基于PLC的雙恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計研究

宋 陽

（德州職業(yè)技術(shù)學院，德州 253034）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市中各類小區(qū)建設(shè)的速度十分迅速，對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響著小區(qū)居民的正常生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)管理水平的高低。傳統(tǒng)的供水方式存在著水資源浪費、效率低、可靠性差以及自動化程度低等不足，嚴重影響居民的生活[1]。

基于PLC的恒壓控制系統(tǒng)將變頻調(diào)速技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)和電氣技術(shù)融合于一身。該系統(tǒng)大大提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果。所以研究該供水系統(tǒng)，對于節(jié)約水資源，提高居民的生活質(zhì)量、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義[2,3]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[4,5]。本設(shè)計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間的切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)水泵的流量，使供水管網(wǎng)壓力保持在恒定值附近；各水泵切換遵循先起先停、先停先起的原則。該系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、控制機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)組成，水泵機組是該系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，信號檢測機構(gòu)主要對管網(wǎng)水壓信號、液位信號和報警信號進行檢測，控制機構(gòu)由控制器、變頻器和電控設(shè)備三部分組成。其控制流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制流程圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

出口管網(wǎng)水壓作為該恒壓供水系統(tǒng)的控制對象，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力保持在設(shè)定供水壓力上下一個很小的區(qū)間內(nèi)波動，恒壓供水系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

壓力變送器安裝在用戶供水管道上，它的作用是實時地檢測管網(wǎng)出水壓力，將壓力值轉(zhuǎn)換為4-20mA的模擬信號，該信號通過PLC的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后與系統(tǒng)設(shè)定的壓力值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號，此信號就是變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的電氣控制總框圖

由系統(tǒng)電氣總框圖可知，該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備包括以下部分：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。

2.1 PLC的選擇及設(shè)計

根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的余量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關(guān)量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入[6]。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要進行擴展，擴展模塊選用的是EM235。PLC及擴展模塊外圍接線圖如圖4所示。

本恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中有4個數(shù)字量和1個模擬量。壓力變送器將檢測的管網(wǎng)壓力輸入PLC的擴展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān)SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入I0.0；液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標準電信號后送入比較器，在比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當超出上下限時，比較輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報警信號；開關(guān)SB7與I0.3相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。

本恒壓供水系統(tǒng)有11個數(shù)字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。Q0.0～Q0.5分別輸出三臺水泵電機的工頻/變頻運行信號；Q1.1輸出水位超限報警信號；Q1.2輸出變頻器故障報警信號；Q1.3輸出白天模式運行信號；Q1.4輸出報警電鈴信號；Q1.5輸出變頻器復(fù)位控制信號；AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。

2.2 變頻器的選型

圖4 PLC及擴展模塊外圍接線圖

由于本設(shè)計中PLC選擇的西門子S7-200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選用西門子的MicroMaster440變頻器。它由微處理器進行控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有較高的運行可靠性和強大的功能，完全可以滿足本設(shè)計的要求。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能，有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進行功能自定義。快速電流限制實現(xiàn)了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性，低頻時也可以輸出大力矩。選擇西門子的變頻器可以通過RS485通信接口直接與西門子PLC相連，便于設(shè)備之間的通信。

2.3 壓力變送器的選型

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

本設(shè)計中選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0～1Mpa，精度1.0；數(shù)顯儀輸出一路4～20mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。

2.4 液位變送器的選型

本設(shè)計選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m～200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號：兩線制4-20mADC精度等級：0.25級。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

PLC軟件系統(tǒng)由一個主程序和若干子程序組成，主程序主要由初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。

4 結(jié)論

本文針對城市小區(qū)供水的特點，設(shè)計了一套基于PLC的雙恒壓供水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的壓力變送器對管網(wǎng)壓力信號進行采樣，信號經(jīng)PID運算后傳送到變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來改變供水量，保證管網(wǎng)壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且具有運行穩(wěn)定、可靠性高、全自動控制以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

[1]丁成松.基于模糊PID的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計[D].濟南: 山東大學,2010.

[2]張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實踐[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2002.

[3]宋素寬,杜煜.變頻調(diào)速恒壓供水的自動控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,2005,27(10): 71-72.

[4]雷宏彬,曹曉娟.基于PLC和變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2007,36(3):54-55.

[5]馮增輝,崔鳳梅.變頻調(diào)速技術(shù)在采暖恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣自動化,2007,29(5): 17-18.

[6]陳忠平,周少華,侯寶玉,等.西門子S7-200系列PLC[M].北京: 人民郵電出版社,2008.