摘 要：為優(yōu)化控制水泵組運(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)定供水系統(tǒng)的實(shí)際供水壓力，實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定供水，文中設(shè)計(jì)了一套基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)可編程控制器處理系統(tǒng)的各反饋信號(hào)，然后可編程控制器根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出控制信號(hào)至各裝置，以改變各裝置的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的梯形圖和組態(tài)模擬畫(huà)面進(jìn)行仿真調(diào)試，使梯形圖和組態(tài)模擬畫(huà)面仿真調(diào)試結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)任務(wù)要求。在基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置了報(bào)警裝置和工作人員手動(dòng)操作裝置，此系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下可自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各水泵組和變頻器的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的供水狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：變頻器；可編程控制器；中央處理器；控制壓力；水泵；控制儲(chǔ)水箱水位；穩(wěn)定供水；顯示裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-00-03

0 引 言

相對(duì)于傳統(tǒng)的供水方式，基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)具有提高供水系統(tǒng)運(yùn)行效率和科學(xué)分配水資源、減少損耗、提高控制精度等特點(diǎn)。

基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)在居民日常生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、消防等領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景，可以滿(mǎn)足人們?nèi)找嫣岣叩挠盟枨笈c標(biāo)準(zhǔn)。

1 整體設(shè)計(jì)方案

（1）供水組的水泵包括2組水泵和3組備用水泵。

（2）在實(shí)際應(yīng)用中，3組備用水泵中的電動(dòng)機(jī)數(shù)量與

2組水泵中的電動(dòng)機(jī)數(shù)量不同，3組備用水泵與2組水泵的額定功率不同，但它們都適用于恒壓供水系統(tǒng)。

（3）在相同的時(shí)間范圍內(nèi)，1組水泵從自來(lái)水供水廠抽水到儲(chǔ)水箱的水量與供水組的水泵從儲(chǔ)水箱向城市供水的水量不同。

（4）供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力值在正常范圍內(nèi)，2組水泵或3組備用水泵在工頻條件下運(yùn)行。若供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力值超出正常范圍，供水組的水泵在變頻條件下運(yùn)行。變頻運(yùn)行類(lèi)型分別是水泵組增加頻率運(yùn)行、水泵組降低頻率運(yùn)行。

（5）當(dāng)供水組的水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)停止供水，供水管網(wǎng)的壓力傳感器停止運(yùn)行，壓力傳感器不再向控制系統(tǒng)反饋供水管網(wǎng)壓力信息，控制供水管網(wǎng)的壓力系統(tǒng)停止運(yùn)行。

（6）停止供水時(shí)，停止供水指示燈常亮，供水指示燈熄滅；供水時(shí)，停止供水指示燈熄滅，供水指示燈常亮。

（7）在實(shí)際應(yīng)用中，為防止出現(xiàn)供水組水泵需要停止運(yùn)行卻未實(shí)現(xiàn)的情況，設(shè)計(jì)增加了工作人員手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵運(yùn)行的條件。

（8）若2組水泵出現(xiàn)故障，2組水泵停止運(yùn)行，運(yùn)行指示燈熄滅，故障指示燈亮，3組備用水泵可以自動(dòng)代替2組水泵啟動(dòng)運(yùn)行。

（9）設(shè)計(jì)的初始運(yùn)行條件是儲(chǔ)水箱的水位在水位下限上方，若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值未超過(guò)設(shè)定壓力范圍且2組水泵未發(fā)生故障，則2組水泵工頻運(yùn)行；若2組水泵發(fā)生故障，則2組水泵不再運(yùn)行，水泵故障燈亮，3組備用水泵代替2組水泵工頻運(yùn)行。

（10）通過(guò)應(yīng)用儲(chǔ)水箱的上限液位開(kāi)關(guān)與下限液位開(kāi)關(guān)控制儲(chǔ)水箱的水位。

（11）當(dāng)儲(chǔ)水箱的水位高于水位上限時(shí)，1組水泵不運(yùn)轉(zhuǎn)，1組水泵停止從自來(lái)水供水廠抽水，2組水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，正常供水。

