自来水公司供水系统远程控制(编辑修改稿)

自来水公司供水系统远程控制(编辑修改稿)内容摘要：

PLC 也具有此功能模块。 PID 处理一般是运行专用的 PID 子程序。 过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。 5. 数据处理 ： 现代 PLC 具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。 这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。 数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系 统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。 6. 通信及联网 ： PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC 与其它智能设备间的通信。 随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各 PLC 厂商都十分重视 PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。 新近生产的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。 P L C 的特点 PLC 的特点 主要表现在以下几个方面： 1. 可靠性高，抗干扰能力强 ： 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC 由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部 电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 从 PLC的机外电路来说，使用 PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。 此外， PLC 带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。 在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 这样，整个系统具有极高的可自来水公司供水系统的远程控制 7 靠性也就不奇怪了。 2. 配套齐全，功能完善，适用性强 ，性价比高 ： PLC 发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的 系列化产品。 可以用于各种规模的工业控制场合。 除了逻辑处理功能以外，现代 PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 近年来 PLC的功能单元大量涌现，使 PLC 渗透到了位置控制、温度控制、 CNC 等各种工业控制中。 加上 PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎 ： PLC 作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。 它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用 PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4. 系统的设计、 安装、调试 工作量小，维护方便，容易改造 ： PLC 用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。 这很适合多品种、小批量的生产场合。 5. 体积小，重量轻，能耗低 ： 复杂的控制系统使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继 电器，小型的 PLC 的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的 1/2 至 1/10。 PLC 是配线比继电器控制系统的配线少的多，故可以节省大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。 P L C 的应用 PLC 通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。 为了使 PLC 的输出及时地响应各种输入信号，初始化后 PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务， 这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式（ 见图 12 所示 ）。 当 PLC投入运行后，其工作过程一般 分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。 在整个运行期间， PLC的 CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 1. 输入采样阶段 ： 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入 I/O映象区中的相应得单元内。 输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。 在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化， I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。 因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情 况下，该输入均能被读入。 自来水公司供水系统的远程控制 8 图 12 PLC的扫描工作过程 2. 用户程序执行阶段 ： 在用户程序执行阶段， PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序 (梯形图 )。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统 RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 在用户程序执行过程中，只有输入点在 I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在 I/O映象区或系统 RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 3. 输出刷新阶段 ： 当扫描用户程序结束后， PLC 就进入输出刷新阶段。 在此期间， CPU按照 I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。 这时，才是 PLC 的真正 输出。 同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。 另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。 当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。 一般来说， PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图 3 所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 在本系统中， P L C 控制单元 是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整 抽水 泵的运行 情况。 变频器和 P L C 的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。 水泵电机实现变频软启动 , 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。 根据本系统的实际情况， PLC 我们采用西门子S7200 系列的相关产品。 自来水公司供水系统的远程控制 9 变频器 的介绍 变频调速技术 近十年来，随着电力电子技术、计算机技术、 数字化 自动控制技术的迅速的发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术 取代模拟控制技术已成为发展趋势。 电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境 、推动技术进步的一种主要手段。 变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最优发展前途的调速方式。 据统计，我国的发电总量的 70%左右消耗在电动机上，风机、水泵消耗我国发电总量的 40%左右。 用电机变频调速来代替原有阀门调节流量，我国每年可节约用电 300400 亿千瓦小时。 在自来水行业，变频器主要应用在取水泵房、送水泵房，除了可以节电，还可以平滑调节取水流量、送水压力，满足制水、供水工艺要求。 变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。 与外界的联系基本上分为三部分：一是主电路接线端，包括工频电网的输入端（ R、 S、 T） ，接电动机的输出端（ U、 V、 W）；二是控制端子，包括外部信号控制变频器的端子，变频器工作状态指示端子，变频器与微机或其他变频器的通讯接口；三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。 交流异步电动机变频调速控制的原理可由交流异步电动机的转速公式得知： 60(1 ) fnsp 式中， f— 定子供电频率（ Hz） ； p— 磁极对 数； s— 转差率； n— 电动机转速（ r/min）。 由公式可知，只要平滑地调节异步电动机的供电频率 f，就可以平滑地调节异步电动机的转速。 PID 调节技术 智能 PID 调节器实现管网水压的 PID 调节。 PID 控制属于闭环控制， 闭环控制系统（ closedloop control system）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。 闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（ Negative Feedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。 自来水公司供水系统的远程控制 10 PID 控制的原理和特点 ： 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们 不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 1. 比例（ P）控制 ： 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 2. 积分（ I）控制 ： 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误 差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 “ 积分项 ”。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分（ PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3. 微分（ D）控制 ： 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在 克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由 于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（ delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “ 超前 ” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “ 比例 ” 项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分项 ” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞 后的被控对象，比例+微分（ PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。 它是根据被控过程的特性确定 PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减 法。 三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参自来水公司供水系统的远程控制 11 数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。 利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下： 1. 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作； 2. 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期； 3. 在一定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。 变频调速技术与 PID 调节技术的应用 对水 源 地抽水 泵的控制采取变频调速技术。 变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。 水泵属于典型的二次方律负载，其转矩与转速的二次方成正比，机械特性曲线如图 13（ A）所示；其功率与转速的三次方成正比，功率特性曲线如图（ B）所示。 （ A）机械特性 （ B）功率特性 图 13 水泵机械特性图 自来水公司供水系统的远程。