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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最大供水量設計的，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 系統簡介 永城煤電集團水廠變頻恒壓供水系統由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。 圖 1 恒壓供水系統圖 在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 控制對象 根據永城煤電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 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最長的泵的電磁閥，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＃-4＃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 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 觸摸屏選用siemens生產的tp270系列，它自身具有豐富的操作系統，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完全符合siemens公司plc的rs-485通信協議;對plc發回的響應幀，上位機必須進行拆裝、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。 圖2 觸摸屏程序結構 5 結束語 在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，該系統在永城煤電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。 |
