采用PLC控制的恒压供水系统设计的研究

张福明 李威 王艳苹 许文丽

[摘 要]建筑高层供水系统的稳定性有助于为人们的生活提供便利性，为了对建筑高层供水系统进行较为平稳准确的恒压控制，本文采用PLC设计了一种恒压供水系统。该系统利用PLC作为控制器，通过压力采集器对管网端进行压力采集，并将采集到的压力信号反馈给PLC，PLC根据反馈的压力信号对变频器进行控制，进而对供压水泵的转速进行调节，实现恒压供水。文中对该系统的硬件结构以及软件流程进行了设计。

[关键词]PLC控制;恒压供水;水泵控制;压力调节

[中图分类号]TP273 [文献标识码]A

经济与科技高速发展的当今社会，人们对居住楼层的高度提出了越来越高的要求。高楼层的建筑需要通过增压供水的方式来给住户提供生活用水，由于人们的生活习惯使得人们的用水量因时而异。在用水高峰期时，供水系统需要适当增大供水压力，以保证给住户进行稳定充足的供水量，而在用水低谷期时，则应该适当降低供水压力，以免供水管道承受较大的水压，影响管道寿命以及住户用水稳定度以及流量。因此，供水系统不能一直采用一种固定不变的压力进行供水，而是需要根据用户需求进行动态调节，以实现稳定充足的供水量。

传统的供水增压方式采用的是水塔重力式供水，该方式虽然具有一定的供水效果，但是该方法稳定性很差，而且可控性不理想。随着科技的发展，出现了气压罐供水、单片机控制供水等方法，但这些方法的可靠性较差，而且鲁棒性不强。为了实现供水压力的恒定性，本文设计了一种采用PLC控制的恒压供水系统。将PLC与变频器相结合，通过压力采集器采集管网端实时水压，以目标压力与实时水压偏差为依据，对供水水压进行调节，以实现供水系统自动化，对供水压力进行恒压控制。

1 系统设计

本文所设计的恒压供水系统是以PLC作为控制器，通过压力采集器获取管网端实时水压值，并将该压力值反馈给PLC，PLC再调用内置的PID运算单元，对标定压力与实时压力值进行计算获取控制量。最后PLC通过控制量对变频器进行控制，控制水泵的转速，进而对供水水压进行调节。本文所设计的供水系统架构如图1所示。

2 系统实现

2.1 硬件结构设计

通过本文供水系统的架构图可见，系统硬件是以PLC作为控制器对整个硬件系统进行调控。具体的硬件结构设计图如图2所示。从图2可知，整个硬件结构可分为人机交互单元、主控单元以及信号采集单元和执行单元。系统工作时，操作员通过液晶触摸屏将标定的压力控制需求输入进PLC控制器。同时在系统工作时，操作员还可通过矩阵键盘对系统进行急停、开启等操作。在系统中，管网端实时压力的获取是通过压力采集器实现的，压力采集器获取到管网端压力后，需要对该压力信号进行放大等调理，最终送入PLC控制器。PLC控制器获得实时压力后，将启动其内部的PID运算模块进行计算，获取控制量。PLC控制器再依据控制量对变频器进行调节，进而通过对水泵转速的控制实现对管网端供水压力的调节。

在系统的硬件结构部分，液晶触摸屏以及矩阵键盘组成了人机交互单元，该单元中采用的是7寸工控液晶触摸屏。利用西门子的S7-200系列PLC作为主控单元的控制器。采用MIK-P300型压力采集器以及三极管放大电路等组成的信号调理单元构成了信号采集单元。采用三科 SKIV100A4D0G5D5P-4型变频器以及水泵组成了硬件部分的执行单元。

2.2 软件流程设计

整个软件流程包含了五个功能子程序以及一个主程序。按照功能子程序分为硬件初始化程序、用户标定水压值采集程序、实时水压采集程序以及PID控制程序。各个程序通过参数传递的方式进行通信。本文系统的软件控制流程图如图3所示。从图3可见，主程序首先调用了硬件初始化子程序，并通过用户标定水压值采集子程序获取标定值。然后在通过实时水压采集子程序获取实时水压后，调用PID控制子程序求取控制量。

整个软件控制过程中，PID控制子程序为最为关键的一个部分，其计算出的控制量关系到对供水压力调节的精准度。PID控制子程序中主要是通过PID算法而实现。PID算法是一种常用且稳定的工业控制算法，其表达式为：（下转页）

其中，KP为比例系数、KI为积分系数、KD为微分系数。w（i）可通过标定水压值b（i）与实时水压值a（i）求取：

3 结论

本文采用西门子S7-200系列PLC设计了一种恒压供水系统。该系统在硬件上以西门子S7-200系列PLC为主控器，以标定水压值以及实时水压值为依据，调用PLC内部的PID运算器进行运算，求取控制量。PLC再根据控制量对变频器进行频率控制，从而调节水泵的转速，最终达到对供水水压的调节。该系统在软件上采用了PID算法精准计算控制量，在硬件上采用了西门子S7-200系列PLC为主控器，为PID算法快速准确的计算提供了平台，同时也对变频器进行了快速精确的控制，使得系统的控制效率以及控制精度都得到了提高。

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