基于PLC与触摸屏的变频恒压供水控制系统设计.pdf

第 2 7卷第 1期 2 0 1 5年 3月 浙江水利水电学院学报 J ． Z h e j i a n g U n i v o f Wa t ． R e s＆E l e c t r i c P o w Vo 1 ． 2 7 N0 ．1 Ma r ． 2 01 5 基 于 P L C与触摸屏 的变频恒压供水控制 系统设计 赵东 波 浙江珊溪经济发展有限责任公司， 浙江 温州 3 2 5 0 0 0 摘要 某城 市小区供水 系统 以 P L C为主要控 制核 心， 以触摸屏 为主要 人机 交互界 面 ， 以变频 器为主要驱 动装置 ， 采用基于变频节能技 术的多泵供 水方法， 能够根据 管 网水 压的 大小 自动 调节水 泵的 转速和投 入运行 的水 泵的数 量． 该 系统基 于触摸屏与 P L C进 行设 计， 触摸屏 组态程序界 面及 P L C软件 梯形 图程序投入 运行 以来， 操作 简单 方 便 ， 性 能 稳 定 ， 节 能 效 果 明 显． 关 键 词 恒 压 供 水 ； 变频 调 速 ； PL C； 触 摸 屏 中图分 类号 T P 2 7 1 ． 3 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 8 5 3 6 X 2 0 1 5 0 3 0 0 7 2 ． 0 6 De s i g n o f Fr e qu en c y Con v er s i on Co ns t a n t Pr e s s ur e W a t er Su p pl y Sy s t em Bas e d on PL C an d To uc h Sc r e en ZHAO Do n g bo Z h e j i a n g S h a n x i E c o n o m i c D e v e l o p m e n t C o r p o r a t i o n ， We n z h o u 3 2 5 0 0 0 ， C h i n a Abs t r ac t I n t h i s pa pe r fl f r e q ue n c y c o n v e r s i o n c o n s t a nt p r e s s u r e wa t e r s up p l y s y s t e m b a s e d o n P LC a n d t o uc h s c r e e n h a s b e e n d e s i g n e d．Th e s y s t e m u s es P LC a s t h e c o n t r o l k e r n e l ，a nd t o u c h s c r e e n a s t h e ma i n h uma n ma c h i n e i n t e rfa c e，a n d t h e e qu e n e y c o n v e e r a s t h e dr i v i ng e qu i pme n t ．I t c a n a u t o ma t i c a l l y c o nt r o l t h e s pe e d a n d t h e nu mbe r o f t he p u mp s pu t i n t o o p e r a t i o n a c c o r di ng t o t he wa t e r pr e s s u r e o f t he p i pe n e t wo r k．Th e h a r dwa r e d e s i g n me t ho d，t h e PLC l a dd e r c h a r t s o f t wa r e p r o g r a m，a n d t h e c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e i n t e rfa c e o f t h e wa t e r s u p pl y c o n t r o l s y s t e m h a v e b e e n i n t r o d uc e d s e p a r a t e l y ．