王曉瑜

（1. 西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；2. 西安外事學(xué)院 工學(xué)院，西安 710077）

基于PLC 和HMI的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉瑜1,2

（1. 西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；2. 西安外事學(xué)院 工學(xué)院，西安 710077）

介紹用三菱FX2N PLC、變頻器和人機(jī)界面，設(shè)計(jì)恒壓供水控制系統(tǒng)。分析系統(tǒng)的控制原理，設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖及軟件程序。實(shí)踐結(jié)果證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性好，實(shí)現(xiàn)住宅恒壓供水和節(jié)能的環(huán)保要求。

恒壓供水；PLC；變頻器；HMI

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，城市高層建筑供水問(wèn)題日益突出，一方面要求提高供水質(zhì)量，不能因壓力的波動(dòng)造成供水障礙，另一方面要求保證供水的安全性及可靠性。而傳統(tǒng)的水塔供水方式暴露了很多缺點(diǎn)：用水高低峰的不平衡，管道閥門易損壞，維修保養(yǎng)費(fèi)用過(guò)高，水的二次污染等等。為此，筆者結(jié)合某礦務(wù)局商住樓生活供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出基于PLC和HMI的變頻恒壓供水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)該礦務(wù)局商住樓恒壓供水和節(jié)能的環(huán)保要求。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該商住樓地上共10層，一層為商鋪，地下1層，給水泵房及機(jī)械停車庫(kù)皆位于負(fù)一層，建筑高度35米。地下1層（低區(qū)）由市政管網(wǎng)直接供水，3層～10層（中區(qū)）由生活泵房的變頻調(diào)速恒壓給水設(shè)備供水。

中區(qū)恒壓供水控制系統(tǒng)由一臺(tái)PLC、一臺(tái)帶內(nèi)置PID控制器的變頻器、壓力傳感器、水泵機(jī)組、儲(chǔ)水罐、儲(chǔ)能罐等組成。恒壓供水控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1中水泵機(jī)組采用兩臺(tái)水泵運(yùn)行的方式；一臺(tái)是主泵，另一臺(tái)是備用泵。兩泵用一臺(tái)變頻器控制交替工作，兩臺(tái)水泵都能軟啟動(dòng)和軟停止。這樣不僅可以減少水壓對(duì)管道的沖擊，還能夠改善水錘效應(yīng)，避免設(shè)備的損壞，同時(shí)加裝儲(chǔ)能罐以消除水錘效應(yīng)。

圖1 恒壓供水控制系統(tǒng)原理圖

工作中由壓力傳感器檢測(cè)實(shí)際的出水管壓力，壓力傳感器把檢測(cè)到的壓力信號(hào)變成模擬信號(hào)(電壓或電流信號(hào)，本系統(tǒng)采用電壓信號(hào))，并把該信號(hào)送給變頻器，由變頻器中的PID運(yùn)算。PLC根據(jù)壓力的情況控制變頻器提速或降速(由變頻器的多段速控制)。當(dāng)用水量小時(shí)，變頻器控制一臺(tái)水泵在低速下運(yùn)行；當(dāng)用水量大時(shí)，變頻器控制水泵在高速下運(yùn)行；當(dāng)用水量極大或發(fā)生火災(zāi)及其他需要大量用水時(shí)，由PLC控制兩臺(tái)水泵同時(shí)啟動(dòng)，以保證壓力的穩(wěn)定。為了延長(zhǎng)水泵的使用壽命，讓兩臺(tái)水泵每4小時(shí)循環(huán)工作，以避免水泵長(zhǎng)時(shí)間不用而生銹。另外儲(chǔ)水罐的進(jìn)水管和出水管除了有電動(dòng)閥門還有手動(dòng)閥門，防止電動(dòng)閥門出現(xiàn)故障時(shí)影響供水。系統(tǒng)中增加了人機(jī)界面HMI，在人機(jī)界面里能顯示系統(tǒng)的故障、運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)可以向?qū)降膶?duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，使得系統(tǒng)控制更加方便明了（恒壓供水系統(tǒng)主電路單元、控制回路單元及人機(jī)界面單元等圖略，若有需求，可向筆者索?。1,5]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)PLC的選擇與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所需的I/O點(diǎn)數(shù)為28點(diǎn)輸入，23點(diǎn)輸出，從控制系統(tǒng)功能和信價(jià)比考慮，選擇PLC為三菱FX2N-64MR。該型號(hào)PLC有32點(diǎn)輸入，32點(diǎn)輸出，滿足本系統(tǒng)的要求，PLC端子接線圖如圖2所示（I/O地址分配表略，若有需求，可向筆者索取）。

圖2 PLC端子接線圖

2.2 變頻器選擇

經(jīng)計(jì)算，中區(qū)供水設(shè)計(jì)流量50m3/h,泵揚(yáng)程48米。根據(jù)計(jì)算參數(shù)，選擇離心式水泵ISG 80-50-200(2臺(tái))，配帶電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y160M2-2，功率為15 KW (2臺(tái))；據(jù)此選變頻器為HLP-P風(fēng)機(jī)/水泵專用變頻器，型號(hào)為HLP-P18D543B，功率18.5KW。該變頻器具有高輸出轉(zhuǎn)速和強(qiáng)的抗干擾能力，有PID控制與上、下限控制兩種控制方式，具有一拖六功能，可實(shí)現(xiàn)變頻、工頻的自動(dòng)切換，具有自動(dòng)穩(wěn)壓和節(jié)能運(yùn)行等功能，變頻器壓力反饋PID控制方框圖如圖3所示[2,3,6]（端子接線圖略，若有需求，可向筆者索?。?/p>

