基于PLC与触摸屏的变频恒压供水控制系统设计

赵东波

(浙江珊溪经济发展有限责任公司，浙江 温州 325000)

0 引言

城市小区供水存在着白天用水量大、夜间用水量小甚至无人用水等特点.早期的供水系统为了保证小区用户随时都能放出水来，供水水泵不得不在固定频率状态下一直不停地运转，以保证一定的供水压力.为满足不同情况下用水量的需求，需要采用人工操作的方法，通过接通或断开接触器控制投入运行的泵的数量.此类方法一方面无法对供水管道内的压力和水位变化做出及时、恰当的反应，另一方面也造成了能源的较大浪费，而且容易造成“水锤效应”，电动机的损耗也较大，容易出现损坏.尽管后来也出现了一些新的供水方式，如恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速等［1］，但由于存在这样或那样的问题，一直没有很好地解决城市供水高效节能的问题.

变频调速技术的出现，为城市供水提供了新的设计思路.采用变频调速的供水系统，它能够根据用水量的多少，及时调整水泵的转速和数量，以增加或减少供水量，实现恒压供水［2－4］.而可编程控制器(PLC)作为一种专为工业环境应用而设计的新型工业自动控制装置，它以微处理机为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技技术.它的出现，使得变频调速控制更加灵活、更加可靠.触摸屏作为一种新型的人机界面，它的简单易用，强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于自动化控制环境.用户通过相应的触摸屏组态编程软件可以自由地组合文字、按钮、图形、数字等来处理或监控管理随时可能变化的信息.随着机电设备的飞速发展，以往的操作界面需由熟练的操作员才能操作，无法提高效率.但使用人机界面，能明确指示并告知操作员机器设备目前的状况，使操作变得简单生动.使用触摸屏，还可以使机器配线标准化，简单化，同时也能减少可编程控制器控制所需的1/0点数，降低生产成本，也相对提高整套设备的附加价值等［5－6］.

将PLC与触摸屏结合起来控制变频恒压供水系统，使得PLC的应用更加灵活，同时可以设置参数、显示数据，并可以动画等形势描绘自动化过程，使得PLC的应用实现可视化.同时能够简化系统的设计过程，缩短设计周期，提供系统的设计效率.

1 触摸屏与PLC控制的小区变频恒压供水系统方案

小区变频恒压供水系统由机械结构部分和电气控制部分两部分组成.机械结构安装示意图(见图1).

图1 小区供水系统结构安装示意图

来自市网的自来水经过手动隔离阀和电动进水阀后注入水池.水池上安装有两个液位传感器:高位传感器和低位传感器.当水池的水位低于低位传感器时，电动进水阀打开，开始进水，随着水位的升高，达到高位传感器位置时，传感器动作，进水阀关闭.小区用三个水泵提供供水，根据管网中压力传感器所反馈的压力值，三个水泵和出水电动阀依次动作.当水位低于低位传感器时，三个水泵均不工作.系统中手动隔离阀主要用于设备检修和紧急故障情况下使用.

系统电气控制部分由PLC、触摸屏、控制面板、传感器、变频器、水泵、供水管道等组成.控制面板上提供一些简单的控制按钮，如手动/自动选择开关、起动按钮、停止按钮、急停按钮等.触摸屏主要用于显示相关信息，设置及修改系统的相关参数，代替相关控制按钮减少PLC的输入输出点等.水位检测传感器用于检测水箱的水位.压力变送器用于检测供水管网的水压值.PLC是整个控制系统的核心，它根据触摸屏、控制按钮、传感器等信号的输入值，确定实时控制算法，用以驱动变频器、水泵、阀门动作.变频器作为一种对水泵进行转速控制的单元，它跟踪供水控制器的控制信号改变水泵的运行频率，完成对供水水泵的速度控制.

系统的工作原理描述如下:系统将触摸屏设定的管网压力与压力变送器传回来的管网压力值相比较，然后利用PLC中的PID算法，计算其输出值，并通过Profibus总线输入到变频器的通信端口上，改变变频器的输出频率，从而控制水泵的转速，达到控制水管中压力的要求.系统能够根据用水量的大小，控制水泵的转速和投入运行的水泵的数量.当用水量增大时，提高变频，使水泵转速升高，增加供水量.当用水量超过一台水泵的供水量时，起动新的水泵以增加供水量;当用水量减少时，降低水泵电机的频率，使水泵转速降低，或减少投入运行的水泵数量，减少供水量，直至满足要求.

2 控制系统软硬件设计

2.1 主要设备选择

2.1.1 PLC 的选择

考虑到系统的可靠性和性价比，系统选用德国西门子公司生产的S7-200系列PLC.根据输入输出点数的多少，并考虑一定的余量，PLC主机选用CPU224XP.它具有14个数字量输入点、10个数字量输出点，2个模拟量输入点和1个模拟量输出点.扩展触点模块采用EM222，它具有4个数字量输出点.

2.1.2 变频器的选择

对变频器的选择主要考虑其所驱动的负载特性、稳定性、品牌、性价比等几个因素.系统中选用了西门子公司生产的MM430型7.5 kW变频器.该变频器是一种专用于风机泵类的变频器.它采用了模块化结构，具备了完善的电动机和变频器保护功能、过压/欠压保护、外部故障保护功能、以及无水监测功能等.

