基于西門子PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于西門子PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)、生活用水的不斷增加，供、用水系統(tǒng)的矛盾越來(lái)越突出。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)一般由氣壓罐、啟動(dòng)控制柜、電動(dòng)閥等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方式控制的恒壓供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力波動(dòng)大，水泵啟動(dòng)頻繁，故障率較高。現(xiàn)由變頻器、西門子S7-200PLC、管網(wǎng)壓力傳感器等通過(guò)PID調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓供水。該方式控制精度高，管網(wǎng)壓力波動(dòng)性小，壓力穩(wěn)定，控制水泵數(shù)量不受限制、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，故可在供水系統(tǒng)中廣泛推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：西門子PLC；變頻恒壓；供水系統(tǒng)；自動(dòng)控制技術(shù)

引言：由于傳統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)具有較大的局限性，本文介紹的利用變頻器和PLC技術(shù)設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的局限性。本文從恒壓供水系統(tǒng)的組成和功能、PLC技術(shù)的程序設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和結(jié)論這三個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。

1恒壓供水系統(tǒng)概述

恒壓供水系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是設(shè)計(jì)控制單元、執(zhí)行單元、檢測(cè)反饋單元。這三個(gè)單元緊密聯(lián)系、缺一不可。只有這些單元互相配合，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓供水功能。這三種單元的概況分別是：①控制單元：控制元件是恒壓供水系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，通常采用S7-200可編程控制器對(duì)其進(jìn)行控制，具有穩(wěn)定性和可靠性的特點(diǎn)。由S7-200可編程控制器實(shí)現(xiàn)的控制單元操作簡(jiǎn)單、方便、直觀，而且其通信功能強(qiáng)大。②執(zhí)行元件：執(zhí)行元件也是恒壓供水系統(tǒng)中最核心的部分，它由獨(dú)立的變頻器組成。其主要負(fù)責(zé)接收控制單元發(fā)出的信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)控制管網(wǎng)壓力的功能。③檢測(cè)反饋單元：檢測(cè)反饋單元是控制系統(tǒng)中不可缺少的部分，只有在檢測(cè)元件的幫助下，才可測(cè)量出管網(wǎng)的實(shí)際壓力，管網(wǎng)壓力檢測(cè)采用擴(kuò)散硅管道式壓力變送器，其特點(diǎn)是把隔離的硅壓阻式壓力敏感元件封裝于不銹鋼殼體內(nèi)制作而成。它能將接受到的液體或氣體壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流號(hào)對(duì)外輸出至PLC系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)的正常、高效運(yùn)行。

2基于PLC的恒壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1組成與原理

該系統(tǒng)主要由變頻器（執(zhí)行器）、被控對(duì)象（水泵）、壓力傳感器、控制器（PLC）等構(gòu)成，該系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng)。控制器采用的是西門子PLC，執(zhí)行器的功能是通過(guò)采集控制器輸出的電壓或電流信號(hào)來(lái)調(diào)整變頻器的輸出頻率，從而改變水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到管網(wǎng)壓力恒定的目的。壓力傳感器把檢測(cè)到的管網(wǎng)壓力作為反饋信號(hào)，與預(yù)先設(shè)定的管網(wǎng)需要的壓力值相比較后得出一個(gè)偏差值，變頻器接收到此信號(hào)后，會(huì)根據(jù)偏差值的大小來(lái)調(diào)整輸出的頻率，進(jìn)而控制水泵轉(zhuǎn)速，由此構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒壓功能。

PID控制器、模擬量輸出信號(hào)、設(shè)定的壓力信號(hào)、反饋的壓力信號(hào)等都由西門子公司的S7-200系列PLCS7-224XP完成的，該P(yáng)LC模塊不僅有14點(diǎn)數(shù)字量輸入、10點(diǎn)數(shù)字量輸出，而且還集成了兩路模擬量輸入和一路模擬量輸出模塊。將S7-224XPPCL作為最重要的部分，并配置壓力傳感器、模擬量輸入、模擬量輸出等模塊組成恒壓控制系統(tǒng)。

2.2PLC程序設(shè)計(jì)

