1  引言
  傳統的供水系統采用節流閥控制水流量來滿足現場的水量要求，這種方式容易造成管路壓力波動過大，維護費用增高，而且十分浪費電能。以51單片機為CPU的智能型變頻調速恒壓供水控制器受到了人們的廣泛關注，但是，以單片機為CPU的恒壓供水控制器的可靠性和抗干擾能力仍有待進一步提高�，F代自來水廠中先進儀表和設備的大量應用對其控制系統的穩定性和可靠性提出了越來越高的要求，大多數制水廠均采用集散控制系統方案來實現。特別是隨著近年來半導體技術、網絡技術、軟件技術等高新技術的發展，使得PLC技術和現場總線技術都得到迅速提高，向著更開放化、標準化、集成化的方向發展^[2][3]。本文采用Rockwell Automation的ControlLogix系列PLC、SLC系列PLC、變頻器及相應軟件設計了一個恒壓供水模型監控系統。文中詳細介紹了系統架構、設計思路及PID閉環控制，并用軟件給出了最優PID整定參數。

2  系統組成及控制原理
  恒壓供水模型監控系統組成如圖1所示。

圖1     系統框圖

  所謂恒壓供水，就是采用電機調速裝置控制泵組調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，在管網壓力變化時達到穩定供水壓力和節能的目的。系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統任意設定供水壓力值，與總管反饋的實際壓力，進行PID調節后控制調速裝置，以調節水泵機組的運行速度，從而調節系統的供水壓力，即所謂的“變量恒壓”概念。恒壓供水技術采用的調速裝置，基本上都是變頻調速器。用變頻器控制水泵向管路供水，由水壓傳感器反饋信號與水壓設定值在變頻器中構成閉環，以保水泵供水壓力恒定，是目前最好的方法。
  系統采用兩臺160SSC變頻器分別控制兩臺電動機，以供水管的壓力作為反饋信號，根據壓力值進行PID調節及閉環控制(見圖2)，實現恒壓供水。具體過程如下:壓力傳感器將水的壓力信號轉換為4～20mA的電流信號，SLC5/05的模擬量輸入模塊獲得這個電流信號后，將其轉換為數字量交給處理器，由處理器交給PID程序處理。程序將PID調節的輸出通過DeviceNet傳給160SSC的控制端口，改變變頻器的輸出，從而改變電機轉速。此時水循環回路中的水壓隨之發生變化，壓力傳感器采集到這些變化，再次交給處理器，由此實現閉環控制，使水壓穩定在設定值附近，實現恒壓供水。

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圖2     閉環控制系統框圖

  系統通過EtherNet、DeviceNet及RS232連接計算機、ControlLogix5550、SLC5/05、160SSC變頻器等設備，運用RSLinx、RSNetWorx for DeviceNet及RSView32等軟件組態系統人機界面，實現遠程監控。系統以壓力傳感器測量水壓，將測量值反饋給SLC5/05模擬量輸入模塊，同時，在兩個水箱中各有一個浮球繼電器，用于判斷水位是否高出預設位置，并由此建立系統報警記錄。

