PLC設(shè)計(jì)雙恒壓無(wú)塔供水控制系統(tǒng)

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷變化發(fā)展，高層建筑越來(lái)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(duì)供水要求更高，利用先進(jìn)的電氣技術(shù)，設(shè)計(jì)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(jìn)行程序控制，壓力凋節(jié)由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(duì)較多，一到每年的5月份～10月份，用水問(wèn)題成為學(xué)校的一大難題，筆者分管后勤工作及機(jī)電系工作，多次與當(dāng)?shù)氐淖詠?lái)水公司聯(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(lái)越成為領(lǐng)導(dǎo)們關(guān)注的問(wèn)題。因此，筆者用自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，對(duì)學(xué)校的供水問(wèn)題提出了方案，同時(shí)也與學(xué)校的機(jī)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(shí)及人力資源與社會(huì)保障部在全國(guó)高技能人材廣州培訓(xùn)中提升的知識(shí)，采用恒壓供水，保持供水管網(wǎng)的水壓穩(wěn)定，讓水泵電機(jī)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(jī)供電，應(yīng)用到這次的改進(jìn)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(cè)管網(wǎng)中的水壓，位置在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時(shí)，水壓降低，用水量小時(shí)，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(jì)方案

恒壓供水一般以中間水池作為水泵供水源，由市自來(lái)水公司供給，用高低水位浮球來(lái)控制進(jìn)水閥的進(jìn)水，自動(dòng)把水灌滿水箱，當(dāng)水位低于高水位，浮球開關(guān)信號(hào)送給PLC，通過(guò)PLC打開供水管網(wǎng)的進(jìn)水閥往水箱注水。同時(shí)也作為高/低水位報(bào)警信號(hào)送給觸摸屏報(bào)警。生活用水和消防用水共用三臺(tái)泵，通常消防出水電磁閥處于斷電關(guān)閉狀態(tài)。三臺(tái)泵根據(jù)學(xué)校生活用水量，進(jìn)行自動(dòng)控制運(yùn)行。若有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，消防出水電磁閥通電，同時(shí)切斷生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)泵供消防用水使用，同時(shí)維持消防用水的高恒壓值?；馂?zāi)結(jié)束后，通過(guò)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(shí)，系統(tǒng)設(shè)定為3.5Mpa壓力值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為5.8Mpa壓力值運(yùn)行。

3.2 三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。

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

3.4 要有完善的報(bào)警功能。

3.5 對(duì)泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。

4 系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)

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(shí)，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(tái)水泵全壓工作不能滿足恒壓需求時(shí)，需要啟動(dòng)第二臺(tái)或第三臺(tái)水泵，同時(shí)把第一臺(tái)水泵切換為工頻狀態(tài)工作。這樣，有一個(gè)壓力值判斷是否決定需要啟動(dòng)新泵，這里我的設(shè)計(jì)是變頻器的輸出頻率是否達(dá)到所設(shè)定的頻率上限值48HZ。如果達(dá)到此頻率，通過(guò)管網(wǎng)壓力傳感器反饋給PLC內(nèi)部，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后，通過(guò)比較指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，就需要新增一臺(tái)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(jì)思路，繼續(xù)增加水泵運(yùn)行，當(dāng)然同樣要把第二臺(tái)水泵也切換為工頻運(yùn)行，讓第三臺(tái)水泵工作在變頻的狀態(tài)，所以在增泵的時(shí)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(diǎn)很重要。為下一步切泵作準(zhǔn)備。

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

相反，在減泵時(shí)也要用相同的思路來(lái)做，當(dāng)變頻泵的頻率運(yùn)行在頻率下限值3HZ時(shí)，如果達(dá)到此頻率，通過(guò)管網(wǎng)壓力傳感器反饋給PLC內(nèi)部，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后，通過(guò)比較指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，就需要新減一臺(tái)水泵工作?？梢园焉弦慌_(tái)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(guò)設(shè)定壓力，用同樣的設(shè)計(jì)思路，繼續(xù)減水泵運(yùn)行，當(dāng)然同樣要把最先切入工頻的那臺(tái)臺(tái)水泵也切除，讓第三臺(tái)水泵工作在變頻的狀態(tài)。同樣在減泵的時(shí)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(tái)水泵智能運(yùn)行控制

