基于PLC的恒壓供水系統的研究與設計

內蒙古工業大學 畢俊喜

烏海職業技術學院 張巨洲

基于PLC的恒壓供水系統的研究與設計

內蒙古工業大學 畢俊喜

烏海職業技術學院 張巨洲

基于PLC為核心控制變頻器，用以太網方式通訊的變頻恒壓供水系統的研究和設計。系統使用PLC采集運算，以設定壓力和反饋壓力為控制目標，以PID為控制算法組成閉環控制，WinCC可視化面板管理，實時采集水網參數、電機溫度、設備運行狀態，達到優化運行、可靠保護、遠程實時監控。最終控制變頻器的輸出，實現自動調節水泵電機轉速，保持供水壓力的恒定。該系統還設有多種保護功能，及故障記錄診斷，從而保證正常供水，實現無人值守全自動運行。

PLC控制器；變頻器；恒壓供水

當今世界以PLC為控制中心，變頻器作為執行核心，無級調節電機轉速的控制水泵流量的系統被廣泛認可。此種系統特點：系統穩定靠，控制方法靈活可調，穩壓避開高低峰節能。目前的居民生活小區及消防供水系統中廣泛使用。在這里向大家介紹一種由PLC為控制中心的變頻調為主要執行元件的恒壓恒溫供熱水系統，它使用可視化系統監控設備節約人工，系統運行的優良性能又能節約能源。

一、項目選題背景及研究內容

1.近幾年來，變頻技術取得了顯著的發展，很多變頻技術都被老百姓所接受并且日益走進千家萬戶。但是不得不說，我國的在變頻技術的應用與發達國家相比有一定的距離，發達國家交流電機使用變頻率在60%-70%，而在我國變頻技術使用率僅為6%；在日本，風機、水泵采用變頻調速技術已達10%，而我國變頻技術在水泵、風機上的應用剛剛起步，應用率相對而言微乎其微。可以看出，變頻技術在中國存在著很大的發展空間，我們應該不離不棄的堅持推廣這項技術。

2.變頻技術不僅僅是異步電動機，結構堅固，易于維護，更重要的是由于采用變頻技術的異步電動機的機械性可以達到了直流電動機調壓調速的功能。這樣子可以很好的解決國內供水的很多問題。從而人們可以按照序曲自行研發一個合適的而且比較方便環保的調速控水系統。恒壓供水系統改變原有的調速方式，實現了無極控制恒壓供水，依據用水量的變化自動控制調節系統運行的參數，保證了供水的安全可靠。隨著電子技術的不斷深入，恒壓變頻器的日益完善，功能越來越強，即可利用恒壓變頻的各種功能對其變頻調速恒壓供水系統提供更多的服務，從而保證恒壓供水系統的更多功能，供水的更穩定，更好的為人類服務。

二、項目介紹

恒溫恒壓供水控制系統由可編程控制器、可視化觸摸屏顯示器、變頻器、交流電動機、壓差傳感器、液位變送器、溫度變送器、板式換熱器、繼電器、輔助加熱器、以太網線及相應模塊、等其它電控設備、以及5臺循環水泵和一臺小流量隔膜泵等構成。在整個系統中，可編程控制器與可視化顯示器安裝在中控室，遠程可使用以太網絡監控現場模塊。在水箱入空和出口安裝壓差傳感器，檢測水壓。在水箱底部安裝液位變送器。在水箱里安裝溫度變送器。可編程控制器中的模擬量模塊采集液位變送器、溫度變送器送來的4-20mA信號電流。將測量信號與PLC設置的信號進行比較，經過PID模糊運算后，由PLC控制變頻器輸出的頻率來調節交流電動機的轉速，改變循環泵的流量，來保證供水水壓恒定。箱體水溫溫度由板式換熱器供給。溫度控制閥來調節溫度。輔助加熱器用來保證溫度的恒定。這樣就構成了以設定壓力溫度為基準的恒壓恒溫閉環系統。觸摸屏顯示器用于顯示供電電壓、工作電流、變頻器實際頻率、供水壓力及各循環泵的工作狀態等；可以通過觸摸屏以太網絡在線修改供水壓力和溫度控制恒溫供水系統的運行。

三、程序設計原理

1.整套熱水供給系統采用西門子CPU 226 PLC控制，軟件使用西門子S7-200進行控制程序編輯。可視化面板使用西門子Smart 1000顯示屏，軟件使用WinCC flexible。同一公司系列產品，兼容性好，協議一致利于通訊。STEP 7是用于SIMATIC可編程控制器組態和編程的標準軟件。它是SIMATIC工業軟件的組成部分。為功能模板和通訊處理器賦值參數、強制和多處理器模式、全局數據通訊、使用通訊功能塊的事件驅動數據傳輸、組態連接。WinCC flexible項目包括能讓系統接受操作和監視的所有組態數據。在WinCC flexible中，組態數據根據主題類別進行編譯。每個類別都在單獨的編輯器中進行處理。編輯器的可用性取決于所用的WinCC flexible版本和要組態的HMI設備。WinCC flexible的工作環境只顯示當前使用的HMI設備所支持的編輯器。也就是說，組態工作非常簡單且易于進行。

