可编程控制器控制直流电动机在恒压供水中的应用

摘要：针对目前国内民用建筑行业的发展，特别是卫星城和小区建设的发展，给各个技术行业带来许许多多的研究课题。小区供水系统的设计与研究，从工程而言是成熟的，己有规范的设计和施工标准，但从多方面的综合因素来说，还远远没能达到用户的要求。从目前的供水行业调查结果表明，变频调速技术在供水系统中已得到广泛应用，能有效的节能降耗，但变频调速需要变频器等昂贵的设备，在一定程度上制约了其广泛推广。所以即节能降耗又成本低廉是恒压供水发展的方向。可编程控制器控制直流电动机，通过PLC控制直流电动机输入电压从而达到控制水泵输出压力和流量的控制系统在实现恒压供水的基础上，降低了采购昂贵设备的成本。

关键词：PLC；恒压供水；PID控制；PWM高速脉冲发生器

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 (2012) 10-0025-01

一、控制系统方案设计

将水泵出口压力作为控制对象。水泵出口压力是恒压供水的一个重要参数，它体现出随时可变的用水需求和电机转速变化之间的动态平衡关系。水泵出口压力高，影响电机的使用寿命，长时间超压使用容易使泵壳疲劳，存在安全隐患。水泵出口压力低，不能满足供水量要求。直流电动机恒压供水自动控制的任务就是控制给水压力，使其适应用水量的变化，维持供水管网压力和流量在允许的范围内，可在任何情况下满足多用户对供水流量与扬程的不同要求。PLC采用数字PID控制算法，通过对压力给定值与测量值的偏差进行处理，PID输出通过运算转换成16位整数来控制高速脉冲发生器的脉宽，通过改变脉宽来控制清水泵电动机输入电压，进而改变清水泵电动机的转速来改变水泵出水口流量，实现管网压力的自动调节，使管网压力稳定在设定值附近

系统硬件配置中，控制器主要由PLC构成，采用西门子200PLC为开发平台，通过模拟量输入模块将现场采集的信号送入到PLC控制器。

二、直流电动机输入电压的调节设计

（一）用PID回路指令来控制高速脉冲发生器的脉宽

PID回路指令运用回路表中的输入和组态信息进行PID运算。使ENO=0的错误条件是SM1.1(溢出)SM4.3(运行时间)0006(间接寻址)。PID回路PID运算的前提条件是逻辑堆栈栈顶(TOS)值必须为1，该指令有两个操作数TABLE和LOOP。其中TABLE是回路表的起始地址，LOOP是回路号，可以是0到7的整数，在程序中最多可以用8条。如果有两个或两个以上的PID指令用了同一个回路号那么即使这些指令的回路表首地址不同，这些PID运算之间也会相互干涉产生不可预料的结果.回路表包含9个参数用来控制和监视PID运算。这些参数分别是过程变量当前值(PVn)，过程变量前值(PVn-1)，给定值(SPn)，输出值(Mn)，增益(Kc)，采样时间(Ts)，积分时间(Ti)，微分时间(Td)和积分项前值(MX)。为了让PID运算以预想采样频率工作，PID指令必须用在定时发生的中断程序中被定时器所控制以一定频率执行。采样时间通过回路表输入到PID运算中。在直流电动机恒压供水控制系统中，PID回路过程变量当前值选择为压力传感器输入的水压值，输出变量为经PID运算后的校正值。

（二）高速脉冲输出控制直流水泵的转速

西门子S7_200系列PLC的CPU有两个PTO/PWM发生器，产生高速脉冲串和脉冲宽度可调的波形，一个发生器分配在数字输出Q0.0，另一个分配在数字输出Q0.1。恒压供水中在允许PWM操作前把Q0.1的映像寄存器设定为0，把PWM控制字节(SM77.7)的允许位置为1，并执行PLS指令，这样脉冲宽度调制(PWM)功能便可提供占空比可调的脉冲输出。

三、数据传送及数码管显示

管网实际压力的三位BCD码形式的数据分别放在VW1302、VW1304、VW1306中，而设定压力则分别放在VW1308、VW1310、VW1300中，数据的传送是通过把要显示的实际压力和设定压力数据发送到变量存储器VW1400，VW1400中的数据通过一个扫描周期左移16位，再通过数据线V1400.7串行发送出去。PLC的Q0.2作为片选线在数据传送期间选中两段数码管。传送的16位数据前8位用来依次点亮数码管，后8位是传送的BCD码。而段码指令将字节型输入数据的低4位有效数字产生相应的七段码，并将其输出到所指定的输出单元。

四、结论

供水系统是人们生活、生产所必需的公用工程，供水系统的正常可靠运行具有重要意义，本设计采用S7-200系列可编程控制器实现供水系统恒压控制，根据用户用水量的多少，通过PID指令自动调节脉冲宽度，始终保持管网压力恒定（即实际压力等于设定压力），系统结构典型，程序设计简单，计算工作量较小，PID参数调整方便，各参数相互独立。闭环控制效果达到了较好满意程度，可广泛应用于小型控制系统。

参考文献：

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