摘 要：隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷變化發(fā)展，高層建筑越來越多，供水系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性的要求不斷提高；再加上目前淡水資源緊缺，用戶對供水要求更高，利用先進的電氣技術(shù)，設(shè)計出能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)已迫在眉睫。諸暨市技工學(xué)校同樣處理地理位置比較高，師生生活用水比較緊張，因此采用恒壓供水技術(shù)也到關(guān)重要。文章采用PLC控制及變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由PLC進行程序控制，壓力凋節(jié)由變頻器控制，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。

關(guān)鍵詞：變頻恒壓供水；PID調(diào)節(jié)；PLC；觸摸屏

1 課題的背景與意義

由于諸暨市技工學(xué)校位于諸暨市城關(guān)老鷹山腳下，地理位比較高，學(xué)生人數(shù)相對較多，一到每年的5月份～10月份，用水問題成為學(xué)校的一大難題，筆者分管后勤工作及機電系工作，多次與當(dāng)?shù)氐淖詠硭韭?lián)系解決這一困境，但始終不能解決，水供應(yīng)不足的矛盾越來越成為領(lǐng)導(dǎo)們關(guān)注的問題。因此，筆者用自己所學(xué)的專業(yè)知識，對學(xué)校的供水問題提出了方案，同時也與學(xué)校的機電工程系老師一起，共同努力，把供水這一困境解決。

本人利用所學(xué)知識及人力資源與社會保障部在全國高技能人材廣州培訓(xùn)中提升的知識，采用恒壓供水，保持供水管網(wǎng)的水壓穩(wěn)定，讓水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化，用變頻器為水泵電機供電，應(yīng)用到這次的改進當(dāng)中。圖1為恒壓供水系統(tǒng)示意圖。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)示意圖

圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，位置在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低，用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱乃徒oPLC，在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器為執(zhí)行設(shè)備。

2 總體設(shè)計方案

恒壓供水一般以中間水池作為水泵供水源，由市自來水公司供給，用高低水位浮球來控制進水閥的進水，自動把水灌滿水箱，當(dāng)水位低于高水位，浮球開關(guān)信號送給PLC，通過PLC打開供水管網(wǎng)的進水閥往水箱注水。同時也作為高/低水位報警信號送給觸摸屏報警。生活用水和消防用水共用三臺泵，通常消防出水電磁閥處于斷電關(guān)閉狀態(tài)。三臺泵根據(jù)學(xué)校生活用水量，進行自動控制運行。若有火災(zāi)發(fā)生時，消防出水電磁閥通電，同時切斷生活用水管網(wǎng)，三臺泵供消防用水使用，同時維持消防用水的高恒壓值?；馂?zāi)結(jié)束后，通過人為操作，關(guān)閉消防出水電磁閥，切換為生活供水。

3 設(shè)備控制要求

3.1 生活供水時，系統(tǒng)設(shè)定為3.5Mpa壓力值運行，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定為5.8Mpa壓力值運行。

3.2 三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先停”的原則接入和退出。

3.3 在用水最小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行時間超過2h，則要切換到下一臺，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺泵工作時間過長。

3.4 要有完善的報警功能。

3.5 對泵的操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。

4 系統(tǒng)程序總體設(shè)計

主程序流程圖如圖2所示。

5 水泵邏輯程序控制

5.1 水壓“恒壓”要求

當(dāng)水泵在工作時，在水壓低于設(shè)定值，需要升高變頻器的輸出頻率，當(dāng)一臺水泵全壓工作不能滿足恒壓需求時，需要啟動第二臺或第三臺水泵，同時把第一臺水泵切換為工頻狀態(tài)工作。這樣，有一個壓力值判斷是否決定需要啟動新泵，這里我的設(shè)計是變頻器的輸出頻率是否達到所設(shè)定的頻率上限值48HZ。如果達到此頻率，通過管網(wǎng)壓力傳感器反饋給PLC內(nèi)部，進行AD轉(zhuǎn)換后，通過比較指令來實現(xiàn)，就需要新增一臺水泵工作。如果水壓還不能滿足設(shè)定壓力的需要，用同樣的設(shè)計思路，繼續(xù)增加水泵運行，當(dāng)然同樣要把第二臺水泵也切換為工頻運行，讓第三臺水泵工作在變頻的狀態(tài)，所以在增泵的時候，判斷變頻泵的最高頻率次數(shù)作為增泵的邏輯依據(jù)，相應(yīng)的增加；這一點很重要。為下一步切泵作準(zhǔn)備。

