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PLC及變頻器在污水泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

文檔作者：張大為張鋒文檔來源：天津市市政工程設(shè)計研究院濱海分院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年10月03日
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數(shù)控技術(shù)數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
6
隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大,對市政建設(shè)
和管理提出了更高的要求[1]。本泵站位于天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，根據(jù)
片區(qū)定位要求，泵站采用全自動控制。PLC及變頻器為泵站的控制
核心環(huán)節(jié)。PLC、變頻器及測量元件組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過變頻
調(diào)速實現(xiàn)了節(jié)能要求。PLC及變頻器的使用免去了許多繁瑣的人工
操作以及一些安全隱患，很好的適應(yīng)了生產(chǎn)需要，相應(yīng)了國家低碳
綠色經(jīng)濟的號召。
1 、控制系統(tǒng)組成
本控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器及測量元件組成。
1.1 PLC
本工程采用西門子S7-300PLC，PLC主要包括PLC電源模塊、
CPU模塊、以太網(wǎng)模塊、主機接口模塊、擴展接口模塊、PID控制模
塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸
出模塊及STEP7V5.2工業(yè)軟件STEP7是西門子SIMATIC工業(yè)軟件
中的一員。SIMATIC可編程邏輯控組態(tài)就是模擬真實的PLC硬件
系統(tǒng),將CPU、電源和信號模塊等設(shè)備安裝到相應(yīng)的機架上,并對
PLC硬件模塊的參數(shù)進行設(shè)置和修改的過程。當(dāng)用戶需要修改模塊
的參數(shù)或地址,需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通訊,或者需要將分布式外設(shè)連接到
主站的時候,都要做硬件組態(tài)。在S7-300中PID功能是通過PID指令
功能塊實現(xiàn)。通過定時（按照采樣時間）執(zhí)行PID功能塊，按照PID運
算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時的給定、反饋、比例－積分－微分數(shù)據(jù)，計算出控
制量[2]。
1.2 變頻器
變頻器是把工頻電源變?yōu)楦鞣N頻率的交流電源，從而實現(xiàn)電機
的無級調(diào)速。變頻調(diào)速的核心是變頻器的數(shù)字控制系統(tǒng)，主要硬件
設(shè)備有微處理器、接口電路及外圍設(shè)備。本工程中選用ABB公司
ACS510變頻器，變頻器送入信號由PLC提供，同時將電機轉(zhuǎn)速信號
反饋給PLC，實現(xiàn)閉環(huán)控制。
1.3 超聲液位差計及變送器
選用測量范圍為0～10米的超聲波液位差計，并帶3個繼電器輸
出接點，輸出的電流信號為4mA～20mA。
2 、控制原理
控制系統(tǒng)的設(shè)計輸入液位由工藝專業(yè)提供。系統(tǒng)輸出由超
聲波液位差計測量，1#、2#、3#、4#水泵根據(jù)泵井的液位情況
確定是否啟動、變頻工作或是工頻工作。供水系統(tǒng)控制原理如圖
1所示。
圖1 水泵控制原理圖
超聲波液位差計將采集的液位信號變成4～20mA的模擬電
壓信號并輸入到PLC,模數(shù)轉(zhuǎn)換后由PLC將其與系統(tǒng)設(shè)定的液
位進行比較，通過對兩者的偏差進行PID運算，得出最佳的運行
工況參數(shù)，即輸出變頻器的頻率給定值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出至變頻
器， 變頻器輸出邏輯控制指令可控制水泵的起停。當(dāng)Δe<0時，
說明泵井液位大于設(shè)定液位，通過本控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵頻率，增
大水泵轉(zhuǎn)速降低泵井液位，當(dāng)變頻器頻率已達到最高頻率，液位
仍大于設(shè)定液位時，則水泵工頻工作；當(dāng)Δe>0時，說明泵井液
位小于設(shè)定液位，通過本控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵頻率，減小水泵轉(zhuǎn)速
降低泵井液位，當(dāng)Δe>一定數(shù)值時，水泵停止工作。在整個排水
調(diào)節(jié)中2#、3#、4#水泵與1#水泵的控制原理相同。不同水泵
需設(shè)置不同的開、停液位。
PLC 及變頻器在污水泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
張大為 張鋒
(天津市市政工程設(shè)計研究院濱海分院 天津 300051）
摘要：本文通過天津某污水泵站自控設(shè)計的經(jīng)驗，著重闡述了PLC及變頻器在污水泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。給出了PID控制的數(shù)學(xué)模型及
其控制結(jié)構(gòu)。采用P I D 控制系統(tǒng)的液位，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速及開停，起到精確控制的作用。
關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 泵站控制
中圖分類號:TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416(2012)04-0006-02
Application of PLC and inverter in the
sewage pumping station control system
Zhang Da Wei Zhang Feng
（Tianjin Municipal Engineering Design &amp;amp; Research Institute,Tianjin 300051,China）
Abstract:Based on the design experience of one sewage pumping station in Tianjin,this paper particularly emphasize the application of PLC and inverter
in the control system of sewage pumping station.The mathematical model and control structure of the PID control were proposed in this paper.By using the
liquid level,PID control system can achieve the precision control by automatically regulating the rotation speed and switching of pump.
