基于PLC與觸摸屏的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙東波

(浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

城市小區(qū)供水存在著白天用水量大、夜間用水量小甚至無人用水等特點(diǎn).早期的供水系統(tǒng)為了保證小區(qū)用戶隨時(shí)都能放出水來，供水水泵不得不在固定頻率狀態(tài)下一直不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證一定的供水壓力.為滿足不同情況下用水量的需求，需要采用人工操作的方法，通過接通或斷開接觸器控制投入運(yùn)行的泵的數(shù)量.此類方法一方面無法對(duì)供水管道內(nèi)的壓力和水位變化做出及時(shí)、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，另一方面也造成了能源的較大浪費(fèi)，而且容易造成“水錘效應(yīng)”，電動(dòng)機(jī)的損耗也較大，容易出現(xiàn)損壞.盡管后來也出現(xiàn)了一些新的供水方式，如恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力藕合器和電池滑差離合器調(diào)速等［1］，但由于存在這樣或那樣的問題，一直沒有很好地解決城市供水高效節(jié)能的問題.

變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)，為城市供水提供了新的設(shè)計(jì)思路.采用變頻調(diào)速的供水系統(tǒng)，它能夠根據(jù)用水量的多少，及時(shí)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速和數(shù)量，以增加或減少供水量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水［2－4］.而可編程控制器(PLC)作為一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置，它以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技技術(shù).它的出現(xiàn)，使得變頻調(diào)速控制更加靈活、更加可靠.觸摸屏作為一種新型的人機(jī)界面，它的簡單易用，強(qiáng)大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于自動(dòng)化控制環(huán)境.用戶通過相應(yīng)的觸摸屏組態(tài)編程軟件可以自由地組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理隨時(shí)可能變化的信息.隨著機(jī)電設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，無法提高效率.但使用人機(jī)界面，能明確指示并告知操作員機(jī)器設(shè)備目前的狀況，使操作變得簡單生動(dòng).使用觸摸屏，還可以使機(jī)器配線標(biāo)準(zhǔn)化，簡單化，同時(shí)也能減少可編程控制器控制所需的1/0點(diǎn)數(shù)，降低生產(chǎn)成本，也相對(duì)提高整套設(shè)備的附加價(jià)值等［5－6］.

將PLC與觸摸屏結(jié)合起來控制變頻恒壓供水系統(tǒng)，使得PLC的應(yīng)用更加靈活，同時(shí)可以設(shè)置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)，并可以動(dòng)畫等形勢(shì)描繪自動(dòng)化過程，使得PLC的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)可視化.同時(shí)能夠簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，縮短設(shè)計(jì)周期，提供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率.

1 觸摸屏與PLC控制的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)方案

小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和電氣控制部分兩部分組成.機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝示意圖(見圖1).

圖1 小區(qū)供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝示意圖

來自市網(wǎng)的自來水經(jīng)過手動(dòng)隔離閥和電動(dòng)進(jìn)水閥后注入水池.水池上安裝有兩個(gè)液位傳感器:高位傳感器和低位傳感器.當(dāng)水池的水位低于低位傳感器時(shí)，電動(dòng)進(jìn)水閥打開，開始進(jìn)水，隨著水位的升高，達(dá)到高位傳感器位置時(shí)，傳感器動(dòng)作，進(jìn)水閥關(guān)閉.小區(qū)用三個(gè)水泵提供供水，根據(jù)管網(wǎng)中壓力傳感器所反饋的壓力值，三個(gè)水泵和出水電動(dòng)閥依次動(dòng)作.當(dāng)水位低于低位傳感器時(shí)，三個(gè)水泵均不工作.系統(tǒng)中手動(dòng)隔離閥主要用于設(shè)備檢修和緊急故障情況下使用.

系統(tǒng)電氣控制部分由PLC、觸摸屏、控制面板、傳感器、變頻器、水泵、供水管道等組成.控制面板上提供一些簡單的控制按鈕，如手動(dòng)/自動(dòng)選擇開關(guān)、起動(dòng)按鈕、停止按鈕、急停按鈕等.觸摸屏主要用于顯示相關(guān)信息，設(shè)置及修改系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，代替相關(guān)控制按鈕減少PLC的輸入輸出點(diǎn)等.水位檢測(cè)傳感器用于檢測(cè)水箱的水位.壓力變送器用于檢測(cè)供水管網(wǎng)的水壓值.PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)觸摸屏、控制按鈕、傳感器等信號(hào)的輸入值，確定實(shí)時(shí)控制算法，用以驅(qū)動(dòng)變頻器、水泵、閥門動(dòng)作.變頻器作為一種對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，它跟蹤供水控制器的控制信號(hào)改變水泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)供水水泵的速度控制.

