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机械电子工程-二次供水小流量泵PLC控制系统设计
二次供水小流量泵PLC控制系统设计
摘 要
这次设计基于PLC的泵站停泵保压供水系统，旨在改善传统供水系统的缺陷，满足用户供水量需求。采用西门子工业计算机作为上位机，结合变频器、水泵、交流接触器等硬件设备，利用西门子博图编程语言和MCGS组态软件进行程序控制和监控。系统通过压力传感器感知管内压力变化，控制器分析运算后传输信号给电机，调节水泵转速和台数，实现恒压供水效果。这一设计不仅解决了传统供水系统的问题，还实现了节水、节电，并使停泵保压供水更加智能化和高效化。
关键词：停泵保压供水；控制系统；可编程序控制器
This design of PLC-based pump station stop pump pressure maintaining water supply system aims to improve the defects of traditional water supply system and meet the user's water supply quantity demand. Adopting Siemens industrial computer as the upper computer, combined with frequency converter, water pump, AC contactor and other hardware equipment, using Siemens Boto programming language and MCGS configuration software for program control and monitoring. The system senses the pressure change in the pipe through the pressure sensor, and the controller analyzes and calculates and transmits the signal to the motor, adjusts the speed of the pump and the number of pumps, and realizes the effect of constant pressure water supply. This design not only solves the problems of traditional water supply system, but also realizes water and electricity saving, and makes the pump stopping to keep pressure water supply more intelligent and efficient.
Keywords:Pump stopping and pressure maintaining water supply; control systems; programmable controllers
目 录
近年来，我们国家市场经济发展地十分迅速，如今对供水的保障和水质的要求也是越来越高。现今比较普遍的供水系统经常会出现水资源浪费严重、自动化程度低、供水效率低等缺点，并且因为水泵经常处于高速度的运转会使轴承严重磨损发热，严重降低了水泵的寿命。这次的设计是基于PLC的泵站停泵保压供水自动调配系统，改善上述传统供水系统的缺陷，以满足用户供水量作为目标，运用现代变频技术来实现停泵保压供水。
在对国内外停泵保压供水控制系统现状及发展趋势做了充分调研的基础上，选择泵站供水为研究对象。硬件方面采用了西门子工业计算机做为上位机，同时用到变频器、水泵、交流接触器、熔断器等。这一次的软件是使用了西门子博图编程语言，而且还选择了MCGS组态软件来进行程序的模拟和实时监控。系统可以实现通过压力传感器感知管内流体压力变化，然后再把它转换成电信号，再传输给供水控制器，经过分析和运算之后，控制器将运算好的结果传输信号给到电机，再利用电机来控制水泵转速和运转的台数，从而能够达到变压定量供水的效果，这样就可以在一定程度内实现节水和节电，利用控制系统来达到控制水泵工作数量的目的，实现管网供水量的恒压控制。
