基于PLC變頻恒壓供水自控系統(tǒng)的設計

張少波 何柳群

作者簡介：張少波（1971-），男，湖南吉首人，碩士，講師，研究方向為電子電力專業(yè)教學與實訓。何柳群（1975-），湖南益陽人，本科，實驗師，研究方向為電力電子實訓。

摘?要： 為了進一步提升市政管網(wǎng)供水壓力管控水平，要充分發(fā)揮技術體系的優(yōu)勢，尤其是高層建筑，要借助二次加壓確保用水要求得以滿足，有效升級水泵軸功率和能量控制效果。本文分析了變頻壓供水自控系統(tǒng)的運行原理，并從硬件、軟件兩個方面分析基于PLC變頻壓供水自控系統(tǒng)系統(tǒng)設計方案。

關鍵詞： PLC;變頻壓;供水自控系統(tǒng);組成

【中圖分類號】TU821?【文獻標識碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.41.173

伴隨著城市城鎮(zhèn)化發(fā)展的增速，人們生活水平不斷提高，對于城市的供水系統(tǒng)提出了新的要求，為了滿足節(jié)能降耗的發(fā)展標準，要利用先進的自動化控制技術和信號反饋技術，為供水自控管理工作的全面落實奠定堅實基礎。

1?變頻壓供水自控系統(tǒng)運行原理

一般而言，變頻壓供水自控系統(tǒng)主要包括水井、水泵、壓力傳感器、管網(wǎng)以及變頻器等，不同的組件發(fā)揮其實際作用，從而有效形成合理的控制運行系統(tǒng)。在實際應用過程中，要借助管網(wǎng)上的壓力傳感器對管網(wǎng)內(nèi)因為水量變化產(chǎn)生的壓力參數(shù)予以匯總，然后將信號以4-20mA/0-10V的形式傳遞到變頻器的PID調(diào)節(jié)單元上，借助反饋信號就能完成對比設定，從而確保相應的壓力控制效果能滿足實際應用要求[1]。值得一提的是，在變頻指令轉(zhuǎn)化的同時，就能對水泵的轉(zhuǎn)速予以調(diào)控，保證管網(wǎng)內(nèi)水壓和實際控制壓力之間形成平衡。綜上所述，建立恒壓變頻供水控制工作體系，維持管網(wǎng)壓力輸出效果和整體運行效益的穩(wěn)定性。

2?基于PLC變頻壓供水自控系統(tǒng)設計要點

步進順序控制功能要基于PLC模塊和變頻器PID頻率自動調(diào)節(jié)操作單元共同參與，有效將管網(wǎng)壓力數(shù)值予以有效控制，建立恒壓變頻調(diào)控模式，從而確保泵結(jié)構運行自動控制效果符合預期，減少人為操作造成的資源浪費，最大化滿足節(jié)能降耗的要求。

2.1?整體流程

在應用PLC模塊后，利用變頻器、PLC以及泵結(jié)構完成PID功能實現(xiàn)過程和恒壓供水變頻處理過程，能實現(xiàn)自動和手動的切換[2]。

第一，系統(tǒng)自動調(diào)壓的基礎流程，要設定整個系統(tǒng)出口壓力，并且確保動態(tài)檢測工作順利完成，能有效測定壓力數(shù)值和實時變化動態(tài)，將相應檢索和處理工作與軟件設定的壓力數(shù)值相對比分析。若是測定的數(shù)值相較于設定的數(shù)值低，則要加快泵的運行速率，保證相應運行效果的匹配度。若是測定的實質(zhì)相較于設定的數(shù)值差值較小，無需進行非常精細化的調(diào)整工作。若是轉(zhuǎn)速在50Hz以上，且沒有超過壓力數(shù)值，就要啟動備用泵，對泵的轉(zhuǎn)速予以調(diào)整，確保恒壓效果滿足系統(tǒng)運行目標。

第二，備用泵的應用要滿足切換要求，在非備用泵運行的過程中，備用泵處于待機狀態(tài)，一旦其出現(xiàn)故障，備用泵要開啟相應的工作，在切換的過程中要對遠程效果、非故障狀態(tài)等進行分析，利用自動聯(lián)鎖啟動、運行模式，并且借助自動調(diào)節(jié)的方式調(diào)整其速度[3]。

