基于PLC 的無塔供水變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳俊麗

（武昌職業(yè)學(xué)院，武漢武昌，430200）

0 引言

供水系統(tǒng)是人們獲得日常生活用水和工業(yè)用水的核心，傳統(tǒng)的供水方式是由水塔或高位水箱供水，這兩種供水方式工作原理和施工方式簡單，但是供水可靠性不高，儲水容量有限，且供水系統(tǒng)的使用壽命不長，也不便于檢修維護(hù)，無法對壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，同時也會對水質(zhì)造成很大影響。

隨著脈寬調(diào)制技術(shù)、變頻技術(shù)和可編程邏輯控制器（PLC)的發(fā)展，人們逐漸將其結(jié)合起來，并應(yīng)用到供水領(lǐng)域，采用PLC 作為整個控制系統(tǒng)的核心部分，利用壓力傳感器實(shí)時進(jìn)行反饋使水泵出口處的水壓恒定，并根據(jù)實(shí)際壓力測量情況進(jìn)行閉環(huán)控制，即當(dāng)代普遍應(yīng)用的變頻恒壓供水系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)備不斷走向自動化的今天，發(fā)達(dá)國家的變頻恒壓供水系統(tǒng)工程為了降低投入資金，將由一臺變頻器控制一組電動機(jī)（一拖一)的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛靡慌_變頻器拖動多組水泵電機(jī)（一拖多)的工作方式，這種供水方式運(yùn)行噪聲低、供水穩(wěn)定性高、靈活性能好，并且節(jié)能環(huán)保，大幅提升了供水系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

在此背景下，設(shè)計(jì)了一套基于PLC 的無塔供水變頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過壓力傳感器的實(shí)時監(jiān)測以及閉環(huán)反饋，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸至控制器，控制器作出相應(yīng)的判斷后，再利用數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對水泵機(jī)組的實(shí)時調(diào)節(jié)，滿足人們對于供水系統(tǒng)的各方面要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

■1.1 無塔供水控制方案

市面上常用的無塔供水控制方案多為無塔供水變頻恒壓技術(shù)，可依據(jù)實(shí)際用水的需求狀況進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，通過壓力傳感器的測量值與預(yù)設(shè)值的差值來進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后通過處理器控制水泵機(jī)組的運(yùn)行狀況，以滿足用戶需求。

對于處理器的選擇，主要有三種方式，第一種是利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但這種控制方式的延伸擴(kuò)展能力較弱，運(yùn)行時的穩(wěn)定性也是差強(qiáng)人意，且外界環(huán)境的改變也會影響到控制效果。第二種方式是利用專門用于恒壓供水系統(tǒng)的變頻器，采用PID 控制來進(jìn)行調(diào)節(jié)，操縱起來比較容易，投入資金少，但帶負(fù)載能力不強(qiáng)，且信息傳輸能力有限。第三種方式是利用可編程邏輯控制器PLC 進(jìn)行控制，根據(jù)控制要求利用PLC 控制來實(shí)現(xiàn)工頻變頻的轉(zhuǎn)換與配合，這種模式運(yùn)行穩(wěn)定性能強(qiáng)，不易受到外界干擾。

變頻無塔供水系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器PLC、壓力監(jiān)測傳感器、水泵機(jī)組、電動機(jī)、儲水池、繼電器等元器件構(gòu)成，主體由PLC 作為整個供水系統(tǒng)的控制核心，具有可控性強(qiáng)，操作簡單，靈活性強(qiáng)，檢修維護(hù)方便等優(yōu)勢。整個控制過程中運(yùn)用到了檢測反饋技術(shù)、AC-DC 轉(zhuǎn)換技術(shù)、變頻技術(shù)等。即根據(jù)壓力反饋值的大小，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過PLC 與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，做出相應(yīng)反應(yīng)后經(jīng)過數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)化輸出到變頻器，從而實(shí)現(xiàn)對水泵機(jī)組的控制。

