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摘 要：针对城镇供水水压时常变化的特点，设计了一种基于PLC和PID的恒压供水系统。系统以可编程控制器为核心，系统不断采集供水系统各类传感器数据，采用PID控制器消除偏差，自动调整水泵机组的工作频率和运行数量，通过闭环控制实现恒压供水。
关键词：PLC;PID;恒压;供水
中图分类号：TP273 文献标识码：A
Constant pressure water supply system based on PLC and PID
Zheng Yong
Huainan Capital Water Co.，Ltd. AnhuiHuainan 232001
Abstract： Aiming at the frequent changes of urban water supply pressure， a constant pressure water supply system based on PLC and PID is designed. The system takes the programmable controller as the core. The system continuously collects various sensor data of the water supply system， uses PID controller to eliminate deviation， automatically adjusts the working frequency and running quantity of the pump unit， and realizes constant pressure water supply through closed-loop control.
Key words： PLC;PID;constant pressure;water supply
現代社会经济快速发展，水作为生命之源，高层建筑、居民小区、工业生产等诸多单位对水资源有着大量需求。目前，我们的供水系统自动化程度仍然偏低，一方面供水效率低下，容易造成大量浪费，另外一方面生活及工业用水呈现很强的时段波动性，对供水管网压力造成很大的变动。用水高峰时段，用水终端的供水量普遍低于实际需求量，管网压力下降，用水体验极差，与人们追求高质量的生活生产水平期望不符，若二次加压过大，又极为容易造成水管炸裂和设备损坏。因此，设计并实现高效稳定的恒压供水系统有着重大的社会和经济意义。本文提出一种基于PLC和PID的恒压供水系统，以PLC为控制核心，将传感器、水泵机组等构成闭环控制系统，不断采集供水管网压力数据，利用PID控制器消除偏差，从而达到动态的恒压供水效果。
1 恒压供水系统结构
系统控制器选用西门子S7-226，其内部含有PID控制器，可以自动控制并且具有人机通信模块，便于操作。变频器采用西门子MM440变频器，压力传感器选用MEAS-US5100。系统还包括水泵机组、液位变送器以及报警反馈装置等。系统的主要工作原理是在闭环PID装置随时接受压力传感器和液位变送器等各种传感装置所提供的变化参数的同时，系统根据相应变化数据传递给变频器相应信号，从而按照要求控制水泵机组具体工作，保证其能持续不间断工作从而维持供水压力的恒定，满足用水需求。与此同时，要求系统能够对数据进行储存的传输、对故障问题能及时监控和警报，保证供水的安全高效。
图1 控制系统结构图
恒压供水控制系统结构如图1所示，分为三个部分：
2 恒压供水系统电路控制及接线设计
2.1 系统主电路的设计
系统主电路如图4-2所示：其中QS为三相电源与三台电机水泵之间的隔离开关。高温熔断器FU作为主要的保护装置，防止短路。为了避免电机过载而被烧坏，FR作为一种热继电器被设计在电路中保护水泵机组。KM1、KM3、KM5负责控制电机工频运行电网上KM2、KM4、KM6则是电机变频运行的控制方式。 系统电路接线设计的主要目的就是使三台水泵能够在以变频器为核心的“变频调速技术”的控制下进行工频与变频之间的来回切换而从达到循环交替工作的效果。要求在用水高峰期时，三台水泵机组都要工作，且只有一台是变频变速工作，其他两台水泵机会在50HZ也就是工频状态下恒速供水。同时也考虑到在用水高低谷期时即在用水量不大的情况下，这时仅一台水泵就能满足要求。在这个状态下，如果只用一台水泵不停工作，这无疑大大缩短了这台水泵的使用寿命。为了减小电机损坏的潜在隐患，设计了“倒序”功能：任一台电机组变频工作满三小时，会向中央指令系统传送一个信号，中央系统接收这一信号后立即做出反应输出指令自动控制切换下一台水泵在变频状态下工作，上一台则变为工频状态。这种设计很好的保护了电机，在不降低其工作效率的前提下，避免了任何一台水泵可能持续工作时间太长而发生故障的可能性。三台水泵都能在变频状态下工作，保证倒序功能的正常实现，在其工作在变频的同时，其余两台水泵便工作在工频。
2.2 系统控制电路与工作过程
