基于PLC控制的恒壓供水系統研究

覃 昱，劉 飛，顧立新

（1.國網山西省電力公司嵐縣供電公司，山西嵐縣 035200；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031；3.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142）

0 前言

水資源在人類的生產生活中是必不可少的物質。國內的供水設施還處于智能化不高、自動化程度較低的狀態。可編程序控制器（PLC）具有可靠性高、性價比較好、價格低廉、適應性廣和易于擴展等優點[1-3]。將PLC技術與變頻調速技術結合并應用于恒壓供水系統中是目前系統設計的大勢所趨。

1 系統控制方案

系統的外部設備主要為主供水回路、備用回路、清水池及泵房。其中，泵房里有三臺水泵電機，在出水管道中均裝有手動或電動蝶閥，以供維修和調節水量之用。三臺水泵由變頻器控制轉速，根據用水量的變化不斷調節以維持生活用水的恒壓供應。根據系統的設計要求提出通用變頻器+PLC的控制方式。這種控制方式通用性強，靈活可靠。用戶可根據不同的控制要求組成不同規模的系統。

1.1 系統的組成

控制方案確定后，可以畫出系統的控制框圖，如圖1所示。

圖1 系統控制框圖

系統主要由PLC、變頻器、壓力變送器和水泵機組組成，形成一個單回路的閉環控制系統，PLC是核心控制單元。安裝壓力變送器的目的是將出水閥處不斷變化的水壓信號（即管道中的水壓）轉換成模擬量（即4～20 mA的電流信號），壓力傳感器將該模擬信號傳送給PLC，并與程序中設定的水壓值進行比較，變頻器根據PID運算得出頻率調節信號來調整水泵電機的轉速，達到轉速控制的目的。PLC可隨時接收變頻器的反饋值，獲取變頻器的工作狀態，這樣也提高了系統的安全性和可靠性[6]。

供水系統由三部分組成：信號檢測、控制及執行機構。系統的控制流程如圖2所示。

圖2 系統控制流程圖

1.2 供水系統工作流程

（1）系統通電啟動，變頻器啟動后拖動水泵電機M1工作，然后PLC計算出變頻器的輸出頻率，根據這一輸出頻率由變頻器調節M1的轉速，水泵電機M1工作在調速運行狀態。當測得的輸出壓力達到設定值，供水量與用水量基本達到平衡狀態，轉速達到穩定狀態。

（2）當測得的水壓減小時，壓力變送器反饋的信號將會減小，說明此時用水量在增加，水壓的偏差值增大，變頻器根據偏差值調節輸出頻率控制水泵電機增速，當水泵電機的轉速達到新的穩定值時，也就滿足了此時的供水需求。反之，當測得水壓增加時，變頻器根據偏差值調節輸出頻率，減小水泵電機的轉速達到新的穩定值。

（3）若處于用水高峰期時，用水量持續增加，變頻器輸出功率大于50 Hz，若此時測得實際壓力仍小于設定壓力值，且滿足水泵切換條件，PLC發出指令，控制變頻器切換到下一臺電機上，拖動水泵電機M2運行，同時本來的運行在變頻模式下的水泵電機M1轉為工頻運行。如果用水量繼續增加，系統仍將繼續發生上述轉換，前提是要滿足增泵的條件。當三臺水泵都處在運行狀態時，且變頻工作頻率達到上限頻率時，壓力仍未達到設定值，此時將發出報警信號。

（4）當測得水壓增加時，變頻器降低輸出頻率，若此時頻率仍然低于下限頻率，仍然不能使實際水壓低于設定壓力時，若減泵的條件，PLC將發出指令工頻運行狀態下的水泵M2關掉，減小水壓至設定值。若用水量繼續下降，系統將繼續發生上述轉換。