2.1.3 触摸屏的选择

系统选用EVIEW公司生产的MT4300C触摸屏，它具有较高的性价比.该触摸屏拥有5.6英寸TFT液晶显示屏，分辨率达320×234像素，液晶寿命可达50000 h.65536色显示方式使触摸屏的表达更加丰富多彩.支持多串口同时通讯功能，USB通讯口大大加快了用户组态的下载速度.简单易用而又功能强大的EV5000组态软件使用户能以最快的速度掌握其设计方法，并能设计出丰富多彩的作品.

2.2 主电路设计

控制系统的主电路(见图2).

图2 主电路图

3台水泵电机分别为1#、2#、3#电机.QF1为整个电路的三相电源控制开关，QF2、QF3、QF4、QF5分别为变频器和3台水泵电机主回路的隔离开关.接触器 KM1、KM3、KM5 分别控制 1#、2#、3#电机的变频运行;接触器 KM2、KM4、KM6 分别控制1#、2#、3#电机的工频运行，FR1、FR2、FR3分别为3台水泵电机的过载保护用的热继电器.

2.3 PLC输入输出接线图

PLC主机及扩展模块输入输出点分配及外部接线图(见图3).

数字量输入点10.0、10.1用于手动模式和自动模式切换;10.2～10.4用于控制系统起动和停止;10.5、10.6用于检测水池的水位.模拟量输入点AIW0用于接入用户管网中的水压信号.数字量输出点Q0.0～Q0.3用于进出水阀的控制;Q0.4～Q1.1用于3台电机的变频或工频控制;Q1.2用于变频器运行异常指示.

2.4 触摸屏组态界面设计

根据系统的控制要求设置了以下几个组态画面:开机显示的首页面、主操作界面、手动控制页面、自动控制页面、参数设置页面、状态显示页面等(见图4).

图3 PLC输入输出点分配及外部接线图

图4 触摸屏组态界面设计

触摸屏起动后，首先显示初始页面，单击其中的“进入”按钮，可以进入主操作画面.在主操作画面中提供了“参数设置”、“状态显示”、“手动控制”、“自动控制”、“操作说明”、“返回首页”6个操作按钮，用户用手点击相应按钮，可进入相应画面.手动控制画面中用户可单独控制每台水泵变频或工频起动与停止，以及相关阀门的开与闭等.自动控制页面中提供了两个按钮.点击“自动起动”按钮系统即按照设置的相关参数值自动起动和停止相关水泵和阀门，单击“自动停止”按钮即可停止系统运行.状态显示页面显示系统中各个水泵的工作状态、电机的工作频率以及供水管网的压力设定值和当前值等.参数设置页面中可设置供水管网的工作压力，并可显示系统当前的时间.

2.5 PLC软件程序设计

根据系统的控制要求，控制过程分为手动控制和自动控制两个主要部分.系统总体流程设计(见图5).

在参数设置阶段，主要进行一些初始化参数的设置，如PID回路参数表的设置，管网水压的设置，变频器初始频率的设置等.系统为了提供更好的供水效果，将每天按用水曲线分成几个时段，不同的时段采用不同的压力设定值，程序根据PLC提供的实时时钟自动修改设定.同时管理人员也可以根据实际运行情况手动修改压力值.

(1)水池水位检测与控制程序

水池水位检测与控制程序流程(见图6).系统主要根据水池水位两个液位传感器的运行状态实现进水阀的打开与关闭.

图5 系统总体控制流程

图6 水池水位检测与控制流程

(2)自动控制程序

图7 系统自动控制流程图

自动控制程序流程(见图7).系统根据变频器实际运行频率和当前用户用水量的多少来决定是增加还是减少水泵运行的数量.系统初始上电时，先投入1#泵变频运行，调节供水压力，如果管网水压达不到要求，则1#水泵变频上升，转速升高，以增大水压.若当1#水泵的频率已升至最高50 Hz时，当前压力仍没有达到设定值，则此时系统将1#泵切换为工频状态下运行，并将2#泵投入到变频运行状态.同样，若此时实际供水压力仍低于设定值，则2#水泵变频上升.若当2#水泵的频率已升至最高50 Hz时，当前压力仍没有达到设定值，则系统将2#泵切换为工频状态下运行，并将3#泵投入到变频运行状态，直至1#、2#、3#泵均为工频运行状态为止.如果用户的用水量减少，管网水压值高于设定值，则需要进行减泵与降频处理，具体流程(见图7(b)).

3 总结

本文采用PLC、触摸屏和变频器实现了小区的变频恒压供水控制.相对于传统的供水技术而言，具有节能效益明显、控制和保护功能完善、可实现机组的软起动软停机、泵机运行组合切换灵活方便等优越性.该系统投入运行一年多来，系统操作方便，功能稳定，可节能30%以上.

［1］方桂笋.基于PLC的变频恒压供水系统的设计［D］.兰州:兰州理工大学，2008.

［2］徐占国，郑凤翼，潘桂林.图解触摸屏、PLC、变频器综合应用工程实践［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［3］程玉华.西门子S7－200工程应用实例分析［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［4］陈 浩.案例解说PLC、触摸屏及变频器综合应用［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［5］刘 丹，山炳强，宫 玥.基于PLC和触摸屏的接力供水控制系统设计［J］.青岛大学学报:工程技术版，2010，25(2):5 －9.

［6］佘国君，于莲芝.PLC在变频恒压热水供应控制系统中的应用［J］.制造业自动化，2010，31(1):73 －76.