管网叠压供水控制系统的设计

摘 要：管网叠压供水控制系统的合理设计，对于节约能源、降低成本、提高二次供水的质量都有着非常重要的意义。以控制系统的设计原则为基准，从叠压供水控制系统的特点出发，着重分析了其控制的原理，确立控制方案并对硬件设备进行了合理选型，对控制系统的组成进行分析，最后对控制系统进行程序的设计。

关键词：叠压供水；PID；PLC；变频

1 引言

在市政供水管网压力允许的情况下，管网叠压供水系统取消了水池和高位水箱，从供水管网中直接取水加压，充分利用城市管网的剩余压力，因而节能、环保、减少二次污染。但如果在实际的应用中，控制系统设计不合理或硬件设备选择不当，就实现不了节水节电的目标，并有可能造成更大的浪费。在自动控制技术的高速发展的今天，变频装置和智能型控制器件的功能也愈发强大起来，充分利用这些先进的技术，合理设计管网叠压供水控制系统，对降低成本、提高二次供水质量、节约能源等具有很重要的意义。

2 系统控制原理分析

叠压供水技术是在变频恒压供水的基础上叠加了市政管网的剩余压力，所以其控制系统应为恒压变频控制，其变频控制算法可采用PID控制算法来完成。PID控制以其算法简单，使用方便，适应性好，容易通过简单的软、硬件方式实现的优点成为自动控制的发展史中历史最久、生命力最强的基本控制方式，直到现在仍然是应用比较广泛的基本控制方式之一。为了较好地满足设计要求，保证供水系统出水口压力值的恒定，选用具有PID调节模块的变频器来实现闭环控制。

PID调节控制器：对给定值r（t）和实际输出值y（t）之间的偏差e（t）经比例、积分、微分运算后通过线性组合构成控制量u（t），调节输出，保证偏差e（t）为零，使系统达到稳定状态。其控制原理如下图所示[1]。

PID控制规律为：

其中：KP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

相应的传递函数为：

自从微处理技术进入控制领域，数字技术就代替了传统的模拟技术来实现PID的控制算法，使其更加可靠、灵活。PID控制的数字算法是通过对式（1）进行离散化处理来实现的。

管网出口压力值的恒定是变频恒压供水系统的控制目标，在系统的作用下，实现出水口的实际压力值实时地跟随设定压力值，其中，设定压力值可以是一个常量，也可以是随时间变化的分段函数。其控制原理如下图所示。

上图表明，系统的运行过程中，实际供水压力值与设定压力值之间进行实时比较，从而得到它们之间的压力差，实际压力若小于设定压力的话，差值为正，否则为负。这个压力的差值经过运算以后可以转换成相应的频率变量（增量为正、减量为负），变频器当前应输出的频率等于变频器的输出值加上这个频率变量的值，水泵的转速根据输出频率的值增加或减小，以此来保证供水压力值的恒定。重复执行前述的调节过程，直到实际压力值与设定压力值相等为止。

3 控制方案和硬件设备的选择

系统设计目标是利用控制单元让变频器控制多台水泵，实现管网水压的恒定、水泵的电机“软启动”以及变频与工频的切换，同时还要进行实时的数据传输。分析可知，其控制系统选用PLC+变频器+上位机+压力传感器（变送器）的模式即可满足要求，这种控制方式扩展灵活、通用性强、良好的通信接口使其与其它系统进行数据传输非常方便，一旦控制要求发生变化，可以通过上位机来改变控制程序，修改和现场调试方便[2]。

3.1 PLC的选型

可编程序控制器PLC是一种可以存储程序的控制器，支配控制系统运行的程序存放在存储器中，利用程序来实现逻辑控制，完成控制要求。PLC具有可靠性高、通用性强、功能灵活多样等特点，能够适应各种不同控制任务。

目前，国内外的可编程序控制器PLC产品有几十个系列，上百种型号。在工程实际应用中，常用的有AB公司的RsLogix系列、西门子的S7系列、欧姆龙OMRON系列、三菱的FX2系列等。西门子SIEMENS公司的产品以可靠性高著称，S7-200系列PLC是西门子公司推出的中小型PLC，其硬件设备稳定性好、性价比高，己经成功应用于各种自动化控制、监测、远程控制等的工程实际中。根据叠压供水系统的特点及控制要求，选用西门子S7-200系列PLC，综合分析CPU的参数指标可知，CPU226能更快速地执行逻辑判断、运算、数据处理、中断及子程序调用等操作，故选用之。

