基于組態(tài)和PLC控制的恒壓變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：文章對比分析了恒壓變頻供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)閥門控制供水方式的區(qū)別，通過PLC內(nèi)置的PID運(yùn)算模塊，利用壓力表的水壓反饋值，構(gòu)成了單閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)用水量變化進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，在全流量范圍內(nèi)采用變頻器的調(diào)節(jié)與水泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了有效的節(jié)能恒壓供水。并通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行組態(tài)軟件完成了對供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障報(bào)警。組態(tài)畫面只管，可以顯示壓力測量值、設(shè)定值、PID系數(shù)調(diào)節(jié)等。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；組態(tài)；恒壓供水系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號：TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）35-0045-02

隨著自動控制系統(tǒng)在日常生活中的普及，PLC控制技術(shù)也就越發(fā)的突顯出其穩(wěn)定性與重要性，PLC控制可以使硬件控制與軟件控制得到很好的協(xié)調(diào)，極大的提高了各類控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1 應(yīng)用背景

傳統(tǒng)小區(qū)供水方式有：水塔高位水箱供水、恒速泵加壓供水、氣壓罐供水等供水方式，目前來說，國內(nèi)建筑物中的供水系統(tǒng)大都是單片機(jī)控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在穩(wěn)定性不高，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，不能在中央監(jiān)控室實(shí)時反映等問題，對維修與管理造成諸多不便，難以滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的需求。

采用PLC進(jìn)行控制的恒壓變頻供水系統(tǒng)集電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、變頻技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了水泵電機(jī)的無極調(diào)速，可以根據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量變化時保持水壓恒定，滿足了用戶的用水需求。采用組態(tài)軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，可以讓工作人員在中央監(jiān)控室對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，極大的提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對于提高人民的生活質(zhì)量、降低能耗以及方便操作等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)主要包括了一個水箱、變頻器、電機(jī)控制設(shè)備、系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備、兩臺水泵（一用一備）等部分。PLC通過輸入口讀取壓力傳感器信號，通過PID、比較等運(yùn)算對輸出口的電壓進(jìn)行控制，完成整個系統(tǒng)的操作控制?？刂葡到y(tǒng)如圖1所示。

控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手自動切換，當(dāng)控制模式為自動控制時，為了防止用水量在一臺水泵全速供水量上下變動時出現(xiàn)的兩臺水泵不停切換問題，可設(shè)置壓力切換的“死角區(qū)”。假設(shè)要求的供水水壓為0.5 MPa，當(dāng)M1單獨(dú)運(yùn)行，變頻器工作頻率保持在50 Hz（既M1水泵滿負(fù)荷運(yùn)行）2 min后，可切換為M1水泵直接接入工頻電源工作，M2水泵通過變頻器進(jìn)行補(bǔ)充水壓，如果用水量減少，變頻器工作頻率保持在0 Hz（既M2水泵零負(fù)荷運(yùn)行）2min后，可關(guān)閉M2水泵，切換為M1水泵通過變頻進(jìn)行壓力補(bǔ)充。為保證水泵的使用壽命，設(shè)置M1、M2兩臺水泵相互切換主用、備用狀態(tài)。當(dāng)M2水泵主用M1備用時，運(yùn)行方式與上述一致。該控制在通過變頻器的信號反饋在PLC中進(jìn)行比較控制，當(dāng)反饋信號為32000（字類型數(shù)據(jù)滿值為32767，一般采用32000）時表明是滿負(fù)荷運(yùn)行，反饋信號為50時表明是零負(fù)荷運(yùn)行，用Q0.0～Q0.3 輸出口分別控制KM1～KM4。手動控制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場、遠(yuǎn)程控制，通過一系列按鈕開關(guān)控制。

3 PLC部分

PLC采用西門子S7-200CPU224，擴(kuò)展一塊EM235模塊（1路輸出4路出入模擬量），能夠滿足系統(tǒng)I/O需求，西門子S7系列PLC在穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性上都比較合適。其I/O分配如表1所示。

