摘  要

      此案例介紹了永宏P(guān)LC在恒壓供水項(xiàng)目中的應(yīng)用。永宏P(guān)LC強(qiáng)大的通訊功能、使用人性化的PID指令 、豐富的指令集對(duì)項(xiàng)目的順利實(shí)施起到了至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：Modbus通訊；PID；指令集

一 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1行業(yè)介紹

      供水系統(tǒng)是國(guó)民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而最主要的缺點(diǎn)是水壓不能保持恒定，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù)，它以其獨(dú)特優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于速度控制領(lǐng)域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要，對(duì)恒壓供水壓力有著嚴(yán)格的要求，因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用。作為控制核心的PLC，其良好的邏輯控制功能，強(qiáng)大的通訊性能以及PID演算功能，同樣在起著至關(guān)重要的作用。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運(yùn)行可靠、節(jié)約電能、自動(dòng)化程度高。

1.2客戶需求

      客戶需要永宏P(guān)LC要配合丹佛斯變頻器完成對(duì)三臺(tái)不同功率電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。三臺(tái)電機(jī)的功率分別為15KW，35KW，75KW。每臺(tái)變頻器的控制包括手動(dòng)和自動(dòng)兩種情況，手動(dòng)情況時(shí)，通過外部的模擬量信號(hào)，來控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；自動(dòng)情況時(shí)，根據(jù)壓力設(shè)定值與壓力模擬量采集信號(hào)的PID運(yùn)算結(jié)果，由PLC自動(dòng)切換運(yùn)行處于自動(dòng)狀態(tài)的變頻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在自動(dòng)切換時(shí)要先啟動(dòng)功率小的電機(jī)，后啟動(dòng)功率大的電機(jī)。

1.3解決方案

      在采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水時(shí)，通常有兩種方式，其一是所有水泵配用一臺(tái)變頻器；其二是每臺(tái)水泵配用一臺(tái)變頻器。前種方法的成本低，控制效果穩(wěn)定可靠，但控制程序較復(fù)雜，是恒壓供水通常采用的一種控制方式；后種方法根據(jù)壓力反饋信號(hào)，通過PID運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的，就是一個(gè)閉環(huán)回路，較簡(jiǎn)單，但成本高。由于客戶使用的三臺(tái)電機(jī)功率不同，所以只能采用第二種方法完成預(yù)期的功能。

1.4方案背景

      永宏FBs系列PLC提供軟件數(shù)字化的PID數(shù)學(xué)表達(dá)式，對(duì)于一般反應(yīng)的閉環(huán)回路過程控制足以應(yīng)付所需，在恒壓供水的PID控制中凸顯其功能。永宏開發(fā)的模擬量拓展模板可以使20點(diǎn)以下的主機(jī)拓展模擬量信號(hào)點(diǎn)，12位的精度完全可以滿足采集壓力信號(hào)所需，價(jià)格較低，性能可靠。在達(dá)到設(shè)計(jì)方案所能完成功能的        前提下，永宏系列產(chǎn)品提供了一個(gè)性價(jià)比較高的選擇。

二 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件配置

      恒壓供水是一個(gè)較典型且簡(jiǎn)單的案例，系統(tǒng)的硬件配置較簡(jiǎn)單，其中包括FBs-10MC一臺(tái)，F(xiàn)Bs-CM55一個(gè)，F(xiàn)Bs-B4AD一個(gè)，F(xiàn)D-102一臺(tái)，Danfoss FC300系列變頻器三臺(tái)（15kW,35kW,75kW）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

2.2工藝流程設(shè)計(jì)

      客戶需要每臺(tái)變頻器的控制包括手動(dòng)和自動(dòng)兩種情況，手動(dòng)情況時(shí)，通過外部的模擬量信號(hào)，來控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；自動(dòng)情況時(shí)，根據(jù)壓力設(shè)定值與壓力模擬量采集信號(hào)的PID運(yùn)算結(jié)果，由PLC自動(dòng)切換運(yùn)行處于自動(dòng)狀態(tài)的變頻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。為了滿足客戶的需求，我做了如下的工藝流程設(shè)計(jì)，例如：當(dāng)1號(hào)、3號(hào)設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)，2號(hào)

