PLC和觸摸屏控制在自動(dòng)給水設備廠(chǎng)家供水系統中的應用

 

1  引言

    隨著(zhù)3C技術(shù)（計算機、通信、控制）和變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，在居民小區生活用水、工業(yè)用水、各類(lèi)自來(lái)水廠(chǎng)、大型廠(chǎng)礦和消防用水等供水系統中，原來(lái)均是采用水塔、高位水箱等設備，這些設備不但占地廣、投資大，而且越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代化的供水要求。另一方面，采用傳統的方法很難保證供水的實(shí)時(shí)性，并且由于水泵是采用額定供水量設計的，由于用水高峰時(shí)間短，很容易造成能源的浪費以及由于管網(wǎng)壓力過(guò)大而引起的管網(wǎng)損壞。本文以永城煤電集團水廠(chǎng)的控制系統為例，介紹一種基于PLC和觸摸屏控制的恒壓供水系統。

 

2  自動(dòng)給水設備系統簡(jiǎn)介

    集團水廠(chǎng)自動(dòng)給水設備系統由PLC控制器、兩臺變頻調速器、軟啟動(dòng)器、觸摸屏顯示器、交流接觸器、熱繼電器、壓力變送器、水位變送器、流量變送器等其他電控設備以及4臺75kW水泵和一臺45kW的小水泵組成，如圖1所示。

    在自動(dòng)給水設備供水系統的蓄水池中安裝水位變送器，在總出水管安裝壓力變送器和流量變送器，檢測出水位、壓力和流量，轉換成4～20mA的信號，輸入到PLC 的模擬量輸入模塊，將檢測到的壓力信號和通過(guò)觸摸屏設置的壓力經(jīng)過(guò)PID運算，通過(guò)控制變頻器的輸出頻率來(lái)調整水泵電機的轉速,以達到保持水壓的恒定;同時(shí)通過(guò)水位檢測，根據水位的高低來(lái)開(kāi)啟水源井的多少和調節反滲透系統的產(chǎn)水能力。同時(shí)，在觸摸屏顯示器上可以顯示各個(gè)電機的電流、頻率、水位、水壓、工頻和變頻運行的時(shí)間以及各泵的運行狀態(tài)。系統信息還可以通過(guò)企業(yè)的Intranet網(wǎng)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò )上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行系統的遠程診斷和控制。

 

3  自動(dòng)給水設備控制對象

    根據集團水廠(chǎng)供水系統現場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況，控制水廠(chǎng)現場(chǎng)設備（泵、閥門(mén)等）的開(kāi)、關(guān)、停、運行;電磁閥的開(kāi)啟、關(guān)閉;各水源井的開(kāi)啟、停止;變頻器的啟動(dòng)/停止，以實(shí)現水廠(chǎng)恒壓供水的自動(dòng)控制。

 

4  自動(dòng)給水設備系統工作原理

該系統具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運行方式:

4.1 手動(dòng)運行方式

    選擇手動(dòng)運行方式時(shí)，根據需要，通過(guò)按啟動(dòng)和停止按鈕，來(lái)控制各水泵。這種方式只在系統出現故障時(shí)使用。

4.2自動(dòng)運行方式

（1） 啟動(dòng)程序

    在自動(dòng)運行時(shí)，首先檢測5臺泵是否有泵出現故障，如果1＃泵出現故障，則通過(guò)觸摸屏在線(xiàn)修改該水泵的狀態(tài)，把1＃泵設為故障狀態(tài)，則系統啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)不啟動(dòng)1＃泵。其次檢測蓄水池水位，如果符合要求，1＃泵也無(wú)故障，開(kāi)始啟動(dòng)真空泵抽真空，如果滿(mǎn)足要求，則1＃泵變頻交流接觸器吸合，電機和變頻器連通，同時(shí)打開(kāi)1＃泵的電磁閥，通過(guò)檢測壓力的大小，PLC經(jīng)過(guò)PID運算，此時(shí)變頻器的輸出頻率從0Hz開(kāi)始上升，如果壓力不夠，則上升到50Hz，延時(shí)后，通過(guò)軟啟動(dòng)器，將1＃泵切換到工頻，再啟動(dòng)2＃泵，依次類(lèi)推，直到出水壓力達到設定壓力。

（2） 水泵切換程序

    根據流量傳感器檢測到的流量的大小，如果出水量減少，出水壓力過(guò)大，則PLC控制變頻器的輸出頻率，減少出水量來(lái)穩定出水壓力。如果變頻器的輸出頻率在20Hz，此時(shí)PLC開(kāi)始計時(shí)，如果出水壓力降低，則放棄計時(shí);如果出水壓力一直高于設定壓力，到一定時(shí)間后，則根據先投先停的原則，PLC將先關(guān)閉正在運行的投入時(shí)間較長(cháng)的泵的電磁閥，再關(guān)閉該泵，直到出水壓力達到設定值。

