PLC设计双恒压无塔供水控制系统

摘 要：随着我国经济建设的不断变化发展，高层建筑越来越多，供水系统稳定可靠性的要求不断提高；再加上目前淡水资源紧缺，用户对供水要求更高，利用先进的电气技术，设计出能适应不同领域的恒压供水系统已迫在眉睫。诸暨市技工学校同样处理地理位置比较高，师生生活用水比较紧张，因此采用恒压供水技术也到关重要。文章采用PLC控制及变频调速供水系统，由PLC进行程序控制，压力凋节由变频器控制，实现自动调节恒压供水。

关键词：变频恒压供水；PID调节；PLC；触摸屏

1 课题的背景与意义

由于诸暨市技工学校位于诸暨市城关老鹰山脚下，地理位比较高，学生人数相对较多，一到每年的5月份～10月份，用水问题成为学校的一大难题，笔者分管后勤工作及机电系工作，多次与当地的自来水公司联系解决这一困境，但始终不能解决，水供应不足的矛盾越来越成为领导们关注的问题。因此，笔者用自己所学的专业知识，对学校的供水问题提出了方案，同时也与学校的机电工程系老师一起，共同努力，把供水这一困境解决。

本人利用所学知识及人力资源与社会保障部在全国高技能人材广州培训中提升的知识，采用恒压供水，保持供水管网的水压稳定，让水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化，用变频器为水泵电机供电，应用到这次的改进当中。图1为恒压供水系统示意图。

图1 恒压供水系统示意图

图中压力传感器用于检测管网中的水压，位置在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压转变为电流或电压的送给PLC，在变频恒压供水系统中，变频器为执行设备。

2 总体设计方案

恒压供水一般以中间水池作为水泵供水源，由市自来水公司供给，用高低水位浮球来控制进水阀的进水，自动把水灌满水箱，当水位低于高水位，浮球开关信号送给PLC，通过PLC打开供水管网的进水阀往水箱注水。同时也作为高/低水位报警信号送给触摸屏报警。生活用水和消防用水共用三台泵，通常消防出水电磁阀处于断电关闭状态。三台泵根据学校生活用水量，进行自动控制运行。若有火灾发生时，消防出水电磁阀通电，同时切断生活用水管网，三台泵供消防用水使用，同时维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，通过人为操作，关闭消防出水电磁阀，切换为生活供水。

3 设备控制要求

3.1 生活供水时，系统设定为3.5Mpa压力值运行，消防供水时系统设定为5.8Mpa压力值运行。

3.2 三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出。

3.3 在用水最小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过2h，则要切换到下一台，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长。

3.4 要有完善的报警功能。

3.5 对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

4 系统程序总体设计

主程序流程图如图2所示。

5 水泵逻辑程序控制

5.1 水压“恒压”要求

当水泵在工作时，在水压低于设定值，需要升高变频器的输出频率，当一台水泵全压工作不能满足恒压需求时，需要启动第二台或第三台水泵，同时把第一台水泵切换为工频状态工作。这样，有一个压力值判断是否决定需要启动新泵，这里我的设计是变频器的输出频率是否达到所设定的频率上限值48HZ。如果达到此频率，通过管网压力传感器反馈给PLC内部，进行AD转换后，通过比较指令来实现，就需要新增一台水泵工作。如果水压还不能满足设定压力的需要，用同样的设计思路，继续增加水泵运行，当然同样要把第二台水泵也切换为工频运行，让第三台水泵工作在变频的状态，所以在增泵的时候，判断变频泵的最高频率次数作为增泵的逻辑依据，相应的增加；这一点很重要。为下一步切泵作准备。

值得一提的是，在实际工作时，为了判断变频器的工作频率达到上限值时，应考滤频率波动所达到的频率上限值的情况，在程序中应考虑采用時间滤波，即要延时作用。

相反，在减泵时也要用相同的思路来做，当变频泵的频率运行在频率下限值3HZ时，如果达到此频率，通过管网压力传感器反馈给PLC内部，进行AD转换后，通过比较指令来实现，就需要新减一台水泵工作。可以把上一台切入工频的水泵切除，让现今在变频工作的水泵继续增加频率。如果水压还是超过设定压力，用同样的设计思路，继续减水泵运行，当然同样要把最先切入工频的那台台水泵也切除，让第三台水泵工作在变频的状态。同样在减泵的时候，判断变频泵的最最低频率次数作为减泵的逻辑依据，相应的减少；为下次作准备。

5.2 多台水泵智能运行控制

对于每台水泵启动时最好都为软启动，即采用变频器启动，考虑到每台水泵长时间的运行对水泵电机不利，所以规定各台水泵必须交替使用，采用多台水泵智能运行控制的办法。即在程序设计控制中规定任意的一台水泵连续运行不得超过4小时，因此每次需要启动新泵或切换水泵的时候，以新运行泵为变频是最合理的。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，在本设计中采用的是泵号加1的方法来实现变频器的循环控制，即3加上1等于0的逻辑，用工频泵的总数结合泵号来实现工频泵的轮换工作。

