PLC的恒壓供水系統(tǒng)整體設計及工作原理

1 引言

通常的供水系統(tǒng)在用水量較高時，供水管道中的水壓將下降，不能滿足用戶的需求;用水量較低時，供水管道中的水壓將升高，超出了用戶的需求，這種情況不但浪費了能源，而且還會破壞供水管道及用水設施，造成經濟損失。供水系統(tǒng)中壓力調節(jié)的方法比較落后，普遍使用水塔二次供水和頻繁啟停電機等方法進行調節(jié)。前者投入的資金比較多，占地面積大，容易出現故障;后者會消耗大量的電能，還會對接入電網的其他用電設備造成影響，反復地啟停設備將縮短其使用壽命[1]。

綜合考慮目前供水系統(tǒng)在實際應用中的一些弊端，本次設計的供水系統(tǒng)以高效節(jié)能、供水穩(wěn)定為前提，采用PID閉環(huán)控制方式，提高了系統(tǒng)的精確性。為了保證各設備安全運行，使用了上位機對系統(tǒng)實施監(jiān)控。其工作的原理是利用變頻技術、PLC和壓力傳感器的結合，完成水泵在變頻電源與工頻電源之間的自動轉換，使管網的壓力穩(wěn)定在設定值附近，從而達到恒壓供水的設計要求[2]。

2 系統(tǒng)的整體設計及工作原理

系統(tǒng)的設計目標是達到居民用水的要求，因此調節(jié)的對象是流量，但水泵將水上揚的高度決定了流量，對它的檢測與調節(jié)不容易完成。當系統(tǒng)供水時，管網中的水壓大小取決于供水量和用水量的大小關系。在供水量大于用水量的時候，供水管道中的水壓將會增高，在供水量小于用水量的時候，供水管道中的水壓將會下降，在供水量等于用水量的時候，則供水管道中的水壓保持不變。所以，在控制流量時，我們將水壓作為控制的參照變量。控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)采用基于PLC內部PID的變頻恒壓供水方式，應用三個水泵的循環(huán)運行以及在變頻電源和工頻電源之間的轉換來完成恒壓供水過程，1#泵和2#泵為主要供水泵，3#泵作為備用的水泵。其控制流程圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

該系統(tǒng)使用了PID閉環(huán)控制方式，利用壓力傳感器測量出管道中水壓，然后將壓力轉變?yōu)殡娦盘?，反饋至PID控制器，經過計算得出偏差，運用變頻器來改變水泵的轉速;在居民用水量增加時，供水管道中的水壓將小于壓力設定值，此時變頻器的輸出頻率會變大，提高水泵的轉速，從而增加供水量，當1#泵的轉速達到上限，且供水管道中的水壓還小于壓力設定值，此時1#水泵將由變頻狀態(tài)自動切換至工頻狀態(tài)下工作，2#泵變頻工作，若此時管網的水壓大于壓力設定值，2#泵轉速下降，頻率減小，當減小到下限時管網壓力仍大于壓力設定值，1#泵停止，2#泵變頻工作，在管網水壓快要達到壓力設定值時，水泵轉速的變化開始減緩一直到轉速不再改變，以使供水管道中的水壓恒定在壓力設定值上，從而達到供水壓力穩(wěn)定的要求。

3 系統(tǒng)的硬件設計

PLC主要由CPU、存儲器、I/O口、外設編程器及電源等構成[3]。CPU是由寄存器、控制器以及運算器組成，它是PLC用來完成信息操作的單元;存儲器用來放置數據、系統(tǒng)程序和用戶程序等;數字量和模擬量的I/O口用于現場操控、檢測設備和執(zhí)行設備的連接，PLC輸入端口包括三種輸入形式，分別為直流輸入、交流輸入和交直流輸入，輸出形式包含晶閘管、晶體管和繼電器等類型;PLC的供電電源不僅為PLC提供主電源，同時為PLC的內部元件的穩(wěn)定運行提供所需要的直流電，為內部元件供電的方式通常采用開關形式，此方式穩(wěn)定性較高，出現故障頻率低，并且有較強的抗干擾能力。另外，PLC電源還可為外部電路提供24V的直流電源。

本項目PLC信號接口采用9個輸入、8個輸出以及1個模擬量輸入輸出，加上性能與成本的考慮，選擇了西門子S7-200系列小型PLC的CPU224XP型CPU單元。224單元自帶數字量I/O口，14個輸入，10個輸出;內部配置了2個模擬量輸入端口(AIW)和1個模擬量輸出端口(AQW)，擁有2個通訊口，可用于與上位機和變頻器的通訊，完全能夠滿足本次設計的需求，達到預期的控制效果。

S7-200的PLC常用的編程元件主要包括數字量輸入繼電器(I)、數字量輸出繼電器(Q)、特殊標志繼電器(SM)、輔助繼電器(M)等。

系統(tǒng)采用的西門子7.5KW變頻器，考慮到電網的頻率、變頻器和電機工作頻率等多方面的因素，把50HZ設定為電機運行時頻率可調的最大值，將20HZ設置為電機運行時頻率可調的最小值，由于在變頻調速中調節(jié)電機的頻率不會降至0HZ，所以最小頻率為20HZ，也是執(zhí)行減泵操作的界限。

變頻器與PLC的通信可采用西門子USS通信協(xié)議實現。其在工作過程中，由USS主站發(fā)出通信的信號，且不停地查詢每個從站，從站在收到數據命令之后，判斷能否執(zhí)行和怎么執(zhí)行。

系統(tǒng)硬件接線圖如圖3所示。

圖3 硬件接線圖

4 組態(tài)監(jiān)控畫面設計

目前，組態(tài)王監(jiān)控軟件是工業(yè)生產中使用最多的監(jiān)控工具。該軟件還有程序設計和管理等功能，使工廠生產達到最優(yōu)化。

它的基本組成有管理器、瀏覽器以及運行系統(tǒng)。管理器用于建立和管理新項目，對已經存在的項目執(zhí)行相關的操作。瀏覽器的作用是建立監(jiān)控界面、定義及分配變量、編輯運行語言等。運行系統(tǒng)的作用是可以讓用戶遠程監(jiān)管和控制工廠的生產流程，提高生產效率。

該軟件具有很強的兼容性，它能夠通過自帶的通信端口完成和常見設備的通信，例如：PLC、VVVF等。除此之外它還可以利用OPC、DDE和別的軟件進行數據的傳輸與交換[4]。

組態(tài)王軟件具有以下特點：

(1)在一定程度上加強了用戶對生產控制的能力、可以提高生產的效率和質量、降低原料損耗。

(2)開發(fā)界面為中文，編程十分方便，操作起來比較容易，能夠使用戶很快的學會該軟件。

(3)參數輸入方便快捷，運行仿真可以重復操作，實時曲線可以直觀的反映出參數變化的趨勢。

在組態(tài)王和PLC的通信中，我們運用的是PPI通信協(xié)議。它是專為S7-200PLC設計的一種主從協(xié)議。

圖4 監(jiān)控畫面

5 結束語

現有系統(tǒng)實現了對供水系統(tǒng)的控制、調節(jié)以及設備運行狀態(tài)的監(jiān)控功能，以后可以通過更多現場數據的采集與傳輸，如：水位、功率、電壓等，通過開發(fā)上位機數據管理系統(tǒng)，實現具有綜合功能的自動控制和管理系統(tǒng)，提高對系統(tǒng)的管理能力，這部分功能將是后期研究的重要內容。

審核編輯：湯梓紅

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