（12）當(dāng)儲(chǔ)水箱的水位低于水位下限，但高于水位最低下限時(shí)，2組水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，正常供水，1組水泵開(kāi)始運(yùn)行，1組水泵從自來(lái)水供水廠抽水到儲(chǔ)水箱中，待水位達(dá)到水位上限后1組水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（13）當(dāng)儲(chǔ)水箱的水位低于水位最低下限時(shí)，2組水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，停止供水指示燈亮，1組水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵抽水到儲(chǔ)水箱，當(dāng)儲(chǔ)水箱的水位高于最低水位下限時(shí)，2組水泵啟動(dòng)，開(kāi)始供水，待水位達(dá)到水位上限后1組電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（14）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值超過(guò)設(shè)定壓力上限，并且2組水泵沒(méi)有發(fā)生故障，則變頻器降低輸出頻率，控制水泵轉(zhuǎn)速，2組水泵變頻運(yùn)行。若10 s后恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值未恢復(fù)到設(shè)定壓力范圍，則壓力過(guò)高指示燈亮，提示工作人員供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值過(guò)高，2組水泵和變頻器自動(dòng)停止運(yùn)行。

（15）當(dāng)供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力高于設(shè)定壓力上限10 s后，恒壓供水系統(tǒng)關(guān)閉，壓力傳感器不再反饋信息，壓力過(guò)高指示燈常亮，待工作人員手動(dòng)關(guān)閉壓力過(guò)高指示燈后重置壓力信息，使供水管網(wǎng)的壓力信息在設(shè)定范圍內(nèi)。重啟系統(tǒng)后，手動(dòng)關(guān)燈按鈕將恢復(fù)到原來(lái)位置。

（16）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值超過(guò)設(shè)定壓力上限，且2組水泵發(fā)生故障，則變頻器輸出頻率下降，降低水泵轉(zhuǎn)速，3組備用水泵變頻運(yùn)行。若10 s后恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值未恢復(fù)到設(shè)定壓力范圍，則壓力過(guò)高指示燈亮，提示工作人員供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值過(guò)高，

3組備用水泵和變頻器自動(dòng)停止運(yùn)行。

（17）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值超過(guò)設(shè)定壓力上限10 s后，2組水泵或3組備用水泵未自動(dòng)停止運(yùn)行，工作人員可手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵和變頻器。

（18）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值低于設(shè)定壓力下限，并且2組水泵沒(méi)有發(fā)生故障，則自動(dòng)增大變頻器輸出頻率，提高2組水泵轉(zhuǎn)速，增加供水量。2組水泵變頻運(yùn)行，若10 s后恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值未恢復(fù)到設(shè)定壓力范圍內(nèi)，則壓力不足指示燈亮，3組備用水泵自動(dòng)啟動(dòng)與2組水泵一起運(yùn)行，提示工作人員供水管網(wǎng)實(shí)際壓力較低，若3組水泵沒(méi)有自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行，則工作人員手動(dòng)啟動(dòng)3組備用水泵，增加實(shí)際供水壓力。

（19）當(dāng)供水管網(wǎng)實(shí)際壓力10 s后恢復(fù)到設(shè)定壓力下限之上，壓力不足指示燈熄滅，水泵組重新恢復(fù)工頻運(yùn)行。

（20）若恒壓供水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)實(shí)際壓力值低于設(shè)定壓力下限，并且2組水泵發(fā)生故障，則自動(dòng)增大變頻器輸出頻率，3組備用水泵變頻運(yùn)行，提高3組備用水泵轉(zhuǎn)速，增加實(shí)際供水壓力。

