恒压供水系统控制策略及其实现

1、恒压供水系统控制策略及其实现摘要: 为了提高大范围变负荷恒压供水系统的控制精度和可靠性,提出了采用多台水泵分级控制、轮流变频的控制策略，结合大范围变负荷供水系统的特点对常规PID控制算法作了一些相应的改进;通过基于USS协议的标准驱动产品和PLC的组合,实现系统硬件、软件和通信的设计,从而改进了大范围恒压供水系统的控制品质。关键词: 现场总线;USS协议;PLC;变频器调速;联锁控制;PID控制;不完全微分Control strategy of water supplying system with constant pressure and its implement. Abstract:

2、In order to improve the control precision and stability, the control strategy that several bumps are cont rolled in grades and frequency conversion by turns, which is app lied to water supplying system switch constant pressure w ho se load varies in large range, is put forward; meanwhile, several im

3、provements ofthe PID algorithm are made according to the haracteristics of water supplying whoseload varies in large range; the practical result imp lies the control qualities of water supp lying systems with constant pressure are imp roved by the w ay of the skillful combination of standard driver

4、product based on USS protocol and PLC.Key words: field bus; USS protocol; PLC; inverters speed modultation; interlock control; PID control; differential inadequacy随着城市的发展,人们的居住环境越来越集中,加之生活个性化的发展,使得城市供水系统的负荷变化很大。通常采用大型蓄水池的方式来缓解,该方法供水压力稳定,但存在水质污染、浪费严重,设备使用寿命不长,需派专人管理等弊端。近年来在供水系统中引入了变频调速技术,较好地解决了以上的问题。

5、主要介绍利用西门子MICROMASTER VECTOR变频器和SIMAT IC S7200型PLC组成新型、经济的恒压供水系统。1恒压供水系统的总体设计为达到大范围恒压供水的目的,供水系统由三台水泵和一台变频器及控制器组成。这样可以避免因一台水泵故障,导致整个供水系统瘫痪的弊端,而且能利用水泵的运行曲线和工作效率的关系,使得每台水泵轮流处于节能高效运行状态,既节约能源又延长水泵寿命。系统的硬件结构图如图1所示。图1总体结构图Fig.1Main structure diagram根据实际要求, 给恒压供水系统设置了如下控制功能:1. 手动:转换开关置于手动位置,能直接启停每台工频水泵,每台水泵状

6、态由对应手动开关位置决定。2. 停止:转换开关置于停止位置,设备进入停机状态,任何水泵都不能启动。3. 自动:转换开关置于自动位置,设备进入自动运行状态,PLC按变频水泵循环工作方式对三台水泵进行自动控制。控制过程可用图2 所示的软件流程框图表示。在这种设想下,任何一台水泵在程序的控制下,都可以工作在工频或变频状态。进一步通过控制算法设计,可以保证三台水泵的运行时间和开启次数接近,从而延长设备的整体使用寿命。图2水泵控制流程框图Fig.2Bump control flow chart diagram2恒压供水系统的具体设计2. 1硬件线路设计由于本系统的水泵有三台,而变频器只有一台,为了使三台

7、水泵的使用工况接近,需要使三台水泵能够轮流进入变频运行状态,而未按变频运行的水泵也要轮流的处于工频运行,使得各水泵的运行时间接近,延长水泵和系统的使用寿命。为此,在系统上需要进行硬件和软件的特殊设计,其中硬件设计如图3所示。图3硬件设计图Fig.3Hardware design diagram为了充分保障系统的安全,本系统采用以下措施:(1) 要求对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现互锁。(2)当水泵的功率较大时,为防止直接启动时启动电流过大,需要采用软启动的方法,即用变频器来启动水泵。(3)原先变频运行的水泵在断开变频器后,利用其运行的惯性切换到工频电源，避免切换过程中电流过大的问题。为

8、了实现恒压供水,首先将供水管道的出口压力值经压力传感器检测,并变送成010V 的标准信号,送入变频器,经变频器内部A/D采样和PID运算,控制变频器的输出频率,从而控制供水的压力平衡。由于在现场一般存在着各种各样的干扰,为了使控制系统能准确、稳定的运行,启用了变频器内部在A/D之前的一级一阶低通滤波器,其传递函数为 (1)式中,为0 255 Ts, 采样时间Ts=25ms。在PLC软件之中采用平均值滤波的算法去除干扰, 具体算式如下: (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了保证恒压供水,系统采用了闭环PID调节算法。PID算法是在一种常规位置式算式的基础上作了

9、改进,常规位置式算式如下: (3)式中, k为采样序号, k=0,1,2,···U(k)为第k次采样时刻的计算机输出值; e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值;e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值;为积分系数, ;为微分系数, 。根据大范围变负荷恒压供水系统的控制特性,对上述PID算法作了如下改进。改进一: 引入分段积分的思想, 并通过在PID框图中改变积分区限的功能来实现, 具体如下: 设定一个阈值,> 0。 | e( k) | >时, 即偏差值|e( k) |比较大时, 采用PD ( 比例/微分) 控制,既可避免过大的超调, 又使系统有较快

