PLC和觸摸屏控制在自動給水設備廠家供水系統中的應用

 

1  引言

    隨著3C技術（計算機、通信、控制）和變頻技術的不斷發展，在居民小區生活用水、工業用水、各類自來水廠、大型廠礦和消防用水等供水系統中，原來均是采用水塔、高位水箱等設備，這些設備不但占地廣、投資大，而且越來越不能滿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時性，并且由于水泵是采用額定供水量設計的，由于用水高峰時間短，很容易造成能源的浪費以及由于管網壓力過大而引起的管網損壞。本文以永城煤電集團水廠的控制系統為例，介紹一種基于PLC和觸摸屏控制的恒壓供水系統。

 

2  自動給水設備系統簡介

    集團水廠自動給水設備系統由PLC控制器、兩臺變頻調速器、軟啟動器、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觸摸屏設置的壓力經過PID運算，通過控制變頻器的輸出頻率來調整水泵電機的轉速,以達到保持水壓的恒定;同時通過水位檢測，根據水位的高低來開啟水源井的多少和調節反滲透系統的產水能力。同時，在觸摸屏顯示器上可以顯示各個電機的電流、頻率、水位、水壓、工頻和變頻運行的時間以及各泵的運行狀態。系統信息還可以通過企業的Intranet網發布到網絡上，通過網絡進行系統的遠程診斷和控制。

 

3  自動給水設備控制對象

    根據集團水廠供水系統現場的實時情況，控制水廠現場設備（泵、閥門等）的開、關、停、運行;電磁閥的開啟、關閉;各水源井的開啟、停止;變頻器的啟動/停止，以實現水廠恒壓供水的自動控制。

 

4  自動給水設備系統工作原理

該系統具有手動和自動兩種運行方式:

4.1 手動運行方式

    選擇手動運行方式時，根據需要，通過按啟動和停止按鈕，來控制各水泵。這種方式只在系統出現故障時使用。

4.2自動運行方式

（1） 啟動程序

    在自動運行時，首先檢測5臺泵是否有泵出現故障，如果1＃泵出現故障，則通過觸摸屏在線修改該水泵的狀態，把1＃泵設為故障狀態，則系統啟動時，自動不啟動1＃泵。其次檢測蓄水池水位，如果符合要求，1＃泵也無故障，開始啟動真空泵抽真空，如果滿足要求，則1＃泵變頻交流接觸器吸合，電機和變頻器連通，同時打開1＃泵的電磁閥，通過檢測壓力的大小，PLC經過PID運算，此時變頻器的輸出頻率從0Hz開始上升，如果壓力不夠，則上升到50Hz，延時后，通過軟啟動器，將1＃泵切換到工頻，再啟動2＃泵，依次類推，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，出水壓力過大，則PLC控制變頻器的輸出頻率，減少出水量來穩定出水壓力。如果變頻器的輸出頻率在20Hz，此時PLC開始計時，如果出水壓力降低，則放棄計時;如果出水壓力一直高于設定壓力，到一定時間后，則根據先投先停的原則，PLC將先關閉正在運行的投入時間較長的泵的電磁閥，再關閉該泵，直到出水壓力達到設定值。

（3） 啟動小功率泵

    對于永城煤電公司居民生活用水來說，其屬于用水時段性很強的系統，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，一臺45kW的小功率泵就足可以保持供水壓力，此時，就可以通過變頻運行5＃小功率泵，使其工作在低頻狀態，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PLC的通訊模塊CP340向設在局后勤處的上位機發送信息，兩者之間通訊采用RS-485方式。當在上位機上發現有故障如蓄水池水位過低時，可以通知多開啟水源井和反滲透裝置，以提高蓄水池水位，防止因水位過低造成的水泵干抽現象。由于系統的上位機可以進行網絡發布，當出現故障，而現場人員無法解決時，通過遠程診斷功能，由廠家幫助處理。

 

5  自動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個電源模塊，2個32位I/O模塊，2個16位輸出模塊，2個12位AD模塊，1個12位DA模塊和一個CP340模塊。CP340和上位機之間通過RS-485進行通信。

