基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為優(yōu)化控制水泵組運(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)定供水系統(tǒng)的實(shí)際供水壓力，實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定供水，文中設(shè)計(jì)了一套基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過可編程控制器處理系統(tǒng)的各反饋信號，然后可編程控制器根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出控制信號至各裝置，以改變各裝置的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的梯形圖和組態(tài)模擬畫面進(jìn)行仿真調(diào)試，使梯形圖和組態(tài)模擬畫面仿真調(diào)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求。在基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置了報(bào)警裝置和工作人員手動(dòng)操作裝置，此系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下可自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各水泵組和變頻器的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的供水狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：變頻器；可編程控制器；中央處理器；控制壓力；水泵；控制儲水箱水位；穩(wěn)定供水；顯示裝置

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-00-03

0 引 言

相對于傳統(tǒng)的供水方式，基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)具有提高供水系統(tǒng)運(yùn)行效率和科學(xué)分配水資源、減少損耗、提高控制精度等特點(diǎn)。

基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)在居民日常生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、消防等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景，可以滿足人們?nèi)找嫣岣叩挠盟枨笈c標(biāo)準(zhǔn)。

1 整體設(shè)計(jì)方案

（1）供水組的水泵包括2組水泵和3組備用水泵。

（2）在實(shí)際應(yīng)用中，3組備用水泵中的電動(dòng)機(jī)數(shù)量與

2組水泵中的電動(dòng)機(jī)數(shù)量不同，3組備用水泵與2組水泵的額定功率不同，但它們都適用于恒壓供水系統(tǒng)。

（3）在相同的時(shí)間范圍內(nèi)，1組水泵從自來水供水廠抽水到儲水箱的水量與供水組的水泵從儲水箱向城市供水的水量不同。

（4）供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力值在正常范圍內(nèi)，2組水泵或3組備用水泵在工頻條件下運(yùn)行。若供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力值超出正常范圍，供水組的水泵在變頻條件下運(yùn)行。變頻運(yùn)行類型分別是水泵組增加頻率運(yùn)行、水泵組降低頻率運(yùn)行。

（5）當(dāng)供水組的水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)停止供水，供水管網(wǎng)的壓力傳感器停止運(yùn)行，壓力傳感器不再向控制系統(tǒng)反饋供水管網(wǎng)壓力信息，控制供水管網(wǎng)的壓力系統(tǒng)停止運(yùn)行。

（6）停止供水時(shí)，停止供水指示燈常亮，供水指示燈熄滅；供水時(shí)，停止供水指示燈熄滅，供水指示燈常亮。

（7）在實(shí)際應(yīng)用中，為防止出現(xiàn)供水組水泵需要停止運(yùn)行卻未實(shí)現(xiàn)的情況，設(shè)計(jì)增加了工作人員手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵運(yùn)行的條件。

（8）若2組水泵出現(xiàn)故障，2組水泵停止運(yùn)行，運(yùn)行指示燈熄滅，故障指示燈亮，3組備用水泵可以自動(dòng)代替2組水泵啟動(dòng)運(yùn)行。

（9）設(shè)計(jì)的初始運(yùn)行條件是儲水箱的水位在水位下限上方，若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值未超過設(shè)定壓力范圍且2組水泵未發(fā)生故障，則2組水泵工頻運(yùn)行；若2組水泵發(fā)生故障，則2組水泵不再運(yùn)行，水泵故障燈亮，3組備用水泵代替2組水泵工頻運(yùn)行。

（10）通過應(yīng)用儲水箱的上限液位開關(guān)與下限液位開關(guān)控制儲水箱的水位。

（11）當(dāng)儲水箱的水位高于水位上限時(shí)，1組水泵不運(yùn)轉(zhuǎn)，1組水泵停止從自來水供水廠抽水，2組水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，正常供水。

（12）當(dāng)儲水箱的水位低于水位下限，但高于水位最低下限時(shí)，2組水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，正常供水，1組水泵開始運(yùn)行，1組水泵從自來水供水廠抽水到儲水箱中，待水位達(dá)到水位上限后1組水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（13）當(dāng)儲水箱的水位低于水位最低下限時(shí)，2組水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，停止供水指示燈亮，1組水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵抽水到儲水箱，當(dāng)儲水箱的水位高于最低水位下限時(shí)，2組水泵啟動(dòng)，開始供水，待水位達(dá)到水位上限后1組電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（14）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值超過設(shè)定壓力上限，并且2組水泵沒有發(fā)生故障，則變頻器降低輸出頻率，控制水泵轉(zhuǎn)速，2組水泵變頻運(yùn)行。若10 s后恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值未恢復(fù)到設(shè)定壓力范圍，則壓力過高指示燈亮，提示工作人員供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值過高，2組水泵和變頻器自動(dòng)停止運(yùn)行。

