西門子PLC和WINCC在污水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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第6章控制策略研究
6.1PID算法
6.1.1PID算法介紹
按偏差的比例、微分、積分進行控制（簡稱PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制技術(shù)。它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便，是在長期的工程實踐中總結(jié)出來的一套控制方法。在工業(yè)控制中由于難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，所以人們往往采用PID控制技術(shù)，根據(jù)經(jīng)驗進行在線調(diào)整，從而得到滿意的控制效果。
6.1.2PID算法在PLC中的實現(xiàn)
考慮到PLC的運算速度，需要對PID算法進行一下轉(zhuǎn)化，特別是積分項的計算。由PID的離散形式方程可知，積分項包括第一次采樣到當(dāng)前采樣時刻的所有誤差；微分項由本次和上次的采樣值決定；而比例項只由本次的采樣值決定。在PLC中要存儲所有的采樣的誤差時不實際的，也是不必要的。因為自第一個采樣時刻開始，每次采樣獲得一個誤差，要由PLC計算一次輸出，所以只需要將上一次的誤差和上一次的積分項存儲。利用數(shù)字計算機的迭代運算，可將PID算式化為遞推形式[3]。簡化形式如下：
在該污水處理系統(tǒng)中，在提升泵、曝氣機、羅茨風(fēng)機、污泥回流泵等多處用到PID控制。所以在S7300PLC中將PID控制程序編制為一個程序塊（FB），為每個需要PID程序控制的設(shè)備建立一個背景數(shù)據(jù)塊（DI），這樣每次PID運算之后的MX將會被保存。PID運算的輸出通過模擬量輸出模塊（AO）輸出到變頻器的控制端，從而實現(xiàn)程序自動控制電動機轉(zhuǎn)速。下面是PID功能塊的程序：
6.2軟起動器一拖三控制
提升泵房有4臺提升泵，其中的三臺采用施耐德ATS4837KW軟起動器，工作在接觸器旁路工作模式，實現(xiàn)一拖三控制。在一拖三級聯(lián)控制系統(tǒng)中，ATS48的運行信號RUN，停止信號STOP和級聯(lián)信號LIC由PLC的繼電器輸出給定。同時，將ATS48的輸出繼電器R1設(shè)置為“r1I（隔離繼電器）”，把邏輯輸入LI3設(shè)置為“LIC（級聯(lián)控制）”。電機主回路控制圖如下圖所示。
圖6.1電機主回路控制圖
圖中1KM1、2KM1、3KM1為電機1#、2#、3#的主接觸器，1KM2、2KM2、3KM2為電機1#、2#、3#的旁路接觸器。下面以電機1為例說明電機的啟動停止過程。
啟動時，按下啟動按鈕，經(jīng)PLC延時后，輸出一個500ms（該時間應(yīng)大于100ms，小于1000ms）的脈沖啟動信號給ATS48的RUN端，軟啟動器被允許啟動，由于產(chǎn)生運行信號，ATS48內(nèi)部繼電器R1吸合，于是主接觸器1KM1合上，ATS48按照設(shè)置的啟動時間啟動；啟動結(jié)束后，ATS48內(nèi)部繼電器R2合上，于是旁路接觸器1KM2合上，此時1KM1和1KM2同時吸合；在較短的一段時間（由ATS48決定）之后，R2在R1之后失電，1KM1斷開，電機繼續(xù)由1KM2供電，完成整個啟動過程。同理可以啟動2#電機和3#電機。
停止時，按下停止按鈕，經(jīng)PLC延時后，輸出一個500ms（該時間應(yīng)大于200ms）的脈沖信號給ATS48的LI3端，軟啟動器級聯(lián)控制被激活，ATS48內(nèi)部繼電器R1、R2吸合（R2為脈沖信號，R1保持閉合直到電機完全停下來），于是主接觸器1KM1吸合，ATS48與正在運行的電機接上；LI3脈沖信號的下降沿經(jīng)PLC延時后，輸出一個500ms（該時間應(yīng)大于100ms）的負(fù)脈沖信號給ATS48的STOP端，ATS48的內(nèi)部繼電器R2斷開，于是旁路接觸器1KM2斷開，ATS48軟啟動器按已設(shè)置的停車時間使電機停車，停車完成后，ATS48內(nèi)部繼電器R1斷開，于是主接觸器1KM1斷開，完成整個停車過程。同理可以停止2#電機和3#電機。
在PLC內(nèi)部，我們設(shè)置一個字節(jié)的變量作為啟動狀態(tài)的標(biāo)志，分別標(biāo)識軟起準(zhǔn)備好、軟起中、軟起完成、完成延時斷開、停止等。同時，對啟動器運行的時間進行計時。如果軟起開始運行后經(jīng)過設(shè)定的時間PLC還沒有收到軟起完成的信號，則認(rèn)為是軟起動器故障。
7結(jié)束語
污水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)涉及到水處理、自動控制、計算機技術(shù)、儀器儀表、電力電子等眾多學(xué)科，是一個復(fù)雜的綜合性領(lǐng)域。本文以污水處理的工藝流程為線索，介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。講述了利用STEP7軟件編程、利用WinCC軟件完成組態(tài)的具體過程。同時，對在污水處理中的控制策略進行了介紹，包括PID算法在PLC中的實現(xiàn)以及一臺軟啟動器拖動三臺電動機的具體實現(xiàn)。
pid控制器相關(guān)文章:pid控制器原理
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