值得一提的是，在實際工作時，為了判斷變頻器的工作頻率達到上限值時，應(yīng)考濾頻率波動所達到的頻率上限值的情況，在程序中應(yīng)考慮采用時間濾波，即要延時作用。

相反，在減泵時也要用相同的思路來做，當(dāng)變頻泵的頻率運行在頻率下限值3HZ時，如果達到此頻率，通過管網(wǎng)壓力傳感器反饋給PLC內(nèi)部，進行AD轉(zhuǎn)換后，通過比較指令來實現(xiàn)，就需要新減一臺水泵工作。可以把上一臺切入工頻的水泵切除，讓現(xiàn)今在變頻工作的水泵繼續(xù)增加頻率。如果水壓還是超過設(shè)定壓力，用同樣的設(shè)計思路，繼續(xù)減水泵運行，當(dāng)然同樣要把最先切入工頻的那臺臺水泵也切除，讓第三臺水泵工作在變頻的狀態(tài)。同樣在減泵的時候，判斷變頻泵的最最低頻率次數(shù)作為減泵的邏輯依據(jù)，相應(yīng)的減少；為下次作準(zhǔn)備。

5.2 多臺水泵智能運行控制

對于每臺水泵啟動時最好都為軟啟動，即采用變頻器啟動，考慮到每臺水泵長時間的運行對水泵電機不利，所以規(guī)定各臺水泵必須交替使用，采用多臺水泵智能運行控制的辦法。即在程序設(shè)計控制中規(guī)定任意的一臺水泵連續(xù)運行不得超過4小時，因此每次需要啟動新泵或切換水泵的時候，以新運行泵為變頻是最合理的。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，在本設(shè)計中采用的是泵號加1的方法來實現(xiàn)變頻器的循環(huán)控制，即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號來實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。

5.3故障診斷和報警輸出程序

變頻器具有短路、超載等保護功能。當(dāng)變頻器所驅(qū)動的水泵電機發(fā)生短路、超載等故障時，變頻器將自動輸出報警信號并停止輸出保護水泵電機，同時把報警信號送給PLC。從而控制相應(yīng)的接觸器線圈斷電，切斷水泵電機電源。同時PLC還相應(yīng)輸出報警指示，及觸摸屏排除故障后，才能通過人工讓故障復(fù)位，變頻器報警復(fù)位也是如此，通過對變頻器參數(shù)的設(shè)置來達到，然后再從新啟動PLC，變頻器。

以上過程同樣可以用于消防供水工作，他們兩者只不過是水壓的不同要求，有觸摸屏設(shè)定得到，有外部輸入信號輸入是否是生活用水還是消防緊急用水，在設(shè)計時，如果有必要時在消防供水時可以增加備用泵。

6 硬件要求

選用三菱FX2n-32MR作為系統(tǒng)的控制器，模擬量輸入、輸出模塊選用FX2n-4AD和FX2n-2DA，變頻器選用三菱的FR-A700系列，壓力傳感器則選用TPT503壓力傳感器。觸摸屏選用臺達A80THTD1.接觸器的選用CJX2-1810 、熱繼電器選用JR20（C35）、導(dǎo)線選用選用2.5mm2和10mm2、熔斷器的選用為RC1A-60A、分支空氣開關(guān)選用CDB6S 2P 63A、總空氣開關(guān)的選用選用NS250H-TM250D/3P

