趙東波

(浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

城市小區(qū)供水存在著白天用水量大、夜間用水量小甚至無人用水等特點.早期的供水系統(tǒng)為了保證小區(qū)用戶隨時都能放出水來，供水水泵不得不在固定頻率狀態(tài)下一直不停地運轉(zhuǎn)，以保證一定的供水壓力.為滿足不同情況下用水量的需求，需要采用人工操作的方法，通過接通或斷開接觸器控制投入運行的泵的數(shù)量.此類方法一方面無法對供水管道內(nèi)的壓力和水位變化做出及時、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，另一方面也造成了能源的較大浪費，而且容易造成“水錘效應(yīng)”，電動機的損耗也較大，容易出現(xiàn)損壞.盡管后來也出現(xiàn)了一些新的供水方式，如恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力藕合器和電池滑差離合器調(diào)速等［1］，但由于存在這樣或那樣的問題，一直沒有很好地解決城市供水高效節(jié)能的問題.

變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)，為城市供水提供了新的設(shè)計思路.采用變頻調(diào)速的供水系統(tǒng)，它能夠根據(jù)用水量的多少，及時調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速和數(shù)量，以增加或減少供水量，實現(xiàn)恒壓供水［2－4］.而可編程控制器(PLC)作為一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的新型工業(yè)自動控制裝置，它以微處理機為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技技術(shù).它的出現(xiàn)，使得變頻調(diào)速控制更加靈活、更加可靠.觸摸屏作為一種新型的人機界面，它的簡單易用，強大的功能及優(yōu)異的穩(wěn)定性使它非常適合用于自動化控制環(huán)境.用戶通過相應(yīng)的觸摸屏組態(tài)編程軟件可以自由地組合文字、按鈕、圖形、數(shù)字等來處理或監(jiān)控管理隨時可能變化的信息.隨著機電設(shè)備的飛速發(fā)展，以往的操作界面需由熟練的操作員才能操作，無法提高效率.但使用人機界面，能明確指示并告知操作員機器設(shè)備目前的狀況，使操作變得簡單生動.使用觸摸屏，還可以使機器配線標(biāo)準(zhǔn)化，簡單化，同時也能減少可編程控制器控制所需的1/0點數(shù)，降低生產(chǎn)成本，也相對提高整套設(shè)備的附加價值等［5－6］.

將PLC與觸摸屏結(jié)合起來控制變頻恒壓供水系統(tǒng)，使得PLC的應(yīng)用更加靈活，同時可以設(shè)置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)，并可以動畫等形勢描繪自動化過程，使得PLC的應(yīng)用實現(xiàn)可視化.同時能夠簡化系統(tǒng)的設(shè)計過程，縮短設(shè)計周期，提供系統(tǒng)的設(shè)計效率.

1 觸摸屏與PLC控制的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)方案

小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)部分和電氣控制部分兩部分組成.機械結(jié)構(gòu)安裝示意圖(見圖1).

圖1 小區(qū)供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝示意圖

來自市網(wǎng)的自來水經(jīng)過手動隔離閥和電動進(jìn)水閥后注入水池.水池上安裝有兩個液位傳感器:高位傳感器和低位傳感器.當(dāng)水池的水位低于低位傳感器時，電動進(jìn)水閥打開，開始進(jìn)水，隨著水位的升高，達(dá)到高位傳感器位置時，傳感器動作，進(jìn)水閥關(guān)閉.小區(qū)用三個水泵提供供水，根據(jù)管網(wǎng)中壓力傳感器所反饋的壓力值，三個水泵和出水電動閥依次動作.當(dāng)水位低于低位傳感器時，三個水泵均不工作.系統(tǒng)中手動隔離閥主要用于設(shè)備檢修和緊急故障情況下使用.

系統(tǒng)電氣控制部分由PLC、觸摸屏、控制面板、傳感器、變頻器、水泵、供水管道等組成.控制面板上提供一些簡單的控制按鈕，如手動/自動選擇開關(guān)、起動按鈕、停止按鈕、急停按鈕等.觸摸屏主要用于顯示相關(guān)信息，設(shè)置及修改系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，代替相關(guān)控制按鈕減少PLC的輸入輸出點等.水位檢測傳感器用于檢測水箱的水位.壓力變送器用于檢測供水管網(wǎng)的水壓值.PLC是整個控制系統(tǒng)的核心，它根據(jù)觸摸屏、控制按鈕、傳感器等信號的輸入值，確定實時控制算法，用以驅(qū)動變頻器、水泵、閥門動作.變頻器作為一種對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，它跟蹤供水控制器的控制信號改變水泵的運行頻率，完成對供水水泵的速度控制.

