曹哲賢，王宇杰，劉濤，付煥森，張熠飛

（泰州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇泰州 225300）

高層樓宇在城市化進(jìn)程中發(fā)揮重要作用，二次供水與居民的工作和生活息息相關(guān)。目前，二次供水基本采用自動控制，該系統(tǒng)往往也受控于物業(yè)，居民很難參與二次供水的監(jiān)控中，導(dǎo)致近年來常有供水質(zhì)量不佳的情況發(fā)生，如高峰期的水壓不夠，控制系統(tǒng)的老化、無人定期檢修，水箱中出現(xiàn)雜物等。對于二次供水，供水壓力、水質(zhì)、有無雜物是供水質(zhì)量的關(guān)鍵因素?；诖?，眾多學(xué)者和工程師進(jìn)行了研究，如高銳等[1]利用PLC 和SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)對二次供水系統(tǒng)的各項參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)了對二次供水系統(tǒng)的智能控制；歐惠玲[2]采用西門子PLC 和GYMS（集成管理控制平臺）、安防、門禁管理、水質(zhì)在線監(jiān)控等設(shè)備，推廣二次供水標(biāo)準(zhǔn)泵房地的封閉式和智能化管理；張萬青等[3]對二次供水的節(jié)能損耗進(jìn)行了重點研究，設(shè)計了定時休眠功能；陳經(jīng)艷[4]使用三菱FX3U系列 PLC 自帶的 PID （ Proportion Integration Differentiation，比例、積分、微分）控制，提供了供水系統(tǒng)的變頻恒壓控制，獲得了較好的控制精度；路桂明等[5]利用PLC 和變頻器組成閉環(huán)控制，實現(xiàn)了供水系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)水泵的工作狀態(tài)。

對于供水自動控制的研究盡管取得了豐富成果，但是對于供水的水質(zhì)和水中有無雜物的研究較少，自動控制系統(tǒng)也不對用戶進(jìn)行部分功能的開放，往往出了意外（雜質(zhì)、異物等）要很長時間才被用戶發(fā)現(xiàn)。水是生命之源，控制部分可以不對用戶開放，但是供水的一些參數(shù)和有無異物可以對用戶開放，用戶通過手機(jī)實時監(jiān)測才能保證供水的質(zhì)量。基于此，文中利用西門子S7-1200 系列PLC、MCGS 觸摸屏界面、變頻器及通信模塊等設(shè)備設(shè)計了二次供水的智能控制系統(tǒng)，讓用戶參與控制系統(tǒng)的監(jiān)測，最后的模擬運(yùn)行也體現(xiàn)出較高的可靠性。

1 整體設(shè)計

二次供水的智能控制系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1 所示，主要由PLC 控制單元，壓力、液位、水質(zhì)傳感器，觸摸屏和西門子通信模塊，以及攝像頭和上位機(jī)電腦組成。手機(jī)APP 軟件可以通過通信模塊實時查看PLC 采集的壓力和水質(zhì)等參數(shù)，通過上位機(jī)電腦和攝像頭可以查看水中有無異物等。

圖1 整體設(shè)計圖

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)選用西門子的S7-1200 系列PLC 中的CPU1214，該P(yáng)LC 有14 路數(shù)字里輸入和10 路數(shù)字量輸出；再增加了一個模擬量擴(kuò)充模塊SM1234，含4 個模擬量輸入和2 個模擬量輸出，以達(dá)到本系統(tǒng)的控制需求。選用西門子V20 型變頻器，變頻器的作用是通過IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的開通和關(guān)斷來調(diào)節(jié)水泵機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵再帶動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變頻率使系統(tǒng)達(dá)到更好的運(yùn)行狀態(tài)。

選擇TPC7062TI 型觸摸屏，其主要作用是監(jiān)測觸摸點接收到的信號，將它以觸點坐標(biāo)的形式傳送給CPU（Central Processing Unit，中央處理器），同時也能接收CPU 發(fā)來的指令；選用MIK-P1000 型壓力傳感器、SL980 型投入式液位傳感器、溶解氧和pH 值水質(zhì)傳感器。

2.1 PLC 的I/O 口分配

PLC 的開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量輸入輸出分配如表1 所示。

表1 PLC 輸入輸出分配表

2.2 PLC 控制電路

PLC 的控制電路如圖2 所示。220 V 交流接PLC的L 和N，為PLC 提供220 V 工作電源。24 V 直流電接的負(fù)端接PLC 的輸入1M 和PLC 輸入公共端；24 V的正端接PLC 的輸出1L、2L 和SM1234 的L+。該系統(tǒng)選擇了3 個水泵機(jī)組，分別是M1、M2 和M3。M1是#1 水泵電機(jī)，驅(qū)動#1 水泵供水。KM1 是#1 水泵電機(jī)變頻啟動接觸器，接變頻器V20 的U、V、W，供#1 水泵變頻工作；KM2 是#1 水泵電機(jī)工頻接觸裝置。同理，M2 是#2 水泵電機(jī)，KM3 是#2 水泵電機(jī)變頻接觸器，KM4 是#2 水泵電機(jī)工頻接觸器；M3 是#3 水泵電機(jī)，KM5 是#3 水泵電機(jī)變頻接觸器，KM6 是#3 水泵電機(jī)工頻接觸器，KM7、KM8、KM9 為3 個水泵電機(jī)的軟起動接觸器。

