黃家偉

（廣西北海市供水有限責(zé)任公司，廣西北海536000）

PLC與變頻器在凈水恒壓供水改造中的應(yīng)用

黃家偉

（廣西北海市供水有限責(zé)任公司，廣西北海536000）

PLC技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展以及解決實(shí)際社會(huì)需求方面都有著重要的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也在恒壓供水系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，文章主要根據(jù)凈水恒壓供水系統(tǒng)中存在的不足，就PLC與變頻器在凈水恒壓供水改造中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

凈水恒壓供水改造；PLC；變頻器；應(yīng)用分析

水是生命之源，在人類的生活以及生產(chǎn)活動(dòng)中都發(fā)揮著重要作用，水之源是供水企業(yè)的根本及條件，準(zhǔn)確掌握水源情況才能準(zhǔn)備計(jì)劃好城市用水供給，定位城市的生存與發(fā)展。因此，公司水源井群明確井群水位對(duì)于保證正常的生活和生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，然而現(xiàn)階段公司對(duì)于水位的監(jiān)測(cè)存在一定的弊端，造成水源回水反映計(jì)算數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真。水源井水位過(guò)高或過(guò)低都會(huì)存在一定的危害：①水位太低，潛泵抽空，空載運(yùn)行縮短潛泵壽命，長(zhǎng)期地下補(bǔ)水不足，危害泵井。②水位過(guò)高，潛泵安裝高程不調(diào)整，增加電耗，造成成本增加。隨著PLC以及變頻器在多個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用，PLC以及變頻器為凈水恒壓供水改造提供了重要依據(jù)，文章結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，就PLC與變頻器在凈水恒壓供水改造中的應(yīng)用分析如下：

1 PLC概述

（1）PLC基本組成。PLC是可編程邏輯控制器的英文縮寫，PLC的基本組成主要有電源、中央處理單元、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路、功能模塊、通信模塊等六大組成部分，而每一部分對(duì)于PLC均發(fā)揮著重要作用，其中電源是保障整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，考慮到整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，除了常規(guī)的系統(tǒng)電源外，還存在備用電源以及掉電保護(hù)等；中央處理單元在PLC系統(tǒng)中作為關(guān)鍵的控制中樞，具有核心地位作用，在邏輯運(yùn)算以及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中相關(guān)硬件運(yùn)行監(jiān)測(cè)方面都可發(fā)揮作用，比如：對(duì)電源運(yùn)行的監(jiān)測(cè)，對(duì)存儲(chǔ)器、I/O所處狀態(tài)的監(jiān)測(cè)等，根據(jù)實(shí)際要求，可采用多個(gè)中央處理單元，這樣有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及運(yùn)算能力；系統(tǒng)軟件以及相關(guān)應(yīng)用軟件的儲(chǔ)存主要保存在存儲(chǔ)器中；根據(jù)PLC在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，通過(guò)輸入輸出電路完成相關(guān)數(shù)據(jù)信息的傳輸以及保存；根據(jù)PLC在應(yīng)用中的具體功能要求，設(shè)置相應(yīng)的功能模塊，比如：計(jì)數(shù)模塊、定位模塊等；PLC與相關(guān)系統(tǒng)之間的信息共享則需要借助于通信模塊。通過(guò)上述不同部分的協(xié)調(diào)配合，保證了PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）PLC功能分析。PLC屬于面向用戶的專用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用中具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、通用性強(qiáng)、功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單、體積小以及維護(hù)方便等特點(diǎn)，在具體應(yīng)用過(guò)程中，PLC具有以下功能：①開關(guān)量控制，在工業(yè)機(jī)械化發(fā)展過(guò)程中，PLC可以結(jié)合按鈕、限位開關(guān)、檢測(cè)信號(hào)等循環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)操作的自動(dòng)化控制，提高了相關(guān)操作的自動(dòng)化水平；②數(shù)據(jù)處理功能，PLC在運(yùn)用過(guò)程中可以根據(jù)四則運(yùn)算指令，在采集數(shù)據(jù)后完成數(shù)據(jù)的分析、處理，并依靠相關(guān)數(shù)據(jù)為實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)提供參考；③計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)功能，PLC能夠采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理，因而根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置好相關(guān)的數(shù)據(jù)以及時(shí)間間隔完成生產(chǎn)活動(dòng)中的計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)控制功能。

