基于組態和PLC控制的恒壓變頻供水系統設計

摘 要：文章對比分析了恒壓變頻供水系統與傳統閥門控制供水方式的區別，通過PLC內置的PID運算模塊，利用壓力表的水壓反饋值，構成了單閉環控制系統，根據用水量變化進行PID調節，在全流量范圍內采用變頻器的調節與水泵的分級調節相結合，實現了有效的節能恒壓供水。并通過計算機運行組態軟件完成了對供水系統遠程監控和故障報警。組態畫面只管，可以顯示壓力測量值、設定值、PID系數調節等。

關鍵詞：PLC；變頻器；組態；恒壓供水系統；遠程監控

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）35-0045-02

隨著自動控制系統在日常生活中的普及，PLC控制技術也就越發的突顯出其穩定性與重要性，PLC控制可以使硬件控制與軟件控制得到很好的協調，極大的提高了各類控制系統的穩定性與可靠性。

1 應用背景

傳統小區供水方式有：水塔高位水箱供水、恒速泵加壓供水、氣壓罐供水等供水方式，目前來說，國內建筑物中的供水系統大都是單片機控制系統，這種系統存在穩定性不高，系統一旦出現故障，不能在中央監控室實時反映等問題，對維修與管理造成諸多不便，難以滿足當前經濟生活的需求。

采用PLC進行控制的恒壓變頻供水系統集電氣技術、現代控制技術、變頻技術于一體，實現了水泵電機的無極調速，可以根據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量變化時保持水壓恒定，滿足了用戶的用水需求。采用組態軟件對該系統進行監控，可以讓工作人員在中央監控室對現場設備進行實時監控，極大的提高了供水系統的穩定性與可靠性。所以研究設計該系統，對于提高人民的生活質量、降低能耗以及方便操作等方面具有重要的現實意義。

2 系統組成及工作原理

系統主要包括了一個水箱、變頻器、電機控制設備、系統監控設備、兩臺水泵（一用一備）等部分。PLC通過輸入口讀取壓力傳感器信號，通過PID、比較等運算對輸出口的電壓進行控制，完成整個系統的操作控制?？刂葡到y如圖1所示。

控制系統可以實現手自動切換，當控制模式為自動控制時，為了防止用水量在一臺水泵全速供水量上下變動時出現的兩臺水泵不停切換問題，可設置壓力切換的“死角區”。假設要求的供水水壓為0.5 MPa，當M1單獨運行，變頻器工作頻率保持在50 Hz（既M1水泵滿負荷運行）2 min后，可切換為M1水泵直接接入工頻電源工作，M2水泵通過變頻器進行補充水壓，如果用水量減少，變頻器工作頻率保持在0 Hz（既M2水泵零負荷運行）2min后，可關閉M2水泵，切換為M1水泵通過變頻進行壓力補充。為保證水泵的使用壽命，設置M1、M2兩臺水泵相互切換主用、備用狀態。當M2水泵主用M1備用時，運行方式與上述一致。該控制在通過變頻器的信號反饋在PLC中進行比較控制，當反饋信號為32000（字類型數據滿值為32767，一般采用32000）時表明是滿負荷運行，反饋信號為50時表明是零負荷運行，用Q0.0～Q0.3 輸出口分別控制KM1～KM4。手動控制，實現現場、遠程控制，通過一系列按鈕開關控制。

3 PLC部分

PLC采用西門子S7-200CPU224，擴展一塊EM235模塊（1路輸出4路出入模擬量），能夠滿足系統I/O需求，西門子S7系列PLC在穩定性與經濟性上都比較合適。其I/O分配如表1所示。

內部采用PID運算也就是比例積分微分等控制，是現在應用最為普遍的控制方式之一，具有信號反饋、比較功能。PID是通過傳感器或者其他檢測設備來檢測系統中的參數，將檢測到的數值與系統原有的參數值進行比較，從而對系統參數進行調節，最終達到系統穩定運行的目的。根據目標值（既設定值）r（t）與反饋值（既測量值）c（t）構成的偏差：e（t）= r（t）- c（t），對偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構成控制量，對受控對象進行控制，其控制規律為：

PID控制器各環節的作用主要包括以下方面：

P：比例系數，將偏差信號成比例放大，偏差一旦產生，控制器經過信號比較并邏輯運算對參數進行調整，可以最大程度上減少系統誤差。在趨勢圖中主要影響波動的大小。

I：積分系數，消除系統在運行過程中產生的靜差，以提高系統的誤差度，效果是否明顯主要取決于積分時間常數。數值越大，積分作用變弱；數值越小，積分作用變強。在趨勢圖中主要影響波動的快慢。

D：微分系數，反應偏差信號隨時間變化的變化頻率在系統調節時刻選取一個有效的修正信號，可以加快系統的運行速度以減少系統調試時間。在趨勢圖中主要影響波動的周期。

在系統中如果不想要積分回路，把積分時間系數設為無窮大即可，如果不想要微分回路，把微分系數設為0即可，如果不想要比例回路，把比例系數設置為1即可。

在恒壓變頻供水系統中，按照經驗公式可以設置比例系數為0.25，積分系數為10Min，微分系數為0（在調試過程中可設置其他值），采樣時間0.2s，再根據實際現場情況進行調整。

4 變頻器設計

采用MM420變頻器進行控制。

5 組態界面的設計

采用力控組態軟件設計人機接口界面，將系統各個參數傳至監控界面，進行變速泵切換、水泵運行狀態、恒速泵狀態的實時監控，并通過上位機對水泵進行運行＼停止、參數設定等控制。

①監測功能。主要監測對象為水泵運行、停止狀態，壓力傳感器數值，報警狀態顯示，歷史數據查詢等功能。

②參數設定功能。對系統的初始數據參數進行額定值的設定，如出水口水壓值，上、下限位報警值，以及PID運算的各個參數。圖3反映了運行中設定值、過程值、調節變量之間的關系，通過該趨勢圖可以對比例系數、積分時間系數、微分時間系數進行調整，在組態頁面中設置輸入輸出I/O域，可以讓監測人員根據實際情況隨時調整PID中的參數，以滿足系統的要求。

6 結 語

將組態、PLC控制技術和變頻器相結合，對傳統的供水系統進行改進，設計了一套采用PLC控制的恒壓變頻調速供水系統。與目前單片機控制的供水系統相比具有明顯的優勢：其一，系統采用PLC進行邏輯控制，變頻器進行壓力調節，經過PID運算，最后通過PLC控制變頻器與工頻電源切換，實現了單閉環控制的恒壓供水系統，不僅提高了系統穩定性，還有效節能。其二，采用組態軟件實時地反應供水系統的各個環節，且將監測與軟件有機結合，將系統運行情況直觀反應到電腦上，可以實現各個系統的集成控制，而且操作人員也可以通過組態對供水系統進行遠程控制與參數修整。在小區以及辦公樓的BA系統中可以廣泛采用。

參考文獻：

[1] 張扣寶.基于PLC和變頻器控制的恒壓供水系統設計[J].電氣技術，2007，（11）.

[2] 胡漢輝.三維力控組態軟件的應用[J].湖南工業職業技術學院學報，2003，（4）.

[3] 孔亮，王志亮，曹廣芹，等.基于PLC的變頻器—拖四供水控制系統應用[J].可編程控制器與工廠自動化，2007，（10）.

[4] 龍章春.PLC與變頻器在自動恒壓供水教學設備中的應用[J].科技信息，2007，（3）.

[5] 盧光源，楊黎.S7-200在變頻調速恒壓供水系統中的應用[J].現代制造技術與裝備，2007，（1）.