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【摘 要】本文介绍了采用PLC触摸屏监控的变频调速恒压供水系统，由PLC经过PID运算，逻辑控制变频器的输出频率，实现闭环自动调水泵运行频率，达到控制恒压供水的目的。提出系统控制方案与系统的构成，并简要介绍系统的硬件结构。
【关键词】PLC 触摸屏 变频器 PID控制 水泵
引言
城市生活中由于用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。再加上目前能源紧缺，无论从节能还是从供水质量看，传统的供水方式已不能满足要求。采用 PLC 变频器与触摸屏监控的恒压供水系统能根据用水量的变化，实现PID控制，控制水泵电机的无级调速和变频工频自动切换，从而实现供水量与用水量的匹配，保证恒压供水。
1 变频恒压供水工作原理及及系统组成
1.1 变频恒压供水工作原理
所谓恒压供水是能够自动保持水管内水压基本不变的供水过程。保持水压恒定即保持水管中水的流量恒定，根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电动机轴上消耗的功率与转速的平方成正比。因此变频恒压供水基本原理是通过安装在系统中的压力检测装置，将系统压力信号与设定值进行比较，再通过控制器调节变频器输出，无级调节水泵机组的转速和调节水泵的数量，使系统水压在水流量变化时，稳定在一定的范围内。
当供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高，反之则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。由于系统采用了负反馈，当压力在上升到接近设定值时，反馈值接近设定值，偏差减小，PID运算会自动减小执行量，从而降低变频器输出频率的波动，进而稳定压力。
当水网中的用水量增大时，会出现变频泵效率不够的情况，这时就需要增加水泵参与供水。PLC 根据检测变频器工作频率，从而发出增加或减小水泵电机工作数量的控制信号。
1.2 恒压供水系统组成
系统使用1台S7-200（CPU224和模拟量扩展模块EM235）控制一台MM420变频器，变频器拖动2台水泵电动机，水泵电动机的启动、停止、工频和变频切换由PLC控制。压力变送器将水管压力变为模拟量送给EM235，通过PLC的PID控制，使变频器的运行频率变化，实现恒压供水。控制系统由触摸屏实现监控，供水系统方案如图1所示。
2 电气控制系统主电路及控制电路
2.1 电气控制系统主电路
主电路接线采用一台变频器拖动两台水泵电动机，可在变频和工频两种方式下运行。KM0、KM2分别为水泵电动机M1、M2变频运行控制接触器，KM1、KM3为电动机M1、M2工频运行控制接触器。
2.2 PLC I/O接线
PLC输入接线如图2所示，输出点Q0.0接1#泵变频接触器，Q0.1接1#泵工频接触器，Q0.2接2#泵变频接触器，Q0.3接2#泵工频接触器，Q0.4接变频器的DIN1数字量输入端，实现变频器启停控制。Q0.5接报警指示灯。
水管压力经压力变送器变为电流信号，从EM235模拟量输入端AIW0输入，变频器频率控制信号由EM235模拟量输出端AQW0输出。AIN+、AIN-为变频器的模拟量输入端子，控制变频器的输出频率。
3 PID控制算法及变频器参数设置
3.1 PID控制算法
控制系统设计中为了便于PLC控制，采用数字PID控制算法，它是一种采样控制，根据采样时刻的偏差值计算控制量，经PLC的D/A扩展输出模块来控制变频器输出的频率，从而达到控制变频器运行频率目的，实现恒压供水的控制。
在模拟量的控制中，采用PID运算来执行PID回路的功能。如果一个PID回路的输出M（t）是时间的函数，则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和。即：
以上各量都是连续量，第一项为比例项，中间项为积分项，最后一项为微分项，用数字计算处理这样的控制算式，连续的算式必须周期采样进行离散化，同时各信号也要离散化，公式如下：
