基于PLC的水泵智能控制及能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳金標(biāo)

（浙江利歐環(huán)境科技有限公司，浙江 溫嶺 317500）

基于PLC的水泵智能控制及能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳金標(biāo)

（浙江利歐環(huán)境科技有限公司，浙江 溫嶺 317500）

傳統(tǒng)的水泵控制方式往往需要手動(dòng)操作，并且存在可靠性低、備用泵閑置浪費(fèi)等問題。基于此，本文基于PLC控制原理，研究了水泵智能控制及能耗監(jiān)測技術(shù)，從供水方法、系統(tǒng)構(gòu)造等方面較為詳細(xì)地闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路以及應(yīng)用前景。

水泵控制；PLC；智能控制；自動(dòng)化

1.供水的基本方法

建筑物供水系統(tǒng)的基本方式可分為以下3種：直接給水方式、單設(shè)水箱供水方式、高水位箱-水泵供水方式。直接給水方式的工作原理是：室內(nèi)與室外的給水管網(wǎng)直接相連通，通過水泵向用戶提供具有一定壓強(qiáng)的水。單設(shè)水箱供水方式的工作原理類似于直接供水，其不同點(diǎn)在于，單設(shè)水箱供水在直接供水的基礎(chǔ)上，安裝了一個(gè)或多個(gè)高水位箱，目的在于調(diào)節(jié)水壓和流量。高水位箱-水泵供水方式是將市政管網(wǎng)中的水池作為供水源，通過水泵將水輸送到高水位箱處，然后再由高位水箱輸水到用戶終端。直接供水方式采用恒速泵與變頻調(diào)速泵相結(jié)合的方式，以解決用戶終端的用水變化問題。當(dāng)前基于PLC自動(dòng)控制恒壓供水系統(tǒng)的水泵，在采用交流交頻技術(shù)后，水泵智能控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。

2.基于PLC的水泵智能控制與能耗監(jiān)測設(shè)計(jì)

本文中的水泵智能控制系統(tǒng)設(shè)置有一個(gè)主站，主站下設(shè)有多個(gè)從站，從站中也配置有PLC模塊，主站與從站通過PLC的RS-484接口相連接。主站由上級(jí)的工控機(jī)控制并監(jiān)測，主站會(huì)將各從站的信息傳輸給頂端的中控機(jī)，操作人員通過中控機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各從站的設(shè)備進(jìn)行控制與監(jiān)管。從站中設(shè)置有傳感元件和獨(dú)立的水泵啟閉開關(guān)，可將環(huán)境的參數(shù)以及水泵實(shí)時(shí)工況通過主站上傳至工控機(jī)，而且從站控制柜上的人機(jī)界面也能自動(dòng)控制從站中水泵的運(yùn)行，如圖1所示。

控制器之間的通信采用Modbus協(xié)議，這是專門用于電子控制器上的一種通用語言，具有很強(qiáng)的兼容性?；诖藚f(xié)議，各控制器可通過特定網(wǎng)絡(luò)，與其他外圍設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。該協(xié)議搭建了一套可被控制器識(shí)別的計(jì)算機(jī)信息框架，忽略信息傳達(dá)的所使用的網(wǎng)絡(luò)，表達(dá)了各控制器與系統(tǒng)其他設(shè)備相連接的過程。各設(shè)備通過Modbus進(jìn)行通信時(shí)，會(huì)將各設(shè)備唯一的設(shè)備地址記錄下來，也可將反饋信息傳到特定設(shè)備地址，從而實(shí)現(xiàn)水泵的精準(zhǔn)控制。同理，該技術(shù)也可用于檢測系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的單元，并監(jiān)控系統(tǒng)整體運(yùn)行情況，從而計(jì)算出系統(tǒng)整體能耗情況。

2.1系統(tǒng)控制要求

以某廠房建筑排水為例，該系統(tǒng)基于PCL技術(shù)，可對(duì)水井中的水位高低情況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并反饋實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。其控制要求可分為以下4點(diǎn)：

（1）將系統(tǒng)中的3臺(tái)泵通過PLC和無線通信，連接到工控機(jī)的PLC上，通過工控機(jī)或者遠(yuǎn)程無線控制終端，結(jié)合水池的實(shí)際情況，我們可以對(duì)深井泵進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。例如，當(dāng)水位高于4m時(shí)，將所有深井泵調(diào)整為關(guān)閉狀態(tài)；若高于3.6m時(shí)，僅保證一臺(tái)水泵工作即可，當(dāng)水位不足2m時(shí)，則啟動(dòng)其中2臺(tái)深井泵；高于4m時(shí)，設(shè)備必須停機(jī)。3臺(tái)機(jī)組互為備用。

（2）當(dāng)水泵的水壓低于0.3MPa時(shí)候，可同時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)中的兩臺(tái)深井泵；當(dāng)水壓達(dá)到3.5MPa后，僅保持一臺(tái)深井泵工作。這4臺(tái)水泵可以互為備用，并能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過從站傳輸?shù)焦た貦C(jī)上，也可直接在泵的控制柜上讀取各類參數(shù)，完成數(shù)據(jù)的初步收集。