2 凈水恒壓供水現(xiàn)狀以及改造要求

公司三個(gè)供水廠水源井現(xiàn)階段在供水過(guò)程中主要采用人工檢測(cè)方法實(shí)施對(duì)水位監(jiān)測(cè)，考慮到實(shí)際操作要求，實(shí)際的水位監(jiān)測(cè)在每個(gè)季度僅有一次，一年四次對(duì)水位的監(jiān)測(cè)，雖然增加人為勞動(dòng)強(qiáng)度，但伴隨天氣季節(jié)性變化，地下水源回水補(bǔ)給變化很大，無(wú)法準(zhǔn)確達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位目的，因而在水位過(guò)低的情況下，會(huì)直接影響到水泵的正常供水量和水質(zhì)，長(zhǎng)期低水位還會(huì)影響管井壽命，對(duì)于實(shí)際的供水生產(chǎn)和生活質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生影響。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在深井中加裝水位計(jì)，通過(guò)水位計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，并依靠PLC將水位參數(shù)發(fā)送到水廠中控室，根據(jù)中控室中控系統(tǒng)累計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的監(jiān)測(cè)，但是當(dāng)中控電腦出現(xiàn)故障的情況下，會(huì)終止數(shù)據(jù)的累計(jì)計(jì)算，影響到實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果。基于此，文章結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)PLC工程，通過(guò)修改PLC程序?qū)崿F(xiàn)水泵運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)累計(jì)功能，累計(jì)數(shù)據(jù)保存在PLC中，然后實(shí)時(shí)上傳到中控系統(tǒng)，消除中控電腦出現(xiàn)故障后相關(guān)數(shù)據(jù)沒(méi)有累計(jì)的問(wèn)題，確保能夠?yàn)閷?shí)際的水位監(jiān)測(cè)提供參考，便于及時(shí)掌握水位變化，做到合理水源開采，保證正常的供水安全需要。

3 改造所需系統(tǒng)構(gòu)件

根據(jù)改造需要，改造需要采用的系統(tǒng)構(gòu)件主要有：①可編程控制器PLC，具體可采用的是日本MITSUBISHI公司的FX2N-40MR作為PLC控制單元，依靠該控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的自動(dòng)化控制、閥門的自動(dòng)控制以及水泵的自動(dòng)切換等。通過(guò)PLC全面提高凈水恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)化程度；②變頻器VVVF，可采用的變頻器為日本MITSUBISHI公司的FR-V540-30K變頻器，依靠該變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)潛水泵電機(jī)工作頻率的控制?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，可將井群多個(gè)電機(jī)同時(shí)采用一臺(tái)變頻器進(jìn)行控制。使用的變頻器具有內(nèi)置PID功能，能夠在變頻器內(nèi)部完成PID的計(jì)算，在提高工作效率的同時(shí)有助于降低成本投入；③壓力傳感器YB，可采用的壓力傳感器為YTZ-150型壓力傳感器，該壓力傳感器可以將井水壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由變頻器根據(jù)獲得的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)；④水泵電機(jī)，可采用公司現(xiàn)使用的深井潛泵，潛水泵的功率為15～50 kW，電機(jī)補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)為0.75，在上述基礎(chǔ)要求還要求不同的潛水泵具有自動(dòng)切換、手動(dòng)切換以及定時(shí)自啟停功能。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析

在改造過(guò)程中，系統(tǒng)可以通過(guò)PLC開關(guān)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制以及自動(dòng)控制，在進(jìn)行供水檢修或者是變頻器存在故障的情況下，可通過(guò)手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)潛水泵在相關(guān)要求下的運(yùn)行和停止；自動(dòng)工作方式則需要根據(jù)供水情況進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)。變頻器內(nèi)部控制，本次采用的變頻器存在內(nèi)部PID控制功能，依靠對(duì)壓力傳感器以及水壓設(shè)定值的比較能夠反映出實(shí)際的水壓情況，當(dāng)壓力傳感器和水壓設(shè)定值之間存在偏差后，變頻器內(nèi)部的PID功能可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，并發(fā)送相關(guān)指令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出電壓以及頻率的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛水泵的無(wú)極調(diào)速，也就是根據(jù)井群源水量的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵等自動(dòng)化調(diào)節(jié)，確保管道內(nèi)存在恒定的壓力作用，實(shí)現(xiàn)正常的供水安全需求。

