PLC在供水系統(tǒng)中的應用

摘 要：本文介紹了PLC系統(tǒng)對自來水廠配水設(shè)備的自動控制。根據(jù)裝置的特點和用戶的使用情況，選用增量式PID調(diào)節(jié)。并通過軟件和硬件的合理配合，使系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟、軟停及恒壓供水。

關(guān)鍵詞：PLC;自動控制;PID;恒壓供水

1 前言

　　可編程邏輯控制器（PLC）是八十年代發(fā)展起來的是集自動化技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)于一體的新一代工業(yè)控制裝置。

　　根據(jù)我國北方水資源相對缺乏的現(xiàn)狀，利用PLC控制水泵進行直接供水，實現(xiàn)無塔供水，故恒壓供水顯得尤為重要。

2 硬件設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)控制框圖（見圖1）

　　2.2 系統(tǒng)基本工作原理

　　首先根據(jù)供水樓層來設(shè)定供水壓力，以保證最高層有足夠的壓力。因為當用戶用量增大時，壓力傳感器檢測到的水壓就變小，這時實際水壓與設(shè)定水的偏差越大。根據(jù)偏差的大小來決定啟動泵的數(shù)量，此時必須加大流量，以滿足用戶的增多;當用水量減少時，輸出的壓力就會增加，偏差越小，根據(jù)這個偏差值來決定關(guān)閉泵的數(shù)量，用來最大限度地節(jié)省電能。當發(fā)生火災時，四臺泵同時起動，以保證最大的供水量。利用泵的數(shù)量來滿足用水量以實現(xiàn)恒壓供水。

　　2.3 系統(tǒng)硬件配置

　　三菱變頻器 1臺 熱繼電器 4臺

　　接觸器 8臺 變頻電機 4臺

　　空氣開關(guān) 1只 三相保險盒 6套

　　上位計算機 1套 模擬量模塊 1 塊

　　三菱通訊卡 1套 三菱PLC 1臺

　　2.4 系統(tǒng)軟啟、軟停主電路：（見圖2）

　
　　2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　為了實現(xiàn)恒壓供水，要求這種控制系統(tǒng)具有很大的靈活性。控制參數(shù)易于變動，數(shù)據(jù)記錄功能完善。針對這些要求與特點，確定控制系統(tǒng)采用兩級監(jiān)控制方案，結(jié)構(gòu)圖如右（見圖3）：

　　2.6 系統(tǒng)工作方式選擇

　　該系統(tǒng)可以用萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)選定系統(tǒng)手動、自動工作方式。手動、自動時每臺水泵均可由變頻器進行軟起動、軟停止，四臺水泵二用二備、并能自動識別。當用水量小時一臺水泵運行，用水量大時二臺水泵運行，火警時四臺水泵同時供水。利用程序進行定時選擇水泵工作方式。在自動運行過程中，若兩臺水泵供水壓力低時既可由軟件自動嵌入第三臺水泵工作，也可手動起動第三臺水泵，投入運行。在手、自動時每臺水泵均由變頻器按水泵工作曲線切換，通過對變頻器編程。編程思路：轉(zhuǎn)速n小時頻率f低，但頻率f不能低于6Hz, 否則電機會處于弱磁狀態(tài);n增加時f上升，n穩(wěn)定在額定值時f = 50Hz（或略低于50 Hz），變頻器切換完成。

3 軟件設(shè)計

　　3.1 控制程序流程圖（見圖4）

　　3.2 PID調(diào)節(jié)以實現(xiàn)恒壓供水

　　該系統(tǒng)為了克服內(nèi)存容量的不足，我們選用增量式PID控制，即輸出量是兩個采樣周期值之差e（k），控制器的輸出增量為△U（k）。表達式如下：

　　△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為經(jīng)驗系數(shù)，需要現(xiàn)場調(diào)試修改。

　　e（k）、 e（k-1）、e（k-2）為對應采樣時刻的偏差。

　　當用水量增加時，Uf減小，e（k）增大，需要添加水泵供水，以達到設(shè)定水壓，通過這種方法實現(xiàn)恒壓供水。增量式控制程序框圖（見圖5）。

　　3. 3 數(shù)字濾波來保證采樣數(shù)據(jù)的準確性

　　為了防止瞬時抖動，提高采樣數(shù)據(jù)的準確性，采用兩種處理方法：

　　1、當采樣值比最大值還大時，我們?nèi)∽畲笾禐檫@次的采樣值。

　　2、考慮到精度的要求不高，我們采用數(shù)字濾波中的平均值濾波方法。流程圖如下：

　　3.4 編程思路及安全連鎖

　　工藝控制（控制對象主要是對4臺水泵的控制）按用戶用水量的大小，可自動完成工作過程的控制。利用優(yōu)先級控制：壓力的優(yōu)先級比時間的優(yōu)先級高，來確保壓力恒定。通過對變頻器的編程，使變頻器按照水泵的特性曲線來工作，從而有效地使水泵的起動和停止較為平穩(wěn)。換句話說，可實現(xiàn)水泵的軟起、軟停。

　　為了降低系統(tǒng)成本，打破常規(guī)思維，我們對熱繼電器的狀態(tài)不進行檢測，利用熱繼電器的常閉觸點（用繼電器控制思路）對它所保護電機的接觸器線圈實行硬件閉鎖，利用程序?qū)Ω骺刂齐姍C實行軟件閉鎖。根據(jù)配水廠的要求可現(xiàn)場任意修改聯(lián)鎖方式：下位機程序聯(lián)鎖、上位機程序腳本聯(lián)鎖。

　　通過上述三種聯(lián)鎖方式，足可以保證工作過程、人員與設(shè)備的安全。

　　3.5 工作數(shù)據(jù)的處理

　　對文中的配水裝置而言，數(shù)據(jù)查閱功能顯得尤為重要。通過對配水歷史數(shù)據(jù)查閱，可以系統(tǒng)的分析用戶的總用水情況，為降低供水成本修改程序提供依據(jù)。通過對動態(tài)數(shù)據(jù)的查閱，可以使系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)的動態(tài)過程能夠很好的監(jiān)控，從而有效地、合理的分配水資源。在上位計算機的Win—BC組態(tài)軟件中，通過標鑒記錄可實現(xiàn)上述功能。

　　3.6 報表輸出及監(jiān)控

　　在配水實際過程中的報表可分為兩類：（1）定時報表（例如：小時數(shù)據(jù)流水帳報表）;（2）動態(tài)數(shù)據(jù)分析報表。在上位計算機的Win—BC組態(tài)軟件中，報表的編輯器可實現(xiàn)這些功能：將鼠標放在某一對象上，可彈出相應的文字說明并持續(xù)一段時間，有助于操作人員對配水流程的進一步了解。

4 結(jié)束語

　　本文所描述的增量式PID控制的DCS系統(tǒng)完全能滿足配水廠的供水要求，且具有功能完善、使用方便、控制精確等特點，稍加變化可適合任何需要恒壓流量（液壓）系統(tǒng)。該系統(tǒng)在北方各大樓宇試用，效果較為理想。消防設(shè)備均可采用這種方式供水。針對不同的系統(tǒng)需稍加更改，這一點需要注意。

參考文獻:

　　[1] 黃一夫. 微型計算機控制技術(shù). 機械工業(yè)出版社會. 1997.5

　　[2] 鐘肇新. 可編程控制器原理及應用. 華南理工大學出版社. 1998.5

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