基于MCGS、PLC和變頻器的恒壓供水系統設計

朱志祥

(神華寧夏煤業集團 太西炭基工業有限公司，寧夏 石嘴山 753000)

1 前言

神華寧夏煤業集團太西炭基工業有限公司生活供水系統由三臺22KW的水泵組成，一直采用手動操作方式，分時段切換電機進行供水，造成能源浪費嚴重，且由于頻繁開、停水泵，導致水泵因負荷突變而縮短使用壽命，同時使管網經常受到較大的壓力沖擊，不能有效根據水位及管網需要實時調節供水量和供水壓力。為使公司生活供水系統實現自動控制，需要設計了一種恒壓供水系統，其能夠根據瞬時變化的用水量，對水泵出口的流量以及壓力進行一定的改變，同時還可以保持其水壓能夠一直在其設定的范圍之內。

2 供水系統結構

供水系統有三臺水泵，用于加壓供水，每個水泵進水側配套手動閥，出水側配有止回閥。在正常進行供水的時候，所有的手動閥均是處在開啟狀態下的，只要在對水泵進行檢修的時候，才會處于關閉狀態。另外在蓄水池中還設有液位控制開關，一旦之中的水位過低的時候，就會直接向PLC發送信號，以能夠是系統停機，以免出現水泵抽空情況。在水泵現場安裝有操作箱進行就地控制，操作箱上設置“手動/自動”切換開關，以提高系統可靠性，當自動控制系統出現故障時，供水泵仍能正常運行，而不影響正常工作。

3 恒壓供水原理

本設計系統以PLC為控制核心，通過上位機設定所需壓力值，其壓力信號可以利用在輸水管網上所安裝的壓力傳感器進行轉換，將其轉化成為是4-20mA的標準電信號，其次在經過一系列的信號處理，并且通過PLC的A/D擴展單元，將其再次轉化成為數字信號同時輸送到PLC之中。這些信號在PLC中，將會和PLC中由RS485網絡所傳輸的設定值進行比較和運算，其調節參數將會由數字控制的PID算法得出，隨后通過PLC的D/A擴展單元進行轉變之后，傳送到變頻器中進行頻率輸出，以能夠對水泵電機的轉速進行控制，從而確保管網壓力和給定壓力是相同的。

4 恒壓供水系統設計

4.1 系統主電路設計

圖1 系統主電路圖

本設計采用一臺22KW的ABB公司的ACS510系列變頻器作為控制系統的核心，采用5SJ63D斷路器及3TB40交流接觸器作為主要電氣元件。水泵電機M1、M2、M3的工頻運行分別是被交流接觸器KM1、KM3以及KM5進行控制的，水泵電機M1、M2以及M3的變頻運行分別是被交流接觸器KM2、 KM4以及KM6進行控制的。PLC程序則可以對電機的工頻運行和變頻運行進行控制的，另外這些運行也可以是由手工進行切換。恒壓供水系統主電路如圖1所示。

4.2 系統控制電路設計

本設計控制電路采用西門子公司生產的S7-200作為控制核心，主機單元CPU222有8個輸入點，6個輸出點，擴展單元EM222有8個輸出點，模擬單元EM235有4個輸入點，1個輸出點。在PLC系統之中，存在一路對變頻器進行控制的模擬量輸出，同時還有兩路模擬信號進行輸入，其中一路是水壓，另外一路是水位，這些輸入的開光量存在接觸器狀態，其中包括手動按鈕、故障信號以及閥門位置等信號;其輸出的開關量接觸控制信號包括有電動閥全開、全關以及水泵變頻、工頻等。

4.3 系統控制程序設計

本系統的3臺水泵中，最多只能有2臺水泵同時運行，且只有1臺水泵在變頻調速器的控制下變頻運行。如果在其啟動恒壓供水系統之后，PLC就會立即將變頻接通器進行接通，從而對變頻器進行供電，同時對電動機M1進行軟啟動，進行調速運行。如果實際用水量已經超過了電動機M1的最大供水量的時候，那么壓力傳感器所檢測到壓力信號就會一直比壓力設定值大，PLC系統就會把開泵信號輸出，工頻水泵將會替換運轉中的變頻水泵，隨后就會在另一臺水泵就會在變頻器輸出端進行接通，同時進行調速運行，依次類推。另外在整個運行過程中，水泵一直進行的都是軟啟動，以能夠先啟動先停止，實現循環運行，這樣每一臺水泵的運行時間都是相同的。

水位變化將會被在蓄水池上安裝的浮球水位計轉化成為電信號，同時經過信號處理，通過PLC把這些信號傳入到A/D擴展單元之中，在其進行過模擬轉換之后，再次由PLC進行讀入，同時和低水位設定值進行比較。

4.4 監控系統設計

本設計的上位監控系統由MCGS組態軟件設計開發，能實現實時監視閥門、水泵的運行狀態和相關數據，讀出水壓及流量、閥門的開度、水池水位等參數，并有各種報警實時顯示和記錄。PC機采用研華IP610，系統平臺為windows2000，考慮到監控距離較遠，PC機與PLC之間選用RS485網絡進行通訊。

5 結束語

這一系統的設計主要是對變頻調速進行使用，以此對恒壓供水進行支持，以對原有系統供水管網之中通常發生的超壓會哦這低壓現象進行了消除，從而對管網壽命的延長產生有利作用，對管網和閥門等部位的損壞率進行降低。同時三臺水泵的軟啟動僅僅使用一臺變頻器即可實現，大大降低了電極和電網受到啟動電流的沖擊，以對電機使用壽命進行了延長。踐證明了設計系統能夠根據瞬時變化的用水量，采用PLC以及變頻器來實現對水泵轉速和啟動臺數的調節和控制，對水泵出口的流量和壓力進行改變，并使供水壓力保持在安全的范圍內，實現了供水系統的自動控制。