（3） 啟動(dòng)小功率泵

    對于永城煤電公司居民生活用水來(lái)說(shuō)，其屬于用水時(shí)段性很強的系統，因此在5臺水泵中，1?！?＃泵為75kW，5＃泵為45kW。因此，當在用水低谷時(shí)，一臺45kW的小功率泵就足可以保持供水壓力，此時(shí)，就可以通過(guò)變頻運行5＃小功率泵，使其工作在低頻狀態(tài)，就可以維持供水系統的水壓穩定。

（4） 遠程控制和故障診斷

    該控制系統通過(guò)PLC的通訊模塊CP340向設在局后勤處的上位機發(fā)送信息，兩者之間通訊采用RS-485方式。當在上位機上發(fā)現有故障如蓄水池水位過(guò)低時(shí)，可以通知多開(kāi)啟水源井和反滲透裝置，以提高蓄水池水位，防止因水位過(guò)低造成的水泵干抽現象。由于系統的上位機可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )發(fā)布，當出現故障，而現場(chǎng)人員無(wú)法解決時(shí)，通過(guò)遠程診斷功能，由廠(chǎng)家幫助處理。

 

5  自動(dòng)給水設備控制系統硬件配置及軟件編程

5.1 硬件配置　

（1） PLC的配置

    可編程控制器采用SIEMENS的S7—300系列CPU-314主機，1個(gè)電源模塊，2個(gè)32位I/O模塊，2個(gè)16位輸出模塊，2個(gè)12位AD模塊，1個(gè)12位DA模塊和一個(gè)CP340模塊。CP340和上位機之間通過(guò)RS-485進(jìn)行通信。

（2） 觸摸屏

    可以方面的通過(guò)串行通訊與編程器通信，也可以和PLC通過(guò)MPI網(wǎng)進(jìn)行通信。通過(guò)觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示電機電流、管網(wǎng)壓力、水位、流量、各水源井工作情況以及各種故障信息;還可以通過(guò)觸摸屏對PLC進(jìn)行在線(xiàn)控制。

（3） 變頻器及控制方式選擇

    在本系統中，根據冗余設計原則，采用2個(gè)三菱專(zhuān)用供水變頻器，以在發(fā)生故障時(shí)相互備用。由PLC開(kāi)關(guān)量輸出控制變頻器的啟動(dòng)/停止。

5.2 軟件編程

（1） PLC編程

    PLC從軟件配置上有系統程序和用戶(hù)程序。系統程序裝配在CPU模塊上隨硬件的產(chǎn)品而來(lái)。用戶(hù)程序是編程器編好程序后輸入到可編程序控制器的存儲模塊，程序是采用塊式結構形式，共有5種形式:組織塊（0B）、程序塊（PB）、功能塊（FB）、數據塊（DB）、順序塊（SB）（本系統未用）。因此，在PLC軟件中使各種功能的程序模塊通過(guò)主程序有機的結合起來(lái)。故PLC程序主要解決現場(chǎng)各泵的啟動(dòng)程序、切換程序、啟動(dòng)小功率泵;模擬量的處理;與上位機和觸摸屏通信數據的處理功能等。

（2） 上位機程序

    上位機使用VB編寫(xiě)通信程序和建立數據庫。通信程序發(fā)出的命令幀格式要 符合SIEMENS公司PLC的RS-485通信協(xié)議;對PLC發(fā)回的響應幀，上位機 須進(jìn)行拆裝、識別，才能正確的分離出交換數據和有用的狀態(tài)信息。

（3） 觸摸屏程序

    觸摸屏程序主要有主畫(huà)面、參數設置、供電回路、反滲透、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、報表統計、故障維護等畫(huà)面組成，其結構如圖2所示。 

 

5  結束語(yǔ)

    在自動(dòng)給水設備供水系統中采用基于PLC與觸摸屏控制的變頻恒壓供水系統，可以根據實(shí)際需要水壓的變化自動(dòng)調節水泵的轉速或加減速，實(shí)現恒壓供水，降低能耗; 還可以延長(cháng)主泵電機的使用壽命。由于采用了雙變頻器，在一臺變頻器出現故障時(shí)，系統可以自動(dòng)的切換到另一臺變頻器，基本可以保持不間斷的恒壓供水,具有一定的先進(jìn)性。

    目前，該系統在集團水廠(chǎng)經(jīng)過(guò)一年多的運行后，運行狀況良好，達到了預期的設計要求，節能效果顯著(zhù)，受到了用戶(hù)的好評，具有很好的應用前景。

 