Af t e r o n e y e a r p r a c t i c e i n a c o mmu ni t y，t hi s s y s t e m f e a t ur e s i t s e l f wi t h l o w c o s t ，s i mp l e ma i nt e n a nc e a n d e n e r g y s a v i n g ． Ke y wor d s c o ns t a n t pr e s s u r e wa t e r s up p l y；e qu e n c y c o n v e r s i on； PLC； t o uc h s c r e e n 0 引 言 城市 小 区供 水存 在 着 白天 用 水 量 大 、 夜 间用 水 量小 甚至 无人用 水 等 特点 ． 早 期 的供 水 系 统 为 了保 证小 区用 户 随时都 能放 出水 来 ， 供水 水 泵 不得 不 在 固定 频率 状态下 一 直不 停 地 运转 ， 以保 证 一定 的供 水压力． 为满足不 同情况下用水量的需求 ， 需要采 用人 工操 作 的方 法 ， 通 过接 通 或 断 开接 触 器控 制 投 入运 行 的泵 的数量 ． 此 类方 法 一 方 面无 法 对供 水 管 道内的压力 和水位变化做 出及时、 恰当的反应， 另 一 方面也造 成 了能 源的较大浪费 ， 而且容 易造成 “ 水锤效应 ” ， 电动机的损耗也较大， 容易出现损坏． 尽管 后来 也 出现 了一 些新 的供水 方 式 ， 如 恒 速泵 加 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 - 1 0 作者简介 赵东波 1 9 8 2一 ， 男 ， 浙江文成人 ， 工程师 ， 主要研究 方向为机电控制技术． 压供水、 水塔高位水箱供水 、 气压罐供水、 液力藕合 器 和 电池 滑差 离合 器调 速 等 ⋯ ， 但 由于 存在 这样 或 那样 的 问题 ， 一 直没 有 很好 地 解 决城 市 供 水 高效 节 能 的问题 ． 变频 调速技 术 的 出现 ， 为 城市 供 水 提 供 了新 的 设计 思路 ． 采 用 变 频 调 速 的供 水 系统 ， 它 能 够 根 据 用水 量 的多 少 ， 及 时 调 整 水 泵 的转 速 和数 量 ， 以增 加或 减少 供水量 ， 实 现恒 压供水 “ ． 而可 编程 控制 器 P L C 作 为 一种专 为工业 环境 应用 而设计 的新 型 工业 自动控制装置 ， 它以微处理机 为基础， 综合 了 计算机技术、 自动控制技术 和通信技术等现代科技 技术 ． 它 的 出现 ， 使 得变 频 调 速控 制 更 加 灵 活 、 更 加 可靠 ． 触 摸屏 作 为一 种新 型 的人 机 界 面 ， 它 的简 单 易用 ， 强 大 的功能及 优 异 的稳 定 性使 它 非 常 适合 用 于 自动化控制环境． 用户通过相应的触摸屏组态编 程 软件 可 以 自由地 组 合 文字 、 按 钮 、 图形 、 数 字 等来 第 1 期 赵 东波 基于 P L C与触摸 屏的变频恒压供水控制 系统设计 7 3 处理或监控管理随时可能变化的信息． 随着机 电设 备 的 飞速发 展 ， 以往 的操 作 界 面需 由熟 练 的操 作 员 才能操作 ， 无法提高效率． 但使用人机界面 ， 能 明确 指示并告知操作员机器设备 目前的状况 ， 使操作变 得简单生动． 使用触 摸屏 ， 还可 以使机器配线标 准 化 ， 简单化 ， 同时也能减少可编程控制器控制所需 的 1 ／ 0点数 ， 降 低 生 产 成 本 ， 也 相 对 提 高 整 套 设 备 的附加价值等 ． 将 P L C与触摸屏结合起来控制变频恒压供水 系统 ， 使 得 P L C的 应用 更 加 灵 活 ， 同时 可 以设 置 参 市网自 来水 数 、 显示 数 据 ， 并 可 以 动 画 等 形 势 描 绘 自动 化 过 程 ， 使 得 P L C的应用 实 现 可视 化 ． 同 时 能够 简 化 系 统的设计 过 程 ， 缩 短设 计 周期 ， 提 供 系统 的设 计 效率． 