基于PLC的徐州機(jī)電高等職業(yè)學(xué)校供水系統(tǒng)改造

王慶海

（徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校安全工程系，江蘇 徐州221011）

0 引言

徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校原來的供水水源分為兩個(gè)部分：賈汪自來水公司和學(xué)校自備水井。供水方式為：把賈汪區(qū)自來水管網(wǎng)和自備水井的水源取到蓄水水倉后，用水泵抽到校園內(nèi)高位水塔，再由高位水塔向校園管網(wǎng)供水，這種供水方式經(jīng)濟(jì)性很差，且隨著學(xué)校高層建筑的增多及用水量的增大，使供水緊張的情況時(shí)有發(fā)生，四樓以上部分的水壓低、流量小，甚至無水。造成了經(jīng)常性的供水不足，影響了學(xué)校的正常教學(xué)、生活秩序。

1 校園供水的要求及措施

1.1 由于白天和夜間學(xué)校用水量明顯不同，本系統(tǒng)須采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。

白天，校園的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，校園用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。

1.2 采用三臺(tái)水泵，在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長。

倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長時(shí)間工作的情況下。

1.3 由于自備水井近年來水位下降，每小時(shí)出水量僅30噸，供水的成本較高，因此棄用自備水井，僅用賈汪自來水公司的管網(wǎng)供水。

1.4 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。

1.5 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。

1.6 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)方案

2.1 水塔容量太小，已不堪重負(fù)，棄用水塔，采用高位水池+自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)。

2.2 供水調(diào)節(jié)控制方式選擇

供水的水壓及流量控制一般有閥門控制和調(diào)速控制等。兩種控制的功耗如圖1和圖2所示：

圖1 閥門調(diào)節(jié)控制功耗

圖2 變頻調(diào)節(jié)控制功耗

圖1為水泵用閥門控制時(shí)，當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2，必須關(guān)小閥門。這時(shí)閥門的磨擦阻力變大，管路曲線從R移到R′，揚(yáng)程則從Ha上升到Hb，運(yùn)行工況點(diǎn)從a點(diǎn)移到b點(diǎn)。

圖2調(diào)速控制時(shí)，當(dāng)流量要求從Q1減小到Q2，由于阻力曲線R不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果把速度從n降到n′，性能曲線由（QH）變?yōu)椋≦-H）′,運(yùn)行工況點(diǎn)則從a點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚(yáng)程從Ha下降到Hc。

根據(jù)離心泵的特性曲線公式求出水泵的工況軸功率：

P＝RQH／102η

可求出運(yùn)行在b點(diǎn)泵的軸功率和c點(diǎn)泵的軸功率分別為：

Pb＝RQ2Hb／102η

Pc＝RQ2Hc／102η

兩者之差為：ΔP＝Pc—Pb=R×Q2×（Hb－Hc）／102ηQ——使用工況點(diǎn)的流量（m3／s）；

H——使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程（m）；R——輸出介質(zhì)單位體積重量（kg／m3）；η——使用工況點(diǎn)的泵效率（%）。

可以看出，用閥門控制流量與變頻調(diào)速控制相比，有ΔP功率被損耗浪費(fèi)掉，所以本系統(tǒng)選擇變頻調(diào)速控制、恒壓供水。

2.3 高位水池的水位控制

高位水池的水位由兩個(gè)水位傳感器來控制。當(dāng)水位低于下限水位時(shí)，水位下限傳感器發(fā)出信號(hào)，進(jìn)水電磁閥打開，向高位水倉供水，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)水位到達(dá)上限水位時(shí)，水位上限傳感器發(fā)出信號(hào)，關(guān)閉進(jìn)水電磁閥，停止向高位水倉供水。在水池中另設(shè)分體式液位變送器向PLC發(fā)出液位時(shí)時(shí)信號(hào)。

2.4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成

PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖3所示：

圖3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖

圖4 系統(tǒng)的電氣控制總框圖

2.4.1 信號(hào)檢測：在總出口、家屬區(qū)、學(xué)生宿舍區(qū)及教學(xué)區(qū)設(shè)立管道水壓監(jiān)測點(diǎn)，在各檢測點(diǎn)安裝壓力變送器、流量變送器、調(diào)節(jié)閥等設(shè)備。所有模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后再讀入PLC。

水池水位信號(hào)反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號(hào)來自安裝于水池中的液位傳感器。

2.4.2 本控制系統(tǒng)安裝在供水控制柜中，分為供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。

供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。

2.4.3 本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由三臺(tái)水泵組成，用于將水供入用戶管網(wǎng)。水泵組由一臺(tái)變頻泵和兩臺(tái)工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用于根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的水壓信號(hào)減小，偏差變大，PLC的輸出信號(hào)變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用于在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時(shí)）的情況下投入工作。

2.5 電氣控制系統(tǒng)

根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖4所示。本系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分：（1）PLC及其擴(kuò)展模塊、（2）變頻器、（3）水泵機(jī)組、（4）壓力變送器、（5）液位變送器。

2.6 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)

本供水系統(tǒng)主電路有三臺(tái)電機(jī)，它們分別帶動(dòng)三臺(tái)水泵。采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即3臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3h，則切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。

3 PLC的I/O端口分配及外圍接線

PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖5所示。

本供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其中包括4個(gè)數(shù)字量和1個(gè)模擬量。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入PLC的擴(kuò)展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān)SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入I0.0；液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；開關(guān)SB7與I0.3相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測各指示燈是否正常工作。

圖5 PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖

系統(tǒng)有11個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和1個(gè)模擬量輸出信號(hào)。Q0.0～Q0.5分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號(hào)；Q1.1輸出水位超限報(bào)警信號(hào)；Q1.2輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)；Q1.3輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)；Q1.4輸出報(bào)警電鈴信號(hào)；Q1.5輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)；AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。

系統(tǒng)運(yùn)行主監(jiān)控界面如圖6所示，主界面實(shí)時(shí)顯示了當(dāng)前時(shí)間，設(shè)定的水壓值和當(dāng)前水壓值，系統(tǒng)的自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行情況，三臺(tái)水泵變頻/工頻運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行頻率，各設(shè)備的故障報(bào)警顯示等。

圖6 恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 結(jié)語

通過對我校供水系統(tǒng)的PLC改造，實(shí)現(xiàn)了校園用水的恒壓控制，保證了供水質(zhì)量。電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速除了實(shí)現(xiàn)對水壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)外，還實(shí)現(xiàn)了校園的經(jīng)濟(jì)供水，節(jié)約了電能，節(jié)省了供水成本。

［1］王慶海.徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校經(jīng)濟(jì)供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與思考[J].民營科技,2009(9):24-25.

［2］丁文權(quán).可編程控制器(PLC)在無塔供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2001,15(3):57-60.

［3］王偉,等.基于PLC的泵房自動(dòng)化改造方案設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2014(7):184-185.