基于西門子變頻器的恒壓供水系統(tǒng)

1、第30卷第2期2012年6月海南大學學報自然科學版NATURALSCIENCEJOURNALOFHAINANUNIVERSITYVol30No2Jun.2012文章編號：10041729（2012）02012904基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)設計姜官武，聶詩良（西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010）摘要：介紹了一種基于PLC和變頻器控制下的恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有精確高效、穩(wěn)定可靠、自動化程在現代化住宅小區(qū)中有廣泛的應用度高等優(yōu)點，關鍵詞：PLC；變頻器；觸摸屏；恒壓供水中圖分類號：TM571.61文獻標志碼：A隨著城市化的發(fā)展，高層住宅小區(qū)越來越多，人們生活的空間逐漸的密集化、

2、空間立體化，生活在高層的居民對于家庭用水和消防用水的要求也越來越高；隨著人們對生活的高品質要求和電器化程度越來越高，大大增加了用電的需求，節(jié)約能源就成了當今社會所面臨的重要問題基于PLC和變頻器的恒壓供既能夠保障居民的生活用水和消防系統(tǒng)的供水，又能水在現代高密度的住宅小區(qū)中得到了廣泛的應用，夠利用變頻技術在滿足用水需求的同時，最大限度地節(jié)約電能恒壓供水就是指在不管用戶端是高層或是低層住戶，在任何時間，用多少水量，都能夠保證供水管道中的水壓恒定變頻恒壓供水系統(tǒng)就是通過PLC采集供水管道中的水壓并對變頻器進行控制，從而實時改變供水水泵機組的轉速，保證了供水管道中的水壓恒定，這種變頻恒壓供水系統(tǒng)取代

3、了傳統(tǒng)的水塔供水，在廣大的現代化居民小區(qū)中得到了廣泛的應用1系統(tǒng)組成基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)，主要由人機界面、可編程控制器（PLC）及其擴展模塊、變頻器、接觸器組、水泵機組和壓力變送器等組成，其恒壓供水系統(tǒng)的結構如圖1所示人機界面由觸摸屏、控制按鍵、指示燈和電壓電流表頭組成；PLC及其擴展模塊是主要控制器，變頻器、接觸器組和水泵機組是系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構可編程控制器是由S7200PLCCPU226和模擬輸入輸出模塊EM235組成，觸摸屏是西門子8英寸觸摸屏MP277，變頻器選用的是ABB公司產品ACS510系統(tǒng)在正常運行過程中，首先由觸摸屏輸入供水管道中需要保持的供水管道中的壓力，選擇系

4、統(tǒng)運行方式手動或是自動運行，點擊開始系統(tǒng)運行PLC主機模塊主要對系統(tǒng)運行過程中的開關量進EM235模塊采集前方的壓力變送行采集和控制，通過控制算法PID運算得到一個控制器傳回數據，輸出量到變頻器，從而控制水泵電機的轉速，并且變頻器將輸出頻率對應的模擬量再次傳送到EM235模塊采集和顯示，并與要達到的控制量作比較，將計算結果通過PID算法再次輸出控制，從而達到最優(yōu)效果圖1恒壓供水系統(tǒng)的結構圖收稿日期：20111214作者簡介：姜官武（1983），男，山東濰坊人，西南科技大學信息工程學院助教，碩士130海南大學學報自然科學版2012年2恒壓供水控制流程恒壓供水系統(tǒng)的控制是根據檢測到的輸入信號的狀態(tài)

5、和供水管道中的壓力，按照系統(tǒng)的控制流程來控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構接觸器、變頻器和水泵機組，達到小區(qū)恒壓供水的目的，其流程控制框圖如圖2所示，其控制流程主要由以下幾部分組成1）系統(tǒng)上電PLC判斷是否有報警信號輸入報警信號包括PLC自身模塊是否有故障，變頻器是否系統(tǒng)所需要的接觸器是否有故障和供水管道中的壓力是否超過最大設定值，這些信息都會在觸有故障，摸屏中顯示，假如有故障，則需要解除故障后繼續(xù)系統(tǒng)控制流程2）系統(tǒng)運行首先設定小區(qū)內恒壓供水達到要求時供水管道中的水壓，該壓力值由觸摸屏輸入，然后點擊觸摸屏上的運行按鈕，進入運行狀態(tài)，系統(tǒng)由PID算法進行控制變頻器的頻率輸出，達到控制水泵的目的3）水泵運行