3  系統硬件設計
  系統硬件主要包括:ControlLogix5550、SLC5/05、DeviceNet、160SSC等。系統原理如圖1所示。
  PC1通過EtherNet訪問到ControlLogix5550(由其1756ENET/A模塊接入EtherNet)，然后通過其1756DNB/A掃描模塊接入DeviceNet，進而訪問SLC5/05，實現遠程監控;PC2通過設備網RS-232-C個人計算機接口1770KFD直接接入DeviceNet，實現就地控制。
3.1  ControlLogix5550控制器
  ControlLogix是A-B公司新一代PLC產品，其強大的網絡組態功能為EtherNet/DeviceNet/DH+/Remote I/O/DF1等多種網絡的互連提供了極大的方便，它把這些網絡的掃描模塊集中到同一架構的不同插槽上，由一臺控制器來統一管理，不同網絡中的節點地址由不同網絡的掃描模塊決定。
  系統中CotrolLogix用作網關。ControlLogix的1756DNB/A模塊和SLC5/05的1747SDN模塊是不同控制器對應的設備網掃描模塊，它們工作原理近似。它們通過網絡與DeviceNet的現場設備進行通信，即從設備讀入數據、輸出數據到設備、下載組態數據和監視設備運行狀態等。
  現以1756DNB/A模塊為例介紹它們的工作原理:工作時，1756DNB/A以一定的方式依次掃描各個設備，對其參數進行采樣，并將采集到的數據映射到掃描器中與掃描方式相對應的數據緩沖區，再轉換成ControlLogix能接受的數據格式供控制器讀取，這樣就可以將現場總線中各設備的實時信息反饋到控制器，以便根據程序做出相應的反應。數據經ControlLogix處理之后，送到掃描器的與掃描方式相對應的輸出數據緩沖區，轉換為各設備可以接受的數據格式，輸出到各設備，從而對其工作進行控制。由此可見，控制器只需要讀入、輸出規定格式的數據，專門負責數據處理;而數據的采集、發送、緩沖和格式轉換則交給掃描器來負責。ControlLogix和掃描器1756DNB/A并行工作也使得控制器的輸出對輸入的響應時間縮短，有利于實現實時閉環控制。這樣即便是像PID指令這種對實時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產品，模塊式硬件結構使得用戶在組態系統時具有更高的靈活性，它本身具有更強的數據處理能力和更多的I/O容量，提供豐富的網絡接口。
  SLC5/05的設備網掃描模塊1747SDN工作原理與ControlLogix的1756DNB/A模塊類似，這里不再贅述。本系統中利用DI輸入模塊1746IB16，將兩個浮球的狀態位分別返回到數字量輸入模塊中。模擬量輸入模塊1746NIO4V有2點輸入和2點輸出輸入可以是電壓信號(±10V)也可以是電流信號(±20mA)，可通過模塊上的DIP開關選擇，本系統中采用的是電流信號。
3.3  160SSC變頻器
  變頻控制的基本原理是根據電機轉速與輸入頻率的關系特性，通過改變供給電機三相電源的頻率值來達到改變電機轉速的目的。變頻控制器為變頻調速系統的核心部件。
本系統采用A-B公司的Bulletin 160SSC變頻器，其性能可靠，組態靈活，使用時需要正確配置控制字。
3.4  DeviceNet總線
  DeviceNet是A-B公司自動化技術研究發展起來的一種基于CAN技術的開放型、低成本、高性能的通信網絡，目前已成為底層現場總線標準之一。DeviceNet現場總線體系屬于設備級的總線協議，在協議的分層結構中，它只包括ISO開放系統七層模型結構中的三層，即物理層、數據鏈路層和應用層。
  DeviceNet為簡單設備網絡提供了一個高性能價格比的解決方案。它們從各種銷售商的智能傳感器/調節裝置中獲取數據;提供主控/從屬和對等通信能力。另外，設備網以控制器局域網絡技術為基礎，定義了一個介質訪問控制方法(MAC)以及物理信號，還提供了冗余循環檢驗(CRC)、錯幀檢驗、幾種其它錯誤檢查方法和保護機制。

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  DeviceNet是基于生產者/客戶端的網絡模式。

4  系統軟件設計
  系統軟件設計主要包括兩個方面:一是基于SLC5/05實現的閉環控制程序;二是由RSView32組態實現的監控程序。
  在進行系統組態、編程及調試過程中，主要用到的軟件有RSLinx、RSLogix500、RSTune、RSNetWorx for DeviceNet及RSView32等，都是A-B公司的軟件產品。
4.1  系統控制流程圖
  基于SLC5/05實現的閉環控制程序主要有三大模塊組成:一是初始化，包括將兩臺電機轉速值賦0，預設PID指令偏移量，RSView監控界面按鈕初始化等;二是供水調度控制模塊，除了可以在監控界面中人為控制電機起停外，浮球中的繼電器返回值也可以控制電機停止及報警信息，程序中還利用兩個固定間隔時間內計數的計數器來模擬水位值以便在監控界面中模擬顯示當前水位的高低;三是壓力控制模塊，采用PID指令，利用RSTune在線整定實現閉環控制，實際控制中發現打開一個出水閥和打開兩個或三個出水閥各有一組最優整定參數，因此程序中采用兩組PID控制指令。系統控制流程如圖3所示。

