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摘要：本恒压供水系统在以PLC为核心技术。使用CANopen总线调节变频器输出量驱动变频电机，带动水泵工作。PLC控制器将设定压力值和反馈压力值进行PID运算后的结果，发送到CANopen总线上。变频器接收CANopen总线上的设定频率值，调节电机转速，实现恒压供水的目的。
关键词：恒压供水系统；PLC控制器；CANopen总线；变频器；
随着自动化设备的发展，小型的恒压供水站，用于装备，车辆等清洗，成为了一种新的需求。本文旨在阐述一种以CANopen总线为控制手段优化的恒压供水系统设计。现阶段变频器输出的控制方式有多种：1、开关控制方式。通过配置变频器将开关输入信号换算成对应的频率，此种方式不能实现电机转速的连续调节；2、通过输入模拟量控制，配置变频器输入端口，变频器通过将输入模拟量信号线性转换成频率值，此种方法适用于在设备上的操作，对于远程操作不是特别方便。本系统中选择的CANopen总线控制方法，具有以下优点：适用于本地/远程操作、可靠性高、灵活性和兼容性高[1]。本系统是一个小型的恒压供水站设计，水流量小，水压高，使用与清洗污浊设备或车辆。该系统中采用闭环控制方式实现对流量变换引起的水压的检测和控制。控制方式选择广泛适用的PID算法。
1 系统组成和工作原理
1.1系统组成
系统由以下设备组成：PLC型号为ESMTC2612MKBSV10（品牌为EasyController），操作屏型号为MT4300C（品牌为步科），变频器型号为ATV312HD15N4，变频电机，电动阀门，压力变送器型号为KL-GK2-800等。系统结构如图1所示。
图1 系统结构
1.2工作原理
系统上电启动，操作屏，控制器，变频器进行初始化配置。用户通过操作屏，将出水口设定压力值发送到控制器。控制器配置变频器完成且达到运行状态后，控制器输出信号，控制电动阀门开启。控制器软件检测电动阀门开启信号是否反馈到控制器端口。若电动阀门开启不到，则控制器不进行变频器设定频率值PID计算。若电动阀门开启到位，控制器根据压力变送器的反馈信号值进行PID运算，并通过CANopen总线将设定频率值发送给变频器，驱动变频电机控制水泵转速。当本系统中存在进水压力不足或出水压力高保护，控制器将变频器设定频率修改为零。若不存在上述报警，控制器将实时根据操作屏设定出口压力进行PID运算，控制变频器的输出频率值[3]。
2 CANopen总线的实现
2.1 CANopen总线
CANopen是一种完全开放和公共的现场总线协议[2]。它以CAN芯片为基础硬件，与CAN2.0A、CAN2.0B接口公用相同的CAN硬件物理层。因此，本系统使用ESMTC2612MKBSV10型控制器CAN2.0B接口，设计变频器控制的CANopen协议。
控制器软件参照ATV312变频器的SDO服务说明和线性控制模式进行设置。根据上述说明，SDO服务请求地址为：ID 16#60x；SDO服务响应地址为：ID 16#58x。SDO服务请求码和服务响应码解析如表1所示。
表1 SDO服务请求码和服务响应码解析如下表所示
变频器配置SDO服务初始化完成后，需要按照线性控制流程将变频器配置为运行模式。如流程图2中所示。变频器配置完成后，每隔500ms循环发送ID 16#0 发送报文从低到高：x x 0 0 0 0 0 0；ID 16#80 发送报文从低到高：0 0 0 0 0 0 0 0；每隔150ms循环发送ID 16#304报文（此报文中包含变频器的设定频率）。
ID16#0地址内容为NMT状态机制控制，报文内容从低字节到高字节为：命令说明符，节点ID，保留，保留，保留，保留，保留，保留。命令字（CS）符解析如表3所示。
表3 命令字解析
ID16#704地址内容为变频器反馈的NMT信息，报文内容从低字节到高字节为：NMT信息，保留，保留，保留，保留，保留，保留，保留。NMT信息的取值含义为：16#04代表停机；16#05代表运行；16#7F代表预运行。
2.2 软件设计
变频器上电后，控制器软件进入变频器配置程序。控制器软件通过CAN2.0B总线，对变频器的运行参数进行配置。变频器配置流程参照ATV312变频器编程手册。
3 控制器PID运算的实现
本系统软件设计选用增量式PID运算[4]，其离散化计算式为：
uout（t）= uout（t-1）+Δu（t）；Δu（t）= Kp×[e（t）+e（t-1）] + Ki×e（t）+ Kd×[e（t）-2×e（t-2）+ e（t-1）]；
uout（t）——控制器的输出；
Δu（t）——增量；
e（t）——在t采样时刻的控制器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e（t）=r（t）-c（t））；
e（t-1）——在t-1采样时刻的控制器的输入偏差值；
e（t-2）——在t-2采样时刻的控制器的输入偏差值；
Kp——控制器的比例系数；
Ki ——控制器的积分系数；
Kd——控制器的微分系数。
Kp，Ki，Kd为试验摸出的常数。
控制器软件在设计依据上述离散化公式进行编程。但是，在PID算法设计时，考虑到图3中，控制器输出量M（t）到水泵输出水的反馈压力信号C（t）经过了变频器，变频电机，水泵等多个环节，均是有滞后性的设备。由于CANopen总线具有一定的延时性，这种之后滞后性带来的超调现象被放大化。
出现了使用典型的PID运算在设备使用的过程中，多次调解PID系数系统稳定后，但隔段时间系统不启动后，再次启动时，容易超调的现象。虽然系统中水路设计了安全阀泄压，但是噪声较大，而且系统不易稳定。
针对上述问题，设计了一种改进的PID算法，提高系统的稳定度[4]。在设计PID运算输出量uout（t）= uout（t-1）+Δu（t）代码过程中，在计算Δu（t）时，增加判断条件：Δk（t）。Δk（t）为变频电机实际转速t时刻采样和t-1时刻采样差值与设定转速t时刻采样和t-1时刻采样差值的比率。同时，硬件上增加测试齿轮和霍尔式测速传感器。
若比率Δk（t）大于常数a时，Δu（t）=0，即uout（t）= uout（t-1）；若比率Δk（t）小于等于常数a时，uout（t）= uout（t-1）+Δu（t）。常数a（0.2）为试验摸出的常数。
4 结束语
由操作屏，PLC，变频器组成的恒压供水系统，优化了变频器远程/本地控制的优势，可以在远程或本地对变频器实现设定频率的控制[5]。此外，本系统在PID算法中，进行了优化，解决了系统在小流量，压力高时，通过调节PID运算比例，积分，微分系数无法改变超调现象出现的应用问题。系统在实际应用过程中也收到了令用户满意的效果。
参考文献：
[1] 何德颂，汪道友；基于ARM的CANopen现场总线设备通信的研究与实现[J]；自动化技术与应用；2011年第07期；
[2] 郇极，杨斌，魏继光；一种开放式的现场总线协议CANopen[J]；制造业自动化；2002年10期；
[3] 郭宏；步进电动机的闭环控制系统；微电机；1993年第01期；
[4] 南海鹏，贾嵘，邵文；PID算法对水轮机调节系统的稳定域影响；水力发电学报；2004年第06期；
[5]韩鹏；基于组态、变频器与PLC的恒压供水系统的设计；科技展望；2015年第36期；
论文作者:李成铭
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/11
标签：变频器论文; 控制器论文; 总线论文; 系统论文; 供水系统论文; 频率论文; 报文论文; 《基层建设》2018年第23期论文;