江蘇省邳州中等專業(yè)學(xué)校 安曉倩

在城市供水問題逐漸突出的背景下，不僅需要提升供水質(zhì)量，確保供水網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因?yàn)樗畨簡栴}出現(xiàn)故障甚至爆管，還要實(shí)時(shí)保障供水系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，確保在發(fā)生安全事故時(shí)能夠第一時(shí)間提供可靠水源。本文主要研究由PLC作為主機(jī)的泵控系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以提升供水系統(tǒng)的整體穩(wěn)定程度。

1 PLC技術(shù)簡述

PLC又稱為可編程序控制器，能夠采用數(shù)字運(yùn)算方法進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通常情況下用于工業(yè)環(huán)境，主要面向于各類直接與用戶相關(guān)的指令，如定時(shí)、算術(shù)操作、邏輯計(jì)算、內(nèi)部存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)等。PLC能夠利用模擬或數(shù)字輸入與輸出方式，完成對(duì)各類機(jī)械設(shè)備的內(nèi)部控制。PLC技術(shù)在當(dāng)前供水系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用十分廣泛，主要原因有以下幾點(diǎn)：

1.1 極強(qiáng)的抗干擾能力

PLC在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)廠家進(jìn)行了大量的工程經(jīng)驗(yàn)參考，并從物理結(jié)構(gòu)、線路構(gòu)成、軟件結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面均進(jìn)行了優(yōu)化，核心模塊采用了當(dāng)前最為先進(jìn)的超大規(guī)模集成電路。另外I/O系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)特別設(shè)置了信號(hào)通道保護(hù)以及信號(hào)調(diào)節(jié)電路，應(yīng)用這一設(shè)計(jì)PLC在機(jī)械結(jié)構(gòu)上滿足了耐熱、抗震與防潮諸多功能。

1.2 靈活的控制系統(tǒng)

PLC的各個(gè)模塊種類非常豐富，因此可以選擇組件進(jìn)行靈活組合，最終得到要求以及尺寸各不相同的控制系統(tǒng)。

1.3 編程方便

由于PLC主要的面向?qū)ο蟊闶怯脩?，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮到各現(xiàn)場技術(shù)人員的實(shí)際應(yīng)用習(xí)慣以及技能要求，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，選擇梯形圖形式的指令，直接面向工業(yè)控制。梯形圖的結(jié)構(gòu)形式同電路應(yīng)用當(dāng)中的繼電器非常相似，這一編程形式不僅具有非常強(qiáng)的直觀性，實(shí)際進(jìn)行掌握時(shí)難度較低，并不需要進(jìn)行專門的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)知識(shí)培訓(xùn)，具有一定電路知識(shí)的工作人員在短時(shí)間內(nèi)便可迅速掌握。

1.4 功能完善

PLC的輸入與輸出功能當(dāng)前已經(jīng)較為完善，并且工作性能非常良好，針對(duì)于多種形式的模擬量與數(shù)字量均能快速適應(yīng)。PLC內(nèi)部能夠執(zhí)行控制功能的模塊較多，主要包括移位寄存器、繼電器、時(shí)序電路以及中間寄存器等。由于PLC在設(shè)計(jì)時(shí)采用了微處理器，因此在執(zhí)行鎖存、跳轉(zhuǎn)、強(qiáng)制I/O輸出、延時(shí)等功能時(shí)非常方便，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯運(yùn)算，還能夠完成順序控制、數(shù)值轉(zhuǎn)換、算術(shù)運(yùn)算，除此之外，還能夠通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示、打印以及實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

1.5 生產(chǎn)周期短

應(yīng)用繼電器進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常要根據(jù)具體的技術(shù)需求制定出電氣原理圖，而后再進(jìn)行后續(xù)的接線與布置，在完成電路的安裝與調(diào)試之后，后續(xù)如果需要修改復(fù)雜度非常高。而當(dāng)采用PLC來進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，由于PLC具有非常完善的軟件與硬件結(jié)構(gòu)，只需要按照工程需要進(jìn)行各模塊的組裝，編程工作可以在設(shè)計(jì)期間一并完成。

