PLC和觸摸屏控制在自動(dòng)給水設(shè)備廠家供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
PLC和觸摸屏控制在自動(dòng)給水設(shè)備廠家供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
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額定供水量設(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 自動(dòng)給水設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)介
集團(tuán)水廠自動(dòng)給水設(shè)備系統(tǒng)由PLC控制器、兩臺(tái)變頻調(diào)速器、軟啟動(dòng)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(tái)75kW水泵和一臺(tái)45kW的小水泵組成，如圖1所示。
在自動(dòng)給水設(shè)備供水系統(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(cè)出水位、壓力和流量，轉(zhuǎn)換成4～20mA的信號(hào)，輸入到PLC 的模擬量輸入模塊，將檢測(cè)到的壓力信號(hào)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(cè)，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 自動(dòng)給水設(shè)備控制對(duì)象
根據(jù)集團(tuán)水廠供水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況，控制水廠現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)/停止，以實(shí)現(xiàn)水廠恒壓供水的自動(dòng)控制。
4 自動(dòng)給水設(shè)備系統(tǒng)工作原理
該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式:
4.1 手動(dòng)運(yùn)行方式
選擇手動(dòng)運(yùn)行方式時(shí)，根據(jù)需要，通過按啟動(dòng)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(dòng)運(yùn)行方式
（1） 啟動(dòng)程序
在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先檢測(cè)5臺(tái)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(dòng)時(shí)，自動(dòng)不啟動(dòng)1＃泵。其次檢測(cè)蓄水池水位，如果符合要求，1＃泵也無故障，開始啟動(dòng)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(cè)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(dòng)器，將1＃泵切換到工頻，再啟動(dòng)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(cè)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)間較長(zhǎng)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(dòng)小功率泵
對(duì)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(tái)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(tái)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(chǎng)人員無法解決時(shí)，通過遠(yuǎn)程診斷功能，由廠家?guī)椭幚怼?/span>
5 自動(dòng)給水設(shè)備控制系統(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(duì)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(dòng)/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(chǔ)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(chǎng)各泵的啟動(dòng)程序、切換程序、啟動(dòng)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(kù)。通信程序發(fā)出的命令幀格式要 符合SIEMENS公司PLC的RS-485通信協(xié)議;對(duì)PLC發(fā)回的響應(yīng)幀，上位機(jī) 須進(jìn)行拆裝、識(shí)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。
5 結(jié)束語(yǔ)
在自動(dòng)給水設(shè)備供水系統(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(dòng)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(zhǎng)主泵電機(jī)的使用壽命。由于采用了雙變頻器，在一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)的切換到另一臺(tái)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(píng)，具有很好的應(yīng)用前景。
全自動(dòng)給水設(shè)備工作原理
全自動(dòng)給水設(shè)備的工作原理是根據(jù)用戶用水量變化自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)和一臺(tái)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵出口壓力保持恒定.當(dāng)用戶用水量小于一臺(tái)水泵出水量時(shí)，控制設(shè)備根據(jù)用水量的變化有一臺(tái)水泵變頻調(diào)整運(yùn)行，當(dāng)用水量增加時(shí)管道設(shè)備內(nèi)壓力下降，這時(shí)壓力傳感器把檢測(cè)到的信號(hào)傳送給微機(jī)控制單元，通過微機(jī)運(yùn)行判斷，發(fā)出指令到變頻器，控制水泵電機(jī)，使轉(zhuǎn)速加快以保證設(shè)備壓力恒定，反之當(dāng)用水量減少時(shí)，使水泵轉(zhuǎn)速減慢，以保持恒壓.當(dāng)用水量大于一臺(tái)泵出水時(shí)，一號(hào)泵切換到工頻運(yùn)行，二號(hào)泵開始變頻調(diào)整運(yùn)行，當(dāng)用水量大于兩臺(tái)泵出水量時(shí)，將自動(dòng)停止一臺(tái)或二臺(tái)泵運(yùn)行.在整個(gè)運(yùn)行過程中，始終保持設(shè)備恒壓不變，使水泵始終工作在高效區(qū)，既保證用戶恒壓供水，又節(jié)省電能.
全自動(dòng)設(shè)備設(shè)備介紹
全自動(dòng)給水設(shè)備由氣壓罐、水泵及電控設(shè)備三部分組成，其突出優(yōu)點(diǎn)是，不需建造水塔，投資小、占地少，布置靈活，建成投產(chǎn)快。采用水氣自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)、節(jié)能與自來水自動(dòng)并網(wǎng)，停電后仍可供水，調(diào)試后不需看管。廣泛用于企業(yè)單位、住宅區(qū)及農(nóng)村的生產(chǎn)、生活、辦公供水。適用于供水戶在5000戶以內(nèi)，日供水量在3000m3以內(nèi)場(chǎng)所，供水高度達(dá)100米以上。
全自動(dòng)給水設(shè)備，一般設(shè)在地面或地下室。有自來水的單位，使用該設(shè)備可以調(diào)節(jié)高峰用水量，增加水壓，能在高峰用水時(shí)，滿足大面積用水和高樓層用水。沒自來水的單位、工廠或農(nóng)村，只需將該設(shè)備接通水源電源，即可得到穩(wěn)定的水量水壓，滿足用水需要。
全自動(dòng)給水設(shè)備原理
全自動(dòng)給水設(shè)備采用氣壓式供水。利用密封罐體，利用罐內(nèi)高壓氣水壓力達(dá)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(nèi)氣體受到壓縮，壓力逐漸增大。當(dāng)壓力達(dá)到指定上限時(shí)電接點(diǎn)壓力表通過控制柜使泵機(jī)自動(dòng)停止。設(shè)備中的水壓高于外界管網(wǎng)壓力，自動(dòng)送水至供水管網(wǎng)。當(dāng)罐體內(nèi)水位下降，罐內(nèi)氣體膨漲壓力減小到指定的下限位置時(shí)，電接點(diǎn)壓力表通過控制柜使水泵重新啟動(dòng)。如此反復(fù)，使設(shè)備不停供水。當(dāng)罐內(nèi)氣體不足時(shí)，補(bǔ)氣閥可自動(dòng)補(bǔ)氣。
全自動(dòng)給水設(shè)備應(yīng)用范圍：
1、普通住宅樓、商住樓、居民小區(qū)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(yè)的生產(chǎn)、生活供水、恒壓供應(yīng)的工藝流程用水。
6、生活小區(qū)、學(xué)校，賓館，高層建筑等的熱水供應(yīng)系統(tǒng)或熱水采暖系統(tǒng)。
7、各種類型的循環(huán)水、冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)。
8、深水井（深水泵、潛水泵）恒壓無塔供水設(shè)備。
9、污水處理廠、排水站的自動(dòng)恒壓液位控制。
10、石油、化工等行業(yè)輸送石油及含酸堿等的液體系統(tǒng)。
全自動(dòng)給水設(shè)備常用組合方式
立式系列全自動(dòng)給水設(shè)備噸位為2－20噸，系立式供水設(shè)備，具有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)給水設(shè)備噸位為10－100噸，系臥式供水設(shè)備，以水井或蓄水池做水源，適用于企業(yè)事業(yè)單位，農(nóng)村等用水量較大的用戶使用。
全自動(dòng)給水設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)
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(huán)境溫度：0℃～+40℃
5、相對(duì)濕度：90%以下
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