圖2 PLC 控制電路

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件流程設(shè)計

軟件流程如圖3 所示。供水系統(tǒng)開始運(yùn)行，系統(tǒng)上電之后若系統(tǒng)報警，則該系統(tǒng)不運(yùn)行，系統(tǒng)會緊急停止采用手動模式并對系統(tǒng)進(jìn)行維修；若變頻器無故障，系統(tǒng)開始運(yùn)行，通過觸摸屏實現(xiàn)壓力的設(shè)定值，PID 的反饋為實際壓力。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，管網(wǎng)中的各類傳感器采集數(shù)值上傳給控制器，經(jīng)過一個采樣周期后，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定值改變水泵的運(yùn)行狀態(tài)，使之達(dá)到最好的控制效果。

圖3 軟件流程圖

軟件流程控制分為2 種情況：①采集的水壓小于先前設(shè)定壓力值，繼續(xù)監(jiān)測其頻率是否超出上限頻率50 Hz。若小于50 Hz，保持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行管網(wǎng)水壓采樣；若大于50 Hz，則采取增泵措施，此時#1 泵由變頻切換為工頻運(yùn)行，啟動#2 泵變頻運(yùn)行。②采集的水壓大于或等于先前設(shè)置的壓力值，繼續(xù)監(jiān)測其頻率是否大于頻率下限10 Hz。若大于10 Hz，則返回管網(wǎng)繼續(xù)水壓采樣；若低于10 Hz，說明需要采取減泵措施，此時#2 泵停止運(yùn)行，#1 泵變頻運(yùn)行，當(dāng)用水量很大時，啟用#3 備用泵。

3.2 PLC 程序設(shè)計

在供水系統(tǒng)控制部分中，程序使用結(jié)構(gòu)化方式進(jìn)行編程，分為主程序、調(diào)用程序和中斷程序。除此之外，PLC 同時設(shè)計了FC1-FC8 多個程序段循環(huán)執(zhí)行，用于PID 控制。其中，液位讀取程序段如圖4 所示，供水泵工頻運(yùn)行程序段如圖5 所示。

圖4 液位讀取程序段

圖5 供水泵工頻運(yùn)行程序段

3.3 PID 控制

PID 控制器按其工作方式可分為自動控制和手動控制2 種，即PID 控制器在完成首次自調(diào)整動作和工作期間自調(diào)整動作后即為自動控制工作狀態(tài)。PID_Compact 工藝對象將按照預(yù)定的控制器參數(shù)執(zhí)行閉環(huán)控制；打開S7-1200 項目樹中的“工藝對象”，點擊“新增對象”，找到“PID”，選擇PID_Compact 模塊，如圖6 所示。

圖6 PID 模塊選擇

如果在控制器上位機(jī)組態(tài)窗口配置時勾選了“啟用手動輸入”，PID 控制器的輸出將根據(jù)人工手動輸入的值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，PID 調(diào)用程序如圖7 所示。

圖7 PID 調(diào)用程序

4 仿真調(diào)試

系統(tǒng)采用Matlab2012 軟件的Simulink 平臺對供水系統(tǒng)的PID 控制模塊進(jìn)行動態(tài)建模和仿真。PID 模塊參數(shù)修正后開始系統(tǒng)仿真，設(shè)置仿真時間為2 000 s，示波器運(yùn)行曲線如圖8 所示。由圖8 可知，系統(tǒng)運(yùn)行到500 s 左右時PID 調(diào)節(jié)輸出增量為0，變頻器頻率恒定，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 PID 仿真波形圖

供水系統(tǒng)中壓力變送器將實測壓力值以電信號的形式傳輸至PID 控制器，與系統(tǒng)設(shè)定壓力比較得出偏差，經(jīng)過PID 控制算法計算后將控制信號以電壓的形式傳輸至變頻器，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的功能。當(dāng)壓強(qiáng)過高時，控制器控制電機(jī)減速；壓強(qiáng)過低時，控制器控制電機(jī)提速，PID 在線監(jiān)測如圖9 所示。

圖9 PID 在線監(jiān)測

該系統(tǒng)的監(jiān)測和調(diào)試界面包括了系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測主界面和參數(shù)設(shè)置界面，用戶可以在系統(tǒng)的主控界面上進(jìn)行操作，并利用上面的按鈕進(jìn)行多個監(jiān)視接口的切換，實現(xiàn)了多種監(jiān)視。系統(tǒng)監(jiān)控自動控制運(yùn)行界面如圖10 所示。

圖10 自動控制界面

5 結(jié)論

該系統(tǒng)由PLC、變頻器、人機(jī)界面和多種傳感器、攝像頭等主要硬件設(shè)備構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活，通過人機(jī)交互界面，用戶可以通過直觀的方式實現(xiàn)對供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，并能實時掌握系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對報警信息進(jìn)行及時處理。該系統(tǒng)將部分?jǐn)?shù)據(jù)和功能對用戶開放，通過手機(jī)APP 可以實時監(jiān)測各項參數(shù)，并且可以通過攝像頭查看水中是否有異物，保障供水水質(zhì)。