2 泵控系統(tǒng)組成

在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要將控制模塊分為了三個(gè)部分，分別是主控模塊、液位監(jiān)測模塊以及最后的人機(jī)交互模塊。

2.1 主控模塊

在進(jìn)行主控制模塊設(shè)計(jì)時(shí)，需要以設(shè)計(jì)成本以及實(shí)際的控制點(diǎn)數(shù)作為基本參考，本設(shè)計(jì)的主控制器在考慮以上標(biāo)準(zhǔn)后，選擇西門子PLCS7-200，主機(jī)模塊選擇為CPU224，這一主機(jī)模塊的控制點(diǎn)數(shù)情況如下：包含有14個(gè)輸入點(diǎn)以及10個(gè)輸出點(diǎn)，并且還另外配備有一個(gè)專門用于通信與編程的接口RS-485，CPU224主機(jī)模塊不僅能夠完成PPI以及MPI通信功能，還具備自由通信的功能，因此整體而言具有較強(qiáng)的主機(jī)控制能力，由大量工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參考，該主控模塊的各項(xiàng)機(jī)能能夠滿足泵控系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 液位監(jiān)測模塊

該模塊的核心構(gòu)件便是液位監(jiān)測傳感器。由于當(dāng)前使用較為廣泛的傳感器例如壓力傳感器、電感式傳感器、浮球式液位傳感器在使用時(shí)均出現(xiàn)了一些安全問題，因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不使用該類傳感器，而是使用了超聲波液位傳感器，這一傳感器與上述傳感器最大的不同便是具有極強(qiáng)的安全性與運(yùn)行穩(wěn)定性，安裝簡單，并且后期進(jìn)行維護(hù)時(shí)難度也較大。該模塊在進(jìn)行工作時(shí)的主要原理是在泵站的出口位置設(shè)置安裝一個(gè)壓力傳感器，并且在井口直射液面的位置完成液壓控制傳感器的安裝。進(jìn)行液位控制傳感器的安裝時(shí)，將其安裝位置同液面之間的距離進(jìn)行定義，設(shè)定為h1，該數(shù)值為不確定的變量，可以在任意h1高度完成水泵的啟動(dòng)工作。將該液位傳感器同水泵葉輪上方一段距離的位置定義為h2，該位置同h1不同，為一個(gè)定值，也就表明了這一位置在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是固定不變的。將h1與h2二者的和作為水泵進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行的允許高度，這一數(shù)值即是系統(tǒng)運(yùn)行的真空度，使用負(fù)壓力單位來進(jìn)行表示。在水泵進(jìn)行啟動(dòng)之后，液壓傳感器接收到啟動(dòng)指令，將實(shí)際檢測得到的h1數(shù)值向PLC系統(tǒng)進(jìn)行傳送，PLC系統(tǒng)對(duì)這一數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后再與h2數(shù)值進(jìn)行求和，將該數(shù)值傳送至壓力傳感器中，壓力傳感器主要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的真空度進(jìn)行檢測，若真空度數(shù)值達(dá)到PLC系統(tǒng)所傳送的數(shù)值，則壓力傳感器便可以進(jìn)行信號(hào)的輸出，進(jìn)行泵站電機(jī)的啟動(dòng)工作，這一系列操作結(jié)束之后，水泵系統(tǒng)便可以正式啟動(dòng)結(jié)束。