在整個(gè)恒壓控制系統(tǒng)中，PID控制和模擬量信號(hào)的處理部分的程序設(shè)計(jì)是最復(fù)雜的，也是最重要的。

對(duì)比于PID控制的程序設(shè)計(jì)，模擬量輸入信號(hào)比較簡(jiǎn)單，只需要每隔一個(gè)固定的時(shí)間段收集一次傳感器輸出壓力信號(hào)，并將該信號(hào)傳遞到PLC。例如壓力傳感器的測(cè)量范圍是0-0.5MPa，那么對(duì)于傳感器采集到的或4-20mA的電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的壓力信號(hào)就是為0-0.5MPa，PLC模擬量模塊就會(huì)將該信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并輸入到PLC，S7-200PLC將會(huì)對(duì)其進(jìn)行處理。西門子S7-200系列的PLC有個(gè)缺點(diǎn)，它不能講整形數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，所以要先將數(shù)據(jù)通過(guò)I-DI命令轉(zhuǎn)換為DINT的數(shù)據(jù)類型，并存放在ACO中，之后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，這樣一來(lái)，就能得到規(guī)范類型的數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)變得更加精確。

PID控制器的工作過(guò)程是接收壓力設(shè)定值和實(shí)際值的偏差值之后，根據(jù)PID算法計(jì)算控制器的輸出量，調(diào)整變頻器的輸出頻率。PID的控制系統(tǒng)是一個(gè)負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以任何因素的改變都不會(huì)干擾其他量，是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)。綜合考慮到該控制系統(tǒng)是一個(gè)即時(shí)系統(tǒng)，所以控制器采用PI類型。PID控制算法需要設(shè)置幾個(gè)重要的參數(shù)，包括Kc（增益）、Td（微分時(shí)間常數(shù)）、Ti（積分時(shí)間常數(shù)）、Ts（采樣時(shí)間）等。編程時(shí)，可采用Micro/WIN軟件，其有簡(jiǎn)易的PID指令說(shuō)明，可以快速的生成一個(gè)閉環(huán)PID控制。利用PID指令說(shuō)明進(jìn)行編程，考慮到傳感器的輸出信號(hào)是4-20mA的電流信號(hào)，要設(shè)定PID回路的輸入類型是單極性。除此之外，PID指令說(shuō)明還提供了三個(gè)輸出量來(lái)反映過(guò)程值，分別是低值報(bào)警、高值報(bào)警和過(guò)程值模擬量模塊錯(cuò)誤狀態(tài)。將PID向?qū)Мa(chǎn)生的輸入和輸出的標(biāo)準(zhǔn)化程序存儲(chǔ)在運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

2.3試驗(yàn)與測(cè)試

恒壓控制系統(tǒng)利用西門子PLC的PID技術(shù)向?qū)гO(shè)置預(yù)先設(shè)定的初始參數(shù)，通過(guò)改變控制系統(tǒng)中的輸出值，使設(shè)定值與輸出值的曲線圖相交，能獲取有意義的臨界值。當(dāng)相交至少十次之后，就可以得到自整定參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)后可得到微分時(shí)間為0.5S，積分時(shí)間是3S，比例系數(shù)是0.6

開啟試驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)備之后，觀察水壓是否穩(wěn)定在一個(gè)臨界值，通過(guò)調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力的設(shè)定值，輸出以可調(diào)電位器模擬，儀表顯示輸出壓力和設(shè)定壓力完全吻合，試驗(yàn)說(shuō)明了恒壓控制系統(tǒng)的控制效果很好。

3結(jié)論

供水系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)生活中起著重要作用，越來(lái)越受到人們的重視。然而，目前的供水系統(tǒng)并沒有擺脫傳統(tǒng)模式的制約，供水形勢(shì)也不容樂(lè)觀?，F(xiàn)在，西門子PLC自動(dòng)控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)可以有效地解決上述問(wèn)題，因此我們需要進(jìn)一步研究PLC自動(dòng)控制變頻恒壓，分析了其工作原理、技術(shù)的不斷發(fā)展，在實(shí)踐中硬件和軟件的PLC自動(dòng)控制變頻恒壓分析，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，提高應(yīng)用水平，從而保證我國(guó)供水工作穩(wěn)定、順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]石玉明，譚立新.基于S7-200和MM440的變頻恒壓供水系統(tǒng)[J].變頻器世界，2009(7)：82-84.