基于PLC的双恒压供水控制系统设计研究

宋 阳

（德州职业技术学院，德州 253034）

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，城市中各类小区建设的速度十分迅速，对小区的基础设施建设提出了更高的要求。供水系统的建设是其中一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响着小区居民的正常生活，也直接体现了小区管理水平的高低。传统的供水方式存在着水资源浪费、效率低、可靠性差以及自动化程度低等不足，严重影响居民的生活[1]。

基于PLC的恒压控制系统将变频调速技术、现代控制技术和电气技术融合于一身。该系统大大提高了供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能效果。所以研究该供水系统，对于节约水资源，提高居民的生活质量、降低能耗等方面具有重要的现实意义[2,3]。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统[4,5]。本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间的切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节水泵的流量，使供水管网压力保持在恒定值附近；各水泵切换遵循先起先停、先停先起的原则。该系统由执行机构、控制机构、信号检测机构组成，水泵机组是该系统的执行机构，信号检测机构主要对管网水压信号、液位信号和报警信号进行检测，控制机构由控制器、变频器和电控设备三部分组成。其控制流程图如图1所示。

图1 系统控制流程图

1.2 系统工作原理

出口管网水压作为该恒压供水系统的控制对象，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力保持在设定供水压力上下一个很小的区间内波动，恒压供水系统工作原理图如图2所示。

图2 系统工作原理图

压力变送器安装在用户供水管道上，它的作用是实时地检测管网出水压力，将压力值转换为4-20mA的模拟信号，该信号通过PLC的模数转换模块后与系统设定的压力值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过数模转换模块转换成模拟信号，此信号就是变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。

2 硬件系统设计

基于PLC的恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3所示。

图3 系统的电气控制总框图

由系统电气总框图可知，该系统的主要硬件设备包括以下部分：PLC及其扩展模块、变频器、水泵机组、压力变送器和液位变送器。

2.1 PLC的选择及设计

根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的余量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入[6]。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要进行扩展，扩展模块选用的是EM235。PLC及扩展模块外围接线图如图4所示。

本恒压供水系统有五个输入量，其中有4个数字量和1个模拟量。压力变送器将检测的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得的水池水位转换成标准电信号后送入比较器，在比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，比较输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。

本恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0～Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。

2.2 变频器的选型

图4 PLC及扩展模块外围接线图

由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选用西门子的MicroMaster440变频器。它由微处理器进行控制，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有较高的运行可靠性和强大的功能，完全可以满足本设计的要求。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。快速电流限制实现了无跳闸运行，磁通电流控制改善了动态响应特性，低频时也可以输出大力矩。选择西门子的变频器可以通过RS485通信接口直接与西门子PLC相连，便于设备之间的通信。

2.3 压力变送器的选型

图5 系统主程序流程图

本设计中选用普通压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0～1Mpa，精度1.0；数显仪输出一路4～20mA电流信号，送给与CPU226连接模拟量模块EM235，作为PID调节的反馈电信号，可设定压力上、下限，通过两路继电器控制输出压力超限信号。

2.4 液位变送器的选型

本设计选择淄博丹佛斯公司生产的型号为DS26分体式液位变送器，其量程为：0m～200m，适用于水池、深井以及其他各种液位的测量；零点和满量程外部可调；供电电源：24VDC；输出信号：两线制4-20mADC精度等级：0.25级。

3 软件系统设计

PLC软件系统由一个主程序和若干子程序组成，主程序主要由初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。

4 结论

本文针对城市小区供水的特点，设计了一套基于PLC的双恒压供水控制系统。该系统的压力变送器对管网压力信号进行采样，信号经PID运算后传送到变频器，变频器根据压力大小调节电机转速来改变供水量，保证管网压力恒定。该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有运行稳定、可靠性高、全自动控制以及节能环保等优点。

[1]丁成松.基于模糊PID的恒压供水控制系统设计[D].济南: 山东大学,2010.

[2]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京: 机械工业出版社,2002.

[3]宋素宽,杜煜.变频调速恒压供水的自动控制系统[J].制造业自动化,2005,27(10): 71-72.

[4]雷宏彬,曹晓娟.基于PLC和变频器的恒压供水控制系统[J].工业仪表与自动化装置,2007,36(3):54-55.

[5]冯增辉,崔凤梅.变频调速技术在采暖恒压供水系统中的应用[J].电气自动化,2007,29(5): 17-18.

[6]陈忠平,周少华,侯宝玉,等.西门子S7-200系列PLC[M].北京: 人民邮电出版社,2008.