摘要 文章介紹了表、PID算法公式、PIDPLC內(nèi)置PID控制變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成，S7-200PID回路指令編程向?qū)У裙δ?。也介紹了變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成，內(nèi)置PID參數(shù)設(shè)置及功能等。供大家在今后工作中選擇使用。 關(guān)鍵詞:PID; PLc;變頻器;恒壓供水 1 引言 變頻技術(shù)的迅猛發(fā)展使變頻調(diào)速在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，為人民生活帶來(lái)極大的方便，也為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。交流變頻器的誕生和PLC及PID控制的綜合運(yùn)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)恒定調(diào)節(jié)提供了方便。PID控制恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)設(shè)定量與用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)前先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在我們?nèi)粘９ぷ鲗?shí)踐中，采用PID調(diào)節(jié)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要選用兩種方式①利用PLC自身的PID調(diào)節(jié)指令完成變頻調(diào)速恒壓供水控制。②利用變頻器內(nèi)置的PID功能配合PLC完成變頻調(diào)速恒壓供水控制。下面對(duì)這兩種PID控制方式分別做以介紹。 2 PLCPID調(diào)節(jié)變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng) 2.1 系統(tǒng)構(gòu)成 PLC PID調(diào)節(jié)變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、壓力傳感器、控制切換電路以及電動(dòng)機(jī)泵組等構(gòu)成。系統(tǒng)組成框圖見(jiàn)圖1。系統(tǒng)采用1臺(tái)變頻器拖動(dòng)4臺(tái)水泵電機(jī)，以循環(huán)使用的方式運(yùn)行。壓力傳感器負(fù)責(zé)對(duì)管網(wǎng)壓力采樣，變頻器對(duì)水泵電機(jī)變頻調(diào)速。水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)。安裝在供水管上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反饋給PLC的PID模塊進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一調(diào)節(jié)參數(shù)發(fā)出控制信號(hào)，控制變頻器及水泵電機(jī)的切換與運(yùn)行。變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上。當(dāng)用水量發(fā)生變化時(shí)，PLC根據(jù)用水量的大小自動(dòng)控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 [align=center] 圖1 PLC PID控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)組成框圖[/align] 2.2 S7-200內(nèi)置PID功能 PLC選擇要帶有內(nèi)置集成IPD調(diào)節(jié)運(yùn)算指令功能的機(jī)型。我們以西門(mén)子57一200系列的CPU224為例做以介紹。 S7-200 CPU224提供了8個(gè)回路的PID功能（8個(gè)PID指令功能塊），用于實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量等信號(hào)的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。PID功能輸入一般需要模擬輸入，以反映被控制的物理量的實(shí)際數(shù)值為反饋。用戶設(shè)定的調(diào)節(jié)目標(biāo)值為給定。P返D運(yùn)算的任務(wù)就是根據(jù)反饋與給定的相對(duì)差值，按照PID運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出結(jié)果，輸出到變頻器驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)變速運(yùn)行。在S7-200 中PID功能是通過(guò)PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)。通過(guò)定時(shí)（按照采樣時(shí)間）執(zhí)行PID功能塊。按照PID運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時(shí)的給定、反饋、比例一積分一微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制量。HD功能塊通過(guò)一個(gè)PID回路表交換數(shù)據(jù)，這個(gè)表是在V數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的開(kāi)辟，長(zhǎng)度為36 字節(jié)。因此每個(gè)PID功能塊在調(diào)用時(shí)需要指定兩個(gè)要素:PID控制回路號(hào)，以及控制回路表的起始地址（以VB表示）。 2.2.1 PID回路表 S7-200中PID功能的核心是PID指令。PID回路表提供了給定、反饋，以及PID參數(shù)等數(shù)據(jù)入口，PID運(yùn)算結(jié)果也在回路表輸出?；芈繁戆?個(gè)參數(shù)，用來(lái)控制和監(jiān)視PID運(yùn)算。 [align=center]表1 PID指令接受回路表 [/align] 2.2.2 PID算法公式 式中 M（t）— IPD回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù) K[sub]c[/sub]——IPD回路的增益; E——PID回路的偏差值; Minital—— PID回路的輸出的初始值; Tl、TD——積分和微分時(shí)間常數(shù)。 為了使計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制算式，算式必須離散化為周期采樣偏差算式才能用來(lái)計(jì)算輸出值。計(jì)算機(jī)處理的算式如下: 式中Mn——在第n采樣時(shí)刻IPD回路輸出值; En——第n采樣時(shí)刻的偏差值; en-1——第n-1采樣時(shí)刻的偏差值; Ts——采樣周期; Mx-積分項(xiàng)前值; 將上式進(jìn)一步整理得到PLC進(jìn)行IPD運(yùn)算的控制算式: 式中PVn——被控對(duì)象的輸出量; SPn——被控對(duì)象的給定量; 2.2.3 PID指令編程向?qū)? S7-200系列PLC配套有STEP7/MICR0lNVIN32編程軟件，該軟件可在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，為用戶開(kāi)發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。STEP7/MICRo解IN32提供了PID指令向?qū)?，可以幫助用戶方便地生成一個(gè)閉環(huán)控制過(guò)程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運(yùn)算的自動(dòng)編程，用戶只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦颍涂梢酝瓿蒔ID控制任務(wù)。在命令菜單中選擇Tools>instructionwizard，然后在指令向?qū)Т翱谥羞x擇PID指令進(jìn)行編程。 3 變頻器內(nèi)置的PID變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 近年來(lái)國(guó)外不少生產(chǎn)廠家紛紛推出了一系列新型變頻器系列產(chǎn)品。如ABB公司的ACS60O、ACS55O系列產(chǎn)品，富士公司的GllslPllS系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。新型變頻器的出現(xiàn)使PID調(diào)節(jié)變得非常方便。我們選ABBACs550系列變頻器為例做以簡(jiǎn)要介紹。 3.1 系統(tǒng)概述 該供水系統(tǒng)由內(nèi)置IPD功能的新型變頻器、PLC、壓力傳感器、控制切換電路以及電動(dòng)機(jī)泵組等構(gòu)成。系統(tǒng)組成框圖見(jiàn)圖2。供水設(shè)備采用4臺(tái)水泵，由可編程控制器進(jìn)行切換。若用水量大，變頻器也可以通過(guò)可編程接口向可編程控制器發(fā)出信號(hào)，由可編程控制器控制4臺(tái)泵工頻或變頻運(yùn)行。圖2中傳感器反饋的水壓信號(hào)直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口AIZ、AGND。壓力設(shè)定既可以使用變頻器的鍵盤(pán)以數(shù)字量的形式設(shè)定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入All、AGND。每日可設(shè)定多段壓力運(yùn)行，以適應(yīng)供水壓力的需要。也可設(shè)定指定日供水壓力控制。面板可以直接顯示壓力反饋值（Mpa）。這樣通過(guò)變頻器的控制面板，在變頻器的PID選項(xiàng)中選擇合適的PID參數(shù)，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試校正，就可以滿足管網(wǎng)變頻調(diào)速恒壓供水的要求。 3.2 ACS550內(nèi)置PID參數(shù)設(shè)置及功能 ACS550變頻器提供了兩組pID參數(shù)Group 40和GrouP 41，兩組參數(shù)表是相同的，可通過(guò)Dl信號(hào)進(jìn)行選擇。 [align=center] 圖2 變頻器內(nèi)置PID恒壓供水系統(tǒng)組成框圖[/align] [align=center]表2 Gro up4oPlo主要參數(shù)設(shè)置表 [/align] 變頻器提供了應(yīng)用宏:HD 控制。該應(yīng)用宏用于多種閉環(huán)控制系統(tǒng)，如壓力控制，流量控制等。要調(diào)用它，要設(shè)置參數(shù)9902的值為6（PIDCTRL）。變頻器端子AI1，為外部給定，模擬輸入端PID:0...10V=>0...100%PID設(shè)定點(diǎn)。AI2為實(shí)際反饋信號(hào)模擬輸入端（PID）:0...20mA。變頻器輸出頻率:0...20mA<=>0...50Hz。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易。這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算。 4 結(jié)束 在我們?nèi)粘９ぷ髦?，以上兩種模式HD調(diào)節(jié)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在工作實(shí)踐中都有廣泛應(yīng)用。具體我們可根據(jù)系統(tǒng)工藝要求、復(fù)雜程度等進(jìn)行選擇。多次使用中我們發(fā)現(xiàn)采用變頻器內(nèi)置PID功能的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)有效降低了設(shè)備成本，節(jié)省了安裝調(diào)試時(shí)間，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，在滿足工藝要求的情況下可優(yōu)先采用。 參考文獻(xiàn) [1] S7-200系統(tǒng)手冊(cè)[Ml.西門(mén)子（中國(guó)）有限公司.2002 [2] ACS550變頻器用戶手冊(cè)[M].北京ABB電氣傳動(dòng)有限公司.2004 [3] 王鮮芳，杜志勇.PLC的PID指令在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用rJI.給水排水，2005，（3）; 作者簡(jiǎn)介 左鵬軍（1973一）男.電氣工程師、研究方向:工業(yè)控制