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自动 化 用 P L C实现分段式恒压供水系统的控制 杨友平 。翁 惠辉 长江大学电子信息学院 ， 湖北荆州4 3 4 0 2 0 _ ， 义节约 了电能 ，达到 了预期 的目的。 关键词 P L C；供 水系统 ；硬件 ；软件 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 0 0 9 0 0 4 6 ～ 0 3 1引言 某单位 为解 决生 产和生 活用 水 的水压波 动较 大 的问 题 ，采用 了现在市场上流行 的以 P L C为控制器的变频调速 恒 压 供 水 系统 。 该 控 制 系 统 是 以 一 台 F XI N一 6 0 MR P L C为 控制器 ，配上 压力传感器 ，根据供水管 网中水 的压力 ，通 过变频器控制水泵 电机 的转速 ．使用户水 管中水 的压力始 终维持在合适 的范 围。这套系统虽然解决 了单位供水水压 不稳 定的问题 ，但是长时间系统不停的运行 ，使整个 系统 的累计用 电量较大。分析原因是 ，即使用户没有用水 ，但 整个 系统仍处在工作状态 ，从而使其累计空耗增大 。基 于 累计空耗较大的问题 ．结合单位实际生产和生活用水 的情 况 ，单位提出以现有的供水 系统 为基 础 ．不再增加过多的 硬件设施和投入过 多的资金 ，采用分段式 恒压供水 。所谓 分段式恒压供水 。就是在用 户需要大 量用 水时 ，由变频器 采用恒压供水 ，用户不需要大量 用水时 ，变频器 不工作 ， 少量用水南进水管 网来供水 。根据单位提 出的要求 ，结 合 该控 制系统原有工作情况 ，由于该系统的核心单元 是一 台 F Xl N一 6 0 MR 的 P L C。PL C 又 具 有 柔 性 较 强 的 特 点 ，尝 试 主要从软件方面人手 ，增加 少量的硬件设备 ，对系统作 了 改进 。达到了单位提出的要求 ，收到了预期 的效果。 2分段式恒压供水 系统的工作过程 在实际的供水 中，用户需要 大量 用水时 ，往往是供水 管 网用水高峰期 ，此时管网的水压不稳 ．而不需要大量用 水 时 ．又 往 往 是管 网水 压 比较 稳 定 的 时期 。 如 果 在 无 需 大 量 用 水 时 ，系 统 仍 旧用 PL C恒 压 供 水 系 统 控 制方 式 进 行 ． 系统为维持恒压 ，仍处在低速运行状态 ．这就造成 了如下 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 7 结 果 1 在 系统 的长 期 运 转 中 ，因 为 水 泵 电机 功率 为 4 0 k W 左右 ，水泵 机组的累计低 速耗电量仍较大 ，对一个 单位来说也是一个不小电费开支 2 系统 长 时 间 的连 续 运 行 ，将 会 影 响 水 泵 机 组 ，控 制系统等相关设备的使用寿命 。 基 于上 述原 因 ．单 位提 出将 一天采 用分 时段 恒压 供 水 ．其 它时段 由 自来 水管 网 自行 供水 。其 具体 分段时 间 为 管 网供 水时段 为 O 0 o 一5 3 0 ，9 3 0 一 l l 3 0 ，1 9 o 0 2 1 0 0 ；恒压供 水时 段为 5 3 0 --9 3 0 ，l 1 3 0 -- 1 9 0 0 ，2 1 0 0-- 2 400。 这 样 可 以 减 少 控制 系 统 的 运 行 时 间 ，相 应 地 减 少 了用 电量 ．同时也可 以提高系统 的_下作寿命。 3实现分段式恒 压供水控 制的硬件部分 3 ． 1 恒 压供 水 系统 的控 制原 理 基于 P L C的变频恒压供水 系统 ．能够根据 管网压 力、 流量 信号 自动调 整泵 的运 行状 态 ，实 现 无级 压 力调 整 ， 这样 可 以为用户 提供 比较稳 定 的水压 ，从 而满足 生产 和 生 活的 用水要 求 。其恒 压供 水 系统 的构 成示 意 网如 罔 1 所 示 。 由图 l可以看 出该恒压供水 系统 由 P L C控制器 、变频 器 、电动机 、水泵机组 、电磁控制阀 、压力传感器 ，以及 变送单元等构成。