圖1所示為系統(tǒng)硬件電路組成示意圖，該硬件電路能夠根據(jù)水位控制系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)控制，其中主要的硬件有壓力傳感器、潛水泵、出水閥、調(diào)節(jié)閥以及上位計(jì)算機(jī)等相關(guān)模塊，不同模塊有著不同的功能，其中的壓力傳感器主要是作為水位信號(hào)檢測(cè)原件，井水中水位高度和壓力之間具有線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量的壓力信號(hào)獲得井內(nèi)水位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了水位測(cè)量向壓力測(cè)量的轉(zhuǎn)變，依靠信號(hào)直接完成水位的測(cè)量，通過(guò)傳感器將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并在儀表以及計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)。控制設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)外部與輸出信號(hào)之間的有效連接，具體的就是PLC控制系統(tǒng)，輸出方式采用繼電器輸出，能夠?qū)χ绷髫?fù)載以及交流負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)水位控制，通過(guò)PLC完成不同開關(guān)量信號(hào)的控制，具體的為潛水泵動(dòng)作信號(hào)、出水閥動(dòng)作信號(hào)、調(diào)節(jié)閥動(dòng)作信號(hào)等。

圖1 系統(tǒng)硬件電路組成示意圖

圖2所示為壓力傳感器的接線圖，其中采用的電源為直流24V電源。

圖2 壓力傳感器接線圖

根據(jù)具體的改造要求，在供水過(guò)程中，PLC控制系統(tǒng)需要對(duì)水位變化情況以及供水需求變化情況進(jìn)行監(jiān)控，在記錄參數(shù)的同時(shí)做出反應(yīng)；當(dāng)然整個(gè)操作過(guò)程較為復(fù)雜，作為PLC控制程序，需要對(duì)供水過(guò)程中的各類信息進(jìn)行收集，判斷供水、用水情況，根據(jù)供用水情況及時(shí)做出反應(yīng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電路中的接觸器、控制繼電器以及信號(hào)燈做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛水泵運(yùn)行的調(diào)節(jié)，并以報(bào)警或者是其它信號(hào)形式進(jìn)行預(yù)警。

其中在潛水泵監(jiān)測(cè)部分存在液位傳感器，隨著供水量不斷增加，當(dāng)水位不斷下降并達(dá)到預(yù)警值后，監(jiān)測(cè)終端會(huì)向控制終端發(fā)送對(duì)應(yīng)的信號(hào)，控制終端能夠根據(jù)信號(hào)以及處理結(jié)果做出反應(yīng)，采用其它方式進(jìn)行供水互補(bǔ)。當(dāng)水位上升并到達(dá)水位設(shè)置的上限值后，此時(shí)通過(guò)傳感器的感應(yīng)發(fā)出信號(hào)，并停止補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)了供水的自動(dòng)化處理。保證了供水廠供水能夠及時(shí)滿足社會(huì)生產(chǎn)以及生活用水需求，完善后的部分，還能夠依靠PLC功能模塊完成對(duì)供水廠供水的數(shù)量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)總體用水量數(shù)據(jù)的累計(jì)，這些數(shù)據(jù)一方面能夠作為供水廠輸出水量的參照，用于反映水位變化情況，另一方面則能夠?qū)δ吃?、某季度以及某年的用水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高。

根據(jù)實(shí)際優(yōu)化要求，其中增加了多種功能模塊，比如：自動(dòng)工頻運(yùn)行模塊、欠水位模塊、壓力上限以及下限處理模塊等，其中主泵狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)⒅鞅玫淖冾l轉(zhuǎn)化為工頻，變頻器在達(dá)到上限頻率后，同時(shí)水壓達(dá)到壓力下限的情況下，PLC會(huì)做出相關(guān)控制信號(hào)，通過(guò)失電、短接、變頻器自由制動(dòng)、輸出中斷等一系列操作，實(shí)現(xiàn)潛水泵的工頻恒速運(yùn)行。

