基于PLC的水泵智能控制及能耗監測系統設計

陳金標

（浙江利歐環境科技有限公司，浙江 溫嶺 317500）

基于PLC的水泵智能控制及能耗監測系統設計

陳金標

（浙江利歐環境科技有限公司，浙江 溫嶺 317500）

傳統的水泵控制方式往往需要手動操作，并且存在可靠性低、備用泵閑置浪費等問題。基于此，本文基于PLC控制原理，研究了水泵智能控制及能耗監測技術，從供水方法、系統構造等方面較為詳細地闡述了系統的設計思路以及應用前景。

水泵控制；PLC；智能控制；自動化

1.供水的基本方法

建筑物供水系統的基本方式可分為以下3種：直接給水方式、單設水箱供水方式、高水位箱-水泵供水方式。直接給水方式的工作原理是：室內與室外的給水管網直接相連通，通過水泵向用戶提供具有一定壓強的水。單設水箱供水方式的工作原理類似于直接供水，其不同點在于，單設水箱供水在直接供水的基礎上，安裝了一個或多個高水位箱，目的在于調節水壓和流量。高水位箱-水泵供水方式是將市政管網中的水池作為供水源，通過水泵將水輸送到高水位箱處，然后再由高位水箱輸水到用戶終端。直接供水方式采用恒速泵與變頻調速泵相結合的方式，以解決用戶終端的用水變化問題。當前基于PLC自動控制恒壓供水系統的水泵，在采用交流交頻技術后，水泵智能控制系統已經應用于多個行業。

2.基于PLC的水泵智能控制與能耗監測設計

本文中的水泵智能控制系統設置有一個主站，主站下設有多個從站，從站中也配置有PLC模塊，主站與從站通過PLC的RS-484接口相連接。主站由上級的工控機控制并監測，主站會將各從站的信息傳輸給頂端的中控機，操作人員通過中控機即可實現對各從站的設備進行控制與監管。從站中設置有傳感元件和獨立的水泵啟閉開關，可將環境的參數以及水泵實時工況通過主站上傳至工控機，而且從站控制柜上的人機界面也能自動控制從站中水泵的運行，如圖1所示。

控制器之間的通信采用Modbus協議，這是專門用于電子控制器上的一種通用語言，具有很強的兼容性。基于此協議，各控制器可通過特定網絡，與其他外圍設備進行實時通信。該協議搭建了一套可被控制器識別的計算機信息框架，忽略信息傳達的所使用的網絡，表達了各控制器與系統其他設備相連接的過程。各設備通過Modbus進行通信時，會將各設備唯一的設備地址記錄下來，也可將反饋信息傳到特定設備地址，從而實現水泵的精準控制。同理，該技術也可用于檢測系統中出現故障的單元，并監控系統整體運行情況，從而計算出系統整體能耗情況。

2.1系統控制要求

以某廠房建筑排水為例，該系統基于PCL技術，可對水井中的水位高低情況進行遠程控制，并反饋實時監控數據。其控制要求可分為以下4點：

（1）將系統中的3臺泵通過PLC和無線通信，連接到工控機的PLC上，通過工控機或者遠程無線控制終端，結合水池的實際情況，我們可以對深井泵進行實時控制。例如，當水位高于4m時，將所有深井泵調整為關閉狀態；若高于3.6m時，僅保證一臺水泵工作即可，當水位不足2m時，則啟動其中2臺深井泵；高于4m時，設備必須停機。3臺機組互為備用。

（2）當水泵的水壓低于0.3MPa時候，可同時啟動系統中的兩臺深井泵；當水壓達到3.5MPa后，僅保持一臺深井泵工作。這4臺水泵可以互為備用，并能夠實現遠程監控現場的各類實時數據，通過從站傳輸到工控機上，也可直接在泵的控制柜上讀取各類參數，完成數據的初步收集。

