PLC在變頻恒壓供水系統中的應用

周曉旭

（山西機電職業技術學院，山西 長治，046011）

PLC在變頻恒壓供水系統中的應用

周曉旭

（山西機電職業技術學院，山西 長治，046011）

文章介紹了一種基于西門子S7-200PLC和MM440變頻器的恒壓供水系統，PLC將測得的管網的實際壓力值和設定值的偏差經過PID運算后去控制變頻器的輸出頻率，采用變頻器調速方式調節水泵電機的速度和運行的電機臺數，以達到恒壓供水的目的。同時采用MCGS組態軟件實現恒壓供水系統的實時在線監控，有效的提高了系統的便利性。

PLC；變頻；恒壓供水；在線監控

引言

傳統供水方式多采用滿足最大用水負荷來選擇水泵電機，水泵電機24h同一負荷運行，卻沒有考慮用戶用水量是動態變化的這一實際情況。白天用水高峰的時間較短，而晚上用水量少的時間較長，這就造成大量電力、水資源的浪費。因此這種供水方式已逐漸被一種變頻恒壓供水方式所代替。變頻恒壓供水可以根據用戶用水量大小的變化，自動調節水泵電機的運行狀態，以此確保用水量波動時保持水壓恒定。通過PLC的PID運算自動調節水泵電機的運行頻率，實現供水和用水間的動態平衡。同時解決了傳統供水方式存在的效率和自動化程度低，系統可靠性差，水泵長期高速運作，資源浪費嚴重等缺點，并有效的減少了頻繁開停給水泵電機帶來的損害。

1 系統工作原理

恒壓供水是指不管用水量大小，供水管網的水壓保持基本恒定，這樣，既可滿足用戶對用水量的需求，又不使電動機空轉，造成電能的浪費[1]。

為實現恒壓供水，利用壓力傳感器采集管網水壓信號，并將此信號轉化為標準模擬量信號（4～20mA電流信號）后反饋給PLC的模擬量輸入模塊，PLC通過PID控制算法控制變頻器調節供水水泵電機的轉速，同時通過編程實現供水水泵電機數量的增減，以此達到控制管網水壓恒定的目的。恒壓供水系統PID控制原理如圖1所示。

圖1 恒壓供水的PID控制原理圖

電動機驅動水泵將水抽入水池，水壓經過閥門送到壓力傳感器，傳感器將水壓大小轉換成相應的反饋電信號Xf，比較器將反饋信號Xf和給定信號Xi進行比較，得到偏差信號△X(△X=Xi-Xf)。若偏差信號ΔX＞0，表明管網壓力過小，偏差信號經PID運算后輸出增大變頻器輸出頻率的信號，通過加快電機轉速來增大進水量，進而增大管網水壓。若偏差信號ΔX＜0，PID運算后會輸出使變頻器輸出頻率變小的信號，通過減小電動機轉速來減少進水量，以此達到減小管網水壓的目的。如偏差信號ΔX=0，經PID運算后的輸出信號控制變頻器輸出頻率不變，電動機轉速不變，從而保持管網水壓不變。

PID控制算法表達式為

我們可以通過手動調節Kp（比例系數），Ti（積分時間），Td（微分時間）參數來調整系統控制的靈敏度，控制精度和系統的預測性，得到一個穩定的PID控制系統。

2 系統組成

圖2 系統結構示意圖

系統采用西門子S7-200CPU226作為控制器，為實現PID控制外加擴展模塊EM235模擬量模塊，變頻器采用西門子MM440變頻器。人機界面采用昆侖通態的TPC7062TX觸摸屏，為保證和上位機的連接和正常通信，連接之前，需要在上位機安裝MCGS組態軟件。為實時采集水箱壓力信號，需要安裝壓力傳感器。供水泵組由3臺水泵組成。系統組成結構示意圖如圖2所示。

3 系統設計

3.1 系統硬件設計

根據需求，本系統設計了3臺水泵電機，每臺電機均有2個接觸器控制，整個系統配備一個MM440變頻器控制，一個接觸器通過變頻器與電源相聯，另一個接觸器直接連接工頻電源。變頻器一次只能接通一臺電機，通過程序設計實現對各個電機的變頻控制。每臺電機均配熱繼電器做工頻運行時的過載保護。觸摸屏主要作用是遠程啟停系統和監控管網水壓及電機運行狀態，在手動控制時電動機運行頻率通過觸摸屏給定。恒壓供水系統的電氣控制主回路如圖3所示。

圖3 恒壓供水系統的電氣控制主回路圖

3.2 運行方式設計

為提高系統的可靠性和可操作性，設計了手動和自動兩種運行方式。

（1）手動運行

在手動運行方式下，可分別啟動和停止3臺水泵，這種方式供設備檢修時使用，不作為供水時的運行方式。為保護水泵電機，延長電機使用壽命，同時為減少電機啟動時對電網電壓的沖擊，手動控制時電動機也采用變頻器軟啟動的方式。

