基于PLC的智能供水系統(tǒng)分析

趙丹 北京首都機場動力能源有限公司

引言：傳統(tǒng)供水系統(tǒng)在負(fù)荷較高時會發(fā)生管道水壓降低的現(xiàn)象，無法滿足用戶正常用水需求；而用水量降低后，管道水壓上升，超出正常用水需求，又會引發(fā)水資源浪費問題，影響供水設(shè)備使用壽命。為此有必要研究一種智能變頻恒壓供水系統(tǒng)，確保水源供應(yīng)穩(wěn)定并提高水資源使用效率。

一、基于PLC的智能供水系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于PLC的智能變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件主要包括終端傳感器、變頻調(diào)速器、PLC及人機交互界面。本方案選用的終端傳感設(shè)備型號為PT210CBG1/4，該壓力傳感器靈敏度高，且造價合理，適用于自來水廠環(huán)境。

變頻調(diào)速器負(fù)責(zé)調(diào)整供水系統(tǒng)中水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)速器中內(nèi)置的PIC調(diào)節(jié)器可對水泵頻率進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)，根據(jù)用戶實際用水情況及時調(diào)整水量，從而保證管道壓力恒定[1]。變頻器選用西門子7.5KW型號，并將水泵頻率調(diào)控范圍設(shè)置為50～20Hz。

PLC為變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制核心，在選擇時重點考慮其I/O接口數(shù)量、供電能力、信號采集能力及經(jīng)濟(jì)性。本方案選用西門子公司生產(chǎn)的S7-200 CPU224XP型PLC，該PLC帶有14個I/O輸入口及10個輸出口，另有2個通信接口及模擬量輸入輸出接口。PLC采集供水系統(tǒng)中開關(guān)及按鈕狀態(tài)信息、模擬信號量等，并根據(jù)采集到的信號調(diào)整變頻器及其他電氣元件狀態(tài)，以此進(jìn)行水泵投切或頻率轉(zhuǎn)換。若供水系統(tǒng)運行異常，PLC自動采集、分析異常信號，并進(jìn)行報警。

人機交互界面用以供水系統(tǒng)參數(shù)修改、系統(tǒng)狀態(tài)觀測、開展遠(yuǎn)程調(diào)控等活動。交互界面被劃分為信息顯示模塊、指示燈模塊及操作模塊，以完成各項人機交互動作。

二、基于PLC的智能供水系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）主控程序

主控程序設(shè)計主要包括PID子程序初始化、檔位控制、水泵管理、變頻器控制等模塊的設(shè)計。

（二）檔位控制程序

PLC智能變頻恒壓供水系統(tǒng)檔位控制方式包括手動擋和自動擋，根據(jù)自來水廠運行工況進(jìn)行調(diào)整。

（三）PID運算程序

PID運算程序?qū)碜訮LC的實時水壓信號與系統(tǒng)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)水壓的差值進(jìn)行運算，將該差值轉(zhuǎn)換為控制信號，改變變頻器輸出頻率來調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，以使供水壓力與用戶用水需求相適應(yīng)。該設(shè)計環(huán)節(jié)主要完成PIC參數(shù)初始化、PID運算程序設(shè)計及0.1s采樣工作。

（四）水泵調(diào)控程序

水泵調(diào)控程序負(fù)責(zé)對供水系統(tǒng)中運行水泵的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，結(jié)合供水工況選擇增加或減少水泵運行數(shù)量。例如，當(dāng)系統(tǒng)中僅有1臺水泵運行時，若用水量增加，系統(tǒng)自動調(diào)高該水泵的運行頻率及轉(zhuǎn)速，以滿足供水要求。若水泵運行頻率達(dá)到50Hz的上限，觀測管網(wǎng)水壓是否能夠達(dá)到相應(yīng)要求，若在觀測時間內(nèi)無法達(dá)到，水泵調(diào)控程序啟動第2臺水泵，并確保第1臺水泵的運行狀態(tài)不變。若仍無法達(dá)到正常供水水壓需求，重復(fù)以上流程開啟第3臺水泵。若用水量降低，系統(tǒng)自動調(diào)低該水泵的運行頻率及轉(zhuǎn)速。當(dāng)水泵運行頻率達(dá)到20Hz的下限后，若管網(wǎng)水壓依然高于實際需求，則關(guān)閉變頻水泵，將其中1臺工頻水泵的運行方式切換為變頻，對供水水壓進(jìn)行調(diào)整[2]。水泵調(diào)控程序能夠確保水泵的運行數(shù)量與實際供水需求相匹配，明顯降低供水系統(tǒng)運行耗能。

