摘要: 以德國西門子S7200系列的PLC作為控制核心，以WinCC flexible2008為監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程恒壓供水系統(tǒng)，其硬件主要有CPU226可編程控制器，ABB ACS510變頻器，SMART LINE觸摸屏等組成。完成恒壓供水系統(tǒng)的控制任務(wù)和現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，并由WinCC flexible2008軟件完成對系統(tǒng)的監(jiān)控。在現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行中表明,該系統(tǒng)合理的控制了小區(qū)供水管道的壓力,獲得較好的控制精度，減少了工人的勞動強(qiáng)度，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

關(guān)鍵詞：恒壓供水；PLC； WinCC flexible；變頻器；

中圖分類號:      文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

Application of PLC and WinCC flexible in The Control System of Remote Water supply

Wang hongjiao

(College of Automation and Electronic Engineering，Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042,China)

Abstract: The paper studied constant pressure water supply system which uses Siemens s7200 as a control core and WinCC flexible2008 as supervisory computer. Its hardware consists of Siemens CPU226, ABB ACS510   converter and SMART LINE Touch screen .The purpose of the system is to fulfill the control task and collect the field data. The WinCC flexible2008 can achieve the purpose monitoring the system. The actual result showed that the system can control the pressure of the water supplying pipeline reasonable and can acquire a good Control precision. Meanwhile, the laborer strength of the workers reduced and energy saving and consumption reduction are realized.

Keywords: Constant Pressure Water Supply；PLC；WinCC flexible；Converter

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越多的要求。在居民生活小區(qū)，傳統(tǒng)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(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù)，它以其獨(dú)特優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)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嚴(yán)格的要求，因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運(yùn)行可靠、節(jié)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(qiáng)、可編程、智能化等特點(diǎn)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中最主要的自動化裝置之一，它是當(dāng)前電氣程控技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)手段。本工程采用德國西門子S7200與軟件WinCC flexible相結(jié)合，再連接ABB ACS510變頻器構(gòu)成全自動恒壓供水控制系統(tǒng)，既利用了變頻器調(diào)速技術(shù)優(yōu)良的控制性能，又利用了WinCC flexible監(jiān)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 工藝流程概述

變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵連成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的，如圖1-1所示。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。

圖1-1供水系統(tǒng)框圖

Fig.1-1 Block diagram of the water supply system 

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(nèi)的PID編程導(dǎo)向，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并將PID運(yùn)算將結(jié)果通過PLC程序傳送到變頻器，以調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速^[2]。西門子軟件內(nèi)部自帶的PID指令采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑和穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡單、方便。

本系統(tǒng)由變頻器、PLC和兩臺水泵構(gòu)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)施變頻一拖二自動恒壓力供水，具有自動/手動切換功能。變頻故障時(shí)，可切換到手動控制水泵運(yùn)行。

控制過程：水路管網(wǎng)壓力低時(shí)，變頻器啟動1#泵，至全速運(yùn)行一段時(shí)間后，由遠(yuǎn)傳壓力表來的壓力信號仍未到達(dá)設(shè)定值時(shí)，PLC控制1#泵由變頻切換到工頻滿頻運(yùn)行，然后變頻啟動2#泵運(yùn)行，據(jù)管網(wǎng)壓力情況隨機(jī)調(diào)整2#泵的轉(zhuǎn)速，來達(dá)到恒壓供水的目的。當(dāng)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(yùn)行，變頻器啟動1#泵，調(diào)整1#泵的轉(zhuǎn)速，維持恒壓供水，如此循環(huán)。

2 硬件組成：

系統(tǒng)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(xiàn)所需功能。

信號來源：輸配電設(shè)備網(wǎng)安裝在管網(wǎng)干線上的壓力傳感器，用于檢測管網(wǎng)的水壓，將壓力轉(zhuǎn)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(jī)的控制設(shè)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(jī)，調(diào)整其轉(zhuǎn)速，ABB ACS510變頻器功能強(qiáng)大，即預(yù)先編置好的參數(shù)集，將使用過程中所需設(shè)定的參數(shù)數(shù)量減小到最小，參數(shù)的缺省值依應(yīng)用宏的選擇而不同。系統(tǒng)采用默認(rèn)的宏進(jìn)行邏輯控制?？删幊谈鶕?jù)恒壓時(shí)讀取的變頻器當(dāng)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(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)所控制的水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證管網(wǎng)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(yùn)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(guān)（QF）是當(dāng)電動機(jī)過載時(shí)自動將電動機(jī)從電網(wǎng)中斷開熱繼電器（FR）是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中用作電動機(jī)的過載保護(hù)。

在切換工頻的電機(jī)，停車方式設(shè)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(jī)的連接，再用接觸器KM1與KM3接通工頻與電動機(jī)，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(jī)、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(yùn)

轉(zhuǎn)命令；變頻切換工頻時(shí)，變頻器需停機(jī)時(shí)，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(shí)間間隙，較好地避免了對變頻器的沖擊。

圖1-2供水系統(tǒng)主電路圖

Fig.1-2 The main circuit of the water supply system

3 PLC程序設(shè)計(jì)

3.1自動運(yùn)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(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語句表的相互轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)程序包括主程序和電機(jī)切換程序，PID子程序。主程序主要作用是調(diào)用其他子程序；電機(jī)切換程序根據(jù)PID的運(yùn)算輸出來決定兩個泵的運(yùn)行狀態(tài)。PID子程序主要是對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，以達(dá)到安全穩(wěn)定的控制精度。數(shù)據(jù)采集程序用于將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集到PLC中，用于PID控制以及在觸摸屏中顯示，便于現(xiàn)場操作。