2.2?系統(tǒng)要求

應用PLC和變頻器聯(lián)動的方式完成水泵的切換和控制，不僅能增加運行的動力約束效果，也能維持管網(wǎng)的運行壓力，實現(xiàn)壓力數(shù)值的恒定輸出，減少不良問題造成的影響，促進變頻恒壓供水系統(tǒng)應用處理的有效落實。

（1）硬件

硬件系統(tǒng)管理和控制體系內(nèi)，要結(jié)合恒壓供水系統(tǒng)的工藝要求，確保相應硬件處理元件的完整性，保證設備處理的合理性和規(guī)范性。

第一，PLC選型。為了保證變頻壓供水自控系統(tǒng)運行的合理性，要從選型工作入手，結(jié)合實際系統(tǒng)需求，本文選取的是S7-1200系列的PLC，基礎CPU模塊為CPU1215c，配合標準的數(shù)字量和模擬量擴展模塊[4]。為了確保模擬量輸入的合理性，利用遠距離通信電流信號通信處理的方式，基礎輸入范圍在4mA到20mA之間，不僅具備較高的安全性，其整體穩(wěn)定性也較好，并且能建立溢出診斷。另外，在STL步控制開始后，要完成對應的步驟控制工作，利用返回命令RET實現(xiàn)循環(huán)處理，按照設置命令逐漸進入應用、復位的運行模式，設置ZRST批量復位后，確保相應的運行過程符合質(zhì)量標準。

第二，變頻器選型。結(jié)合具體供水生產(chǎn)流量選擇對應的變頻器，基礎供水流量參數(shù)為每小時300m3到400m3，最大設計量設定為500m3。依據(jù)現(xiàn)場安裝條件以及設備性價比參數(shù)確定單臺泵結(jié)構的額定流量為每小時200m3，額定揚程則設計為100m[5]。

第三，外部接線設置。在對PLC進行設備連接處理的過程中，要將現(xiàn)場設備的基礎信號狀態(tài)都實時傳遞到PLC內(nèi)部，從而保證參數(shù)處理和自動控制工作流程的合理性，有效結(jié)合工藝要點，維持CPU模塊中不同輸入輸出變量結(jié)構的合理性，具體變量參數(shù)表見表1：

（2）?軟件

在系統(tǒng)分析整體運行要求和處理標準后，要結(jié)合硬件選取適宜的軟件系統(tǒng)，著重關注模塊的具體應用類型，確保編程效果符合標準。選取的編程軟件是TIA，利用LAD語言完成對應程序的編寫，并且，要借助模擬量處理函數(shù)分析、模擬量輸出函數(shù)分析以及設備控制函數(shù)分析等，從而保證相應參數(shù)設定處理和解析過程更加貼合實際應用要求[6]。

第一，結(jié)合旋轉(zhuǎn)開關的實際操作流程判定對應模式，主要分為手動和自動，軟件設計過程就是輔助自動操作模式，依據(jù)程序?qū)z測泵進行開啟控制，若是其運行正常，則依據(jù)變頻器檢測設備進行信號的分析，尤其是和設定頻率進行比較，確保工作泵頻率要在50Hz以下。若是其運行處于不正常的狀態(tài)，則要利用重復啟動的方式。

第二，針對2臺工作泵同時運行的處理，若是頻率在50Hz以上，則要啟動備用泵，頻率降低在50Hz以下，關閉備用泵[7]。要結(jié)合管網(wǎng)用水量進行水泵運行速度等參數(shù)的分析，從而在無需人工干預的情況下實現(xiàn)恒壓供水自動控制處理模式，也能滿足節(jié)能降耗的運行需求，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)保效益的共贏。

