1 引言
傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)采用節(jié)流閥控制水流量來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)的水量要求，這種方式容易造成管路壓力波動(dòng)過(guò)大，維護(hù)費(fèi)用增高，而且十分浪費(fèi)電能。以51單片機(jī)為CPU的智能型變頻調(diào)速恒壓供水控制器受到了人們的廣泛關(guān)注，但是，以單片機(jī)為CPU的恒壓供水控制器的可靠性和抗干擾能力仍有待進(jìn)一步提高。現(xiàn)代自來(lái)水廠中先進(jìn)儀表和設(shè)備的大量應(yīng)用對(duì)其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了越來(lái)越高的要求，大多數(shù)制水廠均采用集散控制系統(tǒng)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。特別是隨著近年來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，使得PLC技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)都得到迅速提高，向著更開(kāi)放化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的方向發(fā)展[2][3]。本文采用Rockwell Automation的ControlLogix系列PLC、SLC系列PLC、變頻器及相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)恒壓供水模型監(jiān)控系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)思路及PID閉環(huán)控制，并用軟件給出了最優(yōu)PID整定參數(shù)。
2 系統(tǒng)組成及控制原理
恒壓供水模型監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
所謂恒壓供水，就是采用電機(jī)調(diào)速裝置控制泵組調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)壓力變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)任意設(shè)定供水壓力值，與總管反饋的實(shí)際壓力，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后控制調(diào)速裝置，以調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力，即所謂的“變量恒壓”概念。恒壓供水技術(shù)采用的調(diào)速裝置，基本上都是變頻調(diào)速器。用變頻器控制水泵向管路供水，由水壓傳感器反饋信號(hào)與水壓設(shè)定值在變頻器中構(gòu)成閉環(huán)，以保水泵供水壓力恒定，是目前最好的方法。
系統(tǒng)采用兩臺(tái)160SSC變頻器分別控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，以供水管的壓力作為反饋信號(hào)，根據(jù)壓力值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)及閉環(huán)控制(見(jiàn)圖2)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。具體過(guò)程如下:壓力傳感器將水的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)，SLC5/05的模擬量輸入模塊獲得這個(gè)電流信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量交給處理器，由處理器交給PID程序處理。程序?qū)ID調(diào)節(jié)的輸出通過(guò)DeviceNet傳給160SSC的控制端口，改變變頻器的輸出，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。此時(shí)水循環(huán)回路中的水壓隨之發(fā)生變化，壓力傳感器采集到這些變化，再次交給處理器，由此實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使水壓穩(wěn)定在設(shè)定值附近，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。
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圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)通過(guò)EtherNet、DeviceNet及RS232連接計(jì)算機(jī)、ControlLogix5550、SLC5/05、160SSC變頻器等設(shè)備，運(yùn)用RSLinx、RSNetWorx for DeviceNet及RSView32等軟件組態(tài)系統(tǒng)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)以壓力傳感器測(cè)量水壓，將測(cè)量值反饋給SLC5/05模擬量輸入模塊，同時(shí)，在兩個(gè)水箱中各有一個(gè)浮球繼電器，用于判斷水位是否高出預(yù)設(shè)位置，并由此建立系統(tǒng)報(bào)警記錄。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要包括:ControlLogix5550、SLC5/05、DeviceNet、160SSC等。系統(tǒng)原理如圖1所示。
PC1通過(guò)EtherNet訪問(wèn)到ControlLogix5550(由其1756ENET/A模塊接入EtherNet)，然后通過(guò)其1756DNB/A掃描模塊接入DeviceNet，進(jìn)而訪問(wèn)SLC5/05，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控;PC2通過(guò)設(shè)備網(wǎng)RS-232-C個(gè)人計(jì)算機(jī)接口1770KFD直接接入DeviceNet，實(shí)現(xiàn)就地控制。
3.1 ControlLogix5550控制器
