陈俊丽

（武昌职业学院，武汉武昌，430200）

0 引言

供水系统是人们获得日常生活用水和工业用水的核心，传统的供水方式是由水塔或高位水箱供水，这两种供水方式工作原理和施工方式简单，但是供水可靠性不高，储水容量有限，且供水系统的使用寿命不长，也不便于检修维护，无法对压力进行自动调节，同时也会对水质造成很大影响。

随着脉宽调制技术、变频技术和可编程逻辑控制器（PLC)的发展，人们逐渐将其结合起来，并应用到供水领域，采用PLC 作为整个控制系统的核心部分，利用压力传感器实时进行反馈使水泵出口处的水压恒定，并根据实际压力测量情况进行闭环控制，即当代普遍应用的变频恒压供水系统。在系统设备不断走向自动化的今天，发达国家的变频恒压供水系统工程为了降低投入资金，将由一台变频器控制一组电动机（一拖一)的运行方式转变为用一台变频器拖动多组水泵电机（一拖多)的工作方式，这种供水方式运行噪声低、供水稳定性高、灵活性能好，并且节能环保，大幅提升了供水系统的运行效率。

在此背景下，设计了一套基于PLC 的无塔供水变频系统，该系统通过压力传感器的实时监测以及闭环反馈，经过模数转换传输至控制器，控制器作出相应的判断后，再利用数模转换技术实现对水泵机组的实时调节，满足人们对于供水系统的各方面要求。

1 系统设计方案

■1.1 无塔供水控制方案

市面上常用的无塔供水控制方案多为无塔供水变频恒压技术，可依据实际用水的需求状况进行闭环反馈控制，通过压力传感器的测量值与预设值的差值来进行调节，最后通过处理器控制水泵机组的运行状况，以满足用户需求。

对于处理器的选择，主要有三种方式，第一种是利用单片机技术进行调节，但这种控制方式的延伸扩展能力较弱，运行时的稳定性也是差强人意，且外界环境的改变也会影响到控制效果。第二种方式是利用专门用于恒压供水系统的变频器，采用PID 控制来进行调节，操纵起来比较容易，投入资金少，但带负载能力不强，且信息传输能力有限。第三种方式是利用可编程逻辑控制器PLC 进行控制，根据控制要求利用PLC 控制来实现工频变频的转换与配合，这种模式运行稳定性能强，不易受到外界干扰。

变频无塔供水系统主要由可编程逻辑控制器PLC、压力监测传感器、水泵机组、电动机、储水池、继电器等元器件构成，主体由PLC 作为整个供水系统的控制核心，具有可控性强，操作简单，灵活性强，检修维护方便等优势。整个控制过程中运用到了检测反馈技术、AC-DC 转换技术、变频技术等。即根据压力反馈值的大小，经过模数转换，通过PLC 与预设值进行比较，做出相应反应后经过数字量与模拟量的转化输出到变频器，从而实现对水泵机组的控制。

■1.2 无塔供水系统分析

无塔供水变频系统主要由检测装置、控制系统、驱动装置和执行机构四部分组成，其中，检测装置由按钮、液位变送器和压力变送器组成，控制系统为西门子1200 PLC，驱动装置为西门子变频器MM440，执行机构为水泵电机，本次设计共采用了三个水泵。

检测装置相当于人体感官，将系统所需要的变量进行采集，控制系统对检测变量的读取并进行逻辑运算，运算后的结果被传输到驱动装置，再由驱动装置把结果传输至执行机构，根据控制对象的控制要求来驱动执行机构，达到自动化控制的目的。供水系统的整体结构框图如图1 所示。

图1 无塔供水变频系统整体结构框图

2 供水系统硬件设计

■2.1 系统主电路设计

无塔供水系统主电路图如图2 所示，QS 作为系统隔离开关，控制整个系统的电源给定；FU 为系统熔断器，当系统电路电流突变，熔断器立即断开电路，避免对设备造成损害；FR 为热继电器，为电路提供过载保护。无塔供水系统共用到七个接触器，为了能实现对系统的供水进行实时调节，分别设定了工频和变频两种工作方式，KM1、KM2、KM3 作为工频启动主接触器，将电源电压直接给定到水泵电机全压启动；KM4、KM5、KM6 作为变频启动主接触器，由西门子MM440 变频器内设定的输出频率控制水泵电机工作，水泵电机随着输出频率变化。

