1 引言
随着城市的迅速发展和居民用水量的上升，一方面传统的恒速泵组切换方式使水压高低不稳，另一方面造成能源浪费使供水系统用电量急剧上升。为提高传统泵组工作供水系统水压的稳定性、节电率和可靠性，本系统采用PID控制变频调速泵的方案，采用Rockwell的软件RSTune来优化PID的参数，结合工业控制网络DeviceNet，在现场运行的实践中达到了预期的效果。
2 系统设计
2.1 总体框架
采用两台A-B的变频器1305分别控制两台电机功率为4kW 的水泵，根据供水母管的压力进行变频控制，实现恒压供水。系统通过DeviceNet网进行远程控制，人机界面由装有RSView软件的个人计算机实现，同时个人计算机还有编辑、下载程序和网络组建的功能，系统框图如图1所示。
2.2 DeviceNet网络介绍及连接
(1) 网络介绍
DeviceNet是Rockwell公司于1994提出的一种总线结构的设备级网络。采用多主工作方式，通讯模式是生产者和客户。传输速率为125～500Kbps，最多可以支持64个节点，支持总线供电和独立供电设备。DeviceNet上的每个设备都可以随时连接和断开。
(2) 网络的连接
系统通过DeviceNet网连接个人计算机、控制器上的扫描模块1747-SDN、变频器1305和网络电源模块。通过模块上的DIP开关为系统内各组件分配节点地址，并用软件RSLinx进行通讯路径的配置，在计算机上用RSnetWorx for DeviceNet软件为扫描模块1747-SDN组态，从而完成对网络的组建。
3 系统主要器件及工作流程
(1) 控制器及输入输出模块部分
本系统采用A-B的SLC5/04可编程控制器作为主控制器，此控制器把支持网络的软硬件内置于处理器模块中，支持DeviceNet网络。在此控制器上加入1747-SDN扫描模块、开关量输入模块1746－IB16、开关量输出模块1746－OB16、模拟量输入模块1746－NIO4V。扫描器1747-SDN能够通过设备网与63个设备网设备通信，从设备读取输入信息，向设备写输出信息和监视设备的运行状态。开关量输入、输出模块分别有 16个输入输出点。模拟量输入模块1746－NIO4V有2点输入和2点输出，输入可以是电压信号（±10V）也可以是电流信号（±20mA），通过模块上的DIP开关选择。在本系统中采用的是电流信号。
(2) 变频器
采用两台1305变频器，通过1203接口接到设备网上，1305变频器具有远程控制和可编程能力，可以带动4kW的电机。
(3) 压力传感器
本系统的最高工作压力为0.5MPa，选用量程为0~1.0MPa的远传压力表，可以得到与压力相对应的电流4~20mA信号。
(4) 人机界面
本系统采用安装有RSView软件的计算机作为显示和控制人机界面。
(5) 工作流程框图
图2 工作流程框图
4 PID、RSTune简介及在系统中的应用
4.1 PID指令及应用
(1) 指令简介
PID控制是过程控制中应用最广泛的一种控制规律。实际运行经验及理论分析充分表明，这种控制规律在对相当多的工业对象进行控制时能够得到较满意的结果。本文的PID控制原理图如图3所示。
在SLC500指令系统中有PID指令。PID指令采用了下列具有相关增益的标准方程：
输出
= 
其中，Kc为控制器增益(比例系数）；1/Ti为复原项（积分系数）；Td为比率项（微分系数）。
(2) PID指令的设置
① 图4显示程序中输入参数地址的PID指令。
控制块（Control Block）是一个文件，是存储指令操作必需的数据。文件长度固定为23个字。过程变量（Process Variable）是存储过程输入值的单元地址。控制变量（Control Variable）是存储PID指令输出单元的地址。
② PID的初始参数设置