系統(tǒng)的工作原理描述如下:系統(tǒng)將觸摸屏設(shè)定的管網(wǎng)壓力與壓力變送器傳回來的管網(wǎng)壓力值相比較，然后利用PLC中的PID算法，計算其輸出值，并通過Profibus總線輸入到變頻器的通信端口上，改變變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制水管中壓力的要求.系統(tǒng)能夠根據(jù)用水量的大小，控制水泵的轉(zhuǎn)速和投入運行的水泵的數(shù)量.當(dāng)用水量增大時，提高變頻，使水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水量.當(dāng)用水量超過一臺水泵的供水量時，起動新的水泵以增加供水量;當(dāng)用水量減少時，降低水泵電機的頻率，使水泵轉(zhuǎn)速降低，或減少投入運行的水泵數(shù)量，減少供水量，直至滿足要求.

2 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 主要設(shè)備選擇

2.1.1 PLC 的選擇

考慮到系統(tǒng)的可靠性和性價比，系統(tǒng)選用德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列PLC.根據(jù)輸入輸出點數(shù)的多少，并考慮一定的余量，PLC主機選用CPU224XP.它具有14個數(shù)字量輸入點、10個數(shù)字量輸出點，2個模擬量輸入點和1個模擬量輸出點.擴展觸點模塊采用EM222，它具有4個數(shù)字量輸出點.

2.1.2 變頻器的選擇

對變頻器的選擇主要考慮其所驅(qū)動的負(fù)載特性、穩(wěn)定性、品牌、性價比等幾個因素.系統(tǒng)中選用了西門子公司生產(chǎn)的MM430型7.5 kW變頻器.該變頻器是一種專用于風(fēng)機泵類的變頻器.它采用了模塊化結(jié)構(gòu)，具備了完善的電動機和變頻器保護(hù)功能、過壓/欠壓保護(hù)、外部故障保護(hù)功能、以及無水監(jiān)測功能等.

2.1.3 觸摸屏的選擇

系統(tǒng)選用EVIEW公司生產(chǎn)的MT4300C觸摸屏，它具有較高的性價比.該觸摸屏擁有5.6英寸TFT液晶顯示屏，分辨率達(dá)320×234像素，液晶壽命可達(dá)50000 h.65536色顯示方式使觸摸屏的表達(dá)更加豐富多彩.支持多串口同時通訊功能，USB通訊口大大加快了用戶組態(tài)的下載速度.簡單易用而又功能強大的EV5000組態(tài)軟件使用戶能以最快的速度掌握其設(shè)計方法，并能設(shè)計出豐富多彩的作品.

2.2 主電路設(shè)計

控制系統(tǒng)的主電路(見圖2).

圖2 主電路圖

3臺水泵電機分別為1#、2#、3#電機.QF1為整個電路的三相電源控制開關(guān)，QF2、QF3、QF4、QF5分別為變頻器和3臺水泵電機主回路的隔離開關(guān).接觸器 KM1、KM3、KM5 分別控制 1#、2#、3#電機的變頻運行;接觸器 KM2、KM4、KM6 分別控制1#、2#、3#電機的工頻運行，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為3臺水泵電機的過載保護(hù)用的熱繼電器.

2.3 PLC輸入輸出接線圖

PLC主機及擴展模塊輸入輸出點分配及外部接線圖(見圖3).

數(shù)字量輸入點10.0、10.1用于手動模式和自動模式切換;10.2～10.4用于控制系統(tǒng)起動和停止;10.5、10.6用于檢測水池的水位.模擬量輸入點AIW0用于接入用戶管網(wǎng)中的水壓信號.數(shù)字量輸出點Q0.0～Q0.3用于進(jìn)出水閥的控制;Q0.4～Q1.1用于3臺電機的變頻或工頻控制;Q1.2用于變頻器運行異常指示.

2.4 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求設(shè)置了以下幾個組態(tài)畫面:開機顯示的首頁面、主操作界面、手動控制頁面、自動控制頁面、參數(shù)設(shè)置頁面、狀態(tài)顯示頁面等(見圖4).

