基于PLC_的楼宇二次供水智能控制系统设计

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文章编号：2095-6835（2023）22-0018-04
基于PLC 的楼宇二次供水智能控制系统设计
＊
曹哲贤，王宇杰，刘涛，付焕森，张熠飞
（泰州学院机电工程学院，江苏泰州225300）
摘要：高层楼宇的二次供水在居民日常工作和生活中具有重要的作用。

为提高二次供水的稳定性，设计了一种智能控制系统，该系统基于西门子S7-1200系列PLC （Programmable Logic Controller ，可编程逻辑控制器）、MCGS （Monitor and Control Generated System ，监视与控制通用系统）触摸屏、变频器及通信模块等设备，完成了硬件设计和软件编程。

系统还可以让用户参与控制系统的监测，实时监控二次供水的压力、水质及杂物等，保证用户的供水质量。

最后，通过仿真实验，该系统模拟运行体现出可靠的稳定性和开放性。

关键词：高层楼宇；二次供水；PLC ；实时监控中图分类号：TU991
文献标志码：A
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.22.005
高层楼宇在城市化进程中发挥重要作用，二次供水与居民的工作和生活息息相关。

目前，二次供水基本采用自动控制，该系统往往也受控于物业，居民很难参与二次供水的监控中，导致近年来常有供水质量不佳的情况发生，如高峰期的水压不够，控制系统的老化、无人定期检修，水箱中出现杂物等。

对于二次供水，供水压力、水质、有无杂物是供水质量的关键因素。

基于此，众多学者和工程师进行了研究，如高锐等[1]利用PLC 和SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition ，数据采集与监视控制）系统对二次供水系统的各项参数进行实时监测，实现了对二次供水系统的智能控制；欧惠玲[2]采用西门子PLC 和GYMS （集成管理控制平台）、安防、门禁管理、水质在线监控等设备，推广二次供水标准泵房地的封闭式和智能化管理；张万青等[3]对二次供水的节能损耗进行了重点研究，设计了定时休眠功能；陈经艳[4]使用三菱FX3U 系列PLC 自带的PID （Proportion Integration Differentiation ，比例、积分、微分）控制，提供了供水系统的变频恒压控制，获得了较好的控制精度；路桂明等[5]利用PLC 和变频器组成闭环控制，实现了供水系统能够自动调节水泵的工作状态。

对于供水自动控制的研究尽管取得了丰富成果，但是对于供水的水质和水中有无杂物的研究较少，自动控制系统也不对用户进行部分功能的开放，往往出了意外（杂质、异物等）要很长时间才被用户发现。

水是生命之源，控制部分可以不对用户开放，但是供水的一些参数和有无异物可以对用户开放，用户通过
手机实时监测才能保证供水的质量。

基于此，文中利用西门子S7-1200系列PLC 、MCGS 触摸屏界面、变频器及通信模块等设备设计了二次供水的智能控制系统，让用户参与控制系统的监测，最后的模拟运行也体现出较高的可靠性。

1整体设计
二次供水的智能控制系统整体设计如图1所示，主要由PLC 控制单元，压力、液位、水质传感器，触摸屏和西门子通信模块，以及摄像头和上位机电脑组成。

手机APP 软件可以通过通信模块实时查看PLC 采集的压力和水质等参数，通过上位机电脑和摄像头可
以查看水中有无异物等。

图1整体设计图
2硬件设计
本系统选用西门子的S7-1200系列PLC 中的CPU1214，该PLC 有14路数字里输入和10路数字量输出；再增加了一个模拟量扩充模块SM1234，含
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＊［基金项目］江苏省大学生创业训练计划项目（编号：202112917051T ）
4个模拟量输入和2个模拟量输出，以达到本系统的控制需求。

选用西门子V20型变频器，变频器的作用是通过IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的开通和关断来调节水泵机组运转，水泵再带动电机的转速，从而改变频率使系统达到更好的运行状态。

选择TPC7062TI型触摸屏，其主要作用是监测触摸点接收到的信号，将它以触点坐标的形式传送给CPU（Central Processing Unit，中央处理器），同时也能接收CPU发来的指令；选用MIK-P1000型压力传感器、SL980型投入式液位传感器、溶解氧和pH值水质传感器。

2.1PLC的I/O口分配
PLC的开关量、模拟量和数字量输入输出分配如表1所示。

表1PLC输入输出分配表
序号
数字量输入数字量输出
名称
PLC
地址
名称
PLC
地址
1#1泵变频%I0.0#1泵变频启动%Q0.0
2#1泵工频%I0.1#1泵工频启动%Q0.1
3#2泵变频%I0.2#2泵变频启动%Q0.2
4#2泵工频%I0.3#2泵工频启动%Q0.3
5#3泵变频%I0.4#3泵变频启动%Q0.4
6#3泵工频%I0.5#3泵工频启动%Q0.5
7#1泵过载%I0.6变频启动%Q0.6
8#2泵过载%I0.7变频器控制%QW96 9#3泵过载%I1.0
10变频器故障%I1.1
11出水超压%I1.2
12水池液位%I1.3
13自动手动模式
转换开关
%I1.4
14压力传感器%IW96
15频率反馈%IW98
2.2PLC 控制电路
PLC的控制电路如图2所示。

220V交流接PLC 的L和N，为PLC提供220V工作电源。

24V直流电接的负端接PLC的输入1M和PLC输入公共端；24V 的正端接PLC的输出1L、2L和SM1234的L+。

该系统选择了3个水泵机组，分别是M1、M2和M3。

M1是#1水泵电机，驱动#1水泵供水。

KM1是#1水泵电机变频启动接触器，接变频器V20的U、V、W，供#1水泵变频工作；KM2是#1水泵电机工频接触装置。

同理，M2是#2水泵电机，KM3是#2水泵电机变频接触器，KM4是#2水泵电机工频接触器；M3是#3水泵电机，KM5是#3水泵电机变频接触器，KM6是#3水泵电机工频接触器，KM7、KM8、KM9为3个水泵电机的软起动接触器。

