基于S7-300PLC的双恒压供水控制系统
时间：2023-04-14 16:00:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
沈灿钢
（江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405）
目前，我国农业灌溉大量采用非自动化控制，主要依靠人工决定灌溉时间和灌溉量，灌溉效率低下，不利于农作物的生长发育[1]。这样的灌溉方式不仅耗费大量人工，还存在灌溉水压不均衡等缺点。许多灌溉系统的水资源、泵站利用效率仅约30%，与国外发达国家成熟的农业灌溉控制系统和完善的设备相比，我国农业自动化水平还有很大的提升空间。随着国内工业技术的进步，先进自动化控制技术被大量应用到农业领域，在农业生产灌溉控制系统中进行了一系列研究，取得了诸多成果[2]。
本文提出了一种以西门子PLC为控制器，采用参数自适应模糊PID算法的控制系统，根据农业灌溉区域需求，实时调整灌溉压力值，实现不同区域不同时段的合理灌溉控制，对灌溉用水实现恒压控制。我国西北地区水资源紧缺，因缺乏有效水源，一旦发生火灾，可以利用灌溉渠道输送消防用水，有效解决该问题。本文设计的灌溉供水系统可兼顾消防供水和高恒压输出，具有灌溉和消防双恒压供水控制功能。
传统的恒压供水方式采用水塔、高位水池、气压罐等设施实现。随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，将变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件有机结合，实现恒压供水[3]。在电控柜的主线上安装压力传感器，水压变化的信号传递给PLC和变频器，双恒压供水系统能够满足灌溉需求和消防灭火需求。
储水池的水位只要低于设定的水位，接通外网的水阀MB1打开注水，水池就会源源不断接纳外网提供的水。PLC接收水池中的高/低水位信号，水池中水位过低时，发出报警信号。为保证供水的连续性，水位上下限位传感器不宜距离过大。三台供水泵既可以进行灌溉供水也可进行消防供水。电磁阀MB2失电时，消防管网的供水系统关闭，灌溉供水管网由PLC控制3台水泵恒压供水。当发生火灾时，电磁阀MB2得电，关闭灌溉用水管网，打开消防管网供水，PLC控制3台泵转入消防供水，消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行[4]。系统结构如图1所示。
图1 双恒压供水系统结构
2.1 双恒压供水控制系统方案
系统采用西门子S7-300PLC，配备模拟量输入模块和压力传感器。主线上安装压力传感器检测水压信号，变频器驱动水泵，由PLC控制变频器运行。若水泵中的水压超过设定值发出报警信号，则将水泵中的水压频率切换到工频运行，若无报警信号，水泵按原频率运行，实现双恒压供水。系统采用PID控制算法使供水压力维持在恒定范围内，提高了供水的稳定性[5]。系统方案如图2所示。
图2 系统方案
系统正常运行时水压为0.14 MPa，而发生火灾时，水压提升至0.2 MPa。
2.2 采用PID控制算法
设计一个二维模糊控制器，对PID中3个在线参数kP、kI、kD进行设置，二维模糊控制器的输入用管道压力的误差e与误差变化ec表示。二维模糊控制器结构如图3所示。
图3 二位模糊PID控制器
式中：kP0、kI0、kD0为初始参数；
kP、kI、kD为在线整定参数；
ΔkP、ΔkI、ΔkD为模糊推理修正参数。
变频灌溉具有非线性、带滞后、系统不稳定、时变等特性[6]，设计纯滞后的一阶惯性环节，如公式（2）所示：
式中：K为系统总增益；
T为系统的惯性时间常数；
τ为系统滞后时间。
2.3 系统电气原理图设计
系统电气原理图包括主电路、控制部分供电电路、PLC主机电路和PLC模拟量扩展模块电路。PID控制系统如图4所示。
图4 PID控制系统
2.3.1 主电路设计
供水系统的水泵启动电流较大，采用AC 380 V/50 Hz三相三线制供电方式。主电源供电保护元器件选用施耐德三相断路器，三台水泵电路均配有断路器保护供电[7]，如图5所示。
图5 系统方案
2.3.2 控制部分供电电路
主电路供电为AC 380 V，继电器输出高电平电压，使设备得电，变频器工作。电磁阀输出低电平。另外使用开关电源输出24 V直流电，给整个控制部分元器件供电，将强弱电分开，保证人身安全[8]。组态王通过一根通信线实现监控功能。控制部分供电电路如图6所示。
图6 控制部分供电电路
2.3.3 PLC主机电路
西门子S7-300扩展模块SM323的外围I/O开关量电路输入部分包含按钮开关和传感器等，输出部分包含继电器、电磁阀和指示灯等[9]。SM323接线如图7所示。
图7 PLC主接线图
2.3.4 PLC模拟量扩展模块电路
西门子模拟量扩展模块选用SM331和SM332，压力传感器接入输入模块SM331的CH1通道[10]。M端和L端信号传递给模拟量输出模块。3台变频器分别接入SM332的CH1、CH2、CH3通道。PLC输出模拟量控制变频器。PLC模拟量扩展模块电路如图8所示。
图8 PLC模拟量扩展模块电路
2.4 控制系统程序设计
2.4.1 控制系统硬件组态
PLC选型包括对机型、容量、I/O模块、电源等的选择。在SIEMENS SETP7软件中创建项目选用PLC（CPU 312）、数字I/O模块（SM323 DI8/DO8）、模拟I/O模块（SM331和SM332）进行硬件组态连接。硬件组态如图9所示。
图9 PLC硬件组态配置
2.4.2 系统I/O地址分配
根据系统控制的要求，确保所有必需的输入装置、传感器和输出设备正常工作，确定与PLC的输入/输出设备相关联，并确定I/O点的PLC。根据设计要求，对PLC的I/O点进行定义，见表1所列。
表1 PLC的I/O地址分配表
2.4.3 系统程序流程设计
灌溉控制系统上电初始化后启动，判断火灾报警信号。设定灌溉压力，PLC采集压力传感器测量信号。通过变频调压，使水泵中的水压实现恒压[11]，如图10所示。
图10 程序流程
根据灌溉管网中水压的检测值，将恒压供水分为3个模式。
模式一：变频器1作PID调节；
模式二：2台变频器运行，变频器1在工频运行，变频器2作PID调节；
模式三：3台变频器运行，变频器1、2工频运行，变频器3作PID调节[12]。
以某农田灌溉区域为试验对象，根据灌溉控制系统的实际需求，试验时压力设定为0.5 MPa，试验数据见表2所列。
表2 压力与时间的数据表
从表2中压力与时间关系的试验数据得出管网水压变化如图11所示。
图11 管网水压变化曲线
由压力时间表和管网水压曲线可发现：
（1）压力设定值为0.5 MPa时，系统稳态误差大约为2%；
（2）40 s时压力最大值为0.514 MPa，系统超调量为3.25%；
（3）47 s后压力稳定在0.5 MPa。
系统实际运行试验，根据不同灌溉区域面积需求，设定不同的压力值。通过检测发现，系统能够快速达到稳态，恒压灌溉运行稳定[13]。灌溉试验监控界面如图12所示。
图12 灌溉控制系统监控界面
本文设计了一套以PLC和变频器为控制核心，采用参数自整定PID模糊控制算法，通过组态王监控恒压灌溉的控制系统[14]。与传统灌溉方式相比，此举提高了灌溉效率和资源利用率，具有操作简单、运行稳定、响应速度快、安全可靠、自动化程度高等优点。最大限度实现了农机节能，提高了农业用电、用水灌溉与消防的综合利用率，对农机灌溉控制系统优化有一定的参考价值。
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