1 引言
隨著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(qū)生活用水、工業(yè)用水、各類自來水廠、大型廠礦和消防用水等供水系統(tǒng)中，原來均是采用水塔、高位水箱等設(shè)備，這些設(shè)備不但占地廣、投資大，而且越來越不能滿足現(xiàn)代化的供水要求。另一方面，采用傳統(tǒng)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(shè)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(wǎng)壓力過大而引起的管網(wǎng)損壞。本文以永城煤電集團水廠的控制系統(tǒng)為例，介紹一種基于PLC和觸摸屏控制的恒壓供水系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)簡介
永城煤電集團水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)由PLC控制器、兩臺變頻調(diào)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(shè)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(tǒng)圖
在供水系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shè)置的壓力經(jīng)過PID運算，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速,以達到保持水壓的恒定;同時通過水位檢測，根據(jù)水位的高低來開啟水源井的多少和調(diào)節(jié)反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)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(tài)。系統(tǒng)信息還可以通過企業(yè)的Intranet網(wǎng)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)的遠程診斷和控制。
3 控制對象
根據(jù)永城煤電集團水廠供水系統(tǒng)現(xiàn)場的實時情況，控制水廠現(xiàn)場設(shè)備（泵、閥門等）的開、關(guān)、停、運行;電磁閥的開啟、關(guān)閉;各水源井的開啟、停止;變頻器的啟動/停止，以實現(xiàn)水廠恒壓供水的自動控制。
4 系統(tǒng)工作原理
該系統(tǒng)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(jù)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(tǒng)出現(xiàn)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(xiàn)故障，如果1＃泵出現(xiàn)故障，則通過觸摸屏在線修改該水泵的狀態(tài)，把1＃泵設(shè)為故障狀態(tài)，則系統(tǒng)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(jīng)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(shè)定壓力。
（2） 水泵切換程序
根據(jù)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(wěn)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(shè)定壓力，到一定時間后，則根據(jù)先投先停的原則，PLC將先關(guān)閉正在運行的投入時間最長的泵的電磁閥，再關(guān)閉該泵，直到出水壓力達到設(shè)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(tǒng)，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(tài)，就可以維持供水系統(tǒng)的水壓穩(wěn)定。
（4） 遠程控制和故障診斷
該控制系統(tǒng)通過PLC的通訊模塊CP340向設(shè)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(xiàn)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(xiàn)象。由于系統(tǒng)的上位機可以進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，當出現(xiàn)故障，而現(xiàn)場人員無法解決時，通過遠程診斷功能，由廠家?guī)椭幚怼?/p>
5 控制系統(tǒng)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(wǎng)進行通信。通過觸摸屏可以實時顯示電機電流、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(tǒng)中，根據(jù)冗余設(shè)計原則，采用2個三菱專用供水變頻器，以在發(fā)生故障時相互備用。由PLC開關(guān)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(tǒng)程序和用戶程序。系統(tǒng)程序裝配在CPU模塊上隨硬件的產(chǎn)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(jié)構(gòu)形式，共有5種形式:組織塊（0B）、程序塊（PB）、功能塊（FB）、數(shù)據(jù)塊（DB）、順序塊（SB）（本系統(tǒng)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(jié)合起來。故PLC程序主要解決現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫。通信程序發(fā)出的命令幀格式要完全符合SIEMENS公司PLC的RS-485通信協(xié)議;對PLC發(fā)回的響應(yīng)幀，上位機必須進行拆裝、識別，才能正確的分離出交換數(shù)據(jù)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面、參數(shù)設(shè)置、供電回路、反滲透、實時曲線、報表統(tǒng)計、故障維護等畫面組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 觸摸屏程序結(jié)構(gòu)
5 結(jié)束語
在供水系統(tǒng)中采用基于PLC與觸摸屏控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，可以根據(jù)實際需要水壓的變化自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速或加減速，實現(xiàn)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(xiàn)故障時，系統(tǒng)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(tǒng)在永城煤電集團水廠經(jīng)過一年多的運行后，運行狀況良好，達到了預(yù)期的設(shè)計要求，節(jié)能效果顯著，受到了用戶的好評，具有很好的應(yīng)用前景。
