全自动PLC在双恒压无塔供水系统中的应用

 

      根据小区用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了小区原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。提出以利用自来水水压供水与水泵提水相结合的方式，并配以变频器、PLC、压力传感器、液位传感器等不同功能等传感器，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。从而可以解决因楼层太高导致压力不足及小流量时能耗大的问题。

      双恒压供水控制系统是以PLC控制为核心， 变频调速技术为基础， 并结合压力传感器、变频器、水泵、继电器、接触器等成。在此系统中，PLC将压力设定值与测量值的偏差经PID运算后得到的控制量作用到变频器，从而通过变频器控制水泵的转速调节管网的力， 实现恒压供水的目的。

 

      变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。

      随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC 控制的恒压无塔供水系统。恒压供水包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制—既双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

      PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。

 

双恒压无塔供水系统PLC的构成

      从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置.

 

双恒压无塔供水系统PLC的应用领域

      目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况主要分为如下几类：

(1) 开关量逻辑控制

      取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

(2) 工业过程控制

      在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的一种调节方法。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

 

双恒压无塔供水系统PLC的应用特点

(1) 可靠性高，抗干扰能力强

      高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统将极高的可靠性。

(2) 配套齐全，功能完善，适用性强

      发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 

(3) 易学易用，深受工程技术人员欢迎

      PLC是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门。

(4) 系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造

      PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易起来，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适合多品种、小批量的生产场合。

5． PLC应用中需要注意的问题

      PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

 

双恒压无塔供水系统工艺过程及控制要求

(一)系统工艺流程

      随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC 控制的恒压无塔供水系统。恒压供水包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制—既双恒压系统。恒压供水保证了供水的质量，以PLC 为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。

       下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程。如图2-1所示，市网来水用高低水位控制器EQ 来控制注水阀YV1，它们自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低位信号也直接送给PLC，作为低水位报警用。为了保证水的连续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2 处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态（生活用水低恒压值）下进行；当有水灾发生时，电磁阀YV2 得电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高压恒压值）下进行。火灾结束后，三台再改为生活供水使用。

(二)系统控制要求

对三泵生活/消防双供水系统的基本要求是：

  1)生活供水时，系统应低恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行。

  2)三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则接入和退出在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免一台泵工作时间过长。

  3)三台泵在启动时要有软启动功能。

  4)要有完善的报警功能。

  5)对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

(二)PLC的选型

      从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点6 个、开关量输出点12 个；模拟量输入点一个、模拟量输出点1 个。如果选用CPU224PLC，也需要扩展单元；如果选用CPU226PLC，则价格较高，浪费较大。参考西门子S7—200 产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU222一台，加上一台扩展模块EM222，再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。这样的配置是最经济的。整个PLC 系统的配置如图3-1所示:

 

双恒压无塔供水系统软件设计

      本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。逻辑运算及报警处理等放在主程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID 控制的定时采样及输出控制。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。在本系统中，只是用比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定但还需要进一步调整以达到最优控制效果。

 

      本文由恒压供水系统原理、恒压供水系统的电气实现、系统的硬件选型、系统的硬件电路设计和软件电路设计等，本设计一共包含四大章设计内容，其主体是由变频技术、压差—恒压自动转换技术，是现阶段水处理行业较为先进的供水方法。本系统与现在普通供水系统相比，具有简单经济、控制方便、节能降耗的优点。

      首先，普通供水系统只能单纯手动控制电机的启动和切换，这样在电机启动时会产生很大的启动电流，长此以往对电机寿命有很大损害，而且在供水时一直按工频全速运转效率低、能耗大。而本系统可根据实际压力变化自动调整变频器频率，从而改变电机转速，减少了能量的消耗。

      其次，普通恒压供水在用水量变化较大时有高效、节能的优点，但在用水量很小的情况下，如晚上，变频器工作在出水频率附近时耗电量增大。而本系统通过压差—恒压自动转换技术和微泄露补偿技术解决了这个难题。

      再次，本设计运行维护简单方便，对于操作人员不要求具备专业的水处理知识，只根据操作说明书和操作规程就可以对整个水厂进行操作管理，因此，采用此设计建设的水厂适应性强，在现阶段很受客户的欢迎。这种水处理技术未来发展前景很大，它的供水方式和控制方式都符合供水发展方向，是现代人们生活所要求的并且前景光明。