基于PLC的双恒压供水控制系统设计研究.pdf

l 匐 矽 似 基于P L C 的双恒压供水控制系统设计研究 Des i gn of d oubl e c ons t an t - pr es s ur e s up pl yi n g wat er con t r ol s y s t em b as ed o n PL C 宋阳 SONG Y a n g 德州职业技术学院，德州 2 5 3 0 3 4 摘要根据城市供水的特点，提出了基于P L C 的双恒压供水控制系统，该系统通过压力传感器检测当 前水压信号 ，送入P L C与设定值比较后进 ]P I D 运算 ，从而控制变频器的输出电压和频率，进 而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。实践表明，该系 统具有运行稳定、工作可靠、全自动控制以及节能环保等优点。 关键词PL C；恒压供水；变频器；P I D 算法 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 o 8 上 -o i 3 8 - 0 3 Do i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 8 上 ． 4 2 0 引言 随着我 国城市化进程 的不 断推进 ，城 市 中各 类小 区建设 的速度十分迅速 ，对小 区的基础设施 建设提 出了更高的要求。供水 系统的建设是其中 一 个 重要方面 ，供水的可靠性、稳 定性 、经济性 直接影 响着小 区居 民的正常生活 ，也直接体现 了 小 区管理水平 的高 低。传统 的供水方式存在着水 资源 浪费、效率低、可靠性差 以及 自动化程度低 等不足 ，严重影响居民的生活 。 基 于 P L C的恒 压控制 系统 将变频调速 技术、 现 代控制技 术和电气技 术融合于一身。该 系统大 大提 高了供水 系统 的稳定性和可靠性 ，同时 系统 具 有 良好的节能效果。所 以研究该供水系统，对 于节约水资源，提高居 民的生活质量、降低能耗 等方面具有重要的现实意义 。 1 系统组成及工作原理 1 ． 1 系统组成 P L C控 制变频恒 压供 水 系统 主要有 变频器 、 可编程控制器、压 力变送器和现场 的水泵机组一 起组成一个完整的闭环调节 系统 ] 。本设计 中有 3个贮水 池，3台水泵 ，采用部分流量调节方 法， 即 3台水泵中只有 1台水泵在变频器控制下作变 速运行 ，其余水泵做恒速运行。P L C根据管网压 力 自动控制各个水泵之 间的切换 ，并根据压力检 测值和给 定值之 间偏差进行 P I D运算，输 出给变 频器控 制其输 出频率 ，调节水泵的流量，使供水 管网压 力保持在恒定值附近 ；各水泵切换遵循先 起 先停 、先停 先起的原 则。该 系统 由执行机 构、 控制机构 、信号检测机构组 成，水泵机组是该 系 统的执行机构 ，信号检测机构主要对管 网水压信 号、液位信号和报警信号进行检测，控制机构 由 控制器、变频器和电控设备三部分组 成。其控制 流程图如图 1所示。 图1 系统控制流程图 1 ． 2 系统工作原理 出口管 网水压作为该恒 压供水系统 的控制对 象，恒压控制 的 目标就是使 出口总管网的实际供 水压 力保持在设定供水压 力上下一个很小的区间 内波动，恒压供水系统工作原理图如图 2所示。 压 力变送器 安装在用户供水管道上 ，它的作 收稿日期2 0 1 2 - 0 5 - 2 3 作者简介宋阳 1 9 8 4 一，女，助教，本科 ，研究方向为电气技术。 [ 1 3 8 ] 第3 4 卷第8 期2 0 1 2 - 8 上 图2 系统工作原理图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 似 用是实 时地 检测管网出水压力 ，将压 力值 转换 为 4 ． 2 0 mA的模拟信号 ，该信号通过 P L C的模数转换 模块 后与系统设 定的压力值进行 比较 ，将 比较后 的偏差值进行 P I D运算 ，再将运算 后的数 字信号 通过数 模转换 模块转换成模拟信号 ，此信号就 是 变 频器的输入信号 ，控制变频器的输 出频率 ，从 而控制电动机的转速 ，进而控制水泵 的供水流量 ， 最 终使 用户供水管道上的压力恒定 ，实现变频恒 压供水。 2 硬件系统设计 基于 P L C的恒压供水 系统 的原理 ，系统的电 气控制总框图如图 3 所示。 图3 系统 的电气控制总框 图 由系统电气总框 图可知 ，该 系统 的主要硬件 设备 包括 以下部分 P L C及其 扩展模块 、变频器、 水泵机组 、压力变送器和液 位变送器。 2 ． 1 P L C的选择及设计 根据控制 系统实际所需 端 子 数 目，考 虑 P L C端 子 数 目要有一定的余量，因此 选 用 的 S 7 2 0 0型 P L C的 主 模 块 为 C P U 2 2 6 ，其 开 关量 输 出为 1 6点，输 出形 式为 AC 2 2 0 V继 电器输 出；开关 量输入 C P U 2 2 6为 2 4点，输 入形式为 2 4 V直流输入 。 由于实际中需要模拟量输入 点 1 个 ，模拟量输出点 1 个 ， ． 所 以需要进行扩展，扩展模 块 选 用 的 是 E M2 3 5 。P L C 及扩展模块外围接线图如 图 4所示。 