基于PLC的恒压供水系统设计分析

基于 PLC 的恒压供水系统设计分析

卢丹

四川明星电力股份有限公司 四川 遂宁 629000

摘要：本文将分别对基于PLC的恒压供水系统的总体控制方案、硬件设计以及软件设计加以全面介绍，同时对系统整体的原理加以阐述，以期为有关部门提供可靠参考。

关键词：PLC；恒压供水系统；系统设计；节能设计

引言：对于民众日常生活、国家整体发展而言，水资源重要性不言而喻。相比于发达国家，我国供水系统智能化程度、自动化水平较低。PLC（可编程序控制器）拥有易于扩展、较高可靠性、较广适应性及较好性价比等众多优势。把变频调速技术和PLC技术加以充分融合，并应用到恒压供水系统当中有着良好发展前景。

1基于PLC的恒压供水系统的控制方案

1.1基于PLC的恒压供水系统主要组成

基于PLC的恒压供水系统，其外部的主要设施包含了泵房、主供水回路、清水池以及备用回路等^[1]。泵房内共有3台水泵电机，相应出水管道都装有电动或者手动阀，用于对水量进行调节以及日常维修。变频器会对3台水泵的转速加以有效控制，按照用水量的持续改变而持续进行合理调节，以便恒压供应生活用水。

以PLC与变频器对系统加以控制，具有较强的通用性，相对于传统系统可靠且灵活。

在确定控制方案后，便能够明确系统控制概况图，如图1所示：

图 1 系统控制概况图

该系统的主要组成部分包括了水泵机组、PLC、压力变送器以及变频器，共同构成单回路闭环控制系统，而其控制核心单元便是PLC。压力变送器的安装目的便是把出水阀位置持续改变的水压信号转变为4-20mA电流信号，而压力传感器会把此信号送至PLC，随后和程序内已设水压值展开比较，而变频器会按照PID的运算获得调节频率信号以便对水泵电机转速进行有效调整。在此过程中，PLC能够对变频器反馈值进行随时接收，从而全面提升该系统的可靠性以及安全性。

该系统总体而言有三大组成部分，即执行机构、信号检测以及控制机构。该系统总体控制过程，如图2所示：

图 2 系统总体控制过程（三个水泵机组M1/M2/M3）

1.2基于PLC的恒压供水系统作业流程

（1）该系统在通电、启动变频器之后，会对水泵电动机组M1进行拖动使其工作，随后会由PLC将变频器输出频率计算出来，按照此输出频率通过变频器对M1转速进行调节，此时的水泵电动机组M1处于调速的工作状态当中。在测定输出压力抵达设定值的时候，用水量以及供水量会达到基本的平衡状态，实现稳定的转速。

（2）如果所测定水压有所下降，此时压力变送器所反馈的相应信号便会降低，这就说明用水量在此时有所上升，相应水压偏差值也会上升，而变频器会按照偏差值对输出频率进行调节，以便对水泵电动机组加以控制。在水泵电动机组转速达到了一个新稳定值的时候，便可以使此时供水需求得到充分满足。与之相反，如果所测水压有所上升，变频器便可以按照偏差值对输出频率进行调节，以便使水泵电动机组转速降低，使其达到全新稳定值。

（3）在用水的高峰时期，用水量会持续性地上升，此时变频器的输出功率超过了50Hz，如果这时所测实际压力依然比设定压力值要小，并且能够满足切换水泵的条件，PLC控制器会发出相应指令，对变频器进行控制，使之被切换至下一台电动机中，从而对水泵电动机组M2进行拖动使之工作，并且促使工作中的M1转换成工频工作。若用水量仍然上升，基于PLC的恒压供水系统则会继续进行以上转换。若M1、M2、M3均处于工作状态，且变频工作的频率到达上限，相应压力依然没有到达设定数值，报警信号便会响起。

（4）如果所测水压上升，则变频器的输出功率会有所降低，此时的频率如果依然比下限频率低，且无法让实际水压比设定水压低，若处于减泵条件，PLC控制器便会发出相应指令，控制工频工作情况中的M2关闭，将水压降低到设定值。如果此时用水量依然处在下降状态，系统则会继续进行以上转换。

2基于PLC的恒压供水系统的硬件设计

2.1硬件组成

基于PLC的恒压供水系统主要的硬件设备包含了液位变送器、PLC、压力变送器、PLC扩展模块、水泵机组以及变频器。

2.2选择PLC与其扩展模块

恒压变频供水系统主要是由PLC展开控制的，其主要的作用是对系统内部输入信号加以采集，计算并且产生输出信号以便对所有的输出单元进行控制。所以在对PLC进行选型的时候，应当对多重因素加以考虑。

