趙榮昌，劉子勝，于　鵬河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院

基于S7-1500PLC恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙榮昌，劉子勝，于鵬
河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院

采用S7-1500PLC實(shí)現(xiàn)了恒壓供水系統(tǒng)的主要控制功能，通過變頻調(diào)速技術(shù)完成對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。根據(jù)相應(yīng)的控制要求和算法，使用Siemens TIA PORTALV13 SP1版編程軟件進(jìn)行編程，并通過PID工藝塊的精確調(diào)節(jié)，獲得了最優(yōu)整定參數(shù)。

S7-1500PLC；恒壓供水；PID；變頻調(diào)速

引言

我國水資源總量豐富，人均不足，是世界上公認(rèn)的貧水國家之一。另外，水資源的時(shí)空分布不均衡，利用效率差更是加劇了我國用水的嚴(yán)峻形勢(shì)。在這樣的背景下，節(jié)約用水提高水資源利用效率就顯得尤為重要。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以“供跟隨求”為設(shè)計(jì)理念，用變頻調(diào)速技術(shù)作理論支撐，搭建使用S7-1500PLC的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，以期改變傳統(tǒng)供水方式嚴(yán)重浪費(fèi)水電資源、供水可靠性差、工作穩(wěn)定性低的缺點(diǎn)。

1　恒壓供水系統(tǒng)的工作原理

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由可編程控制器、變頻器、壓力變送器和現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

圖1　恒壓供水系統(tǒng)方框圖

將壓力傳感器檢測(cè)到的管網(wǎng)壓力信號(hào)，傳送給PLC的模擬量輸入模塊。給定壓力值與采集到的實(shí)際管網(wǎng)壓力進(jìn)行比較，通過PID工藝塊進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng)模擬量輸出模塊輸出0-10V電壓信號(hào)。將輸出的電壓信號(hào)接到變頻器的模擬量輸入通道，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速，保持供水管道的壓力恒定［1］。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中使用的硬件設(shè)備包括S7-1500PLC、MM440變頻器、TP700精智面板、MP-55RM水泵機(jī)組、4-20mA壓力變送器及其他低壓電器。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖

PLC選用西門子公司最新的S7-1500控制器。該控制器可有效降低響應(yīng)時(shí)間和程序掃描周期，提高生產(chǎn)效率，其中CPU位指令處理時(shí)間最短可達(dá)1ns。使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)50，000小時(shí)。具有較大的存儲(chǔ)空間，支持高達(dá)2 GB的存儲(chǔ)卡，可存儲(chǔ)項(xiàng)目數(shù)據(jù)、歸檔、配方和相關(guān)文檔［2］。

3　控制過程和算法實(shí)現(xiàn)

PLC是按程序?qū)崿F(xiàn)控制要求的，基于西門子S7-1500硬件環(huán)境，使用Siemens TIA PORTAL V13 SP1版編程軟件來完成編程，通過在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。

3.1系統(tǒng)控制過程

本系統(tǒng)以PLC作為主控制器經(jīng)PID運(yùn)算來控制變頻器進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，水泵機(jī)組的三臺(tái)水泵根據(jù)檢測(cè)信號(hào)工作在工、變頻運(yùn)行模式下。用水量較少時(shí)，1號(hào)泵隨用水需求變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量增加至超過一號(hào)泵所能提供的水量上限時(shí)，若水壓仍未達(dá)到設(shè)定壓力值，1號(hào)泵投入工頻運(yùn)行、2號(hào)泵變頻運(yùn)行，加泵情況以此類推。用水量減少時(shí)，減泵情況相反。

3.2系統(tǒng)控制算法

控制算法采用PID算法進(jìn)行模擬量閉環(huán)控制。該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，使用方便。傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器算法為:

式中 Kp--比例放大系數(shù) TI-積分時(shí)間 TD-微分時(shí)間

Kp、TI和TD及三個(gè)參數(shù)的設(shè)定是PID控制算法的關(guān)鍵問題。本系統(tǒng)使用S7-1500自帶的PID_Compact指令來實(shí)現(xiàn)PID控制，功能塊具有參數(shù)自調(diào)節(jié)功能和自動(dòng)、手動(dòng)模式，此外還可以通過調(diào)試面板進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)和精確調(diào)節(jié)，用趨勢(shì)視圖監(jiān)視當(dāng)前的閉環(huán)控制。調(diào)節(jié)完成后可將PID參數(shù)上傳到項(xiàng)目按鈕，將優(yōu)化后的PID參數(shù)上載到項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)中，將壓力給定值設(shè)為量程的50%，經(jīng)精確調(diào)節(jié)后，所得參數(shù)如表1所示。

表1　精確調(diào)節(jié)參數(shù)

4　人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)

使用TP700精智面板與PLC連接，仍使用Siemens TIA POR?TAL V13 SP1軟件進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。在軟件中通過定義相關(guān)變量和事件函數(shù)設(shè)置相應(yīng)的控制按鈕，并提供相應(yīng)故障報(bào)警信息等。同時(shí)使用棒圖和趨勢(shì)圖實(shí)時(shí)顯示壓力設(shè)定值、管網(wǎng)實(shí)際壓力值及PID輸出值。

5　結(jié)束語

本文就供水的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)了基于S7-1500PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度高，高效節(jié)能。人機(jī)交互觸摸屏和PLC的有效連接，使操作控制和系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控更加方便。整體看，本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)供水系統(tǒng)的最優(yōu)控制，取得了較好的預(yù)期效果。

［1］朱雪凌.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，（2）.

［2］梁秀璟.吳和樂，解讀西門子創(chuàng)新［J］.自動(dòng)化博覽，2013，（4）.

［3］李貴生.基于PLC的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.山西建筑，2008，（26）.

趙榮昌（1995-），男，漢族，河北邢臺(tái)人，河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)在讀本科生。