PLC的泵控系統(tǒng)的設計與分析

江蘇省邳州中等專業(yè)學校 安曉倩

在城市供水問題逐漸突出的背景下，不僅需要提升供水質量，確保供水網(wǎng)絡不會因為水壓問題出現(xiàn)故障甚至爆管，還要實時保障供水系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，確保在發(fā)生安全事故時能夠第一時間提供可靠水源。本文主要研究由PLC作為主機的泵控系統(tǒng)，并對其進行設計分析，以提升供水系統(tǒng)的整體穩(wěn)定程度。

1 PLC技術簡述

PLC又稱為可編程序控制器，能夠采用數(shù)字運算方法進行電子系統(tǒng)設計，通常情況下用于工業(yè)環(huán)境，主要面向于各類直接與用戶相關的指令，如定時、算術操作、邏輯計算、內部存儲程序設計等。PLC能夠利用模擬或數(shù)字輸入與輸出方式，完成對各類機械設備的內部控制。PLC技術在當前供水系統(tǒng)當中應用十分廣泛，主要原因有以下幾點：

1.1 極強的抗干擾能力

PLC在進行生產(chǎn)時廠家進行了大量的工程經(jīng)驗參考，并從物理結構、線路構成、軟件結構等多個方面均進行了優(yōu)化，核心模塊采用了當前最為先進的超大規(guī)模集成電路。另外I/O系統(tǒng)在進行設計時特別設置了信號通道保護以及信號調節(jié)電路，應用這一設計PLC在機械結構上滿足了耐熱、抗震與防潮諸多功能。

1.2 靈活的控制系統(tǒng)

PLC的各個模塊種類非常豐富，因此可以選擇組件進行靈活組合，最終得到要求以及尺寸各不相同的控制系統(tǒng)。

1.3 編程方便

由于PLC主要的面向對象便是用戶，因此在設計時需要充分考慮到各現(xiàn)場技術人員的實際應用習慣以及技能要求，在進行程序設計時，選擇梯形圖形式的指令，直接面向工業(yè)控制。梯形圖的結構形式同電路應用當中的繼電器非常相似，這一編程形式不僅具有非常強的直觀性，實際進行掌握時難度較低，并不需要進行專門的計算機數(shù)據(jù)知識培訓，具有一定電路知識的工作人員在短時間內便可迅速掌握。

1.4 功能完善

PLC的輸入與輸出功能當前已經(jīng)較為完善，并且工作性能非常良好，針對于多種形式的模擬量與數(shù)字量均能快速適應。PLC內部能夠執(zhí)行控制功能的模塊較多，主要包括移位寄存器、繼電器、時序電路以及中間寄存器等。由于PLC在設計時采用了微處理器，因此在執(zhí)行鎖存、跳轉、強制I/O輸出、延時等功能時非常方便，不僅能夠實現(xiàn)邏輯運算，還能夠完成順序控制、數(shù)值轉換、算術運算，除此之外，還能夠通過計算機實現(xiàn)顯示、打印以及實時監(jiān)控的功能。

1.5 生產(chǎn)周期短

應用繼電器進行控制系統(tǒng)設計時，通常要根據(jù)具體的技術需求制定出電氣原理圖，而后再進行后續(xù)的接線與布置，在完成電路的安裝與調試之后，后續(xù)如果需要修改復雜度非常高。而當采用PLC來進行控制系統(tǒng)的設計工作時，由于PLC具有非常完善的軟件與硬件結構，只需要按照工程需要進行各模塊的組裝，編程工作可以在設計期間一并完成。

2 泵控系統(tǒng)組成

在進行控制系統(tǒng)設計時，主要將控制模塊分為了三個部分，分別是主控模塊、液位監(jiān)測模塊以及最后的人機交互模塊。

2.1 主控模塊

在進行主控制模塊設計時，需要以設計成本以及實際的控制點數(shù)作為基本參考，本設計的主控制器在考慮以上標準后，選擇西門子PLCS7-200，主機模塊選擇為CPU224，這一主機模塊的控制點數(shù)情況如下：包含有14個輸入點以及10個輸出點，并且還另外配備有一個專門用于通信與編程的接口RS-485，CPU224主機模塊不僅能夠完成PPI以及MPI通信功能，還具備自由通信的功能，因此整體而言具有較強的主機控制能力，由大量工程經(jīng)驗進行參考，該主控模塊的各項機能能夠滿足泵控系統(tǒng)的相關標準。