1 触摸 屏与 P L C控制 的小 区变频恒 压供 水 系统方案 小 区变 频 恒 压 供 水 系统 由 机 械 结 构 部分 和 电 气控制部分两部分组成． 机械结构安装示意 图 见 图 1 ． 压力传 图 1 小区供水系统结构安装示意 图 来 自市 网 的 自来 水 经 过 手 动 隔离 阀 和 电 动 进 水 阀后 注入 水 池 ． 水 池 上 安 装 有 两 个 液 位 传 感 器 高位传感器和低位传感器． 当水池的水位低于低位 传感器时， 电动进水阀打开， 开始进水 ， 随着水位 的 升高， 达到高位传感器位置 时， 传感器动作 ， 进水阀 关 闭． 小 区用 三 个 水 泵 提 供 供 水 ， 根 据 管 网 中 压 力 传感 器所 反馈 的压力 值 ， 三个 水 泵 和 出水 电动 阀依 次动 作 ． 当水 位 低 于 低 位 传 感 器 时 ， 三个 水 泵 均 不 工作． 系统 中手动隔离阀主要用于设备检修和紧急 故障情况下使用． 系统 电气 控制 部 分 由 P L C、 触 摸 屏、 控 制 面 板 、 传感 器 、 变 频 器 、 水 泵 、 供 水 管 道 等 组 成 ． 控 制 面板上提供 一些简单 的控制按钮 ， 如手动／自动选 择 开 关 、 起 动 按 钮 、 停 止 按 钮 、 急 停 按 钮 等 ． 触 摸 屏 主要用于显 示相 关信 息 ， 设 置及 修改 系统 的相关 参 数 ， 代 替 相 关 控 制 按 钮 减 少 P L C的 输 入 输 出点 等． 水位检测传感器用 于检测水箱 的水位． 压力变 送器用于检测 供水 管 网的水压 值． P L C是整个 控 至供水 管网 制 系 统 的 核 心 ， 它 根 据 触 摸 屏 、 控 制 按 钮 、 传 感 器 等 信 号 的输 入 值 ， 确定 实 时 控 制 算 法 ， 用 以驱 动 变 频 器 、 水 泵 、 阀 门 动 作 ． 变 频 器 作 为 一 种 对 水 泵 进 行转速控制 的单元 ， 它跟踪 供水控 制器 的控制 信 号改变水泵 的运行 频 率 ， 完 成对供水 水泵 的速度 控 制 ． 系统的工作原理描述如下 系统将触摸屏设定 的管网压力 与压力变送器传 回来 的管 网压力 值相 比较 ， 然 后利 用 P L C中 的 P I D算 法 ， 计 算其 输 出 值 ， 并通过 P r o fi b u s 总线输入到变频器 的通信端 口上 ， 改变 变频 器 的输 出 频 率 ， 从 而 控 制水 泵 的 转 速 ， 达 到 控制水 管 中压 力 的要 求 ． 系统 能 够根 据 用 水 量 的 大小 ， 控制 水 泵 的转 速 和 投 入 运 行 的 水 泵 的 数 量 ． 当用 水量 增 大时 ， 提 高 变频 ， 使 水 泵 转 速 升 高 ， 增 加 供水量． 当用水 量超过一 台水泵 的供水量 时， 起 动 新的水泵 以增加供水 量 ； 当用水量减少 时， 降低水 泵 电机的频率 ， 使水泵转速降低 ， 或减少 投入运行 的水泵数量 ， 减少供水量 ， 直至满足要求． 7 4 浙江水利 水电学院学报 第 2 7卷 2 控制 系统软硬件设 计 2 ． 1 主要设 备选择 2 ． 1 ． 1 P L C 的 选择 考 虑到 系统 的可靠 性 和性 价 比 ， 系统 选 用德 国 西门子公司生产的 S 7 2 0 0系列 P L C ． 根据输人输 出 点 数 的 多 少 ， 并 考 虑 一 定 的 余 量 ， P L C 主 机 选 用 C P U 2 2 4 X P ． 它 具 有 1 4个 数 字 量输 入 点 、 1 0个 数 字 量输 出点 ， 2个 模 拟量输 入点 和 1个 模拟 量输 出点． 扩展 触 点 模 块 采 用 E M 2 2 2 ， 它 具 有 4个 数 字 量 输 出点 ． 2 ． 1 ． 2变频 器的选择 对变频 器 的选 择 主 要 考 虑 其 所 驱 动 的 负 载 特 性 、 稳 定性 、 品牌 、 性 价 比 等几 个 因 素． 系 统 中选 用 了西门子公司生产 的 MM 4 3 0型 7 ． 5 k W 变频器． 该 QF 1 F U1 变 频器是 一种 专用 于 风 机泵 类 的变 频 器． 