拉萨西门子中国一级代理商触摸屏供应商

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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，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。

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，控制系统检测水管的压力，当压力设定值时，启动辅助泵进行。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。

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:
  
   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:
  
   其中:
  Mn: 在n采样时刻PID回路输出的计算值; 
  Kc: PID回路增益; 
  en: 在n采样时刻的偏差值; 
  en-1: 在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。 
  由于计算机从次采样开始，每一个偏差采样值计算一次输出值，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:  
      
  其中:
  Mn: 在n采样时刻PID回路输出的计算值; 

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，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。

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，控制系统检测水管的压力，当压力设定值时，启动辅助泵进行。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。

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:
  
   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:
  
   其中:
  Mn: 在n采样时刻PID回路输出的计算值; 
  Kc: PID回路增益; 
  en: 在n采样时刻的偏差值; 
  en-1: 在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。 
  由于计算机从次采样开始，每一个偏差采样值计算一次输出值，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:  
      
  其中:
  Mn: 在n采样时刻PID回路输出的计算值; 
  Kc: PID回路增益; 
  en: 在n采样时刻的偏差值; 
  en-1: 在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: n采样时刻的计算值; 
   :n采样时刻的比例项值; 
  :n采样时刻的积分项值; 
  :n采样时刻的微分项值;
  Kc: 增益;  
  SPn: n采样时刻的给定值; 
  PVn: n采样时刻的过程变量值; 
 PVn-1: 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: 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，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

  
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，具有一定的推广应用。

  Kc: PID回路增益; 
  en: 在n采样时刻的偏差值; 
  en-1: 在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: n采样时刻的计算值; 
   :n采样时刻的比例项值; 
  :n采样时刻的积分项值; 
  :n采样时刻的微分项值;
  Kc: 增益;  
  SPn: n采样时刻的给定值; 
  PVn: n采样时刻的过程变量值; 
 PVn-1: 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: 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，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

  
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，具有一定的推广应用。

随着工业自动化控制的发展, PLC在工业设备控制中开始得到推广应用. 现以玻璃瓶生产线为例, 介绍系统配置及应用.
1. 工艺流程及要求
玻璃瓶生产线设备示意图如图1所示, 玻璃瓶从入口处进入, 碰到传感器1, 启动走带机走带, 带动瓶从入口走向出口, 途经预热区、区、冷却区, 只有进口风机、热风机、出口风机、排风机运转, 才能走带. 如入口处进瓶过快, 挤压传感器2, 则发出信号去停止前方设备停止进瓶, 如出口不畅, 传感器3发出信号, 停止走带机工作. 五个风机中只要有一个停机, 就停止加热器运行, 并报警显示. 检测风机不运行有传感开关装在风机的出口处, 风机变频器的故障输出点进入PLC, 走带机及各电机的空气开关跳闸接点也都进入PLC, 加热器装在炉子的部, 由热风机向下均匀扩散加温. 要求对不同型号大小的玻瓶进行不同温度的设置, 能显示各区的温度值, 并有反应温度的走势曲线图, 对于进风机、热风机、出口风机要有能其风压的数值显示, 以确定是否过滤网堵塞.
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图1 生产线设备示意图

在正常工作时, 工作下班后, 当温度下降到100℃以下, 设备能自动关机, 如炉内还有瓶未处理完, 则启动夜间工作, 这样在100℃以下停机后, 还有进口风机, 出口风机工作, 以保证外部的灰尘不能进入炉内. 对于时间, 由PLC采集出口处传感器的数据, 通过速度转化为时间, 来显示玻璃瓶在区的时间, 以确保的性. 设备在下, 要求能准确显示故障发生点及解决问题对策画面, 并有动画反映生产现场工作情况.
1. 系统配置
对于以上要求,选用德维森科技（深圳）有限公司的人机界面、PLC组成一个控制系统, 具体如下:
(1)人机界面: 真彩色10.4寸屏, 采用232口进行下载和编程, 采用RS422口和PLC通讯, 选用真彩能好地反映现场景色, 动画逼真、美观.
(2)PLC选用ATCS PPC31系列, 该机具有256点输入, 输出功能, 1个RS232通信口和1个RS232/485通讯口, 是一种模块化机型, 可灵活配置功能模块及输入、输出点.
(3)输入选配IDD40十六点DC输入模块2块, 输出配1个ODA40十六点继电器输出模块.

[NextPage]
(4)输入单元采用IAD30输入模块, 输入三个风压模拟量值(4mA~ 20 mA).
(5)温度输入单元采用THM10五路带PID调节PWM输出温控模块1块, 采进三路:加热区、区、冷却区的温度.
其系统构成如图2 所示.

