基于PLC的恒压供水系统设计

 

1 引言

通常的供水系统在用水量较高时，供水管道中的水压将下降，不能满足用户的需求；用水量较低时，供水管道中的水压将升高，超出了用户的需求，这种情况不但浪费了能源，而且还会破坏供水管道及用水设施，造成经济损失。供水系统中压力调节的方法比较落后，普遍使用水塔二次供水和频繁启停电机等方法进行调节。前者投入的资金比较多，占地面积大，容易出现故障；后者会消耗大量的电能，还会对接入电网的其他用电设备造成影响，反复地启停设备将缩短其使用寿命^[1]。

 

综合考虑目前供水系统在实际应用中的一些弊端，本次设计的供水系统以高效节能、供水稳定为前提，采用PID闭环控制方式，提高了系统的精确性。为了保证各设备安全运行，使用了上位机对系统实施监控。其工作的原理是利用变频技术、PLC和压力传感器的结合，完成水泵在变频电源与工频电源之间的自动转换，使管网的压力稳定在设定值附近，从而达到恒压供水的设计要求^[2]。

 

2 系统的整体设计及工作原理

系统的设计目标是达到居民用水的要求，因此调节的对象是流量，但水泵将水上扬的高度决定了流量，对它的检测与调节不容易完成。当系统供水时，管网中的水压大小取决于供水量和用水量的大小关系。在供水量大于用水量的时候，供水管道中的水压将会增高，在供水量小于用水量的时候，供水管道中的水压将会下降，在供水量等于用水量的时候，则供水管道中的水压保持不变。所以，在控制流量时，我们将水压作为控制的参照变量。控制系统结构如图1所示。

 

图1 控制系统结构图

 

系统采用基于PLC内部PID的变频恒压供水方式，应用三个水泵的循环运行以及在变频电源和工频电源之间的转换来完成恒压供水过程，1#泵和2#泵为主要供水泵，3#泵作为备用的水泵。其控制流程图如图2所示。

 

图2 控制系统结构图

 

该系统使用了PID闭环控制方式，利用压力传感器测量出管道中水压，然后将压力转变为电信号，反馈至PID控制器，经过计算得出偏差，运用变频器来改变水泵的转速；在居民用水量增加时，供水管道中的水压将小于压力设定值，此时变频器的输出频率会变大，提高水泵的转速，从而增加供水量，当1#泵的转速达到上限，且供水管道中的水压还小于压力设定值，此时1#水泵将由变频状态自动切换至工频状态下工作，2#泵变频工作，若此时管网的水压大于压力设定值，2#泵转速下降，频率减小，当减小到下限时管网压力仍大于压力设定值，1#泵停止，2#泵变频工作，在管网水压快要达到压力设定值时，水泵转速的变化开始减缓一直到转速不再改变，以使供水管道中的水压恒定在压力设定值上，从而达到供水压力稳定的要求。

 

3 系统的硬件设计

PLC主要由CPU、存储器、I/O口、外设编程器及电源等构成^[3]。CPU是由寄存器、控制器以及运算器组成，它是PLC用来完成信息操作的单元；存储器用来放置数据、系统程序和用户程序等；数字量和模拟量的I/O口用于现场操控、检测设备和执行设备的连接，PLC输入端口包括三种输入形式，分别为直流输入、交流输入和交直流输入，输出形式包含晶闸管、晶体管和继电器等类型；PLC的供电电源不仅为PLC提供主电源，同时为PLC的内部元件的稳定运行提供所需要的直流电，为内部元件供电的方式通常采用开关形式，此方式稳定性较高，出现故障频率低，并且有较强的抗干扰能力。另外，PLC电源还可为外部电路提供24V的直流电源。

 

本项目PLC信号接口采用9个输入、8个输出以及1个模拟量输入输出，加上性能与成本的考虑，选择了西门子S7-200系列小型PLC的CPU224XP型CPU单元。224单元自带数字量I/O口，14个输入，10个输出；内部配置了2个模拟量输入端口（AIW）和1个模拟量输出端口(AQW)，拥有2个通讯口，可用于与上位机和变频器的通讯，完全能够满足本次设计的需求，达到预期的控制效果。

S7-200的PLC常用的编程元件主要包括数字量输入继电器（I）、数字量输出继电器（Q）、特殊标志继电器（SM）、辅助继电器(M)等。

 

系统采用的西门子7.5KW变频器，考虑到电网的频率、变频器和电机工作频率等多方面的因素，把50HZ设定为电机运行时频率可调的最大值，将20HZ设置为电机运行时频率可调的最小值，由于在变频调速中调节电机的频率不会降至0HZ，所以最小频率为20HZ，也是执行减泵操作的界限。

 

变频器与PLC的通信可采用西门子USS通信协议实现。其在工作过程中，由USS主站发出通信的信号，且不停地查询每个从站，从站在收到数据命令之后，判断能否执行和怎么执行。

 

系统硬件接线图如图3所示。

 

图3 硬件接线图

 

4 组态监控画面设计

目前，组态王监控软件是工业生产中使用最多的监控工具。该软件还有程序设计和管理等功能，使工厂生产达到最优化。

 

它的基本组成有管理器、浏览器以及运行系统。管理器用于建立和管理新项目，对已经存在的项目执行相关的操作。浏览器的作用是建立监控界面、定义及分配变量、编辑运行语言等。运行系统的作用是可以让用户远程监管和控制工厂的生产流程，提高生产效率。

 

该软件具有很强的兼容性，它能够通过自带的通信端口完成和常见设备的通信，例如：PLC、VVVF等。除此之外它还可以利用OPC、DDE和别的软件进行数据的传输与交换^[4]。

 

组态王软件具有以下特点：

 

（1）在一定程度上加强了用户对生产控制的能力、可以提高生产的效率和质量、降低原料损耗。

 

（2）开发界面为中文，编程十分方便，操作起来比较容易，能够使用户很快的学会该软件。

 

（3）参数输入方便快捷，运行仿真可以重复操作，实时曲线可以直观的反映出参数变化的趋势。

 

在组态王和PLC的通信中，我们运用的是PPI通信协议。它是专为S7-200PLC设计的一种主从协议。

 

 

图4 监控画面

 

5 结束语

现有系统实现了对供水系统的控制、调节以及设备运行状态的监控功能，以后可以通过更多现场数据的采集与传输，如：水位、功率、电压等，通过开发上位机数据管理系统，实现具有综合功能的自动控制和管理系统，提高对系统的管理能力，这部分功能将是后期研究的重要内容。