PLC與WinCC在遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
PLC與WinCC flexible在遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
0 引言
隨著社會經(jīng)濟的飛速發(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無極調(diào)速技術(shù)，它以其獨特優(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、水壓恒定、操作方便、運行可靠、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、可編程、智能化等特點已成為工業(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 遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)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、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵連成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的，如圖1-1所示。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)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(nèi)的PID編程導(dǎo)向，與用戶設(shè)定的壓力值進行比較，并將PID運算將結(jié)果通過PLC程序傳送到變頻器，以調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(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，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)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，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(wǎng)壓力低時，變頻器啟動1#泵，至全速運行一段時間后，由遠(yuǎn)傳壓力表來的壓力信號仍未到達(dá)設(shè)定值時，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(jù)管網(wǎng)壓力情況隨機調(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，2#泵降為零速時，管網(wǎng)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(wǎng)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(diào)整1#泵的轉(zhuǎn)速，維持恒壓供水，如此循環(huán)。
2 遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)硬件組成：
遠(yuǎn)程供水系統(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，調(diào)整其轉(zhuǎn)速，ABB ACS510變頻器功能強大，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)的宏進行邏輯控制。可編程根據(jù)恒壓時讀取的變頻器當(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)電動機過載時自動將電動機從電網(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(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(zhuǎn)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(yuǎn)程供水系統(tǒng)PLC程序設(shè)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(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實現(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；電機切換程序根據(jù)PID的運算輸出來決定兩個泵的運行狀態(tài)。PID子程序主要是對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行運算，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,調(diào)試和維護等操作簡單化。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)傻淖映绦颍涂梢酝瓿蒔ID控制任務(wù)。PID的運算數(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定時中斷，在用戶使用了PID向?qū)Ш螅⒁庠谄渌幊虝r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。
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(tǒng)作用下，變頻器開始運行，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，水壓仍低于設(shè)定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運行；同時，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運行，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，水壓仍高于設(shè)定值[5]，系統(tǒng)將工頻運行的一臺水泵關(guān)掉，繼續(xù)變頻運行另一臺水泵，使壓力重新達(dá)到設(shè)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(lián)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(zhuǎn)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(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)延時一段時間，然后工頻轉(zhuǎn)變頻接觸器轉(zhuǎn)換。
PLC設(shè)計一套變頻調(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(xiàn)場根據(jù)當(dāng)時的管網(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行狀態(tài)進行控制，每臺泵都有變頻、工頻和運行、停止按鈕。
4 遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)上位機控制程序設(shè)計
WinCC是西門子公司開發(fā)的上位機組態(tài)軟件，主要用于對生產(chǎn)過程進行監(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)進行監(jiān)視、控制、管理和集成等一系列的功能，同時也為用戶實現(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特的變量管理器，可以集中管理項目中的所有變量。
主監(jiān)控畫面如圖4-1所示，能夠?qū)崟r顯示工藝設(shè)備的狀態(tài)，能夠?qū)崟r顯示管網(wǎng)的壓力以及其它設(shè)備信息，點擊下面的按鈕可以進入相應(yīng)的界面，對現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)進一步的了解。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)進行修改,這樣用相對應(yīng)的權(quán)限來實現(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
此遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)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(jù)需要，設(shè)定壓力值，系統(tǒng)自動進行循環(huán)啟動，實現(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)實際需要水壓的變化自動調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，實現(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(shè)備的利用率得到提高，保證供水設(shè)備管理運行的可預(yù)見性，對用戶用水質(zhì)量進行遠(yuǎn)程管理，實時掌握設(shè)備運行情況，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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