基于PLC 的楼宇二次供水智能控制系统设计＊

曹哲贤，王宇杰，刘涛，付焕森，张熠飞

（泰州学院机电工程学院，江苏泰州 225300）

高层楼宇在城市化进程中发挥重要作用，二次供水与居民的工作和生活息息相关。目前，二次供水基本采用自动控制，该系统往往也受控于物业，居民很难参与二次供水的监控中，导致近年来常有供水质量不佳的情况发生，如高峰期的水压不够，控制系统的老化、无人定期检修，水箱中出现杂物等。对于二次供水，供水压力、水质、有无杂物是供水质量的关键因素。基于此，众多学者和工程师进行了研究，如高锐等[1]利用PLC 和SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统对二次供水系统的各项参数进行实时监测，实现了对二次供水系统的智能控制；欧惠玲[2]采用西门子PLC 和GYMS（集成管理控制平台）、安防、门禁管理、水质在线监控等设备，推广二次供水标准泵房地的封闭式和智能化管理；张万青等[3]对二次供水的节能损耗进行了重点研究，设计了定时休眠功能；陈经艳[4]使用三菱FX3U系列 PLC 自带的 PID （ Proportion Integration Differentiation，比例、积分、微分）控制，提供了供水系统的变频恒压控制，获得了较好的控制精度；路桂明等[5]利用PLC 和变频器组成闭环控制，实现了供水系统能够自动调节水泵的工作状态。

对于供水自动控制的研究尽管取得了丰富成果，但是对于供水的水质和水中有无杂物的研究较少，自动控制系统也不对用户进行部分功能的开放，往往出了意外（杂质、异物等）要很长时间才被用户发现。水是生命之源，控制部分可以不对用户开放，但是供水的一些参数和有无异物可以对用户开放，用户通过手机实时监测才能保证供水的质量。基于此，文中利用西门子S7-1200 系列PLC、MCGS 触摸屏界面、变频器及通信模块等设备设计了二次供水的智能控制系统，让用户参与控制系统的监测，最后的模拟运行也体现出较高的可靠性。

1 整体设计

二次供水的智能控制系统整体设计如图1 所示，主要由PLC 控制单元，压力、液位、水质传感器，触摸屏和西门子通信模块，以及摄像头和上位机电脑组成。手机APP 软件可以通过通信模块实时查看PLC 采集的压力和水质等参数，通过上位机电脑和摄像头可以查看水中有无异物等。

图1 整体设计图

2 硬件设计

本系统选用西门子的S7-1200 系列PLC 中的CPU1214，该PLC 有14 路数字里输入和10 路数字量输出；再增加了一个模拟量扩充模块SM1234，含4 个模拟量输入和2 个模拟量输出，以达到本系统的控制需求。选用西门子V20 型变频器，变频器的作用是通过IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的开通和关断来调节水泵机组运转，水泵再带动电机的转速，从而改变频率使系统达到更好的运行状态。

选择TPC7062TI 型触摸屏，其主要作用是监测触摸点接收到的信号，将它以触点坐标的形式传送给CPU（Central Processing Unit，中央处理器），同时也能接收CPU 发来的指令；选用MIK-P1000 型压力传感器、SL980 型投入式液位传感器、溶解氧和pH 值水质传感器。

2.1 PLC 的I/O 口分配

PLC 的开关量、模拟量和数字量输入输出分配如表1 所示。

表1 PLC 输入输出分配表

2.2 PLC 控制电路

PLC 的控制电路如图2 所示。220 V 交流接PLC的L 和N，为PLC 提供220 V 工作电源。24 V 直流电接的负端接PLC 的输入1M 和PLC 输入公共端；24 V的正端接PLC 的输出1L、2L 和SM1234 的L+。该系统选择了3 个水泵机组，分别是M1、M2 和M3。M1是#1 水泵电机，驱动#1 水泵供水。KM1 是#1 水泵电机变频启动接触器，接变频器V20 的U、V、W，供#1 水泵变频工作；KM2 是#1 水泵电机工频接触装置。同理，M2 是#2 水泵电机，KM3 是#2 水泵电机变频接触器，KM4 是#2 水泵电机工频接触器；M3 是#3 水泵电机，KM5 是#3 水泵电机变频接触器，KM6 是#3 水泵电机工频接触器，KM7、KM8、KM9 为3 个水泵电机的软起动接触器。