6、條件判斷在運行過程中，正常情況下是單臺水泵運行，每臺水泵每運行8h，就會自動切換至另一臺水泵運行，使2臺水泵有效運行，從而達到延長水泵使用壽命的目的假如小區(qū)處于用水高峰期或者出現火災等大量用水的情況，單臺水泵運行在達到最大頻率輸出后仍不能滿足需求，其判斷條件是通過PLC對采集供水管道中的水壓進行判斷，在一段時間內，供水管道中水壓的實際值和觸摸屏設定值之差超過某個值，則啟動另一臺水泵在工頻下運行，該水泵繼續(xù)通過PID算法控制變頻運行系統(tǒng)在運行一段時間后，判斷是否恢復到單泵運行狀態(tài)，如果恢復到單泵運行狀態(tài)執(zhí)行單泵運行，這不僅充分滿足恒壓供水需求，而且達到最大節(jié)約能源之目的4）故障判斷在系統(tǒng)運行過程

7、中，PLC始終伴隨系統(tǒng)判斷故障，如果系統(tǒng)出現故障，則PLC執(zhí)行停機報警，工作人員需在解除故障后，再重新執(zhí)行系統(tǒng)運行331系統(tǒng)軟件設計PLC程序設計本恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器是由西門子PLCCPU226和擴展模塊EM235組成，在整個系統(tǒng)運行過程中，其難點是供水管道要使控制精度在001MPa范中水壓的精確控制，圍內不同的時段，小區(qū)的用水量是不一樣的，為了能夠使供水管道中的水壓快速、恒定地控制到某一個數值范圍內，筆者在控制算法上采用了傳統(tǒng)的PID控制算法工業(yè)控制中有許多的優(yōu)秀控制算法，應用最為廣泛的控制規(guī)律就是比例、積分、微分的PID控制調節(jié)器，其結構簡單、穩(wěn)定性好、安全可靠、參數易于整定，適用于

8、大多數工業(yè)控制中難以建立的數學模型在工程實際應用中，根據具體情況也可采用PI和PD的控制方式PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3所示點劃線部分在PLC內，在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c（t）（例如壓力、溫度、流量等）是連續(xù)變化的物理量，某些執(zhí)行機構（例如電動調節(jié)閥、變頻器等）要求PLC輸出模擬量信號M（t），而PLC的CPU只能處理數字量c（t）首先被測量元件（傳感器）和變頻圖2恒壓供水系統(tǒng)流程控制框圖PLC的模擬量輸入模塊用A/D轉換器將其器轉換為標準量程的直流電流信號或是直流電壓信號pv（t），轉換為數字量pv（n）第2期姜官武等：基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)設計131sp(n)e(n)P

9、ID調節(jié)器M(n)D/AM(t)執(zhí)行機構被控對象c(t)pv(n)A/Dpv(t)變送器測量元件PLC圖3PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖PID算法的控制計算原理公式為M（t）=Kce+Kcedt+Kde/dt，0ct輸出=比例項+積分項+微分項PLC按照一定的時間間隔采集反饋量，并進行PID控制的計算這個時間間隔稱為采樣周期（或是采pv（n），e（n），M（n）均為第n次采樣時間的數字量，pv（t），M（t），c（t）為連續(xù)變樣時間），圖3中的sp（n），化的模擬量S7200PLC的編程軟件Micro/WIN提供了PIDWizard（PID指令向導），可以幫助用戶方便地生成一個閉環(huán)控制過程的PI

