PLC和触摸屏控制在自动给水设备厂家供水系统中的应用

 

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额定供水量设计的，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  自动给水设备系统简介

    集团水厂自动给水设备系统由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。

    在自动给水设备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  自动给水设备控制对象

    根据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  自动给水设备系统工作原理

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较长的泵的电磁阀，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  自动给水设备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 符合SIEMENS公司PLC的RS-485通信协议;对PLC发回的响应帧，上位机 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。 

 

5  结束语

    在自动给水设备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。

 

全自动给水设备工作原理

      全自动给水设备的工作原理是根据用户用水量变化自动调节运行水泵台数和一台水泵转速，使水泵出口压力保持恒定.当用户用水量小于一台水泵出水量时，控制设备根据用水量的变化有一台水泵变频调整运行，当用水量增加时管道设备内压力下降，这时压力传感器把检测到的信号传送给微机控制单元，通过微机运行判断，发出指令到变频器，控制水泵电机，使转速加快以保证设备压力恒定，反之当用水量减少时，使水泵转速减慢，以保持恒压.当用水量大于一台泵出水时，一号泵切换到工频运行，二号泵开始变频调整运行，当用水量大于两台泵出水量时，将自动停止一台或二台泵运行.在整个运行过程中，始终保持设备恒压不变，使水泵始终工作在高效区，既保证用户恒压供水，又节省电能.

 

全自动设备设备介绍

     全自动给水设备由气压罐、水泵及电控设备三部分组成，其突出优点是，不需建造水塔，投资小、占地少，布置灵活，建成投产快。采用水气自动调节、自动运转、节能与自来水自动并网，停电后仍可供水，调试后不需看管。广泛用于企业单位、住宅区及农村的生产、生活、办公供水。适用于供水户在5000户以内，日供水量在3000m3以内场所，供水高度达100米以上。

全自动给水设备，一般设在地面或地下室。有自来水的单位，使用该设备可以调节高峰用水量，增加水压，能在高峰用水时，满足大面积用水和高楼层用水。没自来水的单位、工厂或农村，只需将该设备接通水源电源，即可得到稳定的水量水压，满足用水需要。

 

全自动给水设备原理

    全自动给水设备采用气压式供水。利用密封罐体，利用罐内高压气水压力达到供水目的。具体工作顺序是由水泵将水通过逆止阀压入罐体，使罐内气体受到压缩，压力逐渐增大。当压力达到指定上限时电接点压力表通过控制柜使泵机自动停止。设备中的水压高于外界管网压力，自动送水至供水管网。当罐体内水位下降，罐内气体膨涨压力减小到指定的下限位置时，电接点压力表通过控制柜使水泵重新启动。如此反复，使设备不停供水。当罐内气体不足时，补气阀可自动补气。

 

全自动给水设备应用范围： 

1、普通住宅楼、商住楼、居民小区的生活消防供水。

2、高层建筑、 宾馆饭店的生活消防供水。

3、综合楼、写字楼、俱乐部等建筑物的生活消防供水。

4、各种类型的恒压厂及供水加压泵站。

5、工矿企业的生产、生活供水、恒压供应的工艺流程用水。

6、生活小区、学校，宾馆，高层建筑等的热水供应系统或热水采暖系统。

7、各种类型的循环水、冷却水供应系统。

8、深水井（深水泵、潜水泵）恒压无塔供水设备。

9、污水处理厂、排水站的自动恒压液位控制。

10、石油、化工等行业输送石油及含酸碱等的液体系统。

 

全自动给水设备常用组合方式

立式系列全自动给水设备吨位为2－20吨，系立式供水设备，具有占地面积小的优点，以水井或蓄水池做水源，适用于地面面积小，用水量少的用户。

卧式系列全自动给水设备吨位为10－100吨，系卧式供水设备，以水井或蓄水池做水源，适用于企业事业单位，农村等用水量较大的用户使用。

 

全自动给水设备主要技术指标 

1、供水流量：5-5000m3/h 

2、供水压力范围：0.1-1.5Mpa  

3、供电电源：38V/220V10%AC(三相) 

 4、环境温度：0℃～+40℃ 

 5、相对湿度：90%以下