采用PLC控制的恒壓供水系統設計的研究

張福明 李威 王艷蘋 許文麗

[摘 要]建筑高層供水系統的穩定性有助于為人們的生活提供便利性，為了對建筑高層供水系統進行較為平穩準確的恒壓控制，本文采用PLC設計了一種恒壓供水系統。該系統利用PLC作為控制器，通過壓力采集器對管網端進行壓力采集，并將采集到的壓力信號反饋給PLC，PLC根據反饋的壓力信號對變頻器進行控制，進而對供壓水泵的轉速進行調節，實現恒壓供水。文中對該系統的硬件結構以及軟件流程進行了設計。

[關鍵詞]PLC控制;恒壓供水;水泵控制;壓力調節

[中圖分類號]TP273 [文獻標識碼]A

經濟與科技高速發展的當今社會，人們對居住樓層的高度提出了越來越高的要求。高樓層的建筑需要通過增壓供水的方式來給住戶提供生活用水，由于人們的生活習慣使得人們的用水量因時而異。在用水高峰期時，供水系統需要適當增大供水壓力，以保證給住戶進行穩定充足的供水量，而在用水低谷期時，則應該適當降低供水壓力，以免供水管道承受較大的水壓，影響管道壽命以及住戶用水穩定度以及流量。因此，供水系統不能一直采用一種固定不變的壓力進行供水，而是需要根據用戶需求進行動態調節，以實現穩定充足的供水量。

傳統的供水增壓方式采用的是水塔重力式供水，該方式雖然具有一定的供水效果，但是該方法穩定性很差，而且可控性不理想。隨著科技的發展，出現了氣壓罐供水、單片機控制供水等方法，但這些方法的可靠性較差，而且魯棒性不強。為了實現供水壓力的恒定性，本文設計了一種采用PLC控制的恒壓供水系統。將PLC與變頻器相結合，通過壓力采集器采集管網端實時水壓，以目標壓力與實時水壓偏差為依據，對供水水壓進行調節，以實現供水系統自動化，對供水壓力進行恒壓控制。

1 系統設計

本文所設計的恒壓供水系統是以PLC作為控制器，通過壓力采集器獲取管網端實時水壓值，并將該壓力值反饋給PLC，PLC再調用內置的PID運算單元，對標定壓力與實時壓力值進行計算獲取控制量。最后PLC通過控制量對變頻器進行控制，控制水泵的轉速，進而對供水水壓進行調節。本文所設計的供水系統架構如圖1所示。

2 系統實現

2.1 硬件結構設計

通過本文供水系統的架構圖可見，系統硬件是以PLC作為控制器對整個硬件系統進行調控。具體的硬件結構設計圖如圖2所示。從圖2可知，整個硬件結構可分為人機交互單元、主控單元以及信號采集單元和執行單元。系統工作時，操作員通過液晶觸摸屏將標定的壓力控制需求輸入進PLC控制器。同時在系統工作時，操作員還可通過矩陣鍵盤對系統進行急停、開啟等操作。在系統中，管網端實時壓力的獲取是通過壓力采集器實現的，壓力采集器獲取到管網端壓力后，需要對該壓力信號進行放大等調理，最終送入PLC控制器。PLC控制器獲得實時壓力后，將啟動其內部的PID運算模塊進行計算，獲取控制量。PLC控制器再依據控制量對變頻器進行調節，進而通過對水泵轉速的控制實現對管網端供水壓力的調節。

在系統的硬件結構部分，液晶觸摸屏以及矩陣鍵盤組成了人機交互單元，該單元中采用的是7寸工控液晶觸摸屏。利用西門子的S7-200系列PLC作為主控單元的控制器。采用MIK-P300型壓力采集器以及三極管放大電路等組成的信號調理單元構成了信號采集單元。采用三科 SKIV100A4D0G5D5P-4型變頻器以及水泵組成了硬件部分的執行單元。

2.2 軟件流程設計

整個軟件流程包含了五個功能子程序以及一個主程序。按照功能子程序分為硬件初始化程序、用戶標定水壓值采集程序、實時水壓采集程序以及PID控制程序。各個程序通過參數傳遞的方式進行通信。本文系統的軟件控制流程圖如圖3所示。從圖3可見，主程序首先調用了硬件初始化子程序，并通過用戶標定水壓值采集子程序獲取標定值。然后在通過實時水壓采集子程序獲取實時水壓后，調用PID控制子程序求取控制量。

整個軟件控制過程中，PID控制子程序為最為關鍵的一個部分，其計算出的控制量關系到對供水壓力調節的精準度。PID控制子程序中主要是通過PID算法而實現。PID算法是一種常用且穩定的工業控制算法，其表達式為：（下轉頁）

其中，KP為比例系數、KI為積分系數、KD為微分系數。w（i）可通過標定水壓值b（i）與實時水壓值a（i）求取：

3 結論

本文采用西門子S7-200系列PLC設計了一種恒壓供水系統。該系統在硬件上以西門子S7-200系列PLC為主控器，以標定水壓值以及實時水壓值為依據，調用PLC內部的PID運算器進行運算，求取控制量。PLC再根據控制量對變頻器進行頻率控制，從而調節水泵的轉速，最終達到對供水水壓的調節。該系統在軟件上采用了PID算法精準計算控制量，在硬件上采用了西門子S7-200系列PLC為主控器，為PID算法快速準確的計算提供了平臺，同時也對變頻器進行了快速精確的控制，使得系統的控制效率以及控制精度都得到了提高。

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