Page 1

www.sj-ce.org Vol.2 No.1 PP. 24-28

基于 PLC 的恒压供水 PID 控制系统设计

基于 PLC 的恒压供水 PID 控制系统设计 王宜雷 1,王慧 1,杜永奇 2 1. 中国矿业大学 信息与电气工程学院,江苏 徐州 221008 2. 兖矿科澳电解铝厂,山东 济宁 272000

要:本设计根据城市小区的供水要求,设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水系统。该系统由可编程控制器(PLC)、

变频器、压力传感器、水泵机组等构成。本系统通过变频循环方式控制三台水泵机组,水泵电机具有软启动和变频调速,并采 用“先启先停”的原则对水泵电机进行有效的利用。PLC 通过对测量值与设定值之间的偏差进行 PID 运算,根据运算结果控制 变频器的输出频率,改变水泵电机的转速,进而保持用户管网压力,实现恒压供水的目的。该设计具有良好的技术、经济效益, 有广阔的应用前景和推广价值。

关键词:PLC;变频调速;恒压供水;PID

The Design of Constant Pressure Water Supply PID System Based on PLC Yilei Wang*1, Hui Wang1, Yongqi Du2 1. School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology(CUMT), Xuzhou, China, 221008 2. Yankuang Keao Electrolytic Aluminum Factory, Jining, China, 272000 *

Email: 116221086@qq.com

Abstract: According to the requirement of city residential water demand, this paper designs a set of VF speed regulating constant pressure water supply system based on PLC. The system consists of PLC, transducer, pressure sensor, water pumps and other units. The system controls three water pumps by frequency conversion cycle, which have soft starting and frequency function, and with the principle of “start first and stop last”, the system makes effective use of water pump motors. PLC computes by PID through the deviation between the measured value and the set value, controls the output frequency of the inverter and changes the water pump motor speed according to the operation result, so as to maintain the user’s pipe network pressure, to achieve the purpose of constant pressure water supply. The design is of great technical and economic benefits, and has the broad application prospect and promotion value.

Key words: PLC; Variable Frequency Speed-regulating; Constant-pressure Water Supply; PID

引言 在我们国家,城市小区供水技术上一直比较落后,自动化程度比较低。随着我国社会经济的发展,城市小区的 供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量,不要因为压力的波动造成供水障碍,在不同时段也要求供水量做出 相应调整;另一方面要求保证供水的可靠性和安全性。针对这两方面的要求,以 PLC 控制的恒压供水系统应运而 生。 传统的供水方式,普遍存在浪费水力资源、电力资源,而且效率低,可靠性差,严重影响了居民用水和工业系 统用水。目前以变频调速技术的供水方式在居民生活用水的供水系统中得到良好的应用效果,变频调速水泵节能效 果十分显著[3]。 本文介绍了一种基于PLC的恒压供水PID控制系统的设计,采用了PLC控制与变频调速技术相结合的方式,实 现恒压供水的功能改造。

