陳 頡

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381）

0 引言

傳統(tǒng)的自來(lái)水廠(chǎng)供水泵站是由若干臺(tái)揚(yáng)程相近的水泵組成的，工作人員根據(jù)輸出水壓和流量的要求手動(dòng)調(diào)整工作水泵的數(shù)量，所以供水系統(tǒng)是一種恒壓供水的系統(tǒng)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市中的高層建筑越來(lái)越多，每天用水量變動(dòng)較大，對(duì)于供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求也隨之提高，傳統(tǒng)的調(diào)控方式無(wú)法滿(mǎn)足這樣的需求，而且傳統(tǒng)的調(diào)控方式需要工作人員24h值班，頻繁地開(kāi)啟水泵對(duì)于水泵電機(jī)的壽命也會(huì)有所影響。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠根據(jù)恒壓供水的原理，代替人工操作對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，保證管網(wǎng)的壓力平穩(wěn)。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體[2]。基于PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)目前已經(jīng)是很多自來(lái)水廠(chǎng)使用的供水系統(tǒng)方案，但是目前還是有很多水廠(chǎng)由于建廠(chǎng)時(shí)間較早，最初建設(shè)時(shí)并沒(méi)有配置自動(dòng)化供水設(shè)施。因此，目前依然還是采用傳統(tǒng)的供水調(diào)控方法。本文對(duì)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)PLC自動(dòng)控制器保持管網(wǎng)壓力恒定，自動(dòng)調(diào)控設(shè)備啟停，并能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)多種操作方式的恒壓變頻供水系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)改善供水系統(tǒng)傳統(tǒng)調(diào)控中的調(diào)控效率低、成本高的問(wèn)題，降低能源和資源的消耗，降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)管理效率。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：1）根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)中的水泵工作，保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定；2）通過(guò)觸摸屏手動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行，以及查看系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；3）自動(dòng)切換運(yùn)行的水泵組合，避免個(gè)別水泵持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，延長(zhǎng)水泵的使用壽命；4）工頻電源和變頻電源互鎖，防止兩種方式同時(shí)連接造成變頻器短路故障；5）系統(tǒng)中的設(shè)備都具備過(guò)電流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、斷電保護(hù)、缺水保護(hù)的功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

圖2 系統(tǒng)主電路圖Fig.2 Main circuit diagram of the system

圖3 控制電路圖Fig.3 Control circuit diagram

基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)由PLC控制器、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、軟啟動(dòng)器和觸摸屏組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

壓力傳感器安裝在供水管網(wǎng)的主水管上，將檢測(cè)到的壓力信號(hào)傳輸給PLC控制器，PLC控制器將當(dāng)前的水壓與預(yù)先設(shè)置的水壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)變頻器輸出調(diào)控信號(hào)，變頻器根據(jù)PLC發(fā)來(lái)的控制信號(hào)改變輸出頻率，從而改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，水泵的出水量隨轉(zhuǎn)速改變，使管網(wǎng)的水壓得到相應(yīng)的調(diào)整，保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定性。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 主電路

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)3臺(tái)水泵電機(jī)工作，自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，水泵只能通過(guò)變頻電源工作，人工控制時(shí)可以通過(guò)工頻電源運(yùn)行。3臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)分別通過(guò)接觸器與變頻器的輸出電源相連接，每臺(tái)水泵電機(jī)的電源輸入端都具有熱繼電器實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)的功能。此外，電路還具有報(bào)警功能，在系統(tǒng)出故障時(shí)能夠提示報(bào)警。系統(tǒng)主電路如圖2所示。

1.1.2 控制電路

系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能是通過(guò)PLC控制器實(shí)現(xiàn)的，PLC控制器與其他設(shè)備之間通過(guò)中間繼電器和交流接觸器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)之間的隔離功能，對(duì)PLC控制器起到保護(hù)作用[3]。系統(tǒng)控制電路圖如圖3所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flowchart

1.1.3 設(shè)備選型

1）PLC可編程控制器

PLC可編程控制器是本系統(tǒng)的核心控制部件?？删幊炭刂破魇且环N通過(guò)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化控制技術(shù)開(kāi)發(fā)的裝置，能夠通過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)的程序輸出指令控制改變其他設(shè)備的運(yùn)行。西門(mén)子S7-200C具有有可靠性高、控制功能強(qiáng)、組成靈活、操作方便等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和較高的抗干擾能力，適合恒壓供水的環(huán)境要求[4]。

2）變頻器

變頻器與水泵電動(dòng)機(jī)的電壓為同一等級(jí)，在選型時(shí)需要注意的重點(diǎn)是水泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流不能超過(guò)變頻器的額定電流。西門(mén)子MM420變頻器能夠適用于各種變速驅(qū)動(dòng)裝置，易于安裝、調(diào)試，配置靈活，并且具有用于與PC通訊的通訊模塊、基本操作面板（BOP）、高級(jí)操作面板（AOP）、用于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊的PROFIBUS通訊模塊等附加選件可用，選擇該變頻器作為供水系統(tǒng)的變頻器[5]。

