基于PLC變頻恒壓供水自控系統的設計

張少波 何柳群

作者簡介：張少波（1971-），男，湖南吉首人，碩士，講師，研究方向為電子電力專業教學與實訓。何柳群（1975-），湖南益陽人，本科，實驗師，研究方向為電力電子實訓。

摘?要： 為了進一步提升市政管網供水壓力管控水平，要充分發揮技術體系的優勢，尤其是高層建筑，要借助二次加壓確保用水要求得以滿足，有效升級水泵軸功率和能量控制效果。本文分析了變頻壓供水自控系統的運行原理，并從硬件、軟件兩個方面分析基于PLC變頻壓供水自控系統系統設計方案。

關鍵詞： PLC;變頻壓;供水自控系統;組成

【中圖分類號】TU821?【文獻標識碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.41.173

伴隨著城市城鎮化發展的增速，人們生活水平不斷提高，對于城市的供水系統提出了新的要求，為了滿足節能降耗的發展標準，要利用先進的自動化控制技術和信號反饋技術，為供水自控管理工作的全面落實奠定堅實基礎。

1?變頻壓供水自控系統運行原理

一般而言，變頻壓供水自控系統主要包括水井、水泵、壓力傳感器、管網以及變頻器等，不同的組件發揮其實際作用，從而有效形成合理的控制運行系統。在實際應用過程中，要借助管網上的壓力傳感器對管網內因為水量變化產生的壓力參數予以匯總，然后將信號以4-20mA/0-10V的形式傳遞到變頻器的PID調節單元上，借助反饋信號就能完成對比設定，從而確保相應的壓力控制效果能滿足實際應用要求[1]。值得一提的是，在變頻指令轉化的同時，就能對水泵的轉速予以調控，保證管網內水壓和實際控制壓力之間形成平衡。綜上所述，建立恒壓變頻供水控制工作體系，維持管網壓力輸出效果和整體運行效益的穩定性。

2?基于PLC變頻壓供水自控系統設計要點

步進順序控制功能要基于PLC模塊和變頻器PID頻率自動調節操作單元共同參與，有效將管網壓力數值予以有效控制，建立恒壓變頻調控模式，從而確保泵結構運行自動控制效果符合預期，減少人為操作造成的資源浪費，最大化滿足節能降耗的要求。

2.1?整體流程

在應用PLC模塊后，利用變頻器、PLC以及泵結構完成PID功能實現過程和恒壓供水變頻處理過程，能實現自動和手動的切換[2]。

第一，系統自動調壓的基礎流程，要設定整個系統出口壓力，并且確保動態檢測工作順利完成，能有效測定壓力數值和實時變化動態，將相應檢索和處理工作與軟件設定的壓力數值相對比分析。若是測定的數值相較于設定的數值低，則要加快泵的運行速率，保證相應運行效果的匹配度。若是測定的實質相較于設定的數值差值較小，無需進行非常精細化的調整工作。若是轉速在50Hz以上，且沒有超過壓力數值，就要啟動備用泵，對泵的轉速予以調整，確保恒壓效果滿足系統運行目標。

第二，備用泵的應用要滿足切換要求，在非備用泵運行的過程中，備用泵處于待機狀態，一旦其出現故障，備用泵要開啟相應的工作，在切換的過程中要對遠程效果、非故障狀態等進行分析，利用自動聯鎖啟動、運行模式，并且借助自動調節的方式調整其速度[3]。

2.2?系統要求

應用PLC和變頻器聯動的方式完成水泵的切換和控制，不僅能增加運行的動力約束效果，也能維持管網的運行壓力，實現壓力數值的恒定輸出，減少不良問題造成的影響，促進變頻恒壓供水系統應用處理的有效落實。

（1）硬件

硬件系統管理和控制體系內，要結合恒壓供水系統的工藝要求，確保相應硬件處理元件的完整性，保證設備處理的合理性和規范性。

第一，PLC選型。為了保證變頻壓供水自控系統運行的合理性，要從選型工作入手，結合實際系統需求，本文選取的是S7-1200系列的PLC，基礎CPU模塊為CPU1215c，配合標準的數字量和模擬量擴展模塊[4]。為了確保模擬量輸入的合理性，利用遠距離通信電流信號通信處理的方式，基礎輸入范圍在4mA到20mA之間，不僅具備較高的安全性，其整體穩定性也較好，并且能建立溢出診斷。另外，在STL步控制開始后，要完成對應的步驟控制工作，利用返回命令RET實現循環處理，按照設置命令逐漸進入應用、復位的運行模式，設置ZRST批量復位后，確保相應的運行過程符合質量標準。

第二，變頻器選型。結合具體供水生產流量選擇對應的變頻器，基礎供水流量參數為每小時300m3到400m3，最大設計量設定為500m3。依據現場安裝條件以及設備性價比參數確定單臺泵結構的額定流量為每小時200m3，額定揚程則設計為100m[5]。