1 工作原理 系统的控制流程图如图 1 所示: 24

SJCE 2012.2

Scientific Journal of Control Engineering


www.sj-ce.org Vol.2 No.1 PP. 24-28

基于 PLC 的恒压供水 PID 控制系统设计

故障报警 上位 机

通信 模块

变频 器

PLC

PID 压力传 感器

水泵机组 M

水池水位上限 水池水位下限

用户管网

水池 图 1 控制流程图

其中 PLC 选用西门子系列主模块 CPU226,考虑到有模拟量的输入输出,需添加扩展模块,本系统选用西门子 EM235,变频器选用西门子 MM440,压力传感器或压力变送器选用普通的压力表 Y-100,用来采集用户管网的压力 值,并送入 PLC 进行 PID 运算[2] 。 水泵机组为 3 台水泵,分别由 M1,M2,M3 电机带动其转动。由于白天和夜晚用水量的不同,用户管网的压力 值不一样。根据这个原因,本设计采用白天和夜晚两种工作模式:白天模式下,系统高恒压运行,夜晚模式下,系 统低恒压运行。具体的工作原理如下: 根据用水量的变化,即用户管网压力的变化来调节水泵电机的转速。首先当用水量较低时,压力传感器测得的 管网压力与设定值的偏差进行 PID 运算,根据运算结果,变频器拖动电机 M1 工作在调速状态,直至管网压力达到 设定值。当用水量继续增加时,用户管网的压力没有达到设定值,但是变频器的输出频率已经达到上限频率时,系 统则会执行增泵程序,自动运行水泵电机 M2,并且 M1 做工频运行,此时 M2 做变频调速,直至管网压力达到设 定值。如果此时仍不能达到用户管网的水量要求,则同样,将水泵电机 M3 投入运行。当用水量下降,控制系统则 会执行减泵程序,当前变频运行的水泵关闭,工频运行的水泵换做变频运行,恢复对水压的调节。如果三台水泵已 经全部运行,而管网压力仍未达到设定值时,则控制系统会发出水压超限报警。 系统采用 PID 算法,可以使系统有效的对管网的压力变化作出调整。PID 算法在连续控制系统中是最为常见的 一种控制方式,也是目前最为成熟、简单的控制方式。PID 控制器对给定值 r(t)和实际值 y(t)的偏差 e(t)进行比例、 积分和微分运算,运算结果通过线性组合构成控制量 u(t),从而对被控对象进行控制,故称为 PID 控制器[1]。

2 系统设计 2.1 主电路 本系统主电路图如图 2 所示: N A B C QS1

QS2

QS3

QS4

RST 变频器 U VW

KM3

KM1

KM6

KM5

KM4

KM2

FR3

FR2

FR1

1#电机

2#电机

3#电机

图 2 主电路图 Scientific Journal of Control Engineering

控制工程期刊

25


www.sj-ce.org Vol.2 No.1 PP. 24-28

基于 PLC 的恒压供水 PID 控制系统设计

其中接触器 KM1、KM3、KM5 分别控制 M1、M2、M3 的工频运行;接触器 KM2、KM4、KM6 分别控制变频运 行;FR1、FR2、FR3 为热继电器,分别为三台电机作过载保护用;QS1、QS2、QS3、QS4 主电路的隔离开关;FU 为 熔断器。

2.2 控制回路 PLC 外围接线图如图 3 所示: 压力传感器输出压力信号 Q0.0 ~ Q0.5

Q0.0

Q1.1~ Q1.5

Q1.1

Q0.5

2

Q1.5 N

+A-

A+

L1

CPU226 I0.0

I0.1

I0.3

EM235 M

I0.2

M

M0

V0

输入变频器

图 3 PLC 外围接线图

系统有 5 个输入量,12 个输出量,输入输出各有一个模拟量,扩展模块 EM235 用于对输入模拟量完成 A/D 转 换,转换成标准的数字输入信号,同时也可以对输出数字信号作 D/A 转换,转换成标准模拟量输出信号。 系统控制回路图如图 4 所示。 中间继电器 KA 用于对变频器进行复频控制。SA 为转换开关,当 SA 接 1 的位置为手动控制,接 2 则为系统 自动控制运行。手动运行时,可用按钮 SB1—SB6 控制三台水泵电机的启停;自动运行时,系统在 PLC 程序控制下 运行,HL7—HL10 分别为水池水位上下限报警、变频器故障报警、白天模式运行、自动运行状态指示灯。 N 2