對(duì)于每臺(tái)水泵啟動(dòng)時(shí)最好都為軟啟動(dòng)，即采用變頻器啟動(dòng)，考慮到每臺(tái)水泵長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行對(duì)水泵電機(jī)不利，所以規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，采用多臺(tái)水泵智能運(yùn)行控制的辦法。即在程序設(shè)計(jì)控制中規(guī)定任意的一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行不得超過(guò)4小時(shí)，因此每次需要啟動(dòng)新泵或切換水泵的時(shí)候，以新運(yùn)行泵為變頻是最合理的。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，在本設(shè)計(jì)中采用的是泵號(hào)加1的方法來(lái)實(shí)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(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。

5.3故障診斷和報(bào)警輸出程序

變頻器具有短路、超載等保護(hù)功能。當(dāng)變頻器所驅(qū)動(dòng)的水泵電機(jī)發(fā)生短路、超載等故障時(shí)，變頻器將自動(dòng)輸出報(bào)警信號(hào)并停止輸出保護(hù)水泵電機(jī)，同時(shí)把報(bào)警信號(hào)送給PLC。從而控制相應(yīng)的接觸器線圈斷電，切斷水泵電機(jī)電源。同時(shí)PLC還相應(yīng)輸出報(bào)警指示，及觸摸屏排除故障后，才能通過(guò)人工讓故障復(fù)位，變頻器報(bào)警復(fù)位也是如此，通過(guò)對(duì)變頻器參數(shù)的設(shè)置來(lái)達(dá)到，然后再?gòu)男聠?dòng)PLC，變頻器。

以上過(guò)程同樣可以用于消防供水工作，他們兩者只不過(guò)是水壓的不同要求，有觸摸屏設(shè)定得到，有外部輸入信號(hào)輸入是否是生活用水還是消防緊急用水，在設(shè)計(jì)時(shí)，如果有必要時(shí)在消防供水時(shí)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(tái)達(dá)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(diǎn)及地址分配

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

輸出信號(hào)分別為1號(hào)泵工頻運(yùn)行Y0；1號(hào)泵變頻運(yùn)行Y1；2號(hào)泵工頻運(yùn)行Y2；2號(hào)泵變頻運(yùn)行Y3；3號(hào)泵工頻運(yùn)行Y4；3號(hào)泵變頻運(yùn)行Y5；生活與消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥Y10；水池水位下限報(bào)警指示燈Y11；變頻器故障報(bào)警指示燈Y12；火災(zāi)報(bào)警指示燈Y13；報(bào)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(tái)電動(dòng)機(jī)分別為M1、M2、M3。水泵工頻運(yùn)行接觸器KM1、KM3、KM5接通分別控制水泵M1、M2、M3的運(yùn)行；或水泵變頻運(yùn)行接觸器KM2、KM4、KM6接通分別控制M1、M2、M3運(yùn)行，KH1、KH2、KH3分別為三臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)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(tái)水泵電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行主電路的短路保護(hù)開關(guān)。如果開關(guān)打在手動(dòng)狀態(tài)，這接觸器KM1、KM3、KM5又分別控制M1、M2、M3手動(dòng)運(yùn)行（手動(dòng)運(yùn)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(jì)

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(gè)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(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制及報(bào)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(guò)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(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的70-75%，消防供水時(shí)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(shí)間常數(shù)為：比例增益Kp=0.75，采樣時(shí)間Ts=0.5s，積分時(shí)間T1=30s。

9.2 中斷程序

中斷程序在PLC的特殊輔助器M8000（運(yùn)行常為ON）觸點(diǎn)的作用下執(zhí)行。通過(guò)中斷程序，把傳送PID指令調(diào)節(jié)結(jié)果輸出值，通過(guò)寫入指令來(lái)實(shí)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(jī)界面（HMI）

人機(jī)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(chǔ)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(jí)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(yùn)行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運(yùn)行于PC機(jī)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(guò)PC機(jī)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(yùn)行。

通過(guò)PLC和變頻器的有機(jī)結(jié)合，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，經(jīng)過(guò)系部老師的共同努力，解決了學(xué)校的一大難題，同時(shí)也把書上的知識(shí)真正運(yùn)用到實(shí)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(shí)。

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