图2 PLC 控制电路

3 软件设计

3.1 软件流程设计

软件流程如图3 所示。供水系统开始运行，系统上电之后若系统报警，则该系统不运行，系统会紧急停止采用手动模式并对系统进行维修；若变频器无故障，系统开始运行，通过触摸屏实现压力的设定值，PID 的反馈为实际压力。系统运行过程中，管网中的各类传感器采集数值上传给控制器，经过一个采样周期后，根据系统的设定值改变水泵的运行状态，使之达到最好的控制效果。

图3 软件流程图

软件流程控制分为2 种情况：①采集的水压小于先前设定压力值，继续监测其频率是否超出上限频率50 Hz。若小于50 Hz，保持当前运行状态，继续进行管网水压采样；若大于50 Hz，则采取增泵措施，此时#1 泵由变频切换为工频运行，启动#2 泵变频运行。②采集的水压大于或等于先前设置的压力值，继续监测其频率是否大于频率下限10 Hz。若大于10 Hz，则返回管网继续水压采样；若低于10 Hz，说明需要采取减泵措施，此时#2 泵停止运行，#1 泵变频运行，当用水量很大时，启用#3 备用泵。

3.2 PLC 程序设计

在供水系统控制部分中，程序使用结构化方式进行编程，分为主程序、调用程序和中断程序。除此之外，PLC 同时设计了FC1-FC8 多个程序段循环执行，用于PID 控制。其中，液位读取程序段如图4 所示，供水泵工频运行程序段如图5 所示。

图4 液位读取程序段

图5 供水泵工频运行程序段

3.3 PID 控制

PID 控制器按其工作方式可分为自动控制和手动控制2 种，即PID 控制器在完成首次自调整动作和工作期间自调整动作后即为自动控制工作状态。PID_Compact 工艺对象将按照预定的控制器参数执行闭环控制；打开S7-1200 项目树中的“工艺对象”，点击“新增对象”，找到“PID”，选择PID_Compact 模块，如图6 所示。

图6 PID 模块选择

如果在控制器上位机组态窗口配置时勾选了“启用手动输入”，PID 控制器的输出将根据人工手动输入的值进行相应的调节，PID 调用程序如图7 所示。

图7 PID 调用程序

4 仿真调试

系统采用Matlab2012 软件的Simulink 平台对供水系统的PID 控制模块进行动态建模和仿真。PID 模块参数修正后开始系统仿真，设置仿真时间为2 000 s，示波器运行曲线如图8 所示。由图8 可知，系统运行到500 s 左右时PID 调节输出增量为0，变频器频率恒定，系统达到稳定运行状态。

图8 PID 仿真波形图

供水系统中压力变送器将实测压力值以电信号的形式传输至PID 控制器，与系统设定压力比较得出偏差，经过PID 控制算法计算后将控制信号以电压的形式传输至变频器，实现自动调节的功能。当压强过高时，控制器控制电机减速；压强过低时，控制器控制电机提速，PID 在线监测如图9 所示。

图9 PID 在线监测

该系统的监测和调试界面包括了系统的运行监测主界面和参数设置界面，用户可以在系统的主控界面上进行操作，并利用上面的按钮进行多个监视接口的切换，实现了多种监视。系统监控自动控制运行界面如图10 所示。

图10 自动控制界面

5 结论

该系统由PLC、变频器、人机界面和多种传感器、摄像头等主要硬件设备构成，结构简单、操作灵活，通过人机交互界面，用户可以通过直观的方式实现对供水系统的远程监测，并能实时掌握系统的工作状态，对报警信息进行及时处理。该系统将部分数据和功能对用户开放，通过手机APP 可以实时监测各项参数，并且可以通过摄像头查看水中是否有异物，保障供水水质。