5.3故障诊断和报警输出程序

变频器具有短路、超载等保护功能。当变频器所驱动的水泵电机发生短路、超载等故障时，变频器将自动输出报警信号并停止输出保护水泵电机，同时把报警信号送给PLC。从而控制相应的接触器线圈断电，切断水泵电机电源。同时PLC还相应输出报警指示，及触摸屏排除故障后，才能通过人工让故障复位，变频器报警复位也是如此，通过对变频器参数的设置来达到，然后再从新启动PLC，变频器。

以上过程同样可以用于消防供水工作，他们两者只不过是水压的不同要求，有触摸屏设定得到，有外部输入信号输入是否是生活用水还是消防紧急用水，在设计时，如果有必要时在消防供水时可以增加备用泵。

6 硬件要求

选用三菱FX2n-32MR作为系统的控制器，模拟量输入、输出模块选用FX2n-4AD和FX2n-2DA，变频器选用三菱的FR-A700系列，压力传感器则选用TPT503压力传感器。触摸屏选用台达A80THTD1.接触器的选用CJX2-1810 、热继电器选用JR20（C35）、导线选用选用2.5mm2和10mm2、熔断器的选用为RC1A-60A、分支空气开关选用CDB6S 2P 63A、总空气开关的选用选用NS250H-TM250D/3P

7 控制系统的I/O点及地址分配

根据控制要求设手动和自动消防信号X0；水箱水位下限浮球信号X1；水箱水位下限浮球信号X2；变频器报警信号X3；消铃按钮X4；试灯按钮X5。

输出信号分别为1号泵工频运行Y0；1号泵变频运行Y1；2号泵工频运行Y2；2号泵变频运行Y3；3号泵工频运行Y4；3号泵变频运行Y5；生活与消防供水转换电磁阀Y10；水池水位下限报警指示灯Y11；变频器故障报警指示灯Y12；火灾报警指示灯Y13；报警电铃Y14；变频器频率复位控制Y015。

8 电气控制系统分类

8.1 主电路

主电路图由三台电动机分别为M1、M2、M3。水泵工频运行接触器KM1、KM3、KM5接通分别控制水泵M1、M2、M3的运行；或水泵变频运行接触器KM2、KM4、KM6接通分别控制M1、M2、M3运行，KH1、KH2、KH3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QF1为主电源电路总短路开关，QF2为变频器电源的短路开关、而QF3、QF4、QF5分别为三台水泵电动机工频运行主电路的短路保护开关。如果开关打在手动状态，这接触器KM1、KM3、KM5又分别控制M1、M2、M3手动运行（手动运行不受PLC控制，由外部控制）。

8.2 PLC系统外部接线图

PLC系统外部接线图如3所示

图3

9 程序设计

在恒压供水系统中采用了逻辑控制、模块量读入读出单元及PID调节器。因此，整个程序主要分为二大部分，即主程序、中断程序。

9.1 主程序

主程序实现的功能最多，如泵的切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制及报警处理，以及一些必要的系统初始化程序，PID调节指令参数、设定值得赋值等，通过传送指令完成。压力值是采用触摸屏画面直接输入送給PLC。PID调节指令参数如生活供水时系统设定为满量程的70-75%，消防供水时系统设定为满量程的85-90%（满量程数字值为4000）。本系统中的比例增益和时间常数为：比例增益Kp=0.75，采样时间Ts=0.5s，积分时间T1=30s。

9.2 中断程序

中断程序在PLC的特殊辅助器M8000（运行常为ON）触点的作用下执行。通过中断程序，把传送PID指令调节结果输出值，通过写入指令来实现模拟量输出模块FX2n-2DA的D/A转换数据的传送（共12位数据，分低端8位和高端4位两次传送）。

10 人机界面（HMI）

人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、通讯接口、数据储存单元等，其中处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是HMI的核心单元。根据HMI的产品等级不同，处理器可分别选用8位、16位、32位的处理器。HMI软件一般分为两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机windows操作系统下的画面组态软件（如JB-HMI画面组态软件）。用户必须先使用HMI的画面组态软件制作“工程文件”，再通过PC机和HMI产品的串行通讯口，把编制好的“工程文件”下载到HMI的处理器中运行。

通过PLC和变频器的有机结合，系统运行平稳可靠，经过系部老师的共同努力，解决了学校的一大难题，同时也把书上的知识真正运用到实践中，体现了专业的特色，希望在以后的工作中都能应用相应的知识。

参考文献

[1]韦瑞录，麦艳红.可编程控制器原理及应用[M].华南理工大学出版社，2007.

[2]滕俊沛.基于PLC变频调速恒压供水系统的设计[Z].2007，3.

[3]李关飞.变频器在恒压供水控制系统中的应用[J].变频器世界，2007.3.

[4]张扣宝.基于PLC和变频器控制的恒压供水系统设计[J].电气技术，2007.

[5]黄耀群.变频调速恒压供水系统中的PID控制研究[J].煤炭技术，2007.8.

[6]陈新恩.变频调速恒压供水系统中的PID控制研究[J].机床电器，2007.4.

作者简介：黄均生（1964，7-），男，汉族，浙江省诸暨市人，高级讲师，高级技师，主要从事电气工程教学工作。