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(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)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(hào)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(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)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(tái)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(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(yùn)行。

控制過程：水路管網(wǎng)壓力低時(shí)，變頻器啟動(dòng)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(hào)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(hào)，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(hào)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(hào)，利用PID控制宏自動(dòng)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(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(hào)，以確保兩臺(tái)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(tái)水泵。變頻器可以對(duì)任何一臺(tái)水泵啟動(dòng)和恒壓供水控制。空氣開關(guān)（QF）是當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)自動(dòng)將電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的連接，再用接觸器KM1與KM3接通工頻與電動(dòng)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(duì)變頻器的啟/?？刂疲菍⑤敵龆诉B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(duì)變頻器的沖擊。