2.2 液位監(jiān)測模塊

該模塊的核心構件便是液位監(jiān)測傳感器。由于當前使用較為廣泛的傳感器例如壓力傳感器、電感式傳感器、浮球式液位傳感器在使用時均出現(xiàn)了一些安全問題，因此在本系統(tǒng)設計時不使用該類傳感器，而是使用了超聲波液位傳感器，這一傳感器與上述傳感器最大的不同便是具有極強的安全性與運行穩(wěn)定性，安裝簡單，并且后期進行維護時難度也較大。該模塊在進行工作時的主要原理是在泵站的出口位置設置安裝一個壓力傳感器，并且在井口直射液面的位置完成液壓控制傳感器的安裝。進行液位控制傳感器的安裝時，將其安裝位置同液面之間的距離進行定義，設定為h1，該數(shù)值為不確定的變量，可以在任意h1高度完成水泵的啟動工作。將該液位傳感器同水泵葉輪上方一段距離的位置定義為h2，該位置同h1不同，為一個定值，也就表明了這一位置在系統(tǒng)實際運轉時是固定不變的。將h1與h2二者的和作為水泵進行啟動運行的允許高度，這一數(shù)值即是系統(tǒng)運行的真空度，使用負壓力單位來進行表示。在水泵進行啟動之后，液壓傳感器接收到啟動指令，將實際檢測得到的h1數(shù)值向PLC系統(tǒng)進行傳送，PLC系統(tǒng)對這一數(shù)據(jù)信息進行處理后再與h2數(shù)值進行求和，將該數(shù)值傳送至壓力傳感器中，壓力傳感器主要對系統(tǒng)內部的真空度進行檢測，若真空度數(shù)值達到PLC系統(tǒng)所傳送的數(shù)值，則壓力傳感器便可以進行信號的輸出，進行泵站電機的啟動工作，這一系列操作結束之后，水泵系統(tǒng)便可以正式啟動結束。

2.3 人機交互模塊

本系統(tǒng)在進行設計人機交互模塊時主要應用到的軟件便是MCGS軟件，這一軟件可以完成對于人與機器之間的連接，功能非常完善，并且操作難度不大，只需要經(jīng)過簡單的培訓便可以實際進行操作，不僅具有很強的可視性，后期維護成本也很低。這一人機界面能夠同硬件設備進行靈活結合，具備較強的設備開發(fā)功能，尤其在進行現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集以及信息處理與控制時設備開發(fā)速度非?？?，具有非常強的便利性。在實際進行模塊設計時首先選擇驅動在系統(tǒng)上添加西門子S7-200PPI，完成人機交互頁面同西門子PLC的驅動結合，而后再根據(jù)實際的工程需求完成對各個設備的參數(shù)設置，并進行數(shù)據(jù)變量的確定，根據(jù)以上數(shù)據(jù)進行人機畫面頁面的開發(fā)。

3 泵控系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)共選用三臺水泵完成設計，其中1臺水泵作為備用，另外2臺水泵正常運行，并進行輪換工作。這兩臺工作水泵在進行運作時若其中一臺出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會直接發(fā)出報警，并立即將另一臺備用水泵自動投入到使用當中。生活給水泵控制系統(tǒng)主要由三個部分組成，分別為供水部分、水位控制部分以及電氣控制部分。其中供水部分主要由水泵、供水管道、屋頂水箱、地下水池、用戶用水五個模塊共同組成，電氣控制部分主要由PLC以及繼電器組共同組成。

4 系統(tǒng)軟硬件設計分析

水泵控制系統(tǒng)的啟動與停止部分可以分為手動控制以及自動控制兩種不同的控制方式。如果選用手工控制的模式，則選擇使用現(xiàn)場控制箱面板按鈕來完成對于真空泵的實際控制，此時真空泵的啟動或者停止不會受到程序執(zhí)行的影響。而若采用自動控制的模式，水泵的啟動與停止均需要受到程序操控，考慮到施工現(xiàn)場電路的復雜性，出于安全性的分析，仍然可以采用現(xiàn)場控制箱面板按鈕來進行手動控制。

5 系統(tǒng)軟件部分

PLC在泵控系統(tǒng)設計時的主要功能是對過程信息進行實時采集，并同上位機進行通信，對上位機下發(fā)的相關指令進行執(zhí)行，并對水泵進行自動控制，不需要再進行人工監(jiān)測，另外PLC會配置有現(xiàn)場情況監(jiān)測設備，能夠保障技術人員在第一時間對現(xiàn)場施工情況進行監(jiān)測，并開展一些基本控制工作。PLC邏輯圖如圖1所示。

圖1 PLC邏輯圖

5.1 真空度計算的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)真空度的計算數(shù)值是由液位傳感器完成采集的，最終得到的數(shù)值h1便是系統(tǒng)的實際真空度。

5.2 上位機監(jiān)視界面的畫面設計

系統(tǒng)的上位機監(jiān)視界面主要需要應用軟件MCGS，技術人員對軟件監(jiān)視界面可以完成水泵安裝高度、水箱高度進行設置與調整，并對軟件得到的液位實際測量值以及壓力情況進行記錄，便于后續(xù)處理。

結語：以PLC為基本載體的泵控系統(tǒng)，不僅具有非常完善的工作性能，并且在運行過程當中能夠保持較為良好的穩(wěn)定性與可靠性，由液位傳感器進行水泵壓力值的具體計算，并與實際測量的真空度進行對比，可以完成對于水泵啟動以及停止的準確控制，使得水泵在運行過程當中安全性能得到一定幅度的提升，能夠實現(xiàn)對于水泵良好的控制效果，符合工程實際需求。