探析基于PLC的恒压供水系统
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作者: 张巨洲
【摘要】本文探析基于PLC的恒压供水系统，系统的运行以PLC可编程序控制器作为核心进行逻辑控制，由变频器实现压力调节，对供水管网的实际压力和设定的压力值的偏差变化进行分析比较，再通过变频器内部自适应PIO运算，来达到PLC实现变频与工频切换的控制，自动调节水泵投入的台数和电机转速，有效实现恒压供水。运行结果显示，基于PLC的恒压供水系统表现出压力具有稳定性、结构简单性、运行可靠性的特点。
【关键词】PLC；恒压；供水系统
1.引言
通常我们使用的水泵在绝大部分时间是通过额定负荷来运行，对于现在用水要求不断提高，同时全天24h的用水量大，负荷变化大，白天与夜间的用水变化不同，基于PLC的现代技术设备来完成恒定水压供水，有效地解决了在夜间少量用水，能够依据根据用水量的大小不同，做到自动调节水泵转速，同时确保供水压力恒定，变频恒压供水系统以其有效的实用性和经济性，调速系统的价值突出。
2.控制系统运行的工作原理
2.1 s7-200的变频恒压供水系统的工作原理
本文研究分析的是在s7-200的变频恒压供水系统的工作原理基础上，自行设计的一套系统。通过系统的控制核心可编程控制器和变频器PLC作为中间枢纽，对供水管网的压力与系统压力设定值的偏差变化情况做即时的跟踪和分析，变频器是用于获取实际的水压值，通过比较系统的设定值和实际水压值之间的大小差异，变频器也作为调节器通过其内部的PID规律来做运算，再利用PLC输出的数据做到有效的控制变频与工频切换作用，来达到自动控制水泵电机投入台数和水泵电机的转速，实现闭环自动调整恒压供水，在保持恒压下达到控制流量的目的。同时，,泵站的其他控制逻辑也是通过PLC的控制来运行，例如：手动操作转换与自动操作转换，泵站的工作状态指示,泵站的工作异常报警,系统的自检等。若将PLC连于工业以太网上,操作员可以在上位机上改变需要保持的压力或随现场设备的运行情况自动控制水压。
本研究的变频恒压供水系统结构（见图1），变频恒压供水系统整体上主要由二个部分组成：清水泵恒压控制和循环水泵恒压控制。生活用水是通过清水泵来实现，工业用水是循环水泵来实现，两个系统都是由s7-200的变频恒压供水系统来控制运行，而循环水泵控制系统作为本次分析的重点。
2.2 循环水泵控制系统的控制要素
循环水泵控制系统的功能主要有手动与自动控制功能、PID自动恒压功能、倒泵功能、定时轮休功能、循环软启动功能和系统保护功能。
（l）系统采用手动和自动两种控制方式,手动用于设备调试、检修及其特殊情况下的供水。在自动控制方式失效的情况下,手动控制系统可以保证系统的可靠运行。正常情况下，设备置于中控自动位，实现自动运行。当工作方式转换开关处于手动时，由人工在柜面上通过电位器调节各水泵转速。
（2）PID自动恒压功能是当工作方式转换开关处于自动时，可以根据设定压力自动进行控制，由压力传感器转换成电流量或电压量,反馈到P1D调节器，在通过变频器的控制来保证恒压供水。
（3）系统通过定时器来记录水泵的累计工作时间,在于设定值比较来自动控制控制系统的中断与运行。表现出了具有自动转为备用并重新计时,下台泵自动切换运行,依次循环,达到定时切换功效。
（4）泵组执行“先启先停”的运行原则,循环运行，提高了设备的使用时间和节能效果。清水泵的要求是一台用而另一台备用，两台水泵互为备用；循环泵的要求是两台用而一台备用，三台水泵互为备用，自动启停是通过PLC来执行控制。
（5）系统是通过信号的反馈来实现有效运行的，包括了运行、报警、故障等信号，系统保护功能完善，均为无源常开点。
3.系统的硬件
根据本系统要求，本次的PLC可编程控制器采用了S7-200CN（CPU224）系，本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。16K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排易地整体拆卸。具有较强控制能力。
变频器选用ABB/ACS400变频器，该变频器作为Comp-AC家族的一员，在2.2～37KW的功率范围，本次选用的是内型7.skw变频器产品，通过该设备中的基本配置具有的PID功能，变频器具有通过给定频率来设定既定的压力值，整个系统根据压力传感器来获取反馈过来的压力信号（4-20mA），依据变频器的辅助来完成压力反馈的机制，再通过给定的压力值与实测压力值进行比较，反馈后自动调节输出的频率，水泵转速获得有效调节，供水管网的压力将保持在给定值上。变频器的极限输出频率的检测输出信号端到PLC核心控制系统中，成为控制信号在泵变频与工频切换系统中进入，变频器的极限输出频率经过在面板的设定来完成，通常为50Hz。变频器的故障输出端进PLC可编程控制器，也进入故障指示灯，PLC控制系统将运行状况反馈出来，作停止或者报故障的提示要求进一步检查的运行情况。变频器面板的故障复位按键，来处理系统运行中出现的一般故障来复位，也可以重新启动变频器;变频器的运行与停止进入到PLC可编程控制器的输出端；变频器的输出端通过并联的方式将3个接触器分别接到3个泵，来完成整个路线的有效运行。
4.运行效果与注意事项
4.1 应用效果
基于PLC控制变频器来实现恒压调速供水，具有以下特点：使用方便，运行可靠，系统自动调节压力且恒定性好，控制效果良好。经济效益上的表现为恒压供水系统节能效率可达40%左右，对于资源的利用更加清洁和高效，水质的二次污染减少。整个系统的运行对电机实行软起动，设备损耗小，水泵、电机设备的使用效果更加凸显。系统带来的经济效益和改善生活质量的作用显著提高。在实际应用中，恒定供水具有一个稳压值，是可以依据用户的需求来自行定制，即可以实现的0～1 MPa范围的调整,通过改变压力给定,进行任意设定,在系统进行增泵或减泵过程中,水压波动在0.4±0.01 MPa范围内,一旦增泵或减泵过程结束,压力立即稳定到0.4 MPa,这个过程前后不到30s时间,很好地满足了用户用水要求。
4.2 注意事项
在实际运行中，要注意T设置是变频转工频开关切换时间，在加泵时注意同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，时间要设置的合理，太小空气开关易出现跳闸情况，利用PLC上面的电位器来根据实际情况来调整。上下限频率持续时间TH和TL变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，定值不宜过大过小，利用PLc的电位器来根据实际情况做调节。
5.结束语
基于PLC控制变频器来实现恒压调速供水，具有以下特点：使用方便，运行可靠，系统自动调节压力且恒定性好，控制效果良好。运行结果表明，采用PLC和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统，即实现了经济效益，又不断为用户的需求而改变，技术带来的革新价值巨大。
参考文献
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