基于PLC的校园恒压供水控制系统软件设计

1、基于PLC的校园恒压供水控制系统软件设计随着城市规模的不断扩大，职业学校的办学规模日益扩大，校园供水能力对师生的在校生活的影响日益增强，对供水的安全性、可靠性的要求也不断提高。 本文设计了一套集手动控制、半自动控制、全自动恒压供水的电气控制系统，具有在线远程监控功能以及在线组态参数整定等功能，有效解决了学校师生的用水问题。本文所设计的供水控制系统（程序）是恒压供水系统执行、控制的核心处理部分，该校园生活供水的控制系统主要分为上位机力控组态部分与下位机（PLC）程序部分。基于“力控”组态软件开发设计的上位机工程，能实时监控记录系统运行状态并记录系统运行的相关数据，并增强了系统的人机交互特性。为加强供水控制系统的稳定与可靠，本系统预设了手动控制、半自动控制、自动控制、远程在线控制等多种运行方式，对系统的多种运行方式进行了详细的设计和说明。关键字：控制系统；2校园生活供水方案设计22.1校园供水控制系统的方案确定22.2校园生活供水控制系统组成33PL C控制程序设计43.1系统程序架构43.2系统程序控制工艺流程53.3PLC的PID控制程序段设计74上位机力控组态监控实现84.1学校生活

2、供水力控系统组态设计84.2学校生活供水力控组态参数设置10变压泵恒压供水系统是目前国内建筑给水系统中比较先进的技术。在供水系统运行期间，当用户的耗水量发生变化时，变频泵组自动调节以维持变频泵的输出压力(即供水压力)的恒定，根据用户对水消耗和水压的需求确定变频泵的出口压力值。在应用变频调速技术之前，供水系统的调节主要由水塔，压力罐和高水箱等方式实现。学校原有的供水控制系统是基于传统电拖控制系统，水泵的控制主要是电拖模式，水泵长时间在工频模式下工作，通过阀门的开度调节实现出水量的调节，这样很容易造成“水锤效应”和能量的浪费。在实际校园生活用水过程中，由于出水点数的不确定性，管网的水压往往不稳定，这会导致供水系统和管网严重影响，管路时常出现因水压过大而导致的破裂漏水情况。采用恒压供水方式可以解决传统供水方式的诸多弊端，由于交流电机变频调速技术的发展与成熟，运用PLC(可编程序控制器)技术、变频技术构建一套恒压供水系统，这不仅可以控制水泵的有效运行，满足学校师生的用水需求，还可以提高供水效率，降低能耗、达到节能减排的效果。近年来，国内变频调速技术不断完善，诸多风机运行控制系统与泵类运行控制都

3、改用变频调速控制。变频恒压供水系统与普通增压泵站供水系统工程基础基本相同。与普通水泵供水系统相比，变频恒压供水系统增加了一套水管压力检测与稳定系统。在系统运行过程中，系统根据用户的用水量与供水系统压力设定值之间的关系，系统进行自动调整工作，即命令和控制变频器改变电机运行频率从而调整电机运行速度，来达到稳定管路中水压的目的。可变的电机电源频率使水泵不根据泵的特性曲线运行，而是根据供水系统实际耗水量的大小、水压的高和低来调整系统运行参数，提供可变压力和可变流量的供水方式，以满足用水要求。随着我国城镇化建设的进一步发展，学校的办学规模日益扩大，校园生活用水量逐年增加，学校的生活供水能力对在校师生的生活的影响日益增强，师生对供水的质量和安全可靠性的要求也不断提高。由于学校原有供水系统己经运行10多年，己逐渐不能适应学校的快速发展，用水的供需矛盾日益突出。把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到校园供水系统中，对于中职类学校师生在校学习、生活管理的特殊J陛，校园用水时间段集中、供用水特点明显，因此采用具有自动控制模式的恒压供水系统，能降低能耗、实现系统运行的远程监控等功能，对于同类型应用单

