基于PLC 和HMI的變頻恒壓供水系統設計

王曉瑜

（1. 西安建筑科技大學 機電工程學院，西安 710055；2. 西安外事學院 工學院，西安 710077）

基于PLC 和HMI的變頻恒壓供水系統設計

王曉瑜1,2

（1. 西安建筑科技大學 機電工程學院，西安 710055；2. 西安外事學院 工學院，西安 710077）

介紹用三菱FX2N PLC、變頻器和人機界面，設計恒壓供水控制系統。分析系統的控制原理，設計系統流程圖及軟件程序。實踐結果證明，系統運行穩定，可靠性好，實現住宅恒壓供水和節能的環保要求。

恒壓供水；PLC；變頻器；HMI

0 引言

隨著社會的發展與進步，城市高層建筑供水問題日益突出，一方面要求提高供水質量，不能因壓力的波動造成供水障礙，另一方面要求保證供水的安全性及可靠性。而傳統的水塔供水方式暴露了很多缺點：用水高低峰的不平衡，管道閥門易損壞，維修保養費用過高，水的二次污染等等。為此，筆者結合某礦務局商住樓生活供水系統設計，提出基于PLC和HMI的變頻恒壓供水系統，實現該礦務局商住樓恒壓供水和節能的環保要求。

1 系統總體方案設計

該商住樓地上共10層，一層為商鋪，地下1層，給水泵房及機械停車庫皆位于負一層，建筑高度35米。地下1層（低區）由市政管網直接供水，3層～10層（中區）由生活泵房的變頻調速恒壓給水設備供水。

中區恒壓供水控制系統由一臺PLC、一臺帶內置PID控制器的變頻器、壓力傳感器、水泵機組、儲水罐、儲能罐等組成。恒壓供水控制系統原理圖如圖1所示。

圖1中水泵機組采用兩臺水泵運行的方式；一臺是主泵，另一臺是備用泵。兩泵用一臺變頻器控制交替工作，兩臺水泵都能軟啟動和軟停止。這樣不僅可以減少水壓對管道的沖擊，還能夠改善水錘效應，避免設備的損壞，同時加裝儲能罐以消除水錘效應。

圖1 恒壓供水控制系統原理圖

工作中由壓力傳感器檢測實際的出水管壓力，壓力傳感器把檢測到的壓力信號變成模擬信號(電壓或電流信號，本系統采用電壓信號)，并把該信號送給變頻器，由變頻器中的PID運算。PLC根據壓力的情況控制變頻器提速或降速(由變頻器的多段速控制)。當用水量小時，變頻器控制一臺水泵在低速下運行；當用水量大時，變頻器控制水泵在高速下運行；當用水量極大或發生火災及其他需要大量用水時，由PLC控制兩臺水泵同時啟動，以保證壓力的穩定。為了延長水泵的使用壽命，讓兩臺水泵每4小時循環工作，以避免水泵長時間不用而生銹。另外儲水罐的進水管和出水管除了有電動閥門還有手動閥門，防止電動閥門出現故障時影響供水。系統中增加了人機界面HMI，在人機界面里能顯示系統的故障、運行狀態及參數的設置，同時可以向導式的對系統進行操作，使得系統控制更加方便明了（恒壓供水系統主電路單元、控制回路單元及人機界面單元等圖略，若有需求，可向筆者索?。1,5]。

2 硬件系統設計

2.1 主機PLC的選擇與設計

本系統所需的I/O點數為28點輸入，23點輸出，從控制系統功能和信價比考慮，選擇PLC為三菱FX2N-64MR。該型號PLC有32點輸入，32點輸出，滿足本系統的要求，PLC端子接線圖如圖2所示（I/O地址分配表略，若有需求，可向筆者索取）。

圖2 PLC端子接線圖

2.2 變頻器選擇

經計算，中區供水設計流量50m3/h,泵揚程48米。根據計算參數，選擇離心式水泵ISG 80-50-200(2臺)，配帶電動機的型號為Y160M2-2，功率為15 KW (2臺)；據此選變頻器為HLP-P風機/水泵專用變頻器，型號為HLP-P18D543B，功率18.5KW。該變頻器具有高輸出轉速和強的抗干擾能力，有PID控制與上、下限控制兩種控制方式，具有一拖六功能，可實現變頻、工頻的自動切換，具有自動穩壓和節能運行等功能，變頻器壓力反饋PID控制方框圖如圖3所示[2,3,6]（端子接線圖略，若有需求，可向筆者索?。?。