內(nèi)部采用PID運(yùn)算也就是比例積分微分等控制，是現(xiàn)在應(yīng)用最為普遍的控制方式之一，具有信號反饋、比較功能。PID是通過傳感器或者其他檢測設(shè)備來檢測系統(tǒng)中的參數(shù)，將檢測到的數(shù)值與系統(tǒng)原有的參數(shù)值進(jìn)行比較，從而對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。根據(jù)目標(biāo)值（既設(shè)定值）r（t）與反饋值（既測量值）c（t）構(gòu)成的偏差：e（t）= r（t）- c（t），對偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為：

PID控制器各環(huán)節(jié)的作用主要包括以下方面：

P：比例系數(shù)，將偏差信號成比例放大，偏差一旦產(chǎn)生，控制器經(jīng)過信號比較并邏輯運(yùn)算對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以最大程度上減少系統(tǒng)誤差。在趨勢圖中主要影響波動的大小。

I：積分系數(shù)，消除系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的靜差，以提高系統(tǒng)的誤差度，效果是否明顯主要取決于積分時間常數(shù)。數(shù)值越大，積分作用變?nèi)?；?shù)值越小，積分作用變強(qiáng)。在趨勢圖中主要影響波動的快慢。

D：微分系數(shù)，反應(yīng)偏差信號隨時間變化的變化頻率在系統(tǒng)調(diào)節(jié)時刻選取一個有效的修正信號，可以加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度以減少系統(tǒng)調(diào)試時間。在趨勢圖中主要影響波動的周期。

在系統(tǒng)中如果不想要積分回路，把積分時間系數(shù)設(shè)為無窮大即可，如果不想要微分回路，把微分系數(shù)設(shè)為0即可，如果不想要比例回路，把比例系數(shù)設(shè)置為1即可。

在恒壓變頻供水系統(tǒng)中，按照經(jīng)驗(yàn)公式可以設(shè)置比例系數(shù)為0.25，積分系數(shù)為10Min，微分系數(shù)為0（在調(diào)試過程中可設(shè)置其他值），采樣時間0.2s，再根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整。

4 變頻器設(shè)計(jì)

采用MM420變頻器進(jìn)行控制。

5 組態(tài)界面的設(shè)計(jì)

采用力控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)接口界面，將系統(tǒng)各個參數(shù)傳至監(jiān)控界面，進(jìn)行變速泵切換、水泵運(yùn)行狀態(tài)、恒速泵狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，并通過上位機(jī)對水泵進(jìn)行運(yùn)行＼停止、參數(shù)設(shè)定等控制。

①監(jiān)測功能。主要監(jiān)測對象為水泵運(yùn)行、停止?fàn)顟B(tài)，壓力傳感器數(shù)值，報(bào)警狀態(tài)顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

②參數(shù)設(shè)定功能。對系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行額定值的設(shè)定，如出水口水壓值，上、下限位報(bào)警值，以及PID運(yùn)算的各個參數(shù)。圖3反映了運(yùn)行中設(shè)定值、過程值、調(diào)節(jié)變量之間的關(guān)系，通過該趨勢圖可以對比例系數(shù)、積分時間系數(shù)、微分時間系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在組態(tài)頁面中設(shè)置輸入輸出I/O域，可以讓監(jiān)測人員根據(jù)實(shí)際情況隨時調(diào)整PID中的參數(shù)，以滿足系統(tǒng)的要求。

6 結(jié) 語

將組態(tài)、PLC控制技術(shù)和變頻器相結(jié)合，對傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一套采用PLC控制的恒壓變頻調(diào)速供水系統(tǒng)。與目前單片機(jī)控制的供水系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢：其一，系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行邏輯控制，變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，經(jīng)過PID運(yùn)算，最后通過PLC控制變頻器與工頻電源切換，實(shí)現(xiàn)了單閉環(huán)控制的恒壓供水系統(tǒng)，不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，還有效節(jié)能。其二，采用組態(tài)軟件實(shí)時地反應(yīng)供水系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，且將監(jiān)測與軟件有機(jī)結(jié)合，將系統(tǒng)運(yùn)行情況直觀反應(yīng)到電腦上，可以實(shí)現(xiàn)各個系統(tǒng)的集成控制，而且操作人員也可以通過組態(tài)對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與參數(shù)修整。在小區(qū)以及辦公樓的BA系統(tǒng)中可以廣泛采用。

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