PLC與WinCC flexible在遠程供水系統中的應用

0 引言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對城市供水的數量、質(zhì)量、穩定性提出了越來(lái)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(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，導致部分設備不能正常工作。變頻調速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機無(wú)極調速技術(shù)，它以其獨特優(yōu)良的控制性能被廣泛應用于速度控制領(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(zhù)嚴格的要求，因而變頻調速技術(shù)得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動(dòng)化程度高。

可編程序控制器（簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）由于具有功能強、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，它是當前電氣程控技術(shù)的主要實(shí)現手段。本工程采用德國西門(mén)子S7200與軟件WinCC flexible相結合，再連接ABB ACS510變頻器構成全自動(dòng)恒壓供水控制系統，既利用了變頻器調速技術(shù)優(yōu)良的控制性能，又利用了WinCC flexible監控軟件豐富的組態(tài)功能，操作方便，界面友好，與PLC通訊快捷。

1 工藝流程概述

變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵、電機、管道和閥門(mén)等構成。通常由異步電動(dòng)機驅動(dòng)水泵旋轉來(lái)供水，并且把電機和水泵連成一體，通過(guò)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(shí)現恒壓供水的，如圖1-1所示。因此，供水系統變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機的變頻調速。異步電動(dòng)機的變頻調速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉速而實(shí)現調速的。

圖1-1供水系統框圖

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軟件內的PID編程導向，與用戶(hù)設定的壓力值進(jìn)行比較，并將PID運算將結果通過(guò)PLC程序傳送到變頻器，以調整水泵電機的電源頻率，從而實(shí)現控制水泵轉速[2]。西門(mén)子軟件內部自帶的PID指令采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調節十分平滑和穩定。同時(shí)，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(shí)間常數，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統的調試更為簡(jiǎn)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(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)控制水泵運行。

控制過(guò)程：水路管網(wǎng)壓力低時(shí)，變頻器啟動(dòng)1#泵，至全速運行一段時(shí)間后，由遠傳壓力表來(lái)的壓力信號仍未到達設定值時(shí)，PLC控制1#泵由變頻切換到工頻滿(mǎn)頻運行，然后變頻啟動(dòng)2#泵運行，據管網(wǎng)壓力情況隨機調整2#泵的轉速，來(lái)達到恒壓供水的目的。當用水量變小，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行，變頻器啟動(dòng)1#泵，調整1#泵的轉速，維持恒壓供水，如此循環(huán)。

2 硬件組成：

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(shí)現所需功能。

信號來(lái)源：輸配電設備網(wǎng)安裝在管網(wǎng)干線(xiàn)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(guò)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(jìn)行邏輯控制?？删幊谈鶕銐簳r(shí)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(dòng)調節，改變頻率輸出值來(lái)調節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(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，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(dòng)和恒壓供水控制?？諝忾_(kāi)關(guān)（QF）是當電動(dòng)機過(guò)載時(shí)自動(dòng)將電動(dòng)機從電網(wǎng)中斷開(kāi)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(dòng)機的過(guò)載保護。

在切換工頻的電機，停車(chē)方式設定為自由停車(chē)[3]，切忌不能軟停車(chē)。接觸器KM2與KM4斷開(kāi)變頻器輸出與電動(dòng)機的連接，再用接觸器KM1與KM3接通工頻與電動(dòng)機，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(xiàn)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、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(shí)，變頻器需停機時(shí)，是先給出變頻器停止命令，變頻器停掉后，再斷開(kāi)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。