P、I、D三个参数是必不可少的，这三个参数映射在23个运行参数字中的特定的三个字上。Loop update指示的参数与time mode的参数有关，因为此PID模块有两种时间工作模式：定时型和中断型。中断型的工作模式由SLC5中的定时中断控制，每扫描一次程序，执行PID模块指令一次，因此这种方式的工作频率很高；定时型的工作方式就是指定PID模块指令执行的间隔时间，即控制了它的工作频率，这种工作方式比中断型灵活，可以根据具体的应用进行改变。如果Time mode指示的是定时型的时间工作方式，Loop update中则是具体设定的间隔时间。在本系统中采用定时型的时间工作方式，Loop update为0.10。参数Control mode指示的是控制方式，也就是误差的计算方式，这里有两种：一种是设定值减去过程变量，另一种为过程变量减去设定值。这个参数的设定只与具体的控制回路有关。本系统采用E=SP-PV。参数PID control则很明确，它是手动与自动切换的控制位。参数块Inputs指示的是有关输入部分的参数，输入PID模块的过程变量的数值范围是0～16 383，它的基本思想是进行二次定标，把输入PID模块的0～16 383之间的数值再转换为表面看来有意义的物理量数值。参数块Flags指示的是一系列的PID模块的状态标志。
4.2 RSTune简介及应用
(1) RSTune参数整定软件
RSTuneTM PID是Rockwell提供的一个回路整定软件，利用它可方便、迅速、准确地整定PID控制回路，无需额外的梯形图编程。使用RSTune软件整定参数时，需要配合RSLinx以及RSLogix中的梯形图程序。通过在RSLinx中建立相应的Topic，在梯形图中使用相关PID指令(在此指令中实现PID参数初值的设定)，这样，程序运行时，各实时值就能够直观地反映在RSTune提供的界面中，便于分析控制系统运行的好坏。同时，RSTune也会根据采集到的数据点自动或者手动地完成对参数的整定。
(2) RSTune的应用
在本系统中首先通过自动寻优的方法，获得较好的PID参数和运行曲线的数据。然后对所得到的数据进行分析和处理，最后对处理后的运行数据用软件进行整定，反复几次以后就可以得到比较理想的PID参数。
在安装RSTune后，先要在RSLinx中建立一个新的工程，在此工程中要完成一个与RSTune工程相应的主题(Topic)的创建。打开RSTune应用程序，在RSLinx Topic中键入前面新建的工程，设定采样时间、控制器类型和PID指令中的地址，注意PID指令中地址的填写要与梯形图中PID指令一致。打开RSLogic500，下载控制程序并运行，此时的PID指令参数根据经验设定为Kp=5、Ti=0.1、Td=0。运行RSTune，选择自动整定(AutoTune)，然后根据提示按步骤进行即可得到自动寻优的参数以及运行曲线。这里要重复几次以得到较好的曲线。注意在设定值改变前应使系统处于稳定状态。得到曲线以后首先要对采集到的有效部分进行处理，有效部分的点数至少要大于33点。为了滤除设定值改变前曲线上的干扰，可以通过Average菜单对这部分曲线的数据求平均值。在曲线上的数据大致相等的部分可以通过Line edit菜单对这部分曲线线性化。对曲线的响应部分可以通过设定滤波类型和时间常数来滤除干扰。在本系统中，笔者选择的是First order滤波方式，时间常数设定为1秒。把寻优方式设定为：Load Tuning－Fastest，安全系数设定为2。对处理后的曲线用RSTune整定后得到一组PID参数：Kp =1.2、Ti=0.1、Td=0.02。把参数下载到PID对应参数中试运行，发现效果比使用前一组参数时有了比较明显的改善。
5 结语
本系统经过调试和现场设备运行，恒压工作稳定，调节效果好，达到了预期的效果。应用SLC500系列PLC的PID功能，配合参数整定软件RSTune可以很方便、快速的对有不同负载的控制系统进行调节。如果再配以工业设备网DeviceNet，对工厂车间级的控制系统有较大的实用价值。