在運(yùn)行過(guò)程中難以避免的會(huì)出現(xiàn)各類故障，在這種情況下還需要有相應(yīng)的故障模塊，針對(duì)常見(jiàn)的故障，設(shè)置的故障模塊主要有：①欠水位故障，當(dāng)潛水泵在運(yùn)行過(guò)程中，水位下降達(dá)到欠水位情況下，通過(guò)欠水位模塊停止?jié)撍眠\(yùn)行，避免了潛水泵出現(xiàn)空轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)及時(shí)得到補(bǔ)水，水位恢復(fù)后，欠水位模塊會(huì)發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；②壓力上限以及下限位置的自動(dòng)報(bào)警，隨著水位的減少或者增加，對(duì)應(yīng)的壓力上限以及下限模塊會(huì)做出反應(yīng)，并輸出報(bào)警信號(hào)，對(duì)于沒(méi)有做出反應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，信號(hào)會(huì)傳送到水壓報(bào)警處理模塊，所有工作的潛水泵會(huì)停止運(yùn)行，在得到處理后，對(duì)應(yīng)的報(bào)警信號(hào)會(huì)消除；③變頻器故障，變頻器在出現(xiàn)故障后，PLC輸入繼電器會(huì)做出反應(yīng)，整個(gè)系統(tǒng)將屬于自動(dòng)工頻運(yùn)行模塊，在變頻器停止運(yùn)行后，主泵電機(jī)會(huì)處于工頻狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了變頻運(yùn)行向工頻運(yùn)行的處理，處理過(guò)程中可存在一定的延時(shí)，這樣有助于更準(zhǔn)確地做出判斷，避免頻繁出現(xiàn)的系統(tǒng)切換，給供水管網(wǎng)造成危害。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，將外部電路對(duì)應(yīng)的元件進(jìn)行編號(hào)處理，整個(gè)系統(tǒng)軟件主要包括主程序、子程序以及中斷程序三部分，其中主程序需要放置邏輯運(yùn)算報(bào)警處理，子程序中主要是系統(tǒng)初始化所需要的相關(guān)內(nèi)容，定時(shí)器中的中斷功能可以對(duì)供水過(guò)程中的水樣以及輸出進(jìn)行控制，根據(jù)不同供水要求，設(shè)置好對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。軟件程序中包含了較多內(nèi)容，在程序?qū)懭?、調(diào)試以及計(jì)算機(jī)監(jiān)視過(guò)程中使用電纜將PLC通信接口和計(jì)算機(jī)串行通信口進(jìn)行連接，其中采用的通信協(xié)議為PPI通訊協(xié)議，對(duì)于PLC相關(guān)寄存器地址的訪問(wèn)需要使用串行口，定義I/O變量，通過(guò)變量名實(shí)現(xiàn)多種系統(tǒng)功能，比如：系統(tǒng)控制、報(bào)警顯示、操作顯示等。依靠軟件功能實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，在計(jì)算機(jī)顯示器可以模擬井內(nèi)水位變化情況，對(duì)于出現(xiàn)的故障能夠及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢等，依靠MODBUS通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中相關(guān)數(shù)據(jù)的添加與修改，保證了系統(tǒng)中能夠隨時(shí)動(dòng)態(tài)性的記錄井群內(nèi)水位變化，保證了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，井群內(nèi)水位變化參數(shù)仍然可以有效的記錄，便于更好的記錄參數(shù)。根據(jù)實(shí)際需要，還可以設(shè)置HMI人機(jī)界面，依據(jù)不同功能需求，實(shí)現(xiàn)多種功能要求。在人機(jī)界面操作中，能夠及時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整，比如：水壓力參數(shù)、水壓波動(dòng)值等，進(jìn)一步提高系統(tǒng)改造后的應(yīng)用效果。

文章根據(jù)凈水恒壓供水系統(tǒng)在公司井群供水過(guò)程中存在的不足之處，通過(guò)PLC與變頻器在凈水恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用和改造，保證對(duì)井群供水變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為實(shí)際安全供水提供參考及應(yīng)用。

［1］劉鐵中.PLC技術(shù)在電氣設(shè)備自動(dòng)化控制中的應(yīng)用［J］.科技視界，2013，（34）.

［2］孔德政，李振華.PLC在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用［J］.電子測(cè)試，2013，（19）.

［3］劉憲武.PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013，（17）.

［4］崔金貴.變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討［J］.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，（1）.

［5］顧六平.基于Profinet的S7-1200組網(wǎng)設(shè)計(jì)［J］.北京：中國(guó)電力出版社，2013，（9）.

［6］董如彬.基于S7-1200PLC的水水換熱站分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.山東：山東大學(xué)，2015，（10）.

黃家偉（1959-），男，廣西北海人，工程師，主要研究方向：供水在線運(yùn)行及水質(zhì)丶儀表聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)（監(jiān)控）。