公式中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，控制PID回路时，把设定值和过程变量转化为PLC能够识别和处理的标准数据。
准确地选择PID调节器的结构和它的参数，能使系统在受到扰动后仍保持稳定，并将静态误差和动态误差保持在最小值。
3.2 变频器主要参数设置
变频器主要参数设置为P0003=3（专家级），P0004=0（显示全部参数），P0700=2（命令由端子输入），P0701=1（由端子DIN1控制变频器的起停），P1000=2（频率设定由模拟量端子设置），P1080=25（下限频率），P1082=50（上限频率）。
4 控制程序及监控界面设计
4.1 控制程序设计
控制程序主要实现控制系统中水泵电动机的启/停控制、变频器运行频率控制、供水压力PID控制等。
系统启动后用变频器拖动1#水泵运行，系统根据供水压力设定值和压力变送器所测数据进行PID控制，调节变频器频率，若1#泵运行频率达到工频，系统自动切换到工频运行，同时2#泵投入变频运行，若2#泵运行频率达到50Hz，2#泵切換到工频运行，如压力偏低，则系统报警。系统控制程序的设计流程图如图3所示。
4.2 监控界面设计
触摸屏监控界面如图4所示，通过监控界面可以设定供水压力，监测实际水压，反映1#水泵和2#水泵的运行状态及工作频率。
结语
本文采用PLC、触摸屏和变频器实现了小区的变频恒压供水控制，相对于传统的供水技术而言，具有节能效益明显，控制和保护功能完善，可实现机组的软起动、软停机，水泵运行组合切换灵活方便等优越性。
通过触摸屏监控画面可设定供水压力，监视设备运行状况，大大地提高了恒压供水系统的自动化水平和现场设备的监控能力。
参考文献
[1]廖常初.PLC基础应用[M].北京：机械工业出版社，2003，6.
[2]赵承荻，杨利军.电机与电气控制技术.北京：高等教育出版社，2007.04.
[3]李良仁.变频调速技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2004，6.
[4]宋爽.变频技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2010，8.
[5]张小娟.变频调速器在恒压供水系统的应用[J].机械与电子， 2009（9）：66-68.
【关键词】PLC 触摸屏 变频器 PID控制 水泵
引言
城市生活中由于用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。再加上目前能源紧缺，无论从节能还是从供水质量看，传统的供水方式已不能满足要求。采用 PLC 变频器与触摸屏监控的恒压供水系统能根据用水量的变化，实现PID控制，控制水泵电机的无级调速和变频工频自动切换，从而实现供水量与用水量的匹配，保证恒压供水。
1 变频恒压供水工作原理及及系统组成
1.1 变频恒压供水工作原理
所谓恒压供水是能够自动保持水管内水压基本不变的供水过程。保持水压恒定即保持水管中水的流量恒定，根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，而电动机轴上消耗的功率与转速的平方成正比。因此变频恒压供水基本原理是通过安装在系统中的压力检测装置，将系统压力信号与设定值进行比较，再通过控制器调节变频器输出，无级调节水泵机组的转速和调节水泵的数量，使系统水压在水流量变化时，稳定在一定的范围内。
当供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高，反之则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。由于系统采用了负反馈，当压力在上升到接近设定值时，反馈值接近设定值，偏差减小，PID运算会自动减小执行量，从而降低变频器输出频率的波动，进而稳定压力。
当水网中的用水量增大时，会出现变频泵效率不够的情况，这时就需要增加水泵参与供水。PLC 根据检测变频器工作频率，从而发出增加或减小水泵电机工作数量的控制信号。
1.2 恒压供水系统组成
