PLC在变频恒压供水系统中的应用

周晓旭

（山西机电职业技术学院，山西 长治，046011）

PLC在变频恒压供水系统中的应用

周晓旭

（山西机电职业技术学院，山西 长治，046011）

文章介绍了一种基于西门子S7-200PLC和MM440变频器的恒压供水系统，PLC将测得的管网的实际压力值和设定值的偏差经过PID运算后去控制变频器的输出频率，采用变频器调速方式调节水泵电机的速度和运行的电机台数，以达到恒压供水的目的。同时采用MCGS组态软件实现恒压供水系统的实时在线监控，有效的提高了系统的便利性。

PLC；变频；恒压供水；在线监控

引言

传统供水方式多采用满足最大用水负荷来选择水泵电机，水泵电机24h同一负荷运行，却没有考虑用户用水量是动态变化的这一实际情况。白天用水高峰的时间较短，而晚上用水量少的时间较长，这就造成大量电力、水资源的浪费。因此这种供水方式已逐渐被一种变频恒压供水方式所代替。变频恒压供水可以根据用户用水量大小的变化，自动调节水泵电机的运行状态，以此确保用水量波动时保持水压恒定。通过PLC的PID运算自动调节水泵电机的运行频率，实现供水和用水间的动态平衡。同时解决了传统供水方式存在的效率和自动化程度低，系统可靠性差，水泵长期高速运作，资源浪费严重等缺点，并有效的减少了频繁开停给水泵电机带来的损害。

1 系统工作原理

恒压供水是指不管用水量大小，供水管网的水压保持基本恒定，这样，既可满足用户对用水量的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费[1]。

为实现恒压供水，利用压力传感器采集管网水压信号，并将此信号转化为标准模拟量信号（4～20mA电流信号）后反馈给PLC的模拟量输入模块，PLC通过PID控制算法控制变频器调节供水水泵电机的转速，同时通过编程实现供水水泵电机数量的增减，以此达到控制管网水压恒定的目的。恒压供水系统PID控制原理如图1所示。

图1 恒压供水的PID控制原理图

电动机驱动水泵将水抽入水池，水压经过阀门送到压力传感器，传感器将水压大小转换成相应的反馈电信号Xf，比较器将反馈信号Xf和给定信号Xi进行比较，得到偏差信号△X(△X=Xi-Xf)。若偏差信号ΔX＞0，表明管网压力过小，偏差信号经PID运算后输出增大变频器输出频率的信号，通过加快电机转速来增大进水量，进而增大管网水压。若偏差信号ΔX＜0，PID运算后会输出使变频器输出频率变小的信号，通过减小电动机转速来减少进水量，以此达到减小管网水压的目的。如偏差信号ΔX=0，经PID运算后的输出信号控制变频器输出频率不变，电动机转速不变，从而保持管网水压不变。

PID控制算法表达式为

我们可以通过手动调节Kp（比例系数），Ti（积分时间），Td（微分时间）参数来调整系统控制的灵敏度，控制精度和系统的预测性，得到一个稳定的PID控制系统。

2 系统组成

图2 系统结构示意图

系统采用西门子S7-200CPU226作为控制器，为实现PID控制外加扩展模块EM235模拟量模块，变频器采用西门子MM440变频器。人机界面采用昆仑通态的TPC7062TX触摸屏，为保证和上位机的连接和正常通信，连接之前，需要在上位机安装MCGS组态软件。为实时采集水箱压力信号，需要安装压力传感器。供水泵组由3台水泵组成。系统组成结构示意图如图2所示。

3 系统设计

3.1 系统硬件设计

根据需求，本系统设计了3台水泵电机，每台电机均有2个接触器控制，整个系统配备一个MM440变频器控制，一个接触器通过变频器与电源相联，另一个接触器直接连接工频电源。变频器一次只能接通一台电机，通过程序设计实现对各个电机的变频控制。每台电机均配热继电器做工频运行时的过载保护。触摸屏主要作用是远程启停系统和监控管网水压及电机运行状态，在手动控制时电动机运行频率通过触摸屏给定。恒压供水系统的电气控制主回路如图3所示。

图3 恒压供水系统的电气控制主回路图

3.2 运行方式设计

为提高系统的可靠性和可操作性，设计了手动和自动两种运行方式。

（1）手动运行

在手动运行方式下，可分别启动和停止3台水泵，这种方式供设备检修时使用，不作为供水时的运行方式。为保护水泵电机，延长电机使用寿命，同时为减少电机启动时对电网电压的冲击，手动控制时电动机也采用变频器软启动的方式。

