基于西門子PLC控制的變頻恒壓供水系統的設計摘要：隨著經濟的快速發展和國內生產、生活用水的不斷增加，供、用水系統的矛盾越來越突出。傳統的供水系統一般由氣壓罐、啟動控制柜、電動閥等設備來實現，這種方式控制的恒壓供水系統管網壓力波動大，水泵啟動頻繁，故障率較高。現由變頻器、西門子S7-200PLC、管網壓力傳感器等通過PID調節來實現管網的恒壓供水。該方式控制精度高，管網壓力波動性小，壓力穩定，控制水泵數量不受限制、故障率低等優點，故可在供水系統中廣泛推廣應用。

關鍵詞：西門子PLC；變頻恒壓；供水系統；自動控制技術

引言：由于傳統的恒壓供水系統具有較大的局限性，本文介紹的利用變頻器和PLC技術設計的恒壓供水系統消除了傳統供水系統的局限性。本文從恒壓供水系統的組成和功能、PLC技術的程序設計、試驗和結論這三個方面對該系統進行了闡述。

1恒壓供水系統概述

恒壓供水系統主要由三部分組成，分別是設計控制單元、執行單元、檢測反饋單元。這三個單元緊密聯系、缺一不可。只有這些單元互相配合，才能實現系統的恒壓供水功能。這三種單元的概況分別是：①控制單元：控制元件是恒壓供水系統中最重要的組成部分之一，通常采用S7-200可編程控制器對其進行控制，具有穩定性和可靠性的特點。由S7-200可編程控制器實現的控制單元操作簡單、方便、直觀，而且其通信功能強大。②執行元件：執行元件也是恒壓供水系統中最核心的部分，它由獨立的變頻器組成。其主要負責接收控制單元發出的信號來調節電機的輸出頻率，調節水泵轉速，最終實現控制管網壓力的功能。③檢測反饋單元：檢測反饋單元是控制系統中不可缺少的部分，只有在檢測元件的幫助下，才可測量出管網的實際壓力，管網壓力檢測采用擴散硅管道式壓力變送器，其特點是把隔離的硅壓阻式壓力敏感元件封裝于不銹鋼殼體內制作而成。它能將接受到的液體或氣體壓力轉換成標準的4-20mA電流號對外輸出至PLC系統，從而保證系統的正常、高效運行。

2基于PLC的恒壓控制系統的設計

2.1組成與原理

該系統主要由變頻器（執行器）、被控對象（水泵）、壓力傳感器、控制器（PLC）等構成，該系統是一個閉環的負反饋系統。控制器采用的是西門子PLC，執行器的功能是通過采集控制器輸出的電壓或電流信號來調整變頻器的輸出頻率，從而改變水泵的轉速，達到管網壓力恒定的目的。壓力傳感器把檢測到的管網壓力作為反饋信號，與預先設定的管網需要的壓力值相比較后得出一個偏差值，變頻器接收到此信號后，會根據偏差值的大小來調整輸出的頻率，進而控制水泵轉速，由此構成了一個閉環的負反饋控制系統，實現自動恒壓功能。

PID控制器、模擬量輸出信號、設定的壓力信號、反饋的壓力信號等都由西門子公司的S7-200系列PLCS7-224XP完成的，該PLC模塊不僅有14點數字量輸入、10點數字量輸出，而且還集成了兩路模擬量輸入和一路模擬量輸出模塊。將S7-224XPPCL作為最重要的部分，并配置壓力傳感器、模擬量輸入、模擬量輸出等模塊組成恒壓控制系統。

2.2PLC程序設計

在整個恒壓控制系統中，PID控制和模擬量信號的處理部分的程序設計是最復雜的，也是最重要的。

對比于PID控制的程序設計，模擬量輸入信號比較簡單，只需要每隔一個固定的時間段收集一次傳感器輸出壓力信號，并將該信號傳遞到PLC。例如壓力傳感器的測量范圍是0-0.5MPa，那么對于傳感器采集到的或4-20mA的電流信號對應的壓力信號就是為0-0.5MPa，PLC模擬量模塊就會將該信號進行A/D轉換并輸入到PLC，S7-200PLC將會對其進行處理。西門子S7-200系列的PLC有個缺點，它不能講整形數據直接轉換為浮點型數據，所以要先將數據通過I-DI命令轉換為DINT的數據類型，并存放在ACO中，之后再將數據轉換為浮點數，這樣一來，就能得到規范類型的數據，而且數據變得更加精確。

PID控制器的工作過程是接收壓力設定值和實際值的偏差值之后，根據PID算法計算控制器的輸出量，調整變頻器的輸出頻率。PID的控制系統是一個負反饋的閉環控制系統，所以任何因素的改變都不會干擾其他量，是一個相對穩定的系統。綜合考慮到該控制系統是一個即時系統，所以控制器采用PI類型。PID控制算法需要設置幾個重要的參數，包括Kc（增益）、Td（微分時間常數）、Ti（積分時間常數）、Ts（采樣時間）等。編程時，可采用Micro/WIN軟件，其有簡易的PID指令說明，可以快速的生成一個閉環PID控制。利用PID指令說明進行編程，考慮到傳感器的輸出信號是4-20mA的電流信號，要設定PID回路的輸入類型是單極性。除此之外，PID指令說明還提供了三個輸出量來反映過程值，分別是低值報警、高值報警和過程值模擬量模塊錯誤狀態。將PID向導產生的輸入和輸出的標準化程序存儲在運算數據存儲區。

2.3試驗與測試

恒壓控制系統利用西門子PLC的PID技術向導設置預先設定的初始參數，通過改變控制系統中的輸出值，使設定值與輸出值的曲線圖相交，能獲取有意義的臨界值。當相交至少十次之后，就可以得到自整定參數。通過試驗后可得到微分時間為0.5S，積分時間是3S，比例系數是0.6

開啟試驗控制系統設備之后，觀察水壓是否穩定在一個臨界值，通過調節管網壓力的設定值，輸出以可調電位器模擬，儀表顯示輸出壓力和設定壓力完全吻合，試驗說明了恒壓控制系統的控制效果很好。

3結論

供水系統在現代社會生活中起著重要作用，越來越受到人們的重視。然而，目前的供水系統并沒有擺脫傳統模式的制約，供水形勢也不容樂觀。現在，西門子PLC自動控制的變頻恒壓供水系統可以有效地解決上述問題，因此我們需要進一步研究PLC自動控制變頻恒壓，分析了其工作原理、技術的不斷發展，在實踐中硬件和軟件的PLC自動控制變頻恒壓分析，創新設計的自動控制程序，實現系統優化，提高應用水平，從而保證我國供水工作穩定、順利進行。

參考文獻：

[1]石玉明，譚立新.基于S7-200和MM440的變頻恒壓供水系統[J].變頻器世界，2009(7)：82-84.