恒压供水系统论文参考（五篇）(3)

自来水厂恒压供水控制系统的设计

　　摘 要：恒压供水控制是供水控制系统的重中之重，首先采用 Siemens 公司的 S7300 PLC 设计并开发了恒压供水控制系统，结合 KingView6.55 组态软件开发了功能完备的监控画面，实现了过程监控、参数记录与查询、报警、用户管理等功能。在此基础上，通过 PI 控制算法，实现恒压供水控制快速响应、平稳运行。

　　关键词：恒压供水；S7300PLC；监控画面；PI 控制

　　供水控制是自来水公司配水过程中重要的工序，在供水控制中，经过过滤、消毒等工艺处理达标的自来水通过大功率离心水泵送到城市自来水管网中，随着居民用水或者其他用水用户在不同时段用水量的不同，自来水公司送入到自来水管网中的水量也就不同。恒压供水控制结合自来水公司多年的供水经验，在不同时段设定不同的管网压力，使得供水与用水之间保持平衡，不但提高了供水的质量。同时，通过变频技术降低能耗[1-2]，提高设备运行的可靠性。本文结合 Siemens 公司的 S7300 系列PLC[3]、北京亚控公司的KingView6.55组态软件、ABB 公司 ACS580 变频器等软硬件，设计并开发了恒压供水控制系统。控制系统包括控制方案设计、控制程序开发、监控画面开发，并在连接负载的情况下进行恒压供水 PI 控制参数整定。

　　1、控制系统设计和开发

　　1.1、控制方案

　　自来水厂恒压供水控制系统采用PLC(programmable logic controller)作为控制器，压力变送器作为检测机构，变频器及离心式水泵作为执行机构，控制结构框图如图 1 所示。

图 1 控制系统结构框图

　　控制系统运行时，供水管网上的压力通过压力变送器实时反馈到 PLC 控制器中，PLC 控制器比较压力设定值和压力反馈值的差值，计算出变频器的输出频率，通过调节变频器输出频率控制离心式水泵的转速，从而控制送入到自来水管网中的水量，进一步控制供水管网上压力，通过工程师站或者操作员站监控计算机监控整个系统的运行状况。

　　本文设计采用 Siemens 公司的 S7300 系列 PLC和工业以太网 Ethernet，控制系统网络结构如图 2所示。PLC 通过工业以太网 Ethernet 与上位机进行通信，通过 I/O 方式与变频器进行通信，变频器与离心式水泵相连。PLC 电源模块型号 6ES7307-1EA01-0AA0 、 CPU 模块型号 6ES7315-2AH14-0AB0、以太网模块型号 6GK7343-1CX00-0XE0、DI 模块型号 6ES7321-1BH02-0AA0、DO 模块型号6ES7322-1BH01-0AA0 、 AI 模块型号 6ES7331-7KF02-0AB0 、 AO 模 块 型 号 6ES7332-5HF00-0AB0。

图 2 控制系统网络结构

　　控制系统主电路如图 3 所示，L1、L2、L3 为交流三相电源，QA0 为断路器，起保护作用。变频器通过接触器 QA1~QA6 接在交流三相电源上。离心式水泵通过热继电器 BB 连接到变频器上。当离心式水泵工作时，如果工作电流过大，则会使得热继电器驱动器件 BB 工作，断开当前连接的电路，起到保护的作用。

图 3 控制系统主电路

　　1.2、控制程序

　　控制程序包括逻辑控制程序和连续控制程序两类。逻辑控制程序是指对关键设备的启停控制及联锁控制，主要包括：(1)6 台离心水泵的启停和联锁控制；(2)6 个与水泵对应的电动蝶阀的开关控制。通过液位计的反馈值对离心泵进行保护，当液位低于设定值时，处于运行状态的水泵停止，处于停止状态而要启动的水泵无法启动。水泵启动和停止控制流程图如图 4、图 5 所示，PLC 控制程序结构图如图 6 所示。

图 4 水泵启动控制流程图

图 5 水泵停止控制流程图

图 6 控制程序结构图

　　连续控制程序是恒压供水中对供水管网的压力控制的控制程序，压力控制采用 PI 控制算法。如图 7 所示，控制系统循环比较压力设定值 SP 与压力反馈值 PV 差值的大小，并将差值 e(t)=SP-PV 送入到 PI 控制器中，当差值 e(t)=0 时，即压力设定值与压力反馈值相等，PI 控制器保持输出频率不变；当 e(t)<0 时，PI 控制器减小输出频率；当 e(t)>0 时，PI 控制器增大输出频率。

图 7 恒压控制流程图

　　1.3、监控画面

　　监控画面包括监控系统的登录及用户管理、监控系统的帮助画面、监控系统总控制画面、报表画面、报警窗口及事件窗口的监控画面。部分监控画面如图 8、图 9 所示。

图 8 总控制画面

图 9 报表画面

　　图 8 为总控制画面，在该画面上可以全面监控设备的运行状态和仪表参数；在设备电源正常且允许远程操作的情况下，能够对水泵和阀门进行启停、开关控制以及频率给定操作；能够根据实际情况改修压力设定值，并观察实际压力反馈值。

