PLC與WinCC flexible在遠程供水系統(tǒng)中的應用

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(diào)速技術是一種新型成熟的交流電機無極調(diào)速技術，它以其獨特優(yōu)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(yè)中。由于安全生產(chǎn)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(diào)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(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(xiàn)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(tǒng)，既利用了變頻器調(diào)速技術優(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、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(diào)節(jié)異步電機的轉速，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速而實現(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(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉速[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確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數(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(wǎng)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(jù)管網(wǎng)壓力情況隨機調(diào)整2#泵的轉速，來達到恒壓供水的目的。當用水量變小，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現(xiàn)所需功能。

信號來源：輸配電設備網(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(diào)整其轉速，ABB ACS510變頻器功能強大，即預先編置好的參數(shù)集，將使用過程中所需設定的參數(shù)數(shù)量減小到最小，參數(shù)的缺省值依應用宏的選擇而不同。系統(tǒng)采用默認的宏進行邏輯控制?？删幊谈鶕?jù)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(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)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?？諝忾_關（QF）是當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/?？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，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。