其恒压供水系统的压力控制原理框图如 图 2所 示 】 图 2所示 当用户供水 水压设定 为 0 ． 5 MP a时 ，将 出水 工 业 自 给定值 网 l 恒 压 供 水 系 统 的 构 成 示 意 图 图 2 压力控制原理 图 口的压力通过 一个 0 一 l MP a的压力 传感器进 行检 测 ．将 检 测 到 出水 口 的 压 力 ．通 过 变 送 通 道 变 送 为 0 ～ 5 V 模 拟 量 ， 与给定值进行 比较 。比较 的结果 给 P L C控制 器 ，由 P L C控 制器控 制变 频器 。来 调 节水 泵 的转速 。当 水 口压 力偏 抵 ，变频器提高水泵转速 ，提高 出水 口的压力 ；当 出水 口 压力偏高 ，变频器降低水 泵转 速 ，减 小 出水 口压 力 ，这 样 可以使 出水 口的压力维持 在一个合适 的压力 范围内 。满 足 用户 生产和生活用水压力 的要 求 。另外进水 口水 压在水 压 控制 系统 中仅作 为一个扰动 信号来处 理。 3 ． 2部 分 改进 的控 制 电路 从分段式恒 压供水的工作 过程来看 。系统处 在恒压工 作 阶段有 三个 时段 ．这 三个 时段往 往 是一 天 的用 水 高峰 期 ．水压 的波 动较大 。由管 网供水时段 也有三个 时段 ，这 三个时段往 往是用水的低 期 ，管 网的水压波动不 大 ，可 以满 足用 户少量用水的水压要求 ，此时控 制系统 可以停止 工作 。这样 可以将 一天分为六个 时段 ，亦即系统T 作在六 个状 态下 。六种 T作 状态按 二进制 的组合 方式 进行组 合 ， 其组合方式如表 l 所示 。 表 l 六种 工作状态二进制组合方式表 Kl K2 K3 S1 S 2 S3 S 4 S 5 S 6 0 1 l O l 1 O 0 O l l 0 O O 0 O 1 0 O 1 0 0 O O O 0 O O 0 0 表 1中假定 K1 、K 2 、K 3分别 代表三个 开关量 ，0表 示开关 断开 ，l表示开 关闭合 ，S 1 一 S 6分别代 表 系统 工作 的六个时段 。其组合方式为 当 K 1 、K 2断开 ，K 3闭合 ，系统工 作于 状态 S 1 ，对 应 00 0 53 0时段 ； 当 K1 、K 3断 开 ，K 2闭 合 ，系 统工 作于 状态 S 2 ，对 应 53 0 93 0时 段 当 K1 断 开 ，K 2 、K 3闭合 ．系统 工作 于状 态 S 3 ，对 应 93 0 一l 1 3 0时段 当 Kl闭合 ，K 2 、K 3断开 。系统 工作 于状 态 S 4 ，对 应 1 l 3 O 一 1 90 0时 段 ； 当 K1 、K 3闭合 ，K 2断开 ， 应 1 90 O 一 2l O O时 段 当 K1 、K 2闭 合 ，K 3断开 ， 应 2 1 0 0 2 40 0时 段 。 系统 工作 于状 态 S 5 ，对 系 统 工 作 于 状 态 S 6。 对 基于上述组合方式 ，将 原有 的控制 电路作 了适 当的改 进 。改进 电路 图如图 3所示 。 X20 Y20 X21 Y21 X2 2 F X1 N-6 0 MR X23 X2 4 手 罔 3 部分改进的控制电路 图 停 止 启 动 图 3中 X 2 0代表工 作方 式 的选择信 号输 入 点 ，X 2 1 、 X 2 2 、X 2 3分别 代 表 K1 、K 2 、K 3的信号 输人 点 ．X 2 4代 表手动设 定时段调整 信号输人点 ．Y 2 0为变频 器停止工作 的信 号输 m点 ．Y 2 1 为变 频器 工作时 的启 动信号输 出点 。 图 3中改进 的控 制电路部分 ．实质 上只是在原控 制电路基 础上增加 了手 动调整时间的设定部 分 ，并未对原 控制系统 的硬件电路部分做大的改进 。 4实现分段 式恒压供水控 制的软件部分 4 ． 1系统 工作 主 程序 根据分时段 的_丁作 特点 ．以及 实际控制 中需 要考虑的 一 些问题 。如 系统 工作时初始时期 的初始时 间的设 定和调 整问题 ，系统 作过程 中中途停 电等 。