基于西门子PLC控制的变频恒压供水系统的设计

基于西门子PLC控制的变频恒压供水系统的设计

曹国春

亚太泵阀有限公司江苏泰兴225400

摘要：随着经济的快速发展和国内生产、生活用水的不断增加，供、用水系统的矛盾越来越突出。传统的供水系统一般由气压罐、启动控制柜、电动阀等设备来实现，这种方式控制的恒压供水系统管网压力波动大，水泵启动频繁，故障率较高。现由变频器、西门子S7-200PLC、管网压力传感器等通过PID调节来实现管网的恒压供水。该方式控制精度高，管网压力波动性小，压力稳定，控制水泵数量不受限制、故障率低等优点，故可在供水系统中广泛推广应用。

关键词：西门子PLC；变频恒压；供水系统；自动控制技术

引言：由于传统的恒压供水系统具有较大的局限性，本文介绍的利用变频器和PLC技术设计的恒压供水系统消除了传统供水系统的局限性。本文从恒压供水系统的组成和功能、PLC技术的程序设计、试验和结论这三个方面对该系统进行了阐述。

1恒压供水系统概述

恒压供水系统主要由三部分组成，分别是设计控制单元、执行单元、检测反馈单元。这三个单元紧密联系、缺一不可。只有这些单元互相配合，才能实现系统的恒压供水功能。这三种单元的概况分别是：①控制单元：控制元件是恒压供水系统中最重要的组成部分之一，通常采用S7-200可编程控制器对其进行控制，具有稳定性和可靠性的特点。由S7-200可编程控制器实现的控制单元操作简单、方便、直观，而且其通信功能强大。②执行元件：执行元件也是恒压供水系统中最核心的部分，它由独立的变频器组成。其主要负责接收控制单元发出的信号来调节电机的输出频率，调节水泵转速，最终实现控制管网压力的功能。③检测反馈单元：检测反馈单元是控制系统中不可缺少的部分，只有在检测元件的帮助下，才可测量出管网的实际压力，管网压力检测采用扩散硅管道式压力变送器，其特点是把隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。它能将接受到的液体或气体压力转换成标准的4-20mA电流号对外输出至PLC系统，从而保证系统的正常、高效运行。

2基于PLC的恒压控制系统的设计

2.1组成与原理

该系统主要由变频器（执行器）、被控对象（水泵）、压力传感器、控制器（PLC）等构成，该系统是一个闭环的负反馈系统。控制器采用的是西门子PLC，执行器的功能是通过采集控制器输出的电压或电流信号来调整变频器的输出频率，从而改变水泵的转速，达到管网压力恒定的目的。压力传感器把检测到的管网压力作为反馈信号，与预先设定的管网需要的压力值相比较后得出一个偏差值，变频器接收到此信号后，会根据偏差值的大小来调整输出的频率，进而控制水泵转速，由此构成了一个闭环的负反馈控制系统，实现自动恒压功能。

PID控制器、模拟量输出信号、设定的压力信号、反馈的压力信号等都由西门子公司的S7-200系列PLCS7-224XP完成的，该PLC模块不仅有14点数字量输入、10点数字量输出，而且还集成了两路模拟量输入和一路模拟量输出模块。将S7-224XPPCL作为最重要的部分，并配置压力传感器、模拟量输入、模拟量输出等模块组成恒压控制系统。

2.2PLC程序设计

在整个恒压控制系统中，PID控制和模拟量信号的处理部分的程序设计是最复杂的，也是最重要的。

对比于PID控制的程序设计，模拟量输入信号比较简单，只需要每隔一个固定的时间段收集一次传感器输出压力信号，并将该信号传递到PLC。例如压力传感器的测量范围是0-0.5MPa，那么对于传感器采集到的或4-20mA的电流信号对应的压力信号就是为0-0.5MPa，PLC模拟量模块就会将该信号进行A/D转换并输入到PLC，S7-200PLC将会对其进行处理。西门子S7-200系列的PLC有个缺点，它不能讲整形数据直接转换为浮点型数据，所以要先将数据通过I-DI命令转换为DINT的数据类型，并存放在ACO中，之后再将数据转换为浮点数，这样一来，就能得到规范类型的数据，而且数据变得更加精确。

PID控制器的工作过程是接收压力设定值和实际值的偏差值之后，根据PID算法计算控制器的输出量，调整变频器的输出频率。PID的控制系统是一个负反馈的闭环控制系统，所以任何因素的改变都不会干扰其他量，是一个相对稳定的系统。综合考虑到该控制系统是一个即时系统，所以控制器采用PI类型。PID控制算法需要设置几个重要的参数，包括Kc（增益）、Td（微分时间常数）、Ti（积分时间常数）、Ts（采样时间）等。编程时，可采用Micro/WIN软件，其有简易的PID指令说明，可以快速的生成一个闭环PID控制。利用PID指令说明进行编程，考虑到传感器的输出信号是4-20mA的电流信号，要设定PID回路的输入类型是单极性。除此之外，PID指令说明还提供了三个输出量来反映过程值，分别是低值报警、高值报警和过程值模拟量模块错误状态。将PID向导产生的输入和输出的标准化程序存储在运算数据存储区。

2.3试验与测试

恒压控制系统利用西门子PLC的PID技术向导设置预先设定的初始参数，通过改变控制系统中的输出值，使设定值与输出值的曲线图相交，能获取有意义的临界值。当相交至少十次之后，就可以得到自整定参数。通过试验后可得到微分时间为0.5S，积分时间是3S，比例系数是0.6

开启试验控制系统设备之后，观察水压是否稳定在一个临界值，通过调节管网压力的设定值，输出以可调电位器模拟，仪表显示输出压力和设定压力完全吻合，试验说明了恒压控制系统的控制效果很好。

3结论

供水系统在现代社会生活中起着重要作用，越来越受到人们的重视。然而，目前的供水系统并没有摆脱传统模式的制约，供水形势也不容乐观。现在，西门子PLC自动控制的变频恒压供水系统可以有效地解决上述问题，因此我们需要进一步研究PLC自动控制变频恒压，分析了其工作原理、技术的不断发展，在实践中硬件和软件的PLC自动控制变频恒压分析，创新设计的自动控制程序，实现系统优化，提高应用水平，从而保证我国供水工作稳定、顺利进行。

参考文献：

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