■2.2 系统硬件选型

2.2.1 主控制器

在工业过程控制中有三大控制系统，分别是PLC、DCS、FCS。

（1) PLC 控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程的存储器，用于其内部的存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入或输出，控制各种类型的机械化生产过程。

（2)DCS 集散控制系统，又叫计算机分布式控制系统，它是20世纪70年代中期迅速发展起来的，它把控制技术、计算机技术、图像显示技术以及通信技术结合起来，也称作4C 技术，实现了对生产过程的监视、控制和管理。它既打破了常规控制仪表功能的局限性，又较好地解决了早期计算机系统对于信息、管理和控制作用过于集中带来的危险性。

（3)FCS 现场总线控制系统的核心是总线协议，基础是数字智能现场设备，本质是信息处理现场化。

本次系统使用PLC 控制器作为主控制器，型号采用西门子1200系列PLC1214C DC/DC/DC，外加SM1234 AI4/AQ2 模拟量模块。

2.2.2 变频器

在无塔供水变频系统中，供水系统通过主控制器PLC对变频器下达指令，控制变频器的输出频率来调节管道流量。变频器的可以降低电力线路电压波动，因为电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常。而变频器能在零频率零电压时逐步启动，能最大程度消除电压下降。

考虑到本次设计的控制要求及系统调速范围、调节速度的参数，系统采用西门子MM440 的变频器，是西门子用于控制三相交流电动机速度和转矩的变频器，其具有以下特点：

（1) MM440 具有丰富的控制功能，通过P1300 参数可以选择从V/P 控制到带传感器的矢量控制等12 种不同特点的控制模式，适用于恒转矩、变转矩等各种性质的负载，满足各种控制要求。

（2) 丰富的停车和制动功能。MM440 具有3 种停车方式，即按斜坡减速停车(OFF1)、惯性停车(OFF2)快速停车（OFF3)。3 种制动功能，即直流制动、复合制动、动力制动（须外接制动电阻，75kW 以下已内置制动单元)。停车方式和制动方式的灵活配用，可适应不同机械惯性负载的要求。

（3)强大的通讯功能。利用Profibus 通讯可选件，可以将MM440 接入开放的、高速（12Mb/S)的DP 网，实现性能更佳、精度更高的通讯控制。

2.2.3 压力变送器

自来水经过无塔供水系统供应给用户，但供应过程中无法得知用户用水情况，不能实时对供水量调整，为了解决这个问题，需要检测流向用户的管道压力，判断管内压力是否等于标准值。

本系统采用SY-3051 系列电容式变送器，过程压力通过两侧或一侧的隔离膜片，灌充液传至中心测量膜片。中心膜片是一个张紧的弹性元件，它对于作用在其上的两侧压力差产生相应变形位移，其位移与差压成正比，位移约0.1mm，这种位移转变在电容极板上形成差动电容，由电子线路把差动电容转换成二线制的4-20mADC 信号输出。

2.2.4 液位变送器

自来水作为无塔供水系统的能源，自来水的供给量是必要控制的能源变量。在整个系统中，当自来水的供给量不够的情况下，系统将停止运行，防止在没有自来水的情况下，它的工作温度急剧上涨而导致电机损坏。因此，在无负压稳流罐中加入液位传感器，用于检测液位是否低于用户设定高度。

本系统采用SC-500 系列液位变送器，基于所测液体静压与该液体高度成正比的原理，SC-500 采用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应，将静压转成电信号。经过温度补偿和线性校正，转换成4-20mADC 标准电流信号输出。

2.2.5 水泵

本系统采用DL 立式多级离心泵，采用了国家推荐使用的高效节能产品IS型泵的水力模型，为立式多级多节段式结构。螺杆把进水段、中段、出水段夹紧联成一体。水泵每一级装一个叶轮、一个导水叶。轴向力采用水力平衡法解决，残余轴向力由球轴轴承承受，用油脂润滑。轴封采用软填料或机械密封。

3 供水系统软件设计

■3.1 系统程序设计

无塔供水系统的程序设计流程图如图3 所示，待系统上电完毕完成好准备工作后，可选择手动模式和自动模式两种工作方式。

图3 无塔供水变频系统程序设计流程图

当系统工作在手动模式下时，可手动控制水泵在工频和变频状态下工作，利用频率调节功能可实现电机的加速或减速运行，同时水泵接通水池阀门，水从稳压罐流入水管中，最后通过水泵传输到用户单位。

