PLC在城市小区恒压供水系统中的应用

摘要:本设计是以小区供水系统为控制对象，采用plc和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理，以此保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。

关键词: PLC；恒压供水；变频技术

Abstract: the design is based on the water supply system as the control object, using PLC and frequency conversion technology combined with technology, design a set of constant pressure water supply system and the city, to use the computer for remote monitoring and management of the water supply system, to ensure that the system is reliable, safe and energy saving, to obtain the optimal operation condition.

Keywords: PLC; constant pressure water supply; frequency conversion technology

中图分类号： TV674文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）

1、系统介绍

在我们这个水资源严重短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面的技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，城市中住宅建设速度惊人，这也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统是住宅建设的重要一环，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到居住的品质。

供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积较大，水质易受到污染，传统的供水方式严重浪费水力和电力资源，可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种新型的交流电机无极调速技术，它有着优良的控制性能，被广泛应用于各种速度控制领域，特别是供水行业中。

本设计是以小区供水系统为控制对象，采用PLC和变频技术相结合技术，设计一套城市小区恒压供水系统，并引用计算机对供水系统进行远程监控和管理，以此保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行工况。

2、系统组成

PLC控制变频恒压供水系统主要有可编程控制器（PLC）、变频器、压力变送器和现场水泵机组构成完整的闭环调节系统，本设计中有3个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间的偏差进行PID运算，通过变频器来控制其输出频率，以此调节流量，保证供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。

系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：

(l) 执行机构：执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大的情况下投入工作。

(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

(3) 控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵机组)进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

3、设备选型

本系统主要设备如表1所示：

表1 本系统主要硬件设备清单

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可扩展性好，又有较丰富的通信指令，且通信协议简单等优点。

根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，1个模拟输出(AQW)信号通道。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。

由于本设计中PLC选择的西门子S7-200型号，为了方便PLC和变频器之间的通信，我们选择西门子的MicroMaster440变频器。它是用于三相交流电动机调速的系列产品，由微处理器控制，具有很高的运行可靠性和很强的功能。它采用模块化结构，组态灵活，有多种完善的变频器和电动机保护功能，有内置的RS-485/232C接口和用于简单过程控制的PI闭环控制器，可以根据用户的特殊需要对I/O端子进行功能自定义。MicroMaster440变频器的输出功率为0.75~90KW，适用于要求高、功率大的场合，恰好其输出信号能作为75KW的水泵电机的输入信号。另外选择西门子的变频器可以通过RS-485通信协议和接口直接与西门子PLC相连，更便于设备之间的通信。

4、系统程序设计

PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量比较计算程序和报警程序等构成。主程序大体包括以下几部分：

(1) 调用初始化子程序，设定各初始值；

(2) 根据增、减泵条件确定工频泵运行数；

(3) 根据增泵、倒泵情况确定变频泵号；

(4) 通过工频泵数和变频泵号对各泵运行情况进行控制；

(5) 进行报警和故障处理。

5、总结

本设计的主要的工作如下：

(1) 由PLC、变频器实现生活用水的恒压控制。系统采用PLC实现对多泵切换的控制。通过变频器实现对三相水泵电机的软启动，由电动机的变频调速实现对水压的调节。

(2) 通过对控制过程和原理的分析，利用西门子STEP7 MicroWIN编程软件设计了一个用于恒压供水系统的程序，本程序包括顺序控制主程序，初始化子程序和中断子程序三部分。

(3) 对上位机组态监控系统进行了设计。根据泵站监控要求，利用组态监控软件完成了泵站组态监控画面的各个功能的设计，系统界面清楚明了，易于操作，能动态地显示当前运行情况、当前水压以及故障情况。