ControlLogix是A-B公司新一代PLC產(chǎn)品，其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)功能為EtherNet/DeviceNet/DH+/Remote I/O/DF1等多種網(wǎng)絡(luò)的互連提供了極大的方便，它把這些網(wǎng)絡(luò)的掃描模塊集中到同一架構(gòu)的不同插槽上，由一臺(tái)控制器來(lái)統(tǒng)一管理，不同網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地址由不同網(wǎng)絡(luò)的掃描模塊決定。
系統(tǒng)中CotrolLogix用作網(wǎng)關(guān)。ControlLogix的1756DNB/A模塊和SLC5/05的1747SDN模塊是不同控制器對(duì)應(yīng)的設(shè)備網(wǎng)掃描模塊，它們工作原理近似。它們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與DeviceNet的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，即從設(shè)備讀入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)到設(shè)備、下載組態(tài)數(shù)據(jù)和監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。
現(xiàn)以1756DNB/A模塊為例介紹它們的工作原理:工作時(shí)，1756DNB/A以一定的方式依次掃描各個(gè)設(shè)備，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)映射到掃描器中與掃描方式相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再轉(zhuǎn)換成ControlLogix能接受的數(shù)據(jù)格式供控制器讀取，這樣就可以將現(xiàn)場(chǎng)總線中各設(shè)備的實(shí)時(shí)信息反饋到控制器，以便根據(jù)程序做出相應(yīng)的反應(yīng)。數(shù)據(jù)經(jīng)ControlLogix處理之后，送到掃描器的與掃描方式相對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，轉(zhuǎn)換為各設(shè)備可以接受的數(shù)據(jù)格式，輸出到各設(shè)備，從而對(duì)其工作進(jìn)行控制。由此可見(jiàn)，控制器只需要讀入、輸出規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，專門(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理;而數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送、緩沖和格式轉(zhuǎn)換則交給掃描器來(lái)負(fù)責(zé)。ControlLogix和掃描器1756DNB/A并行工作也使得控制器的輸出對(duì)輸入的響應(yīng)時(shí)間縮短，有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。這樣即便是像PID指令這種對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的操作也可以收到良好的效果[7]。
3.2 SLC5/05控制器
SLC5/05是A-B公司的小型PLC產(chǎn)品，模塊式硬件結(jié)構(gòu)使得用戶在組態(tài)系統(tǒng)時(shí)具有更高的靈活性，它本身具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和更多的I/O容量，提供豐富的網(wǎng)絡(luò)接口。
SLC5/05的設(shè)備網(wǎng)掃描模塊1747SDN工作原理與ControlLogix的1756DNB/A模塊類似，這里不再贅述。本系統(tǒng)中利用DI輸入模塊1746IB16，將兩個(gè)浮球的狀態(tài)位分別返回到數(shù)字量輸入模塊中。模擬量輸入模塊1746NIO4V有2點(diǎn)輸入和2點(diǎn)輸出輸入可以是電壓信號(hào)(±10V)也可以是電流信號(hào)(±20mA)，可通過(guò)模塊上的DIP開(kāi)關(guān)選擇，本系統(tǒng)中采用的是電流信號(hào)。
3.3 160SSC變頻器
變頻控制的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入頻率的關(guān)系特性，通過(guò)改變供給電機(jī)三相電源的頻率值來(lái)達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻控制器為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部件。
本系統(tǒng)采用A-B公司的Bulletin 160SSC變頻器，其性能可靠，組態(tài)靈活，使用時(shí)需要正確配置控制字。
3.4 DeviceNet總線
DeviceNet是A-B公司自動(dòng)化技術(shù)研究發(fā)展起來(lái)的一種基于CAN技術(shù)的開(kāi)放型、低成本、高性能的通信網(wǎng)絡(luò)，目前已成為底層現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一。DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線體系屬于設(shè)備級(jí)的總線協(xié)議，在協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)中，它只包括ISO開(kāi)放系統(tǒng)七層模型結(jié)構(gòu)中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
DeviceNet為簡(jiǎn)單設(shè)備網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)高性能價(jià)格比的解決方案。它們從各種銷售商的智能傳感器/調(diào)節(jié)裝置中獲取數(shù)據(jù);提供主控/從屬和對(duì)等通信能力。另外，設(shè)備網(wǎng)以控制器局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，定義了一個(gè)介質(zhì)訪問(wèn)控制方法(MAC)以及物理信號(hào)，還提供了冗余循環(huán)檢驗(yàn)(CRC)、錯(cuò)幀檢驗(yàn)、幾種其它錯(cuò)誤檢查方法和保護(hù)機(jī)制。