2.3 人機(jī)交互模塊

本系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)人機(jī)交互模塊時(shí)主要應(yīng)用到的軟件便是MCGS軟件，這一軟件可以完成對(duì)于人與機(jī)器之間的連接，功能非常完善，并且操作難度不大，只需要經(jīng)過簡單的培訓(xùn)便可以實(shí)際進(jìn)行操作，不僅具有很強(qiáng)的可視性，后期維護(hù)成本也很低。這一人機(jī)界面能夠同硬件設(shè)備進(jìn)行靈活結(jié)合，具備較強(qiáng)的設(shè)備開發(fā)功能，尤其在進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以及信息處理與控制時(shí)設(shè)備開發(fā)速度非?？?，具有非常強(qiáng)的便利性。在實(shí)際進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)首先選擇驅(qū)動(dòng)在系統(tǒng)上添加西門子S7-200PPI，完成人機(jī)交互頁面同西門子PLC的驅(qū)動(dòng)結(jié)合，而后再根據(jù)實(shí)際的工程需求完成對(duì)各個(gè)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行數(shù)據(jù)變量的確定，根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行人機(jī)畫面頁面的開發(fā)。

3 泵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)共選用三臺(tái)水泵完成設(shè)計(jì)，其中1臺(tái)水泵作為備用，另外2臺(tái)水泵正常運(yùn)行，并進(jìn)行輪換工作。這兩臺(tái)工作水泵在進(jìn)行運(yùn)作時(shí)若其中一臺(tái)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)直接發(fā)出報(bào)警，并立即將另一臺(tái)備用水泵自動(dòng)投入到使用當(dāng)中。生活給水泵控制系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，分別為供水部分、水位控制部分以及電氣控制部分。其中供水部分主要由水泵、供水管道、屋頂水箱、地下水池、用戶用水五個(gè)模塊共同組成，電氣控制部分主要由PLC以及繼電器組共同組成。

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)分析

水泵控制系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止部分可以分為手動(dòng)控制以及自動(dòng)控制兩種不同的控制方式。如果選用手工控制的模式，則選擇使用現(xiàn)場控制箱面板按鈕來完成對(duì)于真空泵的實(shí)際控制，此時(shí)真空泵的啟動(dòng)或者停止不會(huì)受到程序執(zhí)行的影響。而若采用自動(dòng)控制的模式，水泵的啟動(dòng)與停止均需要受到程序操控，考慮到施工現(xiàn)場電路的復(fù)雜性，出于安全性的分析，仍然可以采用現(xiàn)場控制箱面板按鈕來進(jìn)行手動(dòng)控制。

5 系統(tǒng)軟件部分

PLC在泵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要功能是對(duì)過程信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并同上位機(jī)進(jìn)行通信，對(duì)上位機(jī)下發(fā)的相關(guān)指令進(jìn)行執(zhí)行，并對(duì)水泵進(jìn)行自動(dòng)控制，不需要再進(jìn)行人工監(jiān)測，另外PLC會(huì)配置有現(xiàn)場情況監(jiān)測設(shè)備，能夠保障技術(shù)人員在第一時(shí)間對(duì)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行監(jiān)測，并開展一些基本控制工作。PLC邏輯圖如圖1所示。

圖1 PLC邏輯圖

5.1 真空度計(jì)算的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)真空度的計(jì)算數(shù)值是由液位傳感器完成采集的，最終得到的數(shù)值h1便是系統(tǒng)的實(shí)際真空度。

5.2 上位機(jī)監(jiān)視界面的畫面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)視界面主要需要應(yīng)用軟件MCGS，技術(shù)人員對(duì)軟件監(jiān)視界面可以完成水泵安裝高度、水箱高度進(jìn)行設(shè)置與調(diào)整，并對(duì)軟件得到的液位實(shí)際測量值以及壓力情況進(jìn)行記錄，便于后續(xù)處理。

結(jié)語：以PLC為基本載體的泵控系統(tǒng)，不僅具有非常完善的工作性能，并且在運(yùn)行過程當(dāng)中能夠保持較為良好的穩(wěn)定性與可靠性，由液位傳感器進(jìn)行水泵壓力值的具體計(jì)算，并與實(shí)際測量的真空度進(jìn)行對(duì)比，可以完成對(duì)于水泵啟動(dòng)以及停止的準(zhǔn)確控制，使得水泵在運(yùn)行過程當(dāng)中安全性能得到一定幅度的提升，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于水泵良好的控制效果，符合工程實(shí)際需求。