2 系統的硬件設計

根據變頻恒壓供水系統的工作原理，可以畫出系統電氣控制的總框架，如圖3所示。

圖3 系統電氣控制總框圖

由上圖可知，該系統在硬件方面需要的設備有：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[7]。

2.1 PLC及其擴展模塊的選型

PLC又被稱為工業計算機，整個變頻恒壓供水系統都由PLC進行控制。它的作用主要為采集系統中的輸入信號，運算并產生輸出信號控制所有輸出單元。因此在選擇PLC時，要考慮多方面的因素。這里需要對每種硬件設備進行選型。系統硬件設備選型如表1所示。

表1 系統主要硬件設備清單

2.2 主電路的分析及設計

電動機控制系統的主電路如圖4所示。

3臺電動機分別為M1、M2、M3。KM1、KM3、KM5分別是電動機M1、M2、M3工頻運行控制的接觸器；KM2、KM4、KM6分別是電動機M1、M2、M3變頻運行控制的接觸器；熱繼電器FR1、FR2、FR3起到對水泵電機過載保護的作用，防止電流過載損壞電機；FU為主電路的熔斷器；QF1是變頻器的運行開關，QF2、QF3、QF4是3臺水泵電機工頻運行的開關。

圖4 主電路圖

2.3 系統控制電路的分析及設計

系統控制電路如圖5所示。

圖5中，SA為單刀雙擲開關，用于切換系統的自動和手動運行，SA擲1時表示手動控制，擲2時表示自動控制。手動運行狀態下可由按鈕SB1～SB6來控制水泵的啟動和停止；自動運行狀態下系統的運行是由PLC程序控制的。電源指示燈HL10亮時表示系統處于自動運行狀態。此外，還需設置變頻器的復位功能，這里采用一個干觸發點信號，即由繼電器KA的觸點對變頻器進行復位控制。

圖5 系統控制電路圖

圖6 PLC及擴展模塊外圍接線

2.4 PLC外圍接線

PLC及擴展模塊外圍接線，如圖6所示。

3 系統的軟件設計

根據系統的工作流程和控制要求，將系統的控制程序分成主程序、子程序和中斷程序三個部分。

3.1 主程序流程圖

主程序的主要功能為：啟動程序，設置水壓給定值，電機的變頻/工頻運行切換功能，故障報警及處理等。主程序流程如圖7所示。

3.2 子程序流程圖

子程序的功能主要為設定變頻器的上下限值，存儲PID相關參數，連接中斷。子程序流程如圖8所示。

3.3 中斷程序流程圖

中斷程序的作用是將采集的數據標準化，并存入回路表，進行相應的PID運算，以及輸出模擬量。子程序流程如圖9所示。

圖7 主程序流程圖

4 結語

本文針對高層建筑的供水需求，基于PLC相關原理，設計了一套變頻恒壓供水系統。本系統具有高效節能、操作簡單，自動化程度高等優點，很好的滿足了高層建筑恒壓供水的需求。

本系統具有以下特點。

（1）PLC作為控制核心，變頻器作為主要執行機構，具有靈活方便，可靠性高等優點；利用變頻泵的調節功能，在全流量范圍內實現水泵電機的變頻和工頻運行的切換功能，確保恒壓供水；采用PID調節方式，水壓波動小，反映迅速。

圖8 子程序流程圖

圖9 中斷程序流程圖

（2）系統具備完善的故障報警及處理功能，可實現對水位越限和變頻器故障等的報警和處理，確保系統安全運行。

（3）采用變頻調速方式，具有很好的節能效果。

［1］袁志彬，王占生.關于我國城市實施分質供水的討論［J］.城市問題，2001（6）：24-27.

［2］祁增慧.基于PLC控制的城市恒壓供水系統［D］.天津：天津大學，2008.

［3］田淑珍.可編程控制器原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［4］林坤，張世偉，苗英俊，等.變頻恒壓供水系統理論分析及方案設計［J］.艦船防化，2010（6）：13-18.

［5］周懷軍，盧瑜，顧波.S7-200 PLC技術基礎及應用［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［6］胡盤峰，陳慧敏.基于PLC的新型變頻恒壓供水系統設計［J］.機械工程與自動化，2011，165（2）：141-143.

［7］朱思亮.基于PLC的恒壓供水監控系統設計與實現［D］.成都：電子科技大學，2013.