4、位具有较大的经济意义和推广价值。2校园生活供水方案设计2.1校园供水控制系统的方案确定校园生活供水整体布局如图2-1所示：图2-1学校生活供水整体布局图本设计供水系统采用恒压供水，力争做到既能保障正常供水，又能节能减排减轻运行维护成本。为保障学生在夜晚就寝洗漱及早起洗漱用水高峰时段供水稳定，系统采用自动设置较高的管道压力设定值的方式，让1号泵电机全压运行，2号泵电机变频高速运行，从而保障正常用水。在平时学生上课或休息时间段，用水低谷时间段，系统采用自动设定较低管道压力值的方式，让1号电机变频低速运行，2号电机停止运行，既达到系统节能目的又能有效减轻供水管网压力，延长管网使用寿命。3）协调运行(冗余设计):为避免控制系统出现意外故障，影响正常供水，本设计采用两套恒压供水水泵系统协调供水，即主供水系统工作时，备用供水系统休息，备用系统供水时，主系统休息(目前设计轮换周期为三天)，从而达到延长整个供水控制系统的正常使用寿命，保障系统可靠运行。4)远程无线检测与控制功能:为保证后勤工作人员能随时随地了解学校生活供水情况，系统增设无线监测、控制系统，工作人员能在手机端通过短消息推送的方式了解水泵

5、供水管道压力、电机运行情况等信息，如万一发送供水系统故障、系统的通讯模块能及时发送信息给工作人员，提醒供水系统发生故障需要处理。2.2校园生活供水控制系统组成本系统由现场控制模块、PLC控制模块和上位机软件监控模块、通讯报警模块等四部分组成。现场控制模块主要为系统的按钮操作模块，供学校管理人员实现对供水的现场控制与调节，系统主要有手动控制模式、自动控制模式、半自动控制模式。手动控制时，通过切换手自动开关后，可以操作相应的按钮控制任意一水泵的工频运行与停止，该方式一般工作在PLC控制系统存在故障，临时保障用水的情况;半自动模式是在系统变频器故障时临时使用情况;系统正常工作在自动模式下，PLC根据主管网的供水压力自动判断水泵升频与减频以保证管网供水压力的稳定。PLC控制系统主要采集系统输入信号、现场工艺数据、并对数据进行运算处理和运算结果对系统执行机构的控制。利用PLC实现供水系统功能要求的控制逻辑，记录系统运行的相关数据和信息，并把相关的数据和信息传送上位机、通讯报警系统。3）上位机监控系统上位机监控系统主要利用力控组态软件与PLC进行通讯，实时监控系统运行情况，记录系统运行数据和相关的

6、报警信息，供管理人员进行查阅分析、决策等功能。通讯报警系统通过与PLC的数据交互，判断恒压供水系统工作是否正常，若出现故障，立即通过手机短信的形式向后勤管理人员发出相应的警告信息，提醒工作人员及时处理故障，保障供水正常。3PL C控制程序设计本系统中PLC控制程序由本地现场手动控制、系统自动恒压控制、远程在线控制等多种方式，下面分析这几种控制方式的程序设计思路及相关的实现方式。为保障学生生活用水的稳定可靠，系统设置了多种工作方式，由自动恒压运行模式、手动工频运行模式、半自动工频模式以及主系统与备用系统的交替冗余运行。系统的PLC程序框架如图3-1所示。图3-1系统PLC程序框架为方便工作人员进行相应的操作，系统在设备操作面板、力控组态界面、以及手机短信等方式中均有相应的操作选项，提供了多样化的操作选择与方式。3.2系统程序控制工艺流程1.主程序控制工艺流程图3-2PLC控制程序流程图根据控制要求设计了如图3-2所示的PLC程序流程，系统一般工作在自动模式下，手动模式在调试或设备的PLC损坏的情况下临时使用，半自动模式为设备在变频器故障情况下，保障学校生活供水基本稳定的情况下使用。2.自

