中山中专学校恒压供水系统的PLC 控制

朱重阳 中山市中等专业学校 528400

【文章摘要】

恒压供水系统由可编程逻辑控制器（PLC）、变频器、水泵电机组、水压力

传感器以及接触器等构成；其中以PLC 为控制核心，采用PID 算法，通过变频调速来实现对水泵电机速率的控制，以此实现恒压供水的目的。

【关键词】

PLC ；PID ；恒压供水

中山市中等专业学校是具有在校规模学生将近6000 人的国家级重点中专； 这一庞大人群，每天将消耗大量的水资源。由于学生作息时间一致性的缘故，在同一时间段，往往会形成用水高峰，此时， 稳定的水源供应将是学生正常生活学习的保证。

在以往传统的供水系统中，水泵的控制多为电力拖动方式，水泵在工频条件下工作，水量的调节有阀门的开闭来实现，这样容易造成“水锤效应”和能源的巨大浪费。同时，在实际的使用过程中，由于用水点数量的不确定，经常导致管网水压不稳定，从而使得用水点的出水压力，在用水高峰和低谷的压力过低或过高，对生产及其设备造成了很大的影响，严重情况下甚至会造成设备的损坏。源于此，设计出恒压供水系统，这一系统融合了变频调速技术和PLC 的自动控制，很好的解决传统供水方式的诸多弊端，提高了运行效率， 节约了能源，为广大师生的用水问题提供了安全保障。

1 恒压供水系统的硬件设计

恒压供水系统由两台大水泵和一台小水泵组成，两台大水泵一台由变频器控制，另一台在工频工作；而小水泵直接在工频下工作，作为用水低峰时保持水压用。三台水泵组成的恒压供水系统如图1 所示：

在此系统中，1 号水泵进行变频运行，由变频器根据用水量的多少对水泵电动机进行调节。用水量低时，1 号水泵低频运行；用水量增加时，水泵电动机频率随之增加。如果1 号泵运行到工频依旧无法满足需要时，分别投入2 号、3 号泵。由此根据用水量进行水泵运行的调节，既满足了实际需求，又达到了节能目的。系统中的压力传感器，负责采集用户管道的供水压力这一模拟量，并将此压力值通过A/ D 转换模块转换成数字量，输入PLC，与目标压力值进行比较，PLC 对偏差值进行PID 运算，运算结果通过D/A 转换模块， 将PLC 的数字信号转变为模拟信号输入到变频器，控制水泵电动机频率的变化，从而实现对水泵转速的控制，达到闭环控制的目的。

PLC 作为这一控制系统的主机，可以实现以下两个目的：

1）对压力目标值和压力测量值进行PID 运算，以调节变频器对1 号水泵电动机的频率输出；

2）根据压力的变化情况，控制交流接触器，作出2 号、3 号水泵工作与否的决定。

2 恒压供水系统PID 调节应用

PID 运算是指比例运算、积分运算、微分运算。它是一种常用的通过运算做控的方法。PID 调节的的闭环系统如下图2 所示：

由上图可以，从系统的输出端得到的是实时测量值，反馈到系统输入端的综合点，与设定的目标值比较后，得出一个偏差值，经PID 运算后作出调节，使系统行动的偏差减少甚至为0。对恒压供水系统， PID 调节的结果是：当供水压力低于目标压力时，变频器运行频率就升高，当供水高于目标压力时，变频器运行频率就降低；当供水压力在上升接近设定值的过程中上升速度过快，自动减少执行量，从而

图1 恒压供水系统示意图

图2 PID 调节的闭环系统示意图228

应用技术

Application Technology

电子制作

稳定压力。

3 恒压供水系统的软件设计

在整个系统中以PLC（三菱）为控制核心，完成数据的闭环处理；其中A/D、D/A 模块，完成数据之间的模拟、数字转换，进而处理测量值；用拨码开关设定目标值。首先，第一部分实现对测量值D1 的A/D 转换和输出D2 的D/A 转化，具体如下图3 所示：

在上述程序中，将压力变送器检测用水量的模拟压力值，通过FX2n-2AD 模块转换成数字值，并输入PLC 存储在D1 中；对PID 运算输出值进行D/A 转换，将PLC 经过PID 运算的输出值D2，通过FX2n- 2DA 模块将数字量变成模拟量，输入到变频器。

第二部分：设定系统目标值D0。程序中104 行用数字式二位拨码开关设定目标值D0，通过具有左回转功能的应用指令（ROL），将拨码开关的设定值进行扩大（100 倍），并用“BIN”指令将BCD 码数值转化成二进制数值存入D0 中，作为系统的目标值，输入PLC 进行PID 运算，程序如下图4 所示：

第三部分：对系统偏差值进行PID 运算及水泵的切换控制，具体程序如下图

程序中181 行，以一定速率采样，对目标值D0、测量值D1 进行PID 运算，并将运算结果存入D2 中。程序191~235 行用以实现水泵切换的控制；当差值D88（目标值D0 与偏差值D1 之差），大于200 时， 投入水泵2 ；当D88 大于500，再次投入水泵3，以及对复位控制，以保证水位和水泵的运行稳定。

4 总结

本设计是利用变频器和PLC 实现的恒压供水控制系统的设计，总的来说，具有以下的几个特点：

1）系统根据需求出发，设计出恒压供水控制系统，为广大师生的用水问题提供了安全保障。

2）采用三台水泵低谷和正常工作轮流供水，高峰时期组合供水的工作方式，不仅解决了一般情况下 2 台互为备用但易出现故障，或一台出现故障另外一台供水水压不足的实际情况，还解决了水泵正常维护的问题，解决了工厂的实际问题。

3）采用的控制算法是积分分离 PID 算法，设计的系统是经典的恒压供水系统，提供了较为完整的软、硬件思想，具有很高的应用价值。

【参考文献】

[1] 李金成.PLC 模拟量与通信控制应用实践. 电子工业出版社.2011.

[2] 杜从商.PLC 编程应用基础[M]. 机械工业出版社.2011.

[3] 李金成. 三菱fx2n plc 功能指令应用详解[M]. 电子工业出版社.2011.

图3 恒压供水系统数据采集程序

图4 恒压供水系统目标设定值程序

图5 恒压供水系统PID 运算及水泵的切换控制程序229