这就要考虑将 系统 T 作 过 程 分 为 两 个 阶 段 ，即 手 动 调 整 阶 段 和 自动 循 环 阶 段 。其 _T作流程框 图如图 4所示 。 图 4中 X 2 0为工作方式选择信号输入点 。当 X 2 0有信 号输 入时 ，系统工作于手 动调整操作 阶段 ，可以进行人 - I 二 时间 参数 的设定 和调 整 ．为 系统 进入 自动 循 环工作 作 准 0 O O●O 网 4 系 统 T 作 的流 程 框 图 备 。当 X 2 0没有信号输入时 ，系统工作于 自动循环 阶段 ． 自动循环从人工设定时段工作点开始循环工作 。 4 ． 2手 动控 制子程序 考虑系统工作的特点 ，系统工作过程 中．是不能 中断 用户供水的 ，因此在进行 内部单元 的选择上 ，应 选择 P L C 内部具有记忆能力的器件 。基 于这一点 ．选择了具有记忆 能力 的器件 ，如 辅助继 电器 M 5 1 2 一 b i 5 5 2 ．定 时器 T 2 5 0 一 r I 12 5 5 ，计数 器 C 3 2 一 C 5 2 。根 据分 段式 恒压 供 水的 工作 过 程 ，K l 、K 2 、K 3三个组合开关分别 对应 X 2 1 、X 2 2 、X 2 3 三个 输 入 点 Sl S 6六 个 工 作 状 态选 用 M1 l M1 6六 个辅 助 继电器 ，六个工作状态对应六个工作时段 ，但六个T作 时 段的时间长短不一样 ，为了计量 和设定上 的方便 ．选用 3 O 分钟 为一个计量单 位 。如 S l工作状态 ．其 工作 时段为 0 0 0 5 3 0 ，其计数单位为 l 1 ，共计 3 3 0分钟 ，此时段为管 网供水时段 ，其具体实现的手动设 定梯形图如网 5所示 。 M 7 0 X2 0 T 2 5 0 X 2 4 M 51 2 图 5 手动设定方式梯形 图 图 5中当 X 2 1 、X 2 2没有输入 信号，X 2 3有输 人信号 时 ，Ml 1得电 。系统工作 于 S 1 状态 ；当 X 2 4有信 号输入 时 ，工作 于手动设 定时 间调整方 式 ，通 过 X 2 4信号 的调 整 ，改变 C 3 2的起始计数初值 。使其调整到系统工作的当 前时间段 ，为系统进 入循环工作做准备 。 4 ． 3自动控 制子程序 4 - 3 ． 1自动控制程序流程 图 当工作方 式选 择 开关 K 0 ，选择 在 自动工 作方 式 时 ， X 2 0无输入信号 ，此 时系统工作于 自动循环控制方式 ，进 行 分时段工作 ，工作的程序流程图如 图 6所示 。当 S l l 1 时 ，系统工 作于管网供水时段 ；当 S I I 1 时 。系统进入 S 2 工作状态 ，即进入恒压供水阶段 ；依此工作方式 ，六种工 作状态 自动进行切换 ；当由 S 1状态依次 自动切换到 S 6状 态时 ，完成一次循环工作。当系统工作在恒压供水控制时 段时 ，其原 系统 的恒压控制子程序保持不变。 图 6 自动 T作 方 式 程 序 流程 框 图 4 ． 3 ． 2自动控制子程序梯形 图 将六个工作时段可以按非规则波形 图的工作 方式来 表 述 ．其波形图如图 7所示。 图 7 工 作 时 段 波 形 图 由图 7可 以看 出 S l S 6分别代 表 六个T 作时 段 ．在 S 1 、S 3 、S 5三个时段 为由管 网供水_T作时段 ，此时恒压供 水控 制系统不 工作 ；在 S 2 、S 4 、S 6三个时段 ，为恒压供 水时段 ．此时恒压供水系统工作 。整个系统采用 的是一种 间断式 的工作方式 。现就其 中 S 1 、S 2两种1 二 作 方式的实 现过程进行讨 论 ，其梯 形图如图 8所示 。其它 四种工作方 式依此方式进 行 自动循 环。 由图 8所示 ，当工作在 S l 工 作状 态时 ，由具有 自保 能力 的 T 2 5 0 、C 3 2定时器和计数器 来完成 3 3 0分钟 自动计时问题 ，在计 时过 程中 ，系统工作 在管 网供水 阶段 ，也就是此 时恒 压供水控 制系统不工 作 当计时时间到时，C 3 2动作 ，具有记忆 自保功能的 M5 1 2得 电并 自锁 ，Y 2 1 得 电 ，使系统工作于恒压供水阶段 ，亦 即 进入 S 2工作状态 ，此时系统工 作在恒压供水方 式。