基于PLC的變頻調速恒壓控制自動供水系統設計

賈東陽 遼寧錦州渤海大學工學院

基于PLC的變頻調速恒壓控制自動供水系統設計

賈東陽 遼寧錦州渤海大學工學院

隨著經濟與技術的發展，對PLC的應用不斷擴大到各個領域，從生產制造到日常應用，逐漸形成了一系列以PLC為核心的系統。將PLC應用到恒壓供水控制系統中，可以實現恒壓供水系統的自動控制，降低整套系統的運行及維護費用，并且提高整套系統的安全性和可靠性。PLC在恒壓供水控制系統中的應用，具有巨大的經濟和社會價值。在此我們以PLC控制技術為核心，采用了德國西門子公司出產的SIMATIC S7-300系列的PLC，并在此基礎上結合傳感器技術，論述了恒壓供水控制系統的軟硬件設計方案及其控制原理，實現了恒壓供水系統在生活供水時的低恒壓運行和消防供水時的高恒壓運行之間的自動轉換，以及緊急情況或檢修時的手動控制。通過軟件的仿真運行，說明了所設計的恒壓供水控制系統運行可靠，能夠滿足實際需要。

恒壓供水 PLC 變頻器 PID控制算法

1 引言

隨著技術的不斷發展與進步，我們已經可以設計出基于PLC的變頻器控制的恒壓供水系統，采用PLC控制的變頻調速恒壓供水系統供水不僅可以提高供水系統的可靠性、節能等優點，同時還可以對系統中的水泵和電機起到很好的保護作用。這些優點在資源日益缺乏的當下是很寶貴的，既減少了供水時的無用消耗，同時在生產時又能節約成本，維護方便，這樣又保護了維修人員的人身安全。所以研究設計該系統，不管是對人們的生活水平還是企業的生產效率，還是對社會的節能都有重要的意義。

2 系統原理及模型設計

2.1 系統框圖

本文研究的是基于PLC的變頻調速恒壓控制自動供水系統，通過到圖書館進行相關資料查閱，初步設計了恒壓供水系統的構成框圖如圖1所示：

圖1 系統構成框圖

2.2 變頻調速恒壓供水系統概述

恒壓供水是在生產生活中的廣泛應用。相比傳統的水塔和高位水箱的方式，新的變頻恒壓供水系統設備投資具有更多的優勢，系統的穩定性，以及自動化功能。這個泵是一種典型的平方轉矩類負載。這意味著它的扭矩與速度成正比，流量與轉速成正比，因此功率損耗與速度的立方成正比。當用節流閥的方式的時候，無論在任何位置開啟閥門，電機始終工作在額定速度。理想的供水系統應滿足閥門開度為80%，此時的轉速為n1，功率為P1。在相同的情況下，當談到變頻方式，只有較低的電機轉速至80%額定轉速，保持閥門全開時能滿足供水需求。

3 系統硬件設置

3.1 設備選型及結構

系統選擇西門子公司的S7-300系列的PLC，我們學校的實驗室裝備就是配備了此系列PLC。STEP7 300是模塊式PLC，它主要由機架、CPU模塊、通信模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊以及編程設備組成。各個模塊安裝在機架上，PLC可以使用通信模塊上的通信接口設備連接到通信網絡上，此時連接到網絡的PLC便可以與計算機或者其他PLC進行數據交互。

3.1.1 CPU模塊

PLC的CPU模塊主要由微處理器以及存儲器兩大部分構成。對于PLC來說，其CPU模塊的作用就像人的大腦一般，它能過接受外界信號的輸入，完成用戶程序的執行，并對執行結果進行刷新輸出；而存儲器的功能主要是程序和數據的保存。

3.1.2 信號模塊

輸入(Input)模塊和輸出(Output)模塊一般稱為I/O模塊，其中包括開關量的輸入（DI）、輸出(DO)模塊和模擬量的輸入（AI）、輸出（AO）模塊。CPU模塊一般采用+5V的直流電壓作為其內部的工作電壓，而其輸入、輸出信號的電壓一般都比較高。

