基于PLC 的無塔供水變頻系統設計

陳俊麗

（武昌職業學院，武漢武昌，430200）

0 引言

供水系統是人們獲得日常生活用水和工業用水的核心，傳統的供水方式是由水塔或高位水箱供水，這兩種供水方式工作原理和施工方式簡單，但是供水可靠性不高，儲水容量有限，且供水系統的使用壽命不長，也不便于檢修維護，無法對壓力進行自動調節，同時也會對水質造成很大影響。

隨著脈寬調制技術、變頻技術和可編程邏輯控制器（PLC)的發展，人們逐漸將其結合起來，并應用到供水領域，采用PLC 作為整個控制系統的核心部分，利用壓力傳感器實時進行反饋使水泵出口處的水壓恒定，并根據實際壓力測量情況進行閉環控制，即當代普遍應用的變頻恒壓供水系統。在系統設備不斷走向自動化的今天，發達國家的變頻恒壓供水系統工程為了降低投入資金，將由一臺變頻器控制一組電動機（一拖一)的運行方式轉變為用一臺變頻器拖動多組水泵電機（一拖多)的工作方式，這種供水方式運行噪聲低、供水穩定性高、靈活性能好，并且節能環保，大幅提升了供水系統的運行效率。

在此背景下，設計了一套基于PLC 的無塔供水變頻系統，該系統通過壓力傳感器的實時監測以及閉環反饋，經過模數轉換傳輸至控制器，控制器作出相應的判斷后，再利用數模轉換技術實現對水泵機組的實時調節，滿足人們對于供水系統的各方面要求。

1 系統設計方案

■1.1 無塔供水控制方案

市面上常用的無塔供水控制方案多為無塔供水變頻恒壓技術，可依據實際用水的需求狀況進行閉環反饋控制，通過壓力傳感器的測量值與預設值的差值來進行調節，最后通過處理器控制水泵機組的運行狀況，以滿足用戶需求。

對于處理器的選擇，主要有三種方式，第一種是利用單片機技術進行調節，但這種控制方式的延伸擴展能力較弱，運行時的穩定性也是差強人意，且外界環境的改變也會影響到控制效果。第二種方式是利用專門用于恒壓供水系統的變頻器，采用PID 控制來進行調節，操縱起來比較容易，投入資金少，但帶負載能力不強，且信息傳輸能力有限。第三種方式是利用可編程邏輯控制器PLC 進行控制，根據控制要求利用PLC 控制來實現工頻變頻的轉換與配合，這種模式運行穩定性能強，不易受到外界干擾。

變頻無塔供水系統主要由可編程邏輯控制器PLC、壓力監測傳感器、水泵機組、電動機、儲水池、繼電器等元器件構成，主體由PLC 作為整個供水系統的控制核心，具有可控性強，操作簡單，靈活性強，檢修維護方便等優勢。整個控制過程中運用到了檢測反饋技術、AC-DC 轉換技術、變頻技術等。即根據壓力反饋值的大小，經過模數轉換，通過PLC 與預設值進行比較，做出相應反應后經過數字量與模擬量的轉化輸出到變頻器，從而實現對水泵機組的控制。

■1.2 無塔供水系統分析

無塔供水變頻系統主要由檢測裝置、控制系統、驅動裝置和執行機構四部分組成，其中，檢測裝置由按鈕、液位變送器和壓力變送器組成，控制系統為西門子1200 PLC，驅動裝置為西門子變頻器MM440，執行機構為水泵電機，本次設計共采用了三個水泵。

檢測裝置相當于人體感官，將系統所需要的變量進行采集，控制系統對檢測變量的讀取并進行邏輯運算，運算后的結果被傳輸到驅動裝置，再由驅動裝置把結果傳輸至執行機構，根據控制對象的控制要求來驅動執行機構，達到自動化控制的目的。供水系統的整體結構框圖如圖1 所示。

圖1 無塔供水變頻系統整體結構框圖

2 供水系統硬件設計

■2.1 系統主電路設計

無塔供水系統主電路圖如圖2 所示，QS 作為系統隔離開關，控制整個系統的電源給定；FU 為系統熔斷器，當系統電路電流突變，熔斷器立即斷開電路，避免對設備造成損害；FR 為熱繼電器，為電路提供過載保護。無塔供水系統共用到七個接觸器，為了能實現對系統的供水進行實時調節，分別設定了工頻和變頻兩種工作方式，KM1、KM2、KM3 作為工頻啟動主接觸器，將電源電壓直接給定到水泵電機全壓啟動；KM4、KM5、KM6 作為變頻啟動主接觸器，由西門子MM440 變頻器內設定的輸出頻率控制水泵電機工作，水泵電機隨著輸出頻率變化。

