恒压供水系统控制策略及其实现

恒压供水系统的控制策略及其实现摘要：为了提高大范围可变负载恒压供水系统的控制精度和可靠性，采用多台泵的等级控制、交替频率控制策略，结合大范围可变负载供水系统的特点，改进了常规的PID控制算法。 基于USS协议的标准驱动产品与PLC相结合，实现了系统硬件、软件和通信的设计，改善了广泛的恒压供水系统的控制质量。关键字：现场总线USS协议PLC逆变器调速联锁控制PID控制不完全微分controllitystrationofthartsppuling系统abstract : inordertoimprovethecontrolprecisionandstability thecontrolstrationthestrativerlbupsarecontrollingradesandff ns whichisappliddtowhartspupplyingsystemschatingconfrontrunprewhoseleloadvarienceinlargerange，is put forward； meanwhile，several improvements ofthepiddationaltionalaremedaccordirdingtotheharactirissofwatersuplyingwhoseload varies in large range； thepracticallresultimpliesthecontrollityingsystemswayoftheskillfulcombin ationofstandardriverproductbasedonsussprotocolandplc .key words :现场总线； USS协议； PLC invertersspeedmodultation； interlock control； PID控制； differential inadequacy随着城市的发展，人们的居住环境越来越集中，生活个性化发展，城市供水系统的负荷发生了很大变化。 通常采用大型蓄水池方式缓解，该方法供水压力稳定，但存在水质污染、浪费严重、设备寿命不长、派管理人员等弊端。 近年来在供水系统中引进变频技术，解决了以上问题。 介绍了利用西门子MICROMASTER VECTOR变频器和SIMAT IC S7200型PLC构建新的经济型恒压供水系统。1恒压供水系统的总体设计为了达到广泛的恒压供水目的，供水系统由三台泵、一台变频器和控制器组成。 由此，能够避免一台泵发生故障而导致供水系统整体瘫痪的弊端，而且利用泵的运转曲线与作业效率的关系，能够使一台泵依次成为节能高效的运转状态，节约能源并延长泵的寿命。 图1显示了系统的硬件结构图。图1整体结构图fig.1主结构诊断程序根据实际需求，恒压供水系统中提供了以下控制功能：1 .可以利用用于手动开关：的开关作为手动位置来直接起动和停止商用频率的泵，其中，每个泵的状态由对应的手动开关位置来确定。2 .停止：切换开关位于停止位置时，设备变为停止状态，任何泵都不动作。3 .自动：切换开关处于自动位置，设备进入自动运行状态，PLC通过变频泵的循环方式自动控制3台泵。 控制进程可在图2所示的软件流程图中表示。在此构想下，任何泵都可以在程序控制下，在商用频率或变频器状态下工作。 而且控制算法的设计可以保证三台泵的运行时间和接通次数相近，延长设备的整体寿命。图2水泵控制流程图fig.2 bumpcontrolflowchartdiagram2恒压供水系统的具体设计2. 1硬件线路设计本系统的水泵有3台，但变频器只有1台，为了接近3台水泵的使用状况，需要使3台水泵依次进入变频器运转状态，没有变频器运转的水泵也依次以商用频率运转，使各水泵的运转时间接近，水泵为此，需要在系统上进行硬件和软件的特别设计，其中的硬件设计如图3所示。图3硬件设计图fig.3硬件设计诊断程序为了充分确保系统的安全，该系统采用以下措施：(1)对于工频电源和逆变电源，要求在供电控制电路上实现联锁。 (2)泵的功率较大时，为了避免直接启动时的启动电流变大，需要使用变频器启动泵的软启动方法。 (3)原来进行变频器运转的泵在关闭变频器后，利用该运转的惯性切换为商用电源，以免切换中的电流过大。 为了实现恒压供水，首先用压力传感器检测供水配管的出口压力值，变换为010V的标准信号并送至变频器，通过变频器内部的A/D采样和PID运算控制变频器的输出频率，控制供水的压力平衡。 传递函数使得在逆变器中的A/D之前的初级低通滤波器变得有效，以允许控制系统进行精确、稳定的操作，因为在现场通常存在各种噪声(1)式中，0 255 Ts、采样时间Ts=25ms。在PLC软件中使用平均值滤波算法去除噪声的具体公式为：(2)式中，I、j为自然数，n为样本数。2.2恒压供水算法设计为保证恒压供水，系统采用闭环PID调节算法。 PID算法是基于正常定位公式计算公式而改进的，而正常定位公式计算公式是：(3)式中，k为样本编号，k=0、1、2、 U(k )是第k次采样时刻的计算机输出值，e(k )是在第k次采样时刻输入的偏差值，e(k-1 )是在第k-1次采样时刻输入的偏差值，是积分系数。 微分系数。基于大范围可变负载恒压供水系统的控制特性，对上述PID算法进行了如下改进。:导入了阶段积分的思想，通过在PID框图中变更积分区域限制的功能来实现。 具体为：设定阈值、 0。 | e(k) | 的情况下，即偏差值|e(k) |大的情况下，通过采用PD (比例/微分)控制，可以在避免过大的过冲的同时，提高系统的响应性。| e(k) |时，偏差值|e(k)|较小时，通过采用PID控制，可以保证系统的控制精度。 当以上由公式表示时，积分项乘以系数被定义为：关于式(3) :如果=0，则进行PD控制，该算法为：其中在=1的情况下，PD控制采用增量式不完全微分PID算法：其中：上式中，Ti、Td分别是积分和微分时间的控制器的静态增益，r是微分增益。改良二：在系统设计时，由于不同台数的泵运转时对应的控制压力不同，因此加入控制的差异，以应对迅速、顺畅的切换要求。 具体而言，人工设定： 控制差0，从逆变器的P47参数区域设定，读入PLC中保存。 泵压运转时，控制系统的PID控制关闭，系统只监视水压。 1台泵运行时，PID控制的设定值为第一定电压值，此时PID功能在水压-下工作，相反，延迟确认条件为-时，PID功能关闭，进行相应的泵台数控制。 2台泵运行时，条件式变更为，其他与相同。 3台泵运行时，条件式的变更与相同。 系统的所有泵均为on时，pidoff的条件式为，除此之外与相同。2.3 PLC与变频器的通信设计可连接西门子变频器的总线由Profibus-DP总线、CAN总线和AS- I总线构成，在欧洲现场总线标准EN50170中定义的分布式I/O现场总线中，Profibus-DP以开放、明确的定义得到了众多厂商的支持，并且通信速度更高因此，在设计通信时建议使用DP总线。 然而，DP的消息结构是复杂的，并且在单逆变器应用的情况下，用户利用DP协议开发控制程序是非常复杂的。 因此西门子公司部分简化了DP定义，形成了USS协议，定义了USS协议，以文字信息为基本单位。 这使得用户在创建应用程序时能够以ASCII代码格式轻松地发送信息，非常简单和方便。 因此本系统在通信设计时选择了USS协议。USS协议是主-从结构：的子站反相器仅响应于来自主站(控制器、PC、PLC等)的消息而发送消息。 每个从站都有自己的从站编号，主站相应地识别从站(变频器)。 USS协议由14字节构成一个消息。 系统选型选择了集PID调压阀、压力检测4、USS协议等功能于一体的标准驱动产品。 是变频调速恒压供水系统的核心设备。 因此，系统的操作主要集中在变频器的操作上。 操作内容主要由以下4个方面：设定变频器的相关功能参数，或者设定发送正在观察变频器运行特性的变频器启动和停止指令的压力传感器范围等监视参数。 用上位机或PLC监视变频器时，主要是： PLC设定变频器的信息，该信息有设定功能参数和指令2种，例如发送变频器的运行频率值或发出停止指令2。 变频器获取必要的信息。 在上位机上进行工程结构设计5。 为了节约系统的投资，有效利用变频器的资源，控制器PLC的操作面板被变频器的面板取代，PLC控制软件所需的参数从变频器的面板输入，通过USS协议从PLC访问。 使用的变频器资源为变频器的参数区域。 系统是DCS (集散控制系统)的分支，也可以在上位机编程配置。 为了即使通信和PLC发生故障，供水系统也能暂时稳定工作，在系统设计时采用了变频器内部的PID调节功能。2.4系统软件设计软件主要有两个大块，一个用于PLC从变频器读取控制变量和设定变量的处理。 因为USS协议是主从协议，所以在PLC软件中，首先发送读取参数的命令，然后进入查询状态，当反相器接收到命令并返回相应的参数时，软件设置参数值，读取下一个参数如果在软件发出命令后255ms内未收到反馈命令，则认为通信有故障，重新发送命令，重新发送3次也无法正常接收反馈命令，则进行警报处理。 具体流程如图4所示。 第二方块处理泵的运行顺序、控制启停和控制算法的实现。 在制作该子块时重要的问题是对各泵附加编号并实时存储当前的状态，特别是在将变频泵切换为商用泵的情况下，软件需要延迟确认的处理，能够避免变频器受到电流冲击的危险。 在处理采样的各开关量的输入信号时，附加了延迟确认，以防止某泵频繁启动/停止。图4发送接收流程图fig.4 transmitandreceiveflowchartdiagram三结论本文从大范围负荷变化的恒压供水系统特点出发，提出了多台泵的等级控制、各泵等运行的控制策略，进行了硬件、软件和通信设计，用SIEMENS的驱动产品和PLC实现。 由于改进了常规PID算法，实际系统已经调试，运行过冲小，控制精度为0.02 kPa，系统响应时间通常在1520s之内，可以满足应用的实际要求。 实践证明运行稳定可靠，在定压供水情况下节约能源，降低设备维修费用，是一种软件自联动保护丰富、自动和手动可靠的新型定压供水系统。参考文献：1 Siemens ad.siemensmicromasteroperatinginstructions m .England : Siemens house，1999。2 Siemens ad.siemensplcsystemmanual m .Beijing : siemenshehouse，2000。3 陈少波.带PID功能变频器在恒压供水系统中的应用J .自动化与仪表，2000chenshao2Bao.theapplicationofinverwithpdifficationthewatersuplyingsystemofconstant .pressure j .automationandinstruction，2000 15 (1) : 67- 69。4 宋德玉.可编程控制器原理及应用系统设计技术M .北京：冶金工业出版社，1999song