3.1.3 功能模塊

功能模塊可以擴展PLC的功能，擴大其應用領域，減輕CPU的負擔，同時也可以順利完成一些實時性要求比較嚴格的控制任務。

3.1.4 接口模塊

如果在應用中所用模塊較多，并且已經超過了中央機架的容量，這時就必須擴展一個或者多個機架用來容納模塊，中央機架和擴展機架之間的數據交互就依賴接口模塊來完成。

3.1.5 通信處理器

多臺PLC之間與遠程IO、以及計算機之間進行數據交互時，需要依靠通信處理器來實現，也可以通過創建MPI、PROFIBUS-DP或者工業以太網，然后將PLC連入便可以實現數據通信，也能實現點對點通信等。PLC配置模塊統計表如表1所示。

表1 PLC配置模塊統計表

圖2 變頻恒壓控制原理圖

圖3 程序流程圖

3.2 變頻器選擇

變頻器在本設計系統中的作用是改變PLC輸出信號的頻率，使之符合對應的執行機構電機的頻率。當然，變頻器因為由交流變直流，直流變交流、檢測單元、驅動單元等部分組成，所以變頻器還可以通過內部檢測來判斷出電機實際所需電壓然后給出相應調整，比如說電機轉速達不到既定要求，它就會通過使輸出變大，讓電機加速，反之，它則減小輸出使電機減速。同時，變頻器還有保護電路的作用，如一旦電路過載，他就會立即停止工作。現代工業中，變頻器成為一種必不可少的基本元件，應用范圍十分廣泛。本文中所選變頻器為ABB變頻器中的DCS800系列。該變頻器的特點是助手型控制盤可提供對傳動的直接控制。所有的ACS800計算機工具(基于DDCS)都可以連接。減少安裝和調試時間。可以使用自定義編程和IEC61131編程工具自行編制應用程序。變頻恒壓控制原理如圖2所示：

3.3 壓力傳感器的選型

壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，在此設計中因為我們采取水泵出口恒壓控制，故將壓力傳感器裝設在泵站的出水口，壓力傳感器的作用是將水管中的水壓變化轉變為1～5V或4～20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4～20mA輸出壓力變送器。同時根據查找到的恒壓供水系統出水口壓力大小，我們選擇了量程為0～2.5MPa的壓力變送器。

4 變頻恒壓供水系統控制流程

在進行具體編程之前，首先要進行的是確定整個系統的控制流程。根據控制流程來設計PLC程序，整個系統都是通過PLC來控制三臺電機倒泵或者增泵的。其判斷條件就是出水口的壓力是否過高或過低以及一臺電機是否持續變頻運行達到3個小時。當系統起動之后，首先應選擇是自動運行模式還是手動運行模式。如果是手動運行模式則進行手動操作，工作人員根據當前的用水量（需要區分用水高峰和低峰期）來操作相應的按鈕，系統根據按鈕執行相應操作。如果選擇的是自動運行模式，則系統根據設計的程序及系統出水口的壓力的反饋和蓄水池的水位信號的反饋來執行相應的操作。

手動運行模式一般只在應急或檢修時臨時使用，主要是在系統出錯或器件出問題時臨時接管對水泵的操作。系統在自動運行模式時，當PLC收到變頻器輸出的頻率上限信號，則系統執行增泵程序，增加一臺工頻泵使系統不再收到頻率上限信號或者三臺水泵全開（如果三臺水泵全開則輸出水壓超限報警信號）。相反的當PLC收到變頻器輸出的頻率下限信號，則系統執行減泵程序，減少工頻泵的數量。如果PLC沒接到信號則系統保持現狀，不用做處理。程序流程如圖3所示：

5 總結

本文是基于PLC的變頻調速恒壓供水系統設計，主要研究的是PLC和變頻器在恒壓供水系統中的應用。基于學習知識以及實踐經驗有限，最終設計了一套基于PLC的通過變頻器調速的控制系統。本系統的工作原理是根據系統出水口壓力的變化，反饋給PLC，經過PID控制算法后改變變頻器的輸出頻率，來改變水泵電機的轉速，從而保持系統出水口壓力穩定。本系統不僅有效地保證了供水系統管網壓力恒定，而且具有工作可靠、施工簡單、節能效果顯著、全自動控制等優點。

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