（15）當(dāng)供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力高于設(shè)定壓力上限10 s后，恒壓供水系統(tǒng)關(guān)閉，壓力傳感器不再反饋信息，壓力過高指示燈常亮，待工作人員手動(dòng)關(guān)閉壓力過高指示燈后重置壓力信息，使供水管網(wǎng)的壓力信息在設(shè)定范圍內(nèi)。重啟系統(tǒng)后，手動(dòng)關(guān)燈按鈕將恢復(fù)到原來位置。

（16）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值超過設(shè)定壓力上限，且2組水泵發(fā)生故障，則變頻器輸出頻率下降，降低水泵轉(zhuǎn)速，3組備用水泵變頻運(yùn)行。若10 s后恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值未恢復(fù)到設(shè)定壓力范圍，則壓力過高指示燈亮，提示工作人員供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值過高，

3組備用水泵和變頻器自動(dòng)停止運(yùn)行。

（17）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值超過設(shè)定壓力上限10 s后，2組水泵或3組備用水泵未自動(dòng)停止運(yùn)行，工作人員可手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵和變頻器。

（18）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值低于設(shè)定壓力下限，并且2組水泵沒有發(fā)生故障，則自動(dòng)增大變頻器輸出頻率，提高2組水泵轉(zhuǎn)速，增加供水量。2組水泵變頻運(yùn)行，若10 s后恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值未恢復(fù)到設(shè)定壓力范圍內(nèi)，則壓力不足指示燈亮，3組備用水泵自動(dòng)啟動(dòng)與2組水泵一起運(yùn)行，提示工作人員供水管網(wǎng)實(shí)際壓力較低，若3組水泵沒有自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，則工作人員手動(dòng)啟動(dòng)3組備用水泵，增加實(shí)際供水壓力。

（19）當(dāng)供水管網(wǎng)實(shí)際壓力10 s后恢復(fù)到設(shè)定壓力下限之上，壓力不足指示燈熄滅，水泵組重新恢復(fù)工頻運(yùn)行。

（20）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值低于設(shè)定壓力下限，并且2組水泵發(fā)生故障，則自動(dòng)增大變頻器輸出頻率，3組備用水泵變頻運(yùn)行，提高3組備用水泵轉(zhuǎn)速，增加實(shí)際供水壓力。

（21）當(dāng)供水組水泵停止運(yùn)行和系統(tǒng)停止供水時(shí)，1組水泵按之前的運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，如果1組水泵在此之前的運(yùn)行狀態(tài)是停止?fàn)顟B(tài)，那在供水組水泵停止運(yùn)行和系統(tǒng)停止供水后，1組水泵的運(yùn)行狀態(tài)仍然是停止運(yùn)行狀態(tài)。如果1組水泵之前的狀態(tài)是運(yùn)行狀態(tài)，在供水組水泵停止運(yùn)行和系統(tǒng)停止供水后，1組水泵的狀態(tài)仍然是運(yùn)行狀態(tài)，直到儲水箱的水位高于水位上限，1組水泵停止運(yùn)行。

2 仿真調(diào)試過程

2.1 工作原理

系統(tǒng)采用西門子S7-200系列PLC。恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用可編程控制器控制儲水箱的實(shí)際水位和控制供水管網(wǎng)的供水壓力。為了更好地觀察水泵組的運(yùn)行狀態(tài)，此次設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)設(shè)置了顯示裝置和計(jì)時(shí)裝置[1-5]。

控制供水管網(wǎng)實(shí)際供水壓力的工作原理：通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變水泵組的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)節(jié)實(shí)際供水壓力的目標(biāo)。

基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)有9個(gè)輸入量和12個(gè)輸出量。

2.1.1 梯形圖的I/O點(diǎn)分配表

梯形圖的I/O點(diǎn)分配表見表1所列。

2.2 梯形圖和組態(tài)畫面調(diào)試仿真過程

2.2.1 梯形圖仿真調(diào)試過程

圖1為當(dāng)供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力高于設(shè)定壓力上限，同時(shí)2組水泵發(fā)生故障，儲水箱的水位在最低水位下限與水位下限之間時(shí)，10 s內(nèi)供水組水泵調(diào)頻運(yùn)行的畫面。

如圖1所示，當(dāng)10 s內(nèi)供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力值高于設(shè)定壓力值上限（I0.3）時(shí)，壓力上限開關(guān)（I0.3）動(dòng)作，變頻器降低輸出頻率（Q1.3），Q1.3指示燈常亮。因?yàn)?組水泵發(fā)生故障，2組水泵故障開關(guān)（I1.6）動(dòng)作，2組水泵故障燈（Q1.2）常亮，所以3組備用水泵代替2組水泵變頻運(yùn)行，3組備用水泵變頻運(yùn)行指示燈（Q1.6）常亮，系統(tǒng)正常供水，供水指示燈（Q0.1）常亮。因?yàn)閮λ涞乃辉谧畹退幌孪夼c水位下限之間，水位下限（I0.2）液位開關(guān)動(dòng)作，所以1組水泵啟動(dòng)運(yùn)行，1組水泵運(yùn)行指示燈（Q0.4）常亮。

