張福明 李威 王艷蘋 許文麗

[摘 要]建筑高層供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性有助于為人們的生活提供便利性，為了對建筑高層供水系統(tǒng)進行較為平穩(wěn)準確的恒壓控制，本文采用PLC設(shè)計了一種恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC作為控制器，通過壓力采集器對管網(wǎng)端進行壓力采集，并將采集到的壓力信號反饋給PLC，PLC根據(jù)反饋的壓力信號對變頻器進行控制，進而對供壓水泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒壓供水。文中對該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)以及軟件流程進行了設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]PLC控制;恒壓供水;水泵控制;壓力調(diào)節(jié)

[中圖分類號]TP273 [文獻標識碼]A

經(jīng)濟與科技高速發(fā)展的當今社會，人們對居住樓層的高度提出了越來越高的要求。高樓層的建筑需要通過增壓供水的方式來給住戶提供生活用水，由于人們的生活習(xí)慣使得人們的用水量因時而異。在用水高峰期時，供水系統(tǒng)需要適當增大供水壓力，以保證給住戶進行穩(wěn)定充足的供水量，而在用水低谷期時，則應(yīng)該適當降低供水壓力，以免供水管道承受較大的水壓，影響管道壽命以及住戶用水穩(wěn)定度以及流量。因此，供水系統(tǒng)不能一直采用一種固定不變的壓力進行供水，而是需要根據(jù)用戶需求進行動態(tài)調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)穩(wěn)定充足的供水量。

傳統(tǒng)的供水增壓方式采用的是水塔重力式供水，該方式雖然具有一定的供水效果，但是該方法穩(wěn)定性很差，而且可控性不理想。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了氣壓罐供水、單片機控制供水等方法，但這些方法的可靠性較差，而且魯棒性不強。為了實現(xiàn)供水壓力的恒定性，本文設(shè)計了一種采用PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)。將PLC與變頻器相結(jié)合，通過壓力采集器采集管網(wǎng)端實時水壓，以目標壓力與實時水壓偏差為依據(jù)，對供水水壓進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)供水系統(tǒng)自動化，對供水壓力進行恒壓控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計的恒壓供水系統(tǒng)是以PLC作為控制器，通過壓力采集器獲取管網(wǎng)端實時水壓值，并將該壓力值反饋給PLC，PLC再調(diào)用內(nèi)置的PID運算單元，對標定壓力與實時壓力值進行計算獲取控制量。最后PLC通過控制量對變頻器進行控制，控制水泵的轉(zhuǎn)速，進而對供水水壓進行調(diào)節(jié)。本文所設(shè)計的供水系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過本文供水系統(tǒng)的架構(gòu)圖可見，系統(tǒng)硬件是以PLC作為控制器對整個硬件系統(tǒng)進行調(diào)控。具體的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示。從圖2可知，整個硬件結(jié)構(gòu)可分為人機交互單元、主控單元以及信號采集單元和執(zhí)行單元。系統(tǒng)工作時，操作員通過液晶觸摸屏將標定的壓力控制需求輸入進PLC控制器。同時在系統(tǒng)工作時，操作員還可通過矩陣鍵盤對系統(tǒng)進行急停、開啟等操作。在系統(tǒng)中，管網(wǎng)端實時壓力的獲取是通過壓力采集器實現(xiàn)的，壓力采集器獲取到管網(wǎng)端壓力后，需要對該壓力信號進行放大等調(diào)理，最終送入PLC控制器。PLC控制器獲得實時壓力后，將啟動其內(nèi)部的PID運算模塊進行計算，獲取控制量。PLC控制器再依據(jù)控制量對變頻器進行調(diào)節(jié)，進而通過對水泵轉(zhuǎn)速的控制實現(xiàn)對管網(wǎng)端供水壓力的調(diào)節(jié)。

在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)部分，液晶觸摸屏以及矩陣鍵盤組成了人機交互單元，該單元中采用的是7寸工控液晶觸摸屏。利用西門子的S7-200系列PLC作為主控單元的控制器。采用MIK-P300型壓力采集器以及三極管放大電路等組成的信號調(diào)理單元構(gòu)成了信號采集單元。采用三科 SKIV100A4D0G5D5P-4型變頻器以及水泵組成了硬件部分的執(zhí)行單元。

2.2 軟件流程設(shè)計

整個軟件流程包含了五個功能子程序以及一個主程序。按照功能子程序分為硬件初始化程序、用戶標定水壓值采集程序、實時水壓采集程序以及PID控制程序。各個程序通過參數(shù)傳遞的方式進行通信。本文系統(tǒng)的軟件控制流程圖如圖3所示。從圖3可見，主程序首先調(diào)用了硬件初始化子程序，并通過用戶標定水壓值采集子程序獲取標定值。然后在通過實時水壓采集子程序獲取實時水壓后，調(diào)用PID控制子程序求取控制量。

整個軟件控制過程中，PID控制子程序為最為關(guān)鍵的一個部分，其計算出的控制量關(guān)系到對供水壓力調(diào)節(jié)的精準度。PID控制子程序中主要是通過PID算法而實現(xiàn)。PID算法是一種常用且穩(wěn)定的工業(yè)控制算法，其表達式為：（下轉(zhuǎn)頁）

其中，KP為比例系數(shù)、KI為積分系數(shù)、KD為微分系數(shù)。w（i）可通過標定水壓值b（i）與實時水壓值a（i）求取：

3 結(jié)論

本文采用西門子S7-200系列PLC設(shè)計了一種恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)在硬件上以西門子S7-200系列PLC為主控器，以標定水壓值以及實時水壓值為依據(jù)，調(diào)用PLC內(nèi)部的PID運算器進行運算，求取控制量。PLC再根據(jù)控制量對變頻器進行頻率控制，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，最終達到對供水水壓的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)在軟件上采用了PID算法精準計算控制量，在硬件上采用了西門子S7-200系列PLC為主控器，為PID算法快速準確的計算提供了平臺，同時也對變頻器進行了快速精確的控制，使得系統(tǒng)的控制效率以及控制精度都得到了提高。

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