基于PLC和變頻器控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、PLC控制的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)郭超（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）摘要：城市供水逐漸向自動(dòng)化、恒壓供水的趨勢發(fā)展，基于此，該文對自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，從自動(dòng)恒壓供水的基本原理切入進(jìn)行了分析，同時(shí)在完成了硬件選型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行了自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，探討了西門子PLC 在自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)，對于進(jìn)一步提高供水系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用水平具有一定借鑒意義。關(guān)鍵詞：西門子PLC；自動(dòng)供水；軟硬件設(shè)計(jì)Abstract: The water supply system is going to develop as the trend of automatic

2、 and isobarically, so this paper discussed and designed theautomatic isobarically water supply system, and it started with analyzing the basic principle of automatic isobarically water supply system, atthe same time, the hardware equipments were all chosen and the whole system was also finished, whi

3、ch discussed the application of SiemensPLC in isobarically water supply system from the hardware and software control processing. All this work is significative for enhancing theautomatic application level of water supply system.Key words: siemens PLC; automatic water supply; software and hardware d

4、esign1 自動(dòng)恒壓供水概述1.1 自動(dòng)恒壓供水的基本原理所謂自動(dòng)恒壓供水，就是采用電機(jī)調(diào)速裝置控制泵組調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)壓力變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)任意設(shè)定供水壓力值，與總管反饋的實(shí)際壓力，進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)后控制調(diào)速裝置，以調(diào)節(jié)水泵機(jī)組的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力，即所謂的“變量恒壓”概念。恒壓供水技術(shù)采用的調(diào)速裝置，基本上都是變頻調(diào)速器或PLC。用變頻器控制水泵向管路供水，由水壓傳感器反饋信號(hào)與水壓設(shè)定值在變頻器或PLC 中構(gòu)成閉環(huán)，以保持水泵供水壓力恒定，是目前最好的辦法。1.2

5、實(shí)施自動(dòng)恒壓供水的意義隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命，可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)，其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)可依據(jù)用水量的變化(實(shí)際為供水管網(wǎng)的壓力變化)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在短短的幾年內(nèi)，恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了

6、一個(gè)逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替，投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率提高，成為主導(dǎo)產(chǎn)品。自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)，充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面很有潛力。2 PLC 在自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用2.1 硬件設(shè)備的選型1) PL

7、C 的選型結(jié)合本論文的設(shè)計(jì)要求，以及出于控制系統(tǒng)成本的考慮，這里選用西門子LOGO! 系列PLC 作為本恒壓供水控制系統(tǒng)的核心部件。LOGO! 具有通用邏輯控制模塊，有8 種基本功能和26 種特殊功能，它代替了很多定時(shí)器、繼電器、時(shí)鐘和接觸器所實(shí)現(xiàn)的功能，取代了數(shù)以萬計(jì)的繼電器設(shè)備。LOGO! 模塊不需要太多的附件和放置空間，因而它使得控制柜的體積變得更小，而且隨時(shí)能夠擴(kuò)展其功能。所以，LOGO! 模塊不僅降低了花費(fèi)，也節(jié)省了多達(dá)70%的時(shí)間。LOGO! 易于安裝，幾乎不需要任何接線。而且編程十分簡單，所做的僅僅是按動(dòng)幾下按鈕；LOGO! 也具有抗振性，及很強(qiáng)的電磁兼容性（EMC），并完全符合

8、各項(xiàng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠應(yīng)用于各種氣候條件；LOGO! 滿足B 級(jí)噪音抑制要求，并且具備所有必需的國家級(jí)認(rèn)證。因此，LOGO! 得以在全世界范圍廣泛使用。2) 變頻器的選型變頻器選型時(shí)要確定以下兒點(diǎn)： 采用變頻的目的；恒壓控制或恒流控制等。 變頻器的負(fù)載類型；如葉片泵或容積泵等，特別注意負(fù)載的性能曲線，性能曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。 變頻器與負(fù)載的匹配問題：電壓匹配：變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。電流匹配：普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。轉(zhuǎn)矩匹配：這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能

9、發(fā)生。 在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。 變頻器如果要長電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長電纜對地禍合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況一下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 對于一些特殊的應(yīng)用場合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋。2.2 硬件設(shè)計(jì)2.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成可編程控制器(PLC)結(jié)合變頻技術(shù)對恒壓供水系統(tǒng)的基本控制策略是：采用變頻調(diào)速的水泵與PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，根據(jù)水位的高低自動(dòng)調(diào)整水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水系

