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基于PLC的變頻調速恒壓供水系統設計

　　4.2 西門子pid指令應用

　　西門子s7-200系列plc指令族提供pid閉環控制專用指令。當過程控制中某個變量出現偏差時，pid控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定值上。以plc為主機的控制系統豐富了系統的控制功能，提高了系統的可靠性。在有模擬量的控制系統中，經常用到pid運算來執行pid回路的功能，pid回路指令使這一任務的編程和實現變得非常容易。

　　（1）pid算法。如果一個pid回路的輸出m是時間t的函數，則可以看作是比例項、積分項和微分項三項部分之和。即：

　　以上各量都是連續量，第一項為比例項，最后一項為微分項，中間兩項為積分項。其中e是給定值與被控制變量之差，即回路偏差。kc為回路的增益。用計算機處理這樣的控制算式，即連續的算式必須周期性地采樣并進行離散化，同時各信號也要離散化，公式如下：

　　mn=kc（spn-pvn）+kc（ts/ti）（spn-pvn）+mx+kc（td/ts）（pvn-1-pvn）

　　公式中包含9個用來控制和監視pid運算的參數，在pid指令使用時要構成回路表，回路表的格式如表1所示。

　　本設計中生活用水為系統給定值滿量程的70%。系統使用比例、積分及微分控制，采用下列控制參數值：

　　增益kc=0.25； 采樣時間ts=0.2s；

　　積分時間ti=30min； 微分時間td=15min；

　　（2）pid算法編程實現。本程序只是模擬量控制系統的pid程序主干，對于現場實現問題，還要考慮諸多方面的影響因素。pid控制算法程序框圖如圖6所。

5 結束語

　　本文針對我國中小城市小區供水的特點，設計開發了一套基于plc的變頻調速恒壓供水自動控制系統。該系統利用單臺變頻器實現四臺水泵電機的軟起動和調速，同時把閥門控制和水泵電機控制都納入自動控制系統。壓力傳感器采樣管網壓力信號經pid處理傳送給變頻器，變頻器根據壓力大小調整電機轉速，通過改變水泵性能曲線來實現水泵的流量調節，保證管網壓力恒定。水泵在變頻下均為軟啟動，切換平滑，沖擊電流小，水泵機組壽命相應延長。用plc設計恒壓供水系統的方案，稍加變化可適用于任何需要恒壓的流量系統

基于PLC的變頻調速恒壓供水系統設計

　　根據流體力學的有關原理知道，當采用變頻調速控制方式時，流量q、揚程h、軸功率p、轉速n存在如下關系：

　　通過這一組關系式我們可以進一步知道，由于軸功率的比值與電機轉速的比值的3次方成正比，所以當流量的減小而使得電機轉速減小時，節能的效果是很明顯的。在理想情況下，當電機轉速降為額定轉速的80%時，水泵功率會下降到額定值的51.2%，即節約48.8%的電能。因此，變頻調速控制方式在供水系統中的應用對節能的意義重大。

3 自動化方案實現

　　變頻恒壓供水控制系統，主要是由西門子公司生產s7-200plc、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及4臺水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的按鈕、轉換開關和指示燈來控制系統的運行。系統方框圖如圖4所示。

　　通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成標準的電壓或電流信號經em235送入s7-200plc，經與給定壓力參數比較進行pid運算后，發出控制信號送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使供水系統管網中的壓力保持在給定壓力上。當用水量超過一臺泵的供水量時，通過plc控制增加水泵。根據用水量的大小由plc控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水同時系統通過軟件設計具有定時換泵和系統聲、光報警及多種保護功能。

4 西門子pid指令應用

　　4.1 控制系統主程序設計

　　plc主程序主要由系統初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量比較計算程序（pid）、停機程序和報警程序等構成。