在 S 2 的工 作状 态时 ．具 有 自保功 能的 T 2 5 1 、C 3 3定时 器和计 下 转 第 8 9页 经 验 轨 ／ 排 泼子链 ’ ～．／ 演 花胶 轮 ／ ＼ l ■ 图 2 龙 门架 式 行 车 1 采 用 循 环链 1 2 A 三 排 滚 子 链 载 重 设 计 。 2 驱动用带碟刹 的电机。当 电机停 止时 ，碟刹 刹住 电机 转子防止工件下滑。 3振动装置 的设 计 设 计要解决 的问题为 振动装 置的布局问题 。振动振 上 接 第 4 8页 作状 态 供水 自动计时 1 8 0 0 手动设定时间 8 M 5 l 2 Y 2 0 斗 卜 _ 。_ _ _ 恒 压 供 水 运 行 M5 1 3 Y ．2． 1 、 卜 ，_ 管 嘲 供 水 运 行 图 8 自动工 作方式子程 序梯形 图 数器进 行 自动计 时 ，当计 时 时间达 到 2 4 0分钟 时 ，具 有 自保 功 能 的 M5 l 3得 电并 自锁 ，此 时 M5 1 2 、Y 2 l失 电 ， 幅和频率 的确定 。 1 振 动装 置采 用 凸 轮 驱 动安 装 在 主 轴 上 的 惰 轮 ，在 复位弹簧和 工件 重力作用下使工 件来 回振动 。凸轮的驱动 轴安装在主轴的正下方 。这样结构较合理。 2 根 据 电泳 漆 的粘 度 确 定 振 幅 为 2 0 m m，频 率 为 3 0 H z 经多次试验得出的数据 为最佳。 行 车增 加振 动装 置 提高 了整 条 生产线 的工作 效率 ， 减少 了电泳漆 的浪费及减轻 了电泳 后 回收 电泳 漆的设备 的 负担 。如果没有振 动装置 ，当工件 从电泳槽提 出时 ，工件 粘附着大量 的电泳漆 ．这时行车 只能停 留在原来位 置 ，让 电泳漆 自然 滴干 一般要 5 m i n ～ 1 0 m i n 。而且 工件里 面还 藏 着大量的 电泳漆 ．行车 一但运行藏 在工件里 的电泳漆 又 漏 出来 。掉到电泳槽与水洗 之间的缝 隙中 ，造成很 大的浪 费。同时藏在工件里大量 的电泳带到水 洗槽。水洗槽 里的 电泳 漆 要 通 过 过 滤 浓 缩 后 送 回 电 泳 槽 。 这 就 造 成 过 滤 浓 缩 设备 负担太 重．经常 出现设备故 障。 该设备 已应用在多条 电泳 生产线 ，并且取得 良好 的经 济效益 。 参考文献 [ 1 ]徐灏．机械设计手册[ M]．北京 机械 工业 出版社 ，1 9 9 1 ． 作者简介 邹伟荣 ，男 ，1 9 6 9年生 ，广东 兴宁人 ，大学本科 ，助 理工程师。研究领域 表面处理生产线 。 编辑 向 飞 Y2 0得电 ．系统 工作 于 由管 网供水 时段 。也 就是进 入 S 3 工作状 态 ，依此 工作 过程 ，就可 以满 足 分段式 恒 压供 水 的要 求 。 5结束语 充分利用 P L C柔性强 的特点 ，实现分段式恒压供水控 制 系统的改造 ．通过增加部分 系统控制 软件 ，增加少量 的 硬件设备 ．就可以改变系统 的工作 方式 ，这 样不仅最大 限 度地 降低 了改造的成本 ，而且也 带来 了可 观的经济效益 和 社会效益 。实践证明 。本系统成 功改造之后 ，可 以使该单 位耗 电量 下降 1 0 ％，也简化了该单位在供水 系统管理方面 的工作量 ．同时也给一些需要进行 供水系统 改造 的单位提 供 了一套借鉴的方法 。 参考文献 f 1 1崔金 责．变频 调速恒压供 水 系统在 建筑给 水应 用的理论探 讨 [ J ]．兰州铁道 学院学报 ，2 0 0 0，1 9 1 8 4 8 8 ． [ 2 ]廖常初．可编程序控制 器应 用技 术 [ M]．重庆 重庆大学 出 版 社 ． 2 0 01 ． [ 3 ]陈 国呈．P WM 变频调速技 术 [ M]．北京 机械 工业出版社， l 9 98 ． [ 4 ]王阿根．电 气可编程控制 器原理 与应用 [ M]．北京清华大 学出版社，2 0 0 6 ． 第一作者简 介 杨 友平 ，男 ，1 9 6 5年生 ，湖北仙桃人 ，硕士 ，高 级工程师。研究领域 信号检测与控制。 编辑 吴智恒 [二] Ⅱ]