基于S7-300PLC的雙恒壓供水控制系統(tǒng)

沈燦鋼

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 江陰 214405）

0 引 言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉大量采用非自動(dòng)化控制，主要依靠人工決定灌溉時(shí)間和灌溉量，灌溉效率低下，不利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[1]。這樣的灌溉方式不僅耗費(fèi)大量人工，還存在灌溉水壓不均衡等缺點(diǎn)。許多灌溉系統(tǒng)的水資源、泵站利用效率僅約30%，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家成熟的農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)和完善的設(shè)備相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平還有很大的提升空間。隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)被大量應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉控制系統(tǒng)中進(jìn)行了一系列研究，取得了諸多成果[2]。

本文提出了一種以西門子PLC為控制器，采用參數(shù)自適應(yīng)模糊PID算法的控制系統(tǒng)，根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域需求，實(shí)時(shí)調(diào)整灌溉壓力值，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同時(shí)段的合理灌溉控制，對(duì)灌溉用水實(shí)現(xiàn)恒壓控制。我國(guó)西北地區(qū)水資源緊缺，因缺乏有效水源，一旦發(fā)生火災(zāi)，可以利用灌溉渠道輸送消防用水，有效解決該問題。本文設(shè)計(jì)的灌溉供水系統(tǒng)可兼顧消防供水和高恒壓輸出，具有灌溉和消防雙恒壓供水控制功能。

傳統(tǒng)的恒壓供水方式采用水塔、高位水池、氣壓罐等設(shè)施實(shí)現(xiàn)。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，將變頻器、PID調(diào)節(jié)器、傳感器、PLC等器件有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)恒壓供水[3]。在電控柜的主線上安裝壓力傳感器，水壓變化的信號(hào)傳遞給PLC和變頻器，雙恒壓供水系統(tǒng)能夠滿足灌溉需求和消防滅火需求。

1 雙恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

儲(chǔ)水池的水位只要低于設(shè)定的水位，接通外網(wǎng)的水閥MB1打開注水，水池就會(huì)源源不斷接納外網(wǎng)提供的水。PLC接收水池中的高/低水位信號(hào)，水池中水位過低時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。為保證供水的連續(xù)性，水位上下限位傳感器不宜距離過大。三臺(tái)供水泵既可以進(jìn)行灌溉供水也可進(jìn)行消防供水。電磁閥MB2失電時(shí)，消防管網(wǎng)的供水系統(tǒng)關(guān)閉，灌溉供水管網(wǎng)由PLC控制3臺(tái)水泵恒壓供水。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，電磁閥MB2得電，關(guān)閉灌溉用水管網(wǎng)，打開消防管網(wǎng)供水，PLC控制3臺(tái)泵轉(zhuǎn)入消防供水，消防供水也在恒壓狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雙恒壓供水控制系統(tǒng)方案

系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC，配備模擬量輸入模塊和壓力傳感器。主線上安裝壓力傳感器檢測(cè)水壓信號(hào)，變頻器驅(qū)動(dòng)水泵，由PLC控制變頻器運(yùn)行。若水泵中的水壓超過設(shè)定值發(fā)出報(bào)警信號(hào)，則將水泵中的水壓頻率切換到工頻運(yùn)行，若無報(bào)警信號(hào)，水泵按原頻率運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)雙恒壓供水。系統(tǒng)采用PID控制算法使供水壓力維持在恒定范圍內(nèi)，提高了供水的穩(wěn)定性[5]。系統(tǒng)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)水壓為0.14 MPa，而發(fā)生火災(zāi)時(shí)，水壓提升至0.2 MPa。

2.2 采用PID控制算法

設(shè)計(jì)一個(gè)二維模糊控制器，對(duì)PID中3個(gè)在線參數(shù)kP、kI、kD進(jìn)行設(shè)置，二維模糊控制器的輸入用管道壓力的誤差e與誤差變化ec表示。二維模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 二位模糊PID控制器

式中：kP0、kI0、kD0為初始參數(shù)；kP、kI、kD為在線整定參數(shù)；ΔkP、ΔkI、ΔkD為模糊推理修正參數(shù)。

變頻灌溉具有非線性、帶滯后、系統(tǒng)不穩(wěn)定、時(shí)變等特性[6]，設(shè)計(jì)純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，如公式（2）所示：

式中：K為系統(tǒng)總增益；T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)；τ為系統(tǒng)滯后時(shí)間。

2.3 系統(tǒng)電氣原理圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電氣原理圖包括主電路、控制部分供電電路、PLC主機(jī)電路和PLC模擬量擴(kuò)展模塊電路。PID控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 PID控制系統(tǒng)

2.3.1 主電路設(shè)計(jì)

