【導讀】速恒壓供水系統(tǒng),并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運行管理界面。系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機等構成。本系統(tǒng)包含三臺水泵電機，它們組成變頻循環(huán)運行方式。壓力傳感器檢測當前水壓信號，送入PLC與設定值比較后進行PID運。供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設定值附近。通過工控機與PLC的連接，

　　

【正文】 系統(tǒng)采用西門子公司S7200 系列 PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強，性能優(yōu)越。 PLC 主要是用于實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對 水泵的操作要有手動 /自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中 SA 為手動 /自動轉換開關， SA打在 1 的位置為手動控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕 SB1~SB6 控制三臺水泵的啟 /停；自動運行時，系統(tǒng)在 PLC程序控制下運行。 圖中的 HL10 為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復位是山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計 26 只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器 KA 的觸點對變頻器進行復頻控制。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點，他們旁邊的 8 等數(shù)字為接線編號，可結合下節(jié)中圖 一起讀圖。 S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC 各 I/O 端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O端口分配中將詳細介紹。 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計 27 本系統(tǒng)在手動 /自動控制下的運行過程如下： (1) 手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機故障的檢測與維修。單刀雙擲開關 SA 打至 1 端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關分別控制三臺水泵電機在工頻下的運行和停止。 SB1 按下時由 于 KM2 常閉觸點接通電路使得 KM1 的線圈得電， KM1 的常開觸點閉合從而實現(xiàn)自鎖功能，電機 M1 可以穩(wěn)定的運行在工頻下。只有當 SB2按下時才會切斷電路， KM1 線圈失電，電機 M1 停止運行。同理，可以通過按下 SB SB5 啟動電機 M M3，通過按下 SB SB6 來使電機M M3 停機。 （ 2）自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。單刀雙擲開關 SA 打至 2 端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC 程序控制。 輸出 1水泵工頻運行信號， 輸出 1水泵變頻運行信號，當 輸出 1 時， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運行指示燈HL1 點亮，同時 KM1 的常閉觸點斷開，實現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖。當 輸出 1 時， KM2 線圈得電， 1水泵變頻運行指示燈 HL2 點亮，同時 KM2 的常閉觸點斷開，實現(xiàn) KM KM1 的電氣互鎖。同理， 3水泵的控制原理也是如此。當 輸出 1 時，水池水位上下限報警指示燈 HL7 點亮；當 輸出 1 時，變頻器故障報警指示燈 HL8 點亮；當 輸出 1 時，白天供水模式指示燈 HL9 點亮；當 輸出 1 時，報警電鈴 HA 響起；當 輸出 1 時，中間繼電器 KA 的線圈得電 ，常開觸點 KA 閉合使得變頻器的頻率復位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點亮。 PLC 的 I/O 端口分配及外圍接線圖 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計的基本要求如下： 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計 28 (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工 作時間過長。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。 (3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。 (4) 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動 /自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報警功能。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表 所示。 表 輸入輸出點代碼及地址編號 名 稱 代 碼 地址編號 輸入信號 供水模式信號 (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號 SLHL 變頻器報警信號 SU 試燈按鈕 SB7 壓力變送器輸出模擬量電壓值 Up AIW0 輸出信1泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL3 2泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL4 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計 29 號 3泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL5 3泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號 水池水位上下限報警指示燈 HL7 變頻器故障報警指示燈 HL8 白天模式運行指示燈 HL9 報警電鈴 HA 變頻器頻率復位控制 KA 變頻器輸入電壓信號 Uf AQW0 結合系統(tǒng)控制電路圖 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫出 PLC 及擴展模塊外圍接線圖，如圖 所示： 1M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。AC。C P U 2 2 6 C N2RS485MV0M0地L+RAA+I0BB+RBADD+RDCC+RC偏移配置增益E M 2 3 5I 0 I 1 I 2Q 0 Q 1S A 1窗 口比 較 器液 位變 送 器水 位 上 下限 信 號S US L H LS B 74 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1＋ －壓 力 變 送 器 輸出 壓 力 信 號輸 入 變 頻 器圖 PLC 及擴展模塊外圍接線圖 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其 中包括 4 個數(shù)字量和 1 個模擬山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計 30 量。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC 的擴展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關 SA1 用來控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開關量輸入 ；液位變送器把測得的水池水位轉換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報警信號；開關 SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11 個數(shù)字 量輸出信號和 1個模擬量輸出信號。~ 分別輸出三臺水泵電機的工頻 /變頻運行信號； 輸出水位超限報警信號； 輸出變頻器故障報警信號； 輸出白天模式運行信號； 輸出報警電鈴信號； 輸出變頻器復位控制信號； AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。 圖 只是簡單的表明 PLC 及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方面的抗干擾措施； (3) 輸出方面的保護措施； (4) 系統(tǒng)的保護措施等。山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的軟件設計 31 4 系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)軟件設計分析 硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結合泵站的控制要求，對泵站軟件設計分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。判斷需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出頻率達到設定的上限值。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應考慮采取時間濾波。 (2) 多泵組泵站泵組管 理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運要有個管理規(guī)范。在本設計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過 3h，因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。具體的操作是：將現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設計中使用泵號加 1 的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 (3) 程序的結構及程 序功能的實現(xiàn) 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID 控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號的生山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的軟件設計 32 成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設定的。白天模式系統(tǒng)設定值為滿量程的 90%，夜間模式系統(tǒng)設定值為滿量程的 70%。 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 所示。 表 程序中使用的 PLC 元件及其功能 器件地址 功 能 器件地址 功 能 VD100 過程變量標準化值 T37 工頻泵增泵濾波時間控制 VD104 壓力給定值 T38 工頻泵減泵濾波時間控制 VD108 PID 計算值 故障結束脈沖信號 VD112 比例系數(shù) Kc 水泵變頻啟動脈沖 (增泵 ) VD116 采樣時間 Ts 水泵變頻啟動脈沖 (減泵 ) VD120 積分時間 Ti 倒泵變頻啟動脈沖 VD124 微分時間 Td 復位當前變頻泵運行脈沖 VD204 變頻運行頻率下限值 當前泵工頻運行啟動脈沖 VD208 變頻運行頻率上限值 新泵變頻啟動脈沖 VD250 PID 調(diào)節(jié)結果存儲單元 泵工頻 /變頻轉換邏輯控制 VB300 變頻工作泵的泵號 泵工頻 /變頻轉換邏輯控制 VB301 工頻運行泵的總臺數(shù) 泵工頻 /變頻轉換邏輯控制 VD310 變頻運行時間存儲器 故障信號匯總 T33 工頻 /變頻轉換邏輯控制 水池水位越限邏輯 T34 工頻 /變頻轉換邏 輯控制 T35 工頻 /變頻轉換邏輯控制 山東科技大學學士學