　　图 9 为报表画面，用户根据不同条件对不同变量的历史数据进行查询、打印，结合用户管理实现无纸化办公。

　　2、PI 控制参数整定

　　PID(proportion-integral-differential) 控 制 即 比例-积分-微分控制，当被控对象得不到精确的数学模型，或者不能通过有效的测量手段获得系统参数时，最适用 PID 控制[4]，根据工程中实际应用情况，选择 PI 控制、PD 控制或者 PID 控制[5]：P(比例)控制：系统的设定值与反馈值出现偏差时，控制器及时对偏差进行控制，使偏差减小。

　　通过调节比例系数 Kp 达到不同的控制效果，比例系数 Kp 过小，控制偏差的效果不明显。相反，会令控制系统出现比较大的超调，产生振荡，使得稳定性变差。

　　I(积分)控制：主要消除控制系统中存在的静差，提高控制系统的无差度。通过调节积分时间 Ti达到理想的控制效果。Ti 变大，则积分控制作用减弱，有助于减小超调和振荡，增加系统的稳定性，但是，这样也会延长系统消除静差的时间。

　　D(微分)控制：及时反映出偏差值的变化趋势，并且在偏差值大幅度变化之前，在系统中提前加入一个修正信号，从而加快控制系统的调节速度，使调节时间变短。微分时间 Td 变大，控制系统的响应速度变快，超调量变小，稳定性加强。但是，削减了控制系统对扰动的抑制能力。

　　控制系统的静态性能(如增益)和动态性能(如滞后和空载时间、积分常数等)是设计控制器及其静态参数(Kp)和动态参数(Ki、Kd)的重要因素[6]。

　　Step7编程软件中集成了连续控制器FB41“CONT_C”，连续控制器 FB41 通过使用连续的I/O 变量，在 SIMATIC S7 控制系统中实现控制过程，因此，为了获得良好的控制效果，选择 FB41作为 PI 控制器。

　　Siemens 编程软件 STEP 7 中内置 PID ControlParameter Assignment 工具，通过该参数赋值工具选择 P 和 I 控制，并逐步赋值凑试，观察响应曲线，直至获得理想调节效果。

　　由于水泵功率较大，为了减小对水泵快速响应带来的损耗，并不要求系统的响应时间特别快。在应用中，通过不断地凑试来确定 PID 的参数。

　　如图 10 所示，Kp=5，Ti=600 ms，系统响应速度慢，超调量小。

图 10 Kp=5，Ti=600 ms

　　如图 11 所示，Kp=19，Ti=400 ms，系统响应速度迅速，超调增大，略有震荡。

图 11 Kp=19，Ti=400 ms

　　如图 12、图 13 所示，进一步减小 Kp 值，增大Ti 值，当 Kp=15，Ti=430 ms 时，系统响应曲线较理想。

图 12 Kp =15，Ti=430 ms 时上升响应曲线

图 13 Kp=15，Ti=430 ms 时下降响应曲线

　　调试 PI 参数，首先确定比例系数，再确定积分时间[7]。令积分时间 Ti=0，逐渐增大 Kp 的值，直到响应曲线出现等幅振荡，确定此时 Kp 的值；再确定积分时间 Ti 的值，设定一个较大的 Ti 值，然后逐渐减小 Ti，观察响应曲线超调量变化情况，超调量越小越好，确定 Ti 的值；最后综合系统的响应时间、超调量大小等因素综合确定 PI 参数。

　　3、结 论

　　本文采用 Siemens 公司的 S7300PLC 控制器作为控制核心，结合 Ethernet 现场总线，ABB 公司ACS580 变频器等器件设计并开发了自来水公司恒压供水控制系统并成功应用。控制系统设计包括控制系统方案设计、硬件设计、软件设计、监控画面开发等内容，通过调试，获得了理想的 PI 控制参数和控制效果。

　　参考文献：
　　[1] 汤跃, 尚亚波, 吴徐, 等. 变频调速恒压与变压供水的能耗分析[J]. 排灌机械, 2007, 25(1): 45-49.
　　[2] 姚福来. 水泵变频调速的节电量计算及系统设计 [M].北京: 科学出版社, 2005.
　　[3] 崔坚 , 赵欣 , 任术才 , 等 . 西门子 S7 可编程控制器STEP7 编程指南[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.
　　[4] 朱雪凌, 张娟, 许智勇, 等. 基于 PLC 的变频恒压供水的设计[J]. 华北水利水电大学学报: 自然科学版, 2013,34(2): 87-90.
　　[5] 陶永华. 新型 PID 控制及其应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998.
　　[6] 廖常初. S7-300/400PLC 应用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.
　　[7] 沈承, 黄光宏, 曹世宏, 等. PID 控制系统的参数调节技巧[J]. 机械工程与自动化, 2008, 37(4): 155-156.