基于PLC的变频恒压供水系统研究与开发

【摘 要】 变频恒压供水能有效降低能耗，提高效率，使供水管网处于合理的工作压力，具有广泛的应用前景。本文根据炼钢厂现场实际情况，分析了恒压供水的控制过程，设计了硬件与软件系统，实现了变频恒压供水。

【关键词】 PLC 恒压供水 变频器

1 引言

在炼钢厂某供水系统中，需要供水压力恒定，但用水量根据生产情况变化幅度较大。传统的供水系统中，水泵以恒定转速运行，无法控制供水管网的压力，系统常在超压状态下运行，同时效率低、耗电量大。为解决该问题，采用目前广泛使用的PLC变频恒压供水系统。系统运行过程中采集管网压力并与设定压力进行对比，由PLC运算后发出相应的控制指令，控制变频器调节转速，使管网压力始终跟随设定压力值。利用PLC、变频器、压力传感器及水泵机组构成的变频恒压供水系统具有自动化程度高、高效、节能的优点，在工业现场已经得到了广泛的应用。

2 恒压供水系统硬件设计

2.1 变频系统主回路设计

主回路通过控制回路对其进行实时控制，不断调节其输出频率最终实现恒压供水的目的。如下图2.1所示

2.2 控制系统设计

控制系统安装在控制柜中，包括PLC系统和电控设备。PLC系统是整个变频调速恒压供水系统的控制核心，直接对系统中的信号进行采集，对采集到的信号进行分析，实施控制算法，执行相应的控制方案，通过变频器和接触器对执行机构进行控制。电控设备由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成，用于在控制器的控制下完成对水泵的切换、手动/自动切换等工作。

PLC作为整个变频调速恒压供水系统的核心，它需要完成对系统中所有输入信号的采集，包括起动停止控制信号及系统自动反馈的控制信号，如报警、压力、故障等信号，实现所有输出单元的控制，如中间继电器、变频器等电气元件的控制，执行恒压控制算法，及与上位机进行数据交换、通讯等操作。因此，在选用PLC时需要综合考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间大小、输入输出点容量等因素。在本设计中，选择西门子公司的S7-300系列的CPU。它是紧凑型的PLC，在PLC上集成了数字量和模拟量I/O、ProfibusDP主站/从站接口，及其它集成功能。

3 恒压供水系统软件设计

PLC控制程序采用西门子公司提供的 STEP7 V5.4专业版编程软件进行开发。画面编程采用西门子Wincc6.0。本控制系统的子程序包括：参数设定FC、手动控制FC、自动控制FB、休眠FC、水位处理FC、消防处理功FC、定时换泵FC、过压报警FC、休眠功能FC等，这些子程序构成了整个控制系统所实现的功能。

4 供水系统分析及仿真

4.1 供水系统的理论模型

由于变频调速恒压供水的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，我们难以得出他的精确数学模型，只能进行近似等效。

水泵从初始状态向管网进行供水，到管网压力稳定达到设定值，需经过两个过程。

（1）水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程。

（2）水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程。系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可以忽略不计，均可等效为比例环节。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即：

式中：为系统的总增益，为系统的惯性时间常数，为系统滞后时间。

4.2 恒压供水系统仿真

4.2.1 经典PID控制介绍

PID（Proportion Integration Differentiation比例、积分、微分）控制是最早发展起来的控制策略之一，是历史最悠久、生命力最强的基本控制方式。PID控制具有很多优点。

（1）算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现；

（2）适应性强，可以广泛应用于各种不同的行业；

（3）鲁棒性强，它的控制品质对被控对象特性的变化不太敏感；

由于具有这些优点，PID控制被广泛应用于工业控制过程，尤其使用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在本课题中我们仍然采用经典PID控制。

4.2.2 系统仿真

通过Ziegler-Nichols法整定PID参数后，得出Simulink的模型图，如下图为系统的阶跃函数响应。（如图2）

4.1 供水系统的阶跃响应

对恒压供水系统来说，PID是一种简单有效的控制方法，通过仿真可以看出干扰对PID控制器的影响不大。

5 结语

本文根据现场实际需求，设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水自动控制系统。该系统利用变频器实现对电机的软启动和调速，压力传感器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，通过改变转速来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。运行情况表明，恒压供水系统安全可靠，维修率低，水压基本保持恒定，管网及阀门损坏率明显减少，节水节电效果明显，达到了预期的设计效果。

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