PLC的泵控系统的设计与分析

江苏省邳州中等专业学校 安晓倩

在城市供水问题逐渐突出的背景下，不仅需要提升供水质量，确保供水网络不会因为水压问题出现故障甚至爆管，还要实时保障供水系统的运行稳定性，确保在发生安全事故时能够第一时间提供可靠水源。本文主要研究由PLC作为主机的泵控系统，并对其进行设计分析，以提升供水系统的整体稳定程度。

1 PLC技术简述

PLC又称为可编程序控制器，能够采用数字运算方法进行电子系统设计，通常情况下用于工业环境，主要面向于各类直接与用户相关的指令，如定时、算术操作、逻辑计算、内部存储程序设计等。PLC能够利用模拟或数字输入与输出方式，完成对各类机械设备的内部控制。PLC技术在当前供水系统当中应用十分广泛，主要原因有以下几点：

1.1 极强的抗干扰能力

PLC在进行生产时厂家进行了大量的工程经验参考，并从物理结构、线路构成、软件结构等多个方面均进行了优化，核心模块采用了当前最为先进的超大规模集成电路。另外I/O系统在进行设计时特别设置了信号通道保护以及信号调节电路，应用这一设计PLC在机械结构上满足了耐热、抗震与防潮诸多功能。

1.2 灵活的控制系统

PLC的各个模块种类非常丰富，因此可以选择组件进行灵活组合，最终得到要求以及尺寸各不相同的控制系统。

1.3 编程方便

由于PLC主要的面向对象便是用户，因此在设计时需要充分考虑到各现场技术人员的实际应用习惯以及技能要求，在进行程序设计时，选择梯形图形式的指令，直接面向工业控制。梯形图的结构形式同电路应用当中的继电器非常相似，这一编程形式不仅具有非常强的直观性，实际进行掌握时难度较低，并不需要进行专门的计算机数据知识培训，具有一定电路知识的工作人员在短时间内便可迅速掌握。

1.4 功能完善

PLC的输入与输出功能当前已经较为完善，并且工作性能非常良好，针对于多种形式的模拟量与数字量均能快速适应。PLC内部能够执行控制功能的模块较多，主要包括移位寄存器、继电器、时序电路以及中间寄存器等。由于PLC在设计时采用了微处理器，因此在执行锁存、跳转、强制I/O输出、延时等功能时非常方便，不仅能够实现逻辑运算，还能够完成顺序控制、数值转换、算术运算，除此之外，还能够通过计算机实现显示、打印以及实时监控的功能。

1.5 生产周期短

应用继电器进行控制系统设计时，通常要根据具体的技术需求制定出电气原理图，而后再进行后续的接线与布置，在完成电路的安装与调试之后，后续如果需要修改复杂度非常高。而当采用PLC来进行控制系统的设计工作时，由于PLC具有非常完善的软件与硬件结构，只需要按照工程需要进行各模块的组装，编程工作可以在设计期间一并完成。

2 泵控系统组成

在进行控制系统设计时，主要将控制模块分为了三个部分，分别是主控模块、液位监测模块以及最后的人机交互模块。

2.1 主控模块

在进行主控制模块设计时，需要以设计成本以及实际的控制点数作为基本参考，本设计的主控制器在考虑以上标准后，选择西门子PLCS7-200，主机模块选择为CPU224，这一主机模块的控制点数情况如下：包含有14个输入点以及10个输出点，并且还另外配备有一个专门用于通信与编程的接口RS-485，CPU224主机模块不仅能够完成PPI以及MPI通信功能，还具备自由通信的功能，因此整体而言具有较强的主机控制能力，由大量工程经验进行参考，该主控模块的各项机能能够满足泵控系统的相关标准。

