PLC在供水系統(tǒng)中的應(yīng)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(dòng)控制。根據(jù)裝置的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)軟啟、軟停及恒壓供水。

關(guān)鍵詞：PLC;自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jìn)行直接供水，實(shí)現(xiàn)無塔供水，故恒壓供水顯得尤為重要。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　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?yàn)楫?dāng)用戶用量增大時(shí)，壓力傳感器檢測到的水壓就變小，這時(shí)實(shí)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(dòng)泵的數(shù)量，此時(shí)必須加大流量，以滿足用戶的增多;當(dāng)用水量減少時(shí)，輸出的壓力就會(huì)增加，偏差越小，根據(jù)這個(gè)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(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，四臺(tái)泵同時(shí)起動(dòng)，以保證最大的供水量。利用泵的數(shù)量來滿足用水量以實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

　　2.3 系統(tǒng)硬件配置

　　三菱變頻器 1臺(tái) 熱繼電器 4臺(tái)

　　接觸器 8臺(tái) 變頻電機(jī) 4臺(tái)

　　空氣開關(guān) 1只 三相保險(xiǎn)盒 6套

　　上位計(jì)算機(jī) 1套 模擬量模塊 1 塊

　　三菱通訊卡 1套 三菱PLC 1臺(tái)

　　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(shí)現(xiàn)恒壓供水，要求這種控制系統(tǒng)具有很大的靈活性?？刂茀?shù)易于變動(dòng)，數(shù)據(jù)記錄功能完善。針對這些要求與特點(diǎn)，確定控制系統(tǒng)采用兩級(jí)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(dòng)、自動(dòng)工作方式。手動(dòng)、自動(dòng)時(shí)每臺(tái)水泵均可由變頻器進(jìn)行軟起動(dòng)、軟停止，四臺(tái)水泵二用二備、并能自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)用水量小時(shí)一臺(tái)水泵運(yùn)行，用水量大時(shí)二臺(tái)水泵運(yùn)行，火警時(shí)四臺(tái)水泵同時(shí)供水。利用程序進(jìn)行定時(shí)選擇水泵工作方式。在自動(dòng)運(yùn)行過程中，若兩臺(tái)水泵供水壓力低時(shí)既可由軟件自動(dòng)嵌入第三臺(tái)水泵工作，也可手動(dòng)起動(dòng)第三臺(tái)水泵，投入運(yùn)行。在手、自動(dòng)時(shí)每臺(tái)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(shí)頻率f低，但頻率f不能低于6Hz, 否則電機(jī)會(huì)處于弱磁狀態(tài);n增加時(shí)f上升，n穩(wěn)定在額定值時(shí)f = 50Hz（或略低于50 Hz），變頻器切換完成。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 控制程序流程圖（見圖4）

　　3.2 PID調(diào)節(jié)以實(shí)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(gè)采樣周期值之差e（k），控制器的輸出增量為△U（k）。表達(dá)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(yàn)系數(shù)，需要現(xiàn)場調(diào)試修改。

　　e（k）、 e（k-1）、e（k-2）為對應(yīng)采樣時(shí)刻的偏差。

　　當(dāng)用水量增加時(shí)，Uf減小，e（k）增大，需要添加水泵供水，以達(dá)到設(shè)定水壓，通過這種方法實(shí)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(zhǔn)確性

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

　　1、當(dāng)采樣值比最大值還大時(shí)，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(tái)水泵的控制）按用戶用水量的大小，可自動(dòng)完成工作過程的控制。利用優(yōu)先級(jí)控制：壓力的優(yōu)先級(jí)比時(shí)間的優(yōu)先級(jí)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(dòng)和停止較為平穩(wěn)。換句話說，可實(shí)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(jìn)行檢測，利用熱繼電器的常閉觸點(diǎn)（用繼電器控制思路）對它所保護(hù)電機(jī)的接觸器線圈實(shí)行硬件閉鎖，利用程序?qū)Ω骺刂齐姍C(jī)實(shí)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(jī)程序聯(lián)鎖、上位機(jī)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的查閱，可以使系統(tǒng)管理員對系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)算機(jī)的Win—BC組態(tài)軟件中，通過標(biāo)鑒記錄可實(shí)現(xiàn)上述功能。

　　3.6 報(bào)表輸出及監(jiān)控

　　在配水實(shí)際過程中的報(bào)表可分為兩類：（1）定時(shí)報(bào)表（例如：小時(shí)數(shù)據(jù)流水帳報(bào)表）;（2）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析報(bào)表。在上位計(jì)算機(jī)的Win—BC組態(tài)軟件中，報(bào)表的編輯器可實(shí)現(xiàn)這些功能：將鼠標(biāo)放在某一對象上，可彈出相應(yīng)的文字說明并持續(xù)一段時(shí)間，有助于操作人員對配水流程的進(jìn)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(diǎn)，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(diǎn)需要注意。

參考文獻(xiàn):

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