基于PLC控制的恒压供水系统研究

覃 昱，刘 飞，顾立新

（1.国网山西省电力公司岚县供电公司，山西岚县 035200；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；3.中国铁路设计集团有限公司，天津 300142）

0 前言

水资源在人类的生产生活中是必不可少的物质。国内的供水设施还处于智能化不高、自动化程度较低的状态。可编程序控制器（PLC）具有可靠性高、性价比较好、价格低廉、适应性广和易于扩展等优点[1-3]。将PLC技术与变频调速技术结合并应用于恒压供水系统中是目前系统设计的大势所趋。

1 系统控制方案

系统的外部设备主要为主供水回路、备用回路、清水池及泵房。其中，泵房里有三台水泵电机，在出水管道中均装有手动或电动蝶阀，以供维修和调节水量之用。三台水泵由变频器控制转速，根据用水量的变化不断调节以维持生活用水的恒压供应。根据系统的设计要求提出通用变频器+PLC的控制方式。这种控制方式通用性强，灵活可靠。用户可根据不同的控制要求组成不同规模的系统。

1.1 系统的组成

控制方案确定后，可以画出系统的控制框图，如图1所示。

图1 系统控制框图

系统主要由PLC、变频器、压力变送器和水泵机组组成，形成一个单回路的闭环控制系统，PLC是核心控制单元。安装压力变送器的目的是将出水阀处不断变化的水压信号（即管道中的水压）转换成模拟量（即4～20 mA的电流信号），压力传感器将该模拟信号传送给PLC，并与程序中设定的水压值进行比较，变频器根据PID运算得出频率调节信号来调整水泵电机的转速，达到转速控制的目的。PLC可随时接收变频器的反馈值，获取变频器的工作状态，这样也提高了系统的安全性和可靠性[6]。

供水系统由三部分组成：信号检测、控制及执行机构。系统的控制流程如图2所示。

图2 系统控制流程图

1.2 供水系统工作流程

（1）系统通电启动，变频器启动后拖动水泵电机M1工作，然后PLC计算出变频器的输出频率，根据这一输出频率由变频器调节M1的转速，水泵电机M1工作在调速运行状态。当测得的输出压力达到设定值，供水量与用水量基本达到平衡状态，转速达到稳定状态。

（2）当测得的水压减小时，压力变送器反馈的信号将会减小，说明此时用水量在增加，水压的偏差值增大，变频器根据偏差值调节输出频率控制水泵电机增速，当水泵电机的转速达到新的稳定值时，也就满足了此时的供水需求。反之，当测得水压增加时，变频器根据偏差值调节输出频率，减小水泵电机的转速达到新的稳定值。

（3）若处于用水高峰期时，用水量持续增加，变频器输出功率大于50 Hz，若此时测得实际压力仍小于设定压力值，且满足水泵切换条件，PLC发出指令，控制变频器切换到下一台电机上，拖动水泵电机M2运行，同时本来的运行在变频模式下的水泵电机M1转为工频运行。如果用水量继续增加，系统仍将继续发生上述转换，前提是要满足增泵的条件。当三台水泵都处在运行状态时，且变频工作频率达到上限频率时，压力仍未达到设定值，此时将发出报警信号。

（4）当测得水压增加时，变频器降低输出频率，若此时频率仍然低于下限频率，仍然不能使实际水压低于设定压力时，若减泵的条件，PLC将发出指令工频运行状态下的水泵M2关掉，减小水压至设定值。若用水量继续下降，系统将继续发生上述转换。

2 系统的硬件设计

根据变频恒压供水系统的工作原理，可以画出系统电气控制的总框架，如图3所示。

图3 系统电气控制总框图

由上图可知，该系统在硬件方面需要的设备有：PLC及其扩展模块、变频器、水泵机组、压力变送器和液位变送器[7]。

2.1 PLC及其扩展模块的选型

PLC又被称为工业计算机，整个变频恒压供水系统都由PLC进行控制。它的作用主要为采集系统中的输入信号，运算并产生输出信号控制所有输出单元。因此在选择PLC时，要考虑多方面的因素。这里需要对每种硬件设备进行选型。系统硬件设备选型如表1所示。

表1 系统主要硬件设备清单

2.2 主电路的分析及设计

电动机控制系统的主电路如图4所示。

3台电动机分别为M1、M2、M3。KM1、KM3、KM5分别是电动机M1、M2、M3工频运行控制的接触器；KM2、KM4、KM6分别是电动机M1、M2、M3变频运行控制的接触器；热继电器FR1、FR2、FR3起到对水泵电机过载保护的作用，防止电流过载损坏电机；FU为主电路的熔断器；QF1是变频器的运行开关，QF2、QF3、QF4是3台水泵电机工频运行的开关。

图4 主电路图

2.3 系统控制电路的分析及设计

系统控制电路如图5所示。

图5中，SA为单刀双掷开关，用于切换系统的自动和手动运行，SA掷1时表示手动控制，掷2时表示自动控制。手动运行状态下可由按钮SB1～SB6来控制水泵的启动和停止；自动运行状态下系统的运行是由PLC程序控制的。电源指示灯HL10亮时表示系统处于自动运行状态。此外，还需设置变频器的复位功能，这里采用一个干触发点信号，即由继电器KA的触点对变频器进行复位控制。

图5 系统控制电路图

图6 PLC及扩展模块外围接线

2.4 PLC外围接线

PLC及扩展模块外围接线，如图6所示。

3 系统的软件设计

根据系统的工作流程和控制要求，将系统的控制程序分成主程序、子程序和中断程序三个部分。

3.1 主程序流程图

主程序的主要功能为：启动程序，设置水压给定值，电机的变频/工频运行切换功能，故障报警及处理等。主程序流程如图7所示。

3.2 子程序流程图

子程序的功能主要为设定变频器的上下限值，存储PID相关参数，连接中断。子程序流程如图8所示。

3.3 中断程序流程图

中断程序的作用是将采集的数据标准化，并存入回路表，进行相应的PID运算，以及输出模拟量。子程序流程如图9所示。

图7 主程序流程图

4 结语

本文针对高层建筑的供水需求，基于PLC相关原理，设计了一套变频恒压供水系统。本系统具有高效节能、操作简单，自动化程度高等优点，很好的满足了高层建筑恒压供水的需求。

本系统具有以下特点。

（1）PLC作为控制核心，变频器作为主要执行机构，具有灵活方便，可靠性高等优点；利用变频泵的调节功能，在全流量范围内实现水泵电机的变频和工频运行的切换功能，确保恒压供水；采用PID调节方式，水压波动小，反映迅速。

图8 子程序流程图

图9 中断程序流程图

（2）系统具备完善的故障报警及处理功能，可实现对水位越限和变频器故障等的报警和处理，确保系统安全运行。

（3）采用变频调速方式，具有很好的节能效果。

［1］袁志彬，王占生.关于我国城市实施分质供水的讨论［J］.城市问题，2001（6）：24-27.

［2］祁增慧.基于PLC控制的城市恒压供水系统［D］.天津：天津大学，2008.

［3］田淑珍.可编程控制器原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［4］林坤，张世伟，苗英俊，等.变频恒压供水系统理论分析及方案设计［J］.舰船防化，2010（6）：13-18.

［5］周怀军，卢瑜，顾波.S7-200 PLC技术基础及应用［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［6］胡盘峰，陈慧敏.基于PLC的新型变频恒压供水系统设计［J］.机械工程与自动化，2011，165（2）：141-143.

［7］朱思亮.基于PLC的恒压供水监控系统设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2013.