南京科技职业学院 朱丽琴

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。因此，供水过程控制具有实际应用意义。基于PLC和变频器的供水控制系统模拟实际情况下水塔送水，系统配置主要由两个水箱、一个泵以及各个支路上完成不同功能的执行部件和检测元件组成。该系统通过传感器检测当前的压力、流量和液位信号，送入PLC后控制变频器驱动的水泵电机将下水箱中的水输送到上水箱；温度加热器由一温控模块控制。通过变频器控制水泵电机的运行速度，比如当水的液位高度达到设定值后，水泵停止供水。当液位低于设定值后水泵重新工作，给水塔供水。当水需要加热时，给加热丝供电，在达到设定的温度值后会自动停止加热。当温度下降时又会自动加热，如此循环。

1.系统组成及工作原理

1.1 系统组成

供水控制系统主要由流量、压力、液位和温度数据采集处理单元、变频调速单元、各参数显示单元等三部分组成。数据采集处理单元由PLC、AD及DA模块组成，流量、压力、液位和温度显示单元由触摸屏负责，变频调速单元由变频器和水泵电机组合而成。

1.2 系统工作原理

PLC通过AD模块来采集外部的模拟信号，再通过DA模块来输出控制的模拟信号。变频器的控制方式为模拟量控制，模拟信号来自PLC输出的模拟量。变频器通过控制水泵电机转速来达到调速的目的。触摸屏主要功能是实时显示温度、压力、流量及液位情况，同时可以通过触摸屏设定需要的控制值，使用触摸屏可以减少外部按钮的使用量，从而达到减少外部接线的目的。

以流量测控过程为例，其测控模型如图1所示。流量测量首先是由流量变送器来实现的。流量测量的过程就是通过流量变送器将管路的水流量转换成4～20mA电流信号。电流信号是模拟量信号，需要通过A/D转换器转换成数字量信号再输入PLC控制器，PLC可进行PID控制，PID控制即比例、积分、微分控制。流量变送器实时采集的流量值与系统设定值进行比较，差值作为PID模块输入，PID控制算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，PID输出的结果经D/A转换控制执行机构（水泵电机）动作来进行调节和控制，从而实现对流量的闭环控制过程。

压力和液位的测控过程类似于流量测控过程。温度测控过程有所不同。温度变送器将上水箱水温转换成4～20mA电流信号，经FX2N-4AD-PT模块送入PLC，PLC经过比较温度当前值和设定值决定是否需要接通固态继电器，若固态继电器接通则进行加热。一般设定的温度值大于当前水温。

2.系统软硬件设计

供水过程控制系统的被控对象为上下水箱，被控量为压力、流量、液位和温度。位置较低的为供水水箱，包括有进出水口和排水口，位置较高的为回水水箱，包括有进出水口、溢流口及排水口。保护装置包括浮球液位开关、二通电磁阀、单向阀等。检测系统包括超声波传感器、压力变送器、流量变送器和温度变送器。PLC采用三菱公司的FX2N-32MT，该基本单元具有16点输入，16点输出，输出形式为晶体管输出。变频器采用FR-E740-0.75K-CHT，三相电源输入，输出容量0.75KW。触摸屏型号为GT1575-STBA。GT09-C30USB-5P用于个人计算机(USB)与GOT(USB mini-B)之间的连接；SC-09用于触摸屏和PLC间的通讯。

供水过程控制系统数字量输入点有5个，包括上下水箱两个浮球开关、启动、停止及急停按钮；数字量输出点有3个，包括加热、变频器启停、回水阀控制。其中外部接线的按钮控制其实也可以通过触摸屏控件实现。另外模拟量输入端包含液位、压力、流量、温度测量值；模拟量输出端包含变频器控制值。

供水过程控制系统的PLC程序流程图如下图2。

FR-E740-0.75K-CHT变频器主要参数设置如下：

上限频率：Pr.1=50Hz

下限频率：Pr.2=0Hz

基准频率：Pr.3=50Hz

加速时间：Pr.7=3s

减速时间：Pr.8=3s

启动频率：Pr.13=10Hz

操作模式：Pr.79=2（外部运行模式）

3.触摸屏设计及运行监视

图1 流量测控模型

图2 PLC程序流程图

总控制界面【监视切换区】中设置了四个“画面跳转”参数按钮、3个工作指示灯，【设定区】中设置了启动按钮、停止按钮及急停控制按钮、回水阀开关、流量控制开关和压力控制开关。注：压力控制和流量控制不可同时进行。

以流量设计画面为例，设置PID的比例增益、积分时间和微分增益；设定流量目标值，启动“流量控制”；系统开始运行，通过调节参数，观察流量曲线稳定在设定值。运行时“电机运行”指示灯为ON。按下“停止”按钮，系统停止运行。“回水阀”用来手动控制回水电磁阀的开关，程序在自动运行时，该阀可以由程序控制。回水阀打开时，“回水指示”灯为ON。

当变频器参数、PLC程序和触摸屏画面设计均完成后，运行供水过程控制系统，从各参数画面和总控制界面中可以实时了解到系统相关的信息。比如，各参数的当前值，还有变化趋势曲线。通过不断地优化PID参数，达到良好的控制效果。

4.系统调试

通过系统调试来增加整个供水过程控制系统的精度，检验装置是否达到规定的控制要求。

检测和执行部分的调试：检查各个器件是否完好，确定水位在合适的位置，确定每个装置的初始状态。以匀速运行水泵，确定装置不存在漏水现象，检查传感器是否按要求接在对应的模块上。

电气部分的调试：主要检查电器元件是否完好，主电路是否存在短路或漏电现象，控制回路输入输出信号连接是否正确。

系统整体调试：将执行检测部分与电气部分进行连接并正确设置变频器参数。给装置通电并向PLC中写入主程序，在软件中运行监视使用强制运行命令，对程序进行检查，观察程序实时运行状况。按照现场给出的要求将传感器检测值与现场设定值进行比较，利用PID调节减小误差，提高整个装置的精度。记录下每次运行时各传感器的参数，水泵在不同频率下达到一定水位所需要的时间，考虑水泵停止时惯性对水量的影响，根据所得的参数对整个系统进行调试。

5.结论

该系统能够实现无级变频调速，水泵电机的转速能够达到所需的精度，同时使电机在最节能的转速下运行，并且通过触摸屏能够对电机的运行进行实时监控。调试结果表明，该系统可以进行恒定流量控制、恒定压力控制、恒定液位控制和恒定温度控制，达到了控制要求，并且精度较高。在对过程控制系统设计时，对系统稳、快、准都做了全面的调试和验证。例如恒液位控制，采用变频器模拟量控制水泵技术，用超声波液位传感器进行液位定位，可以在较短的时间内达到设定的液位高度（见图1、图2）。