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PLC及變頻器在污水泵站控制系統中的應用

文檔作者：張大為張鋒文檔來源：天津市市政工程設計研究院濱海分院		點擊數：	更新時間： 2025年10月03日
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數控技術數字技術
與應用
6
隨著國民經濟的飛速發展和城市規模的不斷擴大,對市政建設
和管理提出了更高的要求[1]。本泵站位于天津經濟技術開發區，根據
片區定位要求，泵站采用全自動控制。PLC及變頻器為泵站的控制
核心環節。PLC、變頻器及測量元件組成了閉環控制系統，通過變頻
調速實現了節能要求。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，很好的適應了生產需要，相應了國家低碳
綠色經濟的號召。
1 、控制系統組成
本控制系統主要由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工業軟件STEP7是西門子SIMATIC工業軟件
中的一員。SIMATIC可編程邏輯控組態就是模擬真實的PLC硬件
系統,將CPU、電源和信號模塊等設備安裝到相應的機架上,并對
PLC硬件模塊的參數進行設置和修改的過程。當用戶需要修改模塊
的參數或地址,需要設置網絡通訊,或者需要將分布式外設連接到
主站的時候,都要做硬件組態。在S7-300中PID功能是通過PID指令
功能塊實現。通過定時（按照采樣時間）執行PID功能塊，按照PID運
算規律，根據當時的給定、反饋、比例－積分－微分數據，計算出控
制量[2]。
1.2 變頻器
變頻器是把工頻電源變為各種頻率的交流電源，從而實現電機
的無級調速。變頻調速的核心是變頻器的數字控制系統，主要硬件
設備有微處理器、接口電路及外圍設備。本工程中選用ABB公司
ACS510變頻器，變頻器送入信號由PLC提供，同時將電機轉速信號
反饋給PLC，實現閉環控制。
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
控制系統的設計輸入液位由工藝專業提供。系統輸出由超
聲波液位差計測量，1#、2#、3#、4#水泵根據泵井的液位情況
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,模數轉換后由PLC將其與系統設定的液
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，即輸出變頻器的頻率給定值，經D/A轉換輸出至變頻
器， 變頻器輸出邏輯控制指令可控制水泵的起停。當Δe<0時，
說明泵井液位大于設定液位，通過本控制系統調節水泵頻率，增
大水泵轉速降低泵井液位，當變頻器頻率已達到最高頻率，液位
仍大于設定液位時，則水泵工頻工作；當Δe>0時，說明泵井液
位小于設定液位，通過本控制系統調節水泵頻率，減小水泵轉速
降低泵井液位，當Δe>一定數值時，水泵停止工作。在整個排水
調節中2#、3#、4#水泵與1#水泵的控制原理相同。不同水泵
需設置不同的開、停液位。
PLC 及變頻器在污水泵站控制系統中的應用
張大為 張鋒
(天津市市政工程設計研究院濱海分院 天津 300051）
摘要：本文通過天津某污水泵站自控設計的經驗，著重闡述了PLC及變頻器在污水泵站控制系統中的應用。給出了PID控制的數學模型及
其控制結構。采用P I D 控制系統的液位，實現自動調節水泵的轉速及開停，起到精確控制的作用。
關鍵詞：PLC 變頻器 泵站控制
中圖分類號:TP273 文獻標識碼：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
數控技術數字技術
與應用
7
3、PID 控制的PLC 實現
在有模擬量的控制系統中,經常用到PID運算來執行PID回
路的功能。PID回路指令的編程和實現都非常方便，PID控制廣
泛應用于閉環控制系統中，PID控制器調節回路輸出，為了使系
統達到穩定狀態，應讓偏差△e趨于0。在模擬系統中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；
I T ——控制器積分系數；
D T ——控制器積分系數；
由于PLC控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差來
計算控制量。因此，在PLC控制系統中，必須對式(1)進行離散化處
理，用數字形式的差分方程代替連續系統的微分方程，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
根據以上算式，PID算法子程序如圖2：
4 、主程序流程圖
根據控制要求，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 、結語
本系統利用西門子高性能S7-300 PLC及ABB公司ACS510變
頻器實現了污水泵站的閉環變頻控制，使電動機在低速運行時故障
率降低,且噪音減小。泵站采用變頻調速、閉環自動調節，節能效果
顯著，可帶來巨大的經濟效益。
參考文獻
[1]齊學義等變頻調速在泵站控制系統中的應用[J].蘭州理工大學
學報,2006,32(4):56~59.
[2]西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子S7-
300 PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.
[3]何平,王紀坤,蔡敬坤等.基于PLC 的雨水泵站控制系統設計[J].艦
船電子工程,2010(8):183~185.
[4]張春光.全自動變頻調速供水泵運行工況與節能分析[J].節能技
術,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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