（2）自動運行

切換到自動運行模式后，按下啟動按鈕，首先接通變頻器和接觸器組，然后通過接觸器KM1觸點的動作把1號水泵電機接入變頻輸出電路，從而實現自動運行時1號水泵電機的軟啟動。壓力傳感器將檢測到的供水管網的水壓信號，轉換成單極性模擬量電信號（4～20mA），并將此信號反饋給PLC的模擬量輸入模塊。PLC處理器將測得的實際值與設定值進行比較，用這個偏差來調整水泵的運行頻率和狀態，執行PID調節控制。如夜間用水量較少時，1號水泵就在變頻器控制下變頻運行。若是白天用水高峰時，變頻器先將1號水泵運行頻率上升到工頻，然后切除對1號水泵的頻率控制，即斷開接觸器KM1，接通接觸器KM2，讓1號水泵在工頻下運行，同時變頻器啟動對2號水泵的變頻控制[2]，即接通接觸器KM3。如果兩臺水泵供水仍然不能達到供水壓力，則將2號水泵升至工頻運行后，變頻器再去變頻啟動3號水泵。本系統根據某小區的用水量設計了三臺泵組，也可以根據實際情況增加水泵機組的水泵數量。在壓力允許的范圍內，按照PID控制器的控制策略，控制變頻器的輸出頻率，通過調節電機轉速和運行臺數達到調節水壓的目的。超出壓力允許范圍的時候，通過PLC程序控制調整水泵運行的臺數，結合對水泵電機的變頻調速，實現調節水壓保持水壓基本恒定。

3.3 系統軟件設計

軟件設計包括觸摸屏監控界面設計和PLC控制程序設計，運用MCGS組態軟件進行監控界面設計，實現運行狀態實時顯示，實時數據數據獲取，故障監控等功能，進而實現系統的監測和控制。觸摸屏通過PC/PPI通信電纜與現場PLC設備進行通信，在上位機完成組態畫面的設計和參數設置后通過USB接口下載到觸摸屏，監控系統軟件結構如圖4所示：

圖4 監控系統軟件結構圖

根據控制要求，要求系統有兩種運行方式：手動和自動，三臺水泵電機根據管網水壓情況在變頻和工頻運行之間切換。主程序設計的思路如圖5所示：

系統梯形圖程序主要由系統初始化主程序、報警子程序、變頻運行子程序/工頻運行子程序、中斷程序組成。PID控制程序采用向導編程完成。

圖5 主程序設計流程圖

4 系統調試及PID參數整定

為保證系統協調工作，我們將PID更新輸出的時間和PLC程序執行的時間設置為相同；為保證獲得實時的壓力過程變量，模擬量輸入模塊采集數據的速度需快于PID指令更新的速度。

在該系統中所采用的編程軟件是STEP7-Micro/WIN V4.0,該版本編程軟件提供了一個PID調節控制面板，同一時間最多可以有8個PID回路同時進行自整定，但若要使用自整定功能，PID編程必須用向導完成[3]。在PID調節控制面板上，首先選擇需要整定的PID回路，先手動將PID調節到穩定狀態，再啟動PID自整定功能，待系統完成整定后會自動將計算好的PID參數顯示出來。為保證系統的穩定性，可以反復重復上訴過程，得到大量的參數組，再分別進行干擾實驗，最后得到系統最佳的PID整定參數。

5 結語

本文討論了基于PLC和變頻器的恒壓供水控制系統，通過一臺變頻器完成對3臺水泵電機的軟啟動及調速控制。采用PID控制算法對水壓進行控制，使系統性能達到了預期的目標，投入使用后，系統自動化程度高，操作控制方便，節能效果明顯，并且有效的節約了了系統的硬件成本。

[1]李麗敏.PLC恒壓供水系統的設計[J].自動化與儀器儀表，2008（1）：17-20，25.

[2]殷佳琳.基于PLC的變頻恒壓供水系統設計[J].控制工程，2014（3）：309-311.

[3]SIEMENS公司.SIMATICS7-200可編程控制器系統手冊[Z].2006.

The Application of PLC in the Frequency Constant and Pressure Water Supply System

ZHOUXiao-xu
(Shanxi Institute ofMechanical and Electrical Engineering,Changzhi 046011,Shanxi)

This paper introduces a kind of constant pressure water supply system based on Siemens S7-200 PLC and MM440 inverter.The deviation of the actual pressure value and the set value will be outputted after PID arithmetic,in order to change the inverter's output frequency.The systemadopts frequencyconversion speed regulatingmeasure toadjust the speed of water pump motor and frequency converter speed control motor running the Numbers,achieve the goal of constant pressure water supply.At the same time the MCGS configuration software was adopted to realize real-time online monitoring of constant pressure water supplysystem,effectivelyimprove the convenience ofthe system.

PLCFrequencyconversion;constant pressure water supply;online monitoring

TP21

A

1671-5004（2017）04-0008-03

2017-03-29

2015年山西省教育科學規劃課題“工業控制技術虛擬設備教學資源研究與開發”（項目編號：GH-14042）

周曉旭（1984-），女，四川成都人，山西機電職業技術學院講師、碩士，研究方向：電氣自動化技術。