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DeviceNet是基于生產(chǎn)者/客戶端的網(wǎng)絡(luò)模式。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面:一是基于SLC5/05實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制程序;二是由RSView32組態(tài)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控程序。
在進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)、編程及調(diào)試過(guò)程中，主要用到的軟件有RSLinx、RSLogix500、RSTune、RSNetWorx for DeviceNet及RSView32等，都是A-B公司的軟件產(chǎn)品。
4.1 系統(tǒng)控制流程圖
基于SLC5/05實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制程序主要有三大模塊組成:一是初始化，包括將兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速值賦0，預(yù)設(shè)PID指令偏移量，RSView監(jiān)控界面按鈕初始化等;二是供水調(diào)度控制模塊，除了可以在監(jiān)控界面中人為控制電機(jī)起停外，浮球中的繼電器返回值也可以控制電機(jī)停止及報(bào)警信息，程序中還利用兩個(gè)固定間隔時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器來(lái)模擬水位值以便在監(jiān)控界面中模擬顯示當(dāng)前水位的高低;三是壓力控制模塊，采用PID指令，利用RSTune在線整定實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，實(shí)際控制中發(fā)現(xiàn)打開(kāi)一個(gè)出水閥和打開(kāi)兩個(gè)或三個(gè)出水閥各有一組最優(yōu)整定參數(shù)，因此程序中采用兩組PID控制指令。系統(tǒng)控制流程如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)控制流程圖
4.2 系統(tǒng)監(jiān)控
系統(tǒng)采用A-B公司的RSView32組態(tài)包實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控。RSView32是一種易用的，可集成的，基于組件的人機(jī)界面系統(tǒng)，它提供了建立一個(gè)有效的監(jiān)視以及管理系統(tǒng)所需的全套工具。
在利用RSView32組態(tài)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)，首先要進(jìn)行通道和節(jié)點(diǎn)的配置;其次是創(chuàng)建標(biāo)簽，只有通過(guò)標(biāo)簽才能將設(shè)備中的信號(hào)和RSView32可視界面中的參數(shù)連接起來(lái)，真正達(dá)到對(duì)程序過(guò)程進(jìn)行可視化監(jiān)控的目的;最后是對(duì)界面創(chuàng)建、編輯及對(duì)事件的處理。
系統(tǒng)監(jiān)控界面示意圖及狀態(tài)趨勢(shì)圖如圖4所示。
圖4 恒壓供水模型監(jiān)控系統(tǒng)示意圖及狀態(tài)趨勢(shì)圖
5 系統(tǒng)調(diào)試及PID參數(shù)整定
如上所述，系統(tǒng)采用PID指令及RSTune軟件結(jié)合RSLogix500控制程序在線整定優(yōu)化PID參數(shù)，RSTune是A-B公司的一個(gè)回路整定軟件，可以方便、迅速、準(zhǔn)確地整定PID控制回路，而不必額外的程序代碼。使用RSTune軟件整定參數(shù)時(shí)，需要配合RSLinx以及RSLogix的控制程序。
本項(xiàng)目采用的PID算法為具有相關(guān)增益的標(biāo)準(zhǔn)方程: 
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圖5 整定過(guò)程中的壓力曲線有電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線
圖5(a)表示打開(kāi)一個(gè)出水閥Bias=620、Kc=0.2、Ti=0.1、Td=0.02時(shí)的壓力曲線及電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，圖5(b)表示打開(kāi)兩個(gè)或三個(gè)出水閥而B(niǎo)ias=620、Kc=0.2、Ti=0.1、Td=0.02時(shí)的壓力曲線及電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線;圖5(c)表示打開(kāi)兩個(gè)或三個(gè)出水閥Bias=1000、Kc=0.4、Ti=0.1、Td=0.02時(shí)的壓力曲線及電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。
圖中上面曲線表示壓力曲線，下面曲線表示電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線。
6 結(jié)束語(yǔ)
采用A-B公司的ControlLogix、SLC、變頻器、DeviceNet等軟硬件搭建了恒壓供水模型的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控與就地監(jiān)控相結(jié)合，并通過(guò)編程組態(tài)實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，獲得了滿足要求的控制參數(shù)。系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性及一定的穩(wěn)定性。
由于種種原因，系統(tǒng)中未考慮到CPU熱備冗余(或總線冗余)問(wèn)題，使系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性受到一定的影響[4];采用湊試法的PID整定方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但周期較長(zhǎng)，已有文獻(xiàn)提出并應(yīng)用模糊控制原理進(jìn)行PID控制[5]。