采用PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

張福明 李威 王艷蘋 許文麗

[摘 要]建筑高層供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性有助于為人們的生活提供便利性，為了對(duì)建筑高層供水系統(tǒng)進(jìn)行較為平穩(wěn)準(zhǔn)確的恒壓控制，本文采用PLC設(shè)計(jì)了一種恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC作為控制器，通過壓力采集器對(duì)管網(wǎng)端進(jìn)行壓力采集，并將采集到的壓力信號(hào)反饋給PLC，PLC根據(jù)反饋的壓力信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)供壓水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。文中對(duì)該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及軟件流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]PLC控制;恒壓供水;水泵控制;壓力調(diào)節(jié)

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

經(jīng)濟(jì)與科技高速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)居住樓層的高度提出了越來越高的要求。高樓層的建筑需要通過增壓供水的方式來給住戶提供生活用水，由于人們的生活習(xí)慣使得人們的用水量因時(shí)而異。在用水高峰期時(shí)，供水系統(tǒng)需要適當(dāng)增大供水壓力，以保證給住戶進(jìn)行穩(wěn)定充足的供水量，而在用水低谷期時(shí)，則應(yīng)該適當(dāng)降低供水壓力，以免供水管道承受較大的水壓，影響管道壽命以及住戶用水穩(wěn)定度以及流量。因此，供水系統(tǒng)不能一直采用一種固定不變的壓力進(jìn)行供水，而是需要根據(jù)用戶需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定充足的供水量。

傳統(tǒng)的供水增壓方式采用的是水塔重力式供水，該方式雖然具有一定的供水效果，但是該方法穩(wěn)定性很差，而且可控性不理想。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了氣壓罐供水、單片機(jī)控制供水等方法，但這些方法的可靠性較差，而且魯棒性不強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)供水壓力的恒定性，本文設(shè)計(jì)了一種采用PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。將PLC與變頻器相結(jié)合，通過壓力采集器采集管網(wǎng)端實(shí)時(shí)水壓，以目標(biāo)壓力與實(shí)時(shí)水壓偏差為依據(jù)，對(duì)供水水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)自動(dòng)化，對(duì)供水壓力進(jìn)行恒壓控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)是以PLC作為控制器，通過壓力采集器獲取管網(wǎng)端實(shí)時(shí)水壓值，并將該壓力值反饋給PLC，PLC再調(diào)用內(nèi)置的PID運(yùn)算單元，對(duì)標(biāo)定壓力與實(shí)時(shí)壓力值進(jìn)行計(jì)算獲取控制量。最后PLC通過控制量對(duì)變頻器進(jìn)行控制，控制水泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而對(duì)供水水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文所設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過本文供水系統(tǒng)的架構(gòu)圖可見，系統(tǒng)硬件是以PLC作為控制器對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。具體的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。從圖2可知，整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)可分為人機(jī)交互單元、主控單元以及信號(hào)采集單元和執(zhí)行單元。系統(tǒng)工作時(shí)，操作員通過液晶觸摸屏將標(biāo)定的壓力控制需求輸入進(jìn)PLC控制器。同時(shí)在系統(tǒng)工作時(shí)，操作員還可通過矩陣鍵盤對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行急停、開啟等操作。在系統(tǒng)中，管網(wǎng)端實(shí)時(shí)壓力的獲取是通過壓力采集器實(shí)現(xiàn)的，壓力采集器獲取到管網(wǎng)端壓力后，需要對(duì)該壓力信號(hào)進(jìn)行放大等調(diào)理，最終送入PLC控制器。PLC控制器獲得實(shí)時(shí)壓力后，將啟動(dòng)其內(nèi)部的PID運(yùn)算模塊進(jìn)行計(jì)算，獲取控制量。PLC控制器再依據(jù)控制量對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而通過對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)端供水壓力的調(diào)節(jié)。

在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)部分，液晶觸摸屏以及矩陣鍵盤組成了人機(jī)交互單元，該單元中采用的是7寸工控液晶觸摸屏。利用西門子的S7-200系列PLC作為主控單元的控制器。采用MIK-P300型壓力采集器以及三極管放大電路等組成的信號(hào)調(diào)理單元構(gòu)成了信號(hào)采集單元。采用三科 SKIV100A4D0G5D5P-4型變頻器以及水泵組成了硬件部分的執(zhí)行單元。

2.2 軟件流程設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件流程包含了五個(gè)功能子程序以及一個(gè)主程序。按照功能子程序分為硬件初始化程序、用戶標(biāo)定水壓值采集程序、實(shí)時(shí)水壓采集程序以及PID控制程序。各個(gè)程序通過參數(shù)傳遞的方式進(jìn)行通信。本文系統(tǒng)的軟件控制流程圖如圖3所示。從圖3可見，主程序首先調(diào)用了硬件初始化子程序，并通過用戶標(biāo)定水壓值采集子程序獲取標(biāo)定值。然后在通過實(shí)時(shí)水壓采集子程序獲取實(shí)時(shí)水壓后，調(diào)用PID控制子程序求取控制量。

整個(gè)軟件控制過程中，PID控制子程序?yàn)樽顬殛P(guān)鍵的一個(gè)部分，其計(jì)算出的控制量關(guān)系到對(duì)供水壓力調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)度。PID控制子程序中主要是通過PID算法而實(shí)現(xiàn)。PID算法是一種常用且穩(wěn)定的工業(yè)控制算法，其表達(dá)式為：（下轉(zhuǎn)頁）

其中，KP為比例系數(shù)、KI為積分系數(shù)、KD為微分系數(shù)。w（i）可通過標(biāo)定水壓值b（i）與實(shí)時(shí)水壓值a（i）求?。?/p>

3 結(jié)論

本文采用西門子S7-200系列PLC設(shè)計(jì)了一種恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件上以西門子S7-200系列PLC為主控器，以標(biāo)定水壓值以及實(shí)時(shí)水壓值為依據(jù)，調(diào)用PLC內(nèi)部的PID運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，求取控制量。PLC再根據(jù)控制量對(duì)變頻器進(jìn)行頻率控制，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到對(duì)供水水壓的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)在軟件上采用了PID算法精準(zhǔn)計(jì)算控制量，在硬件上采用了西門子S7-200系列PLC為主控器，為PID算法快速準(zhǔn)確的計(jì)算提供了平臺(tái)，同時(shí)也對(duì)變頻器進(jìn)行了快速精確的控制，使得系統(tǒng)的控制效率以及控制精度都得到了提高。

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