它 采用 了 模 块化 结构 ， 具备 了完 善 的 电动 机 和变 频 器 保 护 功 能 、 过压／ 欠压 保 护 、 外 部 故 障 保 护 功 能 、 以及 无 水 监 测功能 等 ． 2． 1 ． 3触摸屏 的选择 系统选用 E V I E W 公司生产的 M T 4 3 0 0 C触摸屏 ， 它具有较 高的性价 比． 该触摸屏 拥有 5 ． 6英 寸 T F T液 晶 显示 屏 ， 分 辨 率达 3 2 0 2 3 4像 素 ， 液 晶 寿命 可达 5 0 0 0 0 h ． 6 5 5 3 6色 显示方 式使 触摸 屏 的表 达更 加 丰 富多 彩． 支持 多 串 口同时通讯 功能 ， U S B通 讯 口大大 加快 了用户组态 的下载速度． 简单 易用 而又功 能强大 的 E V 5 0 0 0组态软件使用户能以最快的速度掌握其 设计方法 ， 并能设计 出丰富多彩 的作 品． 2． 2主电路 设计 控制系统的主电路 见图 2 ． l l l ‘ Q F 3 Q F 4 Q F ＼ I I l I l l KM 4 M I I IF R 1 I I l I I F R 2 1 I I I IF R 0 I 图 2主 电路 图 3台水 泵 电机分 别 为 1 、 2 、 3 电机． Q F 1为整 个 电路的三相 电源控 制开关 ， Q F 2 、 Q F 3 、 Q F 4 、 Q F 5 分别为变频器和 3台水泵电机主回路的隔离开关． 接 触器 K M1 、 K M3 、 K M 5分别 控 制 1 、 2 、 3 电机 的 变 频运 行 ； 接触器 K M 2 、 K M 4 、 K M6分别 控制 1 、 2 、 3 电机的工频运行 ， F R 1 、 F R 2 、 F R 3分别为 3台水泵 电机的过载保护用的热继电器． 2 ． 3 P L C输入 输 出接线 图 P L C主 机 及 扩 展 模 块 输 入 输 出点 分 配及 外 部 接 线 图 见 图 3 ． 数 字量 输入 点 l 0 ． 0 、 1 0 ． 1 用 于手 动模式 和 自动 6 模 式切 换 ； 1 0 ． 2～1 0 ． 4用 于 控制 系统 起 动 和停 止 ； 1 0 ． 5 、 1 0 ． 6用 于 检 测 水 池 的 水 位 ． 模 拟 量 输 入 点 A I W0用于接入用户管 网中的水压信号． 数字量输 出点 Q O ． 0～Q 0 ． 3用 于 进 出 水 阀 的 控 制 ； Q o ． 4～ Q 1 ． 1 用 于 3台 电机 的变频 或 工频 控 制 ； QI ． 2用 于 变 频器运 行异 常指 示 ． 2 ． 4触 摸屏 组态 界面设计 根 据 系统 的 控 制 要 求 设 置 了 以下 几 个 组 态 画 面 开 机显 示 的 首 页 面 、 主 操 作 界 面 、 手 动 控 制 页 面 、 自动控制 页 面、 参 数设 置 页 面 、 状 态显 示 页面 等 见 图 4 ． 7 6 浙江水利 水电学院学报 第 2 7卷 触摸屏起动后 ， 首先显示初始页面， 单击其 中 的 “ 进 入 ” 按 钮 ， 可 以 进入 主操 作 画面 ． 在 主 操 作 画 面 中提 供 了 “ 参 数 设 置 ” 、 “ 状 态 显 示 ” 、 “ 手 动 控 制” 、 “ 自动控制” 、 “ 操作说明” 、 “ 返 回首页” 6个操 作按 钮 ， 用 户用 手点 击 相应 按 钮 ， 可进 入 相 应 画 面． 手动控制画面中用户可单 独控制每台水泵 变频或 工频 起 动 与 停 止 ， 以及 相 关 阀 门 的 开 与 闭等 ． 自动 控制 页面 中提供 了两 个按 钮． 点 击 “自动起 动 ” 按 钮 系统即按照设 置的相关参数 值 自动起动和停止相 关水 泵和 阀 门 ， 单击 “ 自动停 止 ” 按 钮 即可停 止 系 统 运 行 ． 状态显 示 页面显 示 系 统 中各 个水 泵 的工 作状 态、 电机的工作频率以及供水管网的压力设定值和 当前值等． 参数设置页面中可设置供水管 网的工作 压力 ， 并可 显示 系统 当前 的时间 ． 图 5系统总体控制流程 2 自动控 制程序 自动控制程序流程 见 图 7 ． 系统根据变频器 实 际运行 频 率 和 当前 用 户 用 水 量 的 多 少 来 决 定 是 增加 还是 减 少 水 泵 运 行 的数 量 ． 