基于PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)研究

覃 昱，劉 飛，顧立新

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司嵐縣供電公司，山西嵐縣 035200；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031；3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142）

0 前言

水資源在人類(lèi)的生產(chǎn)生活中是必不可少的物質(zhì)。國(guó)內(nèi)的供水設(shè)施還處于智能化不高、自動(dòng)化程度較低的狀態(tài)。可編程序控制器（PLC）具有可靠性高、性?xún)r(jià)比較好、價(jià)格低廉、適應(yīng)性廣和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。將PLC技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)結(jié)合并應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中是目前系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大勢(shì)所趨。

1 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)的外部設(shè)備主要為主供水回路、備用回路、清水池及泵房。其中，泵房里有三臺(tái)水泵電機(jī)，在出水管道中均裝有手動(dòng)或電動(dòng)蝶閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用。三臺(tái)水泵由變頻器控制轉(zhuǎn)速，根據(jù)用水量的變化不斷調(diào)節(jié)以維持生活用水的恒壓供應(yīng)。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求提出通用變頻器+PLC的控制方式。這種控制方式通用性強(qiáng)，靈活可靠。用戶(hù)可根據(jù)不同的控制要求組成不同規(guī)模的系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)的組成

控制方案確定后，可以畫(huà)出系統(tǒng)的控制框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、壓力變送器和水泵機(jī)組組成，形成一個(gè)單回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，PLC是核心控制單元。安裝壓力變送器的目的是將出水閥處不斷變化的水壓信號(hào)（即管道中的水壓）轉(zhuǎn)換成模擬量（即4～20 mA的電流信號(hào)），壓力傳感器將該模擬信號(hào)傳送給PLC，并與程序中設(shè)定的水壓值進(jìn)行比較，變頻器根據(jù)PID運(yùn)算得出頻率調(diào)節(jié)信號(hào)來(lái)調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到轉(zhuǎn)速控制的目的。PLC可隨時(shí)接收變頻器的反饋值，獲取變頻器的工作狀態(tài)，這樣也提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性[6]。

供水系統(tǒng)由三部分組成：信號(hào)檢測(cè)、控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖

1.2 供水系統(tǒng)工作流程

（1）系統(tǒng)通電啟動(dòng)，變頻器啟動(dòng)后拖動(dòng)水泵電機(jī)M1工作，然后PLC計(jì)算出變頻器的輸出頻率，根據(jù)這一輸出頻率由變頻器調(diào)節(jié)M1的轉(zhuǎn)速，水泵電機(jī)M1工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)測(cè)得的輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，供水量與用水量基本達(dá)到平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）當(dāng)測(cè)得的水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的信號(hào)將會(huì)減小，說(shuō)明此時(shí)用水量在增加，水壓的偏差值增大，變頻器根據(jù)偏差值調(diào)節(jié)輸出頻率控制水泵電機(jī)增速，當(dāng)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到新的穩(wěn)定值時(shí)，也就滿(mǎn)足了此時(shí)的供水需求。反之，當(dāng)測(cè)得水壓增加時(shí)，變頻器根據(jù)偏差值調(diào)節(jié)輸出頻率，減小水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到新的穩(wěn)定值。

（3）若處于用水高峰期時(shí)，用水量持續(xù)增加，變頻器輸出功率大于50 Hz，若此時(shí)測(cè)得實(shí)際壓力仍小于設(shè)定壓力值，且滿(mǎn)足水泵切換條件，PLC發(fā)出指令，控制變頻器切換到下一臺(tái)電機(jī)上，拖動(dòng)水泵電機(jī)M2運(yùn)行，同時(shí)本來(lái)的運(yùn)行在變頻模式下的水泵電機(jī)M1轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行。如果用水量繼續(xù)增加，系統(tǒng)仍將繼續(xù)發(fā)生上述轉(zhuǎn)換，前提是要滿(mǎn)足增泵的條件。當(dāng)三臺(tái)水泵都處在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，且變頻工作頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（4）當(dāng)測(cè)得水壓增加時(shí)，變頻器降低輸出頻率，若此時(shí)頻率仍然低于下限頻率，仍然不能使實(shí)際水壓低于設(shè)定壓力時(shí)，若減泵的條件，PLC將發(fā)出指令工頻運(yùn)行狀態(tài)下的水泵M2關(guān)掉，減小水壓至設(shè)定值。若用水量繼續(xù)下降，系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)生上述轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，可以畫(huà)出系統(tǒng)電氣控制的總框架，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電氣控制總框圖

