基于plc的恒压供水系统的设计

表1 输入/输出点代码及地址编号

名称 输入信号 手动和自动消防信号 水池水位下限信号 水池水位上限信号 变频器报警信号 消铃按钮 试灯按钮 远程压力表模拟量电压值 输出信号 1#泵工频率运行接触器及指示灯 1#泵变频率运行接触器及指示灯 2#泵工频率运行接触器及指示灯 2#泵变频率运行接触器及指示灯 3#泵工频率运行接触器及指示灯 3#泵变频率运行接触器及指示灯 生活/消防供水转换电磁阀 水池水位下限报警指示灯 变频器故障报警指示灯 火灾报警指示灯 报警电铃 变频器频率复位控制 控制变频器频率用电压信号 代码 SA1 SLL SLH SU SB9 SB10 UP KM1,HL1 KM2,HL2 KM3,HL3 KM4,HL4 KM5,HL5 KM6,HL6 YV2 HL7 HL8 HL9 HA KA UF 地址编号 I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 AIW0 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 AQW0 三、PLC控制系统选型

从上面分析可知，控制系统共有开关量输入点6个，开关量输出点12个；模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选用CPU224PLC,需要扩展单元；如果选用CPU226PLC，则价格较高，浪费较大。参照西门子S7-200产品目录及市场实际价格，选用主机为CPU222（8入/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），再扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO），这样的配置是比较经济的。整个PLC系统的配置如图6所示。

主机单元 CPU 222 AC/DC继电器 扩展单元 EM 222 8点继电器 模拟量单元 EM 235 4AI/1AO

图6 PLC控制系统组成

四、电气控制系统原理图 (1)主电路图

图7所示为电控系统主电路。三台电动机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电动机主电路的隔离开关；FU1为主电路的熔断器，VVVF为简

单的一般变频器。

图7 电气控制系统主电路

(2)控制电路图

图8所示为电控系统控制电路图。图中SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置时为手动控制状态；打在2位置时为自动控制状态。手动运行时，可用按钮SB1~SB8控制三台泵的起/停和电磁阀YV2的通断；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。 图中的HL10为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位时只提供一个干触点信号，由于PLC的4个输出点为一组，共用一个COM端而本系统又没有剩下单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触电对变频器进行复频控制。图中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5为PLC的输出继电器触电，它们旁边的4、6、8等数字为接线编号，可结合图9一起读图。

图8 电气控制系统控制电路

(3)PLC外围接线图

图9所示为PLC及扩展模块外围接线图。火灾时，火灾信号SA1被触动，I0.0为1。本设计方案在实际使用时还必须考虑许多其他因素，这些因素主要包括：

①直流电源的容量。

②电源方面的抗干扰措施。 ③输出方面的保护措施。

④系统保护措施。

图9 控制系统PLC及扩展模块的外围接线

五、系统程序设计

硬件连接确定之后，系统的控制功能主要通过软件实现，结合系统控制要求，对软件设计分析如下：

1、由“恒压”要求出发的工作泵组数量管理

前边已经说过，为了恒定水压，在水压降落时要升高变频器的输出频率，且在一台泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台泵或第三台泵。判断需启动新泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上限值。这一功能可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达上限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上限情况，在程序中考虑采用时间滤波。

2、多泵组泵站泵组管理规范

由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，又规定各台水泵必须交替使用，多泵组泵站泵组的投运要有管理规范。在本设计中，控制要求中规定任意一台泵连续变频运行不得超过3h，因此每次需启动新泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵为合理方案。具体操作时，将现行运行的变频泵从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，本设计中使用泵号加1的方法实现变频泵的循环控制（3再加1等于零），用工频泵的总数结合泵号实现工频泵的轮换工作。

3、程序的结构及程序功能的实现

PLC在恒压供水系统中的功能较多，由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。

逻辑运算及报警处理等放在主程序中，系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。生活供水时系统设定值为满量程的70%，消防供水时系统设定值为满量程的90%。在本系统中，只是用比例(P)和积分(I)控制，其回路增益的时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为：

增益 KC=0.25 采样时间TS=0.2s 积分时间体Ti=30min

程序中使用的PLC元器件及功能如表2所示。