摘 要：消防用水是港區(qū)生產(chǎn)的重要組成部分，本論文結(jié)合我港供水調(diào)節(jié)站的供用水現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)，給出設(shè)計(jì)原理、控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，分析控制功能和控制過程，完成可編程控制電路、變頻器電路等具體電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的程序框圖。以PLC與變頻器作為控制核心，結(jié)合壓力傳感器的使用，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水。軟件設(shè)計(jì)簡單，可靠性高，通過現(xiàn)場實(shí)踐調(diào)試，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓；供水

引 言：隨著對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢。本文分析變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，通過研究和比較，采用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水和數(shù)據(jù)傳輸，然后用數(shù)字PID對(duì)系統(tǒng)中的恒壓控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)包含三臺(tái)水泵電機(jī)，采用變頻器實(shí)現(xiàn)消防用水泵的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號(hào)，經(jīng)過壓力變送器送入PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

一、泵房現(xiàn)狀

該供水系統(tǒng)，具有消防變頻恒壓供水方式和生活變頻恒壓供水方式。消防和生活供水控制系統(tǒng)各自獨(dú)立。

消防泵控制系統(tǒng)，通過PLC采取一拖三恒壓變頻控制方式供水，三臺(tái)消防水泵，平時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，水泵按指令啟動(dòng)，供消防用水使用，并按一定的控制邏輯運(yùn)行，恒壓供水。

生活泵控制系統(tǒng)，配備一臺(tái)生活水泵滿足日常應(yīng)急供水需要。

二、系統(tǒng)控制要求

⑴消防供水恒壓運(yùn)行（設(shè)計(jì)壓力區(qū)間0.3-0.4MPa，穩(wěn)定在0.35MPa，范圍可調(diào)）。

⑵三臺(tái)泵根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采取先開先停的原則接入和退出。

⑶保護(hù)功能（在控制回路中加裝微繼電器，當(dāng)供水管網(wǎng)壓力超限時(shí)，控制系統(tǒng)斷電，起到超壓保護(hù)作用）。

⑷具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制功能；手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)使用。

三、設(shè)備型號(hào)

⑴西門子變頻器MIDI_MASTER_Eco（35KW）

⑵西門子S7-200 PLC（CPU 222 CN）

⑶數(shù)字量擴(kuò)展模塊（ EM 222 CN）

⑷壓力傳感器（連接變頻器，實(shí)現(xiàn)PID控制）

⑸電接點(diǎn)壓力表（總回路超壓保護(hù)）

四、電氣控制系統(tǒng)原理

⑴恒壓供水系統(tǒng)工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)以管網(wǎng)水壓為設(shè)定參數(shù)，通過控制變頻器的輸出頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)（PID），使供水系統(tǒng)的出口水壓自動(dòng)穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值，如圖1所示。當(dāng)用水量增加，實(shí)際壓力比設(shè)定壓力低時(shí)，變頻器輸出電源的頻率會(huì)升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增大；當(dāng)用水量減少，實(shí)際壓力比設(shè)定壓力高時(shí)，變頻器輸出電源的頻率會(huì)降低，水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量減少；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的壓力時(shí)，水泵就維持在該頻率上運(yùn)行。

對(duì)于多泵恒壓供水系統(tǒng)，如果變頻水泵達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速（頻率），經(jīng)過一定時(shí)間的判斷后，如果管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定壓力，則控制系統(tǒng)會(huì)將該水泵切換至工頻運(yùn)行，并變頻啟動(dòng)下一臺(tái)水泵，直至管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力；如果系統(tǒng)用水量減少，則系統(tǒng)會(huì)指令水泵減速運(yùn)行，當(dāng)降低到水泵的有效轉(zhuǎn)速后，則正在運(yùn)行的水泵中最先啟動(dòng)的水泵停止運(yùn)行，即減少水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，直至管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力范圍內(nèi)。

五、PLC輸入輸出點(diǎn)及定時(shí)器作用

I0.0和I0.1分別連接變頻器輸出繼電器低頻和高頻輸出，作為PLC切換泵的輸入信號(hào)；I0.2作為自動(dòng)啟動(dòng)按鈕，連接選擇開關(guān)；I0.3作為電動(dòng)啟動(dòng)按鈕。

Q0.1：一號(hào)泵變頻啟動(dòng)；Q0.2：一號(hào)泵工頻啟動(dòng)；Q0.3：二號(hào)泵變頻啟動(dòng)；Q0.4：二號(hào)泵工頻啟動(dòng)；Q0.5：三號(hào)泵變頻啟動(dòng)；Q1.0：三號(hào)泵工頻啟動(dòng)；Q1.4：變頻器啟動(dòng)信號(hào)。

TON型：接通延時(shí)

定時(shí)器T52、T57、T58、T59、T60、T61作為水泵變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行時(shí)的時(shí)間延時(shí)，防止返送電對(duì)變頻器產(chǎn)生破壞，設(shè)置時(shí)間為3S。

定時(shí)器T38、T40、T42、T43、T45、T48、T56作為高頻信號(hào)的延時(shí)，設(shè)置時(shí)間為30S，T47、T51、T53、T54、T55為低頻信號(hào)的延時(shí)，設(shè)置時(shí)間為2S。

定時(shí)器 T39、T41、T44、T46、T49、T50作為增泵時(shí)變頻延時(shí)，與變頻器斜坡下降時(shí)間（10S）相結(jié)合，設(shè)置時(shí)間為10S，確保變頻器完全停機(jī)后再啟動(dòng)變頻器，同時(shí)完成工頻自偶降壓啟動(dòng)。

六、變頻器參數(shù)設(shè)定表

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e （t）與輸出u （t）的關(guān)系為：

u（t）=kp（e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt） ；式中積分的上下限分別是0和t。

因此傳遞函數(shù)為：G（s）=U（s）/E（s）=kp（1+1/（TI*s）+TD*s）；其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時(shí)間常數(shù)； TD為微分時(shí)間常數(shù)。

在整定PID控制器參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)的方法調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)。

首先可以采用PI控制器來進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，D（積分）最后進(jìn)行調(diào)整。為了保證系統(tǒng)的安全，在調(diào)試開始時(shí)應(yīng)設(shè)置比較保守的參數(shù)，比例系數(shù)不要太大，積分時(shí)間不要太小，以避免出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定或超調(diào)量過大的異常情況。給出一個(gè)階躍給定信號(hào)，根據(jù)被控量的輸出波形可以獲得系統(tǒng)性能的信息。根據(jù)PID參數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系，反復(fù)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。

如果階躍響應(yīng)的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)減小比例系數(shù)、增大積分時(shí)間。如果階躍響應(yīng)沒有超調(diào)量，但是被控量上升過于緩慢，過渡過程時(shí)間太長，應(yīng)按相反的方向調(diào)整參數(shù)。

如果消除誤差的速度較慢，可以適當(dāng)減小積分時(shí)間，增強(qiáng)積分作用。

反復(fù)調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分時(shí)間，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分控制，微分時(shí)間從0逐漸增大，反復(fù)調(diào)節(jié)控制器的比例、積分和微分部分的參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置和設(shè)備實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性最終確定PID控制中各參數(shù)值，完成整定，達(dá)到水泵恒壓運(yùn)行的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]《S7-200 PLC基礎(chǔ)及工程應(yīng)用》 機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]《零基礎(chǔ)學(xué)西門子S7-200 PLC》第二版 機(jī)械工業(yè)出版社.

作者簡介：

鄭文強(qiáng)，出生年月：1988.01.28，性別：男，民族：漢族，籍貫（精確到市）：山東省煙臺(tái)棲霞市.