2.3主电路设计

在本文所设计基于PLC的恒压供水系统中，主要是用1台变频器对3台水泵电机工作进行拖动，当自动控制系统工作的时候，水泵一般仅能够经由变频电源展开工作，在用人工方式进行控制的时候，能够经由工频电源工作。水泵电动机都经由变频器、接触器输出电源加以连接，进而使得每一台水泵电动机电源输入端均具备热继电器以使过电流保护功能得以有效实现

^[2]。与此同时，该电路也拥有对故障、问题进行及时报警的功能，能够在故障发生的第一时间发出警报。

2.4控制电路设计

基于PLC的恒压供水系统自动控制功能主要是经由PLC得以实现的，而PLC和其余设备间经由交流接触器以及中间继电器加以连接的，从而有效隔离弱电系统以及强电系统，进而全面保护PLC控制器。

3基于PLC的恒压供水系统的软件设计

设计的软件程序中主要包含了主程序以及子程序。其中，主程序可以对子程序加以调用，以便对系统启停、工作模式的改变进行控制。程序开始后，选择运行方式：

（1）手动运行方式：手动对相关信息加以采集，随后执行相应动作。

（2）自动运行方式：对信息加以采集，使系统处在监测的状态中，并在增泵过程中调整频率，随后执行相应动作。

系统子程序主要包含了水泵电动机控制子程序、PLC调节控制程序以及PID设置子程序等。

水泵电动机控制子程序的最主要作用便是对水泵电动机调速以及切换进行控制，以便对水泵电动机中是否发生了故障、问题等加以检测，同时还会检测变频器中是否有故障、问题。

PLC对子程序进行调节的功能，主要是经由压力传感器对系统事先设定好的压力值以及管网水压值间误差输出控制指令等进行检测，以便有效调控管网水压。

PID设置子程序主要的作用便是对管网需保持的实际水压值加以设定，经由此程序向PLC控制器写入相对稳定管网水压值。

PLC控制器在对压力传感器上传信号进行处理的时候，往往还会接收一些液位传感器所传输的信号，控制器能够有效比对和分析系统事先设定的数值以及手接收的液位值，按照其中的偏差来有效控制主触头，使水泵工作状态得以被有效改变。一旦液位值超出了最大值，程序则会对水泵进行及时控制，使其工作停止。如果液位值比最小值还要低，程序则会对水泵工频加以控制，以便确保其得以顺利工作。

在基于PLC的恒压供水系统工作的过程中，一旦其发生了运行故障和问题，PLC控制器则会优先将故障的引发设备切断，随后切换至有关的备用设施，并且在第一时间将报警指示灯启动，使报警信号被及时发出。等解除故障之后，基于PLC的恒压供水系统没有再检测到故障，便会使原有程序得以及时恢复。

4系统原理整体阐述

基于PLC的恒压供水系统会对3台水泵加以控制，且保持其并列运行。在此系统的实际工作过程中，应当优先在PLC控制器中将需要维持的管网水压值进行设置。随后PLC控制器会启动系统，使系统开始运行。此时水泵电动机会在变频电源的驱动之下开始运行，而压力传感器则会对供水系统管网当中的主水管水压展开检测，并经由A/D的转换之后，将信号传至PLC控制器。而PLC控制器则会及时分析、处理从压力传感器接收到的信号，并且和实现所设置好的压力值范围展开精准对比，一旦预先设置压力值低于所检测的压力值，则说明水泵拥有过大的出水量，亟需将水泵电动机的转速降低。所以，PLC控制器在将控制输出频率降低的信号传送至变频器的时候，其输出频率便会降低，随后水泵电动机的转速也会有所下降，进而使水泵实际出水量被有效减少，最终使整体管网水压被及时降低。一旦预先设置压力值高于所检测的压力值，则说明水泵拥有过低的出水量，即水泵没有足够的出水量，而此时的PLC控制器需要将控制输出频率提升的信号传送至变频器，其输出频率便会增加，随后水泵电动机的转速也会有所上升，从而增加水泵出水量，进而提升管网整体水压。在PLC控制器的全面控制下，基于PLC的恒压供水系统能够使闭环负反馈的水压调节得以有效实现，进而确保管网拥有稳定的水压^[3]。

结论：总体而言，基于PLC的恒压供水系统控制核心为PLC，执行机构主要是变频器，使得该系统可靠性更高，且方便灵活。该系统拥有较为完善的故障、问题报警和处理能力，能够有效保证整体系统的运行安全。除此之外，借助变频调速的方法，还能够使基于PLC的恒压供水系统拥有极强的节能作用。

参考文献：

[1]张福明,王艳苹,许文丽.采用PLC控制的恒压供水系统设计的研究[J].农村经济与科技,2018,29(22):287+289.

[2]刘津昕. 基于PLC的恒压供水控制系统的设计[D].吉林大学,2018.

[3]郑慧珍,黄金宝,钟伏玉.PLC控制的恒压供水系统的设计与应用[J].漳州职业技术学院学报,2018,20(02):44-48.