基于S7-300PLC的雙恒壓供水控制系統

沈燦鋼

（江陰職業技術學院，江蘇 江陰 214405）

0 引 言

目前，我國農業灌溉大量采用非自動化控制，主要依靠人工決定灌溉時間和灌溉量，灌溉效率低下，不利于農作物的生長發育[1]。這樣的灌溉方式不僅耗費大量人工，還存在灌溉水壓不均衡等缺點。許多灌溉系統的水資源、泵站利用效率僅約30%，與國外發達國家成熟的農業灌溉控制系統和完善的設備相比，我國農業自動化水平還有很大的提升空間。隨著國內工業技術的進步，先進自動化控制技術被大量應用到農業領域，在農業生產灌溉控制系統中進行了一系列研究，取得了諸多成果[2]。

本文提出了一種以西門子PLC為控制器，采用參數自適應模糊PID算法的控制系統，根據農業灌溉區域需求，實時調整灌溉壓力值，實現不同區域不同時段的合理灌溉控制，對灌溉用水實現恒壓控制。我國西北地區水資源緊缺，因缺乏有效水源，一旦發生火災，可以利用灌溉渠道輸送消防用水，有效解決該問題。本文設計的灌溉供水系統可兼顧消防供水和高恒壓輸出，具有灌溉和消防雙恒壓供水控制功能。

傳統的恒壓供水方式采用水塔、高位水池、氣壓罐等設施實現。隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛應用，將變頻器、PID調節器、傳感器、PLC等器件有機結合，實現恒壓供水[3]。在電控柜的主線上安裝壓力傳感器，水壓變化的信號傳遞給PLC和變頻器，雙恒壓供水系統能夠滿足灌溉需求和消防滅火需求。

1 雙恒壓供水系統的設計要求

儲水池的水位只要低于設定的水位，接通外網的水閥MB1打開注水，水池就會源源不斷接納外網提供的水。PLC接收水池中的高/低水位信號，水池中水位過低時，發出報警信號。為保證供水的連續性，水位上下限位傳感器不宜距離過大。三臺供水泵既可以進行灌溉供水也可進行消防供水。電磁閥MB2失電時，消防管網的供水系統關閉，灌溉供水管網由PLC控制3臺水泵恒壓供水。當發生火災時，電磁閥MB2得電，關閉灌溉用水管網，打開消防管網供水，PLC控制3臺泵轉入消防供水，消防供水也在恒壓狀態（消防用水高恒壓值）下進行[4]。系統結構如圖1所示。

圖1 雙恒壓供水系統結構

2 控制系統設計

2.1 雙恒壓供水控制系統方案

系統采用西門子S7-300PLC，配備模擬量輸入模塊和壓力傳感器。主線上安裝壓力傳感器檢測水壓信號，變頻器驅動水泵，由PLC控制變頻器運行。若水泵中的水壓超過設定值發出報警信號，則將水泵中的水壓頻率切換到工頻運行，若無報警信號，水泵按原頻率運行，實現雙恒壓供水。系統采用PID控制算法使供水壓力維持在恒定范圍內，提高了供水的穩定性[5]。系統方案如圖2所示。

圖2 系統方案

系統正常運行時水壓為0.14 MPa，而發生火災時，水壓提升至0.2 MPa。

2.2 采用PID控制算法

設計一個二維模糊控制器，對PID中3個在線參數kP、kI、kD進行設置，二維模糊控制器的輸入用管道壓力的誤差e與誤差變化ec表示。二維模糊控制器結構如圖3所示。

圖3 二位模糊PID控制器

式中：kP0、kI0、kD0為初始參數；kP、kI、kD為在線整定參數；ΔkP、ΔkI、ΔkD為模糊推理修正參數。

變頻灌溉具有非線性、帶滯后、系統不穩定、時變等特性[6]，設計純滯后的一階慣性環節，如公式（2）所示：

式中：K為系統總增益；T為系統的慣性時間常數；τ為系統滯后時間。

2.3 系統電氣原理圖設計

系統電氣原理圖包括主電路、控制部分供電電路、PLC主機電路和PLC模擬量擴展模塊電路。PID控制系統如圖4所示。

圖4 PID控制系統

2.3.1 主電路設計

供水系統的水泵啟動電流較大，采用AC 380 V/50 Hz三相三線制供電方式。主電源供電保護元器件選用施耐德三相斷路器，三臺水泵電路均配有斷路器保護供電[7]，如圖5所示。

