贾东阳 辽宁锦州渤海大学工学院

基于PLC的变频调速恒压控制自动供水系统设计

贾东阳 辽宁锦州渤海大学工学院

随着经济与技术的发展，对PLC的应用不断扩大到各个领域，从生产制造到日常应用，逐渐形成了一系列以PLC为核心的系统。将PLC应用到恒压供水控制系统中，可以实现恒压供水系统的自动控制，降低整套系统的运行及维护费用，并且提高整套系统的安全性和可靠性。PLC在恒压供水控制系统中的应用，具有巨大的经济和社会价值。在此我们以PLC控制技术为核心，采用了德国西门子公司出产的SIMATIC S7-300系列的PLC，并在此基础上结合传感器技术，论述了恒压供水控制系统的软硬件设计方案及其控制原理，实现了恒压供水系统在生活供水时的低恒压运行和消防供水时的高恒压运行之间的自动转换，以及紧急情况或检修时的手动控制。通过软件的仿真运行，说明了所设计的恒压供水控制系统运行可靠，能够满足实际需要。

恒压供水 PLC 变频器 PID控制算法

1 引言

随着技术的不断发展与进步，我们已经可以设计出基于PLC的变频器控制的恒压供水系统，采用PLC控制的变频调速恒压供水系统供水不仅可以提高供水系统的可靠性、节能等优点，同时还可以对系统中的水泵和电机起到很好的保护作用。这些优点在资源日益缺乏的当下是很宝贵的，既减少了供水时的无用消耗，同时在生产时又能节约成本，维护方便，这样又保护了维修人员的人身安全。所以研究设计该系统，不管是对人们的生活水平还是企业的生产效率，还是对社会的节能都有重要的意义。

2 系统原理及模型设计

2.1 系统框图

本文研究的是基于PLC的变频调速恒压控制自动供水系统，通过到图书馆进行相关资料查阅，初步设计了恒压供水系统的构成框图如图1所示：

图1 系统构成框图

2.2 变频调速恒压供水系统概述

恒压供水是在生产生活中的广泛应用。相比传统的水塔和高位水箱的方式，新的变频恒压供水系统设备投资具有更多的优势，系统的稳定性，以及自动化功能。这个泵是一种典型的平方转矩类负载。这意味着它的扭矩与速度成正比，流量与转速成正比，因此功率损耗与速度的立方成正比。当用节流阀的方式的时候，无论在任何位置开启阀门，电机始终工作在额定速度。理想的供水系统应满足阀门开度为80%，此时的转速为n1，功率为P1。在相同的情况下，当谈到变频方式，只有较低的电机转速至80%额定转速，保持阀门全开时能满足供水需求。

3 系统硬件设置

3.1 设备选型及结构

系统选择西门子公司的S7-300系列的PLC，我们学校的实验室装备就是配备了此系列PLC。STEP7 300是模块式PLC，它主要由机架、CPU模块、通信模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块以及编程设备组成。各个模块安装在机架上，PLC可以使用通信模块上的通信接口设备连接到通信网络上，此时连接到网络的PLC便可以与计算机或者其他PLC进行数据交互。

3.1.1 CPU模块

PLC的CPU模块主要由微处理器以及存储器两大部分构成。对于PLC来说，其CPU模块的作用就像人的大脑一般，它能过接受外界信号的输入，完成用户程序的执行，并对执行结果进行刷新输出；而存储器的功能主要是程序和数据的保存。

3.1.2 信号模块

输入(Input)模块和输出(Output)模块一般称为I/O模块，其中包括开关量的输入（DI）、输出(DO)模块和模拟量的输入（AI）、输出（AO）模块。CPU模块一般采用+5V的直流电压作为其内部的工作电压，而其输入、输出信号的电压一般都比较高。

3.1.3 功能模块

功能模块可以扩展PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，同时也可以顺利完成一些实时性要求比较严格的控制任务。

3.1.4 接口模块

如果在应用中所用模块较多，并且已经超过了中央机架的容量，这时就必须扩展一个或者多个机架用来容纳模块，中央机架和扩展机架之间的数据交互就依赖接口模块来完成。

3.1.5 通信处理器

多台PLC之间与远程IO、以及计算机之间进行数据交互时，需要依靠通信处理器来实现，也可以通过创建MPI、PROFIBUS-DP或者工业以太网，然后将PLC连入便可以实现数据通信，也能实现点对点通信等。PLC配置模块统计表如表1所示。

表1 PLC配置模块统计表

图2 变频恒压控制原理图

图3 程序流程图

3.2 变频器选择

变频器在本设计系统中的作用是改变PLC输出信号的频率，使之符合对应的执行机构电机的频率。当然，变频器因为由交流变直流，直流变交流、检测单元、驱动单元等部分组成，所以变频器还可以通过内部检测来判断出电机实际所需电压然后给出相应调整，比如说电机转速达不到既定要求，它就会通过使输出变大，让电机加速，反之，它则减小输出使电机减速。同时，变频器还有保护电路的作用，如一旦电路过载，他就会立即停止工作。现代工业中，变频器成为一种必不可少的基本元件，应用范围十分广泛。本文中所选变频器为ABB变频器中的DCS800系列。该变频器的特点是助手型控制盘可提供对传动的直接控制。所有的ACS800计算机工具(基于DDCS)都可以连接。减少安装和调试时间。可以使用自定义编程和IEC61131编程工具自行编制应用程序。变频恒压控制原理如图2所示：

3.3 压力传感器的选型

压力传感器用于检测管网中的水压，在此设计中因为我们采取水泵出口恒压控制，故将压力传感器装设在泵站的出水口，压力传感器的作用是将水管中的水压变化转变为1～5V或4～20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4～20mA输出压力变送器。同时根据查找到的恒压供水系统出水口压力大小，我们选择了量程为0～2.5MPa的压力变送器。

4 变频恒压供水系统控制流程

在进行具体编程之前，首先要进行的是确定整个系统的控制流程。根据控制流程来设计PLC程序，整个系统都是通过PLC来控制三台电机倒泵或者增泵的。其判断条件就是出水口的压力是否过高或过低以及一台电机是否持续变频运行达到3个小时。当系统起动之后，首先应选择是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，工作人员根据当前的用水量（需要区分用水高峰和低峰期）来操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果选择的是自动运行模式，则系统根据设计的程序及系统出水口的压力的反馈和蓄水池的水位信号的反馈来执行相应的操作。

手动运行模式一般只在应急或检修时临时使用，主要是在系统出错或器件出问题时临时接管对水泵的操作。系统在自动运行模式时，当PLC收到变频器输出的频率上限信号，则系统执行增泵程序，增加一台工频泵使系统不再收到频率上限信号或者三台水泵全开（如果三台水泵全开则输出水压超限报警信号）。相反的当PLC收到变频器输出的频率下限信号，则系统执行减泵程序，减少工频泵的数量。如果PLC没接到信号则系统保持现状，不用做处理。程序流程如图3所示：

5 总结

本文是基于PLC的变频调速恒压供水系统设计，主要研究的是PLC和变频器在恒压供水系统中的应用。基于学习知识以及实践经验有限，最终设计了一套基于PLC的通过变频器调速的控制系统。本系统的工作原理是根据系统出水口压力的变化，反馈给PLC，经过PID控制算法后改变变频器的输出频率，来改变水泵电机的转速，从而保持系统出水口压力稳定。本系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制等优点。

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