PLC與WinCC flexible在遠程供水系統中的應用

0 引言

      隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對城市供水的數量、質(zhì)量、穩定性提出了越來(lái)越多的要求。在居民生活小區，傳統供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而最主要的缺點(diǎn)是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變頻調速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機無(wú)極調速技術(shù)，它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應用于速度控制領(lǐng)域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著(zhù)嚴格的要求，因而變頻調速技術(shù)得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動(dòng)化程度高。

      可編程序控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）由于具有功能強、可編程、智能化等特點(diǎn)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中最主要的自動(dòng)化裝置之一，它是當前電氣程控技術(shù)的主要實(shí)現手段。本工程采用德國西門(mén)子S7200與軟件WinCC flexible相結合，再連接ABB ACS510變頻器構成全自動(dòng)恒壓供水控制系統，既利用了變頻器調速技術(shù)優(yōu)良的控制性能，又利用了WinCC flexible監控軟件豐富的組態(tài)功能，操作方便，界面友好，與PLC通訊快捷。

1 遠程供水系統工藝流程概述

      變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵、電機、管道和閥門(mén)等構成。通常由異步電動(dòng)機驅動(dòng)水泵旋轉來(lái)供水，并且把電機和水泵連成一體，通過(guò)變頻器調節異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現恒壓供水的，如圖1-1所示。因此，供水系統變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機的變頻調速。異步電動(dòng)機的變頻調速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉速而實(shí)現調速的。

      水壓由壓力傳感器的信號4-20mA送入PLC控制器，利用S7200軟件內的PID編程導向，與用戶(hù)設定的壓力值進(jìn)行比較，并將PID運算將結果通過(guò)PLC程序傳送到變頻器，以調整水泵電機的電源頻率，從而實(shí)現控制水泵轉速[2]。西門(mén)子軟件內部自帶的PID指令采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調節十分平滑和穩定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時(shí)間常數，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統的調試更為簡(jiǎn)單、方便。

      本系統由變頻器、PLC和兩臺水泵構成。利用了PLC程序控制的PID等相關(guān)功能，與變頻器配合實(shí)施變頻一拖二自動(dòng)恒壓力供水，具有自動(dòng)/手動(dòng)切換功能。變頻故障時(shí)，可切換到手動(dòng)控制水泵運行。

      控制過(guò)程：水路管網(wǎng)壓力低時(shí)，變頻器啟動(dòng)1#泵，至全速運行一段時(shí)間后，由遠傳壓力表來(lái)的壓力信號仍未到達設定值時(shí)，PLC控制1#泵由變頻切換到工頻滿(mǎn)頻運行，然后變頻啟動(dòng)2#泵運行，據管網(wǎng)壓力情況隨機調整2#泵的轉速，來(lái)達到恒壓供水的目的。當用水量變小，管網(wǎng)壓力變高時(shí)，2#泵降為零速時(shí)，管網(wǎng)壓力仍高，則PLC控制停掉1#工頻泵，由2#泵實(shí)施恒壓供水。至管網(wǎng)壓力又低時(shí)，將2#泵由變頻切為工頻運行，變頻器啟動(dòng)1#泵，調整1#泵的轉速，維持恒壓供水，如此循環(huán)。

2 遠程供水系統硬件組成：

      遠程供水系統采用壓力傳感器、PLC和ABB ACS510變頻器作為中心控制裝置以實(shí)現所需功能。

      信號來(lái)源：輸配電設備網(wǎng)安裝在管網(wǎng)干線(xiàn)上的壓力傳感器，用于檢測管網(wǎng)的水壓，將壓力轉化為4-20mA的電流信號，提供給可編程控制器。ABB ACS510變頻器是水泵電機的控制設備，能按照水壓恒定需要將0～50 Hz的頻率信號供給水泵電機，調整其轉速，ABB ACS510變頻器功能強大，即預先編置好的參數集，將使用過(guò)程中所需設定的參數數量減小到最小，參數的缺省值依應用宏的選擇而不同。系統采用默認的宏進(jìn)行邏輯控制?？删幊谈鶕銐簳r(shí)讀取的變頻器當前頻率值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號，利用PID控制宏自動(dòng)調節，改變頻率輸出值來(lái)調節所控制的水泵電機轉速，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。在兩個(gè)泵的各個(gè)主回路中有智能電量變送器，用于測量主回路中每一路的電流和電壓，給PLC模擬量輸入信號，以確保兩臺水泵的安全可靠運行。

