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PLC與WinCC flexible在遠程供水系統中的應用

 

0 引言

      隨著社會經濟的飛速發展，人們對城市供水的數量、質量、穩定性提出了越來越多的要求。在居民生活小區，傳統供水方式占地面積大，水質易污染，基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術，它以其獨特優良的控制性能被廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業中。由于安全生產和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動化程度高。

      可編程序控制器（簡稱PLC）由于具有功能強、可編程、智能化等特點已成為工業控制領域中最主要的自動化裝置之一，它是當前電氣程控技術的主要實現手段。本工程采用德國西門子S7200與軟件WinCC flexible相結合，再連接ABB ACS510變頻器構成全自動恒壓供水控制系統，既利用了變頻器調速技術優良的控制性能，又利用了WinCC flexible監控軟件豐富的組態功能，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、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵連成一體，通過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現恒壓供水的，如圖1-1所示。因此，供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。

      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，與用戶設定的壓力值進行比較，并將PID運算將結果通過PLC程序傳送到變頻器，以調整水泵電機的電源頻率，從而實現控制水泵轉速[2]。西門子軟件內部自帶的PID指令采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑和穩定。同時，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間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試更為簡單、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等相關功能，與變頻器配合實施變頻一拖二自動恒壓力供水，具有自動/手動切換功能。變頻故障時，可切換到手動控制水泵運行。

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

 

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現所需功能。

      信號來源：輸配電設備網安裝在管網干線上的壓力傳感器，用于檢測管網的水壓，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行邏輯控制。可編程根據恒壓時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控制宏自動調節，改變頻率輸出值來調節所控制的水泵電機轉速，以保證管網壓力恒定要求。在兩個泵的各個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和恒壓供水控制。空氣開關（QF）是當電動機過載時自動將電動機從電網中斷開熱繼電器（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機的過載保護。

      在切換工頻的電機，停車方式設定為自由停車[3]，切忌不能軟停車。接觸器KM2與KM4斷開變頻器輸出與電動機的連接，再用接觸器KM1與KM3接通工頻與電動機，用控制變頻的接觸器的常閉觸點去接通控制工頻的接觸器電磁線圈，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，避免切換時造成炸機、跳閘等故障。

      對變頻器的啟/停控制，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，變頻器需停機時，是先給出變頻器停止命令，變頻器停掉后，再斷開接觸器的。其中有0.5s的時間間隙，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自動運行模式：

      西門子系列PLC編程采用STEP7軟件，它是西門子PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的相互轉換。

      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的運算輸出來決定兩個泵的運行狀態。PID子程序主要是對現場采集的數據進行運算，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單化。在主程序中，設置兩個變頻器頻率上下限到達濾波時間繼電器，用于穩定系統。

     2.PID子程序：Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向導），可以幫助用戶方便地生成一個閉環控制過程的PID算法。此向導可以完成絕大多數PID運算的自動編程，用戶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。PID的運算數據存儲區是自動分配的，向導將自動為其參數表分配符號名，用戶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定時中斷，在用戶使用了PID向導后，注意在其它編程時不要再用此中斷，也不要向SMB34中寫入新的數值，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來使能PID子程序，SM0.0后不能串聯任何其他條件，而且也不能有越過它的跳轉；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，變頻器開始運行，啟動第一臺水泵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。當用水量繼續增加，變頻器輸出頻率達到工頻時，水壓仍低于設定值，由PLC控制切換至工頻電網后恒速運行；同時，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，水壓仍高于設定值[5]，系統將工頻運行的一臺水泵關掉，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，其控制啟動按鈕與變頻器啟動按鈕聯鎖，即啟動接觸器接通電機后，變頻方可啟動；電動機接入工頻的接觸器，其線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控制切換過程時，變頻自由停車到切除電機要有0.1秒的延時，由電機從變頻切除到工頻接通要有0.2－0.4秒的延時，整個過程最多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，首先要斷開變頻器的輸出，為保證轉換瞬間不跳閘，適當延時一段時間，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，該系統可根據管網瞬間壓力變化自動調節兩臺水泵的轉速及其投入與退出[6]，使管網主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個系統始終保持高效節能的最佳狀態。 

      該系統也可以通過人意修改參數指令（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，對過流、過壓、欠壓、過載、斷水等故障均能自行診斷并報警。

3.2手動運行模式：

       在PLC或者變頻器故障的情況下，操作人員可以在現場根據當時的管網壓力的需要，利用控制柜面上的按鈕開對兩臺泵的啟停和變頻工頻運行狀態進行控制，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是西門子公司開發的上位機組態軟件，主要用于對生產過程進行監控，基于微軟公司的Windows2000或Windows NT操作系統，作為一款監控軟件，能提供對工業自動化系統進行監視、控制、管理和集成等一系列的功能，同時也為用戶實現這些功能的組態過程提供了豐富和易于使用的手段和工具。 采用PPI通訊協議確保組態軟件能夠與S7-200建立高速無縫的連接[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。

      主監控畫面如圖4-1所示，能夠實時顯示工藝設備的狀態，能夠實時顯示管網的壓力以及其它設備信息，點擊下面的按鈕可以進入相應的界面，對現場設備的運行狀態進一步的了解。此外,該監控系統還提供了登陸用戶、退出用戶、修改密碼等功能,設定了兩個權限,一個為操作權限,此權限僅能監控；另一個為維修權限,可以對系統進行修改,這樣用相對應的權限來實現相對應的操作，有效的保證了系統操作的安全性。

 

5 結語

      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。可以根據需要，設定壓力值，系統自動進行循環啟動，實現恒壓供水，系統的響應速度快，穩定性好。變頻恒壓供水系統根據實際需要水壓的變化自動調節水泵的轉速，實現恒壓供水。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熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。操作人員的工作量和勞動強度大大降低，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性，對用戶用水質量進行遠程管理，實時掌握設備運行情況，并對設備管理提供科學的依據，為用戶提供安全、環保、節能和高效的用水質量。