3.2 变频器的选型

对于低速运行下负载转矩较小的水泵与风机等平方转矩，选择普通型变频器即可满足要求。一般变频器的容量选择用三个指标来衡量，即额定容量、可用电机功率和额定电流。综合各方面因素及叠压供水系统本身特点，控制系统确定选用西门子MM430变频器。

西门子MM430型变频器的主要技术参数如下[3]：⑴内置PID调节控制器，可用于简单的过程控制；⑵带电位的编程器6个；⑶2个模拟量输入（也可作为第7/8个数字输入端）；⑷2个可编程的模拟输出（0—20mA）；⑸2个可编程的继电器输出：DC 30V/5A（阻性负载下）、AC 250/2A（感性负载下）。

3.3 上位机的选型

用触摸屏来作为上位机，与PC机相比，它具有坚固耐用、节省空间、反应速度快、交互简便等优点。只要用手指轻轻地触碰显示屏上的文字或图形就能进行相应操作，这种技术极大地方便了那些不擅长电脑操作的用户，从而使人机交互变得更为简单、直接。

鉴于PLC和变频器都是选用西门子公司的产品，从兼容性和品质因素等方面考虑，决定采用西门子的K—TP 178 micro，它是S7-200 PLC的专用触摸屏。5.7寸屏幕，蓝色4级灰度显示，拥有友好的操作界面（触摸屏+按键）；系统启动时间和操作响应时间短；可切换5种语言，32种语言支持；鲁棒性高，防冲击、防震动，防水耐脏；ARM7处理器（32位），性能优异；配置软件为WinCC flexible，编程灵活、快捷。

3.4 压力传感器的选择

压力传感器（变送器）是将压力信号变成1～5V/4～20mA的模拟信号量，输入到PLC中。在选择时，为了防止干扰和降低传输过程中的耗损，与PLC和变频器更好的兼容，宜采用4～20mA的标准输出。

4 控制系统的组成和程序设计

4.1 控制系统的组成

根据叠压供水系统的控制特点和所确立的控制方案，可以得到该系统的控制部分组成图，如下图所示[4]：

管网叠压供水的控制系统由变频器（MM430）、PLC（S7-200）、压力传感器及触摸屏（K—TP 178 micro）来完成叠压供水系统的控制和监视部分，其中PLC与变频器为控制系统的核心部件，通过PLC进行逻辑控制，变频器进行压力调节，实现闭环自动调节出口压力恒定，最终达到控制流量的目的。

4.2 控制系统的程序设计

由管网叠压供水系统的控制特点分析可知，其PLC控制系统程序主要包括：系统初始化程序、水泵控制程序（水泵电机启/停子程序、水泵电机变频/工频切换子程序、水泵电机切换子程序）、压力和频率的比较计算程序（模拟量初始化子程序、模拟量数据处理子程序）、启/停程序、报警程序等。其控制系统的程序结构，如下图所示：

由叠压供水的控制系统程序结构图，可清楚了解各主程序与子程序之间的组成和隶属关系，可以对控制程序有更直观、深入的理解，从而更好地完成控制系统的程序设计工作。

根据叠压供水系统的工作原理和控制特点，其控制系统的程序设计流程如下图所示。

从图中我们可以看出，叠压供水系统的初始化完成后，在其运行过程中，检测其实际压力是否小于市政管网压力的下限，如果小于将作报警处理，实时比较实际供水压力与设定压力而得到差值，实际压力若小于设定压力的话，差值为正，否则为负。这个压力的差值经过运算以后可以转换成相应的频率变量（增量为正或减量为负），将其与变频器的输出值相加而成为变频器当前应输出的频率。用该频率控制水泵机组转速，从而保证供水压力的恒定。重复执行前述的调节过程，直到实际压力值与设定压力值相等为止。同时，在运行频率到达上、下限时，变频器会将频率到达信号传送PLC，PLC将据此来作出增泵或减泵处理[4]。

5 结论

本文根据工程实际设计了一套基于PLC的管网叠压供水控制系统，以实现多台水泵的控制和恒压调速。系统采用压力传感器采样管网压力后经过PLC进行PID控制运算处理后传成变频器，通过变频器来调节电机转速从而实现出口恒压供水。总体思路清晰，方法得当，通过验证，取得了较好的效果。

[参考文献]

[1]方桂笋.基于PLC的变频恒压供水系统的设计[D].兰州理工大学.2008.

[2]朱玉堂.压供水系统的研究开发及应用[D]淅江大学.2005.

[3]罗锋华，房驰，程豪.PLC与变频器在恒压供水控制系统中的应用[J].机床电机.2011，4：27-30.

[4]韩杨杨.叠压供水优化设计软件及控制系统的研究[D].南昌大学.2012.