（3）在廠房需要進(jìn)行排水時(shí)，從站中的傳感設(shè)備可以根據(jù)水位高低情況，對(duì)蓄水池水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這樣可以實(shí)時(shí)調(diào)整水泵工況，或是防空轉(zhuǎn)等功能。

（4）值班人員可以根據(jù)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)情況，對(duì)水泵的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，或是調(diào)整運(yùn)行中的水泵數(shù)量。通過這種方式，保護(hù)了廠房用水、用電安全。

2.2系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)是基于PCL技術(shù)，針對(duì)水泵的功能切換和遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)的，可以操控水泵的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功能之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)監(jiān)測運(yùn)行狀態(tài)，能夠起到一定的保護(hù)作用。與一般的工業(yè)系統(tǒng)相比，其簡化了安裝難度和接線數(shù)量，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。并且應(yīng)用PLC技術(shù)后，靈活性提高和通用性變廣，修改控制程序就能改變各個(gè)部件的工作時(shí)間和工作狀況，滿足不同的生產(chǎn)需求。

2.3硬件設(shè)計(jì)

2.3.1智能泵系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

水泵智能控制及能耗監(jiān)測系統(tǒng)，其主電路主要由電流互感器、電壓互感器、電流傳感器、電壓傳感器和功率傳感器構(gòu)成。當(dāng)水泵的電機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)，電路中的交流接觸器均閉合，接著電機(jī)Y型動(dòng)作，在Y型電機(jī)運(yùn)行0.1分鐘后，△型電機(jī)開始運(yùn)行。電流傳感器可以將電流互感器測量到的電流信號(hào)通過網(wǎng)線傳輸?shù)絇LC擴(kuò)展的AD輸入模塊，通過模塊中的函數(shù)計(jì)算機(jī)即可得出對(duì)應(yīng)的電壓情況。

2.3.2工作站布置

本系統(tǒng)包含一個(gè)主工作站和多個(gè)從站，中間控制機(jī)與主站相連，水泵信息通過從站將傳感器將接收到的信息發(fā)送給主站PLC，同時(shí)從站與控制柜逐一對(duì)應(yīng)，控制柜上的操作界面也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制從站的水泵啟動(dòng)停止，并且實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換。水泵工作等位置設(shè)置有各種傳感器裝置，數(shù)據(jù)通過專門與西門子的S7-300PLC的通信模塊傳送，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多的無線數(shù)據(jù)通信方法，并且接收，發(fā)送為一體。

2.4軟件設(shè)計(jì)

2.4.1PLC執(zhí)行程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是DVP14SS11T2的PLC，該P(yáng)LC被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)裝置中，可靠性高，并且指令集豐富、可擴(kuò)展性強(qiáng)，結(jié)合上文提及的Modbus協(xié)議PLC模塊可以將泵系統(tǒng)中的各模塊連接在一起，其程序流程如圖2所示。

2.4.2人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

操作觸摸界面的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)程序控制邏輯一體化控制。操作界面上顯示的是水泵的啟閉狀態(tài)、工作時(shí)間、轉(zhuǎn)速、電流和電壓等工作參數(shù)。操作人員可根據(jù)需要進(jìn)行修改。以操作開閉功能為例，主界面上點(diǎn)擊“狀態(tài)”任務(wù)欄，出現(xiàn)菜單的菜單欄有啟動(dòng)和停止兩個(gè)按鈕，點(diǎn)擊按鈕即可實(shí)現(xiàn)開閉功能。啟閉按鈕旁設(shè)置有手動(dòng)控制旋鈕，當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)，操作人員也能夠通過手動(dòng)按鈕來對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，增加了設(shè)備的安全性。在首頁的主界面上，還設(shè)置有自動(dòng)報(bào)警裝置，當(dāng)工況出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，然后自動(dòng)斷開電源并停止工作，操作人員也可以通過點(diǎn)擊報(bào)警按鈕來通知其他從站的人員。

2.5能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)現(xiàn)場配備有PC監(jiān)控系統(tǒng)，并且可以通過無線通信的方法，遠(yuǎn)程監(jiān)測從站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如水位高度以及水泵的運(yùn)行狀態(tài)），并將這些信息在對(duì)應(yīng)操作界面上顯示出來。另一方面，采用的模糊控制技術(shù)來操作水泵的開關(guān)，也可達(dá)到節(jié)約能源的效果，能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地對(duì)水泵進(jìn)行控制。從站機(jī)組可由電機(jī)控制軟件對(duì)其進(jìn)行控制和監(jiān)測，主站的PCL系統(tǒng)與各個(gè)分站保持通信和控制，完成水源水位、水壓、流量等信息的監(jiān)測，同時(shí)保證壓力達(dá)到均衡，以達(dá)到節(jié)約能源的效果。

［1］肖林京，孫傳余，梁慧斌.PLC在水泵自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2007（3）：102-104.

［2］葛鎖良，方明，王泳.基于PLC的水泵智能控制及能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（12）：1620-1623.

TM76

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