可編程控制器控制直流電動(dòng)機(jī)在恒壓供水中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)民用建筑行業(yè)的發(fā)展，特別是衛(wèi)星城和小區(qū)建設(shè)的發(fā)展，給各個(gè)技術(shù)行業(yè)帶來(lái)許許多多的研究課題。小區(qū)供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，從工程而言是成熟的，己有規(guī)范的設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)，但從多方面的綜合因素來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到用戶的要求。從目前的供水行業(yè)調(diào)查結(jié)果表明，變頻調(diào)速技術(shù)在供水系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，能有效的節(jié)能降耗，但變頻調(diào)速需要變頻器等昂貴的設(shè)備，在一定程度上制約了其廣泛推廣。所以即節(jié)能降耗又成本低廉是恒壓供水發(fā)展的方向。可編程控制器控制直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)PLC控制直流電動(dòng)機(jī)輸入電壓從而達(dá)到控制水泵輸出壓力和流量的控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)恒壓供水的基礎(chǔ)上，降低了采購(gòu)昂貴設(shè)備的成本。

關(guān)鍵詞：PLC；恒壓供水；PID控制；PWM高速脈沖發(fā)生器

中圖分類號(hào)：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 (2012) 10-0025-01

一、控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

將水泵出口壓力作為控制對(duì)象。水泵出口壓力是恒壓供水的一個(gè)重要參數(shù)，它體現(xiàn)出隨時(shí)可變的用水需求和電機(jī)轉(zhuǎn)速變化之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。水泵出口壓力高，影響電機(jī)的使用壽命，長(zhǎng)時(shí)間超壓使用容易使泵殼疲勞，存在安全隱患。水泵出口壓力低，不能滿足供水量要求。直流電動(dòng)機(jī)恒壓供水自動(dòng)控制的任務(wù)就是控制給水壓力，使其適應(yīng)用水量的變化，維持供水管網(wǎng)壓力和流量在允許的范圍內(nèi)，可在任何情況下滿足多用戶對(duì)供水流量與揚(yáng)程的不同要求。PLC采用數(shù)字PID控制算法，通過(guò)對(duì)壓力給定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行處理，PID輸出通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)來(lái)控制高速脈沖發(fā)生器的脈寬，通過(guò)改變脈寬來(lái)控制清水泵電動(dòng)機(jī)輸入電壓，進(jìn)而改變清水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變水泵出水口流量，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近

系統(tǒng)硬件配置中，控制器主要由PLC構(gòu)成，采用西門子200PLC為開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)模擬量輸入模塊將現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)送入到PLC控制器。

二、直流電動(dòng)機(jī)輸入電壓的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

（一）用PID回路指令來(lái)控制高速脈沖發(fā)生器的脈寬

PID回路指令運(yùn)用回路表中的輸入和組態(tài)信息進(jìn)行PID運(yùn)算。使ENO=0的錯(cuò)誤條件是SM1.1(溢出)SM4.3(運(yùn)行時(shí)間)0006(間接尋址)。PID回路PID運(yùn)算的前提條件是邏輯堆棧棧頂(TOS)值必須為1，該指令有兩個(gè)操作數(shù)TABLE和LOOP。其中TABLE是回路表的起始地址，LOOP是回路號(hào)，可以是0到7的整數(shù)，在程序中最多可以用8條。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的PID指令用了同一個(gè)回路號(hào)那么即使這些指令的回路表首地址不同，這些PID運(yùn)算之間也會(huì)相互干涉產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果.回路表包含9個(gè)參數(shù)用來(lái)控制和監(jiān)視PID運(yùn)算。這些參數(shù)分別是過(guò)程變量當(dāng)前值(PVn)，過(guò)程變量前值(PVn-1)，給定值(SPn)，輸出值(Mn)，增益(Kc)，采樣時(shí)間(Ts)，積分時(shí)間(Ti)，微分時(shí)間(Td)和積分項(xiàng)前值(MX)。為了讓PID運(yùn)算以預(yù)想采樣頻率工作，PID指令必須用在定時(shí)發(fā)生的中斷程序中被定時(shí)器所控制以一定頻率執(zhí)行。采樣時(shí)間通過(guò)回路表輸入到PID運(yùn)算中。在直流電動(dòng)機(jī)恒壓供水控制系統(tǒng)中，PID回路過(guò)程變量當(dāng)前值選擇為壓力傳感器輸入的水壓值，輸出變量為經(jīng)PID運(yùn)算后的校正值。

（二）高速脈沖輸出控制直流水泵的轉(zhuǎn)速

西門子S7_200系列PLC的CPU有兩個(gè)PTO/PWM發(fā)生器，產(chǎn)生高速脈沖串和脈沖寬度可調(diào)的波形，一個(gè)發(fā)生器分配在數(shù)字輸出Q0.0，另一個(gè)分配在數(shù)字輸出Q0.1。恒壓供水中在允許PWM操作前把Q0.1的映像寄存器設(shè)定為0，把PWM控制字節(jié)(SM77.7)的允許位置為1，并執(zhí)行PLS指令，這樣脈沖寬度調(diào)制(PWM)功能便可提供占空比可調(diào)的脈沖輸出。

三、數(shù)據(jù)傳送及數(shù)碼管顯示

管網(wǎng)實(shí)際壓力的三位BCD碼形式的數(shù)據(jù)分別放在VW1302、VW1304、VW1306中，而設(shè)定壓力則分別放在VW1308、VW1310、VW1300中，數(shù)據(jù)的傳送是通過(guò)把要顯示的實(shí)際壓力和設(shè)定壓力數(shù)據(jù)發(fā)送到變量存儲(chǔ)器VW1400，VW1400中的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)掃描周期左移16位，再通過(guò)數(shù)據(jù)線V1400.7串行發(fā)送出去。PLC的Q0.2作為片選線在數(shù)據(jù)傳送期間選中兩段數(shù)碼管。傳送的16位數(shù)據(jù)前8位用來(lái)依次點(diǎn)亮數(shù)碼管，后8位是傳送的BCD碼。而段碼指令將字節(jié)型輸入數(shù)據(jù)的低4位有效數(shù)字產(chǎn)生相應(yīng)的七段碼，并將其輸出到所指定的輸出單元。

四、結(jié)論

供水系統(tǒng)是人們生活、生產(chǎn)所必需的公用工程，供水系統(tǒng)的正常可靠運(yùn)行具有重要意義，本設(shè)計(jì)采用S7-200系列可編程控制器實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)恒壓控制，根據(jù)用戶用水量的多少，通過(guò)PID指令自動(dòng)調(diào)節(jié)脈沖寬度，始終保持管網(wǎng)壓力恒定（即實(shí)際壓力等于設(shè)定壓力），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)典型，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，計(jì)算工作量較小，PID參數(shù)調(diào)整方便，各參數(shù)相互獨(dú)立。閉環(huán)控制效果達(dá)到了較好滿意程度，可廣泛應(yīng)用于小型控制系統(tǒng)。

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