7、动控制模式下设备加、减泵程序控制工艺流程为稳定管道供水压力，在学生洗漱集中用水高峰期，管道水压会快速下降，需要供水系统快速投入水泵以提供稳定的供水量。如图3-3所示为设备加泵工作流程。图3-3设备加泵工作流程图3.设备加、减泵程序PLC控制程序段如图3-4所示为系统升泵、减泵子程序，程序判断当第一台水泵电机运行频率超过45Hz持续时间超过5分钟，但压力传感器反馈回供水压力信号仍小于系统设定压力值时，系统自动将第一台电机运行方式切换为工频模式，第二台电机以10Hz的初始频率投入变频运行模式。同样当第二台电机的运行频率低于10Hz，而且压力开关反馈回管网压力信号仍大于系统设定压力值时，系统自动切断第二台电机的变频模式电源，电机进入停止状态，而第一台电机切换工频模式为变频模式，运行在45Hz频率下，若管网压力仍大于设定值，系统进入减频状态每次下降5Hz，直到管网水压稳定在设定值。图3-4系统升泵、减泵子程序3.3PLC的PID控制程序段设计PID控制算法通过西门子PLC编程软件中的PID编程向导编写PLC程序，首先，在工具中选择指令向导，选择PID，通过系统向导建立，完成PID控制，在主程序

8、中通过调用PID功能指令，作为子程序运行。如图3-5所示为PID初始化程序。图3-5PID初始化程序4上位机力控组态监控实现在线组态监控能即时反应系统运行情况，通过力控组态软件的实时趋势曲线能跟踪供水系统近段时间的运行情况，在特殊情况下还可以在线设置系统运行参数，提供了良好的人机交互体验。4.1学校生活供水力控系统组态设计在工程管理器界面选择新建按钮就可以新建组态工程，选择相关的项目类型就可以进入组态设计。如图4-1所示为力控组态软件工程管理器，工程管理器可以实现组态工程的开发、运行、备份、恢复、打包等主要功能。如图4-2所示为力控组态软件的新建工程窗口，在该窗口可以实现项目类型的选择、组态模板的导入、组态名称的确定、路径的选择、组态描述信息等相应功能。图4-1力控组态软件的工程管理器图4-2力控组态软件的工程管理器在完成了新建组态工程后，就可以进入组态开发系统，进行项目的数据组态、I/O设备组态、组态监控窗口的设计美化、系统后台的配置等操作。力控组态软件提供了丰富的图库组件，能满足用户的基本设计需求，软件还提供了工具箱，允许用户自行绘制需要的简单图形、并能导入计算机存储设备中的位图文

9、件，起到美化界面的功能。另外还能进行实时事件及历史报表的编辑。在供水系统工作界面中，能够及时显示供水系统工作水泵的运行情况、供水管路的设定压力值、供水管路的实际压力测量值、以及用水量的数据等相关信息，同时可以通过组态界面对控制系统进行相关参数的设置，以及对自动运行模式的启动和停止控制。如图4-3所示为学校校园生活供水系统工作及监视界面。图4-3学校校园生活供水系统工作及监视界面4.2学校生活供水力控组态参数设置在完成了学校供水系统的界面组态制作后，需要对系统的数据库进行组态、I/O 设备组态以及组态变量的定义。I/O 设备组态主要是为了组态软件与控制系统的 PLC 连接。双击组态软件左侧工程项目管理窗口中的 I/O 设备组态选项，就可以调出力控组态软件的Io Manager 对话框，在Io Manager 工作窗口，窗口的左侧为力控组态软件支持组态的 I/O 设备，种类繁多，本设计中需要组态软件与西门子 224PLC 连接，所以选择PLC 分类下的 SIMENS（西门子）S7-200（PPI）双击，调出设备配置选项卡。在设备配置选项卡中设定设备名称为 CPU224、更新周期为 50 毫秒、超时时间为 8 秒、设备地址为 2、通讯方式为串口（RS232/422/485）以及故障后回复查询相关信息的设置。设置完成后如图4-4所示为 I/O 设备配置第一步所示，点击下一步按钮后可以进入设备配置的第二步，进行计算机通讯端口的串口通信参数设置。这

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