【PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的的軟件設(shè)計(jì)案例4600字】

PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的的軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3802PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的的軟件設(shè)計(jì)案例 144151.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 1109321.2PLC程序設(shè)計(jì) 2172401.1.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 3137201.1.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì) 6104321.3PID控制器參數(shù)整定 9138851.1.1PID控制及其控制算法 9191611.1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型 11163761.1.3PID參數(shù)整定 111.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析硬件連接確定后，系統(tǒng)控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。結(jié)合站用泵控制要求，泵軟件的設(shè)計(jì)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(dāng)水壓下降時(shí)，頻率轉(zhuǎn)換器的輸出頻率增加，當(dāng)泵不能滿足恒壓要求時(shí)，必須啟動(dòng)第二臺(tái)泵判斷是否需要啟動(dòng)新泵的基準(zhǔn)是頻率轉(zhuǎn)換器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。說(shuō)明一下。為了評(píng)價(jià)頻率變換器的頻率是否達(dá)到上限，需要對(duì)頻率變動(dòng)導(dǎo)致的頻率達(dá)到上限時(shí)進(jìn)行濾波。（2）多泵站泵單元管理規(guī)范頻率轉(zhuǎn)換泵確認(rèn)了各啟動(dòng)的引擎容易啟動(dòng)，各泵交替使用，所以多泵組的泵，泵組的運(yùn)轉(zhuǎn)需要管理基準(zhǔn)。有要求泵的頻率不能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3個(gè)小時(shí)以上。因此，如果需要啟動(dòng)新泵，或者作為頻率轉(zhuǎn)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(fù)位，新的電流泵被啟動(dòng)。另外，泵組的管理還有一個(gè)問(wèn)題。在泵的循環(huán)控制中加入泵的頻率，實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換泵的循環(huán)控制，將頻率轉(zhuǎn)換泵的總臺(tái)數(shù)和泵的臺(tái)數(shù)組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換泵的旋轉(zhuǎn)。（3）方案的結(jié)構(gòu)和方案功能的執(zhí)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(gè)部分，一部分系統(tǒng)初始化工作在初始化子例程中完成利用計(jì)時(shí)器中斷功能對(duì)PID控制進(jìn)行時(shí)間采樣和輸出控制，主程序中泵開(kāi)關(guān)信號(hào)的產(chǎn)生、輸出、輸出等大部分功能是泵接觸器的邏輯控制信號(hào)的合成和警報(bào)處理。白天和晚上的模式所給予的壓力值是不同的。兩個(gè)定壓值直接用數(shù)字設(shè)定為程序。白天模式的系統(tǒng)設(shè)定值為90%的比例，夜間模式的系統(tǒng)設(shè)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(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制VD104壓力給定值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD108PID計(jì)算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD112比例系數(shù)KcM0.1水泵變頻啟動(dòng)脈沖(增泵)VD116采樣時(shí)間TsM0.2水泵變頻啟動(dòng)脈沖(減泵)VD120積分時(shí)間TiM0.3倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD124微分時(shí)間TdM0.4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖VD204變頻運(yùn)行頻率下限值M0.5當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖VD208變頻運(yùn)行頻率上限值M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VD250PID調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元M1.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號(hào)M1.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB301工頻運(yùn)行泵的總臺(tái)數(shù)M1.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD310變頻運(yùn)行時(shí)間存儲(chǔ)器M1.0故障信號(hào)匯總T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M1.1水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制1.2PLC程序設(shè)計(jì)PLC控制程序由西門(mén)子提供的phase7-microwin-v40編程軟件開(kāi)發(fā)，SIMPATIC軟件指令組包括三種語(yǔ)言，即聲明列表語(yǔ)言（STL），比例圖（LAD）包括語(yǔ)言，功能框圖（FWD）包括語(yǔ)言[14]。聲明表（STL）的語(yǔ)言類(lèi)似于計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言。特別適合計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程師。利用命令補(bǔ)碼生成用戶程序，屬于硬件語(yǔ)言，比例圖語(yǔ)言（LAD）是最常見(jiàn)的編程語(yǔ)言，最接近中繼控制系統(tǒng)的電控制原理圖。與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，boy被視為高級(jí)PLC語(yǔ)言，幾乎不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理和系統(tǒng)硬件邏輯，易于被電氣設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)的一般人員所接受。這是初學(xué)者的理想編程工具。