研制用户端小流量停泵保压调控系统，始于用户需求及防止浪费资源。成套供水设备在用水低峰或夜间小流量（用水量低于1%设备额定供水流量）时，能自动切换为小流量停泵保压供水的工作状态，即设备具有小流量停泵保压功能。在用水量为小流量时，通过PLC联锁控制，使供水设备转换为小流量停机保压状态，此过程为一动态形式存在。随流量的变化（增大），供水设备将转换为正常的供水状态。通过小流量停机保压功能的实现，从而进一步提高设备节能效果，延长水泵使用寿命，并在一定程度上节约能源。
由PLC所构成的停泵保压供水控制系统具备了安全性高，抗干扰力强，结构灵活，程序简便，维护简单，造价低廉等优点。停泵保压供水系统融合了变频技术，现代电力科技和防雷技术以及现代管理和远程监控技术。通过设计该系统供水能够大大提高自来水系统的稳定性和可靠性，并方便地进行对自来水控制系统的管理与监视。同时，由于该系统有着优异的节电特点，在当今节能降耗的情况下，这一点尤为重要。所以，通过研究设计该系统，对改善企业效益，改善民众生存水平，减少生活能耗有着很大的现实意义。
停泵保压供水是在变频器调制技术的普及之后才逐步开发出来的。在早期，由外国制造的变频器对调速的性能大多规定为速率限制、降速限制、正反转控制、起制动调节、变压变频比调节和各种保护调节。应用于停泵保压式供水系统中，由于变频器仅担任运行部分功能，为适应供水量变化的不同步，并保持管网压力稳定，因此需要在变频器的外围增加水压控制阀和压力感应器，对水压实现封闭调节。长期以来，中国城市给排水，高层建筑给排水，工业循环给排水等科学技术比较滞后，工业智能化程度较低。传统的控制供水电压的方式，一般使用较频繁的启/停发电机控制以及水塔二次供水控制，这就比较容易造成大量能源消耗，并同时干扰设备上的其他负载。机械设备的连续起动和停止，都降低了设备的使用寿命；也需要大量场地占用和建设的地方。变频系统自动调速运转可以说是十分平稳并且是安全的，没有发生经常机械性的起动的情况发生，并且启动方式都是应用了软启动的方式，机械运转也是非常平稳的，不但减少了机械干扰的状况，还不会出现对水塔等产生二次污染的危险状况的发生。在以前普遍的恒压供水手动调压方式的系统中，是能够通过用水量的不断改变自行调整控制系统的运行参数，这样就可以在用水量发生变化的时候还能保持水压恒定来满足用水需求，是现如今最为合理的自来水控制系统。这种控制方法，相比于以往的工频控制器在节电性和稳定性的方面具有较突出的节电效益，但没有完全挖掘出由PLC与变频器共同组成控制器的能力。
目前国外的停泵保压式供水工程在方案设计中，大都采取了一个自动化变频器只带一个水泵机组工作的方法，而且基本上没有用同一个电机变频器同时拖动多个水泵机组工作的情形，所以投入成本较高昂。即一九六八年，在丹麦的丹佛斯有限公司首先提出设计并第一家成功制造自动变频器（丹佛斯是传动生产世界五大重要核心企业之中）后，随着变频器技术的进展和停泵保压在供水系统的稳定性、安全可靠和智能化程度高等方面的优势，及其突出的节电效益逐渐被大家所发现并广泛地接受之后，国外很多专门制造自动变频器的制造商也开始重视和引进具备恒压供水功用的自动变频器技术。例如ABB公司就引进了HVAC变频器技术，施耐德公司也引进了恒压供水基板技术，有“变频泵稳定方法”，“变频泵循坏方法”二种模式。它把PID调控器和PLC可编程控制器等硬件整合到变频器控制基板上，根据设定的指令程序完成PLC和PID等功控管理系统的操作。如果搭载了相应的恒压供水模块，便能直接操控几个内部的电气交流器运行，可组成最多七台马达（泵）的供水网络。