L 1 FU2

N1

PLC SA

SB1

SB2

KM2

KM1

FR1

1 HL1

Q0.0

KM1

KM1

Q0.1

KM4

SB3 SB4 KM3

KM2

HL2 FR2

KM3

HL3 Q0.2 KM3 KM4 Q0.3

SB6

SB5

KM5

HL4 KM5

KM6

FR3

HL5 Q0.4 KM5KM6 Q0.5

HL6 Q1.1

HL7

Q1.2

HL8

Q1.3

HL9 HA

Q1.4 Q1.5

KA

HL10

图 4 控制回路图 26

SJCE 2012.2

Scientific Journal of Control Engineering


www.sj-ce.org Vol.2 No.1 PP. 24-28

基于 PLC 的恒压供水 PID 控制系统设计

2.3 程序设计 2.3.1 增、减泵判断和相应操作程序 当 PID 调解结果大于等于变频运行上限频率(或小于等于变频运行下限频率)时,定时器计时几分钟(可以设 定任意值),以便消除水压波动的干扰,然后执行工频泵台数加一(或减一)操作,并产生相应的泵变频启动脉冲 信号。 2.3.2 水泵的软启动程序 增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备,同时变频泵号加一,并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水 泵变频启动脉冲信号,延时后启动运行。 当只有一台变频泵长时间运行时,对连续运行时间进行判断,超过一定时间则自动倒泵变频运行,如下图 5 所 示。

自动运行

变频器频率达 到上限

Y 增泵程序

N 变频器频率达 到下限

Y 减泵程序

N

进入自动变频运行

单台泵运行是 否较长时间

Y 水泵轮换程序

N

图 5 变频恒压供水系统主程序流程图

2.3.3 报警及故障处理程序 本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯,白天模式运行指示灯以及报警电铃。当故障 信号产生时,相应的指示灯会出现闪烁的现象,同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时,各指示灯会一直点亮。 故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数,在故障结束后产生故障结束脉冲信号[4]。

3 系统调试 先按照需求设定变频器的输出上下限频率,在控制电路正确连接好后,输入程序,接通电源。 (1)模拟调试:运行程序后,执行各项手动操作,观察PLC控制的各项指示灯和外部运行状态指示灯是否按 要求指示,否则检查线路以及程序是否无误,直到达到要求为止。 (2)空载调试:主要是PLC与变频器的空载调试,不接电动机,将PLC与变频器连接好后,通过操作变频器的 操作面板,并进行观察,直至变频器的输出频率符合调试要求,否则检查系统接线、变频器的参数、PLC程序,直 至变频器的输出按照要求为止。 Scientific Journal of Control Engineering

控制工程期刊

27


www.sj-ce.org Vol.2 No.1 PP. 24-28

基于 PLC 的恒压供水 PID 控制系统设计

(3)系统调试:当空载调试达到要求后,接入电机设备,执行操作,观察电动机是否按照控制要求运行,否 则,检查系统接线、变频器参数、PLC程序是否存在问题,然后做出修改,直至电动机按控制要求运行为止。

4 结语 基于 PLC 的恒压供水 PID 控制系统设计其优越性表现在:一是节能显著;二是 PID 算法得到实际的应用,对 恒压供水的控制更加精确;三是通过变频器的作用,使系统在运行时能减小电流对电网的冲击;四是对水泵、电机 的循环利用,有利于电机的使用寿命[5]。 本系统集变频技术、PLC 控制技术、电气技术于一体,有效地提高了供水系统的稳定性和可靠性,同时系统具 有良好的节能性,这在能源日益紧缺的今天尤为重要。研究设计该系统,对于改善人民的生活水平、提高供水的效 率、降低能耗等方面都具有重要的现实意义。 参考文献 [1]

廖常初. PLC 基础及应用[M]. 北京:机械工业出版社, 2003.

[2]

张万忠, 孙晋. 可编程控制器入门与应用实例[M]. 北京:中国电力出版社, 2005.

[3]

宋序彤. 我国城市供水发展有关问题分析[J]. 城镇供水, 2001,2:22-27.

[4]

卢建勤. PLC及变频器在恒压变量供水系统中的应用[J]. 机床电器, 2005, (4) : 60- 62.

[5]

赵丽梅. 变频器恒压供水系统设计[J]. 山西建筑, 2008, 34(2) : 192-193.

【作者简介】 : 王宜雷(1986-),男,汉族,2011年毕业于东南大学(浦口校区)自动化专业,现为在读研究生, 就读于中国矿业大学,控制理论与控制工程专业,研究方向为复杂过程控制。 Email:116221086@qq.com。

28

SJCE 2012.2

Scientific Journal of Control Engineering


The Design of Constant Pressure Water Supply PID System Based on PLC  

According to the requirement of city residential water demand, this paper designs a set of VF speed regulating constant pressure water suppl...

Advertisement
Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you