基于PLC和触摸屏的恒压供水系统的实训平台设计

郭志冬

（三门峡职业技术学院机电工程学院， 河南 三门峡 472000）

随着我国城镇化的快速发展，高楼大厦如雨后春笋般林立在城镇的土地上。随之而来的问题便是高层用户的用水问题该如何有效的解决。传统的供水方式诸如水塔高位水箱供水，气压罐供水，水泵工频恒速加压供水等供水方式。有着供水效率低，自动化程度低，水电资源利用率低，系统可靠性差，高峰时出现部分用户无法用水的情况。为了保证高层用户的用水问题，开发高性能、高稳定性高效率节能的恒压供水系统具有十分重要的意义[1]。

由于高层建筑数量巨大，配套的恒压供水系统就需要大量的人力资源投入到该系统的建设中去，因此一方面要设计建设大量高效节能高性能的恒压供水系统，另一方面需要培养大量的熟悉恒压供水系统的人才。为此，本文设计了一套恒压供水实训系统，既可以满足高层建筑的高质量的供水需求，又可以培养熟练掌握恒压供水系统的人才[2]。

一、恒压供水系统方案设计

解决恒压供水系统一个比较好的方案是利用变频调速技术，根据用水量的实际需求实时调整水泵的转速和数量，来实现恒压供水[3]。PLC是实现工业自动化的最常用的控制装置，技术成熟，使用方便，集合了计算机技术，通信技术，自动控制算法等技术。触摸屏组态控制简单，功能强大，使用方便，性能稳定非常适用于各种自动化控制环境。本系统中应用PLC和变频器等装置设计了恒压供水系统，并结合触摸屏组态技术，实现触摸屏实时监控供水压力和PID控制参数，具有数据实时采集，故障报警，压力自动调节，控制过程实现自动化等功能[4]。通过本方案实现了以具体项目为载体，工学结合，强化实践动手能力，解决了教学方法落后、设备缺少、动手操作少的问题。

恒压供水系统设计方案如图1所示。

图1 恒压供水系统设计方案

图1的设计方案中，来自市网的自来水注入蓄水池，可由电动进水阀自动控制注水。蓄水池中有高、低位液位限位传感器，通过PLC控制进水阀可实现蓄水池的水位保持在可用范围内。图右侧为恒压供水系统测，由三台水泵控制，根据管网中压力传感器检测的压力值的大小，依次启动三台水泵，并通过三台变频器驱动三台水泵改变电机的转速以实现恒压供水[5]。图中的4个手动隔离阀主要用于设备检修和紧急情况的处理。

系统的工作过程如下：系统根据触摸屏设定的管道压力与压力变送器传送来的管道压力值进行比较，通过PLC中的PID算法程序，计算其输出值，去驱动变频器进行变频控制，使得水泵的转速发生变化，进而调节控制管道中的压力值保持恒定。系统根据用户用水量的大小实时调节变频器的频率即水泵的转速和水泵的数量，直到管道的压力值和设定值相等[6]。

二、恒压供水电气控制系统设计

该恒压供水系统由PLC、触摸屏组态、变频器和水泵等硬件组成。电气控制系统组成框图如图2所示。

图2 恒压供水系统的电气控制系统图

图2的电气控制系统由PLC、触摸屏、变频器、水泵以及液位传感器和管道压力传感器组成。系统中的PLC选择西门子公司的CPU224XP，它有14个数字量的输入点，10个数字量的输出点，2路模拟量输入1路模拟量输出，扩展模块选用EM222，主要用于输出量的扩展，弥补主机模块输出量的不足。变频器采用西门子较为新型的V20变频器，功率7.5KW，该变频器安装简单、通信功能强大、异常不停机、操作简单方便等优点。触摸屏采用西门子Samart700IE，该触摸屏性价比高、操作简单、系统界面搭建容易方便、通信功能强大，易于和西门子PLC易于组态，系统集成便利等优点。

系统中高位和低位传感器限位传感器连接到PLC的输入端，管道压力传感器经过变送器后，转换为标准电流信号，输入到模拟量输入信号AIW0。输出量分配中，一个进水阀和三个出水阀占到4个输出量，3个泵各有一个工频和变频信号，共占到6个输出量，报警和异常指示站到两个输出量[7]。

三、PLC程序结构设计

系统的程序设计结构包含自动程序和手动程序。参数设置时，需要手动设定管道压力值，PID的参数表，变频器的初始频率等[8]。水池水位控制比较简单，水池低水位传感器接通时，进水阀打开，当水池高水位传感器接通时，进水阀关闭，具体流程这里不在赘述。自动程序流程图如图3所示。

图3 系统自动控制流程图

自动控制流程图中，系统根据管道压力值的大小和设定压力的大小进行比较，来决定水泵的频率和水泵的数量。先开启1#泵变频运行，调节管道压力并和设定值进行比较。如果小于设定值，则1#泵频率上升，管道压力增加，当1#泵频率上升至工频50Hz时，管道压力仍小于设定值，此时，1#泵为工频运行，2#泵进行变频运行，压力进一步增加，若压力继续小于设定值，则2#泵继续变频上升，若压力仍然没有达到设定值，则1#2#泵工频运行。3#泵继续变频上升，继续和设定压力进行比较，直到1、2、3#泵均达到工频运行。减泵过程和上述过程相反，参照图 3 的（b）图部分[9]。

四、触摸屏组态设计

根据系统的控制要求，设计了自动控制画面和手动控制画面两个主要界面。触摸屏启动后可以通过按钮在自动控制画面和手动控制画面自由切换。可以在界面中设计管道压力，PID参数表，实时监测管道当前压力值[10]。具体内容如图4所示。

图4 触摸屏组态画面

五、总结

采用PLC、触摸屏和变频器实现了高层建筑的恒压供水系统，相对于传统的水泵控制而言，该系统具有控制效果明显，节能效果好，报警和保护功能完善，操作方便等优点。该系统具有一定的通用型，可以满足大部分的小区、住宅、办公楼写字楼等高层建筑的恒压供水要求，并且性能良好。同时，本系统为高职院校的机电类学生提供了一个良好的实验实训平台，并且可以培养熟练掌握恒压供水系统的人才。很好的服务于高等职业院校的电气自动化和机电一体化等相关专业的学生教学。