三、基于PLC的智能供水系統(tǒng)功能實現(xiàn)

結(jié)合自來水廠供水系統(tǒng)管理需求，為PLC智能變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計如下功能：

（一）控制模式切換功能

PLC智能供水系統(tǒng)配備手動及自動兩種控制模式。例如在對供水系統(tǒng)進(jìn)行檢修即維護(hù)時，可采用手動模式，點擊人機交互界面的控制按鈕即可手動調(diào)整系統(tǒng)中水泵的運行狀態(tài)，以檢查水泵設(shè)備運行是否正常。自動模式應(yīng)用于供水系統(tǒng)日常運行過程，依照自來水廠運行要求，在系統(tǒng)中完成運行參數(shù)預(yù)設(shè)操作，對比傳感器采集的用水量需求信息與預(yù)設(shè)參數(shù)即可判斷當(dāng)前水泵運行方案是否合理，對水泵運行轉(zhuǎn)速及運行數(shù)量進(jìn)行自動調(diào)整，以使供水水壓處于恒定狀態(tài)，并發(fā)揮PLC供水系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢。

（二）管網(wǎng)水壓額度閉環(huán)控制功能。智能供水系統(tǒng)終端的壓力傳感器采集管網(wǎng)運行壓力數(shù)據(jù)并傳輸至PLC系統(tǒng)的模擬量采集模塊，經(jīng)A/D處理將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳輸至PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行計算分析，以實現(xiàn)對管網(wǎng)水壓的閉環(huán)控制。

（三）供水系統(tǒng)參數(shù)預(yù)設(shè)功能

以供水壓力參數(shù)的預(yù)設(shè)為例，供水系統(tǒng)在不停運行條件下對供水壓力的要求存在顯著差別，因此需要在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)供水壓力范圍，系統(tǒng)根據(jù)供水條件的變化，自行調(diào)整相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)壓力參數(shù)。此外，PLC智能供水系統(tǒng)還提供報警參數(shù)設(shè)置功能，以便供水系統(tǒng)發(fā)生異常后，第一時間進(jìn)行報警，提示管理人員及時處理，避免影響正常的供水活動，防止設(shè)備受損風(fēng)險發(fā)生。例如，預(yù)設(shè)管網(wǎng)水壓臨界值，若壓力傳感器采集到的實時水壓信號達(dá)到該臨界值，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，并根據(jù)異常信號分析結(jié)果，作出相應(yīng)的反應(yīng)，如緊急停機。

（四）變頻器狀態(tài)監(jiān)控功能

變頻器是智能供水系統(tǒng)中的核心設(shè)備，為確保其穩(wěn)定運行，系統(tǒng)對變頻器的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，若其電壓、頻率、功率等參數(shù)發(fā)生異常，及時報警提醒管理人員進(jìn)行檢修。

（五）人機交互功能

前文提到，基于PLC的智能變頻恒壓供水系統(tǒng)人機交互界面包括信息顯示模塊、指示燈模塊及操作模塊，可完成基本的人機交互動作。管理人員可在上位機系統(tǒng)完成參數(shù)預(yù)設(shè)、參數(shù)調(diào)整、水泵運行歷史數(shù)據(jù)調(diào)取、報警信息查詢、系統(tǒng)運行表單輸出等操作。另外，人機交互界面能夠與PLC系統(tǒng)通訊，將系統(tǒng)采集的水泵運行狀態(tài)信息、設(shè)備運行參數(shù)等傳輸至上位機，并接收來自管理人員的操作指令。

結(jié)論：PLC智能變頻恒壓供水系統(tǒng)可有效提高自來水廠運行效率及經(jīng)濟(jì)性，降低管理人員工作壓力并提高系統(tǒng)故障風(fēng)險防范能力。相關(guān)人員需結(jié)合水廠運行需求開展軟、硬件設(shè)計及功能完善活動，促進(jìn)自來水廠現(xiàn)代化發(fā)展。