功能框圖的圖形構(gòu)成與數(shù)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(shù)關(guān)系不使用或不使用異種邏輯運(yùn)算。模塊間的連接方式和電路基本相同。PLC控制程序由一個(gè)主程序和幾個(gè)子例程組成。這個(gè)程序是由計(jì)算機(jī)編譯的。編譯后，程序通過(guò)PC電纜/PPI下載到PLC。通過(guò)掃描主機(jī)周期，以當(dāng)前模式連續(xù)執(zhí)行用戶程序，完成控制活動(dòng)。1.1.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、泵啟動(dòng)程序、泵轉(zhuǎn)換程序、泵交換程序、模擬量（壓力、頻率）比較程序和報(bào)警程序構(gòu)成。（1）系統(tǒng)初始化程序系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，需要初始化整個(gè)系統(tǒng)。即系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，首先檢測(cè)系統(tǒng)各部分的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。如果發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)發(fā)生警報(bào)。然后，設(shè)定頻率轉(zhuǎn)換器的頻率轉(zhuǎn)換功能的上下限和PID控制參數(shù)，給出一定的初始值，在初始化子例程的末尾切斷連接，系統(tǒng)的初始化通過(guò)調(diào)用主程序的子例程來(lái)進(jìn)行初始化后需要設(shè)定規(guī)定的水壓值，設(shè)定2個(gè)日/夜的供水方式的頻率轉(zhuǎn)換泵頻率和頻率泵數(shù)。（2）決定泵增減及操作規(guī)程如果PID調(diào)節(jié)結(jié)果大于頻率轉(zhuǎn)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(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)5min（除去水壓波動(dòng)的干擾），然后將頻率泵的個(gè)數(shù)加（或減），生成對(duì)應(yīng)的頻率泵脈沖信號(hào)。（3）泵的軟啟動(dòng)方案增加或減少泵，或反轉(zhuǎn)泵，為了準(zhǔn)備穩(wěn)定的啟動(dòng)，將變頻器復(fù)位。同時(shí)，頻率轉(zhuǎn)換泵的編號(hào)加1，產(chǎn)生當(dāng)前的泵點(diǎn)火頻率的脈沖信號(hào)和下一個(gè)泵的脈沖速率轉(zhuǎn)換信號(hào)，延遲后開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)單個(gè)頻率轉(zhuǎn)換泵長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，檢查連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，超過(guò)3小時(shí)設(shè)置自動(dòng)下變頻泵。（4）各泵的頻率轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯控制程序各泵的頻率轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)的控制邏輯基本上相同?，F(xiàn)在只以一臺(tái)泵為例進(jìn)行說(shuō)明。發(fā)生泵1啟動(dòng)脈沖信號(hào)的故障取消信號(hào)或頻率轉(zhuǎn)換信號(hào)，系統(tǒng)無(wú)故障，無(wú)復(fù)位，泵1頻率轉(zhuǎn)換信號(hào)和泵1不工作。q0.1設(shè)置為1，始終閉合k2觸點(diǎn)，將頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為泵頻率。km2即使經(jīng)常打開(kāi)接點(diǎn)也可以自動(dòng)鎖定。（5）控制各泵的電頻率的邏輯程序泵的運(yùn)轉(zhuǎn)不僅取決于頻率轉(zhuǎn)換泵的數(shù)量，還取決于泵的數(shù)量。各泵的頻率控制邏輯基本上相同?，F(xiàn)在只以一臺(tái)泵為例，如果發(fā)生電流泵啟動(dòng)脈沖，電流是2'35。泵處于頻率轉(zhuǎn)換狀態(tài)，并且頻率泵頻率在0或3’35；由于泵處于頻率變換狀態(tài)，頻率功率泵的個(gè)數(shù)大于1，所以q0.0設(shè)定為1，KML線圈通電，始終限制開(kāi)啟觸點(diǎn)。泵的頻率起作用，KML1接點(diǎn)是常閉接觸點(diǎn)，防止k2活性化，頻率變換和頻率之間可以得到良好的電聯(lián)鎖。KM1常開(kāi)觸點(diǎn)也可達(dá)到自動(dòng)鎖定功能。（6）警報(bào)和問(wèn)題解決步驟系統(tǒng)包含水位限制警報(bào)燈、頻率變換器的錯(cuò)誤警報(bào)燈、白天模式運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈和警報(bào)鈴，發(fā)生故障信號(hào)時(shí)相應(yīng)的燈熄滅。一按照明測(cè)試按鈕，指示燈就一直亮著。發(fā)生故障后，頻率轉(zhuǎn)換泵頻率和頻率泵頻率復(fù)位，故障后會(huì)發(fā)生故障停止信號(hào)。恒頻供水系統(tǒng)的主要轉(zhuǎn)換程序比比例圖復(fù)雜，對(duì)所有繪制都不方便。這里只描繪了控制過(guò)程的流程圖。主程序的詳細(xì)比例圖請(qǐng)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(méi)有詳細(xì)說(shuō)明各泵的頻率轉(zhuǎn)換和頻率控制，所以圖1.2是以泵2為例的頻率轉(zhuǎn)換流程圖，圖1.3是以泵2為例的頻率轉(zhuǎn)換流程圖。泵1和3的運(yùn)轉(zhuǎn)控制與泵2的運(yùn)轉(zhuǎn)控制相似，這里不重復(fù)。如圖1.1所示。本設(shè)計(jì)主程序大體包括以下幾部分：（1）調(diào)用首字母子例程，設(shè)置初始值。（2）泵的運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)必須根據(jù)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況增減。（3）頻率轉(zhuǎn)換泵的數(shù)量必須通過(guò)泵的增加和泵的反轉(zhuǎn)來(lái)確定。（4）每臺(tái)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)由頻率轉(zhuǎn)換泵的臺(tái)數(shù)和頻率轉(zhuǎn)換泵的臺(tái)數(shù)來(lái)控制。（5）警告和故障問(wèn)題處理。圖1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖圖1.22#泵變頻運(yùn)行控制流程圖圖1.32#泵工頻運(yùn)行控制流程圖1.1.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)（1）SBR_0初始化子程序首先，啟動(dòng)頻率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)（KC、TS、Ti、TD）時(shí)在下一節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明各參數(shù)的值，最后設(shè)定連接停止時(shí)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(shù)據(jù)輸入標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。