      恒壓供水主電路圖如圖1-2所示，接觸器KM2、KM4分別接到變頻的輸出端，分別連接1#水泵和2#水泵。而接觸器KM1、KM3將工頻電源分別接到兩臺水泵。變頻器可以對任何一臺水泵啟動(dòng)和恒壓供水控制?？諝忾_(kāi)關(guān)（QF）是當電動(dòng)機過(guò)載時(shí)自動(dòng)將電動(dòng)機從電網(wǎng)中斷開(kāi)熱繼電器（FR）是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中用作電動(dòng)機的過(guò)載保護。

      在切換工頻的電機，停車(chē)方式設定為自由停車(chē)[3]，切忌不能軟停車(chē)。接觸器KM2與KM4斷開(kāi)變頻器輸出與電動(dòng)機的連接，再用接觸器KM1與KM3接通工頻與電動(dòng)機，用控制變頻的接觸器的常閉觸點(diǎn)去接通控制工頻的接觸器電磁線(xiàn)圈，即控制變頻的接觸器和控制工頻的接觸器一定要互鎖。這樣就保證了變頻器的輸出端與工頻不可能短接，避免切換時(shí)造成炸機、跳閘等故障。

      對變頻器的啟/?？刂?，是將輸出端連接的交流接觸器是先接通，然后再給出變頻器運

      轉命令；變頻切換工頻時(shí)，變頻器需停機時(shí)，是先給出變頻器停止命令，變頻器停掉后，再斷開(kāi)接觸器的。其中有0.5s的時(shí)間間隙，較好地避免了對變頻器的沖擊。 

3 遠程供水系統PLC程序設計

3.1自動(dòng)運行模式：

      西門(mén)子系列PLC編程采用STEP7軟件，它是西門(mén)子PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線(xiàn)編程和在線(xiàn)連接和調試，并能實(shí)現梯形圖與語(yǔ)句表的相互轉換。

      系統程序包括主程序和電機切換程序，PID子程序。主程序主要作用是調用其他子程序；電機切換程序根據PID的運算輸出來(lái)決定兩個(gè)泵的運行狀態(tài)。PID子程序主要是對現場(chǎng)采集的數據進(jìn)行運算，以達到安全穩定的控制精度。數據采集程序用于將現場(chǎng)的數據采集到PLC中，用于PID控制以及在觸摸屏中顯示，便于現場(chǎng)操作。

      1.主程序：主程序的作用是初始化子程序,調度子程序,降低程序復雜度,使程序的設計,調試和維護等操作簡(jiǎn)單化。在主程序中，設置兩個(gè)變頻器頻率上下限到達濾波時(shí)間繼電器，用于穩定系統。

     2.PID子程序：Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向導），可以幫助用戶(hù)方便地生成一個(gè)閉環(huán)控制過(guò)程的PID算法。此向導可以完成絕大多數PID運算的自動(dòng)編程，用戶(hù)只需在主程序中調用PID向導生成的子程序，就可以完成PID控制任務(wù)。PID的運算數據存儲區是自動(dòng)分配的，向導將自動(dòng)為其參數表分配符號名，用戶(hù)不要再自己為這些參數分配符號名，否則將導致PID控制不執行[4]。PID向導中斷用的是SMB34定時(shí)中斷，在用戶(hù)使用了PID向導后，注意在其它編程時(shí)不要再用此中斷，也不要向SMB34中寫(xiě)入新的數值，否則PID將停止工作。為保證PID子程序的正常運行，必須用SM0.0來(lái)使能PID子程序，SM0.0后不能串聯(lián)任何其他條件，而且也不能有越過(guò)它的跳轉；如果在子程序中調用 PID子程序，則調用它的子程序也必須僅使用SM0.0調用。

      3.電機切換程序：包括加電機程序和減電機程序，在控制系統作用下，變頻器開(kāi)始運行，啟動(dòng)第一臺水泵M1，當輸出壓力達到設定值，轉速才穩定到某一定值，這期間M1在PLC和變頻器的控制下處在調速運行狀態(tài)。當用水量繼續增加，變頻器輸出頻率達到工頻時(shí)，水壓仍低于設定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運行；同時(shí)，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運行，系統恢復對水壓的閉環(huán)調節，直到水壓達到設定值為止。

      降壓控制：當用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至PLC程序中設定的變頻器下限頻率時(shí)，水壓仍高于設定值[5]，系統將工頻運行的一臺水泵關(guān)掉，繼續變頻運行另一臺水泵，使壓力重新達到設定值。

