基于S7-200的变频调速恒压供水系统
在竹林山庄泵站的应用
夏春岸
一、概述
竹林山庄泵站是蓄水池型无人值守小区增压泵站，该小区地势较高，居民用水需通过该泵站二次增压，由于控制系统老化，故障频发，供水的可靠性和稳定性较差，为此公司提出对该泵站的自控系统进行改造。从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用PLC控制与变频器控制相结合的自动恒压控制供水系统，在操作界面上，采用了触摸屏控制，操作和参数的设置都在触摸屏上完成，简洁而美观。
二、系统组成及工作原理
1、组成
该变频调速恒压供水系统主要由S7-200PLC（CPU为226且包括两块模拟量输入模块EM231-
4AI和一块模拟量输出模块EM232-2AO），ABB ACS510 11kw变频器，触摸屏，压力变送器，水位计，动力控制线路和4台11kw水泵组成。电气控制系统构成简图如下。
    通讯端口1
   
       
   
2、工作原理
通过安装在出水汇流管上的压力变送器，把表示出水压力的4-20mA模拟量信号经EM231送入S7-200PLC，经与给定压力参数进行比较、运算后，经EM232发出0-10V的控制信号送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在设定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制增加水泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。此外，在水泵检修或者变频器和PLC故障时，也可通过现场手动方式，直接以工频方式运行。
三、PLC自动控制系统
1、启动阶段
自动运行方式启动后，系统首先对变频器状态、机泵状态、电流、电压、水位等各个开关量进行检测，满足启动条件后，出水压力变送器将4-20mA压力信号送到S7-200PLC，开始时水压低于设定值，系统进入加速状态，1#机泵电机接入变频器输出电路，变频器初始输出频率为0Hz，电机软启动，控制水泵逐渐加速，同时管网压力逐渐上升，当水压达到设
定值时，变频电机在此频率下稳定运行，进入稳定运行状态，并保持水压恒定。若变频电机频率达到工频时，水压还未达到设定值，此时PLC给出信号将1#电机切换至工频，同时发出指令使2#电机接入变频器，2#变频软启动并调速至水压的设定值，达到稳定运行状态使水压保持恒定。
2、稳定运行阶段及PID调节
进入稳定运行状态后，控制原理框图如下图。
设定压力+    管网压力
        —
在 S7-200 中 PID 功能是通过 PID 指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID 功能块，按照 PID 运算规律，根据当时的给定、反馈、比例－积分－微分数据，计算出控制量。
计算机化的 PID 控制算法有几个关键的参数 Kc（Gain，增益），Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数），Ts（采样时间）。
增益（Gain，放大系数，比例常数）P值大，反应快，有利于减少偏差（即出水压力与设定压力的差值），但过大的增益会造成反馈的振荡，导致系统的稳定性下降。
积分时间（Integral Time），偏差值恒定时，积分时间决定了控制器输出的变化速率。I值越小，偏差得到的修正越快，但过短的积分时间有可能造成不稳定，而过长的积分时间则会导致管网压力急剧变化时系统难以迅速恢复，动态响应变差。应适当增大I值，减少振荡，使系统更加稳定。
变频器恒压供水
微分时间（Derivative Time），偏差值发生改变时，微分作用将增加一个尖峰到输出中，随着时间流逝减小。微分时间越长，输出的变化越大。微分使控制对扰动的敏感度增加，也就是偏差的变化率越大，微分控制作用越强，相当于对反馈变化趋势的预测性调整。减少微分时间，有利于减少调节时间，克服因积分时间太长而使系统恢复时间过长。
编程时指定的 PID 控制器采样时间必须与实际的采样时间一致。S7-200 中 PID 的采样时间精度用定时中断来保证。
新版编程软件 STEP 7 - Micro/WIN V4.0 内置了一个 PID 调试控制面板工具，具有图形化的给定、反馈、调节器输出波形显示，可以用于手动调试 PID 参数。在进行PID参数设定时，在测试过程中依照先比例后积分的原则对系统进行在线调试。
根据该小区不同时段压力需求不同的特点，在PLC控制程序中根据时段的不同，设定不同压力值，在深夜，给定值小些；在用水高峰期，给定值大些。工作时，控制程序按不同时段自动给出压力给定值，无需人工干预，既满足了居民用水需求，更起到了节能的作用。
3、加、减泵控制
系统投运后，每台水泵机组处于三种状态之一，即工频运行、变频运行和停止状态。系统具有运行时间累积功能，在机泵启停顺序上表现为，加泵时，没有变频情况下，选运行时间最短并可用的泵启变频，有变频，停变频转工频，选运行时间最短并可用的泵启变频，启变频泵信号先于启变频器信号，停变频器信号先于停变频泵信号；减泵时，选运行时间最长且正在运行的工频泵停。
系统开始工作时，供水管道内水压力为0，在PLC控制系统作用下，变频器开始运行，比如
1#泵启动且转速逐渐升高，当出水压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这段时间1#泵处于调速运行状态。当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵从稳定转速加速到另一个稳定转速；反之用水量减少水压增加时，水泵按稳定转速减速到新的稳定转速。当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，出水压力仍低于设定值，这时经过一段时间的延时，由PLC自动切换至工频后恒速运行；同时，2#泵变频启动运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。在2#泵投入变频器运行以前，使变频器输出频率降至0Hz，然后再投入。在该泵站中4台水泵为两用两备，互为备用，定期轮换运行。
当用水量下降水压升高，变频器输出频率逐渐降至0Hz时，水压仍高于设定值，经过一段时间的延时确认，系统自动停掉工频泵，恢复对水压的闭环调节，通过变频调节使压力重新达到设定值。
除了以上水泵自动切换，累计运行时间记录功能外，系统还具有过流、过压、欠压保护，超温、过载保护，低水位停机，停电恢复后自启动，输入输出状态信号指示，故障报警记录等功能，还可自动生成频率变化曲线，泵房排污系统运行监测和故障报警信号，并预留了远程监测通讯接口。
四、总结
该系统投运以来，显著提高了该泵站的运行稳定性，同时由于程序设计合理，有效降低了电耗，延长了机泵寿命，真正做到了操作简便，无人值守。