■1.2 無塔供水系統(tǒng)分析

無塔供水變頻系統(tǒng)主要由檢測裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成，其中，檢測裝置由按鈕、液位變送器和壓力變送器組成，控制系統(tǒng)為西門子1200 PLC，驅(qū)動裝置為西門子變頻器MM440，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為水泵電機(jī)，本次設(shè)計(jì)共采用了三個水泵。

檢測裝置相當(dāng)于人體感官，將系統(tǒng)所需要的變量進(jìn)行采集，控制系統(tǒng)對檢測變量的讀取并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算后的結(jié)果被傳輸?shù)津?qū)動裝置，再由驅(qū)動裝置把結(jié)果傳輸至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制對象的控制要求來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到自動化控制的目的。供水系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 無塔供水變頻系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)

無塔供水系統(tǒng)主電路圖如圖2 所示，QS 作為系統(tǒng)隔離開關(guān)，控制整個系統(tǒng)的電源給定；FU 為系統(tǒng)熔斷器，當(dāng)系統(tǒng)電路電流突變，熔斷器立即斷開電路，避免對設(shè)備造成損害；FR 為熱繼電器，為電路提供過載保護(hù)。無塔供水系統(tǒng)共用到七個接觸器，為了能實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的供水進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，分別設(shè)定了工頻和變頻兩種工作方式，KM1、KM2、KM3 作為工頻啟動主接觸器，將電源電壓直接給定到水泵電機(jī)全壓啟動；KM4、KM5、KM6 作為變頻啟動主接觸器，由西門子MM440 變頻器內(nèi)設(shè)定的輸出頻率控制水泵電機(jī)工作，水泵電機(jī)隨著輸出頻率變化。

■2.2 系統(tǒng)硬件選型

2.2.1 主控制器

在工業(yè)過程控制中有三大控制系統(tǒng)，分別是PLC、DCS、FCS。

（1) PLC 控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部的存儲程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入或輸出，控制各種類型的機(jī)械化生產(chǎn)過程。

（2)DCS 集散控制系統(tǒng)，又叫計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)，它是20世紀(jì)70年代中期迅速發(fā)展起來的，它把控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像顯示技術(shù)以及通信技術(shù)結(jié)合起來，也稱作4C 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制和管理。它既打破了常規(guī)控制儀表功能的局限性，又較好地解決了早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對于信息、管理和控制作用過于集中帶來的危險(xiǎn)性。

（3)FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場設(shè)備，本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。

本次系統(tǒng)使用PLC 控制器作為主控制器，型號采用西門子1200系列PLC1214C DC/DC/DC，外加SM1234 AI4/AQ2 模擬量模塊。

2.2.2 變頻器

在無塔供水變頻系統(tǒng)中，供水系統(tǒng)通過主控制器PLC對變頻器下達(dá)指令，控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)管道流量。變頻器的可以降低電力線路電壓波動，因?yàn)殡妷合陆祵?dǎo)致同一供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓敏感設(shè)備故障跳閘或工作異常。而變頻器能在零頻率零電壓時逐步啟動，能最大程度消除電壓下降。

考慮到本次設(shè)計(jì)的控制要求及系統(tǒng)調(diào)速范圍、調(diào)節(jié)速度的參數(shù)，系統(tǒng)采用西門子MM440 的變頻器，是西門子用于控制三相交流電動機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的變頻器，其具有以下特點(diǎn)：

（1) MM440 具有豐富的控制功能，通過P1300 參數(shù)可以選擇從V/P 控制到帶傳感器的矢量控制等12 種不同特點(diǎn)的控制模式，適用于恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)矩等各種性質(zhì)的負(fù)載，滿足各種控制要求。

（2) 豐富的停車和制動功能。MM440 具有3 種停車方式，即按斜坡減速停車(OFF1)、慣性停車(OFF2)快速停車（OFF3)。3 種制動功能，即直流制動、復(fù)合制動、動力制動（須外接制動電阻，75kW 以下已內(nèi)置制動單元)。停車方式和制動方式的靈活配用，可適應(yīng)不同機(jī)械慣性負(fù)載的要求。

（3)強(qiáng)大的通訊功能。利用Profibus 通訊可選件，可以將MM440 接入開放的、高速（12Mb/S)的DP 網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)性能更佳、精度更高的通訊控制。

