基于PLC和触摸屏控制的变频恒压供水系统

1 引言 随着3C技术（计算机、通信、控制）和变频技术的不断发展，在居民小区生活用水、工业用水、各类自来水厂、大型厂矿和消防用水等供水系统中，原来均是采用水塔、高位水箱等设备，这些设备不但占地广、投资大，而且越来越不能满足现代化的供水要求。另一方面，采用传统的方法很难保证供水的实时性，并且由于水泵是采用最大供水量设计的，由于用水高峰时间短，很容易造成能源的浪费以及由于管网压力过大而引起的管网损坏。本文以永城煤电集团水厂的控制系统为例，介绍一种基于PLC和触摸屏控制的恒压供水系统。2 系统简介 永城煤电集团水厂变频恒压供水系统由PLC控制器、两台变频调速器、软启动器、触摸屏显示器、交流接触器、热继电器、压力变送器、水位变送器、流量变送器等其他电控设备以及4台75kW水泵和一台45kW的小水泵组成，如图1所示。[align=center]图 1 恒压供水系统图[/align] 在供水系统的蓄水池中安装水位变送器，在总出水管安装压力变送器和流量变送器，检测出水位、压力和流量，转换成4～20mA的信号，输入到PLC的模拟量输入模块，将检测到的压力信号和通过触摸屏设置的压力经过PID运算，通过控制变频器的输出频率来调整水泵电机的转速,以达到保持水压的恒定;同时通过水位检测，根据水位的高低来开启水源井的多少和调节反渗透系统的产水能力。同时，在触摸屏显示器上可以显示各个电机的电流、频率、水位、水压、工频和变频运行的时间以及各泵的运行状态。系统信息还可以通过企业的Intranet网发布到网络上，通过网络进行系统的远程诊断和控制。3 控制对象 根据永城煤电集团水厂供水系统现场的实时情况，控制水厂现场设备（泵、阀门等）的开、关、停、运行;电磁阀的开启、关闭;各水源井的开启、停止;变频器的启动/停止，以实现水厂恒压供水的自动控制。4 系统工作原理该系统具有手动和自动两种运行方式:4.1 手动运行方式　　 选择手动运行方式时，根据需要，通过按启动和停止按钮，来控制各水泵。这种方式只在系统出现故障时使用。4.2自动运行方式（1） 启动程序 在自动运行时，首先检测5台泵是否有泵出现故障，如果1＃泵出现故障，则通过触摸屏在线修改该水泵的状态，把1＃泵设为故障状态，则系统启动时，自动不启动1＃泵。其次检测蓄水池水位，如果符合要求，1＃泵也无故障，开始启动真空泵抽真空，如果满足要求，则1＃泵变频交流接触器吸合，电机和变频器连通，同时打开1＃泵的电磁阀，通过检测压力的大小，PLC经过PID运算，此时变频器的输出频率从0Hz开始上升，如果压力不够，则上升到50Hz，延时后，通过软启动器，将1＃泵切换到工频，再启动2＃泵，依次类推，直到出水压力达到设定压力。（2） 水泵切换程序 根据流量传感器检测到的流量的大小，如果出水量减少，出水压力过大，则PLC控制变频器的输出频率，减少出水量来稳定出水压力。如果变频器的输出频率在20Hz，此时PLC开始计时，如果出水压力降低，则放弃计时;如果出水压力一直高于设定压力，到一定时间后，则根据先投先停的原则，PLC将先关闭正在运行的投入时间最长的泵的电磁阀，再关闭该泵，直到出水压力达到设定值。（3） 启动小功率泵 对于永城煤电公司居民生活用水来说，其属于用水时段性很强的系统，因此在5台水泵中，1＃—4＃泵为75kW，5＃泵为45kW。因此，当在用水低谷时，一台45kW的小功率泵就足可以保持供水压力，此时，就可以通过变频运行5＃小功率泵，使其工作在低频状态，就可以维持供水系统的水压稳定。（4） 远程控制和故障诊断 该控制系统通过PLC的通讯模块CP340向设在局后勤处的上位机发送信息，两者之间通讯采用RS-485方式。当在上位机上发现有故障如蓄水池水位过低时，可以通知多开启水源井和反渗透装置，以提高蓄水池水位，防止因水位过低造成的水泵干抽现象。由于系统的上位机可以进行网络发布，当出现故障，而现场人员无法解决时，通过远程诊断功能，由厂家帮助处理。5 控制系统硬件配置及软件编程5.1 硬件配置　　（1） PLC的配置 可编程控制器采用SIEMENS的S7—300系列CPU-314主机，1个电源模块，2个32位I/O模块，2个16位输出模块，2个12位AD模块，1个12位DA模块和一个CP340模块。CP340和上位机之间通过RS-485进行通信。（2） 触摸屏 可以方面的通过串行通讯与编程器通信，也可以和PLC通过MPI网进行通信。通过触摸屏可以实时显示电机电流、管网压力、水位、流量、各水源井工作情况以及各种故障信息;还可以通过触摸屏对PLC进行在线控制。（3） 变频器及控制方式选择 在本系统中，根据冗余设计原则，采用2个三菱专用供水变频器，以在发生故障时相互备用。由PLC开关量输出控制变频器的启动/停止。5.2 软件编程　　（1） PLC编程 PLC从软件配置上有系统程序和用户程序。系统程序装配在CPU模块上随硬件的产品而来。用户程序是编程器编好程序后输入到可编程序控制器的存储模块，程序是采用块式结构形式，共有5种形式:组织块（0B）、程序块（PB）、功能块（FB）、数据块（DB）、顺序块（SB）（本系统未用）。因此，在PLC软件中使各种功能的程序模块通过主程序有机的结合起来。故PLC程序主要解决现场各泵的启动程序、切换程序、启动小功率泵;模拟量的处理;与上位机和触摸屏通信数据的处理功能等。（2） 上位机程序 上位机使用VB编写通信程序和建立数据库。通信程序发出的命令帧格式要完全符合SIEMENS公司PLC的RS-485通信协议;对PLC发回的响应帧，上位机必须进行拆装、识别，才能正确的分离出交换数据和有用的状态信息。（3） 触摸屏程序 触摸屏程序主要有主画面、参数设置、供电回路、反渗透、实时曲线、报表统计、故障维护等画面组成，其结构如图2所示。 [align=center]图2 触摸屏程序结构[/align]5 结束语 在供水系统中采用基于PLC与触摸屏控制的变频恒压供水系统，可以根据实际需要水压的变化自动调节水泵的转速或加减速，实现恒压供水，降低能耗;还可以延长主泵电机的使用寿命。由于采用了双变频器，在一台变频器出现故障时，系统可以自动的切换到另一台变频器，基本可以保持不间断的恒压供水,具有一定的先进性。 目前，该系统在永城煤电集团水厂经过一年多的运行后，运行状况良好，达到了预期的设计要求，节能效果显著，受到了用户的好评，具有很好的应用前景。