目前中国国内外已经有许多企业在研发停泵保压供水的系统工程，主要通过国外品牌的变频器调节泵的速度，目前还远未能够满足各种应用的实际需求。但可以看到，目前在中国国内停泵保压供水系统的研发设计中，对能够满足特殊的生活用水场所，以及结合了现代控制、网络与通信科学技术并同时满足系统的电磁兼容性能（EMC）的变频变压供给系统的水压闭环控制方面的研究成果还是比较缺乏的。所以，还有待于进一步研发提高停泵保压供应自来水系统的能力，使之能够被更好的运用到生活、生产等实践中。
本课题主要研究内容是关于PLC控制二次供水小流量停泵保压及切换调节研究，主要工作如下：
（1）理论研究。通过查阅相关文献，了解目前国内外停泵保压供水控制系统现状及发展趋势，为后续的研究打下理论基础。
（2）方案设计。针对停泵保压供水控制系统的工作流程及设计参数，对停泵保压供水控制系统设计方案进行研究。
（3）供水系统控制部分设计。针对系统设计的总体方案，对供水控制系统的控制部分进行设计。
（4）供水系统的软件设计。供水系统的软件可以检测到系统不能进入正常工作站程序，或者检查到非正常状态的设备，并进行了适当的调整处理。
（5）MCGS组态设计。通过MCGS不仅可以在视窗看到泵站变频副边自来水控制器的具体数值，还可以看到供水的全部流程，并精确掌握控制器的具体变化状况。
（6）总结与展望。总结供水系统设计所达到的目标以及本论文研究过程中的不足之处。
2.1 项目主要研究工作
本次设计的泵站停泵保压供水系统通过搜集相关文献，逐步完成系统的硬件选型、硬件设计、软件设计、软件控制程序的编写、上位机组态画面变质以及系统整体的调试工作。该控制系统的硬件设置一般分为：传感器控制系统的设置、电机控制系统的设置和供水系统的设置。系统的总体框图，如图2.1所示。
图2.1 系统总体框图
基于上述研究目标，确定了设计的主要工作，包括以下内容：
1．停泵保压供水计划的确定
根据研究目标，通过对国内外停泵保压供水系统的分析比较，选择泵站作为对象。其中停泵保压供水中，供水压力随着系统用水量发生变化而引起压力的变化，主要目的是实现在压力保证的情况下提供系统的实际供水量。
2．停泵保压供水整体结构设计
确定方案之后，就可以制作停泵保压供水的整体结构设计，确定由两个主要系统组成，分别是手动控制和自动控制。手动控制部分包括通过手动开启水泵、变频器等；自动控制系统由供水系统、水泵自动变频以及压力传感器组成。同时提供各系统的工作原理。
3．停泵保压供水系统的设计与分析
根据停泵保压供水的整体结构和各系统的功能，设计并分析了机械系统中的整体框架，变频器、水泵以及压力变送器等。
4．停泵保压供水自动控制系统的设计与分析
根据自动控制系统功能的构建，在停泵保压供水的整体结构中，对自动控制水泵速度、自动控制系统的自动变频和自动控制水泵工作数量子系统进行了进一步的设计和分析。
本次研究设计对象是针对泵站供水，根据实验室已有设备设计的一个泵站停泵保压供水系统。研发内容主要通过了解停泵保压控制系统的操作工艺情况，以PLC和变频器为主，整合泵机、变频器、自动化单元和水压感应器等装置，构建一个综合停泵保压控制系统；通过设定工况的切换模式，进行上下位机程序的编制；对PID控制参数进行选择，实验停泵保压系统供水情况；使PLC和电脑通讯，选定通话模式和设定通信协议，开发基于MCGS组态软件的统一监控界面，并进行系统监控测试，以实现对自来水系统的远程启停、监视和管理。这样提高了整个系统的稳定性、可靠性和节能性，更大强度的满足用户各方面长期用水需求。CPU方面选用了西门子1200系列的CPU1214C，具备十四数值量进入、10数值量出口，扩展功能为SM1231，具备十六数值量进入和十六数值量出口，进而解决了点数需求。
工艺系统包括：三台水泵；不锈钢水箱及相应阀门及管路；压力传感器、液位传感器等，通过压力传感器来检测压力进而实现了水泵的开启与关闭，以及各变频水泵与之间的转换。
（1）按下起动按键，系统启动，开机灯闪烁；
（2）按下暂停按键，系统暂停工作，停止状态灯亮；
（3）按下复位键后，系统回复初始化状况；
（4）在手动模式下，将自动指示灯点亮后，开启变频器驱动水泵 M1工作，并根据管网的实际压力与压力变送器检测的数值比对，水泵M1的输出频率控制M1的速度。在自动模式下，为用户1进行供水，设定水压的上限值与下限值，当实际检测水压低于设定下限值，水泵M1进行供水，并根据范围进行供水频率调节，满足一定程度的供水量。当超过设定的上限值时，水泵M1停止供水；