2.2.3 壓力變送器

自來水經(jīng)過無塔供水系統(tǒng)供應(yīng)給用戶，但供應(yīng)過程中無法得知用戶用水情況，不能實(shí)時對供水量調(diào)整，為了解決這個問題，需要檢測流向用戶的管道壓力，判斷管內(nèi)壓力是否等于標(biāo)準(zhǔn)值。

本系統(tǒng)采用SY-3051 系列電容式變送器，過程壓力通過兩側(cè)或一側(cè)的隔離膜片，灌充液傳至中心測量膜片。中心膜片是一個張緊的彈性元件，它對于作用在其上的兩側(cè)壓力差產(chǎn)生相應(yīng)變形位移，其位移與差壓成正比，位移約0.1mm，這種位移轉(zhuǎn)變在電容極板上形成差動電容，由電子線路把差動電容轉(zhuǎn)換成二線制的4-20mADC 信號輸出。

2.2.4 液位變送器

自來水作為無塔供水系統(tǒng)的能源，自來水的供給量是必要控制的能源變量。在整個系統(tǒng)中，當(dāng)自來水的供給量不夠的情況下，系統(tǒng)將停止運(yùn)行，防止在沒有自來水的情況下，它的工作溫度急劇上漲而導(dǎo)致電機(jī)損壞。因此，在無負(fù)壓穩(wěn)流罐中加入液位傳感器，用于檢測液位是否低于用戶設(shè)定高度。

本系統(tǒng)采用SC-500 系列液位變送器，基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，SC-500 采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)成電信號。經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性校正，轉(zhuǎn)換成4-20mADC 標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。

2.2.5 水泵

本系統(tǒng)采用DL 立式多級離心泵，采用了國家推薦使用的高效節(jié)能產(chǎn)品IS型泵的水力模型，為立式多級多節(jié)段式結(jié)構(gòu)。螺桿把進(jìn)水段、中段、出水段夾緊聯(lián)成一體。水泵每一級裝一個葉輪、一個導(dǎo)水葉。軸向力采用水力平衡法解決，殘余軸向力由球軸軸承承受，用油脂潤滑。軸封采用軟填料或機(jī)械密封。

3 供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

無塔供水系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示，待系統(tǒng)上電完畢完成好準(zhǔn)備工作后，可選擇手動模式和自動模式兩種工作方式。

圖3 無塔供水變頻系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

當(dāng)系統(tǒng)工作在手動模式下時，可手動控制水泵在工頻和變頻狀態(tài)下工作，利用頻率調(diào)節(jié)功能可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速或減速運(yùn)行，同時水泵接通水池閥門，水從穩(wěn)壓罐流入水管中，最后通過水泵傳輸?shù)接脩魡挝弧?/p>

當(dāng)系統(tǒng)工作在自動模式下時，系統(tǒng)首先會讀取水泵的管道壓力和水泵1 的運(yùn)行頻率，當(dāng)管道壓力達(dá)到上限值10 時，所有水泵停止運(yùn)行；當(dāng)管道壓力處于壓力標(biāo)準(zhǔn)值10 以下且變頻器1運(yùn)行頻率已達(dá)到50Hz 時，水泵1 在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，水泵2 在變頻狀態(tài)下運(yùn)行；隨后判斷水泵2 的運(yùn)行頻率，當(dāng)管道壓力處于壓力標(biāo)準(zhǔn)值10 以下且變頻器2 運(yùn)行頻率不小于50Hz，水泵2 在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，水泵3 在變頻狀態(tài)下運(yùn)行；隨后判斷水泵3 的運(yùn)行頻率，當(dāng)管道壓力處于壓力標(biāo)準(zhǔn)值10 以下且變頻器3 運(yùn)行頻率不小于50Hz，水泵3 在工頻狀態(tài)下運(yùn)行；當(dāng)三個水泵都工作在工頻狀態(tài)下時，說明系統(tǒng)運(yùn)行異常，需要進(jìn)行檢修。