2.2 液位监测模块

该模块的核心构件便是液位监测传感器。由于当前使用较为广泛的传感器例如压力传感器、电感式传感器、浮球式液位传感器在使用时均出现了一些安全问题，因此在本系统设计时不使用该类传感器，而是使用了超声波液位传感器，这一传感器与上述传感器最大的不同便是具有极强的安全性与运行稳定性，安装简单，并且后期进行维护时难度也较大。该模块在进行工作时的主要原理是在泵站的出口位置设置安装一个压力传感器，并且在井口直射液面的位置完成液压控制传感器的安装。进行液位控制传感器的安装时，将其安装位置同液面之间的距离进行定义，设定为h1，该数值为不确定的变量，可以在任意h1高度完成水泵的启动工作。将该液位传感器同水泵叶轮上方一段距离的位置定义为h2，该位置同h1不同，为一个定值，也就表明了这一位置在系统实际运转时是固定不变的。将h1与h2二者的和作为水泵进行启动运行的允许高度，这一数值即是系统运行的真空度，使用负压力单位来进行表示。在水泵进行启动之后，液压传感器接收到启动指令，将实际检测得到的h1数值向PLC系统进行传送，PLC系统对这一数据信息进行处理后再与h2数值进行求和，将该数值传送至压力传感器中，压力传感器主要对系统内部的真空度进行检测，若真空度数值达到PLC系统所传送的数值，则压力传感器便可以进行信号的输出，进行泵站电机的启动工作，这一系列操作结束之后，水泵系统便可以正式启动结束。

2.3 人机交互模块

本系统在进行设计人机交互模块时主要应用到的软件便是MCGS软件，这一软件可以完成对于人与机器之间的连接，功能非常完善，并且操作难度不大，只需要经过简单的培训便可以实际进行操作，不仅具有很强的可视性，后期维护成本也很低。这一人机界面能够同硬件设备进行灵活结合，具备较强的设备开发功能，尤其在进行现场实时数据采集以及信息处理与控制时设备开发速度非常快，具有非常强的便利性。在实际进行模块设计时首先选择驱动在系统上添加西门子S7-200PPI，完成人机交互页面同西门子PLC的驱动结合，而后再根据实际的工程需求完成对各个设备的参数设置，并进行数据变量的确定，根据以上数据进行人机画面页面的开发。

3 泵控系统设计方案

本系统共选用三台水泵完成设计，其中1台水泵作为备用，另外2台水泵正常运行，并进行轮换工作。这两台工作水泵在进行运作时若其中一台出现故障，系统会直接发出报警，并立即将另一台备用水泵自动投入到使用当中。生活给水泵控制系统主要由三个部分组成，分别为供水部分、水位控制部分以及电气控制部分。其中供水部分主要由水泵、供水管道、屋顶水箱、地下水池、用户用水五个模块共同组成，电气控制部分主要由PLC以及继电器组共同组成。

4 系统软硬件设计分析

水泵控制系统的启动与停止部分可以分为手动控制以及自动控制两种不同的控制方式。如果选用手工控制的模式，则选择使用现场控制箱面板按钮来完成对于真空泵的实际控制，此时真空泵的启动或者停止不会受到程序执行的影响。而若采用自动控制的模式，水泵的启动与停止均需要受到程序操控，考虑到施工现场电路的复杂性，出于安全性的分析，仍然可以采用现场控制箱面板按钮来进行手动控制。

5 系统软件部分

PLC在泵控系统设计时的主要功能是对过程信息进行实时采集，并同上位机进行通信，对上位机下发的相关指令进行执行，并对水泵进行自动控制，不需要再进行人工监测，另外PLC会配置有现场情况监测设备，能够保障技术人员在第一时间对现场施工情况进行监测，并开展一些基本控制工作。PLC逻辑图如图1所示。

图1 PLC逻辑图

5.1 真空度计算的软件实现

系统真空度的计算数值是由液位传感器完成采集的，最终得到的数值h1便是系统的实际真空度。

5.2 上位机监视界面的画面设计

系统的上位机监视界面主要需要应用软件MCGS，技术人员对软件监视界面可以完成水泵安装高度、水箱高度进行设置与调整，并对软件得到的液位实际测量值以及压力情况进行记录，便于后续处理。

结语：以PLC为基本载体的泵控系统，不仅具有非常完善的工作性能，并且在运行过程当中能够保持较为良好的稳定性与可靠性，由液位传感器进行水泵压力值的具体计算，并与实际测量的真空度进行对比，可以完成对于水泵启动以及停止的准确控制，使得水泵在运行过程当中安全性能得到一定幅度的提升，能够实现对于水泵良好的控制效果，符合工程实际需求。