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基于PLC的水泵智能控制及能耗监测系统设计

作者：陈金标

来源：《中国新技术新产品》2016年第16期

摘 要：传统的水泵控制方式往往需要手动操作，并且存在可靠性低、备用泵闲置浪费等问题。基于此，本文基于PLC控制原理，研究了水泵智能控制及能耗监测技术，从供水方法、系统构造等方面较为详细地阐述了系统的设计思路以及应用前景。 关键词：水泵控制；PLC；智能控制；自动化 中图分类号：TM76 文献标识码：A 1.供水的基本方法

建筑物供水系统的基本方式可分为以下3种：直接给水方式、单设水箱供水方式、高水位箱-水泵供水方式。直接给水方式的工作原理是：室内与室外的给水管网直接相连通，通过水泵向用户提供具有一定压强的水。单设水箱供水方式的工作原理类似于直接供水，其不同点在于，单设水箱供水在直接供水的基础上，安装了一个或多个高水位箱，目的在于调节水压和流量。高水位箱-水泵供水方式是将市政管网中的水池作为供水源，通过水泵将水输送到高水位箱处，然后再由高位水箱输水到用户终端。直接供水方式采用恒速泵与变频调速泵相结合的方式，以解决用户终端的用水变化问题。当前基于PLC自动控制恒压供水系统的水泵，在采用交流交频技术后，水泵智能控制系统已经应用于多个行业。 2.基于PLC的水泵智能控制与能耗监测设计

本文中的水泵智能控制系统设置有一个主站，主站下设有多个从站，从站中也配置有PLC模块，主站与从站通过PLC的RS-484接口相连接。主站由上级的工控机控制并监测，主站会将各从站的信息传输给顶端的中控机，操作人员通过中控机即可实现对各从站的设备进行控制与监管。从站中设置有传感元件和独立的水泵启闭开关，可将环境的参数以及水泵实时工况通过主站上传至工控机，而且从站控制柜上的人机界面也能自动控制从站中水泵的运行，如图1所示。

控制器之间的通信采用Modbus协议，这是专门用于电子控制器上的一种通用语言，具有很强的兼容性。基于此协议，各控制器可通过特定网络，与其他外围设备进行实时通信。该协议搭建了一套可被控制器识别的计算机信息框架，忽略信息传达的所使用的网络，表达了各控制器与系统其他设备相连接的过程。各设备通过Modbus进行通信时，会将各设备唯一的设备地址记录下来，也可将反馈信息传到特定设备地址，从而实现水泵的精准控制。同理，该技术

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也可用于检测系统中出现故障的单元，并监控系统整体运行情况，从而计算出系统整体能耗情况。

2.1 系统控制要求

以某厂房建筑排水为例，该系统基于PCL技术，可对水井中的水位高低情况进行远程控制，并反馈实时监控数据。其控制要求可分为以下4点：

（1）将系统中的3台泵通过PLC和无线通信，连接到工控机的PLC上，通过工控机或者远程无线控制终端，结合水池的实际情况，我们可以对深井泵进行实时控制。例如，当水位高于4m时，将所有深井泵调整为关闭状态；若高于3.6m时，仅保证一台水泵工作即可，当水位不足2m时，则启动其中2台深井泵；高于4m时，设备必须停机。3台机组互为备用。 （2）当水泵的水压低于0.3MPa时候，可同时启动系统中的两台深井泵；当水压达到3.5MPa后，仅保持一台深井泵工作。这4台水泵可以互为备用，并能够实现远程监控现场的各类实时数据，通过从站传输到工控机上，也可直接在泵的控制柜上读取各类参数，完成数据的初步收集。

（3）在厂房需要进行排水时，从站中的传感设备可以根据水位高低情况，对蓄水池水量进行实时监控。这样可以实时调整水泵工况，或是防空转等功能。

（4）值班人员可以根据系统反馈的数据情况，对水泵的运行情况进行调整，或是调整运行中的水泵数量。通过这种方式，保护了厂房用水、用电安全。 2.2 系统工作原理

本系统是基于PCL技术，针对水泵的功能切换和远程控制设计的，可以操控水泵的工作状态，实现功能之间的转换，实时监测运行状态，能够起到一定的保护作用。与一般的工业系统相比，其简化了安装难度和接线数量，提高了系统的稳定性和可靠性。并且应用PLC技术后，灵活性提高和通用性变广，修改控制程序就能改变各个部件的工作时间和工作状况，满足不同的生产需求。 2.3 硬件设计

2.3.1 智能泵系统电路设计

水泵智能控制及能耗监测系统，其主电路主要由电流互感器、电压互感器、电流传感器、电压传感器和功率传感器构成。当水泵的电机开始启动时，电路中的交流接触器均闭合，接着电机Y型动作，在Y型电机运行0.1分钟后，△型电机开始运行。电流传感器可以将电流互感器测量到的电流信号通过网线传输到PLC扩展的AD输入模块，通过模块中的函数计算机即可得出对应的电压情况。

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2.3.2 工作站布置

本系统包含一个主工作站和多个从站，中间控制机与主站相连，水泵信息通过从站将传感器将接收到的信息发送给主站PLC，同时从站与控制柜逐一对应，控制柜上的操作界面也能实现实时控制从站的水泵启动停止，并且实现功能转换。水泵工作等位置设置有各种传感器装置，数据通过专门与西门子的S7-300PLC的通信模块传送，可实现点对点，点对多的无线数据通信方法，并且接收，发送为一体。 2.4 软件设计

2.4.1 PLC执行程序设计

本系统采用的是DVP14SS11T2的PLC，该PLC被广泛应用于自动装置中，可靠性高，并且指令集丰富、可扩展性强，结合上文提及的Modbus协议PLC模块可以将泵系统中的各模块连接在一起，其程序流程如图2所示。 2.4.2 人机交互界面设计

操作触摸界面的设计能够实现程序控制逻辑一体化控制。操作界面上显示的是水泵的启闭状态、工作时间、转速、电流和电压等工作参数。操作人员可根据需要进行修改。以操作开闭功能为例，主界面上点击“状态”任务栏，出现菜单的菜单栏有启动和停止两个按钮，点击按钮即可实现开闭功能。启闭按钮旁设置有手动控制旋钮，当遇到突发情况时，操作人员也能够通过手动按钮来对设备进行控制，增加了设备的安全性。在首页的主界面上，还设置有自动报警装置，当工况出现异常时，系统会自动报警，然后自动断开电源并停止工作，操作人员也可以通过点击报警按钮来通知其他从站的人员。 2.5 能耗监测系统设计

生产现场配备有PC监控系统，并且可以通过无线通信的方法，远程监测从站的实时数据（如水位高度以及水泵的运行状态），并将这些信息在对应操作界面上显示出来。另一方面，采用的模糊控制技术来操作水泵的开关，也可达到节约能源的效果，能够远程实时地对水泵进行控制。从站机组可由电机控制软件对其进行控制和监测，主站的PCL系统与各个分站保持通信和控制，完成水源水位、水压、流量等信息的监测，同时保证压力达到均衡，以达到节约能源的效果。 参考文献

[1]肖林京，孙传余，梁慧斌.PLC在水泵自动化监控系统中的应用[J].煤炭工程，2007（3）：102-104.