1.主程序：主程序的作用是初始化子程序,調(diào)度子程序,降低程序復(fù)雜度,使程序的設(shè)計(jì),調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化。在主程序中，設(shè)置兩個變頻器頻率上下限到達(dá)濾波時(shí)間繼電器，用于穩(wěn)定系統(tǒng)。

2.PID子程序：Micro/WIN提供了PID Wizard（PID指令向?qū)В梢詭椭脩舴奖愕厣梢粋€閉環(huán)控制過程的PID算法。此向?qū)Э梢酝瓿山^大多數(shù)PID運(yùn)算的自動編程，用戶只需在主程序中調(diào)用PID向?qū)傻淖映绦?，就可以完成PID控制任務(wù)。PID的運(yùn)算數(shù)據(jù)存儲區(qū)是自動分配的，向?qū)⒆詣訛槠鋮?shù)表分配符號名，用戶不要再自己為這些參數(shù)分配符號名，否則將導(dǎo)致PID控制不執(zhí)行^[4]。PID向?qū)е袛嘤玫氖荢MB34定時(shí)中斷，在用戶使用了PID向?qū)Ш?，注意在其它編程時(shí)不要再用此中斷，也不要向SMB34中寫入新的數(shù)值，否則PID將停止工作。為保證PID子程序的正常運(yùn)行，必須用SM0.0來使能PID子程序，SM0.0后不能串聯(lián)任何其他條件，而且也不能有越過它的跳轉(zhuǎn)；如果在子程序中調(diào)用 PID子程序，則調(diào)用它的子程序也必須僅使用SM0.0調(diào)用。

圖3-1 PLC控制主流程圖

Fig.3-1 Flow chart of PLC control

3.電機(jī)切換程序：包括加電機(jī)程序和減電機(jī)程序，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運(yùn)行，啟動第一臺水泵M1，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1在PLC和變頻器的控制下處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，水壓仍低于設(shè)定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行；同時(shí)，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。

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

在電機(jī)切換程序中，從變頻器輸出端切斷電機(jī)的接觸器，其控制啟動按鈕與變頻器啟動按鈕聯(lián)鎖，即啟動接觸器接通電機(jī)后，變頻方可啟動；電動機(jī)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(jī)的接觸器的常閉觸點(diǎn)控制，保證變頻器輸出端切斷電機(jī)后接入工頻； 

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

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

PLC設(shè)計(jì)一套變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化自動調(diào)節(jié)兩臺水泵的轉(zhuǎn)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(shè)定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。

該系統(tǒng)也可以通過人意修改參數(shù)指令（如壓力設(shè)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(hù)措施，對過流、過壓、欠壓、過載、斷水等故障均能自行診斷并報(bào)警。

3.2手動運(yùn)行模式：

在PLC或者變頻器故障的情況下，操作人員可以在現(xiàn)場根據(jù)當(dāng)時(shí)的管網(wǎng)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(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，每臺泵都有變頻、工頻和運(yùn)行、停止按鈕。

4上位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

WinCC是西門子公司開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，主要用于對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控，基于微軟公司的Windows2000或Windows NT操作系統(tǒng)，作為一款監(jiān)控軟件，能提供對工業(yè)自動化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制、管理和集成等一系列的功能，同時(shí)也為用戶實(shí)現(xiàn)這些功能的組態(tài)過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(dá) 187.5kb/s高端的ARM處理器，主頻達(dá)到400MHz，使數(shù)據(jù)處理更快，畫面顯示更流暢擁有獨(dú)特的變量管理器，可以集中管理項(xiàng)目中的所有變量。

圖4-1主控站監(jiān)控畫面

Fig.4-1 HMI of control system

主監(jiān)控畫面如圖4-1所示，能夠?qū)崟r(shí)顯示工藝設(shè)備的狀態(tài)，能夠?qū)崟r(shí)顯示管網(wǎng)的壓力以及其它設(shè)備信息，點(diǎn)擊下面的按鈕可以進(jìn)入相應(yīng)的界面，對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步的了解。此外,該監(jiān)控系統(tǒng)還提供了登陸用戶、退出用戶、修改密碼等功能,設(shè)定了兩個權(quán)限,一個為操作權(quán)限,此權(quán)限僅能監(jiān)控；另一個為維修權(quán)限,可以對系統(tǒng)進(jìn)行修改,這樣用相對應(yīng)的權(quán)限來實(shí)現(xiàn)相對應(yīng)的操作，有效的保證了系統(tǒng)操作的安全性。

5 結(jié)語

此控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠，極大地提高了供水效率，降低的對水資源的浪費(fèi)。可以根據(jù)需要，設(shè)定壓力值，系統(tǒng)自動進(jìn)行循環(huán)啟動，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好。變頻恒壓供水系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要水壓的變化自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。且在變頻工況下其出口流量小于額定流量，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。操作人員的工作量和勞動強(qiáng)度大大降低，能源和設(shè)備的利用率得到提高，保證供水設(shè)備管理運(yùn)行的可預(yù)見性，對用戶用水質(zhì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況，并對設(shè)備管理提供科學(xué)的依據(jù)，為用戶提供安全、環(huán)保、節(jié)能和高效的用水質(zhì)量。

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