本 恒 压 供 水 系统 有 五 个输入 量，其 中有 4个数字量 和 1 个 模拟量。压 匀变送器将检测的管 网压力输入 P L C的扩 展模块 E M2 3 5的模拟 量输入端 口作为模拟量输入 ；开关 S A1用来控制白天 ／ 夜 间两种模式之 间的切换 ，它 作为开关量输入 1 0 ． 0；液位变送器把 测得的水池 水位转换成 标准电信号后送入比较器 ，在比较器 中设定水池 水位的上下限，当超 出上下限时 ，比 较输出高电平 1 ，送入 1 0 ． 1；变频器的故障输出端 与 P L C的 I O ． 2相连 ，作为变 频器故 障报警信 号； 开关 S B 7与 1 0 - 3相连作为试灯信号 ，用于手动检 测各指示灯是否正常工作。 本恒压供水 系统有 1 1个数 字量输 出信号和 1 个模拟量输出信号。Q O ． O - QO ． 5分别输出三台水泵 电机的工频 ／ 变频运行信号 ； Q1 ． 1输出水位超限报 警信号 ； Q1 ． 2输出变频器故障报警信号 ； Q1 ． 3输出 白天模式运行信号 ； Q1 ． 4输出报警电铃信号 ； Q1 ． 5 输 出变频器复位控制信号 ； A QW0输出的模拟信号 用于控制变频器的输出频率 。 2 ．2变频器的选型 由于 本设 计 中 P L C选择 的西 门子 S 7 ． 2 0 0型 号 ，为了方便 P L C和变频器之 间的通信 ，我们选 用西门子的 Mi c r o Ma s t e r 4 4 0变频器。它 由微处理 器进行控制 ，采用绝缘栅双极型 晶体管作为功率 输 出器件，具有较高 的运行可靠性和强大的功能 ， IN4 P L C及扩展模块外围接线图 第3 4 卷第8 期2 0 1 2 - 8 上 [ 1 3 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 似 完全可 以满足本设计的要求。它采用模块化结构 ， 组 态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功 能，有内置 的 RS - 4 8 5 ／ 2 3 2 C接 口和用于 简单过程 控 制的 P I闭环控 制器 ，可以根据用户的特殊需要 对 I ／ O端子进行功能 自定义 。快速电流限制实现了 无跳闸运行 ，磁通电流控制改善 了动态响应特性 ， 低频时也可 以输 出大 力矩 。选择 西门子的变频器 可以通过 R S 4 8 5 通信接 口直接与西门子 P L C相连， 便于设备之间的通信 。 2 ． 3压力变送器的选型 本 设 计 中选 用 普 通 压 力 表 Y一 1 0 0和 XMT 一 1 2 7 0数显仪实现压力的检 测、显示和变送。压力 表测量范围 0 l Mp a ，精 度 1 ． 0；数显仪输 出一路 图5系统主程序流程图 [ 1 4 0 1 第3 4 卷第8 期2 0 1 2 - 8 上 4 - 2 0 mA电流信号，送给与 C P U2 2 6连接模拟量模 块 E M2 3 5 ，作为 P I D调节 的反馈电信 号，可设 定 压力上、下限，通过两路继电器 控制输出压 力超 限信号。 2 ． 4液位变送器的选型 本设 计 选择 淄博 丹 佛斯 公 司生 产 的型 号 为 DS 2 6分体 式液位 变送 器，其 量程 为 0 m～ 2 0 0 m， 适用于水池、深井 以及其他各种液位的测量 ；零 点和满量程外部可调 ；供电电源 2 4 V DC；输 出信 号 两线制 4 2 0 m ADC精度等级 0 ． 2 5级。 3 软件系统设计 P L C软件系统 由一个主程 序和若干子程序组 成 ，主程 序主要 由初始化程序 、水泵电机起动程 序 、水泵电机变频 ／ 工频切换程序、水泵 电机换机 程序、模拟量 压力、频率 比较计算程序和报警 程序等构成。 4 结论 本文针对城市小区供水 的特点 ，设 计了一套 基于 P L C的双恒压供水控制系统。该 系统的压力 变送器对管 网压力信号进行采样 ，信号经 P I D运 算后传送到变频器，变频器根据压力大小调节电 机转速来改变供水量，保证管 网压力恒定。该系 统不仅有效地保证了供水系统 管网压 力恒 定，而 且具有运行稳定、可靠性高 、全 自动控制以及节 能环保等优点。 参考文献 【 l 】丁成松． 基于模 糊P I D的恒压 供水控制 系统设计 【 D】 ． 济 南 山东大学， 2 0 1 0 ． 【 2 】张燕宾． 变频调速应用实践【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 00 2． 【 3 】宋素宽， 杜煜 ． 变频调速恒压供水的 自动控制系统[ J ] ． 制 造业 自动化， 2 0 0 5 ， 2 7 1 0 7 1 7 2 ． 【 4 】雷 宏彬 ， 曹晓娟． 基于P L C和变频器 的恒压供 水控制 系 统[ J 】 ． 工业仪 表与 自动化 装置， 2 0 0 7 ， 3 6 3 5 4 5 5 ． 【 5 】冯增辉， 崔凤梅． 变频调速技术在采暖恒压供水系统中的 应用【 J 】 ． 电气自动化， 2 0 0 7 ， 2 9 5 1 7 1 8 ． 【 6 】陈忠平， 周少华， 侯宝玉， 等． 西门子s 7 2 0 0 系列P L C [ M] ． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m