PLC和觸摸屏在恒壓供水監控系統中的應用

王昭同

【摘 要】本文介紹了采用PLC觸摸屏監控的變頻調速恒壓供水系統，由PLC經過PID運算，邏輯控制變頻器的輸出頻率，實現閉環自動調水泵運行頻率，達到控制恒壓供水的目的。提出系統控制方案與系統的構成，并簡要介紹系統的硬件結構。

【關鍵詞】PLC 觸摸屏 變頻器 PID控制 水泵

引言

城市生活中由于用戶用水的多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。再加上目前能源緊缺，無論從節能還是從供水質量看，傳統的供水方式已不能滿足要求。采用 PLC 變頻器與觸摸屏監控的恒壓供水系統能根據用水量的變化，實現PID控制，控制水泵電機的無級調速和變頻工頻自動切換，從而實現供水量與用水量的匹配，保證恒壓供水。

1 變頻恒壓供水工作原理及及系統組成

1.1 變頻恒壓供水工作原理

所謂恒壓供水是能夠自動保持水管內水壓基本不變的供水過程。保持水壓恒定即保持水管中水的流量恒定，根據流體力學的原理，水泵的流量與轉速成正比，而電動機軸上消耗的功率與轉速的平方成正比。因此變頻恒壓供水基本原理是通過安裝在系統中的壓力檢測裝置，將系統壓力信號與設定值進行比較，再通過控制器調節變頻器輸出，無級調節水泵機組的轉速和調節水泵的數量，使系統水壓在水流量變化時，穩定在一定的范圍內。

當供水的壓力低于設定壓力，變頻器就會將運行頻率升高，反之則降低，并且可以根據壓力變化的快慢進行差分調節。由于系統采用了負反饋，當壓力在上升到接近設定值時，反饋值接近設定值，偏差減小，PID運算會自動減小執行量，從而降低變頻器輸出頻率的波動，進而穩定壓力。

當水網中的用水量增大時，會出現變頻泵效率不夠的情況，這時就需要增加水泵參與供水。PLC 根據檢測變頻器工作頻率，從而發出增加或減小水泵電機工作數量的控制信號。

1.2 恒壓供水系統組成

系統使用1臺S7-200（CPU224和模擬量擴展模塊EM235）控制一臺MM420變頻器，變頻器拖動2臺水泵電動機，水泵電動機的啟動、停止、工頻和變頻切換由PLC控制。壓力變送器將水管壓力變為模擬量送給EM235，通過PLC的PID控制，使變頻器的運行頻率變化，實現恒壓供水?？刂葡到y由觸摸屏實現監控，供水系統方案如圖1所示。

2 電氣控制系統主電路及控制電路

2.1 電氣控制系統主電路

主電路接線采用一臺變頻器拖動兩臺水泵電動機，可在變頻和工頻兩種方式下運行。KM0、KM2分別為水泵電動機M1、M2變頻運行控制接觸器，KM1、KM3為電動機M1、M2工頻運行控制接觸器。

2.2 PLC I/O接線

PLC輸入接線如圖2所示，輸出點Q0.0接1#泵變頻接觸器，Q0.1接1#泵工頻接觸器，Q0.2接2#泵變頻接觸器，Q0.3接2#泵工頻接觸器，Q0.4接變頻器的DIN1數字量輸入端，實現變頻器啟?？刂?。Q0.5接報警指示燈。

水管壓力經壓力變送器變為電流信號，從EM235模擬量輸入端AIW0輸入，變頻器頻率控制信號由EM235模擬量輸出端AQW0輸出。AIN+、AIN-為變頻器的模擬量輸入端子，控制變頻器的輸出頻率。

3 PID控制算法及變頻器參數設置

3.1 PID控制算法

控制系統設計中為了便于PLC控制，采用數字PID控制算法，它是一種采樣控制，根據采樣時刻的偏差值計算控制量，經PLC的D/A擴展輸出模塊來控制變頻器輸出的頻率，從而達到控制變頻器運行頻率目的，實現恒壓供水的控制。

在模擬量的控制中，采用PID運算來執行PID回路的功能。如果一個PID回路的輸出M（t）是時間的函數，則可以看作是比例項、積分項和微分項三部分之和。即：

以上各量都是連續量，第一項為比例項，中間項為積分項，最后一項為微分項，用數字計算處理這樣的控制算式，連續的算式必須周期采樣進行離散化，同時各信號也要離散化，公式如下：

公式中包含9個用來控制和監視PID運算的參數，控制PID回路時，把設定值和過程變量轉化為PLC能夠識別和處理的標準數據。

準確地選擇PID調節器的結構和它的參數，能使系統在受到擾動后仍保持穩定，并將靜態誤差和動態誤差保持在最小值。

3.2 變頻器主要參數設置

變頻器主要參數設置為P0003=3（專家級），P0004=0（顯示全部參數），P0700=2（命令由端子輸入），P0701=1（由端子DIN1控制變頻器的起停），P1000=2（頻率設定由模擬量端子設置），P1080=25（下限頻率），P1082=50（上限頻率）。

4 控制程序及監控界面設計

4.1 控制程序設計

控制程序主要實現控制系統中水泵電動機的啟/?？刂?、變頻器運行頻率控制、供水壓力PID控制等。

系統啟動后用變頻器拖動1#水泵運行，系統根據供水壓力設定值和壓力變送器所測數據進行PID控制，調節變頻器頻率，若1#泵運行頻率達到工頻，系統自動切換到工頻運行，同時2#泵投入變頻運行，若2#泵運行頻率達到50Hz，2#泵切換到工頻運行，如壓力偏低，則系統報警。系統控制程序的設計流程圖如圖3所示。

4.2 監控界面設計

觸摸屏監控界面如圖4所示，通過監控界面可以設定供水壓力，監測實際水壓，反映1#水泵和2#水泵的運行狀態及工作頻率。

結語

本文采用PLC、觸摸屏和變頻器實現了小區的變頻恒壓供水控制，相對于傳統的供水技術而言，具有節能效益明顯，控制和保護功能完善，可實現機組的軟起動、軟停機，水泵運行組合切換靈活方便等優越性。

通過觸摸屏監控畫面可設定供水壓力，監視設備運行狀況，大大地提高了恒壓供水系統的自動化水平和現場設備的監控能力。

參考文獻

[1]廖常初.PLC基礎應用[M].北京：機械工業出版社，2003，6.

[2]趙承荻，楊利軍.電機與電氣控制技術.北京：高等教育出版社，2007.04.

[3]李良仁.變頻調速技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2004，6.

[4]宋爽.變頻技術及應用[M].北京：高等教育出版社，2010，8.

[5]張小娟.變頻調速器在恒壓供水系統的應用[J].機械與電子， 2009（9）：66-68.