7 控制系統(tǒng)的I/O點及地址分配

根據(jù)控制要求設(shè)手動和自動消防信號X0；水箱水位下限浮球信號X1；水箱水位下限浮球信號X2；變頻器報警信號X3；消鈴按鈕X4；試燈按鈕X5。

輸出信號分別為1號泵工頻運行Y0；1號泵變頻運行Y1；2號泵工頻運行Y2；2號泵變頻運行Y3；3號泵工頻運行Y4；3號泵變頻運行Y5；生活與消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥Y10；水池水位下限報警指示燈Y11；變頻器故障報警指示燈Y12；火災(zāi)報警指示燈Y13；報警電鈴Y14；變頻器頻率復(fù)位控制Y015。

8 電氣控制系統(tǒng)分類

8.1 主電路

主電路圖由三臺電動機分別為M1、M2、M3。水泵工頻運行接觸器KM1、KM3、KM5接通分別控制水泵M1、M2、M3的運行；或水泵變頻運行接觸器KM2、KM4、KM6接通分別控制M1、M2、M3運行，KH1、KH2、KH3分別為三臺水泵電動機過載保護用的熱繼電器；QF1為主電源電路總短路開關(guān)，QF2為變頻器電源的短路開關(guān)、而QF3、QF4、QF5分別為三臺水泵電動機工頻運行主電路的短路保護開關(guān)。如果開關(guān)打在手動狀態(tài)，這接觸器KM1、KM3、KM5又分別控制M1、M2、M3手動運行（手動運行不受PLC控制，由外部控制）。

8.2 PLC系統(tǒng)外部接線圖

PLC系統(tǒng)外部接線圖如3所示

圖3

9 程序設(shè)計

在恒壓供水系統(tǒng)中采用了邏輯控制、模塊量讀入讀出單元及PID調(diào)節(jié)器。因此，整個程序主要分為二大部分，即主程序、中斷程序。

9.1 主程序

主程序?qū)崿F(xiàn)的功能最多，如泵的切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制及報警處理，以及一些必要的系統(tǒng)初始化程序，PID調(diào)節(jié)指令參數(shù)、設(shè)定值得賦值等，通過傳送指令完成。壓力值是采用觸摸屏畫面直接輸入送給PLC。PID調(diào)節(jié)指令參數(shù)如生活供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的70-75%，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的85-90%（滿量程數(shù)字值為4000）。本系統(tǒng)中的比例增益和時間常數(shù)為：比例增益Kp=0.75，采樣時間Ts=0.5s，積分時間T1=30s。

9.2 中斷程序

中斷程序在PLC的特殊輔助器M8000（運行常為ON）觸點的作用下執(zhí)行。通過中斷程序，把傳送PID指令調(diào)節(jié)結(jié)果輸出值，通過寫入指令來實現(xiàn)模擬量輸出模塊FX2n-2DA的D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送（共12位數(shù)據(jù)，分低端8位和高端4位兩次傳送）。

10 人機界面（HMI）

人機界面產(chǎn)品由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括處理器、顯示單元、通訊接口、數(shù)據(jù)儲存單元等，其中處理器的性能決定了HMI產(chǎn)品的性能高低，是HMI的核心單元。根據(jù)HMI的產(chǎn)品等級不同，處理器可分別選用8位、16位、32位的處理器。HMI軟件一般分為兩部分，即運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件（如JB-HMI畫面組態(tài)軟件）。用戶必須先使用HMI的畫面組態(tài)軟件制作“工程文件”，再通過PC機和HMI產(chǎn)品的串行通訊口，把編制好的“工程文件”下載到HMI的處理器中運行。

通過PLC和變頻器的有機結(jié)合，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，經(jīng)過系部老師的共同努力，解決了學(xué)校的一大難題，同時也把書上的知識真正運用到實踐中，體現(xiàn)了專業(yè)的特色，希望在以后的工作中都能應(yīng)用相應(yīng)的知識。

參考文獻

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作者簡介：黃均生（1964，7-），男，漢族，浙江省諸暨市人，高級講師，高級技師，主要從事電氣工程教學(xué)工作。