PID運(yùn)算后，標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換為輸出值，模擬信號(hào)從aqw0發(fā)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(shù)整定1.1.1PID控制及其控制算法在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用帶PID調(diào)整的PLC進(jìn)行閉環(huán)控制，保證供水系統(tǒng)的恒壓。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常使用比例控制、集成控制、派生控制的方法，PID控制在連續(xù)控制系統(tǒng)中最成熟，應(yīng)用最廣泛的控制方法，理論上成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好它有容易被人們熟悉、掌握等優(yōu)點(diǎn)。PID控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)[15]：（1.1）經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運(yùn)算后通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng)PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖1.6所示，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。圖1.6PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為：（1.2）式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式：（1.3）控制PID控制器的各連接的功能和規(guī)則如下所示。（1）比例環(huán)：比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的影響。產(chǎn)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(tǒng)的偏差。系統(tǒng)的偏差隨著比例系數(shù)Kp的增加而減小，比例系數(shù)過(guò)了大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。（2）積分部分：表示控制器的輸出與偏差持續(xù)時(shí)間有關(guān)。積分部分主要消除靜態(tài)誤差，增加系統(tǒng)的自由誤差率，積分作用的力取決于積分時(shí)間常數(shù)。這個(gè)越大積分作用越弱，系統(tǒng)越容易變大。積分效應(yīng)越強(qiáng)，越容易引起系統(tǒng)振動(dòng)。（3）微分部分：響應(yīng)于轉(zhuǎn)向信號(hào)的變化趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)向信號(hào)過(guò)大之前引入對(duì)系統(tǒng)有效的早期修正信號(hào)，差分部分主要控制調(diào)節(jié)量的變動(dòng)，減少超限，加快系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制區(qū)域后，數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了PID控制算法，提高了靈活性和可靠性，并且通過(guò)離散式（1.2）實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID控制算法。以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID位置控制算法表達(dá)式：（1.4）式中：T為采樣周期；n為采樣序號(hào)；e(n)為第n時(shí)刻的偏差信號(hào)；e(nl)為第n1時(shí)刻的偏差信號(hào)。實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為：（1.5）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。1.1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型頻率變換恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是變量、非線性、時(shí)滯、不穩(wěn)定的對(duì)象，因此難以獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，僅等效。泵從初期狀態(tài)以一定的壓力向管道網(wǎng)供水。供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)泵，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時(shí)，經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程，一個(gè)用泵向管網(wǎng)進(jìn)水。另一方面，管網(wǎng)的壓力基本上維持了這個(gè)階段的初始?jí)毫?。這是純粹的流程過(guò)程。其次，泵將整個(gè)管網(wǎng)充滿水，壓力逐漸升高，直到穩(wěn)定，這是慣性過(guò)程，隨著時(shí)間不斷變化。然而，與供水系統(tǒng)的定時(shí)、定滯回性相比，可以忽略系統(tǒng)中的其他控制、檢測(cè)環(huán)的定時(shí)、定滯回性、例如頻率轉(zhuǎn)換連接、中繼控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測(cè)等，并且還相當(dāng)于比例鏈路。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫(xiě)成[16]：（1.6）式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時(shí)間。1.1.3PID參數(shù)整定控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類(lèi)：理論計(jì)算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法，本設(shè)計(jì)選用的是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程（包括調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控對(duì)象WO(s)和測(cè)量變送Wm(s)）階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法[17]。本系統(tǒng)是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1.7所示。圖1.7恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由于本設(shè)計(jì)對(duì)壓力控制的要求較高，故選擇PI控制器，其傳遞函數(shù)為：（1.7）本系統(tǒng)可近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，假設(shè)其過(guò)程傳遞函數(shù)為；變頻器可近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，即；反饋回路傳遞函數(shù)為。由于本系統(tǒng)具有自衡能力，與公式(1.8)、(1.9)可求的PI控制器各參數(shù)。當(dāng)時(shí)，