全自動(dòng)給水設備工作原理

      全自動(dòng)給水設備的工作原理是根據用戶(hù)用水量變化自動(dòng)調節運行水泵臺數和一臺水泵轉速，使水泵出口壓力保持恒定.當用戶(hù)用水量小于一臺水泵出水量時(shí)，控制設備根據用水量的變化有一臺水泵變頻調整運行，當用水量增加時(shí)管道設備內壓力下降，這時(shí)壓力傳感器把檢測到的信號傳送給微機控制單元，通過(guò)微機運行判斷，發(fā)出指令到變頻器，控制水泵電機，使轉速加快以保證設備壓力恒定，反之當用水量減少時(shí)，使水泵轉速減慢，以保持恒壓.當用水量大于一臺泵出水時(shí)，一號泵切換到工頻運行，二號泵開(kāi)始變頻調整運行，當用水量大于兩臺泵出水量時(shí)，將自動(dòng)停止一臺或二臺泵運行.在整個(gè)運行過(guò)程中，始終保持設備恒壓不變，使水泵始終工作在高效區，既保證用戶(hù)恒壓供水，又節省電能.

 

全自動(dòng)設備設備介紹

     全自動(dòng)給水設備由氣壓罐、水泵及電控設備三部分組成，其突出優(yōu)點(diǎn)是，不需建造水塔，投資小、占地少，布置靈活，建成投產(chǎn)快。采用水氣自動(dòng)調節、自動(dòng)運轉、節能與自來(lái)水自動(dòng)并網(wǎng)，停電后仍可供水，調試后不需看管。廣泛用于企業(yè)單位、住宅區及農村的生產(chǎn)、生活、辦公供水。適用于供水戶(hù)在5000戶(hù)以?xún)?，日供水量?000m3以?xún)葓?chǎng)所，供水高度達100米以上。

全自動(dòng)給水設備，一般設在地面或地下室。有自來(lái)水的單位，使用該設備可以調節高峰用水量，增加水壓，能在高峰用水時(shí)，滿(mǎn)足大面積用水和高樓層用水。沒(méi)自來(lái)水的單位、工廠(chǎng)或農村，只需將該設備接通水源電源，即可得到穩定的水量水壓，滿(mǎn)足用水需要。

 

全自動(dòng)給水設備原理

    全自動(dòng)給水設備采用氣壓式供水。利用密封罐體，利用罐內高壓氣水壓力達到供水目的。具體工作順序是由水泵將水通過(guò)逆止閥壓入罐體，使罐內氣體受到壓縮，壓力逐漸增大。當壓力達到指定上限時(shí)電接點(diǎn)壓力表通過(guò)控制柜使泵機自動(dòng)停止。設備中的水壓高于外界管網(wǎng)壓力，自動(dòng)送水至供水管網(wǎng)。當罐體內水位下降，罐內氣體膨漲壓力減小到指定的下限位置時(shí)，電接點(diǎn)壓力表通過(guò)控制柜使水泵重新啟動(dòng)。如此反復，使設備不停供水。當罐內氣體不足時(shí)，補氣閥可自動(dòng)補氣。

 

全自動(dòng)給水設備應用范圍： 

1、普通住宅樓、商住樓、居民小區的生活消防供水。

2、高層建筑、 賓館飯店的生活消防供水。

3、綜合樓、寫(xiě)字樓、俱樂(lè )部等建筑物的生活消防供水。

4、各種類(lèi)型的恒壓廠(chǎng)及供水加壓泵站。

5、工礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活供水、恒壓供應的工藝流程用水。

6、生活小區、學(xué)校，賓館，高層建筑等的熱水供應系統或熱水采暖系統。

7、各種類(lèi)型的循環(huán)水、冷卻水供應系統。

8、深水井（深水泵、潛水泵）恒壓無(wú)塔供水設備。

9、污水處理廠(chǎng)、排水站的自動(dòng)恒壓液位控制。

10、石油、化工等行業(yè)輸送石油及含酸堿等的液體系統。

 

全自動(dòng)給水設備常用組合方式

立式系列全自動(dòng)給水設備噸位為2－20噸，系立式供水設備，具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，以水井或蓄水池做水源，適用于地面面積小，用水量少的用戶(hù)。

臥式系列全自動(dòng)給水設備噸位為10－100噸，系臥式供水設備，以水井或蓄水池做水源，適用于企業(yè)事業(yè)單位，農村等用水量較大的用戶(hù)使用。

 

全自動(dòng)給水設備主要技術(shù)指標 

1、供水流量：5-5000m3/h 

2、供水壓力范圍：0.1-1.5Mpa  

3、供電電源：38V/220V10%AC(三相) 

 4、環(huán)境溫度：0℃～+40℃ 

 5、相對濕度：90%以下