10、的响应。 当| e( k) | <时, 即偏差值| e( k) |比较小时,采用PID控制, 可保证系统的控制精度。以上用公式表达时, 在积分项乘一个系数, 定义为: 对于式( 3) : 在=0 时, 进行PD 控制, 算法为: 其中，在=1时,进行PD控制,采用增量式不完全微分PID算法: 其中: 上式中, Ti, Td 分别为积分和微分时间;为控制器静态增益,r为微分增益。改进二:在系统设计时,由于不同台数水泵运行时对应的控制压力不同,加入控制回差,以适应快速、平稳切换的要求。具体如下: 人为设定一个控制回差>0,可从变频器的P47参数区设定,并被PLC读取、保存。在无水泵运行

11、时, 控制系统的PID控制被关闭,系统只监测水压。在一台水泵运行时，PID控制的设定值为第一恒压值, 此时若水压> -,则PID功能起作用;反之,< -并经延时确认条件为真,则PID功能关闭,并进行相应的水泵台数控制。两台水泵运行时,条件表达式的改为,其它与相同。在三台水泵运行时,条件表达式的改为,其它与相同。系统所有水泵都开启时,PID关闭的条件表达式为>+,其它与相同。2.3 PLC与变频器的通信设计西门子变频器可挂接的总线包括Profibus-DP总线、CAN总线和AS- I总线,在欧洲现场总线标准EN50170定义的分布式I / O现场总线中,Profibus-DP以

12、其开放、明确的定义获得众多厂商的支持,更由于它能支持高通讯速率而广泛应用。因此在通信设计时首选DP总线。但DP的报文结构复杂,在单变频器的应用场合,用户应用DP协议开发控制程序非常复杂。为此西门子公司将DP定义进行了部分简化形成了USS协议,并定义USS协议以字符信息为基本单元。这样在用户编写应用程序时就可方便地使用ASCII码形式来发送信息,使之非常简单、方便。因此在本系统中通信设计时选择了USS协议。USS协议为主-从式结构: 从站变频器只是对主站( 控制器如PC、PLC等)发来的报文作出回应,并发送报文。每个从站都有唯一的从站号,主站依靠它来识别从站( 变频器)。USS协议由14个字节组

13、成一个报文。在系统选型时选用了一种把PID调节器、压力检测4、USS协议等功能集成为一体的标准驱动产品。它是变频调速恒压供水系统的核心设备。因此对系统的操作主要集中在对变频器的操作上。操作内容主要有以下4个方面: 设定或查看变频器的有关功能参数+设定或查看变频器的运行特性;发送变频器启动和停止运行命令;设定压力传感器的量程范围等监控参数。用上位机或用PLC对变频器进行监控,主要解决的问题是: PLC对变频器设置信息,此类信息包括设置功能参数和命令两大类,例如发送变频器的运行频率值, 或启停命令等2。变频器获取所需的信息。在上位机上进行工程组态设计5。为了节省系统的投资和充分利用变频器的资源,控

14、制器PLC的操作面板由变频器的面板来代替,即PLC控制软件所需的参数均由变频器的面板输入,通过以USS协议的方式由PLC存取。所用变频器的资源为变频器的参数区。系统是DCS ( 集散控制系统) 的分支, 也可以在上位机上编程、组态。为了保证通讯或PLC出现故障时,供水系统仍能暂时稳压运行, 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大块,一块用于处理PLC从变频器读取控制变量和设定变量。由于USS协议是主-从式协议,所以在PLC软件中,需首先发送一个读取参数的指令,然后进入查询状态, 当变频器收到指令,并返回相应的参数时,软件放置好参数值,并发送读取下一个参

15、数的指令。若软件在发出指令之后的255ms之内没有收到反馈指令,则认为通讯故障,要重新发送指令, 如果重发三次都不能正常收到反馈指令,则报警处理。具体流程如图4所示。第二块是处理水泵运行顺序、控制启停和控制算法的实现。在编制该子块时关键的问题是对各水泵进行编号, 并实时的记忆当前的状态, 尤其是在切换变频泵到工频泵时,软件必须有一个时延确认的处理,这样可以避免发生变频器受电流冲击的危险。在处理采样各开关量输入信号时, 都附加了一个时延确认,以避免频繁的启/停某一水泵。图4发送和接收流程图Fig.4Transmit and receive flow chart diagram3结论本文从大范围变

16、负荷恒压供水系统的特点出发,提出了多台水泵分级控制,每台水泵等时运行的控制策略,进行了硬件、软件和通讯的设计,并在SIEMENS的驱动产品和PLC上得到实现.由于对常规PID算法作了改进,实际系统经过调试,运行超调很小,控制精度为0.02 kPa,系统响应时间一般在1520s内,满足应用的实际要求.实践证明运行稳定可靠,在恒压供水状况下不但能节约能源,降低设备维修费用,而且由于软件自我联锁保护丰富,无论在自动或手动状态下,都十分可靠,是一种新颖的恒压供水系统。参考文献:1 SIEMENS A D. Siemens Micro master Operating Instructions M .

17、England: Siemens House, 1999.2 SIEMENS A D. Siemens PLC System ManualM . Beijing: Siemens House, 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, 2000.CHEN Shao2bao. The application of inveter with PID function in the water supplying system of constant.pressureJ . Automation and Instruction, 2000 15 (1) : 67- 69.4 宋德玉. 可编程序控制器原理及应用系统设计技术M . 北京: 冶金工业出版社, 1999.SONG