一種恒壓供水的PLC電氣控制軟件設計

徐 斯

（湖南機電職業技術學院，湖南 長沙 410151）

對于日常生活的用水量來說，由于它一般會隨著季節、晝夜等情況的變化而變化，所以往往會發生供水用水失衡的情況。水壓充分體現了這一失衡現象，用水量多但供水量少，導致水壓降低；而用水量少但供水量多，就會導致水壓升高。這樣一來不僅浪費了大量的能源，同時也減少了經濟效益。不僅如此，在安全意識日益提升的情況下，使得國家在規劃設計各類建筑物時，必須要考慮將消防控制功能加入到供水系統當中，而且由于消防用水水壓不同于生活用水水壓，因此當發生火情需要滅火時，必須要增大水壓。所以，對于恒壓供水自動控制系統來說，其不僅具有很好的控制性能，同時它的實用價值也非常高。

1 恒壓供水的現實意義及發展

最近幾年，我國中小城市的發展速度越來越快，使得集中用水量不斷上升。從相關統計可以看出，在1990年，我國的城市家庭人均日生活用水量為175.7L，而到了1998年則上升到了241.1L，比1990年的用水量增多了37.2%。由于當用水量處于高峰時，供水量遠遠不足，進而導致城市公用管網的水壓常常會出現較大的浮動。同時由于每天不同時段需要不同的供水壓力，假如只是憑借工作人員的經驗來手動調節水壓，一般很難準確的實現目標。基于這種情況，當用水量增多時，水壓下降；而當用水量減少時，水壓反而上升，這樣一來既使得能源發生了浪費，又可能會發生許多安全事故，比如，由于壓力過高，導致管道爆裂。對于供水廠而言，他們期望能夠借助改造原有的系統，來使其自身的自動化水平提升。同時基于此對相關的系統管理軟件進行配置，突破傳統的管理模式，規范管理工作，進而使本廠的業務管理能力得到不斷提升。由于水廠以往在控制供水系統時，僅僅依靠人工來實現，因此需要基于原有系統來改造該系統技術，并為其建立一套完善的自動控制取水與供水的系統，進而使以往控制期間存在的問題得到解決，減少能源的損耗，避免浪費資源，使設備的可維護性以及運行的安全性得到提升，進而切實的使水廠在生產自來水中所花費的成本降低，并有效的提升生產管理水平。

對于規模較大的工業生產供水系統而言，其變頻調速恒壓供水具有以下幾個特點：a.供水量在一天內的變化幅度比較大，往往是幾倍甚至幾十倍的變化；b.為供水壓力制定的要求較為苛刻，供水流量發生改變，一般會使得供水壓力產生變化，即使是很少量的水，也需要相應的管道壓力；c.通常而言，供水系統水流量的多少一般由水消耗量來決定，而水流量則是由供水水泵所提供。

綜上述結論可知，通過恒壓供水系統（主體為變頻器），既可以最大限度的使實際需要得到滿足，又能夠使整個系統的效率得到提升，同時還可以實現系統壽命的延長以及能源的節約。

相比于傳統的水塔/高位水箱的氣壓供水方式，新型供水方式不僅擁有完善的設備、良好的經濟性，同時其系統也更加的穩定可靠且自動化程度更高，并且它的節能效果更加的明顯。由于該系統的這些優勢，使得國內供水設備廠家對它的關注度與研發力度越來越高。

現階段，該系統的可靠性與自動化水平越來越高、品種越來越豐富。對于未來的供水系統而言，為了使城鎮實現成片開發建設以及智能化樓宇，并通過網絡來調度與規劃供水，必定會越來越智能、越來越標準化。

2 恒壓供水系統的組成

圖1所顯示的便是雙恒壓無塔供水系統的具體結構。在該系統中，涵蓋PLC、變頻器、水泵機組等諸多器件。借助控制面板上的指示燈、按鈕以及轉換開關，用戶能夠很好的了解系統，并對系統進行控制。