（5）自动模式下，自动指示灯亮起，当需要给用户1和用户2进行供水时，水泵M1正常运行并且供水频率逐渐增加，当达到最大频率时，水泵M2进行供水。系统通过实际压力与系统设定压力值进行比对，达到系统设定水压最大值时，水泵M2停止工作，由水泵M1进行供水，当实际压力小于系统设定的下限值时，系统进行报警同时水泵M2进行工作，完成供水量的恒定。其中分别给用户1、用户2以及用户3供水同理。
电机及变频器均设置有热继电器保护装置，如果发生过载故障这种情况时，系统就会自动停止运行并进行报警报警灯亮。
停泵保压控制系统主要包括主计算机、控制器、操作按钮、电机、指示灯、变频器、交流接触器等。上位机是指能够直接发送或控制指令的电脑，状态通常是根据荧幕上呈现的指令变化。像使用PLC/单片机的就是下位机，上位机是具备了数据查看功能的主操作界面。这一次的设计选用了西门子工业电脑作为本次设计的上位机，并选择安装了MCGS软件为上位机的开发系统。
平面电控电路主要由三部分组成：主电路，控制电路，电磁卡盘控制电路。主回路中有电动机，M1、M2和M3均为水泵马达；主回路中还包含了三台变频器，分别是变频器1、变频器2、变频器3；电动机M一由交流器KM01，KM02的主触头操控，而电动机M二由KM四和KM四的主触头操控，电机M3由KM五和KM六的主触头操控，而电动机M1，M2，M3接入变频器后完成了由水泵向供水管理的转换。该控制系统采取的工作方法是三台水泵的循环变频，就是三台变频器调节三台水泵的情况下得以实现变速工作。
电机M一由断路器QF一作长时间的短路保护，而电机M2，M3则分别由断路器QF2，QF3作长时间的短路保护。电机M一由热继电器FR一作长时间的超载保护，电机M二和电动机M三分别由热继电器FR2和FR3作为它的长时间的超载保护。然而熔断器FU1，FU2，FU3 则作为电机M1，M2，M3长时间的短路和过电流保护。
控制电路将常闭按钮、继电器、接触器、常开按钮等常规电器单元，通过触头、互锁等逻辑形式实现操控。并具有运行工作指示灯。控制系统电机示意图，如图2.2所示。
图2.2 控制系统电机示意图
2.4 软件方案选择
这次软件选择的PLC链接均由西门子的1200系列PLC控制，PLC全部使用西门子公司博图编程语言编程。这也是行业内第一家使用了统一的开发工作平台和工程组态的自动化工程软件系统，基本应用于各种自动化任务。通过这个全新的工程软件平台，客户们可以更迅速、简单的将设计和测试过程自动化控制系统。
在配置方面，配置软件用于程序的模拟和实时监控。人们能够逐步实现他想要的性能，而不必须对计算机程序进行编写，称做配置。具体而言，组态软件就是用来研究工业中自动控制程序的软件开发平台，它也可以称之为二级技术产品。
该控制系统的生产线通过MCGS组态软件来监测，管理并记录PLC的状态数据。组态的含义也有“搭配”、“设计”、“设计”等含义，是指使用者透过一个“搭积木”的简易方法来实现自身所需求的软体功用，而不必须编制电脑程式，也便是所说的“组态”。它有时又叫做二级设计，组态软件又叫做revit二次开发平台。
3.1 停泵保压供水系统的硬件选择
3.1.1 停泵保压供水系统的PLC选型
可编程逻辑控制器（PLC）是一类新兴的通用智能化电子控制装置，融合了传统的机械继电器管理，计算机系统和通信技术。其具备控制器功能强大，安全性较高，应用灵活简单，容易推广等优势，因此使用日益普遍。它已应用在工业生产控制系统的各个领域中。以微处理为核心，它不但能够编写逻辑控制器，还能够编制定时器，计数和算术运算，并利用数值和模拟输入/输出监控机器或设备制造流程。CPU选用了西门子1200系列的CPU1214C，具备十四数字量输入、10数字量输出，而扩展模块选用了SM1231和SM1232。PLC这次用的是博图编程语言编程，控制系统总体框图，如图3.1所示。
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