圖3 PLC輸入輸出點分配及外部接線圖

圖4 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計

觸摸屏起動后，首先顯示初始頁面，單擊其中的“進(jìn)入”按鈕，可以進(jìn)入主操作畫面.在主操作畫面中提供了“參數(shù)設(shè)置”、“狀態(tài)顯示”、“手動控制”、“自動控制”、“操作說明”、“返回首頁”6個操作按鈕，用戶用手點擊相應(yīng)按鈕，可進(jìn)入相應(yīng)畫面.手動控制畫面中用戶可單獨控制每臺水泵變頻或工頻起動與停止，以及相關(guān)閥門的開與閉等.自動控制頁面中提供了兩個按鈕.點擊“自動起動”按鈕系統(tǒng)即按照設(shè)置的相關(guān)參數(shù)值自動起動和停止相關(guān)水泵和閥門，單擊“自動停止”按鈕即可停止系統(tǒng)運行.狀態(tài)顯示頁面顯示系統(tǒng)中各個水泵的工作狀態(tài)、電機的工作頻率以及供水管網(wǎng)的壓力設(shè)定值和當(dāng)前值等.參數(shù)設(shè)置頁面中可設(shè)置供水管網(wǎng)的工作壓力，并可顯示系統(tǒng)當(dāng)前的時間.

2.5 PLC軟件程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程分為手動控制和自動控制兩個主要部分.系統(tǒng)總體流程設(shè)計(見圖5).

在參數(shù)設(shè)置階段，主要進(jìn)行一些初始化參數(shù)的設(shè)置，如PID回路參數(shù)表的設(shè)置，管網(wǎng)水壓的設(shè)置，變頻器初始頻率的設(shè)置等.系統(tǒng)為了提供更好的供水效果，將每天按用水曲線分成幾個時段，不同的時段采用不同的壓力設(shè)定值，程序根據(jù)PLC提供的實時時鐘自動修改設(shè)定.同時管理人員也可以根據(jù)實際運行情況手動修改壓力值.

(1)水池水位檢測與控制程序

水池水位檢測與控制程序流程(見圖6).系統(tǒng)主要根據(jù)水池水位兩個液位傳感器的運行狀態(tài)實現(xiàn)進(jìn)水閥的打開與關(guān)閉.

圖5 系統(tǒng)總體控制流程

圖6 水池水位檢測與控制流程

(2)自動控制程序

圖7 系統(tǒng)自動控制流程圖

自動控制程序流程(見圖7).系統(tǒng)根據(jù)變頻器實際運行頻率和當(dāng)前用戶用水量的多少來決定是增加還是減少水泵運行的數(shù)量.系統(tǒng)初始上電時，先投入1#泵變頻運行，調(diào)節(jié)供水壓力，如果管網(wǎng)水壓達(dá)不到要求，則1#水泵變頻上升，轉(zhuǎn)速升高，以增大水壓.若當(dāng)1#水泵的頻率已升至最高50 Hz時，當(dāng)前壓力仍沒有達(dá)到設(shè)定值，則此時系統(tǒng)將1#泵切換為工頻狀態(tài)下運行，并將2#泵投入到變頻運行狀態(tài).同樣，若此時實際供水壓力仍低于設(shè)定值，則2#水泵變頻上升.若當(dāng)2#水泵的頻率已升至最高50 Hz時，當(dāng)前壓力仍沒有達(dá)到設(shè)定值，則系統(tǒng)將2#泵切換為工頻狀態(tài)下運行，并將3#泵投入到變頻運行狀態(tài)，直至1#、2#、3#泵均為工頻運行狀態(tài)為止.如果用戶的用水量減少，管網(wǎng)水壓值高于設(shè)定值，則需要進(jìn)行減泵與降頻處理，具體流程(見圖7(b)).

3 總結(jié)

本文采用PLC、觸摸屏和變頻器實現(xiàn)了小區(qū)的變頻恒壓供水控制.相對于傳統(tǒng)的供水技術(shù)而言，具有節(jié)能效益明顯、控制和保護(hù)功能完善、可實現(xiàn)機組的軟起動軟停機、泵機運行組合切換靈活方便等優(yōu)越性.該系統(tǒng)投入運行一年多來，系統(tǒng)操作方便，功能穩(wěn)定，可節(jié)能30%以上.

［1］方桂筍.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2008.

［2］徐占國，鄭鳳翼，潘桂林.圖解觸摸屏、PLC、變頻器綜合應(yīng)用工程實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［3］程玉華.西門子S7－200工程應(yīng)用實例分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［4］陳 浩.案例解說PLC、觸摸屏及變頻器綜合應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［5］劉 丹，山炳強，宮 玥.基于PLC和觸摸屏的接力供水控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.青島大學(xué)學(xué)報:工程技術(shù)版，2010，25(2):5 －9.

［6］佘國君，于蓮芝.PLC在變頻恒壓熱水供應(yīng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動化，2010，31(1):73 －76.