系統(tǒng)的工作原理描述如下:系統(tǒng)將觸摸屏設(shè)定的管網(wǎng)壓力與壓力變送器傳回來的管網(wǎng)壓力值相比較，然后利用PLC中的PID算法，計(jì)算其輸出值，并通過Profibus總線輸入到變頻器的通信端口上，改變變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制水管中壓力的要求.系統(tǒng)能夠根據(jù)用水量的大小，控制水泵的轉(zhuǎn)速和投入運(yùn)行的水泵的數(shù)量.當(dāng)用水量增大時(shí)，提高變頻，使水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水量.當(dāng)用水量超過一臺(tái)水泵的供水量時(shí)，起動(dòng)新的水泵以增加供水量;當(dāng)用水量減少時(shí)，降低水泵電機(jī)的頻率，使水泵轉(zhuǎn)速降低，或減少投入運(yùn)行的水泵數(shù)量，減少供水量，直至滿足要求.

2 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)備選擇

2.1.1 PLC 的選擇

考慮到系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比，系統(tǒng)選用德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC.根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的多少，并考慮一定的余量，PLC主機(jī)選用CPU224XP.它具有14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，2個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和1個(gè)模擬量輸出點(diǎn).擴(kuò)展觸點(diǎn)模塊采用EM222，它具有4個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn).

2.1.2 變頻器的選擇

對(duì)變頻器的選擇主要考慮其所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載特性、穩(wěn)定性、品牌、性價(jià)比等幾個(gè)因素.系統(tǒng)中選用了西門子公司生產(chǎn)的MM430型7.5 kW變頻器.該變頻器是一種專用于風(fēng)機(jī)泵類的變頻器.它采用了模塊化結(jié)構(gòu)，具備了完善的電動(dòng)機(jī)和變頻器保護(hù)功能、過壓/欠壓保護(hù)、外部故障保護(hù)功能、以及無水監(jiān)測(cè)功能等.

2.1.3 觸摸屏的選擇

系統(tǒng)選用EVIEW公司生產(chǎn)的MT4300C觸摸屏，它具有較高的性價(jià)比.該觸摸屏擁有5.6英寸TFT液晶顯示屏，分辨率達(dá)320×234像素，液晶壽命可達(dá)50000 h.65536色顯示方式使觸摸屏的表達(dá)更加豐富多彩.支持多串口同時(shí)通訊功能，USB通訊口大大加快了用戶組態(tài)的下載速度.簡單易用而又功能強(qiáng)大的EV5000組態(tài)軟件使用戶能以最快的速度掌握其設(shè)計(jì)方法，并能設(shè)計(jì)出豐富多彩的作品.

2.2 主電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主電路(見圖2).

圖2 主電路圖

3臺(tái)水泵電機(jī)分別為1#、2#、3#電機(jī).QF1為整個(gè)電路的三相電源控制開關(guān)，QF2、QF3、QF4、QF5分別為變頻器和3臺(tái)水泵電機(jī)主回路的隔離開關(guān).接觸器 KM1、KM3、KM5 分別控制 1#、2#、3#電機(jī)的變頻運(yùn)行;接觸器 KM2、KM4、KM6 分別控制1#、2#、3#電機(jī)的工頻運(yùn)行，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為3臺(tái)水泵電機(jī)的過載保護(hù)用的熱繼電器.

2.3 PLC輸入輸出接線圖

PLC主機(jī)及擴(kuò)展模塊輸入輸出點(diǎn)分配及外部接線圖(見圖3).

數(shù)字量輸入點(diǎn)10.0、10.1用于手動(dòng)模式和自動(dòng)模式切換;10.2～10.4用于控制系統(tǒng)起動(dòng)和停止;10.5、10.6用于檢測(cè)水池的水位.模擬量輸入點(diǎn)AIW0用于接入用戶管網(wǎng)中的水壓信號(hào).數(shù)字量輸出點(diǎn)Q0.0～Q0.3用于進(jìn)出水閥的控制;Q0.4～Q1.1用于3臺(tái)電機(jī)的變頻或工頻控制;Q1.2用于變頻器運(yùn)行異常指示.

2.4 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)置了以下幾個(gè)組態(tài)畫面:開機(jī)顯示的首頁面、主操作界面、手動(dòng)控制頁面、自動(dòng)控制頁面、參數(shù)設(shè)置頁面、狀態(tài)顯示頁面等(見圖4).