系统控制电路如图3所示。当SA接1时，此时由人工通过SB1～SB6来控制控制水泵在工频状态下的启动和停止;当SA接2时，PLC就会自动控制整个系统，此时不需要人工操作。图3中Q0.1～Q0.5和Q1.1～Q1.5指的是PLC中的输出端口。其中Q0.1～Q0.5主要用来控制水泵的工变频工作。Q1.1接HL7作为水池水位上下限报警指示灯;Q1.2接变频器故障报警指示灯HL8;白天模式运行状态指示灯HL9接Q1.3;Q1.4接HA作为系统故障报警电铃;当SA接2，只要系统自动运行，HL10就会点亮;KA接Q1.5。
以一号水泵说明系统自动运行原理：Q0.0输出信号1表示一号水泵在工频状态下运行， 当Q0.1输出信号1时表示一号水泵处于变频状态下进行工作。从控制电路中可知当Q0.0输出信号1时，接触器KM1线圈处于得电状态，因此回路通电，工频运行电源指示灯HLI被点亮。同时，KM1的常闭触点断开，接触器KM2线圈断电，KM1与KM2实现电气互锁。当CPU226中的Q0.1端口输出信号为1时，KM2的线圈得电，在回路中点亮一号水泵变频运行指示灯HL2，一号水泵在变频状态下工作。
Q1.1～Q1.5与传感器构成负反馈电路。在恒压供水系统中，正常状态下，水池水位不会触及极限，但是每一天的不同时段，对用水需求是不同的。如果用户用水需求突然增加，这时水池里的水储量会急剧减少。水位线则会随之降低，一旦达到下限警报线，液位变送器输出报警信号到CPU的模拟量输入模块，使输出端口Q1.1 输出为1，此时HL7就会被点亮;同样的，当检测到变频器出现故障时，此时CPU的Q1.2输出1，点亮HL8;Q1.3输出1，点亮HL9。为了提醒现场工作人员系统出现了必须手动处理的故障，则需要配置一个报警电铃HA，使其与继电器Q1.4相接，输出为1，HA工作。由图3可知，当系统状态是自动运行的时候，HL10与电源组成的回路接通，会一直点亮。根据变频供水系统要求，变频器必须能够完成频率复位工作。复位时Q1.5输出为1，常开触点闭合，复位回路通电。
一般只会在系统出现故障时才需要使系统处于手动状态下进行检查和修复。当系统处于手动状态下，需要水泵进行工频和变频之间的切换。以水泵1为例，只需按下SB1，KM2导通，KM1得电且自锁，两个继电器这样的工作结合可使电机M1在50HZ频率下工作。SB2断开，M1停止。
2.3 系统PLC的I/O端口分配
系统使用的指示灯较多，大多数指示灯寿命较短，由于长时间工作很容易损坏。一旦故障产生，但相应指示灯却没有显示，容易使现场工作人员忽略此故障。为了避免更大的损失，我们设计开关SB7和I0.3相连。即便指示灯没有工作，我们也可以通过手动调试来检测其是否已经损坏，此工作可以在日常常规检查中进行。
3 PID恒压控制
系统PID控制恒压供水的原理如图4所示，PID控制器是根据设定压力值与反馈压力值之间的偏差来调节输出，它的误差公式为：
PID的主要作用就是尽可能的使e（t）趋向0，最大程度上减小误差，理想目标是彻底消除误差。但在实际操作中，误差是难免的，不可能被完全消除，只能尽可能的提高控制精度，使系统运行稳定。下面对几种常见的控制系统做简单的阐述。
D控制器。一般情况下不使用D控制器，因为当它单独使用时，非但不能减小偏差，还会造成系统不稳定。
其中
是可调系数。I控制器的主要作用是可以消除静差，但系统很容易发生动荡。由于它很难单独维持系统稳定，所以在本系统校正系统中不单独使用。
它的输入输出关系为：
其中τ是微分时间常数。在加入D环节，采用PD控制的情况下，能够在降低误差的前提下还能保证系统的稳定性，集两者的优势于一身。这种控制器比较适合带有积分特性的负载，因为单独P控制器在处理误差时，由于个别积分元件的特性，系统会很容易发生振荡。加入D环节后，它通过增加
，减小积分作用，使系统稳定。但是PD控制器的缺点是，无法预测感知误差的变化趋势，没有前瞻性，不适用于误差起伏较大的系统中。
（5）PI控制器。P动作不能完全消除偏差，加入积分作用组成PI控制器。该控制器不仅能减小误差，还能极大程度的减小系统偏差，而且对整个系统动态性能都有一个特别突出的改善效果。它的输入输出关系是：
（6）PID控制器。它的运动方程是：
由以上可知，当偏差出现在恒压供水系统中，对于整个PID控制系统来说，当在偏差比较小时，P的作用也随之减小。一般为了消除偏差作用我们会让I作用，结合P动作可以有效的维持系统稳定，再加上D动作的作用，就能有效抑制偏差。与PD、PI控制相比，PID的控制效果要更好。无论系统带哪种特性的负载，经过PID控制器的调节，都能获得低偏差、高精度和系统稳定的控制过程，因此在恒压供水系统中使用PID控制。
4 结语
本文基于PLC可編程控制器，结合PID控制技术，对恒压供水系统的设计进行了探究。其能针对用水实际情况，自动控制水泵运行频率与水泵运行数量，实现用水高峰时，水泵频率升高，运行数量增加，从而加大供水量，保证人们生产生活需求;而在用水低谷时，降低水平运行频率和数量，降低供水生产损耗，节约能源，提高经济效益。同时，自动切换水泵工作状态，降低某台机组过度工作产生故障的风险。当故障出现时，系统能自动报警，同时也能在正常工作状态下人工排查安全隐患，保障系统安全可靠运行，具有很高的应用价值。
参考文献：
郑勇.浅谈变频器的选用与维护[J].科技广场，2013（1）：117-120.