3.1  网络构成

    整个系统由两级网络构成:主站网和从站网。2台操作站(操作站1、操作站2)、1台工程师站、2台CPU414、1台S7-300组成主站网;5个现场站与CPU414之间组成了从站网。
    操作站及工程师站实质上没有任何差别，只是设置操作等级的限制，各站上的操作权限不一样。通过系统管理员的授权(密码控制)任何一个站都可实现其他2个站的所有功能。操作站、工程师站通过MPI卡接入主站网。网络协议为Profibus，通讯速率可达12Mbps，考虑到传输距离较远(约200m)，途中电磁干扰较严重，为保证通讯畅通，将通讯速率设置为1.5 Mbps。
    2台CPU414通过PLC通讯模块(CP443)接入主站网，固化炉系统的CPU314则通过CPU上的DP口直接接入主站网。
    现场站是连接PLC系统和工业现场的接口，所有的输入/输出模块都安装在5个现场站上。每个现场站上都有两块通讯模块(153-2),分别接到2台CPU414的DP口上，组成从站网，通讯协议为Profibus-DP，通讯速率为12 Mbps。

3.2  系统冗余
    为提高系统的性，对控制系统的部分CPU及PLC通讯模块都采用了软件冗余技术，两套CPU414处理器、电源模块、通讯控制模块(CP443)分别安装在两块冗余机架上，同时各I/O站上也都装有两块通讯处理模块(153-2)。正常工作时，2台CPU一台为主，一台为从。主CPU执行控制程序，并控制着对应的通讯模块，同时不断地将需要冗余备份的数据发往从CPU;从CPU则处于热备状态，不运行控制程序，只是不停地接受数据，同时判断其自身的运行状态。一旦主CPU停止工作，从CPU立即接过系统控制权，同时主从位置互换，完成无扰动切换。

4  软件设计
(1) 系统软件
    PLC系统软件选用STEP7 V5.2软件包，对于系统中的逻辑控制选用梯形图(LADDER)编程，直观、方便;对于模拟量处理和PID回路控制部分则采用语句表(STL)编程，结构紧凑而又灵活。另外，为实现软件冗余，利用SIEMENS公司专门提供的冗余软件包，它实际上是一组系统功能块，供用户在程序中调用、设置，实现用户的软件冗余功能。
    上位机软件选用SIEMENS公司的Wincc V5.1组态软件。Wincc功能强大，可方便快捷地组态出各种操作界面。开放式的数据库系统为用户提供了强大的数据管理功能。
(2) 应用软件设计
    根据该系统具体情况，软件设计过程中着重要考虑的是以下几个方面:
?软件冗余;
?PID算法;
?措施。
4.1  软件冗余
(1) 在OB100(热启动模块)中调用系统冗余软件包中的系统功能块FC100。
(2) 在OB1中调用系统功能块FB101。程序如下:
CALL  "SWR_ZYK" , DB5       //调用FB101
DB_WORK_NO   :=DB1         //内部数据块
CALL_bbbbbbbb:=TRUE
RETURN_VAL   :=MW110       //返回状态字
EXT_INFO     :=MW112
A     DB5.DBX    9.1           
//冗余状态位，判断是否为从站
JC    M001
CALL  FC    50                
FC50调用所有的控制程序
M001: NOP   0
CALL  "SWR_ZYK" , DB5
DB_WORK_NO   :=DB1
CALL_bbbbbbbb:=FALSE          //传送结束
RETURN_VAL   :=MW114
 EXT_INFO     :=MW116
(3) 在OB86中调用冗余诊断程序，程序如下:
CALL "SWR_DIAG"
DB_WORK :=W#16#1
OB86_EV_CLASS :=#OB86_EV_CLASS
OB86_FLT_ID :=#OB86_FLT_ID
RETURN_VAL :=MW130
这段程序用来诊断从站的故障信息，如有问题将切换从站通讯模块。
(4) Wincc中的每个外部变量都连接着CPU中的一个地址，当两台CPU切换时，这些连接地址也要同时切换。WINCC提供了动态向导，可自动产生相关的变量和全局脚本，实现上述转换。