2.穩定運動狀態的自動控制系統設計。系統為了解決水壓波動，流量變化對供水系統的擾動。采集管網壓力、溫度、電流等信號。參考傳統的PID調節器算法，即：

關于P值，I值，D值的設定可采用測試法，最短短時間內完成參數設定，避免造成不良影響。設定的依據：增益P值大，有利于減少供水管網的實際壓力與恒壓給定值的差值，但是P值過大，系統將產生振蕩，穩定性變差。積分I值越小振蕩作用越強烈，適當增大I值，使系統更加穩定，但是時間長又會發生難以迅速恢復的情況，系統的動態響應變差。微分D愈短，微分作用越弱。P，I，D經驗值和參數設定依據，在測試過程中依照先比例后積分的原則對系統進行調節。在程序控制中使用比較指令函數運算等先關算法更精準的計算調整相關參數，實時精確的控制恒溫恒壓供水系統。

3.變送器的安裝、電氣連接、調試和維護必須由通過培訓、有資格的專業人員操作。如果在管系上需要進行焊接工作，不要將焊接設備的接地接在本測量設備上。安裝者必須保證儀表根據接線圖正確接線。如果電源不隔離，變送器必須接地。在打開和修理電氣設備時請遵守當地所有相關規定。

四、工作流程介紹

該系統具有手動操作模式和自動工作模式兩種運行方式

表1 現場設備一覽表

表2 現場PLC選型明細表

圖1 系統工作示意圖

1.手動操作模式

選擇手動模式時，操作可視畫界面。可實現單獨設備的啟動和停止，這種方式用于檢修或控制系統出現故障時使用。

2.自動運行模式

（1）系統補水

1）地下儲水池由一臺7.5KW的深井潛水泵供水，當蓄水池水位達到最低下限（通過壓力傳感器測量水位）1米時，啟動深井補水泵開始補水。（蓄水池深度2米）達到最高水位2米時，停止供水。

2）由地下蓄水池為1號水箱供水（冷水）（5.5KW水泵2臺，由變頻器控制），1號水箱高度3米，2號水箱高度2米，1、2號水箱之間落差1.5米；1、2號水箱由管道相連實現自動補水，補水時當1號水箱水位達到1.5米時，自動開始為2號水箱補水，2號水箱加滿后，再為1號水箱加水，直至1號水箱加滿為止。（2.8米）

3）當1號水箱水位達到最低保持水位（熱水）1米時，啟動1、2號之間的補水泵（1臺 2.2KW）開始由2號水箱為1號水箱補水（熱水）；當2號水箱水位達到最低保持水位1米時，停止為1號水箱補水，關閉2號水箱為1號水箱補水的補水泵；同時開啟冷水水箱上水電動閥門為1號水箱補水（冷水）.1號水箱水位達到2.8米時，關閉水箱進水電動閥門。

4）當1號或2號水箱水溫達到80℃以上時，啟動水箱上水電動閥門，水位達到2.8米，溫度達到70℃時，關閉水箱上水電動閥門。設置一個最高水位，起保護作用，達到這個高度時停止所有上水。

（2）系統循環

1）對1、2號集熱器采集熱能，通過與1號水箱相連的管道將熱能傳導進入1號水箱當1號水箱水溫與1號或2號集熱器水溫的溫差超過10℃時，啟動1、2號集熱器循環水泵。溫差低于5℃時關閉；1號、2號集熱器循環泵各自獨立可單獨啟停。

2）冬天當1號、2號集熱器室外管道溫度低于5℃時，啟動集熱器和1號水箱之間的循環泵，室外管道溫度高于10℃時循環泵停止。當1號水箱水溫與板式換熱器的溫差超過15℃時，啟動板式換熱器循環水泵；溫差低于5℃是循環泵停止。當1、2號水箱水溫的溫差達到10℃時啟動1、2號之間的循環水泵；達到溫差5℃范圍內停止循環泵。

五、現場應用設備

詳見表1，表2。

六、總結

PLC可視化控制變頻器恒溫恒壓供水系統同其它供水方式相比較，除具有的節能效果外，還有以下優勢：操作界面簡單明了，易于學習培訓。通過變頻器調速控制循環泵的水流量，改變老式的調節節流閥來控制流量的方法，減低了管道阻力，延長元件的使用壽命。可編程控制器可實現軟啟動，對交流電動機的分時分步啟動，躲開高峰電流避免對電網的沖擊。PLC自動控制，不需要人員頻繁操作，降低了人員勞動強度提高生產力。基于PLC的恒溫恒壓供水系統，應廣泛推廣使用。

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