采用PLC和BANG—BANG调节器实现水塔水位控制系统的设计

　　作者：李晓竹,赵志广,孟庆铸

目前，交流调速技术在节能方面已获得了广泛的应用，把一些原有的恒速交流电力传动系统改造成为转速可调的交流调速系统，可以取得明显的节电效果。因此，交流调速已成为节能方面的一项关键技术，它在工业中的应用将有广阔的前景。本文介绍一下阜新自来水公司在电气改造方面的情况。

1 水塔水位系统控制示意图（如图1）

（1）系统控制要求

如图1所示水塔水位系统控制框图是模拟现代生活中对水量的要求下，在对供应水的同时，对节水节能也有严格的要求之下，对水位的控制将有一定要求，所以采用通用变频器来驱动水泵电机，对水位的不同要求决定供电频率的不同，从而决定进水量的不同。在安全控制水位的前提下，系统还有一些必要的要求：液位显示、超液位报警、液位变化曲线打印等。

（2）系统控制方案

该控制系统的被控对象是水塔的水位，而水位这个被控对象的特点是非线性、大惯性，所以没有采用常规的PID调节器构成闭环控制系统，而是采用了BANG—BANG控制调节器来对变频器进行时实控制。

如图2所示，由PLC组成BANG—BANG调节器，PLC是该控制系统的核心。它不仅要完成控制任务，还要完成改变频率的功能。而8031单片机在这里起液位显示、曲线打印以及报警等功能。

2 PLC与通用变频器的接口技术

该系统的PLC采用的是德国西门子公司的s7—200PLC，共可配置5块I／O模块，每个模块上共有8个点，能够满足设计需要。通用变频器采用SAMCO—i系列中的IF一2．2K型号。变频器的给定频率通过面板给定，由PLC的输出端子进行控制，如图3所示。

接口设计中的一些注意事项如下：

（1）根据不同频率的要求决定变频器端子FR、2DF、3DF与PLC输出端子的连接方法。由表1可知有25Hz、35Hz、45Hz，50Hz4种频率。由PLC的输出信号对变频器相应端子进行组合，以产生上述4种频率。

（2）本例中PLC采用晶体管直流输出模块。由于这种无触点开关电路的输出级为光耦合器，其电源和变频器内部控制电路的电源间互相隔离，故无需外接其它装置便可确保不会发生误动作。

（3）将变频器的异常报警信号输出端接至PLC的输入端子，以随时通过PLC对变频器的工作状况进行监控。

3 PLC程序设计

本系统中PLC程序设计采取常用的顺序控制设计法（功能表图设计法）。首先作出功能表图，然后列写现场信号与PLC软继电器编号对照表，最后由逻辑表达式作出梯形图在变频调速控制系统的梯形图设计中，应特别注意以下3个方面的问题：

（1）当PLC构成控制系统调节器时，应另外作出如表2所示的调节器I／O编号对照表，并按照PLC与变频器的I／O接口位置明确相互间的连接关系。

（2）在一般的功能表图设计中，各工步的状态是唯一的，并且事先是已知的，故只需根据切换条件便可写出各工步逻辑表达式。但在本系统中，有的工步只有唯一的状态（如水位低于SQ1），有的工步却需要从4种状态中进行选择（如水位从SQ1上升至SQ2的过程中），而选择的依据则是上一工步的频率以及本工步的执行时间。因此，需要对一般的功能表图进行修改，在工步中加入分支选择，从而写出正确的逻辑表达式和梯形图。图4是针对水位由SQ1上升至SQ2这一工作过程而作的功能表图。结合I／O对照表便可进一步得部分梯形图（图略）。

（3）通过上面的分析可知，某一工步的执行时间是决定该工步工作状态的重要因素之一，而不同的定时时间是通过若干定时器串联实现的。定时器的串联不只是为了增加定时时间，更重要的是把串联中各个定时器的工作切换作为该工步选择不同频率的控。

4 结束语

通过这次控制系统的改造，为阜新自来水公司节能30％左右，达到了预定节能的目标。

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