作者：张毅
1概述
随着工业技术的发展，供水系统也跨入了智能化时代。本文设计了一个基于PLC的供水系统，由A/D模块输入供水系统的流量、液位信息，通过PID算法进行计算，再由D/A模块输出到变频器来实现流速和液位的调节，并实时生成各个参数的趋势曲线图。该系统具有结构简单、安装方便、操作简单直观、可长期连续在无人监控下稳定工作的优点。
2 系统结构设计
2.1 系统要求
系统由1个下水箱对2个上水箱供水，在供水过程中能够对供水管道的流量、2个上水箱的液位共3个参量进行控制，使这些值的实际值与设定值基本相等。
2.2 系统设计
系统以PLC为核心单元，采集传感器、按钮盒等输入信号，控制电动机、电磁阀、继电器、指示灯等输出。其中，传感器的输入信号经A/D模块传给PLC，经PLC进行PID计算后通过D/A模块转换成模拟量送给变频器，从而控制电动机的转速也就是流速。此外，还设计了人机界面，提高了系统的可操作性与可视性。图1为供水系统结构图。
3硬件设计
3.1 PLC
本系统采用三菱FX3U系列PLC为核心控制器。该PLC为三菱推出的新型PLC，具有扩展性强、结构简单、使用灵活且易于维护等特点。
3.2 A/D及D/A转换模块
本系统共有流速、上水箱1液位、上水箱2液位3个参量需进行A/D采样，故采用三菱公司4通道A/D转换模块FX-2N 4AD。该模块的模拟量输入范围有（-10～10）V、（- 20～20）mA、(4～20) mA三种范围可选。该系统仅需1个通道进行D/A转换，控制变频器的频率，进而控制电动机的转速，故采用2通道D/A转换模块FX-2N 2DA。该模块的模拟量输出范围有(O～l0)V、(4～20) mA两种范围可选。
3.3 变频器
以下是三菱同期的三款主推变频器，特性描述如下：
(1) FR-A700:闭环矢量控制、无传感器矢量控制、先进磁通矢量控制、V／F控制。
(2)FR-F700:简单磁通矢量控制、V／F控制。
(3)FR-E700:通用磁通矢量控制、经济型。
本系统仅需要变频器的基本功能，故选用经济型的FR-E700变频器。
3.4 电泵
采用MG1018A-2P-601380电泵，额定功率为60 W，额定电压为380 V，最大电流为4.2 A，最小电流为0. 45 A，额定转速为2 800 r／min。
3.5人机界面
采用三菱公司研发的人机界面GOT10 00，该系统具有数据实时更新的优点，可实时显示当前PID参数值，并生成流量、液位参数的趋势曲线图。
3.6 传感器
流量传感器采用IFM公司的SI5004，测量范围为(3～300) cm/s，对应输出为(4～20)mA，所测流量与输出电流呈线性关系。两个水箱的液位传感器均采用北京港北中天科技有限公司的2100series，测量范围为(0～50) cm，对应输出为(4～20) mA，所测液位与输出电流成线性关系。
3.7 其他元件
除上述PLC、A/D及D/A转换模块、变频器、电动机和人机界面外，还采用了辅助电源、继电器、中间继电器、电磁阀和按钮盒等元件，在此不再详述。图2为相应的电气原理图。
4软件设计
4.1 A/D及D/A转换
本系统需要对流量和2个上水箱的液位共3个参量进行A/D转换。采用三菱公司的4通道A/D转换模块FX-2N 4AD。由于流量和液位传感器都是以电流形式输出，范围为(4～20)mA，故我们也采用(4～20)mA范围的电流输入方式。
同样，在使用三菱公司的2通道D/A转换模块
X-2N 2DA将PID计算数值结果输出给变频器时，也采用(4～20)mA范围的电流输出方式。
4.2 PID控制
系统采用PID算法使流量、液位保持与设定值基本一致。需要注意的是，PID的指令设定值及PID控制参数必须在指令执行之前送人相关的存储器，所以PID指令的初始化程序必须在执行PID指令前完成。整个PID控制流程如图3所示。以流量控制为例，首先进行PID指令初始化，然后由流量传感器将检测的值传给A/D转换模块，将模拟量转换成数字量之后对流量设定值与流量采样值进行PID计算，计算结果由D/A转换模块转换成模拟量传给变频器，从而控制电动机的转速，也就是管道中的流量。如此连续运行，使实际值与设定值保持一致。液位的控制也类似。
4.3 组态控制
为方便对水箱系统的控制与监控，还利用GT Designer3软件设计了组态监控画面。组态画面包括开机欢迎界面、控制界面、PID调节画面、流量趋势表、液位1趋势表、液位2趋势表共6个画面，各个画面间可以相互切换。图4给出了部分组态界面的设计结果。
5实验结果
按照以上方案搭建一套供水系统，系统实物图如图5所示。以该系统为平台的实验结果如图6所示。从图6(a)流速实验结果可以看出，系统在开机启动后流速开始上升，达到设定值100 cm/s后有一定过冲，然后回落，最终与设定值基本相等。从图6(b)可以看出，开机后液位1一直上升向设定值100 mm靠拢，最终达到设定值并保持与设定相等。从图6(c)可以看出，开机后液位2-直上升向设定值100 mm靠拢，最终达到设定值并保持与设定相等。
6 总结
本文设计了以PLC为核心、可以实时调节流量和各上水箱液位的智能供水系统，给出了系统结构图，硬件、软件及组态设计结果，并按照设计方法搭建了一台样机，实验结果证明了设计的有效性。
7摘要：设计了基于PLC的供水系统，给出了系统结构图，以及硬件、软件和组态设计。实验结果证明了设计的有效性。
