管網疊壓供水控制系統的設計

摘 要：管網疊壓供水控制系統的合理設計，對于節約能源、降低成本、提高二次供水的質量都有著非常重要的意義。以控制系統的設計原則為基準，從疊壓供水控制系統的特點出發，著重分析了其控制的原理，確立控制方案并對硬件設備進行了合理選型，對控制系統的組成進行分析，最后對控制系統進行程序的設計。

關鍵詞：疊壓供水；PID；PLC；變頻

1 引言

在市政供水管網壓力允許的情況下，管網疊壓供水系統取消了水池和高位水箱，從供水管網中直接取水加壓，充分利用城市管網的剩余壓力，因而節能、環保、減少二次污染。但如果在實際的應用中，控制系統設計不合理或硬件設備選擇不當，就實現不了節水節電的目標，并有可能造成更大的浪費。在自動控制技術的高速發展的今天，變頻裝置和智能型控制器件的功能也愈發強大起來，充分利用這些先進的技術，合理設計管網疊壓供水控制系統，對降低成本、提高二次供水質量、節約能源等具有很重要的意義。

2 系統控制原理分析

疊壓供水技術是在變頻恒壓供水的基礎上疊加了市政管網的剩余壓力，所以其控制系統應為恒壓變頻控制，其變頻控制算法可采用PID控制算法來完成。PID控制以其算法簡單，使用方便，適應性好，容易通過簡單的軟、硬件方式實現的優點成為自動控制的發展史中歷史最久、生命力最強的基本控制方式，直到現在仍然是應用比較廣泛的基本控制方式之一。為了較好地滿足設計要求，保證供水系統出水口壓力值的恒定，選用具有PID調節模塊的變頻器來實現閉環控制。

PID調節控制器：對給定值r（t）和實際輸出值y（t）之間的偏差e（t）經比例、積分、微分運算后通過線性組合構成控制量u（t），調節輸出，保證偏差e（t）為零，使系統達到穩定狀態。其控制原理如下圖所示[1]。

PID控制規律為：

其中：KP為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

相應的傳遞函數為：

自從微處理技術進入控制領域，數字技術就代替了傳統的模擬技術來實現PID的控制算法，使其更加可靠、靈活。PID控制的數字算法是通過對式（1）進行離散化處理來實現的。

管網出口壓力值的恒定是變頻恒壓供水系統的控制目標，在系統的作用下，實現出水口的實際壓力值實時地跟隨設定壓力值，其中，設定壓力值可以是一個常量，也可以是隨時間變化的分段函數。其控制原理如下圖所示。

上圖表明，系統的運行過程中，實際供水壓力值與設定壓力值之間進行實時比較，從而得到它們之間的壓力差，實際壓力若小于設定壓力的話，差值為正，否則為負。這個壓力的差值經過運算以后可以轉換成相應的頻率變量（增量為正、減量為負），變頻器當前應輸出的頻率等于變頻器的輸出值加上這個頻率變量的值，水泵的轉速根據輸出頻率的值增加或減小，以此來保證供水壓力值的恒定。重復執行前述的調節過程，直到實際壓力值與設定壓力值相等為止。

3 控制方案和硬件設備的選擇

系統設計目標是利用控制單元讓變頻器控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定、水泵的電機“軟啟動”以及變頻與工頻的切換，同時還要進行實時的數據傳輸。分析可知，其控制系統選用PLC+變頻器+上位機+壓力傳感器（變送器）的模式即可滿足要求，這種控制方式擴展靈活、通用性強、良好的通信接口使其與其它系統進行數據傳輸非常方便，一旦控制要求發生變化，可以通過上位機來改變控制程序，修改和現場調試方便[2]。

3.1 PLC的選型

可編程序控制器PLC是一種可以存儲程序的控制器，支配控制系統運行的程序存放在存儲器中，利用程序來實現邏輯控制，完成控制要求。PLC具有可靠性高、通用性強、功能靈活多樣等特點，能夠適應各種不同控制任務。

目前，國內外的可編程序控制器PLC產品有幾十個系列，上百種型號。在工程實際應用中，常用的有AB公司的RsLogix系列、西門子的S7系列、歐姆龍OMRON系列、三菱的FX2系列等。西門子SIEMENS公司的產品以可靠性高著稱，S7-200系列PLC是西門子公司推出的中小型PLC，其硬件設備穩定性好、性價比高，己經成功應用于各種自動化控制、監測、遠程控制等的工程實際中。根據疊壓供水系統的特點及控制要求，選用西門子S7-200系列PLC，綜合分析CPU的參數指標可知，CPU226能更快速地執行邏輯判斷、運算、數據處理、中斷及子程序調用等操作，故選用之。