10、統(tǒng)的閉環(huán)控制，根據(jù)水位的變化自動(dòng)控制水泵的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。由PLC 控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，主要由PLC、變頻器、水位傳感器、動(dòng)力控制線路以及水泵等組成。一般來說，系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵以循環(huán)工作的方式。中心控制器為PLC 可編程控制器，以設(shè)定水位和反饋水位為控制目標(biāo)，以PID 為控制算法組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)配備水位顯示儀表，可進(jìn)行高低位報(bào)警，同時(shí)通過PLC 可確保取水在合理水位的水質(zhì)監(jiān)控，同時(shí)也保護(hù)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。流量計(jì)能顯示一段時(shí)間的累積流量和瞬時(shí)流量，可進(jìn)行出水量的統(tǒng)計(jì)和每臺(tái)泵的出水流量監(jiān)控。以清水池水位為控制目標(biāo)，以供水時(shí)間、季節(jié)為參考值，合理組合開泵臺(tái)數(shù)，減

11、少開停泵次數(shù)，達(dá)到穩(wěn)定水壓、節(jié)電供水之目的。2.2.2 PLC 接線設(shè)計(jì)PLC 控制模塊通過通信電纜將控制信息傳送到變頻器模塊，從而改變電源頻率，再通過通信電纜連接到兩臺(tái)水泵電機(jī)上，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，繼而改變供水回路的水壓，達(dá)到恒壓供水。變頻器具有RS 485 通信接口，性價(jià)比較高。PLC 通過自由通信日與變頻器通信，控制變頻器的運(yùn)行、讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過壓、過流、過負(fù)載等全部報(bào)警信息。這樣具有較高的運(yùn)行可靠性，節(jié)省了PLC 的I/O 口。從具體接線來分析，LOGO! PLC 的輸入端子X0 和X1 分別連接電接點(diǎn)水位傳感器的水位下限開關(guān)和水位上限開關(guān)；端子

12、X2X6 分別連接泵1泵5 的點(diǎn)動(dòng)按鈕，點(diǎn)動(dòng)按鈕的作用是控制系統(tǒng)安裝調(diào)試及維修時(shí)，單獨(dú)對每臺(tái)泵進(jìn)行試機(jī)；PLC 的5 個(gè)輸出端子Y1、Y2、Y3、Y4 和Y7 分別連接驅(qū)動(dòng)泵1泵5 的電動(dòng)機(jī)的5 個(gè)交流接觸器KM1KM5；Y0 連接用于報(bào)警的蜂鳴器。當(dāng)PLC 控制變頻器啟動(dòng)后水位傳感器檢測出水位，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4mA20mA 模擬電流信號(hào)，送入PLC 的模擬量擴(kuò)展模塊作為實(shí)際水位值；PLC 接收到水位信號(hào)之后與給定的水位值進(jìn)行比較， 進(jìn)而計(jì)算出控制量由模擬量擴(kuò)展模塊輸出幅值為0V5V 的電壓信號(hào)給變頻器，變頻器依據(jù)輸入電壓信號(hào)的大小，控制水泵進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行，從而控制供水系統(tǒng)的工作進(jìn)度。圖1 恒壓

13、供水PLC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)示意圖2.3 軟件設(shè)計(jì)在自動(dòng)情況下，當(dāng)某臺(tái)軟啟動(dòng)器過載、過流、缺相均認(rèn)為是軟啟動(dòng)器故障，控制屏上對應(yīng)軟啟動(dòng)器故障指示燈亮，同時(shí)給中控室發(fā)出“軟啟動(dòng)器故障”信號(hào)，若該泵當(dāng)時(shí)處于運(yùn)行狀態(tài)，則自動(dòng)切換到備用狀態(tài)。為了克服泵停止運(yùn)行后，軟啟動(dòng)器故障信號(hào)消失，泵重新投入運(yùn)行，運(yùn)行后又出現(xiàn)軟啟動(dòng)故障，從而引啟泵的反復(fù)啟停，造成泵損壞這一現(xiàn)象，軟件設(shè)計(jì)中作如下考慮：當(dāng)某臺(tái)泵由于軟啟動(dòng)器故障停止運(yùn)行后，即使軟啟動(dòng)器故障已消失， 但PLC 仍保持該信號(hào)，除非操作人員將該泵的檢修/運(yùn)行開關(guān)從運(yùn)行位置扳到“檢修”，然后從“檢修”返回“運(yùn)行”位置，該泵才能重新投入運(yùn)行；當(dāng)某臺(tái)泵的380 V 交流電源消失或泵處于“檢修”位置，或泵停止后啟動(dòng)前無潤滑水，均認(rèn)為該泵處于故障狀態(tài)，同時(shí)禁止該泵的PLC 輸出信號(hào)，同時(shí)該泵退出“主用”狀態(tài)；若在泵啟動(dòng)2 s 后，潤滑水消失，則認(rèn)為泵正常。3 結(jié)束語供水系統(tǒng)采用變頻恒壓控制方式時(shí)， 系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，提高了供水品質(zhì)，采用組態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控使系統(tǒng)處于可靠運(yùn)行的狀態(tài)。另一方面，采用PLC 作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)