（21）當(dāng)供水組水泵停止運(yùn)行和系統(tǒng)停止供水時(shí)，1組水泵按之前的運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，如果1組水泵在此之前的運(yùn)行狀態(tài)是停止?fàn)顟B(tài)，那在供水組水泵停止運(yùn)行和系統(tǒng)停止供水后，1組水泵的運(yùn)行狀態(tài)仍然是停止運(yùn)行狀態(tài)。如果1組水泵之前的狀態(tài)是運(yùn)行狀態(tài)，在供水組水泵停止運(yùn)行和系統(tǒng)停止供水后，1組水泵的狀態(tài)仍然是運(yùn)行狀態(tài)，直到儲(chǔ)水箱的水位高于水位上限，1組水泵停止運(yùn)行。

2 仿真調(diào)試過(guò)程

2.1 工作原理

系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200系列PLC。恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)工作原理：閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用可編程控制器控制儲(chǔ)水箱的實(shí)際水位和控制供水管網(wǎng)的供水壓力。為了更好地觀察水泵組的運(yùn)行狀態(tài)，此次設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)設(shè)置了顯示裝置和計(jì)時(shí)裝置[1-5]。

控制供水管網(wǎng)實(shí)際供水壓力的工作原理：通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率改變水泵組的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)節(jié)實(shí)際供水壓力的目標(biāo)。

基于PLC的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)有9個(gè)輸入量和12個(gè)輸出量。

2.1.1 梯形圖的I/O點(diǎn)分配表

梯形圖的I/O點(diǎn)分配表見(jiàn)表1所列。

2.2 梯形圖和組態(tài)畫(huà)面調(diào)試仿真過(guò)程

2.2.1 梯形圖仿真調(diào)試過(guò)程

圖1為當(dāng)供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力高于設(shè)定壓力上限，同時(shí)2組水泵發(fā)生故障，儲(chǔ)水箱的水位在最低水位下限與水位下限之間時(shí)，10 s內(nèi)供水組水泵調(diào)頻運(yùn)行的畫(huà)面。

如圖1所示，當(dāng)10 s內(nèi)供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力值高于設(shè)定壓力值上限（I0.3）時(shí)，壓力上限開(kāi)關(guān)（I0.3）動(dòng)作，變頻器降低輸出頻率（Q1.3），Q1.3指示燈常亮。因?yàn)?組水泵發(fā)生故障，2組水泵故障開(kāi)關(guān)（I1.6）動(dòng)作，2組水泵故障燈（Q1.2）常亮，所以3組備用水泵代替2組水泵變頻運(yùn)行，3組備用水泵變頻運(yùn)行指示燈（Q1.6）常亮，系統(tǒng)正常供水，供水指示燈（Q0.1）常亮。因?yàn)閮?chǔ)水箱的水位在最低水位下限與水位下限之間，水位下限（I0.2）液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，所以1組水泵啟動(dòng)運(yùn)行，1組水泵運(yùn)行指示燈（Q0.4）常亮。

在梯形圖仿真調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)壓力不足指示燈亮后，3組

備用水泵自動(dòng)啟動(dòng)變頻運(yùn)行，不對(duì)手動(dòng)啟動(dòng)3組備用水泵變量進(jìn)行調(diào)試仿真。

在梯形圖仿真調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)壓力過(guò)高指示燈亮后，2組

水泵或3組備用水泵會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行，不對(duì)手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵運(yùn)行變量進(jìn)行調(diào)試仿真。

手動(dòng)啟動(dòng)3組備用水泵和手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵運(yùn)行裝置用于工作人員手動(dòng)保護(hù)供水系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)的梯形圖中包含手動(dòng)啟動(dòng)3組備用水泵和手動(dòng)關(guān)閉供水組水泵變量。

2.2.2 組態(tài)模擬畫(huà)面仿真調(diào)試過(guò)程

設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)的組態(tài)模擬畫(huà)面注釋?zhuān)?/p>