圖3 PLC輸入輸出點(diǎn)分配及外部接線圖

圖4 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏起動(dòng)后，首先顯示初始頁面，單擊其中的“進(jìn)入”按鈕，可以進(jìn)入主操作畫面.在主操作畫面中提供了“參數(shù)設(shè)置”、“狀態(tài)顯示”、“手動(dòng)控制”、“自動(dòng)控制”、“操作說明”、“返回首頁”6個(gè)操作按鈕，用戶用手點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，可進(jìn)入相應(yīng)畫面.手動(dòng)控制畫面中用戶可單獨(dú)控制每臺(tái)水泵變頻或工頻起動(dòng)與停止，以及相關(guān)閥門的開與閉等.自動(dòng)控制頁面中提供了兩個(gè)按鈕.點(diǎn)擊“自動(dòng)起動(dòng)”按鈕系統(tǒng)即按照設(shè)置的相關(guān)參數(shù)值自動(dòng)起動(dòng)和停止相關(guān)水泵和閥門，單擊“自動(dòng)停止”按鈕即可停止系統(tǒng)運(yùn)行.狀態(tài)顯示頁面顯示系統(tǒng)中各個(gè)水泵的工作狀態(tài)、電機(jī)的工作頻率以及供水管網(wǎng)的壓力設(shè)定值和當(dāng)前值等.參數(shù)設(shè)置頁面中可設(shè)置供水管網(wǎng)的工作壓力，并可顯示系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間.

2.5 PLC軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩個(gè)主要部分.系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)(見圖5).

在參數(shù)設(shè)置階段，主要進(jìn)行一些初始化參數(shù)的設(shè)置，如PID回路參數(shù)表的設(shè)置，管網(wǎng)水壓的設(shè)置，變頻器初始頻率的設(shè)置等.系統(tǒng)為了提供更好的供水效果，將每天按用水曲線分成幾個(gè)時(shí)段，不同的時(shí)段采用不同的壓力設(shè)定值，程序根據(jù)PLC提供的實(shí)時(shí)時(shí)鐘自動(dòng)修改設(shè)定.同時(shí)管理人員也可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況手動(dòng)修改壓力值.

(1)水池水位檢測(cè)與控制程序

水池水位檢測(cè)與控制程序流程(見圖6).系統(tǒng)主要根據(jù)水池水位兩個(gè)液位傳感器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)進(jìn)水閥的打開與關(guān)閉.

圖5 系統(tǒng)總體控制流程

圖6 水池水位檢測(cè)與控制流程

(2)自動(dòng)控制程序

圖7 系統(tǒng)自動(dòng)控制流程圖

自動(dòng)控制程序流程(見圖7).系統(tǒng)根據(jù)變頻器實(shí)際運(yùn)行頻率和當(dāng)前用戶用水量的多少來決定是增加還是減少水泵運(yùn)行的數(shù)量.系統(tǒng)初始上電時(shí)，先投入1#泵變頻運(yùn)行，調(diào)節(jié)供水壓力，如果管網(wǎng)水壓達(dá)不到要求，則1#水泵變頻上升，轉(zhuǎn)速升高，以增大水壓.若當(dāng)1#水泵的頻率已升至最高50 Hz時(shí)，當(dāng)前壓力仍沒有達(dá)到設(shè)定值，則此時(shí)系統(tǒng)將1#泵切換為工頻狀態(tài)下運(yùn)行，并將2#泵投入到變頻運(yùn)行狀態(tài).同樣，若此時(shí)實(shí)際供水壓力仍低于設(shè)定值，則2#水泵變頻上升.若當(dāng)2#水泵的頻率已升至最高50 Hz時(shí)，當(dāng)前壓力仍沒有達(dá)到設(shè)定值，則系統(tǒng)將2#泵切換為工頻狀態(tài)下運(yùn)行，并將3#泵投入到變頻運(yùn)行狀態(tài)，直至1#、2#、3#泵均為工頻運(yùn)行狀態(tài)為止.如果用戶的用水量減少，管網(wǎng)水壓值高于設(shè)定值，則需要進(jìn)行減泵與降頻處理，具體流程(見圖7(b)).

3 總結(jié)

本文采用PLC、觸摸屏和變頻器實(shí)現(xiàn)了小區(qū)的變頻恒壓供水控制.相對(duì)于傳統(tǒng)的供水技術(shù)而言，具有節(jié)能效益明顯、控制和保護(hù)功能完善、可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的軟起動(dòng)軟停機(jī)、泵機(jī)運(yùn)行組合切換靈活方便等優(yōu)越性.該系統(tǒng)投入運(yùn)行一年多來，系統(tǒng)操作方便，功能穩(wěn)定，可節(jié)能30%以上.

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