PLC在变频恒压供水系统中的应用

摘 要：消防用水是港区生产的重要组成部分，本论文结合我港供水调节站的供用水现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统，给出设计原理、控制系统整体结构，分析控制功能和控制过程，完成可编程控制电路、变频器电路等具体电路设计，设计控制系统的程序框图。以PLC与变频器作为控制核心，结合压力传感器的使用，实现变频调速恒压自动控制供水。软件设计简单，可靠性高，通过现场实践调试，整个系统运行稳定。

关键词：PLC；变频调速；恒压；供水

引 言：随着对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。本文分析变频恒压供水的原理及系统的组成结构，通过研究和比较，采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用数字PID对系统中的恒压控制进行设计。本系统包含三台水泵电机，采用变频器实现消防用水泵的软启动和变频调速。压力传感器检测当前水压信号，经过压力变送器送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。

一、泵房现状

该供水系统，具有消防变频恒压供水方式和生活变频恒压供水方式。消防和生活供水控制系统各自独立。

消防泵控制系统，通过PLC采取一拖三恒压变频控制方式供水，三台消防水泵，平时处于待机状态，当有火灾发生时，水泵按指令启动，供消防用水使用，并按一定的控制逻辑运行，恒压供水。

生活泵控制系统，配备一台生活水泵满足日常应急供水需要。

二、系统控制要求

⑴消防供水恒压运行（设计压力区间0.3-0.4MPa，稳定在0.35MPa，范围可调）。

⑵三台泵根据设计要求，采取先开先停的原则接入和退出。

⑶保护功能（在控制回路中加装微继电器，当供水管网压力超限时，控制系统断电，起到超压保护作用）。

⑷具有手动和自动两种控制功能；手动只在应急或检修时使用。

三、设备型号

⑴西门子变频器MIDI_MASTER_Eco（35KW）

⑵西门子S7-200 PLC（CPU 222 CN）

⑶数字量扩展模块（ EM 222 CN）

⑷压力传感器（连接变频器，实现PID控制）

⑸电接点压力表（总回路超压保护）

四、电气控制系统原理

⑴恒压供水系统工作原理

变频恒压供水系统以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率自动调节水泵电动机的转速，实现管网水压的闭环调节（PID），使供水系统的出口水压自动稳定在设定的压力值，如图1所示。当用水量增加，实际压力比设定压力低时，变频器输出电源的频率会升高，水泵转速加快，供水量增大；当用水量减少，实际压力比设定压力高时，变频器输出电源的频率会降低，水泵转速减慢，供水量减少；当达到设定的压力时，水泵就维持在该频率上运行。

对于多泵恒压供水系统，如果变频水泵达到了额定转速（频率），经过一定时间的判断后，如果管网压力仍低于设定压力，则控制系统会将该水泵切换至工频运行，并变频启动下一台水泵，直至管网压力达到设定压力；如果系统用水量减少，则系统会指令水泵减速运行，当降低到水泵的有效转速后，则正在运行的水泵中最先启动的水泵停止运行，即减少水泵的运行台数，直至管网压力恒定在设定压力范围内。

五、PLC输入输出点及定时器作用

I0.0和I0.1分别连接变频器输出继电器低频和高频输出，作为PLC切换泵的输入信号；I0.2作为自动启动按钮，连接选择开关；I0.3作为电动启动按钮。

Q0.1：一号泵变频启动；Q0.2：一号泵工频启动；Q0.3：二号泵变频启动；Q0.4：二号泵工频启动；Q0.5：三号泵变频启动；Q1.0：三号泵工频启动；Q1.4：变频器启动信号。

TON型：接通延时

定时器T52、T57、T58、T59、T60、T61作为水泵变频转工频运行时的时间延时，防止返送电对变频器产生破坏，设置时间为3S。

定时器T38、T40、T42、T43、T45、T48、T56作为高频信号的延时，设置时间为30S，T47、T51、T53、T54、T55为低频信号的延时，设置时间为2S。

定时器 T39、T41、T44、T46、T49、T50作为增泵时变频延时，与变频器斜坡下降时间（10S）相结合，设置时间为10S，确保变频器完全停机后再启动变频器，同时完成工频自偶降压启动。

六、变频器参数设定表

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e （t）与输出u （t）的关系为：

u（t）=kp（e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt） ；式中积分的上下限分别是0和t。

因此传递函数为：G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）；其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。

在整定PID控制器参数时，可以根据控制器的参数与系统动态性能和稳态性能之间的定性关系，用实验的方法调节控制器的参数。

首先可以采用PI控制器来进行参数调整，D（积分）最后进行调整。为了保证系统的安全，在调试开始时应设置比较保守的参数，比例系数不要太大，积分时间不要太小，以避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况。给出一个阶跃给定信号，根據被控量的输出波形可以获得系统性能的信息。根据PID参数与系统性能的关系，反复调节PID的参数。

如果阶跃响应的超调量太大，经过多次振荡才能稳定或者根本不稳定，应减小比例系数、增大积分时间。如果阶跃响应没有超调量，但是被控量上升过于缓慢，过渡过程时间太长，应按相反的方向调整参数。

如果消除误差的速度较慢，可以适当减小积分时间，增强积分作用。

反复调节比例系数和积分时间，如果超调量仍然较大，可以加入微分控制，微分时间从0逐渐增大，反复调节控制器的比例、积分和微分部分的参数。

根据现场参数设置和设备实际运行稳定性最终确定PID控制中各参数值，完成整定，达到水泵恒压运行的目的。

参考文献：

[1]《S7-200 PLC基础及工程应用》 机械工业出版社.

[2]《零基础学西门子S7-200 PLC》第二版 机械工业出版社.

作者简介：

郑文强，出生年月：1988.01.28，性别：男，民族：汉族，籍贯（精确到市）：山东省烟台栖霞市.