1  引言

    隨著3C技術(shù)（計(jì)算機(jī)、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(shí)時(shí)性，并且由于水泵是采用最大供水量設(shè)計(jì)的，由于用水高峰時(shí)間短，很容易造成能源的浪費(fèi)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(tuán)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(tuán)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(yùn)算，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,以達(dá)到保持水壓的恒定;同時(shí)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(shí)，在觸摸屏顯示器上可以顯示各個(gè)電機(jī)的電流、頻率、水位、水壓、工頻和變頻運(yùn)行的時(shí)間以及各泵的運(yùn)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(jìn)行系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷和控制。

3  控制對象

    根據(jù)永城煤電集團(tuán)水廠供水系統(tǒng)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)情況，控制水廠現(xiàn)場設(shè)備（泵、閥門等）的開、關(guān)、停、運(yùn)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(shí)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(yùn)行方式:

4.1 手動運(yùn)行方式
　　
    選擇手動運(yùn)行方式時(shí)，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(shí)使用。

4.2自動運(yùn)行方式

（1） 啟動程序
    在自動運(yùn)行時(shí)，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(shí)，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(jī)和變頻器連通，同時(shí)打開1＃泵的電磁閥，通過檢測壓力的大小，PLC經(jīng)過PID運(yùn)算，此時(shí)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(shí)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(dá)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(shí)PLC開始計(jì)時(shí)，如果出水壓力降低，則放棄計(jì)時(shí);如果出水壓力一直高于設(shè)定壓力，到一定時(shí)間后，則根據(jù)先投先停的原則，PLC將先關(guān)閉正在運(yùn)行的投入時(shí)間最長的泵的電磁閥，再關(guān)閉該泵，直到出水壓力達(dá)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(shí)段性很強(qiáng)的系統(tǒng)，因此在5臺水泵中，1＃—4＃泵為75kW，5＃泵為45kW。因此，當(dāng)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)，就可以通過變頻運(yùn)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(yuǎn)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(jī)發(fā)送信息，兩者之間通訊采用RS-485方式。當(dāng)在上位機(jī)上發(fā)現(xiàn)有故障如蓄水池水位過低時(shí)，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(jī)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，當(dāng)出現(xiàn)故障，而現(xiàn)場人員無法解決時(shí)，通過遠(yuǎn)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(jī)，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(jī)之間通過RS-485進(jìn)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(jìn)行通信。通過觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)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(jìn)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(jì)原則，采用2個(gè)三菱專用供水變頻器，以在發(fā)生故障時(shí)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(jī)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(jī)和觸摸屏通信數(shù)據(jù)的處理功能等。

（2） 上位機(jī)程序
    上位機(jī)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(jī)必須進(jìn)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(shí)時(shí)曲線、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、故障維護(hù)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(shí)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(shí)現(xiàn)恒壓供水，降低能耗; 還可以延長主泵電機(jī)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(shí)，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(jìn)性。

    目前，該系統(tǒng)在永城煤電集團(tuán)水廠經(jīng)過一年多的運(yùn)行后，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)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。