（2）自动运行

切换到自动运行模式后，按下启动按钮，首先接通变频器和接触器组，然后通过接触器KM1触点的动作把1号水泵电机接入变频输出电路，从而实现自动运行时1号水泵电机的软启动。压力传感器将检测到的供水管网的水压信号，转换成单极性模拟量电信号（4～20mA），并将此信号反馈给PLC的模拟量输入模块。PLC处理器将测得的实际值与设定值进行比较，用这个偏差来调整水泵的运行频率和状态，执行PID调节控制。如夜间用水量较少时，1号水泵就在变频器控制下变频运行。若是白天用水高峰时，变频器先将1号水泵运行频率上升到工频，然后切除对1号水泵的频率控制，即断开接触器KM1，接通接触器KM2，让1号水泵在工频下运行，同时变频器启动对2号水泵的变频控制[2]，即接通接触器KM3。如果两台水泵供水仍然不能达到供水压力，则将2号水泵升至工频运行后，变频器再去变频启动3号水泵。本系统根据某小区的用水量设计了三台泵组，也可以根据实际情况增加水泵机组的水泵数量。在压力允许的范围内，按照PID控制器的控制策略，控制变频器的输出频率，通过调节电机转速和运行台数达到调节水压的目的。超出压力允许范围的时候，通过PLC程序控制调整水泵运行的台数，结合对水泵电机的变频调速，实现调节水压保持水压基本恒定。

3.3 系统软件设计

软件设计包括触摸屏监控界面设计和PLC控制程序设计，运用MCGS组态软件进行监控界面设计，实现运行状态实时显示，实时数据数据获取，故障监控等功能，进而实现系统的监测和控制。触摸屏通过PC/PPI通信电缆与现场PLC设备进行通信，在上位机完成组态画面的设计和参数设置后通过USB接口下载到触摸屏，监控系统软件结构如图4所示：

图4 监控系统软件结构图

根据控制要求，要求系统有两种运行方式：手动和自动，三台水泵电机根据管网水压情况在变频和工频运行之间切换。主程序设计的思路如图5所示：

系统梯形图程序主要由系统初始化主程序、报警子程序、变频运行子程序/工频运行子程序、中断程序组成。PID控制程序采用向导编程完成。

图5 主程序设计流程图

4 系统调试及PID参数整定

为保证系统协调工作，我们将PID更新输出的时间和PLC程序执行的时间设置为相同；为保证获得实时的压力过程变量，模拟量输入模块采集数据的速度需快于PID指令更新的速度。

在该系统中所采用的编程软件是STEP7-Micro/WIN V4.0,该版本编程软件提供了一个PID调节控制面板，同一时间最多可以有8个PID回路同时进行自整定，但若要使用自整定功能，PID编程必须用向导完成[3]。在PID调节控制面板上，首先选择需要整定的PID回路，先手动将PID调节到稳定状态，再启动PID自整定功能，待系统完成整定后会自动将计算好的PID参数显示出来。为保证系统的稳定性，可以反复重复上诉过程，得到大量的参数组，再分别进行干扰实验，最后得到系统最佳的PID整定参数。

5 结语

本文讨论了基于PLC和变频器的恒压供水控制系统，通过一台变频器完成对3台水泵电机的软启动及调速控制。采用PID控制算法对水压进行控制，使系统性能达到了预期的目标，投入使用后，系统自动化程度高，操作控制方便，节能效果明显，并且有效的节约了了系统的硬件成本。

[1]李丽敏.PLC恒压供水系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2008（1）：17-20，25.

[2]殷佳琳.基于PLC的变频恒压供水系统设计[J].控制工程，2014（3）：309-311.

[3]SIEMENS公司.SIMATICS7-200可编程控制器系统手册[Z].2006.

The Application of PLC in the Frequency Constant and Pressure Water Supply System

ZHOUXiao-xu
(Shanxi Institute ofMechanical and Electrical Engineering,Changzhi 046011,Shanxi)

This paper introduces a kind of constant pressure water supply system based on Siemens S7-200 PLC and MM440 inverter.The deviation of the actual pressure value and the set value will be outputted after PID arithmetic,in order to change the inverter's output frequency.The systemadopts frequencyconversion speed regulatingmeasure toadjust the speed of water pump motor and frequency converter speed control motor running the Numbers,achieve the goal of constant pressure water supply.At the same time the MCGS configuration software was adopted to realize real-time online monitoring of constant pressure water supplysystem,effectivelyimprove the convenience ofthe system.

PLCFrequencyconversion;constant pressure water supply;online monitoring

TP21

A

1671-5004（2017）04-0008-03

2017-03-29

2015年山西省教育科学规划课题“工业控制技术虚拟设备教学资源研究与开发”（项目编号：GH-14042）

周晓旭（1984-），女，四川成都人，山西机电职业技术学院讲师、硕士，研究方向：电气自动化技术。