西门子铜仁PLC模块代理商

0　引　言

　　城市高楼建设快速发展,传统的定压供水方式弊病很多,诸如管理不便,对系统造成二次污染,设备使用寿命短,维修量大,效率低下,电能的浪费严重等。针对上述问题,本文设计以PLC为核心的变频恒压供水系统,提出转速和水压的双闭环控制,采用自整定模糊P ID控制算法,以水泵电动机的转速和管网水压为设定参数,由PLC控制投入运行水泵的数量,改变变频器的输出系统频率自动调整水泵电机的转速,实现恒压供水。

　　1　供水系统的组成

　　供水系统如图1所示,由三台泵组成,一台可编程控制器和一台变频器切换控制任一台电动机调速。水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供的变频回路组成,通过PLC和变频器将各台水泵按照先启先停的原则,依照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行,使整个的供水回路处于佳的配置状态。变频器则具体的微调当前水泵的转速,使转速变化跟随管网压力变化(实际上是跟随用户用水量的变化) 。触摸屏是可编程控制部分,它负责对整个系统进行监控,操作员如果有什么控制要求,比如参数设置、手启泵、手停泵等,也可以通过触摸屏传递给PLC。

　　2　双闭环PID控制器设计

　　双闭环模糊自整定P ID控制器如图2所示,在常规的水压闭环P ID基础上,以被控水泵电机的转速和管网压力的反馈值与目标值的误差E和误差变化率EC作为输入,用模糊推理的方法对P ID的参数Kp、Ki、Kd进行在线自整定,以满足不同E和EC对控制器参数的不同要求,从而使被控对象具有良好的动态性能和静态性能。

　　2. 1 控制策略选择原则

　　根据系统在受控过程中的原则对应不同的E和EC,以误差E的大小作为自调整修正因子模糊控制与P ID控制的切换条件, ︱E︱ = Eb 为切换点。控制策略选择原则归纳如下:

　　(1)当︱E︱较大时( ︱E︱ > Eb ) ,说明误差的值较大,采用水压外环自调整模糊P ID控制,以提高系统的动态响应速度。Kp 取较大值,以提高相应的快速性;为防止︱EC︱瞬时值过大, Kd 应取较小的值;为了避免出现较大的超调,应对积分加以限制,通常取Ki = 0。

　　(2)在当︱E︱误差切换点时( ︱E︱ = Eb ) ,以及系统允许的误差范围内( ︱E︱≤Ea ) ,系统不调整,保持上一次的动作。

　　(3)当︱E︱较小时( Eb > ︱E︱ > Ea ) ,为了使系统具有很好的稳定性,采用转速内环P ID控制,以消除静态误差,提高控制精度。

　　2. 2 软件设计

　　2. 2. 1 水压闭环软件设计

　　为了提高控制精度,加快系统的响应能力,水压闭环采用自整定模糊控制PID控制策略,根据模糊推理和模糊逻辑运算规则去修改各种控制参数。本文取M= 25,N =5,把速度误差分为9个等级,即25, 24, 23, 22, 21, 0, +1, +2, +3, +4, +5。将偏差e、偏差变化率ec、输出量u的变化范围设定为[ 25, + 5 ]区间连续变化量,使之离散化,构成含7个整数元素的离散集合,即{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},用英文字母表示为{NB,NM,NS, ZO, PS, PM, PB}。这里假设误差e、误差变化率ec和输出控制变化量u的论域为:

　　{e}{ec}{u} = {25, 24, 23, 22, 21, 0, +1, +2, +3, +4, +5}

　　其解析表达式为:

　　式中int表示取整数。

　　在实际工作中,jingque输入量的变化一般不会在[ 25, 5 ]之间,如果其范围是在[ a, b ]之间的话,可以通过下式变换,将在[ a, b ]之间变换的变量△e转换为[ 25, 5 ]之间变化的变量e。

　　2. 2. 2 转速闭环软件设计

　　当偏差较小时,为了使系统具有很好的稳定性,采用转速内环P ID控制,由于计算机控制系统为离散系统,采用增量式P ID离散表达式表示为:

　　式中: △u ( k) ———k时刻的输出控制量; T———采样周期; e ( k) ———第k次采样时水压实际测量值与设定值的误差的误差值; Kp、Ki、Kd ———比例、积分、微分系数。

　　采用转速内环P ID控制具有很短的过渡过程,转速只有较小的偏差,控制算法简单、快速和高精度。

　　2. 3 模糊P ID控制器输出Kp、Ki、Kd 的模糊规则

　　输出Kp、Ki、Kd 用以确定控制量,并规定论域为:Kp、Ki、Kd = { 25, 24, 23, 22, 21, 0, + 1, + 2, + 3, + 4, +5} ,输出量的语言变量模糊集为: Kp、Ki、Kd = {NB,NM,NS, ZO, PS, PM, PB} ,各个语言值的定义分别由给出的三角隶属函数曲线来描述,采用加权平均法通过计算机计算出Kp、Ki、Kd ,建立相关的模糊规则表。

　　根据控制对象的实际情况以及实际操作经验,确定控制过程的控制规则。本供水系统有49条控制规则。控制规则可以用下面的形式表示:

　　R1:如果e是PB,并且ec是PB,那么Kp 是0, Ki是PB, Kd 是PB。

　　R2:如果e是PB,并且ec是PM,那么Kp 是NB,Ki 是PB, Kd 是PS。

　　?