3）壓力傳感器

KYB-800KT型壓力變送器內(nèi)部電路設(shè)計(jì)合理，外部結(jié)構(gòu)靈活方便，性能穩(wěn)定可靠，故作為供水系統(tǒng)的壓力傳感器[6]。

4）觸摸屏

選擇威綸MT6051iP作為人機(jī)交互使用的觸摸屏。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要由主程序和子程序組成。主程序能夠調(diào)用子程序運(yùn)行，控制系統(tǒng)的啟停和運(yùn)行方式的變化。主程序流程圖如圖4所示。

主程序調(diào)用子程序模塊的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序調(diào)用子程序流程圖Fig.5 Main program call subroutine flowch art

圖6 PLC調(diào)節(jié)子程序流程圖Fig.6 PLC Adjusting sub-program flowchart

子程序包括PLC調(diào)節(jié)控制程序、PID設(shè)置子程序和水泵電機(jī)控制子程序。PLC調(diào)節(jié)子程序的功能是通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)到的管網(wǎng)水壓值和系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的壓力值之間的偏差輸出控制指令，對(duì)管網(wǎng)水壓進(jìn)行調(diào)控。PLC調(diào)節(jié)子程序的控制流程圖如圖6所示。

PID設(shè)置子程序的功能是設(shè)定管網(wǎng)需要保持的水壓值，通過(guò)該子程序?qū)⒎€(wěn)定的管網(wǎng)水壓值寫(xiě)入PLC控制器。PID設(shè)置子程序的流程圖如圖7所示。

水泵電機(jī)控制子程序的功能是控制水泵電機(jī)的切換和調(diào)速，檢測(cè)水泵電機(jī)是否存在故障，以及變頻器是否出現(xiàn)故障。水泵電機(jī)控制子程序的流程圖如圖8所示。

圖7 PID設(shè)置程序流程圖Fig.7 PID Setup program flowchart

此外，PLC控制器在處理壓力傳感器傳輸來(lái)的信號(hào)的同時(shí)，還會(huì)收到液位傳感器發(fā)送來(lái)的信號(hào)，將收到的液位值與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)偏差對(duì)主觸頭進(jìn)行控制，改變水泵的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)液位超過(guò)最大值時(shí)，控制水泵停止運(yùn)行；當(dāng)液位低于最小值時(shí)，控制水泵工頻持續(xù)運(yùn)行。

最后，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，PLC控制器會(huì)首先切斷造成該故障的設(shè)備，切換到相應(yīng)的備用設(shè)備上，然后啟動(dòng)報(bào)警指示燈，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。故障解除后，系統(tǒng)檢測(cè)不到故障，就會(huì)恢復(fù)原有程序的運(yùn)行。

2 系統(tǒng)原理說(shuō)明

系統(tǒng)控制3臺(tái)水泵，3臺(tái)水泵為并列運(yùn)行的方式。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，首先需要對(duì)PLC控制器設(shè)置需要保持的管網(wǎng)水壓值。然后PLC控制器啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，水泵電動(dòng)機(jī)在變頻電源驅(qū)動(dòng)下工作，壓力傳感器檢測(cè)供水系統(tǒng)管網(wǎng)主水管的水壓，將檢測(cè)到的水壓值轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，傳送給PLC控制器。PLC控制器對(duì)壓力傳感器傳送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理分析，與預(yù)先設(shè)定的壓力值范圍進(jìn)行對(duì)比，如果檢測(cè)到的壓力值高于預(yù)先設(shè)定的壓力值，說(shuō)明水

圖8 水泵電機(jī)控制程序流程圖Fig.8 Flow chart of pump motor control program

泵的出水量過(guò)大，需要降低水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此，PLC控制器向變頻器輸出降低輸出頻率的控制信號(hào)，變頻器的輸出頻率降低，水泵的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)隨之降低，從而減小水泵的出水量，降低管網(wǎng)的水壓。如果檢測(cè)到的壓力值低于預(yù)先設(shè)定的壓力值，說(shuō)明管網(wǎng)的水壓過(guò)低，也就是水泵的出水量不足，此時(shí)PLC控制器應(yīng)該向變頻器輸出增大輸出頻率的指令，隨著變頻器輸出頻率的增加，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增大，水泵的出水量增大，管網(wǎng)的水壓就會(huì)上升。由此整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)負(fù)反饋水壓調(diào)節(jié)，保持管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

采用基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠幫助水廠(chǎng)降低生產(chǎn)成本，提高管理效率，無(wú)論是大水量還是日常水量，都能夠表現(xiàn)出穩(wěn)定的調(diào)控性能。使用自動(dòng)控制技術(shù)和設(shè)施調(diào)控供水系統(tǒng)是當(dāng)前水廠(chǎng)建設(shè)的主要要求，而建設(shè)時(shí)間較早的水廠(chǎng)也終究會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)進(jìn)行改造，改造成為能夠自動(dòng)調(diào)控、人工監(jiān)護(hù)的系統(tǒng)運(yùn)行模式。本文對(duì)一個(gè)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用西門(mén)子S7-200可編程控制器和西門(mén)子MMM420變頻器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)控供水的功能，保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定，系統(tǒng)使用靈活可靠、經(jīng)濟(jì)合理。