PLC在供水系统中的应用

摘 要：本文介绍了PLC系统对自来水厂配水设备的自动控制。根据装置的特点和用户的使用情况，选用增量式PID调节。并通过软件和硬件的合理配合，使系统实现软启、软停及恒压供水。

关键词：PLC;自动控制;PID;恒压供水

1 前言

　　可编程逻辑控制器（PLC）是八十年代发展起来的是集自动化技术、计算机技术和通信技术于一体的新一代工业控制装置。

　　根据我国北方水资源相对缺乏的现状，利用PLC控制水泵进行直接供水，实现无塔供水，故恒压供水显得尤为重要。

2 硬件设计

　　2.1 系统控制框图（见图1）

　　2.2 系统基本工作原理

　　首先根据供水楼层来设定供水压力，以保证最高层有足够的压力。因为当用户用量增大时，压力传感器检测到的水压就变小，这时实际水压与设定水的偏差越大。根据偏差的大小来决定启动泵的数量，此时必须加大流量，以满足用户的增多;当用水量减少时，输出的压力就会增加，偏差越小，根据这个偏差值来决定关闭泵的数量，用来最大限度地节省电能。当发生火灾时，四台泵同时起动，以保证最大的供水量。利用泵的数量来满足用水量以实现恒压供水。

　　2.3 系统硬件配置

　　三菱变频器 1台 热继电器 4台

　　接触器 8台 变频电机 4台

　　空气开关 1只 三相保险盒 6套

　　上位计算机 1套 模拟量模块 1 块

　　三菱通讯卡 1套 三菱PLC 1台

　　2.4 系统软启、软停主电路：（见图2）

　
　　2.5 系统结构框图

　　为了实现恒压供水，要求这种控制系统具有很大的灵活性。控制参数易于变动，数据记录功能完善。针对这些要求与特点，确定控制系统采用两级监控制方案，结构图如右（见图3）：

　　2.6 系统工作方式选择

　　该系统可以用万能转换开关选定系统手动、自动工作方式。手动、自动时每台水泵均可由变频器进行软起动、软停止，四台水泵二用二备、并能自动识别。当用水量小时一台水泵运行，用水量大时二台水泵运行，火警时四台水泵同时供水。利用程序进行定时选择水泵工作方式。在自动运行过程中，若两台水泵供水压力低时既可由软件自动嵌入第三台水泵工作，也可手动起动第三台水泵，投入运行。在手、自动时每台水泵均由变频器按水泵工作曲线切换，通过对变频器编程。编程思路：转速n小时频率f低，但频率f不能低于6Hz, 否则电机会处于弱磁状态;n增加时f上升，n稳定在额定值时f = 50Hz（或略低于50 Hz），变频器切换完成。

3 软件设计

　　3.1 控制程序流程图（见图4）

　　3.2 PID调节以实现恒压供水

　　该系统为了克服内存容量的不足，我们选用增量式PID控制，即输出量是两个采样周期值之差e（k），控制器的输出增量为△U（k）。表达式如下：

　　△U（k）=U（k）-U（k-1）

　　=Kp｛e（k）-e（k-1）+ T＊ e（k ） /T2+T0[e（k）-2e（k-1）+e（k-2） ]/T｝

　　=Kp[（1+T/T2+T0/T）＊e（k）-（1+2T0/T）＊e（k-1）+T0＊e（k-2）/T]

　　=K1＊e（k）-K2＊e（k-1）+K3＊e（k-2）

　　其中：K1、K2、 K3为经验系数，需要现场调试修改。

　　e（k）、 e（k-1）、e（k-2）为对应采样时刻的偏差。

　　当用水量增加时，Uf减小，e（k）增大，需要添加水泵供水，以达到设定水压，通过这种方法实现恒压供水。增量式控制程序框图（见图5）。

　　3. 3 数字滤波来保证采样数据的准确性

　　为了防止瞬时抖动，提高采样数据的准确性，采用两种处理方法：

　　1、当采样值比最大值还大时，我们取最大值为这次的采样值。

　　2、考虑到精度的要求不高，我们采用数字滤波中的平均值滤波方法。流程图如下：

　　3.4 编程思路及安全连锁

　　工艺控制（控制对象主要是对4台水泵的控制）按用户用水量的大小，可自动完成工作过程的控制。利用优先级控制：压力的优先级比时间的优先级高，来确保压力恒定。通过对变频器的编程，使变频器按照水泵的特性曲线来工作，从而有效地使水泵的起动和停止较为平稳。换句话说，可实现水泵的软起、软停。

　　为了降低系统成本，打破常规思维，我们对热继电器的状态不进行检测，利用热继电器的常闭触点（用继电器控制思路）对它所保护电机的接触器线圈实行硬件闭锁，利用程序对各控制电机实行软件闭锁。根据配水厂的要求可现场任意修改联锁方式：下位机程序联锁、上位机程序脚本联锁。

　　通过上述三种联锁方式，足可以保证工作过程、人员与设备的安全。

　　3.5 工作数据的处理

　　对文中的配水装置而言，数据查阅功能显得尤为重要。通过对配水历史数据查阅，可以系统的分析用户的总用水情况，为降低供水成本修改程序提供依据。通过对动态数据的查阅，可以使系统管理员对系统的动态过程能够很好的监控，从而有效地、合理的分配水资源。在上位计算机的Win—BC组态软件中，通过标鉴记录可实现上述功能。

　　3.6 报表输出及监控

　　在配水实际过程中的报表可分为两类：（1）定时报表（例如：小时数据流水帐报表）;（2）动态数据分析报表。在上位计算机的Win—BC组态软件中，报表的编辑器可实现这些功能：将鼠标放在某一对象上，可弹出相应的文字说明并持续一段时间，有助于操作人员对配水流程的进一步了解。

4 结束语

　　本文所描述的增量式PID控制的DCS系统完全能满足配水厂的供水要求，且具有功能完善、使用方便、控制精确等特点，稍加变化可适合任何需要恒压流量（液压）系统。该系统在北方各大楼宇试用，效果较为理想。消防设备均可采用这种方式供水。针对不同的系统需稍加更改，这一点需要注意。

参考文献:

　　[1] 黄一夫. 微型计算机控制技术. 机械工业出版社会. 1997.5

　　[2] 钟肇新. 可编程控制器原理及应用. 华南理工大学出版社. 1998.5

　　[3] 同志工作室. Borland c++开发技巧例教程. 人民邮电出版. 2000.5