圖3     系統控制流程圖

4.2  系統監控
  系統采用A-B公司的RSView32組態包實現系統監控。RSView32是一種易用的，可集成的，基于組件的人機界面系統，它提供了建立一個有效的監視以及管理系統所需的全套工具。
  在利用RSView32組態實現系統監控時，首先要進行通道和節點的配置;其次是創建標簽，只有通過標簽才能將設備中的信號和RSView32可視界面中的參數連接起來，真正達到對程序過程進行可視化監控的目的;最后是對界面創建、編輯及對事件的處理。
   系統監控界面示意圖及狀態趨勢圖如圖4所示。

圖4     恒壓供水模型監控系統示意圖及狀態趨勢圖

 
5  系統調試及PID參數整定
  如上所述，系統采用PID指令及RSTune軟件結合RSLogix500控制程序在線整定優化PID參數，RSTune是A-B公司的一個回路整定軟件，可以方便、迅速、準確地整定PID控制回路，而不必額外的程序代碼。使用RSTune軟件整定參數時，需要配合RSLinx以及RSLogix的控制程序。
  本項目采用的PID算法為具有相關增益的標準方程: [1]。式中:Output為控制輸出;K_c為比例增益;1/T_i為復位增益(重復次數/分鐘);T_d為比率增益(分鐘);E為偏差(壓力設定值與當前值之差);PV為過程變量(已定標);Bias為輸出補償或前饋(0～4095)。
  由此可見，PID指令的輸出是由比例、積分、微分三部分參數組成的。系統中采用湊試法對PID參數進行整定，基于的原則是:增大比例系數將加快系統響應，過大的比例系數會使系統超調，產生振蕩;增大積分時間有利于減小超調，減小振蕩，使系統更穩定，但系統靜差的消除也隨之減慢;增大微分時間有利于加快響應，使超調量減小，穩定性增強，但系統對擾動的抑制能力隨之減弱。
  調試及整定結果表明:打開一個出水閥和打開兩個或三個出水閥時各有一組最優PID參數，分別為Bias=620、K_c=0.2、T_i=0.1、T_d=0.02及Bias=1000、K_c=0.4、T_i=0.1、T_d=0.02。壓力控制指標:打開一個閥時壓力值3400±20，打開兩個或三個閥時壓力值3400±30，誤差在允許的范圍內。
  整定過程中壓力曲線及電機轉速曲線如圖5所示。

圖5     整定過程中的壓力曲線有電機轉速曲線

  圖5(a)表示打開一個出水閥Bias=620、K_c=0.2、T_i=0.1、T_d=0.02時的壓力曲線及電機轉速曲線，圖5(b)表示打開兩個或三個出水閥而Bias=620、K_c=0.2、T_i=0.1、T_d=0.02時的壓力曲線及電機轉速曲線;圖5(c)表示打開兩個或三個出水閥Bias=1000、K_c=0.4、T_i=0.1、T_d=0.02時的壓力曲線及電機轉速曲線。
  圖中上面曲線表示壓力曲線，下面曲線表示電機轉速曲線。

6  結束語
  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控系統，實現了遠程監控與就地監控相結合，并通過編程組態實現了閉環控制，獲得了滿足要求的控制參數。系統具有良好的可擴展性、可維護性及一定的穩定性。
  由于種種原因，系統中未考慮到CPU熱備冗余(或總線冗余)問題，使系統的安全穩定性受到一定的影響^[4];采用湊試法的PID整定方法簡單實用，但周期較長，已有文獻提出并應用模糊控制原理進行PID控制^[5]。