您的位置:首页> 技术文章>内容正文
恒压供水系统PID控制器的设计及PLC实现
[正文]:1 引言 在城市高楼快速发展的今天，以前城市供水所必需的水塔、水箱以及气压供水设备，由于水质污染和水压不足，已经远远不能满足现代人民生活的需要，水厂的自动化改造迫在眉睫。
水厂供水要保持水压稳定在一定范围内，但城市用水量是动态的，白天用水量大，晚上用水量小。
如何保证供水量波动时水压恒定是一个必须解决的问题。
本文采用plc、文本显示器、变频器等组成全自动恒压供水控制系统，根据管网压力自动调节供水流量，使管网压力恒定。
2 系统设计 变频调速恒压供水控制系统见图1，系统采用1台变频器拖动4台电动机的启动、运行与调速，其中2台大电动机(220kw)和2台小电动机(160kw)分别采用循环使用的方式运行。
通过压力传感器采样管网压力信号，变频器输出电机频率信号，这两个信号反馈给plc的pid模块，plc根据这两个信号经pid运算，发出控制信号，控制水泵电机进行切换。
点击查看大图片
图1 变频调速恒压供水控制系统图2.1 系统功能 (1) 手动运 手动运行用于系统调试时测试系统各部分是否正常。
1、2号泵作为主泵在变频器的控制下分别运行，但不同时运行。
同时pid控制发挥作用，在手动状态下水管压力也不会超过设定压力。
3、4号泵作为辅助泵可以直接工频运行，在水管压力达到设定压力时自动关断。
(2) 自动运行 图2为自动运行时的流程图。
进入自动运行状态，控制系统首先检测水管的压力，当压力低于设定值时，启动辅助泵进行补水。
在设定的时间内，水管压力能够达到设定值，则停止辅助泵，此时认为水管压力下降是由于管道系统漏水或小量用水造成，主泵不运行。
若启动辅助泵后，在设定时间内若管道压力不能达到设定值，则停止辅助泵运行，同时使标识为a的主泵变频启动。
标识为a的主泵变频运行后，若管道压力达到设定值，且变频器运行在与该压力设定值相对应的最小出水频率以下，则停止水泵运行，同时将另一台主泵标识为a。
标识为a的主泵变频运行后，变频器在运行一段时间而管道压力没有达到设定值则将a切换到工频运行，同时变频起动标识为b的主泵，此时若管道压力达到设定值，且变频器运行在与该压力设定值相对应的最小出水频率以下，则停止工频运行的水泵，原来变频运行的水泵按前述流程工作。
两台主泵轮流标识为a，可以避免在小用水量时，一台频繁起动而另一台长时间不运行。
点击查看大图片
图2 系统自动运行流程图2.2 pid控制器设计 (1) pid算法的数学模型 西门子公司从s7-200系列plc中的cpu215, cpu216开始增加了用于闭环控制的pid模块。
它是通过pid调节器来调节输出，保证偏差值e为零，使系统达到稳定状态。
在系统中，偏差值e是给定值sp(希望值)和过程变量pv(实际值)的差。
pid控制的原理基于下面的算式:
点击查看大图片
其中: m(t): pid回路的输出，是时间的函数; kc: pid回路的增益; e: pid回路的偏差(给定值与过程变量之差) ; minitial:pid回路输出的初始值。
为了能让数字计算机处理这个控制算式,连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下:
点击查看大图片
其中: mn: 在第n采样时刻pid回路输出的计算值; kc: pid回路增益; en: 在第n采样时刻的偏差值; en-1: 在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前项); ki: 积分项的比例常数; minitial: pid回路输出的初值; kd: 微分项的比例常数。
由于计算机从第一次采样开始，每一个偏差采样值必须计算一次输出值，因此只需要保存偏差前值和积分项前值。
利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为:
点击查看大图片
其中: mn: 在第n采样时刻pid回路输出的计算值; kc: pid回路增益; en: 在第n采样时刻的偏差值; en-1: 在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前项); ki: 积分项的比例常数; mx: 积分项前值; kd: 微分项的比例常数。
(2) pid算法改进 cpu实际使用以上简化算式的改进形式计算pid 输出，这个改进型算式为: mn=mpn+min+mdn 其中: mn: 第n采样时刻的计算值;
点击查看大图片
:第n采样时刻的比例项值;
点击查看大图片
:第n采样时刻的积分项值;
点击查看大图片
:第n采样时刻的微分项值; kc: 增益; spn: 第n采样时刻的给定值; pvn: 第n采样时刻的过程变量值; pvn-1: 第n-1采样时刻的过程变量值; ts: 采样时间间隔; td: 微分时间; ti: 积分时间; mx: 第n-1采样时刻的积分项(积分项前值)。
2.3 软件设计 s7-200系列plc中的cpu215/216提供了用于闭环控制pid运算指令，用户在应用时不必象cpu212, cpu214那样自己编写几十条指令来实现pid功能，用户只需在plc的内存中填写一张pid控制参数表(见附表)再执行指令:“pid table loop”即可完成pid运算，其中操作数table表使用变量存储器vbx来指明控制参数表的表头字节;操作数loop只可选择0-7的整数，表示本次pid闭环控制所针对的环路编号，最多8路。
控制参数(见附表)包括9个参数，全部为32位实数格式，共占用36字节。
附表中的参数分两类。
一类参数是固定不变的，如参数编号为2,4,5,6,7的参数，这些参数可在plc的主程序中设定。
另外一类参数必须在调用pid指令时才填入控制表格。
如编号为1,3,8,9的参数，它们具有实时性。
进一步分析发现:其中有一些参数，既是本次的输入(执行pid指令之前)，又是本次的输出(执行pid指令之后)，同时还是下次运算的输入，如编号为3,8,9的参数。
附表中变量类型栏的in/out应理解为相对于pid控制器而言的输入或输出。
附表 控制参数
点击查看大图片
3 结束语 由s7-200系列plc和变频器等组成的恒压供水控制系统，充分发挥了s7-200 cpu215可靠的内置式pid运算模块，可自动调节变频器输出频率、控制各泵的投入和退出，实现恒压供水。
该系统操作方便、运行可靠，具有一定的推广应用价值。
网站首页 培训课程 维修指南
技术文章 家电专栏 供应信息
求购信息 培训资讯 展会信息
电脑专栏 教程下载 资料下载
常用软件 PLC教程 PLC资料
变频伺服 低压电器 维修资料
人机界面 自控仪表 工控机类
文章标题:
中国工控资源网手机版 2012
电话：010-67577139 13811659603
培训咨询QQ：657167934 471895637 销售咨询QQ：623769457
联系邮箱：zggkzyw@163.com
京ICP备11002135号
报时(2026-04-03 04:45:52)