plc恒压供水程序_PLC的恒压供水系统整体设计及工作原理

1导言

普通供水系统用水量大时，供水管道中的水压会下降，不能满足用户的需求；用水量低时，供水管道中的水压会上升，超过用户的需求。这种情况不仅浪费能源，而且破坏供水管道和用水设施，造成经济损失。供水系统压力调节方法比较落后，普遍采用水塔二次供水和频繁启停电机进行调节。前者投入资金多，占地大，容易失败；后者会消耗大量电能，还会影响接入电网的其他用电设备，反复启停设备会缩短其使用寿命[1]。

考虑到目前供水系统在实际应用中的一些弊端，本次设计的供水系统以高效节能、供水稳定为基础，采用PID闭环控制方式，提高系统的精度。为了保证各设备的安全运行，采用上位机对系统进行监控。其工作原理是利用变频技术、PLC和压力传感器的结合，完成水泵在变频电源和工频电源之间的自动转换，使管网压力稳定在设定值附近，从而满足恒压供水的设计要求[2]。

2系统的总体设计和工作原理

系统的设计目标是满足居民用水要求，所以调节的对象是流量，但是水泵的高度决定了流量，所以不容易检测和调节。系统供水时，管网中的水压取决于供水量和用水量的关系。当供水量大于用水量时，供水管道中的水压会增大，当供水量小于用水量时，供水管道中的水压会减小，当供水量等于用水量时，供水管道中的水压保持不变。因此，在控制流量时，我们以水压为参考变量。控制系统的结构如图1所示。

图1控制系统结构图

该系统采用基于PLC内部PID的变频恒压供水模式，通过应用三台水泵的循环运行和变频电源与工频电源的转换，完成恒压供水过程。1号泵和2号泵是主供水泵，3号泵是备用泵。控制流程图如图2所示。

图2控制系统结构图

该系统采用PID闭环控制方式，利用压力传感器测量管道中的水压，然后将压力转换成电信号，反馈给PID控制器。计算后得出偏差，用变频器改变水泵的转速。当居民用水量增加时，供水管道中的水压会小于设定的压力值。此时变频器的输出频率会增加，水泵的转速也会增加，从而增加供水量。当1#泵转速达到上限，供水管道内水压小于设定压力值时，1#泵将自动从变频状态切换到工频状态，2#泵变频工作。如果此时管网中的水压大于设定压力，2#泵的转速会降低，管网压力降低到下限时的频率仍大于压力设定值，1#泵停止，2#泵变频工作。当管网中的水压即将达到压力设定值时，水泵转速的变化开始减缓，直至转速不再变化，从而使供水管道中的水压保持在压力设定值，达到稳定供水压力的要求。

系统3的硬件设计

PLC主要由CPU、存储器、I/O口、外围编程器和电源组成[3]。CPU由寄存器、控制器和运算器组成，是PLC用来完成信息运算的单元。存储器用于存储数据、系统程序和用户程序。数字量和模拟量的I/O端口用于连接现场控制、检测设备和执行设备。PLC的输入端口包括三种输入形式，即DC输入、交流输入和交流/DC输入，输出形式包括晶闸管、晶体管和继电器。PLC的电源不仅为PLC提供主电源，还为PLC内部元件的稳定运行提供所需的直流电。内部元器件的供电方式通常是开关，稳定性高，故障频率低，抗干扰能力强。此外，PLC电源还可以为外部电路提供24V DC电源。

在本项目中，PLC信号接口采用9路输入、8路输出和1路模拟输入/输出。综合考虑性能和成本，选用西门子S7-200系列小型PLC的CPU。单元224有它自己的数字I/O端口，有14个输入和10个输出；配有两个模拟输入口(AIW)和一个模拟输出口(AQW)，有两个通讯口，可用于与上位机和变频器通讯，完全能满足本设计的要求，达到预期的控制效果。

S7-200 PLC的常用编程元件主要有数字输入继电器(I)、数字输出继电器(Q)、特殊标志继电器(SM)、辅助继电器(M)等。

系统采用西门子7.5KW变频器。综合考虑电网频率、变频器和电机工作频率等因素，电机运行时最高可调频率设定为50HZ，电机运行时最低可调频率设定为20HZ。因为变频调速时电机的频率不会降到0HZ，所以最低频率是20HZ，这也是泵减速运行的极限。

变频器与PLC之间的通信可以通过西门子USS通信协议实现。在工作过程中，USS主站发出通信信号，不断询问各个从站。从站收到数据命令后，判断是否执行以及如何执行。

系统硬件接线图如图3所示。

图3硬件接线图

4组态监控画面设计

目前，组态王监控软件是工业生产中应用最广泛的监控工具。该软件还具有编程和管理功能，从而优化工厂的生产。

它的基本组件是管理器、浏览器和运行系统。管理器用于建立和管理新项目，并对现有项目执行相关操作。浏览器的作用是建立监控界面，定义和赋值变量，编辑运行语言。操作系统的功能是让用户远程监控工厂的生产过程，提高生产效率。

该软件具有很强的兼容性，可以通过自己的通信端口与PLC、VVVF等常用设备进行通信。此外，它还可以使用OPC、DDE等软件进行数据传输和交换[4]。

组态王软件具有以下特点：

(1)在一定程度上加强了用户对生产的控制能力，可以提高生产的效率和质量，减少原材料的损耗。

(2)开发界面为中文，编程非常方便，操作简单，使用户能够快速学习软件。

(3)参数输入方便快捷，可重复模拟，实时曲线可直观反映参数变化趋势。

在组态王与PLC的通信中，我们使用了PPI通信协议。它是专为S7-200PLC设计的主从协议。

图4监控屏幕

5结束语

现有系统实现了对供水系统的控制和调节以及对设备运行状态的监控功能。未来通过对水位、功率、电压等更多现场数据的采集和传输，开发上位机数据管理系统，实现功能全面的自动控制和管理系统，提高系统的管理能力。这部分功能将是以后研究的重要内容。

审计唐子红