Key words:PLC inverter pumping station control
數(shù)控技術(shù)數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
7
3、PID 控制的PLC 實現(xiàn)
在有模擬量的控制系統(tǒng)中,經(jīng)常用到PID運算來執(zhí)行PID回
路的功能。PID回路指令的編程和實現(xiàn)都非常方便，PID控制廣
泛應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中，PID控制器調(diào)節(jié)回路輸出，為了使系
統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)讓偏差△e趨于0。在模擬系統(tǒng)中PID算法表
達式為：
( ) ? [ ( ) ? 1 ? ( ) ? ( ) ]
dt
e t dt T de t
T
y t K e t D
I
P (1)
y(t)——控制器（PID）輸出信號；
P K ——控制器比例系數(shù)；
I T ——控制器積分系數(shù)；
D T ——控制器積分系數(shù)；
由于PLC控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來
計算控制量。因此，在PLC控制系統(tǒng)中，必須對式(1)進行離散化處
理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，離散后的位
置算法PID算法表達式為：
[ ( ) ( 1)]}
( ) { ( ) ( )
0
? ? ?
? ? ?
?
e k e k
T
T
e j
T
y k K e k T
D
k
I j
p
(2)
式中 y(k)——第k次采樣控制器輸出值；
e(k )——第k次采樣偏差；
e(k ?1)——第k-1次采樣偏差；
T——采樣時間。
為便于實現(xiàn)將公式（2）改為遞推式：
[ ( ) 2 ( 1) ( 2)]
( ) [ ( ) ( 1)] ( )
( ) ( ) ( 1)
? ? ? ? ?
? ? ? ? ?
? ? ? ?
e k e k e k
T
K T
e k
T
y k K e k e k T
y k y k y k
D
p
I
p
(3)
上式可化為：
( ) ( ) ( 1) ( 3) 1 2 3 ?y k ? N e k ? N e k ? ? N e k ?
式中 (1 ) 1 T
T
T
N K T D
I
p ? ? ?
(1 2 ) 2 T
N K TD
p ? ?
T
N K TD
p ? 3
根據(jù)以上算式，PID算法子程序如圖2：
4 、主程序流程圖
根據(jù)控制要求，1#水泵變頻控制主程序流程圖如圖3，2#、
3#、4#控制流程圖與1#水泵相同。
5 、結(jié)語
本系統(tǒng)利用西門子高性能S7-300 PLC及ABB公司ACS510變
頻器實現(xiàn)了污水泵站的閉環(huán)變頻控制，使電動機在低速運行時故障
率降低,且噪音減小。泵站采用變頻調(diào)速、閉環(huán)自動調(diào)節(jié)，節(jié)能效果
顯著，可帶來巨大的經(jīng)濟效益。
參考文獻
[1]齊學(xué)義等變頻調(diào)速在泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].蘭州理工大學(xué)
學(xué)報,2006,32(4):56~59.
[2]西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團.深入淺出西門子S7-
300 PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.
[3]何平,王紀坤,蔡敬坤等.基于PLC 的雨水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計[J].艦
船電子工程,2010(8):183~185.
[4]張春光.全自動變頻調(diào)速供水泵運行工況與節(jié)能分析[J].節(jié)能技
術(shù),2003,21(4):41~44.
圖2 變頻器端子接線圖圖3 主程序流程圖

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