王昭同

【摘 要】本文介紹了采用PLC觸摸屏監(jiān)控的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，由PLC經(jīng)過PID運算，邏輯控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)水泵運行頻率，達(dá)到控制恒壓供水的目的。提出系統(tǒng)控制方案與系統(tǒng)的構(gòu)成，并簡要介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

【關(guān)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(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。再加上目前能源緊缺，無論從節(jié)能還是從供水質(zhì)量看，傳統(tǒng)的供水方式已不能滿足要求。采用 PLC 變頻器與觸摸屏監(jiān)控的恒壓供水系統(tǒng)能根據(jù)用水量的變化，實現(xiàn)PID控制，控制水泵電機的無級調(diào)速和變頻工頻自動切換，從而實現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)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(jù)流體力學(xué)的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，而電動機軸上消耗的功率與轉(zhuǎn)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(tǒng)中的壓力檢測裝置，將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定值進行比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器輸出，無級調(diào)節(jié)水泵機組的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)水泵的數(shù)量，使系統(tǒng)水壓在水流量變化時，穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

當(dāng)供水的壓力低于設(shè)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(jù)壓力變化的快慢進行差分調(diào)節(jié)。由于系統(tǒng)采用了負(fù)反饋，當(dāng)壓力在上升到接近設(shè)定值時，反饋值接近設(shè)定值，偏差減小，PID運算會自動減小執(zhí)行量，從而降低變頻器輸出頻率的波動，進而穩(wěn)定壓力。

當(dāng)水網(wǎng)中的用水量增大時，會出現(xiàn)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(jù)檢測變頻器工作頻率，從而發(fā)出增加或減小水泵電機工作數(shù)量的控制信號。

1.2 恒壓供水系統(tǒng)組成

系統(tǒng)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?yōu)槟M量送給EM235，通過PLC的PID控制，使變頻器的運行頻率變化，實現(xiàn)恒壓供水?？刂葡到y(tǒng)由觸摸屏實現(xiàn)監(jiān)控，供水系統(tǒng)方案如圖1所示。

2 電氣控制系統(tǒng)主電路及控制電路

2.1 電氣控制系統(tǒng)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(shù)字量輸入端，實現(xiàn)變頻器啟停控制。Q0.5接報警指示燈。

水管壓力經(jīng)壓力變送器變?yōu)殡娏餍盘?，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(shù)設(shè)置

3.1 PID控制算法

控制系統(tǒng)設(shè)計中為了便于PLC控制，采用數(shù)字PID控制算法，它是一種采樣控制，根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，經(jīng)PLC的D/A擴展輸出模塊來控制變頻器輸出的頻率，從而達(dá)到控制變頻器運行頻率目的，實現(xiàn)恒壓供水的控制。

在模擬量的控制中，采用PID運算來執(zhí)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(shù)，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(xù)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(shù)字計算處理這樣的控制算式，連續(xù)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(jiān)視PID運算的參數(shù)，控制PID回路時，把設(shè)定值和過程變量轉(zhuǎn)化為PLC能夠識別和處理的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

準(zhǔn)確地選擇PID調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和它的參數(shù)，能使系統(tǒng)在受到擾動后仍保持穩(wěn)定，并將靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差保持在最小值。

3.2 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

變頻器主要參數(shù)設(shè)置為P0003=3（專家級），P0004=0（顯示全部參數(shù)），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(shè)定由模擬量端子設(shè)置），P1080=25（下限頻率），P1082=50（上限頻率）。

4 控制程序及監(jiān)控界面設(shè)計

4.1 控制程序設(shè)計

控制程序主要實現(xiàn)控制系統(tǒng)中水泵電動機的啟/?？刂啤⒆冾l器運行頻率控制、供水壓力PID控制等。

系統(tǒng)啟動后用變頻器拖動1#水泵運行，系統(tǒng)根據(jù)供水壓力設(shè)定值和壓力變送器所測數(shù)據(jù)進行PID控制，調(diào)節(jié)變頻器頻率，若1#泵運行頻率達(dá)到工頻，系統(tǒng)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(dá)到50Hz，2#泵切換到工頻運行，如壓力偏低，則系統(tǒng)報警。系統(tǒng)控制程序的設(shè)計流程圖如圖3所示。

4.2 監(jiān)控界面設(shè)計

觸摸屏監(jiān)控界面如圖4所示，通過監(jiān)控界面可以設(shè)定供水壓力，監(jiān)測實際水壓，反映1#水泵和2#水泵的運行狀態(tài)及工作頻率。

結(jié)語

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

通過觸摸屏監(jiān)控畫面可設(shè)定供水壓力，監(jiān)視設(shè)備運行狀況，大大地提高了恒壓供水系統(tǒng)的自動化水平和現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控能力。

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