控制、派生控制的方法，PID控制在連續控制系統中最成熟，應用最廣泛的控制方法，理論上成熟，算法簡單，控制效果好它有容易被人們熟悉、掌握等優點。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)[15]：（1.1）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。系統由模擬PID控制器和被控對象組成，其控制系統原理框圖如圖1.6所示，圖中u(t)為PID調節器輸出的調節量。圖1.6PID控制原理框圖PID控制規律為：（1.2）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：（1.3）控制PID控制器的各連接的功能和規則如下所示。（1）比例環：比例地反映控制系統偏差信號的影響。產生偏差后，（T）控制器可以立即減小偏差，但不能完全消除系統的偏差。系統的偏差隨著比例系數Kp的增加而減小，比例系數過了大會導致系統的不穩定性。（2）積分部分：表示控制器的輸出與偏差持續時間有關。積分部分主要消除靜態誤差，增加系統的自由誤差率，積分作用的力取決于積分時間常數。這個越大積分作用越弱，系統越容易變大。積分效應越強，越容易引起系統振動。（3）微分部分：響應于轉向信號的變化趨勢，在轉向信號過大之前引入對系統有效的早期修正信號，差分部分主要控制調節量的變動，減少超限，加快系統的響應時間改善系統的動態特性。自從計算機進入控制區域后，數字計算機代替模擬穩壓器實現了PID控制算法，提高了靈活性和可靠性，并且通過離散式（1.2）實現了數字PID控制算法。以一階后向差分近似代替連續系統的微分，得到PID位置控制算法表達式：（1.4）式中：T為采樣周期；n為采樣序號；e(n)為第n時刻的偏差信號；e(nl)為第n1時刻的偏差信號。實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達式為：（1.5）式中：為調節器輸出的控制增量；；。1.1.2變頻恒壓供水系統的近似數學模型頻率變換恒壓供水系統的控制對象是變量、非線性、時滯、不穩定的對象，因此難以獲得準確的數學模型，僅等效。泵從初期狀態以一定的壓力向管道網供水。供水管網從初始壓力開始運轉泵，當管網壓力達到穩定要求時，經過兩個過程，一個用泵向管網進水。另一方面，管網的壓力基本上維持了這個階段的初始壓力。這是純粹的流程過程。其次，泵將整個管網充滿水，壓力逐漸升高，直到穩定，這是慣性過程，隨著時間不斷變化。然而，與供水系統的定時、定滯回性相比，可以忽略系統中的其他控制、檢測環的定時、定滯回性、例如頻率轉換連接、中繼控制轉換、壓力檢測等，并且還相當于比例鏈路。因此，恒壓供水系統的數學模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性環節，即可以寫成[16]：（1.6）式中：K為系統的總增益，T為系統的慣性時間常數，為系統滯后時間。1.1.3PID參數整定控制器參數整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：理論計算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動態特性參數法、穩定邊界法、阻尼振蕩法和現場經驗整定法，本設計選用的是動態特性參數法，就是根據系統開環廣義過程（包括調節閥WV(s)、被控對象WO(s)和測量變送Wm(s)）階躍響應特性進行近似計算的方法[17]。本系統是一個單閉環系統，結構框圖如圖1.7所示。圖1.7恒壓供水系統結構框圖由于本設計對壓力控制的要求較高，故選擇PI控制器，其傳遞函數為：（1.7）本系統可近似為帶純滯后的一階慣性環節，假設其過程傳遞函數為；變頻器可近似為一個比例環節，即；反饋回路傳遞函數為。由于本系統具有自衡能力，與公式(1.8)、(1.9)可求的PI控制器各參數。當時，