圖3 壓力反饋PID控制方框圖

從圖3中可知，通過(guò)來(lái)自遠(yuǎn)端壓力表的反饋值與設(shè)定值的比較，經(jīng)變頻器PID控制時(shí)的輸出頻率限制設(shè)定的百分比，一次延時(shí)使系統(tǒng)的震蕩減緩，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的控制輸出。

2.3 壓力傳感器選擇

選用的傳感器為：MD-W恒壓供水壓力傳感器，該傳感器是專門為變頻恒壓供水系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的傳感器，采用抗變頻干擾電路，保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

2.4 人機(jī)界面的選擇

選用的HMI是Eview 公司的MD204L, MD204L是一個(gè)小型的人機(jī)界面，操作人員可通過(guò)編程軟件TP200在計(jì)算機(jī)上面制作畫面，自由輸入漢字及PLC地址并使用串行通訊下載畫面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的顯示、報(bào)警及人機(jī)操作等功能（其他低壓元器件選型及規(guī)格型號(hào)略，若有需求，可向筆者索?。?。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)（如圖4所示）

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)PLC 電氣控制部分設(shè)計(jì)的核心，根據(jù)控制要求，確定控制的操作方式，應(yīng)完成的動(dòng)作，以及必須的保護(hù)和連鎖,還要確定所有的控制參數(shù)

本程序分為主程序和子程序兩部分，在主程序中主要完成系統(tǒng)的初始化及模式的選擇。

系統(tǒng)的初始化主要包括變頻器、人機(jī)界面、PLC、水位、閥門及多段速的初始速度等的初始化。當(dāng)初始化結(jié)束后進(jìn)入自動(dòng)/手動(dòng)模式的選擇。

當(dāng)選擇了自動(dòng)模式，程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用自動(dòng)模式的子程序，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式。在自動(dòng)模式下，A泵先啟動(dòng)運(yùn)行，四個(gè)小時(shí)后自動(dòng)切換到B泵運(yùn)行，B泵運(yùn)行四個(gè)小時(shí)后，再次切換到A泵循環(huán)運(yùn)行。

手動(dòng)模式主要用于設(shè)備的調(diào)試，當(dāng)選擇了手動(dòng)模式，程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用手動(dòng)模式的子程序。在手動(dòng)模式下，A1閥、A2閥、B1閥、B2、閥、A泵及B泵都能單獨(dú)的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)選擇A（B）閥運(yùn)行，程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用A（B）閥子程序，如果在A（B）閥子程序中選擇A1（B1）閥或A2（B2）閥運(yùn)行，程序?qū)⒆詣?dòng)調(diào)用A1（B1）閥或A2（B2）閥的子程序。開始A1（B1）閥或A2（B2）閥的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。在此過(guò)程中運(yùn)用了子程序的嵌套使用方法。當(dāng)A（B）閥開啟后，選擇A（B）泵啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用A（B）泵子程序，并點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行（具體程序略，若有需求，可向筆者索取）[5]。

3.3 人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)

人機(jī)界面的編程軟件采用MD204L專用的組態(tài)軟件TP200 V4.0.0，與PLC編程口直接相連實(shí)現(xiàn)通訊。主菜單如圖5所示（其它菜單略）[4]。

圖5 人機(jī)界面主菜單

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于 PLC 和HMI的恒壓供水控制系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中PLC控制變頻器進(jìn)行PID運(yùn)算，根據(jù)不同階段的用水情況通過(guò)調(diào)節(jié)頻率選擇適當(dāng)?shù)膲毫Ψ秶?，用人機(jī)界面顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和對(duì)系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。系統(tǒng)中水泵機(jī)組軟啟動(dòng)、交替循環(huán)工作方式使電網(wǎng)和管網(wǎng)免受沖擊，無(wú)水錘現(xiàn)象，延長(zhǎng)泵和閥等器件的使用壽命。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)的壓力范圍可以通過(guò)頻率的調(diào)節(jié)而變化，所以，既節(jié)約了水資源，又節(jié)約了電能，同時(shí)避免了水源的二次污染。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：利用PLC控制變頻器進(jìn)行PID運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)分級(jí)調(diào)速，結(jié)合HMI的應(yīng)用，使得系統(tǒng)的狀態(tài)顯示與控制更加靈活方便。該供水系統(tǒng)工作可靠、效率高，在節(jié)約水資源和電能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)礦務(wù)局商住樓恒壓供水的目的。

[1] 三菱公司FX2N系列PLC軟. 硬件手冊(cè)[M]. 2003.

[2] 海利普變頻器(HOLIP-P)使用說(shuō)明書.

[3] 海利普變頻器選型手冊(cè), 2009.3.12.

[4] MD204Lv4中文使用手冊(cè).

[5] 高層住宅變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化), 2007, 23.

[6] 變頻調(diào)速技術(shù)在采暖恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用. 電氣自動(dòng)化, 2007, 29(5).

Design of constant pressure water supplying system with frequency conversion based on PLC and HMI

WANG Xiao-yu1,2

TN773

A

1009-0134(2011)5(下)-0120-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).36

2010-12-23

王曉瑜（1974－），女，陜西西安人，高級(jí)工程師，博士研究生，主要從事機(jī)械電子工程教學(xué)與科研工作。