基于S7-1500PLC恒压供水系统设计

赵荣昌，刘子胜，于　鹏河北大学电子信息工程学院

基于S7-1500PLC恒压供水系统设计

赵荣昌，刘子胜，于鹏
河北大学电子信息工程学院

采用S7-1500PLC实现了恒压供水系统的主要控制功能，通过变频调速技术完成对水泵转速的调节。根据相应的控制要求和算法，使用Siemens TIA PORTALV13 SP1版编程软件进行编程，并通过PID工艺块的精确调节，获得了最优整定参数。

S7-1500PLC；恒压供水；PID；变频调速

引言

我国水资源总量丰富，人均不足，是世界上公认的贫水国家之一。另外，水资源的时空分布不均衡，利用效率差更是加剧了我国用水的严峻形势。在这样的背景下，节约用水提高水资源利用效率就显得尤为重要。本文所设计的系统以“供跟随求”为设计理念，用变频调速技术作理论支撑，搭建使用S7-1500PLC的实现平台，以期改变传统供水方式严重浪费水电资源、供水可靠性差、工作稳定性低的缺点。

1　恒压供水系统的工作原理

基于PLC的变频恒压供水系统主要由可编程控制器、变频器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的方框图如图1所示。

图1　恒压供水系统方框图

将压力传感器检测到的管网压力信号，传送给PLC的模拟量输入模块。给定压力值与采集到的实际管网压力进行比较，通过PID工艺块进行运算，经模拟量输出模块输出0-10V电压信号。将输出的电压信号接到变频器的模拟量输入通道，控制变频器的输出频率，从而控制水泵机组的转速，保持供水管道的压力恒定［1］。

2　系统硬件设计

本系统中使用的硬件设备包括S7-1500PLC、MM440变频器、TP700精智面板、MP-55RM水泵机组、4-20mA压力变送器及其他低压电器。系统硬件设计原理图如图2所示。

图2　系统硬件设计原理图

PLC选用西门子公司最新的S7-1500控制器。该控制器可有效降低响应时间和程序扫描周期，提高生产效率，其中CPU位指令处理时间最短可达1ns。使用寿命长，运行时间长达50，000小时。具有较大的存储空间，支持高达2 GB的存储卡，可存储项目数据、归档、配方和相关文档［2］。

3　控制过程和算法实现

PLC是按程序实现控制要求的，基于西门子S7-1500硬件环境，使用Siemens TIA PORTAL V13 SP1版编程软件来完成编程，通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现控制任务。

3.1系统控制过程

本系统以PLC作为主控制器经PID运算来控制变频器进行无级调速，水泵机组的三台水泵根据检测信号工作在工、变频运行模式下。用水量较少时，1号泵随用水需求变频运行。当用水量增加至超过一号泵所能提供的水量上限时，若水压仍未达到设定压力值，1号泵投入工频运行、2号泵变频运行，加泵情况以此类推。用水量减少时，减泵情况相反。

3.2系统控制算法

控制算法采用PID算法进行模拟量闭环控制。该算法结构简单，容易实现，有较强的灵活性和适应性，使用方便。传统的PID调节器算法为:

式中 Kp--比例放大系数 TI-积分时间 TD-微分时间

Kp、TI和TD及三个参数的设定是PID控制算法的关键问题。本系统使用S7-1500自带的PID_Compact指令来实现PID控制，功能块具有参数自调节功能和自动、手动模式，此外还可以通过调试面板进行预调节和精确调节，用趋势视图监视当前的闭环控制。调节完成后可将PID参数上传到项目按钮，将优化后的PID参数上载到项目。实验中，将压力给定值设为量程的50%，经精确调节后，所得参数如表1所示。

表1　精确调节参数

4　人机交互界面的设计

使用TP700精智面板与PLC连接，仍使用Siemens TIA POR⁃TAL V13 SP1软件进行人机界面的设计。在软件中通过定义相关变量和事件函数设置相应的控制按钮，并提供相应故障报警信息等。同时使用棒图和趋势图实时显示压力设定值、管网实际压力值及PID输出值。

5　结束语

本文就供水的实际要求，设计了基于S7-1500PLC的变频恒压供水系统。整个系统实现简单，稳定性和自动化程度高，高效节能。人机交互触摸屏和PLC的有效连接，使操作控制和系统实时监控更加方便。整体看，本次设计实现了对供水系统的最优控制，取得了较好的预期效果。

［1］朱雪凌.基于PLC的变频恒压供水系统的设计［J］.华北水利水电学院学报，2013，（2）.

［2］梁秀璟.吴和乐，解读西门子创新［J］.自动化博览，2013，（4）.

［3］李贵生.基于PLC的恒压供水自动控制系统的设计［J］.山西建筑，2008，（26）.

赵荣昌（1995-），男，汉族，河北邢台人，河北大学电子信息工程学院自动化专业在读本科生。