■3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)無塔供水變頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在WINCC 中繪制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，用于實(shí)現(xiàn)無塔恒壓供水系統(tǒng)的工作狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)的顯示，主要由供水系統(tǒng)運(yùn)行畫面、三臺泵的運(yùn)行參數(shù)、工作狀態(tài)、操作界面等部分構(gòu)成。在人機(jī)界面運(yùn)行過程中，要求畫面的運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行頻率、閥門的開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)實(shí)時顯示。無塔恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖4 所示。

圖4 無塔恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)主界面

■3.3 變頻器參數(shù)設(shè)置

為了保障變頻器穩(wěn)定運(yùn)行，防止參數(shù)被人為調(diào)亂，變頻器在使用前需要進(jìn)行參數(shù)初始化，并對電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。初始化及電機(jī)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 初始化及參數(shù)設(shè)置

變頻器初始化完成后，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，變頻器所需要改的功能為開關(guān)量輸入功能、模擬量輸入功能和模擬量輸出功能。變頻器的開關(guān)量輸入功能所接收的信號為PLC的輸出信號，因?yàn)镻LC 的輸出為漏形接法，所以需要調(diào)節(jié)開關(guān)量有效電平；變頻器的模擬量輸入和輸出需要更改其類型，根據(jù)PLC 所設(shè)定模擬量的類型來變化，并設(shè)置對應(yīng)的模擬量上下限。具體參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 功能參數(shù)設(shè)定

4 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

（1)按下系統(tǒng)上電按鈕后，系統(tǒng)得電等待運(yùn)行，按下系統(tǒng)工作指示燈，系統(tǒng)進(jìn)入待工作模式，等待工作模式選擇，點(diǎn)擊系統(tǒng)手動按鈕，仿真畫面內(nèi)的手動控制界面激活啟動，根據(jù)操作員需求控制水泵工頻運(yùn)行，如圖5 所示。

圖5 手動工頻運(yùn)行

（2)在手動運(yùn)行狀態(tài)下，可以任意切換工頻變頻運(yùn)行、調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的運(yùn)行頻率。如圖6 所示。

圖6 手動變頻運(yùn)行

（3)在自動運(yùn)行狀態(tài)下，在管道壓力小于10 的情況下，第一臺水泵直接變頻運(yùn)行，如果管道壓力為10，水泵保持頻率運(yùn)行，如圖7、8 所示。

圖7 自動變頻運(yùn)行1

圖8 自動變頻運(yùn)行2

（4)在自動運(yùn)行狀態(tài)下，如果第一臺水泵頻率到達(dá)最高頻率50Hz 且管道壓力在10 以下，延時2S，第一臺水泵工頻運(yùn)行，第二臺水泵變頻運(yùn)行，管道壓力清零。如圖9所示。

圖9 自動變頻運(yùn)行3

（5)在自動運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)管道壓力大于10，變頻器頻率減小輸出，直到管道壓力等于10，水泵保持頻率運(yùn)行。如圖10、11 所示。

圖10 自動變頻運(yùn)行4

（6)在自動運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)水泵1、2、3 同時處于工頻狀態(tài)，且管道壓力小于標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)報(bào)警指示燈常亮，等待工作人員維護(hù)。如圖12 所示。

圖12 自動變頻運(yùn)行6

通過系統(tǒng)仿真調(diào)試，系統(tǒng)能通過檢測管道壓力值反饋到PLC，PLC 通過反饋至判斷應(yīng)該執(zhí)行的控制裝置，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的工作頻率，使管道壓力控制在標(biāo)準(zhǔn)值，達(dá)到自動化效果。此外，系統(tǒng)能展現(xiàn)出觸摸屏的實(shí)時檢測功能，系統(tǒng)工作的流程及變量狀態(tài)能更加的可視化，便于操作人員更好的調(diào)試設(shè)備，大大的提高工作效率。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)無塔供水，用可編程邏輯器PLC 作為核心控制器，與壓力傳感器、變頻器等相互配合，做到調(diào)整水泵壓力，并且利用西門子WINCC 組態(tài)軟件創(chuàng)建了HMI 人機(jī)交互界面，可視性強(qiáng)，操作簡單，易于檢測與修改，大大提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率，滿足用戶的用水需求。