图2PLC控制电路
3软件设计
3.1软件流程设计
软件流程如图3所示。

供水系统开始运行，系统上电之后若系统报警，则该系统不运行，系统会紧急停止采用手动模式并对系统进行维修；若变频器无故障，系统开始运行，通过触摸屏实现压力的设定值，PID的反馈为实际压力。

系统运行过程中，管网中的各类传感器采集数值上传给控制器，经过一个采样周期后，根据系统的设定值改变水泵的运行状态，使之达到最好的控制效果。

软件流程控制分为2种情况：①采集的水压小于先前设定压力值，继续监测其频率是否超出上限频率50Hz。

若小于50Hz，保持当前运行状态，继续进行管网水压采样；若大于50Hz，则采取增泵措施，此时#1泵由变频切换为工频运行，启动#2泵变频运行。

②采集的水压大于或等于先前设置的压力值，继续监测其频率是否大于频率下限10Hz。

若大于10Hz，则返回管网继续水压采样；若低于10Hz，说明需要采取减泵措施，此时#2泵停止运行，#1泵变频运行，当用水量很大时，启用#3备用泵。

0V
24V
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图3软件流程图
3.2PLC 程序设计
在供水系统控制部分中，程序使用结构化方式进
行编程，分为主程序、调用程序和中断程序。

除此之外，PLC 同时设计了FC1-FC8多个程序段循环执行，用于PID 控制。

其中，液位读取程序段如图4所示，供水泵工频运行程序段如图5所示。

图4
液位读取程序段
图5供水泵工频运行程序段
3.3
PID 控制
PID 控制器按其工作方式可分为自动控制和手动控制2种，即PID 控制器在完成首次自调整动作和工作期间自调整动作后即为自动控制工作状态。

PID_Compact 工艺对象将按照预定的控制器参数执行闭环控制；打开S7-1200项目树中的“工艺对象”，点击“新增对象”，找到“PID ”，选择PID_Compact 模
块，如图6
所示。

图6PID 模块选择
如果在控制器上位机组态窗口配置时勾选了“启用手动输入”，PID 控制器的输出将根据人工手动输入的值进行相应的调节，PID 调用程序如图7所示。

图7PID 调用程序
4仿真调试
系统采用Matlab2012软件的Simulink 平台对供水系统的PID 控制模块进行动态建模和仿真。

PID 模块参数修正后开始系统仿真，设置仿真时间为2000s ，示波器运行曲线如图8所示。

由图8可知，系统运行到500s 左右时PID 调节输出增量为0，变频器频率恒
定，系统达到稳定运行状态。

水压采样
≤50Hz
32000
＞10Hz
#1泵工频运行#2泵变频运行#2泵停止运行
#1泵变频运行
“#1泵变频启动”
“#2泵变频启动”
“#3泵变频启动_1”
≥设定
压力
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图8PID 仿真波形图
供水系统中压力变送器将实测压力值以电信号的形式传输至PID 控制器，与系统设定压力比较得出偏差，经过PID 控制算法计算后将控制信号以电压的形式传输至变频器，实现自动调节的功能。

当压强过高时，控制器控制电机减速；压强过低时，控制器控制电机提速，PID 在线监测如图9
所示。

图9PID 在线监测
该系统的监测和调试界面包括了系统的运行监测主界面和参数设置界面，用户可以在系统的主控界面上进行操作，并利用上面的按钮进行多个监视接口的切换，实现了多种监视。

系统监控自动控制运行界面如图10所示。

5结论
该系统由PLC 、变频器、人机界面和多种传感器、
摄像头等主要硬件设备构成，结构简单、操作灵活，通过人机交互界面，用户可以通过直观的方式实现对
供水系统的远程监测，并能实时掌握系统的工作状态，对报警信息进行及时处理。

该系统将部分数据和功能对用户开放，通过手机APP 可以实时监测各项参数，并且可以通过摄像头查看水中是否有异物，保障供水
水质。

图10自动控制界面
参考文献：
[1]
高锐，排非，彭华御，等.PLC 和SCADA 系统在二次供水系统中的应用[J].山西建筑，2020，46（8）：106-107，150.[2]欧惠玲.PLC 在城市二次供水标准泵房的平台建设与应用[J].
科技创新与应用，2020（8）：166-167.
[3]张万青，吴慧君，张珂.基于PLC 控制的二次加压供水程
序设计[J].信息与电脑（理论版），2021，33（11）：131-134.[4]陈经艳.基于PLC 和触摸屏的变频恒压供水控制系统设计[J].
软件，2022，43（3）：23-25.[5]
路桂明，蒋金周，刘晨光.基于三菱FX3U PLC 的恒压变频供水控制系统设计[J].现代制造技术与装备，2022，58（10）：206-209.
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作者简介：曹哲贤（2000—），男，江苏苏州人，本科在读，研究方向为工业自动化控制。

（编辑：丁琳）
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（上接第17页）
[16]阿斯哈，周长东，杨礼赣.复合加固木柱轴压特性试验研究[J].土木工程学报，2021，54（2）：1-9.
[17]
阿斯哈，周长东，杨礼赣.复合加固圆形短木柱轴心受压应力-应变关系[J].工程力学，2021，38（2）：168-178.
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作者简介：魏思田（2000—），女，辽宁大连人，硕士研究生在读。

（编辑：张超）
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