基于PLC 的樓宇二次供水智能控制系統設計＊

曹哲賢，王宇杰，劉濤，付煥森，張熠飛

（泰州學院機電工程學院，江蘇泰州 225300）

高層樓宇在城市化進程中發揮重要作用，二次供水與居民的工作和生活息息相關。目前，二次供水基本采用自動控制，該系統往往也受控于物業，居民很難參與二次供水的監控中，導致近年來常有供水質量不佳的情況發生，如高峰期的水壓不夠，控制系統的老化、無人定期檢修，水箱中出現雜物等。對于二次供水，供水壓力、水質、有無雜物是供水質量的關鍵因素。基于此，眾多學者和工程師進行了研究，如高銳等[1]利用PLC 和SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制）系統對二次供水系統的各項參數進行實時監測，實現了對二次供水系統的智能控制；歐惠玲[2]采用西門子PLC 和GYMS（集成管理控制平臺）、安防、門禁管理、水質在線監控等設備，推廣二次供水標準泵房地的封閉式和智能化管理；張萬青等[3]對二次供水的節能損耗進行了重點研究，設計了定時休眠功能；陳經艷[4]使用三菱FX3U系列 PLC 自帶的 PID （ Proportion Integration Differentiation，比例、積分、微分）控制，提供了供水系統的變頻恒壓控制，獲得了較好的控制精度；路桂明等[5]利用PLC 和變頻器組成閉環控制，實現了供水系統能夠自動調節水泵的工作狀態。

對于供水自動控制的研究盡管取得了豐富成果，但是對于供水的水質和水中有無雜物的研究較少，自動控制系統也不對用戶進行部分功能的開放，往往出了意外（雜質、異物等）要很長時間才被用戶發現。水是生命之源，控制部分可以不對用戶開放，但是供水的一些參數和有無異物可以對用戶開放，用戶通過手機實時監測才能保證供水的質量。基于此，文中利用西門子S7-1200 系列PLC、MCGS 觸摸屏界面、變頻器及通信模塊等設備設計了二次供水的智能控制系統，讓用戶參與控制系統的監測，最后的模擬運行也體現出較高的可靠性。

1 整體設計

二次供水的智能控制系統整體設計如圖1 所示，主要由PLC 控制單元，壓力、液位、水質傳感器，觸摸屏和西門子通信模塊，以及攝像頭和上位機電腦組成。手機APP 軟件可以通過通信模塊實時查看PLC 采集的壓力和水質等參數，通過上位機電腦和攝像頭可以查看水中有無異物等。

圖1 整體設計圖

2 硬件設計

本系統選用西門子的S7-1200 系列PLC 中的CPU1214，該PLC 有14 路數字里輸入和10 路數字量輸出；再增加了一個模擬量擴充模塊SM1234，含4 個模擬量輸入和2 個模擬量輸出，以達到本系統的控制需求。選用西門子V20 型變頻器，變頻器的作用是通過IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的開通和關斷來調節水泵機組運轉，水泵再帶動電機的轉速，從而改變頻率使系統達到更好的運行狀態。

選擇TPC7062TI 型觸摸屏，其主要作用是監測觸摸點接收到的信號，將它以觸點坐標的形式傳送給CPU（Central Processing Unit，中央處理器），同時也能接收CPU 發來的指令；選用MIK-P1000 型壓力傳感器、SL980 型投入式液位傳感器、溶解氧和pH 值水質傳感器。

2.1 PLC 的I/O 口分配

PLC 的開關量、模擬量和數字量輸入輸出分配如表1 所示。

表1 PLC 輸入輸出分配表

2.2 PLC 控制電路

PLC 的控制電路如圖2 所示。220 V 交流接PLC的L 和N，為PLC 提供220 V 工作電源。24 V 直流電接的負端接PLC 的輸入1M 和PLC 輸入公共端；24 V的正端接PLC 的輸出1L、2L 和SM1234 的L+。該系統選擇了3 個水泵機組，分別是M1、M2 和M3。M1是#1 水泵電機，驅動#1 水泵供水。KM1 是#1 水泵電機變頻啟動接觸器，接變頻器V20 的U、V、W，供#1 水泵變頻工作；KM2 是#1 水泵電機工頻接觸裝置。同理，M2 是#2 水泵電機，KM3 是#2 水泵電機變頻接觸器，KM4 是#2 水泵電機工頻接觸器；M3 是#3 水泵電機，KM5 是#3 水泵電機變頻接觸器，KM6 是#3 水泵電機工頻接觸器，KM7、KM8、KM9 為3 個水泵電機的軟起動接觸器。