供水系統(tǒng)的水泵啟動(dòng)電流較大，采用AC 380 V/50 Hz三相三線制供電方式。主電源供電保護(hù)元器件選用施耐德三相斷路器，三臺(tái)水泵電路均配有斷路器保護(hù)供電[7]，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)方案

2.3.2 控制部分供電電路

主電路供電為AC 380 V，繼電器輸出高電平電壓，使設(shè)備得電，變頻器工作。電磁閥輸出低電平。另外使用開關(guān)電源輸出24 V直流電，給整個(gè)控制部分元器件供電，將強(qiáng)弱電分開，保證人身安全[8]。組態(tài)王通過一根通信線實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。控制部分供電電路如圖6所示。

圖6 控制部分供電電路

2.3.3 PLC主機(jī)電路

西門子S7-300擴(kuò)展模塊SM323的外圍I/O開關(guān)量電路輸入部分包含按鈕開關(guān)和傳感器等，輸出部分包含繼電器、電磁閥和指示燈等[9]。SM323接線如圖7所示。

圖7 PLC主接線圖

2.3.4 PLC模擬量擴(kuò)展模塊電路

西門子模擬量擴(kuò)展模塊選用SM331和SM332，壓力傳感器接入輸入模塊SM331的CH1通道[10]。M端和L端信號(hào)傳遞給模擬量輸出模塊。3臺(tái)變頻器分別接入SM332的CH1、CH2、CH3通道。PLC輸出模擬量控制變頻器。PLC模擬量擴(kuò)展模塊電路如圖8所示。

圖8 PLC模擬量擴(kuò)展模塊電路

2.4 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

2.4.1 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

PLC選型包括對(duì)機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。在SIEMENS SETP7軟件中創(chuàng)建項(xiàng)目選用PLC（CPU 312）、數(shù)字I/O模塊（SM323 DI8/DO8）、模擬I/O模塊（SM331和SM332）進(jìn)行硬件組態(tài)連接。硬件組態(tài)如圖9所示。

圖9 PLC硬件組態(tài)配置

2.4.2 系統(tǒng)I/O地址分配

根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，確保所有必需的輸入裝置、傳感器和輸出設(shè)備正常工作，確定與PLC的輸入/輸出設(shè)備相關(guān)聯(lián)，并確定I/O點(diǎn)的PLC。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)PLC的I/O點(diǎn)進(jìn)行定義，見表1所列。

表1 PLC的I/O地址分配表

2.4.3 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

灌溉控制系統(tǒng)上電初始化后啟動(dòng)，判斷火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。設(shè)定灌溉壓力，PLC采集壓力傳感器測(cè)量信號(hào)。通過變頻調(diào)壓，使水泵中的水壓實(shí)現(xiàn)恒壓[11]，如圖10所示。

圖10 程序流程

根據(jù)灌溉管網(wǎng)中水壓的檢測(cè)值，將恒壓供水分為3個(gè)模式。

模式一：變頻器1作PID調(diào)節(jié)；

模式二：2臺(tái)變頻器運(yùn)行，變頻器1在工頻運(yùn)行，變頻器2作PID調(diào)節(jié)；

模式三：3臺(tái)變頻器運(yùn)行，變頻器1、2工頻運(yùn)行，變頻器3作PID調(diào)節(jié)[12]。

3 試驗(yàn)分析

以某農(nóng)田灌溉區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)對(duì)象，根據(jù)灌溉控制系統(tǒng)的實(shí)際需求，試驗(yàn)時(shí)壓力設(shè)定為0.5 MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 壓力與時(shí)間的數(shù)據(jù)表

從表2中壓力與時(shí)間關(guān)系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出管網(wǎng)水壓變化如圖11所示。

圖11 管網(wǎng)水壓變化曲線

由壓力時(shí)間表和管網(wǎng)水壓曲線可發(fā)現(xiàn)：

（1）壓力設(shè)定值為0.5 MPa時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差大約為2%；

（2）40 s時(shí)壓力最大值為0.514 MPa，系統(tǒng)超調(diào)量為3.25%；

（3）47 s后壓力穩(wěn)定在0.5 MPa。

系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，根據(jù)不同灌溉區(qū)域面積需求，設(shè)定不同的壓力值。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，恒壓灌溉運(yùn)行穩(wěn)定[13]。灌溉試驗(yàn)監(jiān)控界面如圖12所示。

圖12 灌溉控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一套以PLC和變頻器為控制核心，采用參數(shù)自整定PID模糊控制算法，通過組態(tài)王監(jiān)控恒壓灌溉的控制系統(tǒng)[14]。與傳統(tǒng)灌溉方式相比，此舉提高了灌溉效率和資源利用率，具有操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、安全可靠、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。最大限度實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)節(jié)能，提高了農(nóng)業(yè)用電、用水灌溉與消防的綜合利用率，對(duì)農(nóng)機(jī)灌溉控制系統(tǒng)優(yōu)化有一定的參考價(jià)值。