圖1 系統組成框圖

借助總出水管網上的壓力變送器，將出口壓力的信號轉變為4～20 mA的標準信號，并將其送到變頻器內部的PID調節器當中，通過PID進行運算之后，對比給定壓力參數，繼而獲得4～20mA參數，并將其送到變頻器當中。在整個控制系統中，供水量由水泵的轉速來調節，而水泵的轉速則由變頻器來控制。由于用水量不一致，因此變頻器的工作頻率、水泵的轉速也會出現一定的差異。利用變頻器檢測時，可以分別設置一個上限與下限頻率，假如用水量增大，那么變頻器會立刻升至上限頻率，在這個時候，變頻器會給PLC輸出一個開關信號；假如用水量減少，那么變頻器會降至下限頻率，在這個時候，變頻器同樣會給PLC輸出一個開關信號；需要注意的是，兩個信號的產生時間并非一致。一旦其中一個信號產生，PLC會立刻接收到反饋信號，接著利用其內部程序對I/O端口開關量的輸出進行驅動，使交流接觸器組得到切換，同時對投入的水泵電機數量進行協調，并實現開關電機與切換變、工頻。通過對投入電機數量的調整以及對電機組當中某一臺電機變頻轉速的控制，使系統管網長期保持在穩定的運行狀態，從而切實的實現恒壓供水。借助人機界面，可以使將系統參數在線顯示出來，便于操作人員的設置與修改，進而達到實時監控的目的。

3 恒壓供水軟件設計

硬件是自動控制系統的基礎，而軟件則是自動控制系統的核心所在。作為計算機系統的主體，軟件可以對系統的先進性、可靠性、實用性與實時性起到決定性的作用。

（1）恒壓供水軟件的選取。在編寫系統程序時，必須要使用專門的應用軟件，本文中主要運用了STEP7-MICRO/WIN32編程軟件。對于該編程軟件而言，其基本功能包括協助用戶研發PLC應用程序、對PLC參數進行設置等。同時當該軟件處于離線環境中時，依舊能夠輸入、編輯以及編譯程序。不僅如此，通過聯機工作的方式，即將PLC同編程PC連接起來，該編程軟件還能夠下載數據、測試通訊信號等。

（2）恒壓供水程序設計。對于本系統而言，其運行的關鍵在于PLC程序是否合理可行。在該系統程序中，主要涵蓋兩部分程序：一部分是主程序；另一部分是啟動子程序。在主程序中，同樣包括兩部分程序：①參與調節程序；②電機切換程序（電機程序與減電機程序）。對于啟動程序而言，它其實屬于清零程序，當PLC通電時，需要進行初始化操作，使數據清零。由于在此系統中運用了變頻器內置的PID調節器，因而此處不必再使用PLC的模擬量模塊與PID功能指令，只需要用通信電纜將PLC同變頻器連接起來就可以進行通信。同時在主程序中運行邏輯運算、變頻器復位等功能，而在子程序中則運行系統初始化的相關操作，如此一來能夠使得掃描時間大大縮減。將生活供水與消防供水的數值分別設定為70%與90%。

4 結語

通過對比現代與傳統的供水系統與控制方式，可以發現綜合系統當中所運用的PLC、變頻器、工作機制與系統構成具有以下幾大特點：

（1）雙恒壓無塔供水系統在控制變頻調速時，主要利用的是PLC。基于實際的用水量，利用PLC對投入電機的數量進行控制，而水泵電機的轉速則借助變頻器來控制；利用傳感器來實現信號的實時采集，同時借助屏蔽電纜，將這些實時信號送到變頻器當中，并利用PID調節器來運算處理，接著通過調節變頻器將這些信號輸出去或者將信號發給PLC；通過編寫程序對控制進行優化，同時使泵組的運行臺數實現自動調節，當管網流量發生改變時，供水壓力能夠實現閉環控制并達到穩定狀態，同時使電能得到了節約。

（2）作為二次方律性質的負載，水泵的轉矩與轉速的平方、功率與轉速的立方均呈現出正相關關系，所以如果想要改變水泵的功率，那么只需要改變其轉速即可實現。借助變頻器，對電源的頻率進行改變，接著改變電機的轉速，然后使水泵性能曲線產生改變，進行實現水泵工況的調節。因此，通過變頻調速能夠使供水實現恒壓，假如轉速下降，那么流量與轉速就會呈現出正相關關系，此時在用閘時引入恒速泵供水方式，可以使能量損耗得到一定的減少，降低沖擊的力度，使系統的使用壽命延長，進而達到節能的目的。不過，必須要在一定的范圍內調節水泵轉速的工況，即適度降低變頻器的頻率，防止水泵的運行效率過低。

（3）相比于傳統的供水系統，現代變頻調速系統具有很多優勢與新功能，同時它對能源的控制更加有效。對于傳統控制當中存在的問題，筆者總結出了相應的解決方案，使得控制系統的設計與改造具備了相應的理論依據。