3.2 變頻器的選型

對于低速運行下負載轉矩較小的水泵與風機等平方轉矩，選擇普通型變頻器即可滿足要求。一般變頻器的容量選擇用三個指標來衡量，即額定容量、可用電機功率和額定電流。綜合各方面因素及疊壓供水系統本身特點，控制系統確定選用西門子MM430變頻器。

西門子MM430型變頻器的主要技術參數如下[3]：⑴內置PID調節控制器，可用于簡單的過程控制；⑵帶電位的編程器6個；⑶2個模擬量輸入（也可作為第7/8個數字輸入端）；⑷2個可編程的模擬輸出（0—20mA）；⑸2個可編程的繼電器輸出：DC 30V/5A（阻性負載下）、AC 250/2A（感性負載下）。

3.3 上位機的選型

用觸摸屏來作為上位機，與PC機相比，它具有堅固耐用、節省空間、反應速度快、交互簡便等優點。只要用手指輕輕地觸碰顯示屏上的文字或圖形就能進行相應操作，這種技術極大地方便了那些不擅長電腦操作的用戶，從而使人機交互變得更為簡單、直接。

鑒于PLC和變頻器都是選用西門子公司的產品，從兼容性和品質因素等方面考慮，決定采用西門子的K—TP 178 micro，它是S7-200 PLC的專用觸摸屏。5.7寸屏幕，藍色4級灰度顯示，擁有友好的操作界面（觸摸屏+按鍵）；系統啟動時間和操作響應時間短；可切換5種語言，32種語言支持；魯棒性高，防沖擊、防震動，防水耐臟；ARM7處理器（32位），性能優異；配置軟件為WinCC flexible，編程靈活、快捷。

3.4 壓力傳感器的選擇

壓力傳感器（變送器）是將壓力信號變成1～5V/4～20mA的模擬信號量，輸入到PLC中。在選擇時，為了防止干擾和降低傳輸過程中的耗損，與PLC和變頻器更好的兼容，宜采用4～20mA的標準輸出。

4 控制系統的組成和程序設計

4.1 控制系統的組成

根據疊壓供水系統的控制特點和所確立的控制方案，可以得到該系統的控制部分組成圖，如下圖所示[4]：

管網疊壓供水的控制系統由變頻器（MM430）、PLC（S7-200）、壓力傳感器及觸摸屏（K—TP 178 micro）來完成疊壓供水系統的控制和監視部分，其中PLC與變頻器為控制系統的核心部件，通過PLC進行邏輯控制，變頻器進行壓力調節，實現閉環自動調節出口壓力恒定，最終達到控制流量的目的。

4.2 控制系統的程序設計

由管網疊壓供水系統的控制特點分析可知，其PLC控制系統程序主要包括：系統初始化程序、水泵控制程序（水泵電機啟/停子程序、水泵電機變頻/工頻切換子程序、水泵電機切換子程序）、壓力和頻率的比較計算程序（模擬量初始化子程序、模擬量數據處理子程序）、啟/停程序、報警程序等。其控制系統的程序結構，如下圖所示：

由疊壓供水的控制系統程序結構圖，可清楚了解各主程序與子程序之間的組成和隸屬關系，可以對控制程序有更直觀、深入的理解，從而更好地完成控制系統的程序設計工作。

根據疊壓供水系統的工作原理和控制特點，其控制系統的程序設計流程如下圖所示。

從圖中我們可以看出，疊壓供水系統的初始化完成后，在其運行過程中，檢測其實際壓力是否小于市政管網壓力的下限，如果小于將作報警處理，實時比較實際供水壓力與設定壓力而得到差值，實際壓力若小于設定壓力的話，差值為正，否則為負。這個壓力的差值經過運算以后可以轉換成相應的頻率變量（增量為正或減量為負），將其與變頻器的輸出值相加而成為變頻器當前應輸出的頻率。用該頻率控制水泵機組轉速，從而保證供水壓力的恒定。重復執行前述的調節過程，直到實際壓力值與設定壓力值相等為止。同時，在運行頻率到達上、下限時，變頻器會將頻率到達信號傳送PLC，PLC將據此來作出增泵或減泵處理[4]。

5 結論

本文根據工程實際設計了一套基于PLC的管網疊壓供水控制系統，以實現多臺水泵的控制和恒壓調速。系統采用壓力傳感器采樣管網壓力后經過PLC進行PID控制運算處理后傳成變頻器，通過變頻器來調節電機轉速從而實現出口恒壓供水。總體思路清晰，方法得當，通過驗證，取得了較好的效果。

[參考文獻]

[1]方桂筍.基于PLC的變頻恒壓供水系統的設計[D].蘭州理工大學.2008.

[2]朱玉堂.壓供水系統的研究開發及應用[D]淅江大學.2005.

[3]羅鋒華，房馳，程豪.PLC與變頻器在恒壓供水控制系統中的應用[J].機床電機.2011，4：27-30.

[4]韓楊楊.疊壓供水優化設計軟件及控制系統的研究[D].南昌大學.2012.