高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计(7)

2．增加主泵的状态转换模块

增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时， PLC给出控制信号，PLC的Y0失电，变频器的FWD端子对CM短接，变频器的自由制动停车，切断变频器输出，延时500ms后，将主水泵与变频器断开，延时300ms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，再延时200～300ms PLC的Y0得电，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。

增加主泵的状态转换模块包括六种状态转换关系，三台主泵增开程序。下面以当前状态S20，增开2#主为例，用PLC的状态转移图(SFC)来说明泵增开过程，如图4-4。

3．减少主泵的状态转换模块

减少主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。

4．故障处理模块

对水位过低、水压上下限报警、变频器故障等故障给出报警，并做出相应的故障处理。 (1) 欠水位故障

进入P0处理模块，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动执行以下程序。

(2) 压力上下限报警

输出报警信号，报警信号30s内未解除，则进入P0处理模块，停止全部的电机运行。信号解除则自动运行以下程序。

(2) 变频器故障

变频器出现故障时，对应PLC输入继电器X5动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20分钟。

4.2 PID调节原理在恒压供水系统中的应用

在供水系统的设计中，选用了具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制保证供水系统中的

压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。

4.2.1 PID控制及其控制算法

在连续控制系统中，常采用Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)控制方式，称之为PID控制。PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握。

1．模拟PID控制及算法

PID控制器是一种线性控制器，它是对给定值r (t)和实际输出值y(t)之间的偏差e (t)

e(t)?y(t)?r(t) （4-1）

经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成控制量u (t)，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

系统由模拟PID控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图4-5。 图中U (t)为PID调节器输出的调节量。 PID控制规律为

y(t)?Kp[e(t)?d1t?0e(t)?TDe(t)] （4-2）

dtTi式(4-2)中，Kp——比例系数；Ti——积分时间常数；TD——微分时间常数。相应地传递函数形式

G(s)?U(s)1(1??TDs) （4-3） E(s)TisPID控制器各环节的作用及调节规律如下：

(1) 比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e (t)一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例环节反映了系统对当前变化的一种反映。比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。

(2) 积分环节：表明控制器的输出与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。

(3) 微分环节：对偏差信号的变化趋势(变化速率)做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的TD对于干扰信号的抑制能力却将减弱。PID的三种作用是相互独立调节作用，不会影响其他的调节作用互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调。然而，对于大多数系统来说，单独使用一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。

2．数字PID控制算法

自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现PID控制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字PID控制算法是通过对式(4-2)离散化来实现的。

用一系列的采样时刻点nT表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶向后差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置控制算法表达式

TTnu(n)?Kp{e(n)??e(j)?D[e(n)?e(n?1]} (4-4)

Tij?0T式(4-4)中，T一一采样周期，n一一采样序号，e(n)一一第n时刻的偏差信号，e(n?1)一一第(n一1)时刻的偏差信号，y(n)一一第n时刻的控制量。

PID位置控制算法采用全量输出，一方面需要计算本次与上次的偏差信号e(n),

e(n?1)，而

且还要把历次的偏差信号e(j)相加，计算繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的控制量U(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，U(n)可能出现大幅度变化，引起执行机构的大幅度变化，这是不允许的。为此实际控制中多采用增量式PID控制算法，其表达式为

?U(n)?U(n)?U(n?1)?KP[e(n)?e(n?1)]?Ki[e(n)?2e(n?1)?e(n?2)] （4-5）

式(4-5)中，?U(n)一一调节器输出的控制增量，

Ki?KPTT，KD?KPD。

TiTi增量式算法中不需要累加，调节器输出的控制增量?U(n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑判断去掉过大的增量，而且较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

4.2.2 恒压供水PID调节过程分析

恒压供水的目的就是要保证供水能力QG适应用水需求QU变化。当供水能力QG和用水需求

QU之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，

维持供水能力QG和用水需求QU之间的平衡。

在供水系统中，变频器、PID调节器、压力变送器、电机、水泵等构成了一个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先据用户对水压的要求，给PID调节器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成4-20mA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调节器，PID调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下：

(1) 稳态运行

当供水能力QG=用水需求QU，目标压力信号和压力反馈信号y相等，偏差e?y?r=0, PID

输出的控制增量?U=0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。如图4-6中的0-t1 段。

(2) 用水量增加时

当用水量增加，用水需求QU?供水能力QG，水压下降，压力反馈信号

y减少，偏差

e?y?r?0，PID输出的控制增量?U?0，变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能

力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。

这是一个动态变化的过程，在达到新的平衡状态之前，压力反馈信号y、偏差e，控制增量?U均处于变化之中，其变化过程如图4-6中的tl-t3段，其中t2-t3段为增加用水量后新的平衡状态。

(3) 用水量减少时

?供水能力QG，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e?y?r?0, PID输出的控制增量?U?0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水能力，

当用水量减少，用水需求QU最后达到一个新的平衡状态，使压力回复， 图4-6 恒压PID供水调节过程

维持供需平衡。这一动态变化过程，如图4-6中的t3-t4段，其中t4段以后为减少用水量后新的平衡状态。

4.2.3 变频器PID控制功能参数设置

本系统采用PI控制，功能代码有F60、F61，通过对功能代码的设定来保证合理的PID运行。

1. F51反馈极性预置

系统采取的是反馈电流正动作，设定F51为0。反馈信号减小时，引起电动机转速上升。见图4-7所示。

2. F48压力目标值预置压力

目标值F48设定是和允许的管道压力大小及选用的传感器有关。 实际设定值= F48%?实际传感器最大量程。

根据用户供水管网情况及水压需要，确定总出水口水压大小，经验数据：楼房供水压力P=(0.08+0.04?楼层数)。选用的远传压力表量程是0-1MPa，通过变频器键盘面板操作直接输入确定的压力目标值。

3. F49消防设定值

范围0.1%-100%，最小设定量：0.1%。

如果端子FA与GND短接，变频器以消防压力目标值供水。 实际设定值= F49%?实际传感器最大量程。

4. P、I参数预置

P、I参数通过F60，F61来设定。其中F60比例系数设定误差值的增益，此参数越大，比例调节越强，设定范围1-8000；F61用以设定积分时间，设定范围1.0-500.0s，由于 P、I的取值与系统的惯性大小有很大的关系，需经现场反复调试，可按以下总体原则来进行整定：

F60 (增益 P)，在不发生振荡条件下增大其值； F61 (积分时间I)，在不发生振荡条件下减小其值。

在P、I功能有效且完成参数预置后，变频器完全按设定的P、I调节规律运行，其工作特点是： (1) 变频器的输出频率只根据水压实际压力大小与设定的目标压力的偏差进行调整； (2) 变频器的升、降速时间完全取决于由P、I值所决定的动态响应时间； (3) 变频器的输出频率始终处于调整状态，因此，其显示的数值常不稳定。

4.3 系统可靠性措施

系统中采用的工控设备变频器和PLC均具有抗干扰能力强，可靠性好的特点。但作为一个完整的系统，应用于工业现场，还是有必要考虑加强抗干扰措施，保证运行的稳定性。

1．变频器和PLC应安装于专门的控制柜中，但一定要保证良好的通风环境和散热，PLC四

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