PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

孫建華

(上海建橋?qū)W院，上海 201319)

1 引言

恒壓供水是指用戶端在任何時(shí)候，不管用水量的大小，總能保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定。為了提高供水質(zhì)量，保證充足的水量供應(yīng)和穩(wěn)定的水壓，采用多臺(tái)水泵構(gòu)成恒壓供水控制系統(tǒng)越來越多應(yīng)用在現(xiàn)代建筑中。利用PLC、傳感器、變頻器及水泵機(jī)組組成的變頻恒壓供水系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高，高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供水控制中得到廣泛應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2 變頻恒壓供水控制過程分析

在進(jìn)行PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前，首先需要對(duì)其控制原理及控制過程進(jìn)行分析研究。本系統(tǒng)以三臺(tái)水泵構(gòu)成水泵機(jī)組，保證用戶出水口壓力為0.5MPa，控制流程如圖1所示。

圖1 變頻恒壓供水流程圖

(P1：供水管網(wǎng)壓力值 P2：用戶預(yù)設(shè)壓力值 P3：系統(tǒng)保護(hù)壓力值)

(1)電氣控制系統(tǒng)在正常運(yùn)行前，首先需要通過PLC對(duì)系統(tǒng)輸入用戶所需供水壓力值大小，使得系統(tǒng)在日常運(yùn)行時(shí)能夠準(zhǔn)確的圍繞預(yù)設(shè)壓力值進(jìn)行變頻供水。同時(shí)需要輸入另一壓力值，即系統(tǒng)保護(hù)壓力值。一旦供水管網(wǎng)斷水，通過壓力傳感器監(jiān)測(cè)到壓力值低于系統(tǒng)保護(hù)壓力值后，系統(tǒng)就能立刻進(jìn)行停機(jī)處理避免設(shè)備損壞。

(2)系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，壓力傳感器開始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供水壓力，并將其監(jiān)測(cè)到的壓力數(shù)據(jù)輸入至PLC中，由PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。

(3)假設(shè)供水管網(wǎng)壓力值大于用戶預(yù)設(shè)壓力值時(shí)，PLC不通過變頻器啟動(dòng)水泵機(jī)組進(jìn)行加壓供水，自來水通過旁通止回閥直接向用戶進(jìn)行供水。

(4)假設(shè)供水管網(wǎng)壓力值小于用戶壓力值，但同時(shí)大于系統(tǒng)保護(hù)壓力值時(shí)，PLC開始對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行PI運(yùn)算。然后將控制信號(hào)傳入變頻器中從而控制變頻器輸出頻率，最終控制水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)供水壓力提升直至達(dá)到用戶預(yù)設(shè)壓力值。

(5)當(dāng)自來水管網(wǎng)停止供水時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)到壓力逐漸降低，壓力信號(hào)傳入至PLC中，當(dāng)壓力低于系統(tǒng)保護(hù)壓力值時(shí)，PLC控制水泵停止運(yùn)行。直到自來水管網(wǎng)重新供水，壓力大于系統(tǒng)保護(hù)壓力值后，系統(tǒng)重新控制水泵根據(jù)實(shí)際情況工作運(yùn)行。

(6)當(dāng)變頻供水系統(tǒng)由于斷電而停機(jī)時(shí)，自來水使用原有供水管網(wǎng)壓力經(jīng)管路繼續(xù)向樓層較低處用戶進(jìn)行供水，確保停電不停水。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上，主要選用三大硬件作為關(guān)鍵設(shè)備，分別為壓力傳感器、PLC可編程控制器及變頻器。

(1)壓力傳感器的原理及選型分析

壓力傳感器是測(cè)量壓力并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器，一般由彈性敏感元件和位移敏感元件組成。彈性敏感元件的作用是使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。

在實(shí)際運(yùn)用中，壓力傳感器主要有陶瓷式、擴(kuò)散硅式及藍(lán)寶石式等等。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中選用壓力傳感器類型主要依據(jù)壓力傳感器的實(shí)際使用環(huán)境要求及變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能技術(shù)參數(shù)要求和經(jīng)濟(jì)合理性來進(jìn)行選用。經(jīng)過參數(shù)比對(duì)，選用型號(hào)為PT210CB-G1/4的壓力傳感器。該型壓力傳感器完全適合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，由于該型壓力傳感器為不銹鋼封裝，因此完全適合在供水環(huán)境下使用。

(2)PLC及模塊的使用及選型分析

在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，PLC將作為電氣控制部分的主要控制設(shè)備使用，由其進(jìn)行控制指令的輸出，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。PLC可編程控制器主要有五大部分組成：由運(yùn)算器與控制器所構(gòu)成的中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出電路、擴(kuò)展特殊功能模塊及電源。其工作原理主要依托現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理而成，通過讀取存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的根據(jù)用戶控制要求所編寫的程序來實(shí)現(xiàn)各類電氣控制要求。

在變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于PLC的選型要求主要集中在I/O口數(shù)量要求，壓力信號(hào)采集模塊，供電要求，經(jīng)濟(jì)合理性要求幾個(gè)方面考慮。在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用西門子S7-200 CPU224DC/DC/DC型作為控制系統(tǒng)PLC，該型PLC以直流24V電壓作為工作電壓，擁有14個(gè)輸入點(diǎn)及10個(gè)輸出點(diǎn)，且能進(jìn)行PI運(yùn)算，綜合性能可靠。因此，滿足系統(tǒng)使用要求。同時(shí)，再選用西門子EM235擴(kuò)展模塊接收壓力傳感器所輸出的壓力信號(hào)，進(jìn)行模擬量的輸入和模擬量的輸出處理。