■2.2 系統硬件選型

2.2.1 主控制器

在工業過程控制中有三大控制系統，分別是PLC、DCS、FCS。

（1) PLC 控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境下的應用而設計。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部的存儲程序、執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式輸入或輸出，控制各種類型的機械化生產過程。

（2)DCS 集散控制系統，又叫計算機分布式控制系統，它是20世紀70年代中期迅速發展起來的，它把控制技術、計算機技術、圖像顯示技術以及通信技術結合起來，也稱作4C 技術，實現了對生產過程的監視、控制和管理。它既打破了常規控制儀表功能的局限性，又較好地解決了早期計算機系統對于信息、管理和控制作用過于集中帶來的危險性。

（3)FCS 現場總線控制系統的核心是總線協議，基礎是數字智能現場設備，本質是信息處理現場化。

本次系統使用PLC 控制器作為主控制器，型號采用西門子1200系列PLC1214C DC/DC/DC，外加SM1234 AI4/AQ2 模擬量模塊。

2.2.2 變頻器

在無塔供水變頻系統中，供水系統通過主控制器PLC對變頻器下達指令，控制變頻器的輸出頻率來調節管道流量。變頻器的可以降低電力線路電壓波動，因為電壓下降將會導致同一供電網絡中的電壓敏感設備故障跳閘或工作異常。而變頻器能在零頻率零電壓時逐步啟動，能最大程度消除電壓下降。

考慮到本次設計的控制要求及系統調速范圍、調節速度的參數，系統采用西門子MM440 的變頻器，是西門子用于控制三相交流電動機速度和轉矩的變頻器，其具有以下特點：

（1) MM440 具有豐富的控制功能，通過P1300 參數可以選擇從V/P 控制到帶傳感器的矢量控制等12 種不同特點的控制模式，適用于恒轉矩、變轉矩等各種性質的負載，滿足各種控制要求。

（2) 豐富的停車和制動功能。MM440 具有3 種停車方式，即按斜坡減速停車(OFF1)、慣性停車(OFF2)快速停車（OFF3)。3 種制動功能，即直流制動、復合制動、動力制動（須外接制動電阻，75kW 以下已內置制動單元)。停車方式和制動方式的靈活配用，可適應不同機械慣性負載的要求。

（3)強大的通訊功能。利用Profibus 通訊可選件，可以將MM440 接入開放的、高速（12Mb/S)的DP 網，實現性能更佳、精度更高的通訊控制。

2.2.3 壓力變送器

自來水經過無塔供水系統供應給用戶，但供應過程中無法得知用戶用水情況，不能實時對供水量調整，為了解決這個問題，需要檢測流向用戶的管道壓力，判斷管內壓力是否等于標準值。

本系統采用SY-3051 系列電容式變送器，過程壓力通過兩側或一側的隔離膜片，灌充液傳至中心測量膜片。中心膜片是一個張緊的彈性元件，它對于作用在其上的兩側壓力差產生相應變形位移，其位移與差壓成正比，位移約0.1mm，這種位移轉變在電容極板上形成差動電容，由電子線路把差動電容轉換成二線制的4-20mADC 信號輸出。

2.2.4 液位變送器

自來水作為無塔供水系統的能源，自來水的供給量是必要控制的能源變量。在整個系統中，當自來水的供給量不夠的情況下，系統將停止運行，防止在沒有自來水的情況下，它的工作溫度急劇上漲而導致電機損壞。因此，在無負壓穩流罐中加入液位傳感器，用于檢測液位是否低于用戶設定高度。

本系統采用SC-500 系列液位變送器，基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，SC-500 采用擴散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應，將靜壓轉成電信號。經過溫度補償和線性校正，轉換成4-20mADC 標準電流信號輸出。

2.2.5 水泵

本系統采用DL 立式多級離心泵，采用了國家推薦使用的高效節能產品IS型泵的水力模型，為立式多級多節段式結構。螺桿把進水段、中段、出水段夾緊聯成一體。水泵每一級裝一個葉輪、一個導水葉。軸向力采用水力平衡法解決，殘余軸向力由球軸軸承承受，用油脂潤滑。軸封采用軟填料或機械密封。

3 供水系統軟件設計

■3.1 系統程序設計

無塔供水系統的程序設計流程圖如圖3 所示，待系統上電完畢完成好準備工作后，可選擇手動模式和自動模式兩種工作方式。

圖3 無塔供水變頻系統程序設計流程圖

當系統工作在手動模式下時，可手動控制水泵在工頻和變頻狀態下工作，利用頻率調節功能可實現電機的加速或減速運行，同時水泵接通水池閥門，水從穩壓罐流入水管中，最后通過水泵傳輸到用戶單位。