（3）在廠房需要進行排水時，從站中的傳感設備可以根據水位高低情況，對蓄水池水量進行實時監控。這樣可以實時調整水泵工況，或是防空轉等功能。

（4）值班人員可以根據系統反饋的數據情況，對水泵的運行情況進行調整，或是調整運行中的水泵數量。通過這種方式，保護了廠房用水、用電安全。

2.2系統工作原理

本系統是基于PCL技術，針對水泵的功能切換和遠程控制設計的，可以操控水泵的工作狀態，實現功能之間的轉換，實時監測運行狀態，能夠起到一定的保護作用。與一般的工業系統相比，其簡化了安裝難度和接線數量，提高了系統的穩定性和可靠性。并且應用PLC技術后，靈活性提高和通用性變廣，修改控制程序就能改變各個部件的工作時間和工作狀況，滿足不同的生產需求。

2.3硬件設計

2.3.1智能泵系統電路設計

水泵智能控制及能耗監測系統，其主電路主要由電流互感器、電壓互感器、電流傳感器、電壓傳感器和功率傳感器構成。當水泵的電機開始啟動時，電路中的交流接觸器均閉合，接著電機Y型動作，在Y型電機運行0.1分鐘后，△型電機開始運行。電流傳感器可以將電流互感器測量到的電流信號通過網線傳輸到PLC擴展的AD輸入模塊，通過模塊中的函數計算機即可得出對應的電壓情況。

2.3.2工作站布置

本系統包含一個主工作站和多個從站，中間控制機與主站相連，水泵信息通過從站將傳感器將接收到的信息發送給主站PLC，同時從站與控制柜逐一對應，控制柜上的操作界面也能實現實時控制從站的水泵啟動停止，并且實現功能轉換。水泵工作等位置設置有各種傳感器裝置，數據通過專門與西門子的S7-300PLC的通信模塊傳送，可實現點對點，點對多的無線數據通信方法，并且接收，發送為一體。

2.4軟件設計

2.4.1PLC執行程序設計

本系統采用的是DVP14SS11T2的PLC，該PLC被廣泛應用于自動裝置中，可靠性高，并且指令集豐富、可擴展性強，結合上文提及的Modbus協議PLC模塊可以將泵系統中的各模塊連接在一起，其程序流程如圖2所示。

2.4.2人機交互界面設計

操作觸摸界面的設計能夠實現程序控制邏輯一體化控制。操作界面上顯示的是水泵的啟閉狀態、工作時間、轉速、電流和電壓等工作參數。操作人員可根據需要進行修改。以操作開閉功能為例，主界面上點擊“狀態”任務欄，出現菜單的菜單欄有啟動和停止兩個按鈕，點擊按鈕即可實現開閉功能。啟閉按鈕旁設置有手動控制旋鈕，當遇到突發情況時，操作人員也能夠通過手動按鈕來對設備進行控制，增加了設備的安全性。在首頁的主界面上，還設置有自動報警裝置，當工況出現異常時，系統會自動報警，然后自動斷開電源并停止工作，操作人員也可以通過點擊報警按鈕來通知其他從站的人員。

2.5能耗監測系統設計

生產現場配備有PC監控系統，并且可以通過無線通信的方法，遠程監測從站的實時數據（如水位高度以及水泵的運行狀態），并將這些信息在對應操作界面上顯示出來。另一方面，采用的模糊控制技術來操作水泵的開關，也可達到節約能源的效果，能夠遠程實時地對水泵進行控制。從站機組可由電機控制軟件對其進行控制和監測，主站的PCL系統與各個分站保持通信和控制，完成水源水位、水壓、流量等信息的監測，同時保證壓力達到均衡，以達到節約能源的效果。

［1］肖林京，孫傳余，梁慧斌.PLC在水泵自動化監控系統中的應用［J］.煤炭工程，2007（3）：102-104.

［2］葛鎖良，方明，王泳.基于PLC的水泵智能控制及能耗監測系統設計［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2012（12）：1620-1623.

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