（1）本次使用組態(tài)王軟件制作恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)模擬畫(huà)面，設(shè)置2組水泵故障按鈕，此按鈕用來(lái)假設(shè)2組水泵發(fā)生故障時(shí)的輸入量。

（2）解除水泵故障按鈕用來(lái)解除2組水泵故障，此按鈕按下后2組水泵故障按鈕狀態(tài)置零。

（3）模擬畫(huà)面中的實(shí)際壓力是指2組水泵與3組備用水泵共用的管道壓力，即供水管網(wǎng)的實(shí)際壓力。

（4）此模擬畫(huà)面增加了恢復(fù)裝置，按下手動(dòng)關(guān)燈按鈕或關(guān)閉供水組水泵按鈕、啟動(dòng)3組水泵按鈕后，通過(guò)恢復(fù)裝置按鈕可以讓手動(dòng)關(guān)燈按鈕狀態(tài)置零，關(guān)閉供水組水泵按鈕狀態(tài)置零，啟動(dòng)3組水泵按鈕狀態(tài)置零。

（5）此模擬畫(huà)面增加了減壓裝置按鈕和取消減壓按鈕，減壓裝置按鈕和取消減壓按鈕可以調(diào)節(jié)實(shí)際壓力。

（6）在壓力不足指示燈變亮后，按下啟動(dòng)3組水泵按鈕，3組水泵變頻運(yùn)行。啟動(dòng)3組水泵按鈕的設(shè)置是為了避免壓力不足指示燈變亮后3組備用水泵未自動(dòng)啟動(dòng)變頻運(yùn)行而設(shè)置。在恒壓供水模擬畫(huà)面中，3組備用水泵會(huì)在壓力不足指示燈亮后自動(dòng)啟動(dòng)，因此，在模擬畫(huà)面運(yùn)行中不會(huì)按下3組備用水泵按鈕進(jìn)行畫(huà)面調(diào)試。

（7）當(dāng)壓力過(guò)高指示燈亮后，如果2組水泵或3組備用水泵仍繼續(xù)運(yùn)行，則按下關(guān)閉供水組水泵按鈕，關(guān)閉供水組的水泵。關(guān)閉供水組水泵按鈕的設(shè)置是為了在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)壓力過(guò)高指示燈變亮后避免2組水泵或3組水泵依舊運(yùn)行的情況而設(shè)置。在組態(tài)模擬畫(huà)面運(yùn)行中，當(dāng)壓力過(guò)高指示燈亮后，供水組水泵全部自動(dòng)停止運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)2組水泵或3組

水泵仍然運(yùn)行的情況。因此，在模擬畫(huà)面運(yùn)行時(shí)不會(huì)按下關(guān)閉供水組水泵按鈕進(jìn)行畫(huà)面調(diào)試。

（8）在設(shè)計(jì)的組態(tài)模擬畫(huà)面中包含啟動(dòng)3組水泵和關(guān)閉供水組水泵的變量。

如圖2所示，此畫(huà)面的實(shí)際水位在設(shè)定的水位范圍內(nèi)，2組水泵發(fā)生故障，2組水泵故障燈變亮，實(shí)際壓力超過(guò)設(shè)定壓力上限7 s，所以3組水泵變頻運(yùn)行，變頻器降低頻率，系統(tǒng)正常供水，供水指示燈變亮[6-10]。

此畫(huà)面是儲(chǔ)水箱的水位低于設(shè)定水位下限之后提高水位的畫(huà)面，當(dāng)儲(chǔ)水箱的水位低于水位下限后，1組水泵開(kāi)始運(yùn)行，自來(lái)水供水廠向儲(chǔ)水箱送水，直到儲(chǔ)水箱的實(shí)際水位高于設(shè)定的水位上限，1組水泵才停止運(yùn)行。

3 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的基于PLC恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的梯形圖和組態(tài)模擬畫(huà)面仿真調(diào)試結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)方案要求。

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