基于组态和PLC控制的恒压变频供水系统李志文

基于组态和PLC控制的恒压变频供水系统李志文

李志文

东莞市东江水务有限公司

摘要：目前，大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转，对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的，这样一方面造成了能源的较大浪费，另一方面容易造成“水锤效应”。采取恒压供水的方式，可以解决传统供水存在的诸多弊端，由于交流变频技术的不断成熟及完善，可以方便地组成恒压供水系统。

关键词：PLC；变频器；组态；恒压供水系统；

前言

随着自动控制系统在日常生活中的普及，PLC控制技术也就越发的突显出其稳定性与重要性，PLC控制可以使硬件控制与软件控制得到很好的协调，极大的提高了各类控制系统的稳定性与可靠性。组态王（KingView）是目前国内比较流行的一种国产工业自动化通用组态软件，适用于中小规模工业监控机，价格低廉。组态王配有加密锁，支持工程加密；驱动程序较为丰富，如支持DDE、板卡、OPC服务器、PLC、智能仪表、智能模块等；支持ActiveX控件、配方管理、数据库访问、网络功能、冗余功能。其扩展性强，可与管理计算机或控制计算机联网通信。

一、变频器控制方案

有两种可选方案，一种是：由两台电机带动水泵供水，其中一台电机为变频控制；另一种方案是：两台电机均带变频控制。第一种方案：在用水量较小时，由第一台电机单独调频恒压控制，第二台电机停运，当用水量增加，变频达到工频运行时，将第一台电机切换为工频运行，变频器带第二台电机补充供水。在这种运行状况下，当第二台电机运行频率较低，接近停止时，切除第一台电机，由第二台电机单独调频恒压控制。以后，根据运行状况，再重复以上过程。第二种方案：两台电机各用一台变频器，反馈控制信号串接在两台变频器上，进行恒压供水。，两种方案比较：第一种方案，使用一台变频器，故投资少，而且，在一台电机出现故障时，另一台电机可继续供水。第二种方案，使用两台变频器，投资较大，但相对第一种方案，节能效果要好一些。目前，普遍采用的是第一种方案。作为实用来说，为了防止用水量恰巧在一台泵全速供水量的上下变动时，将会出现两台泵来回切换的状态，可设置压力控制的“切换死区"。例如：要求的供水压力为0．4MPa，则可设置切换死区为O．4—0．5MPa，控制方式是，当单独运行的1号泵的工作频率上升至50Hz时，如压力低于0．4MPa，则进行切换，使1#泵工频运行，2#泵通过变频进行补充压力，此时，若用水量减少，2#泵停止时，但压力仍不超过0．45MPa时，先暂不切换，直至压力超过0．45MPa时，再进行切换。

二、系统组成及工作原理

系统主要包括了一个水箱、变频器、电机控制设备、系统监控设备、两台水泵（一用一备）等部分。PLC通过输入口读取压力传感器信号，通过PID、比较等运算对输出口的电压进行控制，完成整个系统的操作控制。

2.1控制系统可以实现手自动切换，当控制模式为自动控制时，为了防止用水量在一台水泵全速供水量上下变动时出现的两台水泵不停切换问题，可设置压力切换的“死角区”。假设要求的供水水压为0.5MPa，当M1单独运行，变频器工作频率保持在50Hz（既M1水泵满负荷运行）2min后，可切换为M1水泵直接接入工频电源工作，M2水泵通过变频器进行补充水压，如果用水量减少，变频器工作频率保持在0Hz（既M2水泵零负荷运行）2min后，可关闭M2水泵，切换为M1水泵通过变频进行压力补充。为保证水泵的使用寿命，设置M1、M2两台水泵相互切换主用、备用状态。当M2水泵主用M1备用时，运行方式与上述一致。该控制在通过变频器的信号反馈在PLC中进行比较控制，当反馈信号为32000（字类型数据满值为32767，一般采用32000）时表明是满负荷运行，反馈信号为50时表明是零负荷运行，用Q0.0～Q0.3输出口分别控制KM1～KM4。手动控制，实现现场、远程控制，通过一系列按钮开关控制。

2.2基于PLC的变频恒压供水是由可编程控制器（PLC）、水泵机组、变频器、压力变送器和投入式液位变送器等组成的，采用的是闭环调节控制方式，该系统的泵站图如下图。

图2.2变频恒压供水系统泵站图

由供水系统的泵站图，可导出供水系统的工作流程图，如图2.2.1所示。该系统的工作原理是：首先通过PLC程序将压力稳定值设置为0.3MPa，然后通过压力变送器实时测得来自用户供水管网的水压并将信号送入PLC中，PLC通过PID运算得到控制信号并送入变频器中。当供水管网压力不足时，PLC控制变频器使水泵机组抽取储水池中的水；当供水管网压力超过稳定值时，PLC减少水泵机组运行功率，从而达到变频恒压供水的控制。

图2：变频恒压供水系统控制流程图

三、组态软件特点

随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。

组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点：⑴延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；

⑵封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；

⑶通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。

组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。

图3：恒压系统组成图

3.1定义组态王数据变量

数据库是“组态王软件”最核心的部分。在TouchVew运行时，工

业现场的牛产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为核心．所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。

数据词典中存放的是应用工程中定义的变量以及系统变量。变量可以分为基本类型和特殊类型两大类，基本类型的变量又分为内存变量和I／O变量两种。“1／o变量”指的是组态王与外部设备或其它应用程序交换的变量。这种数据交换是双向的、动态的，就是说在组态王系统运行过程中，每当I／o变量的值改变时，该值就会自动写入外部设备或远程应用程序；每当外部设备或远程应用程序中的值改变时，组态王系统中的变量值也会自动改变。所以，那些从下位机采集来的数据、发送给下位机的指令，比如反应罐液位、电源开关等变量，都需要设置成“I／O变量”。那些不需要和外部设备或其它应用程序交换，只在组态王内使用的变量，比如计算过程的中问变量，就可以设置成“内存变量”。基本类型的变量也可以按照数据类型分为离散型、实型。整型和字符串型。

结束语

将组态、PLC控制技术和变频器相结合，对传统的供水系统进行改进，设计了一套采用PLC控制的恒压变频调速供水系统。与目前单片机控制的供水系统相比具有明显的优势：其一，系统采用PLC进行逻辑控制，变频器进行压力调节。采用组态软件实时地反应供水系统的各个环节，且将监测与软件有机结合，将系统运行情况直观反应到电脑上，可以实现各个系统的集成控制，而且操作人员也可以通过组态对供水系统进行远程控制与参数修整。

参考文献：

[1]张扣宝.基于PLC和变频器控制的恒压供水系统设计[J].电气技术，2016.12

[2]胡汉辉.三维力控组态软件的应用[J].湖南工业职业技术学院学报，2013.4

[3]孔亮，王志亮，曹广芹，等.基于PLC的变频器—拖四供水控制系统应用.可编程控制器与工厂自动化，2017.5