系统 初 始 上 电 时 ， 2 ． 5 P L C软件 程序 设计 根据 系统 的控制要求 ， 控制 过程分 为手动控 制 和 自动控制两个主要部分． 系统总体流程设计 见图 5 ． 在 参数设 置 阶段 ， 主要 进 行 一些 初 始 化 参数 的 设 置 ， 如 P I D回路参 数 表 的设 置 ， 管 网水 压 的设 置 ， 变 频器 初始 频率 的设 置 等． 系统 为 了提 供 更 好 的供 水效果 ， 将每天按用水曲线分成几个时段 ， 不 同的 时段采 用不 同 的压 力设 定值 ， 程 序根 据 P L C提供 的 实时时钟 自动修改设定． 同时管理人员也可 以根据 实 际运 行情 况手动 修改 压力值 ． 1 水池水 位检 测与 控制程 序 水池水位检测与控制程序流程 见图 6 ． 系统 主要根据水池水位两个液位传感器 的运行状态实 现 进水 阀 的打开 与关 闭． 图 6水池水位检 测与控制流程 先 投入 1 撑 泵变 频 运 行 ， 调 节 供 水 压力 ， 如 果 管 网水 压 达不 到要 求 ， 则 1 水 泵变 频上 升 ， 转 速升 高 ， 以增 大水压 ． 若 当 1 水泵 的频 率 已升 至最 高 5 0 H z时 ， 第 1期 赵 东波 基 于 P L C与 触 摸 屏 的 变频 恒 压 供 水控 制 系统 设 计 77 l I l 、2 、3 泵 3 泵工频、2 3 泵变频运行 上 仃 r f 泵变频运行 I 一 一 一 一 、3 泵工频 ， 2 泵变频下降 l 泵变频运行 N N ； N l Y ● 水泵停机 b 减泵控制过程 图 7 系统 自动控制流程图 当前压力仍没有达到设定值 ， 则此时系统将 1 泵切 换为 工频 状 态下 运行 ， 并将 2 泵 投 人 到变 频 运行 状 态 ． 同样 ， 若 此 时实 际供 水 压 力仍 低 于设 定 值 ， 则 2 水泵 变 频上 升． 若 当 2 水 泵 的频 率 已升至 最 高 5 0 H z 时 ， 当前压 力仍 没 有达 到设 定 值 ， 则 系 统将 2 } } 泵切 换 为工频 状 态下 运行 ， 并将 3 样 泵投 人 到 变频 运 行状 态 ， 直 至 1 、 2 、 3 泵 均 为 工 频 运 行 状 态 为 止 ． 如果用户的用 水量减少 ， 管网水压值高于设定值 ， 则需要 进 行减 泵 与 降 频处 理 ， 具 体 流 程 见 图 7 b ． 3 总 结 本文采用 P L C 、 触摸屏和变频器 实现 了小 区的 变频 恒压 供 水 控 制 ． 相 对 于传 统 的 供 水 技 术 而 言 ， 具有 节 能效 益 明 显 、 控 制 和 保 护 功 能 完 善 、 可 实 现 机 组 的软起 动软 停 机 、 泵 机 运 行 组合 切 换 灵 活方 便 等 优越 性． 该 系 统 投 入 运 行 一 年 多 来 ， 系 统 操 作 方 便 ， 功 能稳定 ， 可 节能 3 0 ％ 以上． 参 考文 献 [ 1 ] 方桂 笋． 基 于 P L C的变频恒压 供水系统 的设计 [ D] ． 兰州 兰 州理 工大学 ． 2 0 0 8 [ 2 ] 徐 占国， 郑风翼 ， 潘桂林． 图解触摸屏 、 P L C 、 变频器综合应用工 程实践 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 程 玉华 ． 西 门子 s 72 0 0工程 应用实例 分析 [ M] ． 北京 电子 工业 出版社 。 2 0 0 8 ． [ 4 ] 陈浩． 案例解说 P L C 、 触 摸屏及变 频器综合应用 [ M] ． 北 京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 刘丹 ， 山炳强 ， 宫珥． 基 于 P L C和触 摸屏 的接 力供水控制 系统设计 [ J ] ． 青岛大学学报 工程技 术版 ， 2 0 1 0， 2 5 2 5 9 ． [ 6 ] 余 国君 ， 于莲芝． P L C在变频恒压热水供应 控制系统 中的应用 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 1 1 7 3 7 6 ．