PID算法的输出实际上是比例(P)、积分(I)、微分(D)三部分作用之和:
Mn=MPn+MIn+MDn
MPn=GAIN×(SPn-PVn)
MIn=GAIN×TS/TI×(SPn-PVn)+MX
MDn=GAIN×TD/TS×(PVn-1-PVn)
式中，
Mn:n次采样时刻的输出值             
MPn:n次采样时刻的比例作用，与偏差成正比。       
MIn:n次采样时刻的积分作用，可以静差，提
   高控制品质。         
MDn:n次采样时刻的微分作用，根据差值的变化
   率调节，可抑制调。        
SPn:n次采样时刻的设定值
PVn:n次采样时刻的过程值
MX:n-1次采样时刻的积分作用，每次采样计算后
    自动刷新
GAIN:回路增益，P参数  
TI:积分时间常数，即I参数
TD:微分时间常数，即D参数 
TS:采样时间
根据上述原理框图，结合实际工艺要求，编写程序(以供料道温度回路为例)如下:

[NextPage]
L     DB44.DBD    0  
//温度设定值，浮点型
T     #TEMP0
L     PIW  524   //温度反馈值
ITD     
//整型转双整型
DTR     
//双整型转浮点型
L     2.764800e+004
/R    
L     3.200000e+002   
//量程范围320度
*R    
L     9.800000e+002   //零点是980度
+R    
T     #TEMP1  
//温度反馈对应量程范围980-1300度，
计算出浮点型数据。
L     DB44.DBW 4        //阀门开度
ITD   
DTR   
L     2.764800e+002  
//阀门开度转为百分数
/R    
T     #TEMP2
L     DB44.DBD   20
T     #TEMP31
A     M     56.3   //自动标志位
NOT   
=     #TEMP4
CALL  "CONT_C" , DB144 //调用FB1
COM_RST :=FALSE
MAN_ON  :=#TEMP4 
PVPER_ON:=FALSE

[NextPage]
P_SEL   :=TRUE   // 使用P调节
I_SEL   :=TRUE   //使用I调节
INT_HOLD:=FALSE
I_ITL_ON:=FALSE
D_SEL   :=FALSE   //使用D调节
CYCLE   :=T#2S   //采样时间
SP_INT  :=#TEMP   //设定值
PV_IN   :=#TEMP1  //过程值
PV_PER  :=
MAN     :=#TEMP2  //PID自动标志
GAIN    :=DB44.DBD8  //参数P
TI      :=DB44.DBD12  //参数I
TD      :=DB44.DBD16  //参数D
TM_LAG  :=T#2S         
DEADB_W :=#TEMP31  //死区范围
LMN_LLM :=DB44.DBD28  //输出下限
PV_FAC  :=1.000000e+000
PV_OFF  :=0.000000e+000
LMN_FAC :=1.000000e+000
LMN_OFF :=0.000000e+000
I_ITLVAL:=0.000000e+000
DISV    :=0.000000e+000
LMN     :=
LMN_PER :=#TEMP3
QLMN_HLM:=
QLMN_LLM:=
LMN_P   :=
LMN_I   :=
LMN_D   :=
PV      :=
ER      :=
AN    M     56.3
JC    M001
L     #TEMP3
T     DB44.DBW    4  
//PID自动时，将PID输出送到输出存储
L     DB44.DBW    4
T     PQW  522    //调节阀输出
    程序前部分主要是处理设定值、反馈值并送入中间变量，将阀门开度送入PID模块，保证手/自动无扰动切换。
    调用FB41时，要给各参数赋值。为方便调整，重要参数都存在DB块中，用户可在上位机上随时修改。
     从上面的公式中可以看出，参数P(GAIN)与P、I、D作用都是成正比的，它决定了PID回路的灵敏度，即调节速度的快慢;I参数越大，积分作用越弱，而D参数越大，微分作用越强。不能单靠理论计算来确定PID参数，的衡量标准就是被控参数(温度、流量等)的精度和稳定度，所以在实际调试中，都是参照被控参数的实时曲线，反复观察分析，从而达到的控制效果。
4.3  措施
(1) 防止误操作 任何设定值都设有上、下限，即不允许输入“离谱”的数据;重要设备的开、停，都需操作员确认;运行中调整设定值，不能直接输入数据，而是按“+”、“-”键，逐步增减。
(2) 报警功能
每个被控参数都设有上、下限报警值及偏差报警值，当运行数据出这些值时，系统将发出
声光报警，提醒操作者。对于特别重要的参数，变化过快，也在报警之列。
(3) 逻辑连锁 当燃料压力或助燃风压力开关动作时，关闭阀;当被控参数(温度或压力)突变时，关闭阀；当设定值和过程值的偏差大于范围时，相关PID回路切换到手动，以保持输出不变。
5  结束语
    整个控制系统，软件硬件配置和软件设计充分考虑了系统的工艺特点，保护措施完备，操作灵活、控制精度高。