圖2 PLC 控制電路

3 軟件設計

3.1 軟件流程設計

軟件流程如圖3 所示。供水系統開始運行，系統上電之后若系統報警，則該系統不運行，系統會緊急停止采用手動模式并對系統進行維修；若變頻器無故障，系統開始運行，通過觸摸屏實現壓力的設定值，PID 的反饋為實際壓力。系統運行過程中，管網中的各類傳感器采集數值上傳給控制器，經過一個采樣周期后，根據系統的設定值改變水泵的運行狀態，使之達到最好的控制效果。

圖3 軟件流程圖

軟件流程控制分為2 種情況：①采集的水壓小于先前設定壓力值，繼續監測其頻率是否超出上限頻率50 Hz。若小于50 Hz，保持當前運行狀態，繼續進行管網水壓采樣；若大于50 Hz，則采取增泵措施，此時#1 泵由變頻切換為工頻運行，啟動#2 泵變頻運行。②采集的水壓大于或等于先前設置的壓力值，繼續監測其頻率是否大于頻率下限10 Hz。若大于10 Hz，則返回管網繼續水壓采樣；若低于10 Hz，說明需要采取減泵措施，此時#2 泵停止運行，#1 泵變頻運行，當用水量很大時，啟用#3 備用泵。

3.2 PLC 程序設計

在供水系統控制部分中，程序使用結構化方式進行編程，分為主程序、調用程序和中斷程序。除此之外，PLC 同時設計了FC1-FC8 多個程序段循環執行，用于PID 控制。其中，液位讀取程序段如圖4 所示，供水泵工頻運行程序段如圖5 所示。

圖4 液位讀取程序段

圖5 供水泵工頻運行程序段

3.3 PID 控制

PID 控制器按其工作方式可分為自動控制和手動控制2 種，即PID 控制器在完成首次自調整動作和工作期間自調整動作后即為自動控制工作狀態。PID_Compact 工藝對象將按照預定的控制器參數執行閉環控制；打開S7-1200 項目樹中的“工藝對象”，點擊“新增對象”，找到“PID”，選擇PID_Compact 模塊，如圖6 所示。

圖6 PID 模塊選擇

如果在控制器上位機組態窗口配置時勾選了“啟用手動輸入”，PID 控制器的輸出將根據人工手動輸入的值進行相應的調節，PID 調用程序如圖7 所示。

圖7 PID 調用程序

4 仿真調試

系統采用Matlab2012 軟件的Simulink 平臺對供水系統的PID 控制模塊進行動態建模和仿真。PID 模塊參數修正后開始系統仿真，設置仿真時間為2 000 s，示波器運行曲線如圖8 所示。由圖8 可知，系統運行到500 s 左右時PID 調節輸出增量為0，變頻器頻率恒定，系統達到穩定運行狀態。

圖8 PID 仿真波形圖

供水系統中壓力變送器將實測壓力值以電信號的形式傳輸至PID 控制器，與系統設定壓力比較得出偏差，經過PID 控制算法計算后將控制信號以電壓的形式傳輸至變頻器，實現自動調節的功能。當壓強過高時，控制器控制電機減速；壓強過低時，控制器控制電機提速，PID 在線監測如圖9 所示。

圖9 PID 在線監測

該系統的監測和調試界面包括了系統的運行監測主界面和參數設置界面，用戶可以在系統的主控界面上進行操作，并利用上面的按鈕進行多個監視接口的切換，實現了多種監視。系統監控自動控制運行界面如圖10 所示。

圖10 自動控制界面

5 結論

該系統由PLC、變頻器、人機界面和多種傳感器、攝像頭等主要硬件設備構成，結構簡單、操作靈活，通過人機交互界面，用戶可以通過直觀的方式實現對供水系統的遠程監測，并能實時掌握系統的工作狀態，對報警信息進行及時處理。該系統將部分數據和功能對用戶開放，通過手機APP 可以實時監測各項參數，并且可以通過攝像頭查看水中是否有異物，保障供水水質。