夏正龙，刘斌.基于PLC专家规则控制的恒压供水系统设计[J].制造业自动化，2020（4）：24-28.
王煜.采用PLC控制的变频恒压供水系统设计[D].大连理工大学，2014.
唐焱明，刘光亚.基于PLC楼栋恒压供水装置的设计与实现[J].船电技术，2020（6）：24-29.
作者简介：郑勇（1973— ），男，汉族，安徽淮南人，工程师，主要从事电气工程方面的设计、安装、调试、运营维护等相关的技术与管理工作。
关键词：PLC;PID;恒压;供水
中图分类号：TP273 文献标识码：A
Constant pressure water supply system based on PLC and PID
Zheng Yong
Huainan Capital Water Co.，Ltd. AnhuiHuainan 232001
Abstract： Aiming at the frequent changes of urban water supply pressure， a constant pressure water supply system based on PLC and PID is designed. The system takes the programmable controller as the core. The system continuously collects various sensor data of the water supply system， uses PID controller to eliminate deviation， automatically adjusts the working frequency and running quantity of the pump unit， and realizes constant pressure water supply through closed-loop control.
Key words： PLC;PID;constant pressure;water supply
現代社会经济快速发展，水作为生命之源，高层建筑、居民小区、工业生产等诸多单位对水资源有着大量需求。目前，我们的供水系统自动化程度仍然偏低，一方面供水效率低下，容易造成大量浪费，另外一方面生活及工业用水呈现很强的时段波动性，对供水管网压力造成很大的变动。用水高峰时段，用水终端的供水量普遍低于实际需求量，管网压力下降，用水体验极差，与人们追求高质量的生活生产水平期望不符，若二次加压过大，又极为容易造成水管炸裂和设备损坏。因此，设计并实现高效稳定的恒压供水系统有着重大的社会和经济意义。本文提出一种基于PLC和PID的恒压供水系统，以PLC为控制核心，将传感器、水泵机组等构成闭环控制系统，不断采集供水管网压力数据，利用PID控制器消除偏差，从而达到动态的恒压供水效果。
1 恒压供水系统结构
系统控制器选用西门子S7-226，其内部含有PID控制器，可以自动控制并且具有人机通信模块，便于操作。变频器采用西门子MM440变频器，压力传感器选用MEAS-US5100。系统还包括水泵机组、液位变送器以及报警反馈装置等。系统的主要工作原理是在闭环PID装置随时接受压力传感器和液位变送器等各种传感装置所提供的变化参数的同时，系统根据相应变化数据传递给变频器相应信号，从而按照要求控制水泵机组具体工作，保证其能持续不间断工作从而维持供水压力的恒定，满足用水需求。与此同时，要求系统能够对数据进行储存的传输、对故障问题能及时监控和警报，保证供水的安全高效。
图1 控制系统结构图
恒压供水控制系统结构如图1所示，分为三个部分：
- 供水部分：供水部分负责根据需求直接输送水到用户环节，其主要由水泵机组以及供水管道构成：水泵机组包括三个变频水泵，若只有一台水泵工作，则这台水泵要求工作在变频工作状态下;若几台水泵同时工作，我们设计只有一台水泵电机是在工作于变频状态。