系统使用1台S7-200（CPU224和模拟量扩展模块EM235）控制一台MM420变频器，变频器拖动2台水泵电动机，水泵电动机的启动、停止、工频和变频切换由PLC控制。压力变送器将水管压力变为模拟量送给EM235，通过PLC的PID控制，使变频器的运行频率变化，实现恒压供水。控制系统由触摸屏实现监控，供水系统方案如图1所示。
2 电气控制系统主电路及控制电路
2.1 电气控制系统主电路
主电路接线采用一台变频器拖动两台水泵电动机，可在变频和工频两种方式下运行。KM0、KM2分别为水泵电动机M1、M2变频运行控制接触器，KM1、KM3为电动机M1、M2工频运行控制接触器。
2.2 PLC I/O接线
PLC输入接线如图2所示，输出点Q0.0接1#泵变频接触器，Q0.1接1#泵工频接触器，Q0.2接2#泵变频接触器，Q0.3接2#泵工频接触器，Q0.4接变频器的DIN1数字量输入端，实现变频器启停控制。Q0.5接报警指示灯。
水管压力经压力变送器变为电流信号，从EM235模拟量输入端AIW0输入，变频器频率控制信号由EM235模拟量输出端AQW0输出。AIN+、AIN-为变频器的模拟量输入端子，控制变频器的输出频率。
3 PID控制算法及变频器参数设置
3.1 PID控制算法
控制系统设计中为了便于PLC控制，采用数字PID控制算法，它是一种采样控制，根据采样时刻的偏差值计算控制量，经PLC的D/A扩展输出模块来控制变频器输出的频率，从而达到控制变频器运行频率目的，实现恒压供水的控制。
在模拟量的控制中，采用PID运算来执行PID回路的功能。如果一个PID回路的输出M（t）是时间的函数，则可以看作是比例项、积分项和微分项三部分之和。即：
以上各量都是连续量，第一项为比例项，中间项为积分项，最后一项为微分项，用数字计算处理这样的控制算式，连续的算式必须周期采样进行离散化，同时各信号也要离散化，公式如下：
公式中包含9个用来控制和监视PID运算的参数，控制PID回路时，把设定值和过程变量转化为PLC能够识别和处理的标准数据。
准确地选择PID调节器的结构和它的参数，能使系统在受到扰动后仍保持稳定，并将静态误差和动态误差保持在最小值。
3.2 变频器主要参数设置
变频器主要参数设置为P0003=3（专家级），P0004=0（显示全部参数），P0700=2（命令由端子输入），P0701=1（由端子DIN1控制变频器的起停），P1000=2（频率设定由模拟量端子设置），P1080=25（下限频率），P1082=50（上限频率）。
4 控制程序及监控界面设计
4.1 控制程序设计
控制程序主要实现控制系统中水泵电动机的启/停控制、变频器运行频率控制、供水压力PID控制等。
系统启动后用变频器拖动1#水泵运行，系统根据供水压力设定值和压力变送器所测数据进行PID控制，调节变频器频率，若1#泵运行频率达到工频，系统自动切换到工频运行，同时2#泵投入变频运行，若2#泵运行频率达到50Hz，2#泵切換到工频运行，如压力偏低，则系统报警。系统控制程序的设计流程图如图3所示。
4.2 监控界面设计
触摸屏监控界面如图4所示，通过监控界面可以设定供水压力，监测实际水压，反映1#水泵和2#水泵的运行状态及工作频率。
结语
本文采用PLC、触摸屏和变频器实现了小区的变频恒压供水控制，相对于传统的供水技术而言，具有节能效益明显，控制和保护功能完善，可实现机组的软起动、软停机，水泵运行组合切换灵活方便等优越性。
通过触摸屏监控画面可设定供水压力，监视设备运行状况，大大地提高了恒压供水系统的自动化水平和现场设备的监控能力。
参考文献
[1]廖常初.PLC基础应用[M].北京：机械工业出版社，2003，6.
[2]赵承荻，杨利军.电机与电气控制技术.北京：高等教育出版社，2007.04.
[3]李良仁.变频调速技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2004，6.
[4]宋爽.变频技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2010，8.
[5]张小娟.变频调速器在恒压供水系统的应用[J].机械与电子， 2009（9）：66-68.