西門子PLC的工程應(yīng)用系列講座第2講 基于西門子PLC的恒壓供水系統(tǒng)
Water Supply System with the Constant Pressure Based on Siemens PLC

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李方園

恒壓供水方式與傳統(tǒng)供水方式相比，不論是設(shè)備的投資、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有節(jié)能效果。本文主要闡述了西門子PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。

西門子PLC；恒壓供水；變頻器；反饋原理

1 概述

用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。

根據(jù)反饋原理，要想維持一個(gè)物理量不變或基本不變，就應(yīng)該用這個(gè)物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。要想保持水壓的恒定，根據(jù)反饋定理在管網(wǎng)系統(tǒng)上安裝了壓力變送器作為反饋元件，引入水壓反饋值與給定值比較，并通過變頻器來調(diào)節(jié)供水量，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。

2 恒壓供水系統(tǒng)的配置

某恒壓供水系統(tǒng)包括11kW給水泵2臺(tái)，一工泵一變頻；7.5kW循環(huán)泵2臺(tái)（工頻）；3.5kW冷卻塔風(fēng)機(jī)2臺(tái)（工頻）；3kW洗澡水泵1臺(tái)（工頻）。其中電氣系統(tǒng)由檢測(cè)部分、控制部分和執(zhí)行部分組成。電氣系統(tǒng)的檢測(cè)部分包括：管網(wǎng)水壓檢測(cè)儀，給水池和會(huì)水池水位高度檢測(cè)浮球，電機(jī)熱保護(hù)繼電器，變頻器故障信號(hào)繼電器。電氣系統(tǒng)的控制部分包括：恒壓供水系統(tǒng)控制核心PLC，手動(dòng)控制面板，手動(dòng)控制開關(guān)，二次控制儀表，電器輔助元件。電氣系統(tǒng)的執(zhí)行部分包括：電機(jī)變頻器，電動(dòng)水閥，水泵電機(jī)，冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)，聲光報(bào)警器，柜內(nèi)電器執(zhí)行元件，如：交流接觸器，中間繼電器。圖1是恒壓供水系統(tǒng)中給水泵變頻器控制回路。

圖1 給水泵變頻器控制回路

恒壓供水系統(tǒng)中西門子S7-200 PLC及其I/O資源定義如圖2和表1所示。

圖2 S7-200 PLC控制示意

表1 I/O資源定義

3 恒壓供水系統(tǒng)的工藝控制與編程說明

本恒壓供水系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行兩種工作方式。設(shè)備運(yùn)行過程中操作人員必須經(jīng)常檢查給水池和回水池水位，水位必須符合水位要求，避免水位處在極限低水位上。圖3所示為恒壓供水系統(tǒng)的板面安裝示意。

圖3 板面安裝圖

自動(dòng)運(yùn)行為所有設(shè)備正常情況下采取的運(yùn)行方式，其特點(diǎn)在于設(shè)備系統(tǒng)投入后，控制單元自動(dòng)根據(jù)供水管網(wǎng)中供水壓力和用水流量，智能采取變頻控制和自動(dòng)智能投切工頻供水水泵，并根據(jù)用水量和水池水位自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)能檢測(cè)變頻器和各個(gè)水泵電機(jī)的工作情況，如果變頻器和水泵電機(jī)有故障則自動(dòng)切除設(shè)備并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（1）手動(dòng)運(yùn)行

手動(dòng)運(yùn)行為設(shè)備在發(fā)生故障或在檢修狀態(tài)時(shí)使用，手動(dòng)狀態(tài)可以作為整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)急狀態(tài)使用，但必須要確保給水池和回水池水位符合要求，即確保水池水位不在極限低水位之下，以避免燒壞給水泵或回水泵。

手動(dòng)運(yùn)行方式前需要檢查確認(rèn)給水池和回水池水位，確保水位符合運(yùn)行要求，即水位應(yīng)該遠(yuǎn)高于極限低水位。將控制面板上手自動(dòng)選擇開關(guān)SB1旋轉(zhuǎn)至手動(dòng)位，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。在此狀態(tài)下SB2、SB3、SB4、SB5四個(gè)旋轉(zhuǎn)開關(guān)如果旋轉(zhuǎn)至啟動(dòng)位，則相應(yīng)的電機(jī)投入運(yùn)行，即分別對(duì)應(yīng)變頻供水泵、工頻供水泵、1#冷卻水泵和冷卻風(fēng)機(jī)、2#冷卻水泵和冷卻風(fēng)機(jī)。