（2） 觸摸屏

    可以方面的通過串行通訊與編程器通信，也可以和PLC通過MPI網進行通信。通過觸摸屏可以實時顯示電機電流、管網壓力、水位、流量、各水源井工作情況以及各種故障信息;還可以通過觸摸屏對PLC進行在線控制。

（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個三菱專用供水變頻器，以在發生故障時相互備用。由PLC開關量輸出控制變頻器的啟動/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程序。系統程序裝配在CPU模塊上隨硬件的產品而來。用戶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主程序有機的結合起來。故PLC程序主要解決現場各泵的啟動程序、切換程序、啟動小功率泵;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編寫通信程序和建立數據庫。通信程序發出的命令幀格式要 符合SIEMENS公司PLC的RS-485通信協議;對PLC發回的響應幀，上位機 須進行拆裝、識別，才能正確的分離出交換數據和有用的狀態信息。

（3） 觸摸屏程序

    觸摸屏程序主要有主畫面、參數設置、供電回路、反滲透、實時曲線、報表統計、故障維護等畫面組成，其結構如圖2所示。 

 

5  結束語

    在自動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，可以根據實際需要水壓的變化自動調節水泵的轉速或加減速，實現恒壓供水，降低能耗; 還可以延長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，系統可以自動的切換到另一臺變頻器，基本可以保持不間斷的恒壓供水,具有一定的先進性。

    目前，該系統在集團水廠經過一年多的運行后，運行狀況良好，達到了預期的設計要求，節能效果顯著，受到了用戶的好評，具有很好的應用前景。

 

全自動給水設備工作原理

      全自動給水設備的工作原理是根據用戶用水量變化自動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.當用戶用水量小于一臺水泵出水量時，控制設備根據用水量的變化有一臺水泵變頻調整運行，當用水量增加時管道設備內壓力下降，這時壓力傳感器把檢測到的信號傳送給微機控制單元，通過微機運行判斷，發出指令到變頻器，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，使水泵轉速減慢，以保持恒壓.當用水量大于一臺泵出水時，一號泵切換到工頻運行，二號泵開始變頻調整運行，當用水量大于兩臺泵出水量時，將自動停止一臺或二臺泵運行.在整個運行過程中，始終保持設備恒壓不變，使水泵始終工作在高效區，既保證用戶恒壓供水，又節省電能.

 

全自動設備設備介紹

     全自動給水設備由氣壓罐、水泵及電控設備三部分組成，其突出優點是，不需建造水塔，投資小、占地少，布置靈活，建成投產快。采用水氣自動調節、自動運轉、節能與自來水自動并網，停電后仍可供水，調試后不需看管。廣泛用于企業單位、住宅區及農村的生產、生活、辦公供水。適用于供水戶在5000戶以內，日供水量在3000m3以內場所，供水高度達100米以上。

全自動給水設備，一般設在地面或地下室。有自來水的單位，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，滿足大面積用水和高樓層用水。沒自來水的單位、工廠或農村，只需將該設備接通水源電源，即可得到穩定的水量水壓，滿足用水需要。

 

全自動給水設備原理

    全自動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電接點壓力表通過控制柜使泵機自動停止。設備中的水壓高于外界管網壓力，自動送水至供水管網。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，電接點壓力表通過控制柜使水泵重新啟動。如此反復，使設備不停供水。當罐內氣體不足時，補氣閥可自動補氣。

 

全自動給水設備應用范圍： 

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、寫字樓、俱樂部等建筑物的生活消防供水。

4、各種類型的恒壓廠及供水加壓泵站。

5、工礦企業的生產、生活供水、恒壓供應的工藝流程用水。

6、生活小區、學校，賓館，高層建筑等的熱水供應系統或熱水采暖系統。

7、各種類型的循環水、冷卻水供應系統。

8、深水井（深水泵、潛水泵）恒壓無塔供水設備。

9、污水處理廠、排水站的自動恒壓液位控制。

10、石油、化工等行業輸送石油及含酸堿等的液體系統。

 

全自動給水設備常用組合方式

立式系列全自動給水設備噸位為2－20噸，系立式供水設備，具有占地面積小的優點，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。

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

 

全自動給水設備主要技術指標 

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、環境溫度：0℃～+40℃ 

 5、相對濕度：90%以下