当系统工作在自动模式下时，系统首先会读取水泵的管道压力和水泵1 的运行频率，当管道压力达到上限值10 时，所有水泵停止运行；当管道压力处于压力标准值10 以下且变频器1运行频率已达到50Hz 时，水泵1 在工频状态下运行，水泵2 在变频状态下运行；随后判断水泵2 的运行频率，当管道压力处于压力标准值10 以下且变频器2 运行频率不小于50Hz，水泵2 在工频状态下运行，水泵3 在变频状态下运行；随后判断水泵3 的运行频率，当管道压力处于压力标准值10 以下且变频器3 运行频率不小于50Hz，水泵3 在工频状态下运行；当三个水泵都工作在工频状态下时，说明系统运行异常，需要进行检修。

■3.2 人机界面设计

根据无塔供水变频系统的设计要求，在WINCC 中绘制系统的监控画面，用于实现无塔恒压供水系统的工作状态、运行参数的显示，主要由供水系统运行画面、三台泵的运行参数、工作状态、操作界面等部分构成。在人机界面运行过程中，要求画面的运行参数、运行频率、阀门的开关状态等参数实时显示。无塔恒压供水监控系统的主界面如图4 所示。

图4 无塔恒压供水监控系统主界面

■3.3 变频器参数设置

为了保障变频器稳定运行，防止参数被人为调乱，变频器在使用前需要进行参数初始化，并对电动机参数进行设置。初始化及电机参数设置如表1 所示。

表1 初始化及参数设置

变频器初始化完成后，根据系统的控制要求，变频器所需要改的功能为开关量输入功能、模拟量输入功能和模拟量输出功能。变频器的开关量输入功能所接收的信号为PLC的输出信号，因为PLC 的输出为漏形接法，所以需要调节开关量有效电平；变频器的模拟量输入和输出需要更改其类型，根据PLC 所设定模拟量的类型来变化，并设置对应的模拟量上下限。具体参数设置如表2 所示。

表2 功能参数设定

4 系统调试与运行

（1)按下系统上电按钮后，系统得电等待运行，按下系统工作指示灯，系统进入待工作模式，等待工作模式选择，点击系统手动按钮，仿真画面内的手动控制界面激活启动，根据操作员需求控制水泵工频运行，如图5 所示。

图5 手动工频运行

（2)在手动运行状态下，可以任意切换工频变频运行、调节水泵电机的运行频率。如图6 所示。

图6 手动变频运行

（3)在自动运行状态下，在管道压力小于10 的情况下，第一台水泵直接变频运行，如果管道压力为10，水泵保持频率运行，如图7、8 所示。

图7 自动变频运行1

图8 自动变频运行2

（4)在自动运行状态下，如果第一台水泵频率到达最高频率50Hz 且管道压力在10 以下，延时2S，第一台水泵工频运行，第二台水泵变频运行，管道压力清零。如图9所示。

图9 自动变频运行3

（5)在自动运行状态下，当管道压力大于10，变频器频率减小输出，直到管道压力等于10，水泵保持频率运行。如图10、11 所示。

图10 自动变频运行4

（6)在自动运行状态下，当水泵1、2、3 同时处于工频状态，且管道压力小于标准值，系统报警指示灯常亮，等待工作人员维护。如图12 所示。

图12 自动变频运行6

通过系统仿真调试，系统能通过检测管道压力值反馈到PLC，PLC 通过反馈至判断应该执行的控制装置，调节水泵电机的工作频率，使管道压力控制在标准值，达到自动化效果。此外，系统能展现出触摸屏的实时检测功能，系统工作的流程及变量状态能更加的可视化，便于操作人员更好的调试设备，大大的提高工作效率。

5 结论

本系统主要是实现无塔供水，用可编程逻辑器PLC 作为核心控制器，与压力传感器、变频器等相互配合，做到调整水泵压力，并且利用西门子WINCC 组态软件创建了HMI 人机交互界面，可视性强，操作简单，易于检测与修改，大大提高了供水系统的稳定性和运行效率，满足用户的用水需求。