(3)變頻器使用及選型分析

在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器經(jīng)過接收系統(tǒng)PLC的控制信號(hào)對(duì)系統(tǒng)中的水泵機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而改變系統(tǒng)供水流量的大小和供水壓力的大小。

對(duì)于變頻器的使用，首先需要選擇合適的類型。同時(shí)，變頻器的調(diào)速范圍、調(diào)速精度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也是考慮內(nèi)容之一。如此選擇將確保設(shè)備在實(shí)際使用時(shí)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在本次設(shè)計(jì)中選擇使用西門子的MM440型變頻器。該變頻器完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，適合對(duì)供水系統(tǒng)中的三臺(tái)水泵機(jī)組的變頻操作。

電氣控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)主要分成兩部分，其一為主電路設(shè)計(jì)(如圖2所示)，其二為控制電路設(shè)計(jì)(如圖3所示)。主電路經(jīng)過控制電路對(duì)其實(shí)時(shí)的控制，最終實(shí)現(xiàn)三臺(tái)水泵機(jī)組的工作運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的變頻、工頻工作狀態(tài)，達(dá)到對(duì)用戶進(jìn)行變頻恒壓供水的目的?？刂齐娐分饕饔茫焊鶕?jù)供水系統(tǒng)實(shí)時(shí)壓力信號(hào)的采集，由PLC進(jìn)行PI運(yùn)算，輸出控制信號(hào)，控制變頻器對(duì)主電路中的水泵電機(jī)進(jìn)行頻率的變化，從而實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)共分5部分：主控制程序、PI運(yùn)算程序、檔位控制選擇程序、水泵機(jī)組運(yùn)行程序及自動(dòng)增減泵程序。

(1)主控制程序：解決變頻恒壓供水的總體控制方案。主要涉及系統(tǒng)通電后PI子程序的初始化、檔位控制、自動(dòng)水泵運(yùn)行管理及變頻器運(yùn)行控制。

(2)PI程序設(shè)計(jì)：主要分為PI參數(shù)初始化程序設(shè)計(jì)和0.1s采樣及PI運(yùn)算程序設(shè)計(jì)。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中運(yùn)用PLC進(jìn)行供水壓力設(shè)定值與實(shí)時(shí)檢測(cè)反饋壓力值的比較和PI運(yùn)算等，輸出標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)，控制變頻器輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)供水壓力的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

(3)檔位控制選擇程序：在檔位控制選擇上，主要有手動(dòng)檔和自動(dòng)檔兩種控制檔位。在啟動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，需要選擇控制檔位類型。

(4)水泵機(jī)組運(yùn)行程序：在自動(dòng)檔運(yùn)行情況下，需要設(shè)計(jì)水泵機(jī)組的啟動(dòng)運(yùn)行規(guī)律。在水泵機(jī)組變頻運(yùn)行過程中，首先啟動(dòng)第一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻運(yùn)行，水泵轉(zhuǎn)速隨著頻率的逐漸上升而不斷增加。如果第一臺(tái)水泵頻率達(dá)到工頻50HZ時(shí)，供水壓力未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)則啟動(dòng)第二臺(tái)水泵進(jìn)行變頻供水(第一臺(tái)水泵以工頻狀態(tài)運(yùn)行)。第二臺(tái)水泵在變頻供水時(shí)依舊不能滿足用戶所需的供水壓力時(shí)，同樣將其切換至工頻狀態(tài)運(yùn)行并同時(shí)啟動(dòng)第三臺(tái)水泵進(jìn)行變頻供水，直至達(dá)到預(yù)設(shè)供水壓力值位為止。

(5)自動(dòng)增減泵程序：自動(dòng)檔運(yùn)行情況下，系統(tǒng)需要自動(dòng)根據(jù)工作狀態(tài)增加或減少水泵機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量。增減泵原則：水泵變頻工作，頻率為48Hz以上(但小于工頻)，時(shí)間超過5分鐘，增泵;水泵變頻工作，頻率為25Hz以下，時(shí)間超過5分鐘，減泵。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的三泵供水實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以驗(yàn)證采用PLC、變頻器、傳感器的變頻恒壓供水系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行精確的恒壓供水控制，對(duì)組建正真的居民小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)提供了解決方案。在全社會(huì)提倡科技創(chuàng)新、節(jié)能降耗的今天，推廣使用這種具有廣泛應(yīng)用前景的新型供水系統(tǒng)對(duì)于減少水質(zhì)二次污染、滿足用戶需求、降低能耗具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

［1］許建霞.PLC變頻器實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)自動(dòng)恒壓控制［J］.科技信息，2010，15：492

［2］羅偉平，張成文.基于PLC的PID控制恒壓供水系統(tǒng)［J］.控制工程，2008，5：77-78

［3］史晶.基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，11：82

［4］路野，周朝暉.基于PLC和變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009，1：162-164

［5］張廣明，李果，朱煒等.機(jī)電系統(tǒng)PLC控制技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.2

［6］李方園.西門子S7-200PLC從入門到實(shí)踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.5