      在電機切換程序中，從變頻器輸出端切斷電機的接觸器，其控制啟動(dòng)按鈕與變頻器啟動(dòng)按鈕聯(lián)鎖，即啟動(dòng)接觸器接通電機后，變頻方可啟動(dòng)；電動(dòng)機接入工頻的接觸器，其線(xiàn)圈控制回路由變頻器輸出端切斷電機的接觸器的常閉觸點(diǎn)控制，保證變頻器輸出端切斷電機后接入工頻；

      用plc控制切換過(guò)程時(shí)，變頻自由停車(chē)到切除電機要有0.1秒的延時(shí)，由電機從變頻切除到工頻接通要有0.2－0.4秒的延時(shí)，整個(gè)過(guò)程最多0.5秒完成；

      工頻轉變頻的操作，首先切斷工頻與電機的連接，然后接通變頻輸出與電機的連接。變頻轉工頻的操作，首先要斷開(kāi)變頻器的輸出，為保證轉換瞬間不跳閘，適當延時(shí)一段時(shí)間，然后工頻轉變頻接觸器轉換。

      PLC設計一套變頻調速恒壓供水系統，該系統可根據管網(wǎng)瞬間壓力變化自動(dòng)調節兩臺水泵的轉速及其投入與退出[6]，使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，并滿(mǎn)足用戶(hù)的流量需求，使整個(gè)系統始終保持高效節能的最佳狀態(tài)。 

      該系統也可以通過(guò)人意修改參數指令（如壓力設定值、控制順序、壓力上下限、PID值等）；具有完善的電氣安全保護措施，對過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、斷水等故障均能自行診斷并報警。

3.2手動(dòng)運行模式：

       在PLC或者變頻器故障的情況下，操作人員可以在現場(chǎng)根據當時(shí)的管網(wǎng)壓力的需要，利用控制柜面上的按鈕開(kāi)對兩臺泵的啟停和變頻工頻運行狀態(tài)進(jìn)行控制，每臺泵都有變頻、工頻和運行、停止按鈕。

4 遠程供水系統上位機控制程序設計

       WinCC是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的上位機組態(tài)軟件，主要用于對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監控，基于微軟公司的Windows2000或Windows NT操作系統，作為一款監控軟件，能提供對工業(yè)自動(dòng)化系統進(jìn)行監視、控制、管理和集成等一系列的功能，同時(shí)也為用戶(hù)實(shí)現這些功能的組態(tài)過(guò)程提供了豐富和易于使用的手段和工具。 采用PPI通訊協(xié)議確保組態(tài)軟件能夠與S7-200建立高速無(wú)縫的連接[7]，集成的RS422/485通訊口使觸摸屏與PLC的通訊更加靈活，通信速率高達 187.5kb/s高端的ARM處理器，主頻達到400MHz，使數據處理更快，畫(huà)面顯示更流暢擁有獨特的變量管理器，可以集中管理項目中的所有變量。

      主監控畫(huà)面如圖4-1所示，能夠實(shí)時(shí)顯示工藝設備的狀態(tài)，能夠實(shí)時(shí)顯示管網(wǎng)的壓力以及其它設備信息，點(diǎn)擊下面的按鈕可以進(jìn)入相應的界面，對現場(chǎng)設備的運行狀態(tài)進(jìn)一步的了解。此外,該監控系統還提供了登陸用戶(hù)、退出用戶(hù)、修改密碼等功能,設定了兩個(gè)權限,一個(gè)為操作權限,此權限僅能監控；另一個(gè)為維修權限,可以對系統進(jìn)行修改,這樣用相對應的權限來(lái)實(shí)現相對應的操作，有效的保證了系統操作的安全性。

5 結語(yǔ)

      此遠程供水系統運行可靠，極大地提高了供水效率，降低的對水資源的浪費?？梢愿鶕枰?，設定壓力值，系統自動(dòng)進(jìn)行循環(huán)啟動(dòng)，實(shí)現恒壓供水，系統的響應速度快，穩定性好。變頻恒壓供水系統根據實(shí)際需要水壓的變化自動(dòng)調節水泵的轉速，實(shí)現恒壓供水。且在變頻工況下其出口流量小于額定流量，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(cháng)泵和電動(dòng)機的機械使用壽命。操作人員的工作量和勞動(dòng)強度大大降低，能源和設備的利用率得到提高，保證供水設備管理運行的可預見(jiàn)性，對用戶(hù)用水質(zhì)量進(jìn)行遠程管理，實(shí)時(shí)掌握設備運行情況，并對設備管理提供科學(xué)的依據，為用戶(hù)提供安全、環(huán)保、節能和高效的用水質(zhì)量。