第三，在模塊PID_compact中進行循環(huán)中斷指令的調(diào)用，從而保證設備通信的合理性，借助調(diào)試窗口完成對應參數(shù)指令調(diào)試工作，維持其精確性，保證PID能建立自整定模式，并且將PID的相關參數(shù)直接上傳到參數(shù)配置模式中，維持應用效果。在通信處于正常運行狀態(tài)下，就要結(jié)合設定數(shù)值和模擬量輸出數(shù)值建立對比分析模式，結(jié)合其偏差數(shù)據(jù)按照比例和微分處理方式完成自動控制工作。

2.3?組態(tài)軟件處理

在應用對應軟件和硬件后，就要利用獨立的WinCC組態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性監(jiān)控，確保設計效果和運行效果都能落實到位。WinCC本身是依據(jù)C/S架構完成開發(fā)處理的，因此，能有效維持工程師站和操作員站組態(tài)設計工序，為整個系統(tǒng)運維管理工作的全面落實提供保障。

一方面，組態(tài)畫面能建立實時性遠程監(jiān)控體系，實現(xiàn)用戶系統(tǒng)登錄的基礎上，能集中顯示泵工作狀態(tài)，以維持相應參數(shù)的穩(wěn)定性。例如，要對泵頻率進行實時性設定，并且分析流量數(shù)值和供水壓力顯示數(shù)值。

另一方面，要對控制水壓趨勢圖予以信息采集，結(jié)合信息數(shù)據(jù)分析對應的控制模塊，保證應用處理效果最優(yōu)化。

2.4?故障說明和排除

第一，啟動超時的故障問題。在應用基于PLC變頻壓供水自控系統(tǒng)的過程中，若是出現(xiàn)自動信號發(fā)出但是控制柜無動作的問題，就要對控制電控柜和控制線質(zhì)量予以檢查，從而全面分析相應問題，判定控制電源是否處于正常連接的狀態(tài)，在檢查工作結(jié)束后進行報警確認，一定程度上避免設備出現(xiàn)異常。

第二，非遠程操作體系中，若是因為遠程信號丟失，也會造成設備出現(xiàn)停機問題。此時，技術人員要先進行開關選擇，依據(jù)遠程控制位置決定相應操作指令，若不是因為人為因素造成遠程信號的丟失，就要對信號線或者是連接端子進行檢查，保證遠程信號的合理性。

第三，電機故障問題或者是送電不及時故障，會造成控制柜內(nèi)電氣元件保護效果失衡，使得對應元件因為送電觸發(fā)不及時產(chǎn)生故障問題。技術人員要對設備的控制柜變頻器和電機保護器予以檢查和校對，避免送電不及時以及跳閘等問題。如有必要利用手動復位的方式完成合閘送電處理。

第四，設備在運行過程中出現(xiàn)運行信號丟失的問題，若是丟失現(xiàn)象超出2s，就會因為觸發(fā)不當而造成停機。技術人員要進行現(xiàn)場低壓柜運行情況的分析和檢查，并且結(jié)合繼電器線路運行要求排查故障原因。

結(jié)束語：總而言之，基于PLC變頻壓供水自控系統(tǒng)設計中，要結(jié)合實際應用要求對工藝流程進行約束和管理，并且結(jié)合流量分析、頻率分析以及壓力實時性檢測分析落實相應的控制工作，確保PID自動控制模塊能發(fā)揮其實際價值，為管道壓力恒定狀態(tài)處理工作的全面落實提供保障。

參考文獻

[1]?張?zhí)煲?，王明?基于S7-1200 PLC的恒壓供水自控系統(tǒng)[J].電子元器件與信息技術，2020，4（6）：127-128.

[2]?閆艷軍，肖紅曉，吳靜.PLC自控系統(tǒng)在供水生產(chǎn)中的應用[J].中國科技投資，2017（22）：302.

[3]?黃家偉.基于PLC的廠區(qū)供水模式的優(yōu)化設計及實踐[J].時代農(nóng)機，2.

[4]?吳啟紅.可編程控制系統(tǒng)設計技術.機械工業(yè)出版社，2014.5.

[5]?程周.電氣控制與PLC原理及應用.電子工業(yè)出版社，2010.

[6]?田效伍.電氣控制與PLC原理技術.機械工業(yè)出版社，2009.

[7]?高欽和.可編程控制器應用技術與設計[M].人民郵電出版社，2004.