圖3 壓力反饋PID控制方框圖

從圖3中可知，通過來自遠端壓力表的反饋值與設定值的比較，經變頻器PID控制時的輸出頻率限制設定的百分比，一次延時使系統的震蕩減緩，實現平穩的控制輸出。

2.3 壓力傳感器選擇

選用的傳感器為：MD-W恒壓供水壓力傳感器，該傳感器是專門為變頻恒壓供水系統而設計的傳感器，采用抗變頻干擾電路，保證輸出信號的穩定性。

2.4 人機界面的選擇

選用的HMI是Eview 公司的MD204L, MD204L是一個小型的人機界面，操作人員可通過編程軟件TP200在計算機上面制作畫面，自由輸入漢字及PLC地址并使用串行通訊下載畫面，實現系統運行狀態的顯示、報警及人機操作等功能（其他低壓元器件選型及規格型號略，若有需求，可向筆者索?。?。

3 軟件系統設計

3.1 控制系統流程圖設計（如圖4所示）

3.2 PLC程序設計

控制系統的軟件設計是整個PLC 電氣控制部分設計的核心，根據控制要求，確定控制的操作方式，應完成的動作，以及必須的保護和連鎖,還要確定所有的控制參數

本程序分為主程序和子程序兩部分，在主程序中主要完成系統的初始化及模式的選擇。

系統的初始化主要包括變頻器、人機界面、PLC、水位、閥門及多段速的初始速度等的初始化。當初始化結束后進入自動/手動模式的選擇。

當選擇了自動模式，程序將自動調用自動模式的子程序，當系統啟動按鈕按下時，系統進入自動運行模式。在自動模式下，A泵先啟動運行，四個小時后自動切換到B泵運行，B泵運行四個小時后，再次切換到A泵循環運行。

手動模式主要用于設備的調試，當選擇了手動模式，程序將自動調用手動模式的子程序。在手動模式下，A1閥、A2閥、B1閥、B2、閥、A泵及B泵都能單獨的點動運行。當選擇A（B）閥運行，程序將自動調用A（B）閥子程序，如果在A（B）閥子程序中選擇A1（B1）閥或A2（B2）閥運行，程序將自動調用A1（B1）閥或A2（B2）閥的子程序。開始A1（B1）閥或A2（B2）閥的點動運行。在此過程中運用了子程序的嵌套使用方法。當A（B）閥開啟后，選擇A（B）泵啟動時，系統自動調用A（B）泵子程序，并點動運行（具體程序略，若有需求，可向筆者索取）[5]。

3.3 人機界面程序設計

人機界面的編程軟件采用MD204L專用的組態軟件TP200 V4.0.0，與PLC編程口直接相連實現通訊。主菜單如圖5所示（其它菜單略）[4]。

圖5 人機界面主菜單

4 結束語

本文介紹了基于 PLC 和HMI的恒壓供水控制系統，在該系統中PLC控制變頻器進行PID運算，根據不同階段的用水情況通過調節頻率選擇適當的壓力范圍，用人機界面顯示系統的狀態和對系統的控制，實現恒壓供水。系統中水泵機組軟啟動、交替循環工作方式使電網和管網免受沖擊，無水錘現象，延長泵和閥等器件的使用壽命。由于變頻恒壓供水系統的壓力范圍可以通過頻率的調節而變化，所以，既節約了水資源，又節約了電能，同時避免了水源的二次污染。

本文創新點：利用PLC控制變頻器進行PID運算，實現分級調速，結合HMI的應用，使得系統的狀態顯示與控制更加靈活方便。該供水系統工作可靠、效率高，在節約水資源和電能的基礎上實現礦務局商住樓恒壓供水的目的。

[1] 三菱公司FX2N系列PLC軟. 硬件手冊[M]. 2003.

[2] 海利普變頻器(HOLIP-P)使用說明書.

[3] 海利普變頻器選型手冊, 2009.3.12.

[4] MD204Lv4中文使用手冊.

[5] 高層住宅變頻調速恒壓供水系統設計. 微計算機信息(測控自動化), 2007, 23.

[6] 變頻調速技術在采暖恒壓供水系統中的應用. 電氣自動化, 2007, 29(5).

Design of constant pressure water supplying system with frequency conversion based on PLC and HMI

WANG Xiao-yu1,2

TN773

A

1009-0134(2011)5(下)-0120-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).36

2010-12-23

王曉瑜（1974－），女，陜西西安人，高級工程師，博士研究生，主要從事機械電子工程教學與科研工作。