圖5 系統方案

2.3.2 控制部分供電電路

主電路供電為AC 380 V，繼電器輸出高電平電壓，使設備得電，變頻器工作。電磁閥輸出低電平。另外使用開關電源輸出24 V直流電，給整個控制部分元器件供電，將強弱電分開，保證人身安全[8]。組態王通過一根通信線實現監控功能。控制部分供電電路如圖6所示。

圖6 控制部分供電電路

2.3.3 PLC主機電路

西門子S7-300擴展模塊SM323的外圍I/O開關量電路輸入部分包含按鈕開關和傳感器等，輸出部分包含繼電器、電磁閥和指示燈等[9]。SM323接線如圖7所示。

圖7 PLC主接線圖

2.3.4 PLC模擬量擴展模塊電路

西門子模擬量擴展模塊選用SM331和SM332，壓力傳感器接入輸入模塊SM331的CH1通道[10]。M端和L端信號傳遞給模擬量輸出模塊。3臺變頻器分別接入SM332的CH1、CH2、CH3通道。PLC輸出模擬量控制變頻器。PLC模擬量擴展模塊電路如圖8所示。

圖8 PLC模擬量擴展模塊電路

2.4 控制系統程序設計

2.4.1 控制系統硬件組態

PLC選型包括對機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。在SIEMENS SETP7軟件中創建項目選用PLC（CPU 312）、數字I/O模塊（SM323 DI8/DO8）、模擬I/O模塊（SM331和SM332）進行硬件組態連接。硬件組態如圖9所示。

圖9 PLC硬件組態配置

2.4.2 系統I/O地址分配

根據系統控制的要求，確保所有必需的輸入裝置、傳感器和輸出設備正常工作，確定與PLC的輸入/輸出設備相關聯，并確定I/O點的PLC。根據設計要求，對PLC的I/O點進行定義，見表1所列。

表1 PLC的I/O地址分配表

2.4.3 系統程序流程設計

灌溉控制系統上電初始化后啟動，判斷火災報警信號。設定灌溉壓力，PLC采集壓力傳感器測量信號。通過變頻調壓，使水泵中的水壓實現恒壓[11]，如圖10所示。

圖10 程序流程

根據灌溉管網中水壓的檢測值，將恒壓供水分為3個模式。

模式一：變頻器1作PID調節；

模式二：2臺變頻器運行，變頻器1在工頻運行，變頻器2作PID調節；

模式三：3臺變頻器運行，變頻器1、2工頻運行，變頻器3作PID調節[12]。

3 試驗分析

以某農田灌溉區域為試驗對象，根據灌溉控制系統的實際需求，試驗時壓力設定為0.5 MPa，試驗數據見表2所列。

表2 壓力與時間的數據表

從表2中壓力與時間關系的試驗數據得出管網水壓變化如圖11所示。

圖11 管網水壓變化曲線

由壓力時間表和管網水壓曲線可發現：

（1）壓力設定值為0.5 MPa時，系統穩態誤差大約為2%；

（2）40 s時壓力最大值為0.514 MPa，系統超調量為3.25%；

（3）47 s后壓力穩定在0.5 MPa。

系統實際運行試驗，根據不同灌溉區域面積需求，設定不同的壓力值。通過檢測發現，系統能夠快速達到穩態，恒壓灌溉運行穩定[13]。灌溉試驗監控界面如圖12所示。

圖12 灌溉控制系統監控界面

4 結 語

本文設計了一套以PLC和變頻器為控制核心，采用參數自整定PID模糊控制算法，通過組態王監控恒壓灌溉的控制系統[14]。與傳統灌溉方式相比，此舉提高了灌溉效率和資源利用率，具有操作簡單、運行穩定、響應速度快、安全可靠、自動化程度高等優點。最大限度實現了農機節能，提高了農業用電、用水灌溉與消防的綜合利用率，對農機灌溉控制系統優化有一定的參考價值。