基于PLC的徐州機電高等職業學校供水系統改造

王慶海

（徐州機電工程高等職業學校安全工程系，江蘇 徐州221011）

0 引言

徐州機電工程高等職業學校原來的供水水源分為兩個部分：賈汪自來水公司和學校自備水井。供水方式為：把賈汪區自來水管網和自備水井的水源取到蓄水水倉后，用水泵抽到校園內高位水塔，再由高位水塔向校園管網供水，這種供水方式經濟性很差，且隨著學校高層建筑的增多及用水量的增大，使供水緊張的情況時有發生，四樓以上部分的水壓低、流量小，甚至無水。造成了經常性的供水不足，影響了學校的正常教學、生活秩序。

1 校園供水的要求及措施

1.1 由于白天和夜間學校用水量明顯不同，本系統須采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設定的給定水壓值不同。

白天，校園的用水量大，系統高恒壓值運行；夜間，校園用水量小，系統低恒壓值運行。

1.2 采用三臺水泵，在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。

倒泵只用于系統只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。

1.3 由于自備水井近年來水位下降，每小時出水量僅30噸，供水的成本較高，因此棄用自備水井，僅用賈汪自來水公司的管網供水。

1.4 考慮節能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。

1.5 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。

1.6 系統要有完善的報警功能。

2 自動化系統方案

2.1 水塔容量太小，已不堪重負，棄用水塔，采用高位水池+自動恒壓供水系統。

2.2 供水調節控制方式選擇

供水的水壓及流量控制一般有閥門控制和調速控制等。兩種控制的功耗如圖1和圖2所示：

圖1 閥門調節控制功耗

圖2 變頻調節控制功耗

圖1為水泵用閥門控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，必須關小閥門。這時閥門的磨擦阻力變大，管路曲線從R移到R′，揚程則從Ha上升到Hb，運行工況點從a點移到b點。

圖2調速控制時，當流量要求從Q1減小到Q2，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉速。如果把速度從n降到n′，性能曲線由（QH）變為（Q-H）′,運行工況點則從a點移到c點，揚程從Ha下降到Hc。

根據離心泵的特性曲線公式求出水泵的工況軸功率：

P＝RQH／102η

可求出運行在b點泵的軸功率和c點泵的軸功率分別為：

Pb＝RQ2Hb／102η

Pc＝RQ2Hc／102η

兩者之差為：ΔP＝Pc—Pb=R×Q2×（Hb－Hc）／102ηQ——使用工況點的流量（m3／s）；

H——使用工況點的揚程（m）；R——輸出介質單位體積重量（kg／m3）；η——使用工況點的泵效率（%）。

可以看出，用閥門控制流量與變頻調速控制相比，有ΔP功率被損耗浪費掉，所以本系統選擇變頻調速控制、恒壓供水。

2.3 高位水池的水位控制

高位水池的水位由兩個水位傳感器來控制。當水位低于下限水位時，水位下限傳感器發出信號，進水電磁閥打開，向高位水倉供水，同時發出報警信號；當水位到達上限水位時，水位上限傳感器發出信號，關閉進水電磁閥，停止向高位水倉供水。在水池中另設分體式液位變送器向PLC發出液位時時信號。

2.4 變頻恒壓供水系統的組成

PLC控制變頻恒壓供水系統主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和水泵機組一起組成一個完整的閉環調節系統，該系統的控制流程圖如圖3所示：

圖3 變頻恒壓供水系統控制流程圖

圖4 系統的電氣控制總框圖

2.4.1 信號檢測：在總出口、家屬區、學生宿舍區及教學區設立管道水壓監測點，在各檢測點安裝壓力變送器、流量變送器、調節閥等設備。所有模擬信號進行A/D轉換后再讀入PLC。

水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統要對系統實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器。

2.4.2 本控制系統安裝在供水控制柜中，分為供水控制器(PLC系統)、變頻器和電控設備三個部分。

供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構(即水泵機組)進行控制；變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。

2.4.3 本系統的執行機構是由三臺水泵組成，用于將水供入用戶管網。水泵組由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用于根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定；當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉速增大，供水量增大，最終水泵的轉速達到另一個新的穩定值。反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環，減小水泵的轉速到另一個新的穩定值。工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態，用于在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。

2.5 電氣控制系統

根據基于PLC的變頻恒壓供水系統的原理，系統的電氣控制總框圖如圖4所示。本系統的主要硬件設備應包括以下幾部分：（1）PLC及其擴展模塊、（2）變頻器、（3）水泵機組、（4）壓力變送器、（5）液位變送器。

2.6 系統主電路分析及其設計

本供水系統主電路有三臺電機，它們分別帶動三臺水泵。采用三泵循環變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續運行時間超過3h，則切換下一臺水泵，即系統具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內三臺水泵都可輪流做變頻泵。

3 PLC的I/O端口分配及外圍接線

PLC及擴展模塊外圍接線圖，如圖5所示。

本供水系統有五個輸入量，其中包括4個數字量和1個模擬量。壓力變送器將測得的管網壓力輸入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窗口比較器，在窗口比較器中設定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平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。

圖5 PLC及擴展模塊外圍接線圖

系統有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。

系統運行主監控界面如圖6所示，主界面實時顯示了當前時間，設定的水壓值和當前水壓值，系統的自動/手動運行情況，三臺水泵變頻/工頻運行狀態、轉速、運行頻率，各設備的故障報警顯示等。

圖6 恒壓供水系統監控界面

4 結語

通過對我校供水系統的PLC改造，實現了校園用水的恒壓控制，保證了供水質量。電動機的變頻調速除了實現對水壓的自動調節外，還實現了校園的經濟供水，節約了電能，節省了供水成本。

［1］王慶海.徐州機電工程高等職業學校經濟供水系統的設計與思考[J].民營科技,2009(9):24-25.

［2］丁文權.可編程控制器(PLC)在無塔供水系統中的應用[J].安徽技術師范學院學報,2001,15(3):57-60.

［3］王偉,等.基于PLC的泵房自動化改造方案設計[J].煤礦機械,2014(7):184-185.