用PLC实现恒压供水的系统设计

1 引言
传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。

2 恒压供水控制系统的基本控制策略
采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(4－20ｍＡ)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。

3 恒压供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。
如图为恒压供水泵的水的构成示意图1。图1中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。

图1 恒压供水泵的构成
调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。调节器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。
用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节;它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。如规定和变频器相连接的泵为主泵(主泵也是轮流担任的)，主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。PLC同时还是变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如:手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。

4 PLC的模拟量扩展单元的配置和选型
4.1 PLC模拟量扩展单元的配置及应用
PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。如用S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中。
4.2 PLC系统的选型
系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个;模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选用CPU224的PLC，也需要扩展单元;如果选用CPU226的PLC，价格比较高，这样形成的浪费较大。因此参照西门子S7-200产品目录及市场价格可知选用的主机为CPU222一台，加上一台数字量扩展模块EM222，再扩展一个模拟量模块EM235。这样配置是最为经济的。整个PLC系统的配置如图2所示:

图2 PLC系统的配置

5 电控系统的原理设计
电控系统的原理图包括主电路图、控制电路图及PLC的外围接线图。
5.1 主电路设计
如图3为电控系统的主电路图。三台电机分别为M1，M2，M3。接触器KM1，KM3，KM5分别控制电机M1，M2，M3的供频运行;接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3的变频运行;FR1，FR2，FR3分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器;QS1，QS2，QS3，QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关;FU1为主电路的熔断器;VVVF为通用变频器。

图3 恒压供水系统主控电路
5.2 控制电路设计
图4为电控系统控制的电路图。SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置时候为手动控制状态;SA打在2的位置时候为自动控制状态;在手动运行时，可用按钮SB1~SB8控制三台电机的起/停和电磁阀YV2的通/断;自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。

图4 控制电路图
图中的HL10为自动运行状态时的电源指示灯。对变频器的频率进行复位控制时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用的一个COM端，而系统本身又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。
图4中的Q0.0－Q0.5及.Q1.0－Q1.5为PLC的输出继电器触点。在此可以看到在检修是的控制原理和水泵在正常运行是的控制原理一样的，最终是通过控制接触器的通与断来控制水泵的启动与停泵。
在PLC控制时候与检修时的控制最大的区别是，PLC可以通过变频器来控制水泵的转速从而达到对水压的压力控制，而检修的目的是对机器的维护而不是控制水压，因此不必通过对其转速控制。

6 电控程序设计
6.1 泵站软件的设计分析
(1) 由“恒压”要求出发的工作组数量的管理
为了恒定水压，那么在水压降低时，需要升高变频器的输出频率，并且在一台水泵工作是不能满足恒压要求时，这时需要启动第二台或第三台水泵。这样有一个判断标准来决定是否需要启动新泵即为变频器的输出频率是否达到所设定的频率上限值。这一功能可以通过比较指令来实现。为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应滤去偶然因素所引起的频率波动所达到的频率上限值的情况，在程序中应考虑采取时间滤波情况。
(2) 台组泵站泵组的管理规范
由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，有规定各台水泵必须交替使用，那么多台组泵站泵组的投入运行需要有一个管理规范。在本次设计中控制要求中规定任意的一台水泵连续运行不得超过3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵的时候，以新运行泵为变频是合理的。具体的操作时，将现运行的变频器从变频器上切除，并且接上工频电源加以运行，同时将变频器复位并且用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，在本设计中所使用的是用泵号加1的方法来实现变频器的循环控制即3加上1等于0的逻辑，用工频泵的总数结合泵号来实现工频泵的轮换工作。
6.2 程序的结构及程序功能的实现
根据前面可知，PLC在恒压供水系统中的功能比较多，由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可以分为三个部分:主程序、子程序和中断程序。
(1) 系统的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能来实现PID控制的定时采样及输出控制。初始化子程序流程框图如图5。在初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其主要的用途为节省大量的扫描时间加快整个程序的运行效率，提高了PID中断的精确度。上电处理的作用是CPU进行清除内部继电器，复位所有的定时器，检查I/O单元的连接。

图5 初始化程序
(2) 主程序流程图如图6。其功能最多，如泵的切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等等都在主程序中。生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字式方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定为满量程的70%，消防供水时系统设定为满量程的90%。本系统中的增益和时间常数为:增益 Kc=0.25，采样时间Ts=0.2s，积分时间Ti=30min。

图6 主控制程序
(3) 中断程序如图7，其作用主要用于PID的相应计算，在PLC的常闭继电器SM0.0的作用下工作，它包括:设定回路输入及输出选项、设定回路参数、设定循环报警选项、为计算指定内存区域、指定初始化子程序及中断程序。

图7 中断程序

7 结束语
恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。
水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。
由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。正因为此，系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。
在实际应用中，采用PLC控制恒压供水，还能容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC控制系统具有更大的灵活性和通用性。