PLC設計雙恒壓無塔供水控制系統

摘 要：隨著我國經濟建設的不斷變化發展，高層建筑越來越多，供水系統穩定可靠性的要求不斷提高；再加上目前淡水資源緊缺，用戶對供水要求更高，利用先進的電氣技術，設計出能適應不同領域的恒壓供水系統已迫在眉睫。諸暨市技工學校同樣處理地理位置比較高，師生生活用水比較緊張，因此采用恒壓供水技術也到關重要。文章采用PLC控制及變頻調速供水系統，由PLC進行程序控制，壓力凋節由變頻器控制，實現自動調節恒壓供水。

關鍵詞：變頻恒壓供水；PID調節；PLC；觸摸屏

1 課題的背景與意義

由于諸暨市技工學校位于諸暨市城關老鷹山腳下，地理位比較高，學生人數相對較多，一到每年的5月份～10月份，用水問題成為學校的一大難題，筆者分管后勤工作及機電系工作，多次與當地的自來水公司聯系解決這一困境，但始終不能解決，水供應不足的矛盾越來越成為領導們關注的問題。因此，筆者用自己所學的專業知識，對學校的供水問題提出了方案，同時也與學校的機電工程系老師一起，共同努力，把供水這一困境解決。

本人利用所學知識及人力資源與社會保障部在全國高技能人材廣州培訓中提升的知識，采用恒壓供水，保持供水管網的水壓穩定，讓水泵電機的轉速要跟隨用水量的變化而變化，用變頻器為水泵電機供電，應用到這次的改進當中。圖1為恒壓供水系統示意圖。

圖1 恒壓供水系統示意圖

圖中壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，位置在泵站的出水口。當用水量大時，水壓降低，用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓轉變為電流或電壓的送給PLC，在變頻恒壓供水系統中，變頻器為執行設備。

2 總體設計方案

恒壓供水一般以中間水池作為水泵供水源，由市自來水公司供給，用高低水位浮球來控制進水閥的進水，自動把水灌滿水箱，當水位低于高水位，浮球開關信號送給PLC，通過PLC打開供水管網的進水閥往水箱注水。同時也作為高/低水位報警信號送給觸摸屏報警。生活用水和消防用水共用三臺泵，通常消防出水電磁閥處于斷電關閉狀態。三臺泵根據學校生活用水量，進行自動控制運行。若有火災發生時，消防出水電磁閥通電，同時切斷生活用水管網，三臺泵供消防用水使用，同時維持消防用水的高恒壓值?；馂慕Y束后，通過人為操作，關閉消防出水電磁閥，切換為生活供水。

3 設備控制要求

3.1 生活供水時，系統設定為3.5Mpa壓力值運行，消防供水時系統設定為5.8Mpa壓力值運行。

3.2 三臺泵根據恒壓的需要，采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。

3.3 在用水最小的情況下，如果一臺泵連續運行時間超過2h，則要切換到下一臺，即系統具有“倒泵功能”，避免某一臺泵工作時間過長。

3.4 要有完善的報警功能。

3.5 對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。

4 系統程序總體設計

主程序流程圖如圖2所示。

5 水泵邏輯程序控制

5.1 水壓“恒壓”要求

當水泵在工作時，在水壓低于設定值，需要升高變頻器的輸出頻率，當一臺水泵全壓工作不能滿足恒壓需求時，需要啟動第二臺或第三臺水泵，同時把第一臺水泵切換為工頻狀態工作。這樣，有一個壓力值判斷是否決定需要啟動新泵，這里我的設計是變頻器的輸出頻率是否達到所設定的頻率上限值48HZ。如果達到此頻率，通過管網壓力傳感器反饋給PLC內部，進行AD轉換后，通過比較指令來實現，就需要新增一臺水泵工作。如果水壓還不能滿足設定壓力的需要，用同樣的設計思路，繼續增加水泵運行，當然同樣要把第二臺水泵也切換為工頻運行，讓第三臺水泵工作在變頻的狀態，所以在增泵的時候，判斷變頻泵的最高頻率次數作為增泵的邏輯依據，相應的增加；這一點很重要。為下一步切泵作準備。

值得一提的是，在實際工作時，為了判斷變頻器的工作頻率達到上限值時，應考濾頻率波動所達到的頻率上限值的情況，在程序中應考慮采用時間濾波，即要延時作用。

相反，在減泵時也要用相同的思路來做，當變頻泵的頻率運行在頻率下限值3HZ時，如果達到此頻率，通過管網壓力傳感器反饋給PLC內部，進行AD轉換后，通過比較指令來實現，就需要新減一臺水泵工作?？梢园焉弦慌_切入工頻的水泵切除，讓現今在變頻工作的水泵繼續增加頻率。如果水壓還是超過設定壓力，用同樣的設計思路，繼續減水泵運行，當然同樣要把最先切入工頻的那臺臺水泵也切除，讓第三臺水泵工作在變頻的狀態。同樣在減泵的時候，判斷變頻泵的最最低頻率次數作為減泵的邏輯依據，相應的減少；為下次作準備。