將控制面板上SB2變頻供水啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)至啟動(dòng)位，恒壓供水系統(tǒng)投入手動(dòng)運(yùn)行。如果此時(shí)不投入其他電機(jī)，即SB3、SB4、SB5旋轉(zhuǎn)在停止位，則只有變頻供水泵投入工作。此時(shí)如果系統(tǒng)管網(wǎng)用水量＞100m3/h時(shí)，系統(tǒng)只報(bào)警，不會(huì)自動(dòng)投入工頻供水泵。

同理如果只將控制面板上SB3工頻供水啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)旋轉(zhuǎn)至啟動(dòng)位，則只有工頻供水泵投入運(yùn)行。如果同時(shí)將SB2、SB3旋轉(zhuǎn)至啟動(dòng)位，則變頻供水泵和工頻供水泵都投入運(yùn)行。此時(shí)如果系統(tǒng)管網(wǎng)用水量＞100m3/h，則兩臺(tái)泵中工頻供水泵以工頻狀態(tài)工作，而變頻供水泵根據(jù)管網(wǎng)供水水壓變化以變頻狀態(tài)工作。此時(shí)如果系統(tǒng)管網(wǎng)用水量≤100m3/h，則兩臺(tái)泵中工頻供水泵以工頻狀態(tài)工作，而變頻供水泵在通過以最低頻率延時(shí)后，變頻器停止變頻輸出，即1#變頻電機(jī)不轉(zhuǎn)，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

在手動(dòng)狀態(tài)下，分別旋轉(zhuǎn)SB4、SB5旋鈕開關(guān)至啟動(dòng)位，則1＃和2＃冷卻風(fēng)機(jī)及循環(huán)水泵分別投入運(yùn)行。

（2）自動(dòng)運(yùn)行

在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)管網(wǎng)壓力，并且根據(jù)供水流量來自動(dòng)投切工頻供水水泵。

當(dāng)系統(tǒng)用水流量≤100m3/h時(shí)，系統(tǒng)只投入變頻供水泵，并根據(jù)管網(wǎng)供水壓力大小來改變變頻器的輸出頻率，以便使得管網(wǎng)供水壓力保持在0.15～0.22MPa范圍內(nèi)恒定。

當(dāng)系統(tǒng)用水流量＞100m3/h時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到流量信號(hào)并延時(shí)5分鐘后，自動(dòng)投入工頻供水泵，并根據(jù)管網(wǎng)供水壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以便使得管網(wǎng)供水壓力保持在0.15～0.22MPa范圍內(nèi)恒定。

當(dāng)工頻供水泵投入后，如果系統(tǒng)檢測(cè)到管網(wǎng)用水流量≤100m3/h后延時(shí)5分鐘，自動(dòng)切除工頻供水泵，此時(shí)系統(tǒng)供水恢復(fù)到由變頻供水泵供水。

在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)給水池水位來自動(dòng)控制1#和2#冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的工作和補(bǔ)水電動(dòng)閥的開關(guān)。

當(dāng)給水池水位在-1.0m時(shí)，1#冷卻系統(tǒng)工作，即1#循環(huán)水泵投入，1#冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)投入。當(dāng)水位回升至-0.3m時(shí)，1#冷卻系統(tǒng)切除。

當(dāng)給水池水位在-1.7m時(shí)，2#冷卻系統(tǒng)工作，即2#循環(huán)水泵投入，2#冷卻塔冷卻風(fēng)機(jī)投入。當(dāng)水位回升至-1.0m時(shí)，2#冷卻系統(tǒng)切除。

當(dāng)給水池水位在-1.7m時(shí)，給水池補(bǔ)水電磁閥打開。當(dāng)水位回升至-1.0m時(shí)，給水池補(bǔ)水電磁閥關(guān)閉。

當(dāng)給水池水位在-2.4m以下時(shí)，系統(tǒng)給水池低水位報(bào)警，并且自動(dòng)切除變頻供水泵和工頻供水泵，以保護(hù)水泵和電機(jī)，當(dāng)水位恢復(fù)到-1.7m時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)自動(dòng)運(yùn)行。

恒壓供水系統(tǒng)主程序略，PLC程序變量說明如表2所示。

Compared with the traditional water supply method, the instant pressure water supply system has the incomparable advantages, such as low investment, operation economy, stability, reliability, energy-saving effect and so on. This paper describes the topic of the water supply system with the constant pressure based on Siemens PLC.

Siemens PLC; Water supply system with the constant pressure; AC inverter; Feedback principle