設(shè)備處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)之后，1號(hào)設(shè)備處于PID控制狀態(tài)，當(dāng)1號(hào)設(shè)備變頻器處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)1分鐘之后，一號(hào)設(shè)備切換到工頻運(yùn)行，3號(hào)設(shè)備進(jìn)入PID控制狀態(tài)。當(dāng)3號(hào)設(shè)備處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)設(shè)定時(shí)間之后，3號(hào)設(shè)備停止運(yùn)行，1號(hào)設(shè)備從工頻運(yùn)行狀態(tài)投切到PID運(yùn)算控制狀態(tài)。在此過程中，處于手動(dòng)狀態(tài)的2號(hào)設(shè)備，不參與此自動(dòng)投切控制。2號(hào)設(shè)備的運(yùn)行頻率，根據(jù)2號(hào)變頻器的模擬量輸入值變化而改變?？刂乒に嚵鞒虉D如下所示。

2.3軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 永宏泛用PID的配置

      我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，根據(jù)反饋定理在管網(wǎng)系統(tǒng)的管理上安裝了壓力變送器作為反饋元件，由于供水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、管徑大，管網(wǎng)的充壓都較慢，故系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，不易直接采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而采用PLC參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。

      在使用永宏P(guān)LC做PID控制時(shí)，需按照手冊(cè)依次填寫程控設(shè)定值緩存器，

PID輸出緩存器，工作緩存器等內(nèi)容，以下是程序中使用的泛用PID指令。

 

2.3.2永宏Modbus通訊指令的配置

      在此恒壓供水系統(tǒng)中，PLC對(duì)變頻器的控制是通過Modbus通訊的方式實(shí)現(xiàn)的，采用通訊的方式比模擬量的方式既簡(jiǎn)便實(shí)用，又降低了成本，提高了可靠性。三臺(tái)變頻器作為永宏P(guān)LC的從站，主站通過輪詢的方式，向三臺(tái)從站發(fā)送控制指令，是從站運(yùn)行在PID控制狀態(tài)，工頻狀態(tài)或手動(dòng)狀態(tài)。

      在使用永宏的Modbus指令時(shí)，首先要配置“Modbus Master表格”，在表格中定義從站的站號(hào)，主站對(duì)從站建立讀操作或?qū)懖僮?，?shù)據(jù)的長(zhǎng)度，從站數(shù)據(jù)的起始地址以及主站數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的起始地址。以下是程序中使用的Modbus通訊指令。

 

2.3.3 FC300變頻器的設(shè)置

      為了能夠使丹佛斯變頻器與三相異步電機(jī)以及PLC控制器配合使用，首先要設(shè)置變頻器的相關(guān)參數(shù)。在變頻器上安裝LCP控制面板，首先根據(jù)使用電機(jī)的參數(shù)錄入變頻器1系列“負(fù)載和電機(jī)”參數(shù)。本例中，變頻器采用通訊的控制方式，所以同樣需要設(shè)定8系列“通訊和選件參數(shù)”，通過以上簡(jiǎn)單的設(shè)置，PLC就可以控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行了。

      永宏P(guān)LC默認(rèn)的通訊參數(shù)為：波特率9600bps，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8Bits，奇偶校驗(yàn)Even，停止位1Bits，在設(shè)置通訊參數(shù)時(shí)，要保持PLC與變頻器的同學(xué)參數(shù)一致，否則不能夠正常通訊。右圖是丹佛斯的LPC控制面板圖。

三 設(shè)備的調(diào)試

3.1設(shè)備的調(diào)試

3.1.1程序邏輯的調(diào)試

      由于客戶要求PLC控制三臺(tái)不同功率的變頻器，每臺(tái)變頻器還可以單獨(dú)設(shè)置手動(dòng)、自動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，先啟動(dòng)功率小的電機(jī)，后啟動(dòng)功率大的

電機(jī)，所以在程序編輯及調(diào)試的時(shí)候要比“一拖三”結(jié)構(gòu)，即一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)功率相同的三相異步電動(dòng)機(jī)的方式繁瑣。

      在程序調(diào)試中，遇到的一個(gè)較棘手的問題是：當(dāng)系統(tǒng)處于PID控制中，PLC對(duì)設(shè)備手動(dòng)、自動(dòng)切換的處理。譬如，一號(hào)設(shè)備處于手動(dòng)狀態(tài)，二號(hào)、三號(hào)設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行之后，PLC先啟動(dòng)二號(hào)電機(jī)，進(jìn)行PID控制，這時(shí)假如一號(hào)設(shè)備被投切到自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)改保持二號(hào)設(shè)備處于PID控制狀態(tài)，還是停止二號(hào)設(shè)備運(yùn)行，啟動(dòng)一號(hào)設(shè)備進(jìn)行PID控制。前者，違背了客戶先啟動(dòng)功率較小電機(jī)的要求；后者使控制效果變差。

      最終我們選擇了后一種方案，在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，遇到手自動(dòng)切換，程序重新從處于自動(dòng)狀態(tài)的功率較小的設(shè)備開始啟動(dòng)。

