基于PLC的雙恒壓供水控制系統(tǒng)設計研究

宋 陽

（德州職業(yè)技術學院，德州 253034）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市中各類小區(qū)建設的速度十分迅速，對小區(qū)的基礎設施建設提出了更高的要求。供水系統(tǒng)的建設是其中一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經濟性直接影響著小區(qū)居民的正常生活，也直接體現了小區(qū)管理水平的高低。傳統(tǒng)的供水方式存在著水資源浪費、效率低、可靠性差以及自動化程度低等不足，嚴重影響居民的生活[1]。

基于PLC的恒壓控制系統(tǒng)將變頻調速技術、現代控制技術和電氣技術融合于一身。該系統(tǒng)大大提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。所以研究該供水系統(tǒng)，對于節(jié)約水資源，提高居民的生活質量、降低能耗等方面具有重要的現實意義[2,3]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)[4,5]。本設計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據管網壓力自動控制各個水泵之間的切換，并根據壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調節(jié)水泵的流量，使供水管網壓力保持在恒定值附近；各水泵切換遵循先起先停、先停先起的原則。該系統(tǒng)由執(zhí)行機構、控制機構、信號檢測機構組成，水泵機組是該系統(tǒng)的執(zhí)行機構，信號檢測機構主要對管網水壓信號、液位信號和報警信號進行檢測，控制機構由控制器、變頻器和電控設備三部分組成。其控制流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制流程圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

出口管網水壓作為該恒壓供水系統(tǒng)的控制對象，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力保持在設定供水壓力上下一個很小的區(qū)間內波動，恒壓供水系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

壓力變送器安裝在用戶供水管道上，它的作用是實時地檢測管網出水壓力，將壓力值轉換為4-20mA的模擬信號，該信號通過PLC的模數轉換模塊后與系統(tǒng)設定的壓力值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數字信號通過數模轉換模塊轉換成模擬信號，此信號就是變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉速，進而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現變頻恒壓供水。

2 硬件系統(tǒng)設計

基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的電氣控制總框圖

由系統(tǒng)電氣總框圖可知，該系統(tǒng)的主要硬件設備包括以下部分：PLC及其擴展模塊、變頻器、水泵機組、壓力變送器和液位變送器。

2.1 PLC的選擇及設計

根據控制系統(tǒng)實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的余量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入[6]。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要進行擴展，擴展模塊選用的是EM235。PLC及擴展模塊外圍接線圖如圖4所示。

本恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中有4個數字量和1個模擬量。壓力變送器將檢測的管網壓力輸入PLC的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關量輸入I0.0；液位變送器把測得的水池水位轉換成標準電信號后送入比較器，在比較器中設定水池水位的上下限，當超出上下限時，比較輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；開關SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。

本恒壓供水系統(tǒng)有11個數字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。Q0.0～Q0.5分別輸出三臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q1.1輸出水位超限報警信號；Q1.2輸出變頻器故障報警信號；Q1.3輸出白天模式運行信號；Q1.4輸出報警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器復位控制信號；AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。

2.2 變頻器的選型

圖4 PLC及擴展模塊外圍接線圖

由于本設計中PLC選擇的西門子S7-200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選用西門子的MicroMaster440變頻器。它由微處理器進行控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有較高的運行可靠性和強大的功能，完全可以滿足本設計的要求。它采用模塊化結構，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能，有內置的RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據用戶的特殊需要對I/O端子進行功能自定義。快速電流限制實現了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應特性，低頻時也可以輸出大力矩。選擇西門子的變頻器可以通過RS485通信接口直接與西門子PLC相連，便于設備之間的通信。

2.3 壓力變送器的選型

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

本設計中選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數顯儀實現壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0～1Mpa，精度1.0；數顯儀輸出一路4～20mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調節(jié)的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。

2.4 液位變送器的選型

本設計選擇淄博丹佛斯公司生產的型號為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m～200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部可調；供電電源：24VDC；輸出信號：兩線制4-20mADC精度等級：0.25級。

3 軟件系統(tǒng)設計

PLC軟件系統(tǒng)由一個主程序和若干子程序組成，主程序主要由初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構成。

4 結論

本文針對城市小區(qū)供水的特點，設計了一套基于PLC的雙恒壓供水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的壓力變送器對管網壓力信號進行采樣，信號經PID運算后傳送到變頻器，變頻器根據壓力大小調節(jié)電機轉速來改變供水量，保證管網壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網壓力恒定，而且具有運行穩(wěn)定、可靠性高、全自動控制以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

[1]丁成松.基于模糊PID的恒壓供水控制系統(tǒng)設計[D].濟南: 山東大學,2010.

[2]張燕賓.變頻調速應用實踐[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2002.

[3]宋素寬,杜煜.變頻調速恒壓供水的自動控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2005,27(10): 71-72.

[4]雷宏彬,曹曉娟.基于PLC和變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2007,36(3):54-55.

[5]馮增輝,崔鳳梅.變頻調速技術在采暖恒壓供水系統(tǒng)中的應用[J].電氣自動化,2007,29(5): 17-18.

[6]陳忠平,周少華,侯寶玉,等.西門子S7-200系列PLC[M].北京: 人民郵電出版社,2008.