- 中央指令部分：为了使系统控制更加方便，将中央指令部分都集成在一个控制柜中，其中硬件部分主要包括PLC、PID控制器以及变频器，它是整个供水系统的核心。
- 信息传递与反馈部分：信息反馈部分主要是由传感器和负反馈系统组成，各类传感器对水压，水位以及问题故障进行实时监测的同时将信号传递给中央控制柜。
2 恒压供水系统电路控制及接线设计
2.1 系统主电路的设计
系统主电路如图4-2所示：其中QS为三相电源与三台电机水泵之间的隔离开关。高温熔断器FU作为主要的保护装置，防止短路。为了避免电机过载而被烧坏，FR作为一种热继电器被设计在电路中保护水泵机组。KM1、KM3、KM5负责控制电机工频运行电网上KM2、KM4、KM6则是电机变频运行的控制方式。 系统电路接线设计的主要目的就是使三台水泵能够在以变频器为核心的“变频调速技术”的控制下进行工频与变频之间的来回切换而从达到循环交替工作的效果。要求在用水高峰期时，三台水泵机组都要工作，且只有一台是变频变速工作，其他两台水泵机会在50HZ也就是工频状态下恒速供水。同时也考虑到在用水高低谷期时即在用水量不大的情况下，这时仅一台水泵就能满足要求。在这个状态下，如果只用一台水泵不停工作，这无疑大大缩短了这台水泵的使用寿命。为了减小电机损坏的潜在隐患，设计了“倒序”功能：任一台电机组变频工作满三小时，会向中央指令系统传送一个信号，中央系统接收这一信号后立即做出反应输出指令自动控制切换下一台水泵在变频状态下工作，上一台则变为工频状态。这种设计很好的保护了电机，在不降低其工作效率的前提下，避免了任何一台水泵可能持续工作时间太长而发生故障的可能性。三台水泵都能在变频状态下工作，保证倒序功能的正常实现，在其工作在变频的同时，其余两台水泵便工作在工频。
2.2 系统控制电路与工作过程
系统控制电路如图3所示。当SA接1时，此时由人工通过SB1～SB6来控制控制水泵在工频状态下的启动和停止;当SA接2时，PLC就会自动控制整个系统，此时不需要人工操作。图3中Q0.1～Q0.5和Q1.1～Q1.5指的是PLC中的输出端口。其中Q0.1～Q0.5主要用来控制水泵的工变频工作。Q1.1接HL7作为水池水位上下限报警指示灯;Q1.2接变频器故障报警指示灯HL8;白天模式运行状态指示灯HL9接Q1.3;Q1.4接HA作为系统故障报警电铃;当SA接2，只要系统自动运行，HL10就会点亮;KA接Q1.5。
以一号水泵说明系统自动运行原理：Q0.0输出信号1表示一号水泵在工频状态下运行， 当Q0.1输出信号1时表示一号水泵处于变频状态下进行工作。从控制电路中可知当Q0.0输出信号1时，接触器KM1线圈处于得电状态，因此回路通电，工频运行电源指示灯HLI被点亮。同时，KM1的常闭触点断开，接触器KM2线圈断电，KM1与KM2实现电气互锁。当CPU226中的Q0.1端口输出信号为1时，KM2的线圈得电，在回路中点亮一号水泵变频运行指示灯HL2，一号水泵在变频状态下工作。
Q1.1～Q1.5与传感器构成负反馈电路。在恒压供水系统中，正常状态下，水池水位不会触及极限，但是每一天的不同时段，对用水需求是不同的。如果用户用水需求突然增加，这时水池里的水储量会急剧减少。水位线则会随之降低，一旦达到下限警报线，液位变送器输出报警信号到CPU的模拟量输入模块，使输出端口Q1.1 输出为1，此时HL7就会被点亮;同样的，当检测到变频器出现故障时，此时CPU的Q1.2输出1，点亮HL8;Q1.3输出1，点亮HL9。为了提醒现场工作人员系统出现了必须手动处理的故障，则需要配置一个报警电铃HA，使其与继电器Q1.4相接，输出为1，HA工作。由图3可知，当系统状态是自动运行的时候，HL10与电源组成的回路接通，会一直点亮。根据变频供水系统要求，变频器必须能够完成频率复位工作。复位时Q1.5输出为1，常开触点闭合，复位回路通电。