由上圖可知，該系統(tǒng)在硬件方面需要的設(shè)備有：PLC及其擴(kuò)展模塊、變頻器、水泵機(jī)組、壓力變送器和液位變送器[7]。

2.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型

PLC又被稱(chēng)為工業(yè)計(jì)算機(jī)，整個(gè)變頻恒壓供水系統(tǒng)都由PLC進(jìn)行控制。它的作用主要為采集系統(tǒng)中的輸入信號(hào)，運(yùn)算并產(chǎn)生輸出信號(hào)控制所有輸出單元。因此在選擇PLC時(shí)，要考慮多方面的因素。這里需要對(duì)每種硬件設(shè)備進(jìn)行選型。系統(tǒng)硬件設(shè)備選型如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單

2.2 主電路的分析及設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的主電路如圖4所示。

3臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別為M1、M2、M3。KM1、KM3、KM5分別是電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3工頻運(yùn)行控制的接觸器；KM2、KM4、KM6分別是電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3變頻運(yùn)行控制的接觸器；熱繼電器FR1、FR2、FR3起到對(duì)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)的作用，防止電流過(guò)載損壞電機(jī)；FU為主電路的熔斷器；QF1是變頻器的運(yùn)行開(kāi)關(guān)，QF2、QF3、QF4是3臺(tái)水泵電機(jī)工頻運(yùn)行的開(kāi)關(guān)。

圖4 主電路圖

2.3 系統(tǒng)控制電路的分析及設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制電路如圖5所示。

圖5中，SA為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，用于切換系統(tǒng)的自動(dòng)和手動(dòng)運(yùn)行，SA擲1時(shí)表示手動(dòng)控制，擲2時(shí)表示自動(dòng)控制。手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下可由按鈕SB1～SB6來(lái)控制水泵的啟動(dòng)和停止；自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)的運(yùn)行是由PLC程序控制的。電源指示燈HL10亮?xí)r表示系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。此外，還需設(shè)置變頻器的復(fù)位功能，這里采用一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，即由繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。

圖5 系統(tǒng)控制電路圖

圖6 PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線(xiàn)

2.4 PLC外圍接線(xiàn)

PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線(xiàn)，如圖6所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的工作流程和控制要求，將系統(tǒng)的控制程序分成主程序、子程序和中斷程序三個(gè)部分。

3.1 主程序流程圖

主程序的主要功能為：?jiǎn)?dòng)程序，設(shè)置水壓給定值，電機(jī)的變頻/工頻運(yùn)行切換功能，故障報(bào)警及處理等。主程序流程如圖7所示。

3.2 子程序流程圖

子程序的功能主要為設(shè)定變頻器的上下限值，存儲(chǔ)PID相關(guān)參數(shù)，連接中斷。子程序流程如圖8所示。

3.3 中斷程序流程圖

中斷程序的作用是將采集的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，并存入回路表，進(jìn)行相應(yīng)的PID運(yùn)算，以及輸出模擬量。子程序流程如圖9所示。

圖7 主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高層建筑的供水需求，基于PLC相關(guān)原理，設(shè)計(jì)了一套變頻恒壓供水系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有高效節(jié)能、操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，很好的滿(mǎn)足了高層建筑恒壓供水的需求。

本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

（1）PLC作為控制核心，變頻器作為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有靈活方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；利用變頻泵的調(diào)節(jié)功能，在全流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的變頻和工頻運(yùn)行的切換功能，確保恒壓供水；采用PID調(diào)節(jié)方式，水壓波動(dòng)小，反映迅速。

圖8 子程序流程圖

圖9 中斷程序流程圖

（2）系統(tǒng)具備完善的故障報(bào)警及處理功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水位越限和變頻器故障等的報(bào)警和處理，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

（3）采用變頻調(diào)速方式，具有很好的節(jié)能效果。

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