基于PLC的楼宇双恒压供水系统程序优化研究

　关于PLC双恒压供水系统，国内外学者都有着深入的研究，其研究主要集中于从以下几个方面：第一，将变频器应用于楼宇PLC恒压供水系统中，结合变频器自身的PID控制模块，实现水泵的无极调速，达到高效率、宽范围和高精度的性能；第二，一些学者将PID控制与模糊控制融为一体,构造了一个参数自整定Fuzzy-PID控制器。该控制器能够对PID的参数进行在线自动调整,根据不同的工况条件选出合适的控制参数,对PLC供水系统中的水压调节进行有效控制，具有较强的鲁棒性和良好的稳定性；第三，在PLC供水远程监控与故障报警系统方面，依托新型传感器、Zigbee无线通讯等技术，设计了企业供水远程监控与故障报警系统，具有较高的运行可靠性、抗干扰能力，通讯实时性也较好。
在PLC双恒压供水系统中，很多研究文献设计的PLC控制程序全部由梯形图构成，由于双恒压供水任务较复杂，使得梯形图篇幅较长，读懂比较困难，不利于程序的结构化设计。状态功能图作为梯形图中的一种特殊程序，能将复杂的任务或过程分解为若干个工序，本文将结合状态功能图和梯形图来优化程序，供水任务的某些部分采用状态功能图，某些部分采用梯形图，力求使控制程序简单、直观、结构化。
1PLC双恒压供水系统组成
随着城市高层建筑生活和消防供水问题日益突出，保持供水压力的恒定，提高供水质量是相当重要的。目前，高楼PLC供水系统一般由1台PLC控制器、1台变频器、3台水泵及其他电气元件组成，即“一拖三”结构形式，电气主电路如图1所示。

图1供水系统主电路
连接在变频器上的接触器KM1、KM3、KM5，本文称为变频接触器，而KM2、KM4、KM6称为工频接触器。系统控制要求：（1）生活供水时系统低恒压值运行，消防用水时系统高恒压值运行；（2）3台泵根据恒压的需要，按照“先开先停”原则接入和退出；（3）用户用水量较小时，启动1台水泵可以让总管出口水压稳定在设定压力左右。如果1台泵连续运行时间超过3h，则要切换到下一台泵，避免某一台泵工作时间过长而影响其寿命，即“倒泵控制”；（4）3台泵在启动时，具有“软启动”功能，要有完善的报警功能；（5）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时使用。
2PLC双恒压供水任务分解
2.1系统故障与起停控制
高楼供水系统运行过程中，可能遇到的故障包括：变频器故障、火灾报警及低水位报警。每种故障发生时，相对应的故障报警指示灯会闪烁，同时报警电铃发出响声。每种故障共用一个报警电铃。以变频器发生故障为例，梯形图如图2所示，变频器报警时，信号X3被触动为1，故障结束后，信号X3复位为0。
供水系统在停止、低水位报警以及变频器故障时，工频泵运行台数和变频工作泵的泵号均需复位。
梯形图如图3所示。

图2变频器故障梯形图        图3供水系统起停梯形图
2.2变频增减泵和倒泵控制
变频增泵：水泵变频启动后，压力传感器测量总管出口水压信号，并实时传送给PLC控制器，当实时压力信号小于设定压力信号时，控制器将提高变频器的输出频率，以提高水泵的转速，从而来提高总管出口水压。当变频器的输出频率达到工频50HZ，而总管出口水压仍小于设定压力值时，则当前水泵转为工频接触器驱动，并且变频启动下一台水泵。当变频器输出频率达到工频50HZ，而总管出口水压仍小于设定压力值时，则当前两台水泵都转为工频接触器驱动，且变频启动第三台水泵。3台水泵的启动顺序是#1→#2→#3→#1，呈单向循环。
变频增泵是一个简单的单流程，适合用状态功能图实现。变频增泵脉冲M11用功能指令实现如图4所示，其中，火灾发生时X0触动为1消防供水，火灾结束X0复位为0生活供水。
变频减泵：当实时压力信号大于设定压力信号时，控制器将降低变频器的输出频率，以减小水泵的转速，从而来降低总管出口水压。当变频器的输出频率降至0HZ，总管出口水压仍大于设定压力值时，则先停止最先启动的水泵。当变频器的输出频率再次从50HZ降至0HZ，而总管出口水压仍大于设定压力值，则依次停止后启动的水泵，即“先开先停”原则。变频减泵脉冲M12用功能指令实现如图5所示。

图4变频增泵脉冲           图5变频减泵脉冲
倒泵：倒泵过程见系统控制要求，切换顺序为#1→#2→#3→#1，呈单向循环。倒泵也是一个简单的单流程，适合用状态功能图实现。倒泵脉冲M13用功能指令实现如图6所示。

图6倒泵脉冲          图7变频增泵和倒泵的状态功能图
变频增泵和倒泵过程，用状态功能图实现如图7所示。
2.33台水泵的工频与变频驱动
根据变频增减泵和倒泵流程，3台水泵实际运行时，共分为9种工况，如表1所示。

表1水泵运行工况
任一台泵作为工频泵时，启动脉冲均为工频接触器启动脉冲M15。以#1泵为例，从表1中可以看出，#1泵作为工频泵时的情况共3种，分别是#2泵为变频泵时的2种、#3泵为变频泵时的1种，其用功能指令实现如图8所示。
#1泵作为变频泵时，启动脉冲分2种，一种是系统起动脉冲M10，另一种是变频接触器启动脉冲M16。而#2或#3泵作为变频泵时，启动脉冲只有变频接触器启动脉冲M16。以#1泵为例，其工频驱动程序可用功能指令实现，如图9所示。

图8#1泵工频启动                               图9#1泵变频启动
3PLC与触摸屏仿真
本文用触摸屏软件GTWorks3对PLC楼宇双恒压供水监控界面进行了组态，并用三菱GXDeveloper软件编写PLC程序，最后协同仿真并调试。

图10变频增泵过程
在自动模式下，变频增泵过程如图10所示。
在自动模式下，每隔3h，倒泵过程如图11所示。

图11倒泵过程
4结论
考虑到大多PLC供水系统程序复杂、读懂困难的缺点，本文将复杂的双恒压供水任务进行了分解，结合状态功能图和梯形图对程序进行了优化，使控制程序简单、直观、结构化，用PLC与触摸屏仿真调试，验证了系统优良的控制性能。