一般只会在系统出现故障时才需要使系统处于手动状态下进行检查和修复。当系统处于手动状态下，需要水泵进行工频和变频之间的切换。以水泵1为例，只需按下SB1，KM2导通，KM1得电且自锁，两个继电器这样的工作结合可使电机M1在50HZ频率下工作。SB2断开，M1停止。
2.3 系统PLC的I/O端口分配
系统使用的指示灯较多，大多数指示灯寿命较短，由于长时间工作很容易损坏。一旦故障产生，但相应指示灯却没有显示，容易使现场工作人员忽略此故障。为了避免更大的损失，我们设计开关SB7和I0.3相连。即便指示灯没有工作，我们也可以通过手动调试来检测其是否已经损坏，此工作可以在日常常规检查中进行。
3 PID恒压控制
系统PID控制恒压供水的原理如图4所示，PID控制器是根据设定压力值与反馈压力值之间的偏差来调节输出，它的误差公式为：
PID的主要作用就是尽可能的使e（t）趋向0，最大程度上减小误差，理想目标是彻底消除误差。但在实际操作中，误差是难免的，不可能被完全消除，只能尽可能的提高控制精度，使系统运行稳定。下面对几种常见的控制系统做简单的阐述。
- P控制器。P控制器具有比例作用，校正偏差时但，如果只有P环节，系统很难保持稳定，一旦闭环系统发生紊乱，对系统整体的正常运行打击是非常大的，所以一般很少会单独使用该控制器。它的输出m（t）与输入e（t）的关系为：
D控制器。一般情况下不使用D控制器，因为当它单独使用时，非但不能减小偏差，还会造成系统不稳定。
- I控制器。它的输出与输入的关系为：
其中
是可调系数。I控制器的主要作用是可以消除静差，但系统很容易发生动荡。由于它很难单独维持系统稳定，所以在本系统校正系统中不单独使用。
- PD控制器
它的输入输出关系为：
其中τ是微分时间常数。在加入D环节，采用PD控制的情况下，能够在降低误差的前提下还能保证系统的稳定性，集两者的优势于一身。这种控制器比较适合带有积分特性的负载，因为单独P控制器在处理误差时，由于个别积分元件的特性，系统会很容易发生振荡。加入D环节后，它通过增加
，减小积分作用，使系统稳定。但是PD控制器的缺点是，无法预测感知误差的变化趋势，没有前瞻性，不适用于误差起伏较大的系统中。
（5）PI控制器。P动作不能完全消除偏差，加入积分作用组成PI控制器。该控制器不仅能减小误差，还能极大程度的减小系统偏差，而且对整个系统动态性能都有一个特别突出的改善效果。它的输入输出关系是：
（6）PID控制器。它的运动方程是：
由以上可知，当偏差出现在恒压供水系统中，对于整个PID控制系统来说，当在偏差比较小时，P的作用也随之减小。一般为了消除偏差作用我们会让I作用，结合P动作可以有效的维持系统稳定，再加上D动作的作用，就能有效抑制偏差。与PD、PI控制相比，PID的控制效果要更好。无论系统带哪种特性的负载，经过PID控制器的调节，都能获得低偏差、高精度和系统稳定的控制过程，因此在恒压供水系统中使用PID控制。
4 结语
本文基于PLC可編程控制器，结合PID控制技术，对恒压供水系统的设计进行了探究。其能针对用水实际情况，自动控制水泵运行频率与水泵运行数量，实现用水高峰时，水泵频率升高，运行数量增加，从而加大供水量，保证人们生产生活需求;而在用水低谷时，降低水平运行频率和数量，降低供水生产损耗，节约能源，提高经济效益。同时，自动切换水泵工作状态，降低某台机组过度工作产生故障的风险。当故障出现时，系统能自动报警，同时也能在正常工作状态下人工排查安全隐患，保障系统安全可靠运行，具有很高的应用价值。
参考文献：
郑勇.浅谈变频器的选用与维护[J].科技广场，2013（1）：117-120.
夏正龙，刘斌.基于PLC专家规则控制的恒压供水系统设计[J].制造业自动化，2020（4）：24-28.
王煜.采用PLC控制的变频恒压供水系统设计[D].大连理工大学，2014.
唐焱明，刘光亚.基于PLC楼栋恒压供水装置的设计与实现[J].船电技术，2020（6）：24-29.
作者简介：郑勇（1973— ），男，汉族，安徽淮南人，工程师，主要从事电气工程方面的设计、安装、调试、运营维护等相关的技术与管理工作。