10、D算法，此向導可以完成絕大多數PID運算的自動編程，用戶只需要在主程序中調用PID向導生成子程序，即可完成PID控制任務完成PIDWizard組態(tài)以后，會為每個PID回路生成一在用戶程序中，必須使用SM00始終調用這個子程序才能實現PID功能個子程序PIDX_INIT，STEP7Micro/WINV40中提供了一個PID調節(jié)控制面板，可以用圖形方式監(jiān)視PID回路的運行，而且在手動控制中還可以方便地設置比例P，積分I和微分D的參數整定，且方便直觀圖4是較為理想的情況下恒壓系統(tǒng)正常運行時的PID調節(jié)控制面板監(jiān)控圖，系統(tǒng)處于PID手動調節(jié)狀態(tài)，圖中綠線代表給定的恒定壓力值，藍線是PLC控制變頻器頻率

11、的給定值，紅線是實際儲水池中的水壓，該圖中得到了良完全滿足了控制精度不大于001MPa的標準好的控制效果和控制曲線，藍色紅色綠色圖4PID調節(jié)控制面板監(jiān)控圖132海南大學學報自然科學版2012年32控制柜設計本恒壓供水系統(tǒng)的控制柜主要由西門子8英寸觸摸屏MP277、按鍵開關、指示燈和電壓電流表頭組成觸摸屏MP277完成系統(tǒng)的參數輸入和對系統(tǒng)運行的監(jiān)控界面，修改系統(tǒng)的PID參數，在線監(jiān)控供水系統(tǒng)的壓力值觸摸屏MP277通過Winccflexible編程，使用簡單方便，界面美觀MP277和西門子PLCCPU226之間連接簡單方便，用西門子專門電纜連接，也可自制控制柜上的按鍵開關完成系統(tǒng)供電、運行方

12、式（手動和自動）選擇和系統(tǒng)運行等功能指示燈則顯示系統(tǒng)的運行狀況和系統(tǒng)的報警電壓電流表頭是通過電壓電流的傳感器來監(jiān)控系統(tǒng)的供電電壓和水泵運行中的電流33變頻器使用設計隨著科學技術的發(fā)展，變頻技術被廣泛應用于工業(yè)生產中，其具有調速范圍寬、調速精度高，起、停平穩(wěn)，可實現無極調速等優(yōu)點市面上各種品牌的變頻器控制方式大多采用磁通矢量控制FVC，小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)是用ABB公司ACS510系列75kW變頻器由于恒壓系統(tǒng)采用了手動和自動控制2種方式，所以對變頻器也采用了自動和手動的控制方式變頻器在自動控制方式下，其開關量端子DI1作為變頻器的運行控制端，變頻器的模擬量輸入端子接PLC模塊EM235的020mA

13、的電流輸出端，變頻器的模擬量輸出端子接EM235的模擬量輸入端，經過換算后，在觸摸屏上顯示變頻器的瞬時頻率變頻器在手動的控制方式下，設定變頻器的一個固定運行頻率（參數1202設置450Hz），DI6則作為手動切換開關開關量端子DI1作為變頻器的運行控制端，4小結該恒壓供水系統(tǒng)采用PLC和變頻器結合，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，控制精度高，實現了真正意義上的全自動運行，保證了2臺水泵最優(yōu)的運行效率，延長泵的使用壽命，有效地節(jié)約了電能，產生了很好的經濟效益該系統(tǒng)已經在成都某住宅小區(qū)使用2個月，供水壓力穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，故障率低，得到了用戶一致好評參考文獻：1張萬忠，M北京：化學工業(yè)出版社，2003劉明芹電

14、器與PLC控制技術2斯特納森J工業(yè)自動化及過程控制M王樅，2006張彬，郭燕慧，譯北京：科學出版社，3李先祥，J電氣自動化，2002，24（6）：5152廖裕錚基于PLC控制的變頻自動恒壓供水系統(tǒng)的設計4周力基于PLC的變頻恒壓供水模糊控制系統(tǒng)設計J機電工程，2005，22（3）：1427DesignofConstant-pressureWaterSupplyingSystemBasedonPLCandFrequencyInverterJIANGGuan-wu，NIEShi-liang（SchoolofInformationEngineering，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010，China）Abstract：Inourreport，adesignofconsta