在梯形圖仿真調(diào)試過程中，當(dāng)壓力不足指示燈亮后，3組

備用水泵自動(dòng)啟動(dòng)變頻運(yùn)行，不對手動(dòng)啟動(dòng)3組備用水泵變量進(jìn)行調(diào)試仿真。

在梯形圖仿真調(diào)試過程中，當(dāng)壓力過高指示燈亮后，2組

水泵或3組備用水泵會自動(dòng)停止運(yùn)行，不對手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵運(yùn)行變量進(jìn)行調(diào)試仿真。

手動(dòng)啟動(dòng)3組備用水泵和手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵運(yùn)行裝置用于工作人員手動(dòng)保護(hù)供水系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)的梯形圖中包含手動(dòng)啟動(dòng)3組備用水泵和手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵變量。

2.2.2 組態(tài)模擬畫面仿真調(diào)試過程

設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)的組態(tài)模擬畫面注釋：

（1）本次使用組態(tài)王軟件制作恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)模擬畫面，設(shè)置2組水泵故障按鈕，此按鈕用來假設(shè)2組水泵發(fā)生故障時(shí)的輸入量。

（2）解除水泵故障按鈕用來解除2組水泵故障，此按鈕按下后2組水泵故障按鈕狀態(tài)置零。

（3）模擬畫面中的實(shí)際壓力是指2組水泵與3組備用水泵共用的管道壓力，即供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力。

（4）此模擬畫面增加了恢復(fù)裝置，按下手動(dòng)關(guān)燈按鈕或關(guān)閉供水組水泵按鈕、啟動(dòng)3組水泵按鈕后，通過恢復(fù)裝置按鈕可以讓手動(dòng)關(guān)燈按鈕狀態(tài)置零，關(guān)閉供水組水泵按鈕狀態(tài)置零，啟動(dòng)3組水泵按鈕狀態(tài)置零。

（5）此模擬畫面增加了減壓裝置按鈕和取消減壓按鈕，減壓裝置按鈕和取消減壓按鈕可以調(diào)節(jié)實(shí)際壓力。

（6）在壓力不足指示燈變亮后，按下啟動(dòng)3組水泵按鈕，3組水泵變頻運(yùn)行。啟動(dòng)3組水泵按鈕的設(shè)置是為了避免壓力不足指示燈變亮后3組備用水泵未自動(dòng)啟動(dòng)變頻運(yùn)行而設(shè)置。在恒壓供水模擬畫面中，3組備用水泵會在壓力不足指示燈亮后自動(dòng)啟動(dòng)，因此，在模擬畫面運(yùn)行中不會按下3組備用水泵按鈕進(jìn)行畫面調(diào)試。

（7）當(dāng)壓力過高指示燈亮后，如果2組水泵或3組備用水泵仍繼續(xù)運(yùn)行，則按下關(guān)閉供水組水泵按鈕，關(guān)閉供水組的水泵。關(guān)閉供水組水泵按鈕的設(shè)置是為了在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)壓力過高指示燈變亮后避免2組水泵或3組水泵依舊運(yùn)行的情況而設(shè)置。在組態(tài)模擬畫面運(yùn)行中，當(dāng)壓力過高指示燈亮后，供水組水泵全部自動(dòng)停止運(yùn)行，沒有出現(xiàn)2組水泵或3組

水泵仍然運(yùn)行的情況。因此，在模擬畫面運(yùn)行時(shí)不會按下關(guān)閉供水組水泵按鈕進(jìn)行畫面調(diào)試。

（8）在設(shè)計(jì)的組態(tài)模擬畫面中包含啟動(dòng)3組水泵和關(guān)閉供水組水泵的變量。

如圖2所示，此畫面的實(shí)際水位在設(shè)定的水位范圍內(nèi)，2組水泵發(fā)生故障，2組水泵故障燈變亮，實(shí)際壓力超過設(shè)定壓力上限7 s，所以3組水泵變頻運(yùn)行，變頻器降低頻率，系統(tǒng)正常供水，供水指示燈變亮[6-10]。

此畫面是儲水箱的水位低于設(shè)定水位下限之后提高水位的畫面，當(dāng)儲水箱的水位低于水位下限后，1組水泵開始運(yùn)行，自來水供水廠向儲水箱送水，直到儲水箱的實(shí)際水位高于設(shè)定的水位上限，1組水泵才停止運(yùn)行。

3 結(jié) 語

本次設(shè)計(jì)的基于PLC恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的梯形圖和組態(tài)模擬畫面仿真調(diào)試結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)方案要求。

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