當系統工作在自動模式下時，系統首先會讀取水泵的管道壓力和水泵1 的運行頻率，當管道壓力達到上限值10 時，所有水泵停止運行；當管道壓力處于壓力標準值10 以下且變頻器1運行頻率已達到50Hz 時，水泵1 在工頻狀態下運行，水泵2 在變頻狀態下運行；隨后判斷水泵2 的運行頻率，當管道壓力處于壓力標準值10 以下且變頻器2 運行頻率不小于50Hz，水泵2 在工頻狀態下運行，水泵3 在變頻狀態下運行；隨后判斷水泵3 的運行頻率，當管道壓力處于壓力標準值10 以下且變頻器3 運行頻率不小于50Hz，水泵3 在工頻狀態下運行；當三個水泵都工作在工頻狀態下時，說明系統運行異常，需要進行檢修。

■3.2 人機界面設計

根據無塔供水變頻系統的設計要求，在WINCC 中繪制系統的監控畫面，用于實現無塔恒壓供水系統的工作狀態、運行參數的顯示，主要由供水系統運行畫面、三臺泵的運行參數、工作狀態、操作界面等部分構成。在人機界面運行過程中，要求畫面的運行參數、運行頻率、閥門的開關狀態等參數實時顯示。無塔恒壓供水監控系統的主界面如圖4 所示。

圖4 無塔恒壓供水監控系統主界面

■3.3 變頻器參數設置

為了保障變頻器穩定運行，防止參數被人為調亂，變頻器在使用前需要進行參數初始化，并對電動機參數進行設置。初始化及電機參數設置如表1 所示。

表1 初始化及參數設置

變頻器初始化完成后，根據系統的控制要求，變頻器所需要改的功能為開關量輸入功能、模擬量輸入功能和模擬量輸出功能。變頻器的開關量輸入功能所接收的信號為PLC的輸出信號，因為PLC 的輸出為漏形接法，所以需要調節開關量有效電平；變頻器的模擬量輸入和輸出需要更改其類型，根據PLC 所設定模擬量的類型來變化，并設置對應的模擬量上下限。具體參數設置如表2 所示。

表2 功能參數設定

4 系統調試與運行

（1)按下系統上電按鈕后，系統得電等待運行，按下系統工作指示燈，系統進入待工作模式，等待工作模式選擇，點擊系統手動按鈕，仿真畫面內的手動控制界面激活啟動，根據操作員需求控制水泵工頻運行，如圖5 所示。

圖5 手動工頻運行

（2)在手動運行狀態下，可以任意切換工頻變頻運行、調節水泵電機的運行頻率。如圖6 所示。

圖6 手動變頻運行

（3)在自動運行狀態下，在管道壓力小于10 的情況下，第一臺水泵直接變頻運行，如果管道壓力為10，水泵保持頻率運行，如圖7、8 所示。

圖7 自動變頻運行1

圖8 自動變頻運行2

（4)在自動運行狀態下，如果第一臺水泵頻率到達最高頻率50Hz 且管道壓力在10 以下，延時2S，第一臺水泵工頻運行，第二臺水泵變頻運行，管道壓力清零。如圖9所示。

圖9 自動變頻運行3

（5)在自動運行狀態下，當管道壓力大于10，變頻器頻率減小輸出，直到管道壓力等于10，水泵保持頻率運行。如圖10、11 所示。

圖10 自動變頻運行4

（6)在自動運行狀態下，當水泵1、2、3 同時處于工頻狀態，且管道壓力小于標準值，系統報警指示燈常亮，等待工作人員維護。如圖12 所示。

圖12 自動變頻運行6

通過系統仿真調試，系統能通過檢測管道壓力值反饋到PLC，PLC 通過反饋至判斷應該執行的控制裝置，調節水泵電機的工作頻率，使管道壓力控制在標準值，達到自動化效果。此外，系統能展現出觸摸屏的實時檢測功能，系統工作的流程及變量狀態能更加的可視化，便于操作人員更好的調試設備，大大的提高工作效率。

5 結論

本系統主要是實現無塔供水，用可編程邏輯器PLC 作為核心控制器，與壓力傳感器、變頻器等相互配合，做到調整水泵壓力，并且利用西門子WINCC 組態軟件創建了HMI 人機交互界面，可視性強，操作簡單，易于檢測與修改，大大提高了供水系統的穩定性和運行效率，滿足用戶的用水需求。