基于S7-200PLC恒壓供水控制系統設計

劉金茂 李文 唐雅媛 夏余平 高鵬

關鍵詞：恒壓供水;反饋控制系統;PLC;MCGS

0引言

恒壓供水系統可以采用恒速泵加壓、液力耦合器和電池滑差離合器調速、變頻等技術進行控制，但是傳統的控制方法效率低、智能程度低，而PLC變頻技術集成了現代控制技術、電氣技術以及變頻技術為一體。采用該技術可以大大提高供水系統的穩定性，同時又能達到節能的目的。

本文針對恒壓供水系統的特點，結合過程反饋控制原理，設計了基于MCGS設計系統的組態監控程序和PLC為核心的電氣控制體系。實現了供水系統的智能控制，節省了大批的人力成本。

1恒壓供水系統工藝流程

圖1所示為該系統的工藝流程過程，從流程圖可以發現本系統硬件主要有：控制面板（操作臺），1臺PLC，1組接觸器，1臺變頻器，3臺水泵，1組壓力傳感器以及些許輔助部件。為了維修和調節水量方便通常在水泵出口處均會裝設一個手動閥門，其中系統中的3臺水泵通常是進行不同功率的工作從而達到恒壓的作用，管路中的壓力傳感器（一般采用電阻傳感器或者壓力變送器）將系統中的壓力值傳輸至數據處理中心進行數據處理，通過變頻器的輸出將不同信號傳輸至水泵，從而達到水泵的無極調速或穩定調壓的效果。

該恒壓供水系統是由控制系統、執行系統、信號反饋系統、人機交互系統、報警系統組成。其中執行系統由水泵和管網組成;信號反饋系統由水壓信號檢測和報警信號檢測組成;控制系統則由供水控制系統、電控部分和變頻器等組成;人機交互系統使用的是MCGS人機交互系統實現;報警裝置由各種故障預警系統組成，如：水壓預警、電流預警等。

2系統工作過程

系統的接線圖如圖2所示，當空氣開關合上時，供水系統的電源接通并投入使用，此時需要人為選擇需要系統進行自動或者手動運行，并將相應開關置于對應位置，例如將系統置于自動運行情況，此時PLC程序會自動將QF1開關接通，并將信號輸出至變頻器，啟動相應的水泵。啟動后，信號反饋系統將系統的壓力實際值與壓力設定值進行比較，并進行PID調節，將調節后的信號輸出至變頻器控制水泵的流量，從而實現壓力的恒壓控制。當變頻器的運行頻率達到上限值后，系統無法維持恒定壓力后，PLC將根據系統壓力適時的啟動第2臺泵，此時第一臺泵將處于工頻運行，同時PLC此時將對反饋系統進行分析、計算、判斷并通過PID運算進一步控制變頻的運行頻率，促使系統中的壓力保持在壓力設定的上下極限范圍內，達到供水系統的恒壓供水。在這個系統的工作過程中有兩個過程，增泵工作過程和減泵工作過程。

增泵工作過程：本文的增泵順序假設為1號泵、2號泵、3號泵，最開始系統工作是假設首先工作的是1號泵，該泵在PLC控制下由變頻器輸出上限頻率啟動1號泵，當系統中的實際壓力值低于系統設定壓力值時，經過PLC的PID運行后指令變頻器升高輸出頻率，水泵將提高流量輸出增高系統壓力，反之則降低流量降低壓力。但變頻器的頻率輸出已達上限后系統壓力仍然未達預期，此時則要求系統進入一個增泵的過程，此時PLC邏輯控制下會將變頻器與1號泵間的連接斷開，并將1號泵工作情況切至工頻狀態，將2號泵與變頻器相連，促使2號泵進入調頻狀態，之后的工作狀態和1號泵調頻一樣。當然如果2號泵的投入仍然達不到要求，則將3號泵啟動，過程參照上述增泵過程。

減泵工作過程：假定減泵順序依次為3號泵、2號泵、1號泵。當系統3個水泵均處于工作狀態時，1號泵和2號泵工頻運行，3號泵處于變頻輸出，此時系統壓力大于系統壓力設定值時，PLC經過PID運算，將變頻器頻率降低，當頻率降低到變頻器頻率下限值時，將使3好泵處于停機狀態，此時如果實際壓力值仍然高于設定值，此時PLC邏輯控制下將使變頻器切斷與3號泵的連接轉而控制2號泵，以此類推直至系統壓力值處于設定壓力值，此過程即為減泵過程。

3硬件配置及控制程序

3.1PID程序設計

此次系統設計中加入了PID的反饋控制系統，即利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用，再結合P動作就構成了PID控制，其控制原理如圖3所示。

此次使用軟件型控制形式，PID算法在可編程控制器PLC上實現。

3.2程序設計

該系統PLC主要控制的是水泵的工頻及變頻的轉換以及變頻器頻率輸出的具體數字。其程序流程圖如圖4所示。

在系統開機后，系統會自動檢測當前狀態是手動模式或者自動模式（手動模式和自動模式主要是有操作人員手動進行切換），如果處于手動模式則PLC將執行預先輸入的手動模式程序，如果是自動模式則系統進入自動執行程序。通常是執行自動程序，手動模式一般只在系統出錯或檢修時啟動。

在自動運行程序中主要作用是當PID運算后將信號傳輸至變頻器，變頻器根據情況輸出具體頻率，當頻率達到上限值時，執行增泵程序，當頻率達到下限值時，執行減泵程序。若沒有接受到其他信號則保持不變繼續運行。

程序中使用的元器件及其功能如圖5所示。

本文對程序設計只列取自動部分的程序進行說明，如圖6所示。

3.3人機交互設計

本系統使用的是基于MCGS設計系統的一種人機交互模式。人機交互模式首先應該建立工程界面，此次的工程界面建立的是變頻恒壓供水系統;接著定義數據庫，該數據庫是為了和數;據中心進行交換從而獲得實時數據編輯畫面，選中系統窗口圖標并點中“動畫組態”，進入動畫組態窗口，開始編輯畫面;動畫設置，是將動畫與數據庫變量建立聯系，當數據庫變量發生改變時動畫就可以表現出來。即當系統中的壓力發生變化時，動畫可以適時顯示;曲線顯示，對實時監控的數據進行曲線繪制，從而能更好判斷其具體走向趨勢有利于后期控制;設備連接，通過將動畫界面中的對象連接到具體的設備通訊口中，既可以得到具體的數據參數也可以通過動畫直觀顯示出來。具體設計后的效果圖如圖7所示。

以上是本系統的硬件、PID、程序設計及MCGS人機交互界面的設計情況，通過該系統可以實現恒壓供水系統的變頻智能控制。

4結束語

本文采用西門子PLC為現場控制器，實現了恒壓供水系統的變頻智能控制，運行結果表明，通過PLC進行PID調節，根據實際情況將系統所需壓力值輸入本系統中，系統中的PLC將根據實際壓力值與設定壓力值的偏差進行PID運算調整水泵的流量及水泵的數量，實現恒壓供水，使供給水泵始終在高效率下運行，在啟動時壓力波動小，在可控制在給定值范圍內波動。本文同時采用的基于MCGS設計系統的模擬組態畫面能保證操作人員對恒壓供水系統的連續運作進行實時監控。