PLC在供水系統中的應用

摘 要：本文介紹了PLC系統對自來水廠配水設備的自動控制。根據裝置的特點和用戶的使用情況，選用增量式PID調節。并通過軟件和硬件的合理配合，使系統實現軟啟、軟停及恒壓供水。

關鍵詞：PLC;自動控制;PID;恒壓供水

1 前言

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

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

2 硬件設計

　　2.1 系統控制框圖（見圖1）

　　2.2 系統基本工作原理

　　首先根據供水樓層來設定供水壓力，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，這時實際水壓與設定水的偏差越大。根據偏差的大小來決定啟動泵的數量，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，根據這個偏差值來決定關閉泵的數量，用來最大限度地節省電能。當發生火災時，四臺泵同時起動，以保證最大的供水量。利用泵的數量來滿足用水量以實現恒壓供水。

　　2.3 系統硬件配置

　　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 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 系統軟啟、軟停主電路：（見圖2）

　
　　2.5 系統結構框圖

　　為了實現恒壓供水，要求這種控制系統具有很大的靈活性。控制參數易于變動，數據記錄功能完善。針對這些要求與特點，確定控制系統采用兩級監控制方案，結構圖如右（見圖3）：

　　2.6 系統工作方式選擇

　　該系統可以用萬能轉換開關選定系統手動、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;n增加時f上升，n穩定在額定值時f = 50Hz（或略低于50 Hz），變頻器切換完成。

3 軟件設計

　　3.1 控制程序流程圖（見圖4）

　　3.2 PID調節以實現恒壓供水

　　該系統為了克服內存容量的不足，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為經驗系數，需要現場調試修改。

　　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，以達到設定水壓，通過這種方法實現恒壓供水。增量式控制程序框圖（見圖5）。

　　3. 3 數字濾波來保證采樣數據的準確性

　　為了防止瞬時抖動，提高采樣數據的準確性，采用兩種處理方法：

　　1、當采樣值比最大值還大時，我們取最大值為這次的采樣值。

　　2、考慮到精度的要求不高，我們采用數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。利用優先級控制：壓力的優先級比時間的優先級高，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。換句話說，可實現水泵的軟起、軟停。

　　為了降低系統成本，打破常規思維，我們對熱繼電器的狀態不進行檢測，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，利用程序對各控制電機實行軟件閉鎖。根據配水廠的要求可現場任意修改聯鎖方式：下位機程序聯鎖、上位機程序腳本聯鎖。

　　通過上述三種聯鎖方式，足可以保證工作過程、人員與設備的安全。

　　3.5 工作數據的處理

　　對文中的配水裝置而言，數據查閱功能顯得尤為重要。通過對配水歷史數據查閱，可以系統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。通過對動態數據的查閱，可以使系統管理員對系統的動態過程能夠很好的監控，從而有效地、合理的分配水資源。在上位計算機的Win—BC組態軟件中，通過標鑒記錄可實現上述功能。

　　3.6 報表輸出及監控

　　在配水實際過程中的報表可分為兩類：（1）定時報表（例如：小時數據流水帳報表）;（2）動態數據分析報表。在上位計算機的Win—BC組態軟件中，報表的編輯器可實現這些功能：將鼠標放在某一對象上，可彈出相應的文字說明并持續一段時間，有助于操作人員對配水流程的進一步了解。

4 結束語

　　本文所描述的增量式PID控制的DCS系統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。該系統在北方各大樓宇試用，效果較為理想。消防設備均可采用這種方式供水。針對不同的系統需稍加更改，這一點需要注意。

參考文獻:

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