第三，外部接線設置。在對PLC進行設備連接處理的過程中，要將現場設備的基礎信號狀態都實時傳遞到PLC內部，從而保證參數處理和自動控制工作流程的合理性，有效結合工藝要點，維持CPU模塊中不同輸入輸出變量結構的合理性，具體變量參數表見表1：

（2）?軟件

在系統分析整體運行要求和處理標準后，要結合硬件選取適宜的軟件系統，著重關注模塊的具體應用類型，確保編程效果符合標準。選取的編程軟件是TIA，利用LAD語言完成對應程序的編寫，并且，要借助模擬量處理函數分析、模擬量輸出函數分析以及設備控制函數分析等，從而保證相應參數設定處理和解析過程更加貼合實際應用要求[6]。

第一，結合旋轉開關的實際操作流程判定對應模式，主要分為手動和自動，軟件設計過程就是輔助自動操作模式，依據程序對檢測泵進行開啟控制，若是其運行正常，則依據變頻器檢測設備進行信號的分析，尤其是和設定頻率進行比較，確保工作泵頻率要在50Hz以下。若是其運行處于不正常的狀態，則要利用重復啟動的方式。

第二，針對2臺工作泵同時運行的處理，若是頻率在50Hz以上，則要啟動備用泵，頻率降低在50Hz以下，關閉備用泵[7]。要結合管網用水量進行水泵運行速度等參數的分析，從而在無需人工干預的情況下實現恒壓供水自動控制處理模式，也能滿足節能降耗的運行需求，實現經濟效益和環保效益的共贏。

第三，在模塊PID_compact中進行循環中斷指令的調用，從而保證設備通信的合理性，借助調試窗口完成對應參數指令調試工作，維持其精確性，保證PID能建立自整定模式，并且將PID的相關參數直接上傳到參數配置模式中，維持應用效果。在通信處于正常運行狀態下，就要結合設定數值和模擬量輸出數值建立對比分析模式，結合其偏差數據按照比例和微分處理方式完成自動控制工作。

2.3?組態軟件處理

在應用對應軟件和硬件后，就要利用獨立的WinCC組態軟件實現數據的實時性監控，確保設計效果和運行效果都能落實到位。WinCC本身是依據C/S架構完成開發處理的，因此，能有效維持工程師站和操作員站組態設計工序，為整個系統運維管理工作的全面落實提供保障。

一方面，組態畫面能建立實時性遠程監控體系，實現用戶系統登錄的基礎上，能集中顯示泵工作狀態，以維持相應參數的穩定性。例如，要對泵頻率進行實時性設定，并且分析流量數值和供水壓力顯示數值。

另一方面，要對控制水壓趨勢圖予以信息采集，結合信息數據分析對應的控制模塊，保證應用處理效果最優化。

2.4?故障說明和排除

第一，啟動超時的故障問題。在應用基于PLC變頻壓供水自控系統的過程中，若是出現自動信號發出但是控制柜無動作的問題，就要對控制電控柜和控制線質量予以檢查，從而全面分析相應問題，判定控制電源是否處于正常連接的狀態，在檢查工作結束后進行報警確認，一定程度上避免設備出現異常。

第二，非遠程操作體系中，若是因為遠程信號丟失，也會造成設備出現停機問題。此時，技術人員要先進行開關選擇，依據遠程控制位置決定相應操作指令，若不是因為人為因素造成遠程信號的丟失，就要對信號線或者是連接端子進行檢查，保證遠程信號的合理性。

第三，電機故障問題或者是送電不及時故障，會造成控制柜內電氣元件保護效果失衡，使得對應元件因為送電觸發不及時產生故障問題。技術人員要對設備的控制柜變頻器和電機保護器予以檢查和校對，避免送電不及時以及跳閘等問題。如有必要利用手動復位的方式完成合閘送電處理。

第四，設備在運行過程中出現運行信號丟失的問題，若是丟失現象超出2s，就會因為觸發不當而造成停機。技術人員要進行現場低壓柜運行情況的分析和檢查，并且結合繼電器線路運行要求排查故障原因。

結束語：總而言之，基于PLC變頻壓供水自控系統設計中，要結合實際應用要求對工藝流程進行約束和管理，并且結合流量分析、頻率分析以及壓力實時性檢測分析落實相應的控制工作，確保PID自動控制模塊能發揮其實際價值，為管道壓力恒定狀態處理工作的全面落實提供保障。

參考文獻

[1]?張天一，王明威.基于S7-1200 PLC的恒壓供水自控系統[J].電子元器件與信息技術，2020，4（6）：127-128.

[2]?閆艷軍，肖紅曉，吳靜.PLC自控系統在供水生產中的應用[J].中國科技投資，2017（22）：302.

[3]?黃家偉.基于PLC的廠區供水模式的優化設計及實踐[J].時代農機，2.

[4]?吳啟紅.可編程控制系統設計技術.機械工業出版社，2014.5.

[5]?程周.電氣控制與PLC原理及應用.電子工業出版社，2010.

[6]?田效伍.電氣控制與PLC原理技術.機械工業出版社，2009.

[7]?高欽和.可編程控制器應用技術與設計[M].人民郵電出版社，2004.