基于PLC和HMI的变频恒压供水系统设计

引言

    随着社会的发展与进步，城市高层建筑供水问题日益突出，一方面要求提高供水质量，不能因压力的波动造成供水障碍，另一方面要求保证供水的安全性及可靠性。而传统的水塔供水方式暴露了很多缺点：用水高低峰的不平衡，管道阀门易损坏，维修保养费用过高，水的二次污染等等。为此，笔者结合某矿务局商住楼生活供水系统设计，提出基于PLC和HMI的变频恒压供水系统，实现该矿务局商住楼恒压供水和节能的环保要求。

1 系统总体方案设计

     该商住楼地上共10层，一层为商铺，地下l层，给水泵房及机械停车库皆位于负一层，建筑高度35米。地下1层(低区)由市政管网直接供水，3层～10层(中区)由生活泵房的变频调速恒压给水没备供水。

中区恒压供水控制系统由一台PLC、一台带内置PID控制器的变频器、压力传感器、水泵机组、储水罐、储能罐等组成。恒压供水控制系统原理图如图1所示。

图1 恒压供水控制系统原理图

    图1中水泵机组采用两台水泵运行的方式；一台是主泵，另一台是备用泵。两泵用一台变频器控制交替工作，荫台水泵都能软启动和软停止。这样不仅可以减少水压对管道的冲击，还能够改善水锤效应，避免设备的损坏，同时加装储能罐以消除水锤效应。

    工作中由压力传感器检测实际的出水管压力，压力传感器把检测到的压力信号变成模拟信号(电压或电流信号，本系统采用电压信号)，并把该信号送给变频器，由变频器中的PID运算。PLC根据压力的情况控制变频器提速或降速(由变频器的多段速控制)。当用水量小时，变频器控制一台水泵在低速下运行；当用水量大时，变频器控制水泵在高速下运行；当用水量极大或发生火灾及其他需要人量用水时，由PLC控制两台水泵同时启动，以保证压力的稳定。为了延长水泵的使用寿命，让两台水泵每4小时循环工作，以避免水泵长时间不用而生锈。另外储水罐的进水管和出水管除了有电动阀门还有手动阀门，防止电动阀门出现故障时影响供水。系统中增加了人机界面HMI，在人机界面里能显示系统的故障、运行状态及参数的设置，同时可以向导式的对系统进行操作，使得系统控制更加方便明了(恒压供水系统主电路单元、控制回路单元及人机界面单元等图略，若有需求，可向笔者索取）。

2 硬件系统设计

2.1 主机PLC的选择与设计

    本系统所需的I／O点数为28点输入，23点输出，从控制系统功能和信价比考虑，选择PLC为三菱Ⅸ2N一64MR。该型号PLC有32点输入，32点输出，满足本系统的要求，PLC端子接线图如图2所示(I／O地址分配表略，若有需求，可向笔者索取)。

图2 PLC端子接线图

2.2 变频器选择

    经计算，中区供水设计流量50m’／}l，泵扬程48米。根据计算参数，选择离心式水泵ISG 80—50—200(2台)，配带电动机的型号为Y160M2—2，功率为15 KW(2台)；据此选变频器为HLP—P风机／水泵专用变频器，型号为HLP—P18D543B，功率18．5KW。该变频器具有高输出转速和强的抗干扰能力，有PID控制与上、下限控制两种控制方式，具有一拖六功能，可实现变频、工频的自动切换，具有自动稳压和节能运行等功能，变频器压力反馈PID控制方框图如图3所示瞄圳(端子接线图略，若有需求，可向笔者索取)。

    从图3中可知，通过来自远端压力表的反馈值与设定值的比较，经变频器PID控制时的输出频率限制设定的百分比，一次延时使系统的震荡减缓，实现平稳的控制输出。

图3 力反馈PID控制方框图

2.3 压力传感器选择

    选用的传感器为：MD—W恒压供水压力传感器，该传感器是专门为变频恒压供水系统而设计的传感器，采用抗变频干扰电路，保证输出信号的稳定性。

2.4 人机界面的选择

    选用的HMI是Eview公司的MD204L，MD204L是一个小型的人机界面，操作人员可通过编程软件TP200在计算机上面制作画面，自由输入汉字及PLC地址并使用串行通讯下载画面，实现系统运行状态的显示、报警及人机操作等功能(其他低压元器件选型及规格型号略，若有需求，可向笔者索取)。

3 软件系统设计

3.1 控制系统流程图设计(如图4所示)

图4 恒压供水系统流程图

3.2 PLC程序设计

    控制系统的软件设计是整个PLC电气控制部分设计的核心，根据控制要求，确定控制的操作方式，应完成的动作，以及必须的保护和连锁，还要确定所有的控制参数本程序分为主程序和子程序两部分，在主程序中主要完成系统的初始化及模式的选择。系统的初始化主要包括变频器、人机界面、PLC、水位、阀门及多段速的初始速度等的初始化。当初始化结束后进入自动／手动模式的选择。当选择了自动模式，程序将自动调用自动模式的子程序，当系统启动按钮按下时，系统进入自动运行模式。在自动模式下，A泵先启动运行，四个小时后自动切换到B泵运行，B泵运行四个小时后，再次切换到A泵循环运行。手动模式主要用于设备的调试，当选择了手动模式，程序将自动调用手动模式的子程序。在手动模式下，A1阀、A2阀、B1阀、B2，阀、A泵及B泵都能单独的点动运行。当选择A(B)阀运行，程序将自动调用A(B)阀子程序，如果在A(B)阀子程序中选择Al(B1)阀或A2(B2)阀运行，程序将自动调用A1(B1)阀或A2(B2)阀的子程序。开始A1(B1)阀或A2(B2)阀的点动运行。在此过程中运用了子程序的嵌套使用方法。当A(B)阗开启后，选择A(B)泵启动时，系统自动调用A(B)泵子程序，并点动运行(具体程序略，若有需求，可向笔者索取)。

3 3 人机界面程序设计

人机界面的编程软件采用MD204L专用的组态软件TP200v4DD，与PLc编程口直接相连实现通讯。主菜单如图5所显(其它菜单略)。

图5人机界面主菜单

4 结束语

     本文介绍了PLc和HMI的恒压供水控制系统，在该系统中PLc控制变频器进行PID运算，根据不同阶段的用水情况通过调节频率选择适当的压力范围．用人机界面显示系统的状态和对系统的控制，实现恒压供水。系统中水泵机组软启动、交替循环工作方式使电网和管网免受冲击，无水锤现象，延长泵和阀等器件的使用寿命。由于变频恒压供水系统的压力范围可以通过频率的调节而变化，所以，既节约了水资源，又节约了电能，同时避免了水源的二次污染。本文创新点：利用PLc控制变频器进行兀D运箅，实现分级嘲速，结台HMl的应用，使得系统的状态显示与控制更加灵活方便。该供水系￡工作可靠、效率高，在节约水资豫和电能的基础上实现矿务局商住楼恒压供水的目的。