　　R49:如果e是NB,并且ec是NB,那么Kp是PB,Ki 是NB, Kd 是NS。

　　3　仿真结果研究

由于实际供水系统很难建立jingque的数学模型,因此采用供水系统的近似模型在某仿真软件中进行仿真研究,模糊控制、P ID控制、自整定模糊P ID控制这三种控制算法对供水系统的控制效果。

　　3. 1 供水系统的近似模型

　　由供水系统的特性可知,供水系统的数学模型可等效为带纯滞后、死区的两个惯性环节串联,用式(3)表示。

　　式中: K———系统的总增益; T1 ———系统的惯性时间常数; T2 ———变频器和电机时间常数; ———系统纯滞后时间常数。

　　3. 2 仿真结果分析

　　当水泵选定后,交流电机的机电时间常数则可以确定。选择T1 为10 s。由于给水系统的规模以及用户用水的不规律性确定的,造成模型中供水系统的参数难于jingque确定和参数易变的特点。在工程实践中,按照工程经验,初步确定在供水设定压力为4个大气压时,供水系统的模型参照式( 3) ,当用户规模发生变化时,模型参数也会发生改变。对所设计的供水系统进行仿真,系统近似模型选取为:

　　其中,死区时间T3 = 0. 8,仿真补偿。在P ID 控制中, Kp = 0. 08, Ki = 0. 025, Kd = 0. 04;在模糊控制中, Ke = 70, Kec = 2. 5, Ku = 0. 45;在模糊P ID控制中,Kp = 0. 1, Ki = 0. 022, Kd = 0. 022, Ke = 60, Kec = 2. 45,Ku = 0. 6。输出曲线如图3所示。采用双闭环自整定模糊P ID控制率更能抑制死区特性对系统的影响。仿真结果表明双闭环自整定模糊P ID控制的各种控制指标优于经典控制,同时模糊控制对于消除供水系统的滞后有明显的效果,并且双闭环自整定模糊P ID控制有比较强的鲁棒性和快速性。

　　4　结束语

　　转速水压双闭环模糊自调整P ID控制恒压供水系统投入工作以后,经过一年多的运行,其效果是明显的。该供水系统的超调量小、上升时间短、稳态精度高,控制效果较单一的P ID控制和模糊控制明显提高。该控制方式不仅具有快速的动态响应速度和良好的控制精度,而且当对象参数和结构发生变化时,具有良好的鲁棒性和适应能力。与原阀门控制水压相比,平均节电达到25%以上。

　历史数据窗口中设置了数据查询和打印报表功能，试验前操作员必须填写风缸号码，操作人员可以根据风缸号进行查询，也可以根据日期进行查询。显示该风缸的试验结果。若发现该风缸不合格则可以重新检测，也可以单独做水密性试验或者气密性试验，不影响其他信息。如果该编号已经存在，则提示用户该编号已经存在是否重新检测。打印报表这一项，操作人员可以点击打印报表安钮然后选择按照风缸号或者日期打印。就可以打印出关于该风缸的检测信息。

　　4.2 系统下位机设计

本系统选用西门子公司生产的S7-200 系列PLC，S7-200 系列它的结果紧凑，拥有良好的扩性，指令功能强大，既能完成控制功能，还具有输入输出功能，并且它的价格低廉，非常适合各种小型控制工程。完全能达到我们的使用要求。其设计步骤如图4 所示。

　　通过对风缸检测流程的分析和研究，把PLC的I/O点进行了合理的分配，其分配点如表1所示。

　　由输入输出点的分配，可以得出本系统需要数字量信号2 个输入点，6 个输出点;模拟量信号1 个输入点，1 个输出点.考虑到适用性和经济性，选取PLC 的型号S7-224(8 输入6 输出)和S7-235(模拟信号4 输入1 输出)。

　　在进行水密性试验时，注水过程采用PID 调节控制水泵使压力缓慢的上升。本系统中采用PLC 中的PID 参数，将微分控制器命为零，比例控制器的参数基本调节为1.05，积分控制器的参数经多次试验取3 佳，得到了很好的效果使压力曲线平滑的上升，从而避免了压力在900kPa 附近振荡。节省了水压稳定时间，提高了效率。

　　排水过程在水密性试验结束后需要将风缸的排水口向下，接着靠缸内气压排水，排水结束后关闭排水阀紧接着进行气密性试验。排水是否完毕靠压力传感器的变化上位机智能的分析，来自动的关闭排水阀。这样排水过程就由电脑自动的完成，减少了人工排水的麻烦。

　　5 问题

　　5.1 效率问题

　　由于铁道部要求水密性试验要进行测试5min，气密性试验要进行5min。加上注水时间(此过程与缸的大小有关)，排水时间以及试验的稳定时间，整个检查过程至少20min。改善方法可选用更多输入输出点的PLC同时控制多个检测台位，监控界面增加多个窗口，各个台位检测流程相互独立，互不干扰。

　　5.2 衰减问题

　　水密性试验和气密性试验在打压后关闭阀门时，压力值随着时间的推移会缓慢的下降，其压力曲线如图5 所示。由于完全等待水压或者气压趋于平稳所需要的时间很长，设计时采用了截取某个时间进行检测将其压力曲线下降斜率进行监控。如果在特定的时间内超过下降的斜率，就对系统进行报警，提示用户发生漏泄。

　　6 结论

　　利用风缸压力检测系统，在保证风缸质量的前提下，提高了风缸检测效率。很好地避免了传统检测的不准确，效率低下等问题。由于全过程实现了自动控制，界面形象简洁，操作简单，只需经过简单培训，便可以操作，节省了人力资源，提高了生产的经济性。