3.1.2模擬量通道的選擇

      起初，為了節(jié)省成本，壓力模擬量信號(hào)是由變頻器本身讀取的，通過通訊的方式傳送給上位機(jī)PLC，但是考慮到這種方式的可靠性較差，還是通過PLC外拓的模擬量模板來采集現(xiàn)場(chǎng)的壓力信號(hào)，以保證系統(tǒng)的可靠性。

3.2 難點(diǎn)分析

      永宏P(guān)LC人性化、通俗化的編程軟件讓使用者操作起來更簡(jiǎn)單，對(duì)于Modbus通訊、泛用PID的設(shè)置操作起來較簡(jiǎn)單方便。系統(tǒng)的難點(diǎn)在于邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)以及PID參數(shù)的設(shè)置。邏輯關(guān)系的實(shí)現(xiàn)即如程序邏輯調(diào)試中介紹的，不能使客戶的控制工藝要求與控制效果的連續(xù)性同時(shí)得到滿足。對(duì)此，我跟客戶進(jìn)行了溝通，客戶要求首先要滿足控制工藝，對(duì)于設(shè)計(jì)方案中的控制效果，也差強(qiáng)人意。最終，我們采取了以下的控制方案：在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，遇到手自動(dòng)切換，程序重新從處于自動(dòng)狀態(tài)的功率較小的設(shè)備開始啟動(dòng)。

      PID參數(shù)的設(shè)定是控制系統(tǒng)調(diào)試中一個(gè)重要的組成部分，PID整定通常憑借工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)中試驗(yàn)測(cè)試，方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

三 設(shè)備運(yùn)行

3.1設(shè)備運(yùn)行狀況

      經(jīng)過了幾天的調(diào)試，設(shè)備已經(jīng)能夠正常運(yùn)行。按照客戶的需求，處于手動(dòng)狀態(tài)的設(shè)備，能夠根據(jù)外部模擬量信號(hào)的給定，控制水泵的運(yùn)行；處于自動(dòng)狀態(tài)的設(shè)備，能夠在PLC的控制下，從低功率水泵開始啟動(dòng)，經(jīng)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)水壓的恒定。水泵的投切是按照以下的順序：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)壓力采集值小于壓力設(shè)定值時(shí)，經(jīng)由PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高處于PID調(diào)節(jié)狀態(tài)的設(shè)備的輸出功率，或讓當(dāng)前設(shè)備工頻輸出，同時(shí)啟動(dòng)功率更大的水泵；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)壓力采集值大于壓力設(shè)定值時(shí)，經(jīng)由PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，降低處于PID調(diào)節(jié)狀態(tài)的設(shè)備的輸出功率，或投切掉當(dāng)前設(shè)備，經(jīng)PID調(diào)節(jié)功率較小的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)壓力恒定。

3.2客戶反饋

      經(jīng)過了一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，客戶反映永宏P(guān)LC的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)功能基本上滿足預(yù)期的功能，PLC主站與三臺(tái)從站變頻器的通訊以及PLC與文本顯示器的通訊無異常、通訊速率較快，通訊延遲小。總之，客戶對(duì)永宏P(guān)LC優(yōu)良的性能表示肯定。

四 應(yīng)用體會(huì)

      通過此案例，我們了解到永宏P(guān)LC在性能上的一些優(yōu)勢(shì)。1、永宏P(guān)LC有良好的通訊性能，在于多臺(tái)從站的數(shù)據(jù)交換中，無通訊異?，F(xiàn)象，而且通訊速率快，網(wǎng)絡(luò)延遲小。2、永宏P(guān)LC強(qiáng)大的指令集，使程序編寫更人性化，通俗易懂。3、表格設(shè)定使操作更簡(jiǎn)單，在項(xiàng)目中用到了Modbus Master表格，通過此表格作為向?qū)碓O(shè)定Modbus通訊相關(guān)數(shù)據(jù)，使得操作過程更簡(jiǎn)單。4、硬件可靠性高，在設(shè)備的運(yùn)行過程中，PLC持續(xù)運(yùn)行，未出現(xiàn)異常，客戶對(duì)永宏產(chǎn)品硬件性能表示肯定。

五 參考文獻(xiàn)

[1] 范堤商貿(mào)（上海）有限公司. 永宏可編程控制器使用手冊(cè)I【硬件篇&指令篇】. 2010

[2] 范堤商貿(mào)（上海）有限公司. 永宏可編程控制器使用手冊(cè)II【進(jìn)階應(yīng)用篇】. 2010