一种由PLC的PID控制的变频恒压供水系统设计

秦 冲

(三门峡职业技术学院，河南 三门峡 472000)

0 引言

恒压供水是指供水系统在供水时的压力保持恒定状态，从而满足用户对供水量和供水压力需求的一种供水方式，传统的供水系统由压力传感器、继电器控制柜、水泵、供水管路等组成。随着现代技术的发展，出现了由PLC和变频器控制的恒压供水系统，虽然能满足压力和供水需求，但存在不能实时监控和触摸调试等缺点。基于恒压供水的控制原理及控制要求，本文提出了一种恒压供水系统，它利用PLC的PID调节功能实现压力恒定控制，通过变频器来实现电动机的转速调节，而变频器则是通过可编程控制器的FXON-3A模拟输出来控制的。

1 恒压供水系统工作要求

本文所设计的是一个利用PLC的PID控制的变频恒压供水系统，要求既能够实现手动操作控制还可以实现自动操作控制。该系统中的水泵由电动机作为动力，为了保证系统的可靠性，除了拥有正常运行的电动机M1外，还拥有一台备用电动机M2，在系统中分别由KM1和KM2控制，水泵累计运行100 h轮换1次，每次轮换后水泵重新启动和停电后水泵重新启动都要求有5 s的报警；当任何一个电动机作为动力在运行过程中出现异常时要求能够自动切换到另一台电动机，手动操作运行时要求不能自动轮换。采用PLC的PID调节功能来实现压力恒定，采用PLC的特殊功能模块的模拟输出来控制变频器的频率，实现电动机转速的调节；系统设定压力可调，并可通过触摸屏对系统压力进行设定；触摸屏要求能够显示设定压力、实际压力、水泵的运行时间和转速及报警信号等。

2 控制系统设计

2.1 恒压供水系统软元件设计

恒压供水系统的控制系统软元件部分设计主要包含触摸屏的输入/输出信号分配，以及PLC中按钮开关、接触器、报警器、变频器等元件的信号分配。触摸屏输入输出分配表如表1所示， PLC的输入/输出分配表如表2所示。

表1 触摸屏输入/输出信号分配

表2 PLC输入/输出信号分配

2.2 外围接线设计

根据恒压供水系统的控制要求、PLC的控制原理和其特殊功能FX0N-3A的模拟量输出控制变频器原理及I/O分配情况，设计出的系统外围接线图如图1所示。

2.3 PLC程序设计

根据本系统的控制要求，利用PLC的PID调节功能实现了压力调节及变频器的调节，图2为模拟量的读入写入程序段，该程序段主要是用来实现模拟量的读入写入准备功能。图3为PID运算程序段，主要用来实现参数的矫正及调节，其模拟量的输出实现压力调节及变频器的频率调节，最终完成对恒压供水系统的自动控制。

图1 恒压供水控制系统接线图

3 触摸界面设计

根据恒压供水系统的控制要求及I/O分配情况，对触摸屏的界面进行了设计，主要包含触摸屏运行方式的选择，其中，手动运行模式包含对1号、2号泵的单独启动和停止控制，而自动运行界面包含自动启停控制界面，两种界面均包含了对泵运行时间、故障报警、管道压力、电动机转速、水压设定、系统时间等方面的显示，且均可清除报警和运行时间，通过返回按钮的功能可实现界面的跳转。触摸屏界面设计如图4所示。

图2 模拟量读入写入程序段

图3 模拟量运算程序段

图4 触摸屏界面

4 变频器参数设计

变频器的参数设定主要包含上限频率、下限频率、基底频率、加速时间、减速时间、额定电流、启动频率、输出功率的设定，以及智能模式的选择、操作模式的选择等，根据本文所设计的恒压供水系统的使用情况，对变频器的参数设定如表3所示。

5 系统调试

在调试之前，首先连接触摸屏与计算机、PLC的接口，其中触摸屏的RS232接口通过数据线接在电脑的主机接口，而RS422接口通过数据线连在可编程控制器PLC的程序导入/导出接口，通过电脑中PLC编程软件的FX0N-3A特殊功能编写偏移/增益程序，外围接通该模块后，按下GAIN调节偏移量，按下OFFSET调节增益。依据图4所示的触摸屏界面，将各个元件的参数设置好；将电脑上的程序分别导入触摸屏和PLC；在调试触摸屏时PLC程序设定为监视状态，点击按钮注意电脑程序中的软触点元件的情况，如果没有按照设定的动作进行，则需要查看程序中的触点属性与触摸屏的属性是否一致，观察触摸屏上所显示的时间是否正确；再对触摸屏上的输入寄存器的值进行改变，同时应注意PLC程序对应的值是否发生相应的改变；按照图1将各个硬件的外围接线连接好；启动PLC，把PLC的开关置于运行状态，调整整个供水系统的压力；按下启动按钮后，应保证各设备的输出正常。系统的实际压力和所设定的压力应保持一致。

若水压与所设置的压力不一致，而是出现时而偏高时而偏低的现象，则应及时调节PID参数，以保证系统正常运行。

表3 恒压供水系统变频器参数设定

6 结语

本文将PLC控制技术、PID控制技术及PLC的特殊功能模块功能引入到传统的恒压供水系统控制中，设计了一种具备手动控制、自动控制、触摸参数设定及调节、报警功能的PID控制变频恒压供水系统。通过仿真软件调试和实地调试，结果表明:这种PLC的PID控制变频恒压供水系统不仅自动化程度高，而且在可靠性、操作性等方面都较之前系统具有很大优势。

参考文献：

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