5.2 多臺水泵智能運行控制

對于每臺水泵啟動時最好都為軟啟動，即采用變頻器啟動，考慮到每臺水泵長時間的運行對水泵電機不利，所以規定各臺水泵必須交替使用，采用多臺水泵智能運行控制的辦法。即在程序設計控制中規定任意的一臺水泵連續運行不得超過4小時，因此每次需要啟動新泵或切換水泵的時候，以新運行泵為變頻是最合理的。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環控制，在本設計中采用的是泵號加1的方法來實現變頻器的循環控制，即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數結合泵號來實現工頻泵的輪換工作。

5.3故障診斷和報警輸出程序

變頻器具有短路、超載等保護功能。當變頻器所驅動的水泵電機發生短路、超載等故障時，變頻器將自動輸出報警信號并停止輸出保護水泵電機，同時把報警信號送給PLC。從而控制相應的接觸器線圈斷電，切斷水泵電機電源。同時PLC還相應輸出報警指示，及觸摸屏排除故障后，才能通過人工讓故障復位，變頻器報警復位也是如此，通過對變頻器參數的設置來達到，然后再從新啟動PLC，變頻器。

以上過程同樣可以用于消防供水工作，他們兩者只不過是水壓的不同要求，有觸摸屏設定得到，有外部輸入信號輸入是否是生活用水還是消防緊急用水，在設計時，如果有必要時在消防供水時可以增加備用泵。

6 硬件要求

選用三菱FX2n-32MR作為系統的控制器，模擬量輸入、輸出模塊選用FX2n-4AD和FX2n-2DA，變頻器選用三菱的FR-A700系列，壓力傳感器則選用TPT503壓力傳感器。觸摸屏選用臺達A80THTD1.接觸器的選用CJX2-1810 、熱繼電器選用JR20（C35）、導線選用選用2.5mm2和10mm2、熔斷器的選用為RC1A-60A、分支空氣開關選用CDB6S 2P 63A、總空氣開關的選用選用NS250H-TM250D/3P

7 控制系統的I/O點及地址分配

根據控制要求設手動和自動消防信號X0；水箱水位下限浮球信號X1；水箱水位下限浮球信號X2；變頻器報警信號X3；消鈴按鈕X4；試燈按鈕X5。

輸出信號分別為1號泵工頻運行Y0；1號泵變頻運行Y1；2號泵工頻運行Y2；2號泵變頻運行Y3；3號泵工頻運行Y4；3號泵變頻運行Y5；生活與消防供水轉換電磁閥Y10；水池水位下限報警指示燈Y11；變頻器故障報警指示燈Y12；火災報警指示燈Y13；報警電鈴Y14；變頻器頻率復位控制Y015。

8 電氣控制系統分類

8.1 主電路

主電路圖由三臺電動機分別為M1、M2、M3。水泵工頻運行接觸器KM1、KM3、KM5接通分別控制水泵M1、M2、M3的運行；或水泵變頻運行接觸器KM2、KM4、KM6接通分別控制M1、M2、M3運行，KH1、KH2、KH3分別為三臺水泵電動機過載保護用的熱繼電器；QF1為主電源電路總短路開關，QF2為變頻器電源的短路開關、而QF3、QF4、QF5分別為三臺水泵電動機工頻運行主電路的短路保護開關。如果開關打在手動狀態，這接觸器KM1、KM3、KM5又分別控制M1、M2、M3手動運行（手動運行不受PLC控制，由外部控制）。

8.2 PLC系統外部接線圖

PLC系統外部接線圖如3所示

圖3

9 程序設計

在恒壓供水系統中采用了邏輯控制、模塊量讀入讀出單元及PID調節器。因此，整個程序主要分為二大部分，即主程序、中斷程序。

9.1 主程序

主程序實現的功能最多，如泵的切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制及報警處理，以及一些必要的系統初始化程序，PID調節指令參數、設定值得賦值等，通過傳送指令完成。壓力值是采用觸摸屏畫面直接輸入送給PLC。PID調節指令參數如生活供水時系統設定為滿量程的70-75%，消防供水時系統設定為滿量程的85-90%（滿量程數字值為4000）。本系統中的比例增益和時間常數為：比例增益Kp=0.75，采樣時間Ts=0.5s，積分時間T1=30s。

9.2 中斷程序

中斷程序在PLC的特殊輔助器M8000（運行常為ON）觸點的作用下執行。通過中斷程序，把傳送PID指令調節結果輸出值，通過寫入指令來實現模擬量輸出模塊FX2n-2DA的D/A轉換數據的傳送（共12位數據，分低端8位和高端4位兩次傳送）。

10 人機界面（HMI）

人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、通訊接口、數據儲存單元等，其中處理器的性能決定了HMI產品的性能高低，是HMI的核心單元。根據HMI的產品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統軟件和運行于PC機windows操作系統下的畫面組態軟件（如JB-HMI畫面組態軟件）。用戶必須先使用HMI的畫面組態軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。

通過PLC和變頻器的有機結合，系統運行平穩可靠，經過系部老師的共同努力，解決了學校的一大難題，同時也把書上的知識真正運用到實踐中，體現了專業的特色，希望在以后的工作中都能應用相應的知識。

參考文獻

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作者簡介：黃均生（1964，7-），男，漢族，浙江省諸暨市人，高級講師，高級技師，主要從事電氣工程教學工作。